De Romeinen waren, om een analogie te gebruiken, meesters in het gebruik van mortel. Ware ingenieursgenieën. Dankzij hun uitzonderlijke architectonische vaardigheden creëerden ze enorme netwerken van wegen, aquaducten, amfitheaters, havens en bruggen met zo'n grote expertise dat veel van deze bouwwerken tot op de dag van vandaag bewaard zijn gebleven. Het Colosseum, bijvoorbeeld, het belangrijkste monument van het oude Rome, werd in 70 na Christus gebouwd en tien jaar later voltooid. Het staat er nog steeds, een symbool van deze beschaving.
Ook Spanje biedt enkele fraaie voorbeelden: het Romeinse theater van Mérida, de "prins onder de monumenten van Mérida", werd ingewijd in 16-15 v.Chr. en dient tot op de dag van vandaag nog steeds als locatie voor voorstellingen en concerten. Het Romeinse theater van Cartagena, gebouwd tussen 5 en 1 v.Chr., heeft daarentegen grotendeels zijn structuur in opmerkelijk goede staat behouden. Daarentegen zijn veel moderne bouwwerken na slechts enkele decennia al ingestort.
Al decennialang probeert de wetenschap te verklaren hoe de Romeinen erin slaagden duizenden jaren geleden zulke duurzame bouwwerken te creëren. Deze constructies waren in sommige gevallen bestand tegen tonnen gewicht; in andere gevallen werden ze gebouwd in seismisch actieve gebieden en hebben ze de tand des tijds en de seismische activiteit vanuit de aardbodem doorstaan.
Een internationale groep onderzoekers van MIT, Harvard University en diverse laboratoria in Italië en Zwitserland heeft nu het mysterie van de sterkte van Romeins beton ontrafeld. Volgens de studie, die onlangs in het tijdschrift Science Advances, gebruikten de Romeinen productiemethoden die resulteerden in een extreem sterke massa. Deze massa gaf hun constructies een bewonderenswaardige sterkte dankzij een "zelfherstellend" proces.
Onderzoekers vermoedden al enige tijd dat de sleutel tot de sterkte en duurzaamheid van Romeins beton in één ingrediënt lag: het gebruik van pozzolanische materialen – materialen die silica bevatten – zoals de vulkanische as die in de regio Pozzuoli, ten noorden van Napels, werd gevonden. Deze as werd door het hele Romeinse Rijk vervoerd voor gebruik in de bouw. Sterker nog, veel architecten en historici beschreven het als een essentieel ingrediënt van beton.
Maar dit is niet nieuw. Een veel gedetailleerdere analyse heeft bevestigd dat het geheim van Romeins beton niet alleen schuilt in de puzzolanische materialen die het bevat, maar ook in minuscule, glanzende, witte minerale deeltjes van slechts enkele millimeters groot, de zogenaamde kalkfragmenten. "Sinds ik onderzoek doe naar oud Romeins beton, ben ik altijd gefascineerd geweest door de eigenschappen ervan", zegt Admir Masic, hoogleraar Civiele Techniek en Milieukunde aan MIT en een van de auteurs van de studie. "We vinden deze eigenschappen niet terug in moderne betonmengsels. Dus waarom zijn ze wel aanwezig in deze oude materialen?", voegt hij eraan toe.
Cement met "zelfherstellend vermogen"
De lezer zou kunnen denken dat de Romeinen deze formule per ongeluk hebben ontdekt door onzorgvuldig mengen. De wetenschap sluit dit echter uit. Dit nieuwe onderzoek stelt dat de kalkfragmenten die de Romeinen aan hun beton toevoegden, het een opmerkelijk "zelfherstellend vermogen" gaven dat voorheen onbekend was. Bovendien was hun beton verre van een kwestie van geluk, maar het resultaat van eeuwenlange optimalisatie. "Als de Romeinen zoveel moeite deden om een uitstekend bouwmateriaal te creëren, volgens gedetailleerde recepten die eeuwenlang waren verfijnd, waarom deden ze dan zo weinig moeite om ervoor te zorgen dat het beton goed gemengd was?", vraagt Masic zich af.
In werkelijkheid is de zaak nog complexer. De MIT-professor en de andere onderzoekers die bij deze studie betrokken waren, wilden met behulp van beeldvormingstechnieken met hoge resolutie en meerdere schalen, en chemische karteringstechnieken, dit oude cement grondiger analyseren. Dankzij deze methoden ontdekten ze nieuwe aspecten met betrekking tot de mogelijke functionaliteit van de kalkfragmenten die door de Romeinen werden gebruikt.
Men dacht traditioneel dat de kalk die in Romeins beton werd verwerkt, vooraf met water was gemengd tot een zeer reactief, pasta-achtig materiaal. Dit proces alleen kon echter de aanwezigheid van kalkfragmenten niet verklaren. Door nieuwe monsters van oud beton te bestuderen, concludeerden de onderzoekers daarom dat de witte insluitingen verschillende vormen van silicacarbonaat bevatten. "Spectroscopisch onderzoek leverde aanwijzingen op dat deze gevormd waren bij extreme temperaturen, zoals te verwachten was van de exotherme reactie die optreedt bij het gebruik van ongebluste kalk in plaats van, of naast, gebluste kalk in het mengsel.".
Met andere woorden, het heet mengen van de verschillende ingrediënten van Romeins beton was essentieel voor het creëren van een superduurzame en ultrabestendige massa. "De voordelen van heet mengen zijn tweeledig", legt Masic uit. "Ten eerste maakt mengen op hoge temperaturen chemische processen mogelijk die niet mogelijk zijn als alleen gebluste kalk wordt gebruikt. Hierdoor ontstaan verbindingen die bij deze hoge temperaturen ontstaan en die anders niet zouden ontstaan. Ten tweede verkort deze temperatuurverhoging de uithardings- en verhardingstijden aanzienlijk, omdat alle reacties worden versneld, waardoor veel sneller gebouwd kan worden", benadrukt de expert.
Maar dat is nog niet alles. De belangrijkste bevinding van de studie, die vandaag in Science Advances is gepubliceerd, wijst erop dat dit materiaal in staat was tot regeneratie of "zelfherstel". "Tijdens het hete mengproces ontwikkelen kalkfragmenten een karakteristieke broze nanodeeltjesstructuur die een gemakkelijk breekbare en reactieve calciumbron creëert." De onderzoekers ontdekten dat deze calciumbron het beton het vermogen gaf om te regenereren wanneer het brak.
"Dit materiaal kan reageren met water, waardoor een verzadigde calciumoplossing ontstaat die kan herkristalliseren tot calciumcarbonaat en de scheur snel kan opvullen, of reageren met puzzolanische materialen om het composietmateriaal verder te versterken.".
Volgens wetenschappers vonden deze reacties spontaan plaats, waardoor de scheuren automatisch herstelden voordat ze zich door de hele structuur konden verspreiden. Om hun bevindingen te bewijzen, maakten de onderzoekers het cement op dezelfde manier als de Romeinen: verhitten, openbraken en lieten water door de scheuren lopen. Ze konden vaststellen dat het beton "binnen twee weken" regenereerde en dat er geen water meer naar binnen sijpelde. Na deze ontdekking heeft het team onder leiding van Masic al aangekondigd dat het werkt aan de commercialisering van dit gemodificeerde beton, zodat het in moderne bouwprojecten kan worden gebruikt.
