Bauen wie die Römer

Der zeichnet sich dadurch aus, dass er bemerkenswert stabil ist, Risse von selbst kittet und deshalb besonders langlebig ist. Die römischen Baumeister konnten ihn so zusammenmischen, dass er anders als der normale heutige Zement Salzwasser widerstand und Hafenanlagen zu dauerhaften Bauwerken machte. Sein heute vielleicht überzeugendster Vorzug: Bei seiner Produktion wurde weniger CO₂ freigesetzt als bei der Herstellung von modernem Zement. Wie die Römer diese Eigenschaften erreicht haben, ist bis heute nicht völlig klar.

Vor allem die Klimafreundlichkeit und Langlebigkeit des römischen Betons haben es der Materialwissenschaft angetan – auch dem Team des Ricimer-Projekts, in dem Forschende der Abteilung Nanochemie unter Leitung von Bettina Lotsch am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik in Holzkirchen kooperieren. Ricimer war ein spätrömischer Heerführer, steht hier aber für Roman inspired cement innovation by multianalytical enhanced research – ein von der Max-Planck- und Fraunhofer-Gesellschaft gefördertes Projekt.

Beton nachhaltiger zu machen, ist dringend geboten. Denn für Beton werden jährlich weltweit rund vier Milliarden Tonnen Zement hergestellt, und die Zementindus­trie trägt schätzungsweise rund acht Prozent zu den globalen CO₂-Emissionen bei. Helfen würde da schon, wenn Bauwerke länger stünden. "Beton hält in den gemäßigten Breiten etwa 70 Jahre, in den Tropen höchstens 30", sagt Sebastian Bette, der das Ricimer-Projekt am Max-Planck-Institut betreut. Dann muss ein Bauwerk repariert werden, und oft hilft nur abreißen und neu bauen. Um die Haltbarkeit zu erhöhen und auf diese Weise die CO₂-Emissionen zu senken, sucht das Ricimer-Team Inspiration bei den Römern. Doch die ist nicht so leicht zu finden. "Unser Wissen über römischen Beton ist begrenzt", sagt Sebastian Bette. "Die Römer haben über ihren Beton zwar viel aufgeschrieben, das ist aber nicht immer aufschlussreich." In den Aufzeichnungen werden auch Wein, Öl und Essig als Zutaten erwähnt. Warum sie untergemischt wurden, ist aber unklar. Möglicherweise sollten Essig- und Weinsäure die Aushärtung beeinflussen. Auch wie römischer Beton erfunden wurde, haben die Jahrtausende vernebelt. Angefangen hat es vermutlich mit Mörtel zwischen Steinblöcken. Mit der Zeit wurden die Steine immer kleiner und der Anteil des Mörtels immer größer, bis man schließlich bei Beton landete.

Beton - ein chemisches Kuddelmuddel

Dass die Bauindustrie nicht einfach auf ein Rezept der alten Römer zurückgreifen kann, liegt auch daran, dass es das eine Rezept nicht gab. Denn der Baustoff wurde nicht wie heute in großen Fabriken, sondern in kleinen Handwerksbetrieben hergestellt. Die setzten oft ihre eigenen Mixturen an. Bei der Rekonstruktion kommen auch die ausgeklügelten analytischen Verfahren, die der Materialwissenschaft heute zur Verfügung stehen, an ihre Grenzen. Zum einen weil das Baumaterial über die Jahrtausende verwittert ist. Zum anderen weil Beton zwar nach einem geradezu banalen Massenprodukt klingt, aus materialwissenschaftlicher Sicht ist er das aber keineswegs. Das gilt sowohl für antiken Beton als auch für seine modernen Nachfolger. "Im abgebundenen Beton gibt es 20 bis 30 unterschiedliche kristalline Phasen", sagt Sebastian Bette. Eine Phase bezeichnet in der Chemie einen Stoff von einheitlicher chemischer Zusammensetzung und Struktur. Bei einem Kuddelmuddel von bis zu 30 Phasen ist es schwierig, sich einen Überblick zu verschaffen.

Der komplizierte Aufbau überrascht vielleicht auch deshalb, weil zumindest heutiger Beton im Wesentlichen aus drei ein­fachen Zutaten zusammengemischt wird: Sand oder Schotter, der manchmal durch die Schlacke etwa aus Hochöfen oder Kohlekraftwerken ergänzt wird, Wasser und natürlich Zement als Bindemittel. Die Komponenten bestehen teilweise schon aus verschiedenen chemischen Verbindungen, und beim Abbinden entstehen weitere. Zudem verwendet die Zement­industrie Zusätze, um die Eigenschaften zu modifizieren. So setzen Bauunternehmen je nach Anwendung unterschiedliche Zementarten ein, der häufigste ist aber Portlandzement. Der besteht hauptsächlich aus Calciumoxid, landläufig gebrannter Kalk genannt. Vermischt mit Ton und den Zusätzen wird daraus Zementklinker gebrannt. Aus Sicht des Klimaschutzes ist der gebrannte Kalk das Problem: Er entsteht, indem gemahlener Kalkstein, also Calciumcarbonat auf etwa 1400 Grad Celsius erhitzt wird. Das kostet nicht nur viel Energie. Bei der Umwandlung von Calciumcarbonat zu Calciumoxid werden auch riesige Mengen CO₂ frei.

Vulkanasche - eine wesentliche Zutat des Betons

"Für römischen Beton wurde deutlich weniger Calciumoxid verwendet", sagt Sebastian Bette. Dafür mischten römische Baumeister Vulkanasche hinein. Sie enthält Puzzolane, Aluminiumsilikate, die Calciumoxid ersetzen können. Doch aus verschiedenen Gründen ist es so gut wie unmöglich, ein antikes Rezept in die Gegenwart zu übertragen. "Römischer Beton brauchte Wochen zum Aushärten", sagt Artem Shevchenko, der als Doktorand im Ricimer-Projekt forscht. "Heute will man die Stockwerke eines Gebäudes aber möglichst schnell hintereinander gießen."

Zudem ist die wesentliche Komponente von römischem Beton nur begrenzt verfügbar. "Es gibt einfach nicht genug Vulkanasche", sagt Sebastian Bette. Zumal diese auch vom richtigen Vulkan stammen muss: Das heißt, er muss besonders feine Asche erzeugen, damit sie chemisch reaktiv ist und als Bindemittel dienen kann. In offiziellen römischen Gebäuden wie dem Pantheon oder dem Kolosseum findet sich nur die Asche vom Vesuv im süditalienischen Kampanien. In privaten Gebäuden waren die Bauleute flexibler: Eine internationale Kooperation, in dem die Forschenden des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung unter anderem mit italienischen Archäologinnen und Archäologen zusammenarbeiteten, hat den Beton des einst privaten Landguts Villa Capo di Bove mit eigenem Thermalbad in Rom untersucht. Um die Herkunft der Asche im Zement bestimmen zu können, entwickelte Riccardo Manzo, der am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und am Desy in Hamburg forscht, zunächst einen analytischen Instrumentenkasten. Unter anderem mit ausgeklügelten Röntgenanalysen, aber auch mit Lichtmikroskopen identifizierten er und seine Kollegen im Zement den chemischen Fingerabdruck einer Vulkanasche, die unweit von Rom abgebaut wurde. Die Archäologie lernte daraus, dass die Römer auch mit heimischer Asche bauten und das Material nicht immer aufwendig aus Süditalien herbeischafften. Für die Materialwissenschaft lieferte die Studie ebenfalls interessante Erkenntnisse: "Die Rezeptur von römischem Beton war variabel", sagt Riccardo Manzo. Außerdem verwendeten römische Baumeister selbst in privaten Gebäuden unterschiedlichen Beton und wussten offensichtlich ganz genau, dass sie dem Beton für die Thermalbecken Terrakottascherben untermischen mussten, damit die auch auf lange Sicht dem Badewasser standhielten. Denn das leicht saure Wasser greift normalen Beton mit der Zeit an, sodass er schließlich reißt.

Alternativer Zutat zum Zement: Asche aus Müllverbrennungsanlagen

Beton für verschiedene Zwecke gibt es heute auch, aber der hält höchstens einige Jahrzehnte. Die Vielfalt der römischen Rezepturen ist dabei für die Entwicklung heutiger Baustoffe erst einmal ein Fluch. Denn Zementwerke stellen ihr Produkt heute mit genau definierter Zusammensetzung und möglichst immer gleichen Eigenschaften her. Nur so kann er die existierenden DIN-Normen erfüllen – und die Ansprüche der Bauingenieure, die für ihre statischen Berechnungen wissen müssen, was ein Beton aushält und was nicht. Etwas mutiger gedacht liegt in der Vielfalt aber auch eine Chance: "Vielleicht können wir auch die Zusammensetzung von modernem Beton stärker variieren", sagt Sebastian Bette. Gerade der antike Baustoff zeigt, dass er Jahrtausende überdauern kann, obwohl er keine DIN-Norm erfüllt. Die Variabilität könnte vor allem für ein Vorhaben des Ricimer-Teams hilfreich sein. Die Forschenden experimentieren nämlich auch mit der Asche aus Müllverbrennungsanlagen, die in Teilen ähnlich zusammengesetzt ist wie Vulkanasche. Nach den heutigen Regeln der Bauindustrie ist das jedoch nicht der praxistauglichste Baustoff. Nicht zuletzt weil jede Kommune unterschiedlichen Müll verbrennt, unterscheidet sie sich wie Vulkanasche je nach Herkunft.

Egal jedoch aus welcher Müllverbrennungsanlage die Asche kommt, sie enthält verschiedene Bestandteile. Nicht alle sind für Zement zu gebrauchen, einer aber ist besonders interessant: eine Komponente, die etwas unspezifisch als anorganische Asche bezeichnet wird – ein wildes Gemisch verschiedener Mineralien, die den Bestandteilen der Vulkanasche ähneln und als CO₂-armes Bindemittel dienen könnten. Daneben finden sich in Abfallasche glasartige Substanzen und Metalle, unter anderem elementares Aluminium. Und das will man im Beton auf keinen Fall haben. Denn im aushärtenden Beton rea­giert es mit der alkalischen Lösung in den Poren des Materials, sodass gasförmiger Wasserstoff entsteht. Der würde den Beton aufsprengen und das Gebäude zerbröseln, bevor es überhaupt fertig ist. Um solche Mixturen wie die Asche aus der Müllverbrennung zu trennen und gezielt einzelne Komponenten herauszupicken, setzen die Fraunhofer-Partner vom Institut für Bauphysik unter der Leitung von Volker Thome im Ricimer-Projekt ein Trennverfahren ein: Mit einer elektrischen Entladung schmelzen sie die Bestandteile blitzartig und bringen sie durch geschickte Steuerung des Prozesses dazu, sich beim Abkühlen zu größeren Körnern zusammenzuballen, die sich leicht trennen lassen. "Das kostet bislang ziemlich viel Energie", sagt Artem Shevchenko. "Das Problem lässt sich aber vermutlich lösen." Mit anderen Problemen dürfte das schwieriger sein. So können die anorganischen Aschen auch nach der Elektroschockbehandlung noch geringe Mengen Schwermetalle enthalten. Dann löst man ein Umweltproblem, indem man ein anderes schafft. "Wie sich Müllverbrennungsasche in Beton einsetzen lässt, ist eine Frage, die noch intensiv erforscht werden muss", sagt Sebastian Bette.

Ein Zusatz zu CO2-armem Beton

In anderer Hinsicht inspiriert die Antike das Ricimer-Team zu Ergebnissen, die schneller praxisrelevant werden könnten. Es geht um Beton, der wie römischer Beton wenig Zementklinker enthält und deshalb klimafreundlich ist, aber für die meisten Bauvorhaben zu langsam aushärtet. "Wir haben unter anderem einen Zusatz gefunden, der gut verfügbar und preiswert ist und die Härtung von CO₂-armem Beton offenbar so beschleunigen könnte, dass er praktisch eingesetzt werden könnte", sagt Sebastian Bette. Mehr kann er nicht verraten, weil die Untersuchungen noch nicht abgeschlossen sind.

Auch bei der Frage, warum römischer Beton so langlebig ist, hat das Ricimer-Team Fortschritte gemacht. Ausschlaggebend sind daher die Selbstheilungskräfte, die heutigem Beton fehlen. Daher hat sich Artem Shevchenko die Phase, also die fein verteilten Körnchen gleicher chemischer Zusammensetzung und Struktur, im römischen Beton vorgenommen, denen die Selbstheilungskraft zugesprochen werden. Dieser Bestandteil heißt Strätlingit. Shevchenko und seine Kollegen wollen wissen, ob dieses Mineral tatsächlich Schäden im Beton heilen kann. Ob es bereits mit der Vulkanasche in den Beton gelangt ist oder sich dort erst gebildet hat. Und wie man es erzeugen kann.

Also geht es zunächst darum, sich ein genaues Bild der Struktur von Strätlingit in Reinform zu machen. Das ist auch wichtig, um das Mineral im chemischen Durcheinander von Beton identi­fizieren zu können. Die Röntgenpulverdiffrak­tometrie ist ihre Spezialität, und beim Strätlingit mussten sie ihre ganze Kunst aufwenden. "Das Mineral kommt in der Natur vor, aber in Form von Nanokristallen mit vielen Defekten", sagt Shevchenko. Also hat er im Labor selbst chemisch reine kristalline Proben hergestellt. Anschließend hat er sie in fingerlange Glasröhrchen gefüllt, die weniger als einen Millimeter dünn sind. Denn in den feinen Röhrchen liefert das Kristallpulver besonders scharfe Röntgenbeugungsbilder.

Unter anderem anhand solcher Aufnahmen haben die Forschenden das Bild der Kristallstruktur von Strätlingit grundlegend verfeinert. So haben sie auch festgestellt, dass das Mineral Wasser aufnehmen kann und dabei anschwillt. "Das könnte die Selbstheilungskraft von Beton erklären", sagt Artem Shevchenko: "Wenn Beton reißt, dringt dort Feuchtigkeit ein. Strätlingit kann diese Feuchtigkeit aufnehmen, sich dabei ausdehnen und einen Riss verschließen." Die detaillierten Beugungsbilder des Minerals dienen zudem als Referenz für die Analysen von Beton. "Jede der bis zu 30 Phasen im ausgehärteten Zement hinterlässt darin einen eigenen Fingerabdruck", erklärt Sebastian Bette. "Um eine einzelne Substanz identifizieren zu können, brauchen wir möglichst gute Daten von ihrer Reinform." Das Ricimer-Team hat sich auch ein ziemlich genaues Bild gemacht, wie sich Strätlingit chemisch verhält: Wie es sich im Labor in reiner Form erzeugen lässt und was daraus entstehen kann. Dabei kam Shevchenko der Zufall zur Hilfe. Eigentlich wollte er für die Röntgenuntersuchungen möglichst reine Proben des Minerals herstellen und erhitzte die Substanz zu dem Zweck in der Lösung, in der es sich gebildet hatte. So entstand zwar kein Strätlingit, aber eine Schwesterverbindung, genauer gesagt siliziumhaltiger Katoit. Er findet sich auch in antikem und modernem Beton. Wie das Mineral die Eigenschaften beeinflusst, ist noch unklar. "Wir können es aber herstellen, wenn wir es brauchen."

Mit den detaillierten Analysen von Strätlingit und seinen Schwesterverbindungen hat das Max-Planck-Team schon eines seiner Ziele im Ricimer-Projekt erreicht. "Ob die Römer bewusst strätlingithaltige Vulkanasche in Beton gemischt haben, um seine Lebensdauer zu verlängern, können wir mit unseren Untersuchungen zwar nicht beantworten", sagt Sebastian Bette. "Aber wir wissen jetzt, dass es im Beton stabil geblieben ist, wenn sie es von vornherein dazugegeben haben."

Wein, Essig und Öl: Ein bauphysikalischer Faktor oder Opfergabe?

Um noch besser zu verstehen, wie römischer Beton zu seinen formidablen Eigenschaften kommt und wie sich moderner Beton langlebiger und nachhaltiger machen lässt, hat die Materialwissenschaft noch einiges zu tun. Denn dafür muss sie zumindest die wichtigsten, möglichst sogar alle anderen chemischen Bestandteile im Beton ähnlich gründlich untersuchen, wie es das Max-Planck-Team mit Strätlingit getan hat. Spekulation wird aber vermutlich bleiben, ob die Römer bewusst Wein, Öl und Essig in ihren Beton mischten, um dessen Eigenschaften zu beeinflussen. Möglicherweise waren die Zutaten auch als Opfergaben gedacht und sollten die Gottheiten gewogen stimmen, ein Bauwerk auf ewig stehen zu lassen.