Het beton van de Romeinen gaat al duizenden jaren mee. Het geheim? Een tot nu toe onbekende oude productiemethode.

De Romeinen waren hun tijd ver vooruit met hun bouwwerken. Ze legden indrukwekkende infrastructuur aan, bouwden aquaducten en enorme tempels. De overblijfselen zijn tweeduizend jaar later nog overal terug te vinden. Veel van deze bouwwerken zijn gemaakt van beton. Denk aan het bekende Pantheon in Rome met s’ werelds grootste koepel van ongewapend beton. Het is nog steeds intact. Sommige aquaducten van de Romeinen leveren zelfs nog altijd water aan Rome. Dat terwijl veel moderne betonnen bouwwerken het al na een paar decennia begeven.

Vulkanisch as
Lange tijd was het een raadsel hoe het oude Romeinse beton zo lang mee kon gaan, vooral bij bijvoorbeeld riolen, dokken of zeeweringen, die bestand moesten zijn tegen zware omstandigheden. Onderzoekers van onder meer MIT en Harvard hebben nu ontdekt dat de Romeinen een speciale productiemethode gebruikten waardoor een zelfhelend materiaal ontstond.

Tot nu toe dachten onderzoekers dat de verklaring lag in puzzolaan, een bindmiddel dat reageert met water en kalk. De Romeinen hadden er een specifieke vorm van, namelijk vulkanisch as uit het gebied van Pozzuoli in de baai van Napels. Dit materiaal werd verscheept naar alle uithoeken van het Romeinse rijk en beschouwd als een van de belangrijkste ingrediënten van het beton.

Ongebluste kalk
Maar nadere bestudering van oude monsters maakt duidelijk dat het materiaal ook minuscule witte mineralen bevatte, zogenoemde ongebluste kalk, die al langer bekend staan als een component van de Romeinse betonmix. “Sinds ik het oude Romeinse beton bestudeer, ben ik al gefascineerd door dit materiaal”, zegt MIT-professor Admir Masic. “Deze bestanddelen vinden we niet terug in het moderne beton dus waarom zit het wel in die oude materialen?” vraagt hij zich af.

Eerder werd de aanwezigheid van dit materiaal afgedaan als het gevolg van slechte mengmethodes of matige ruwe materialen, maar volgens de nieuwe studie zijn deze kleine kalkdeeltjes juist heel belangrijk, omdat ze zorgen dat kapot beton zichzelf repareert. “Het idee dat deze deeltjes enkel in het beton zaten, vanwege een gebrek aan kwaliteit stond me altijd tegen”, zegt Masic. “Als de Romeinen zoveel moeite deden om een geweldig bouwmateriaal te maken met gedetailleerde recepturen die door de eeuwen heen werden geoptimaliseerd, waarom zouden ze dan zo weinig energie steken in de productie van een goed gemengd eindproduct?”

Hete mix
Masic ontwikkelde samen met zijn team een nieuwe onderzoeksmethode waarmee nog nauwkeuriger naar de betondeeltjes kon worden gekeken. Zo kregen de onderzoekers door hoe functioneel de kalksteendeeltjes waren en begonnen ze te vermoeden dat de Romeinen bewust ongebluste kalk in hun beton stopten. 

Deze ongebluste kalk ontstaat door kalksteen te verbranden. Gebluste kalk is ongebluste kalk waaraan water wordt toegevoegd. Daarmee koelt de kalk af. Maar het is juist de ‘hot mixing’ waardoor ongebluste kalk ontstaat, die de sleutel vormt tot de productie van het superduurzame beton.

Sneller bouwen
“De voordelen van ‘hot mixing’ zijn tweeledig”, verklaart Masic. “Ten eerste: wanneer het beton wordt verhit tot hoge temperaturen ontstaat er een chemische reactie die niet mogelijk is als je alleen gebluste kalk gebruikt. Zo kunnen verbindingen tot stand komen die anders onmogelijk waren. Ten tweede verkort de hoge temperatuur de uithardingstijden aanzienlijk, omdat alle reacties worden versneld, waardoor er sneller kan worden gebouwd.”

Bovendien ontstaat tijdens het proces een zelfhelende werking van het materiaal. Het kalk vormt een broze structuur van nanodeeltjes, die makkelijk kunnen breken en reageren met calcium. Kleine scheurtjes in het beton, ontstaan vaak in deze kalkstructuur. Dit materiaal kan vervolgens reageren met water, waardoor een met calciumverzadigde oplossing ontstaat, die kan herkristalliseren tot calciumcarbonaat, oftewel kalk, en zo de scheur kan opvullen of reageren met het puzzolaan materiaal om het beton verder te versterken. Deze reacties gebeuren spontaan en kunnen zo automatisch de scheuren opvullen voor ze zich verder verspreiden.

Nieuw materiaal
Om te bewijzen dat dit proces inderdaad verantwoordelijk is voor de duurzaamheid van het Romeinse beton maakte het team beton met zowel oude als moderne materialen. Ze maakten er met opzet barsten in en lieten er water op lopen. Het resultaat was opmerkelijk: de barsten in het Romeinse beton waren binnen twee weken compleet geheeld. Het beton zonder het ongebluste kalk bleef barsten vertonen waar het water doorheen kon stromen. De onderzoekers waren zo onder de indruk van het resultaat dat ze nu dit aangepaste cement op de markt willen brengen als verbeterd bouwmateriaal.

“Het is opwindend dat deze duurzamere cementmix niet alleen de levensduur van beton kan verlengen, maar ook de sterkte van bijvoorbeeld 3D-geprint beton”, aldus Masic. De wetenschapper hoopt met het nieuwe bouwmateriaal de milieu-impact van cementproductie te reduceren, die nu nog zo’n 8 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot bedraagt.