Wie hielt römischer Beton Tausende Jahre stand? Ein 1.900 Jahre altes Latrinengebäude liefert Hinweise

 (smithsonianmag.com)
1 Punkte von GN⁺ 8 시간 전 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Proben aus einer 1.900 Jahre alten Gemeinschaftslatrine in der Hadriansvilla zeigen, dass nicht nur die klassische Puzzolan-Reaktion, sondern auch langfristige Karbonatisierung zur Haltbarkeit beigetragen hat
  • Wenn Kohlendioxid aus der Luft mit den Calciumverbindungen im Beton reagiert, entsteht harter Kalzit (calcite), der kleine Risse und Poren auffüllt
  • Bei der Untersuchung von Proben unter den Toilettensitzen, die kaum restauriert oder verändert worden waren, bestätigten Mikroskopie-, Röntgen- und chemische Analysen Kalzit als wichtiges Bindemittel
  • Während eine Studie aus dem Jahr 2023 die Selbstheilung durch die Reaktion von aus Branntkalk verbliebenen Calciumablagerungen mit Wasser behandelte, stützt die neue Studie die Schlüsselrolle von Carbonaten
  • Wenn dieses Haltbarkeitsprinzip auf die Betonproduktion angewendet wird, die für etwa 8 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich ist, könnte es zur Entwicklung langlebigerer und umweltschonenderer Baustoffe beitragen

Analyse von 1.900 Jahre lang erhaltenem Beton

  • In Italien stehen noch Betongebäude, Straßen und Aquädukte, die etwa 2.000 Jahre überdauert haben, während moderner Beton normalerweise innerhalb von rund 100 Jahren zerfällt
  • Bisher galt die Puzzolan-Reaktion, bei der Vulkanasche mit Kalk und Wasser reagiert, als zentraler Prozess für die außergewöhnliche Lebensdauer römischen Betons
  • Das Forschungsteam untersuchte eine Gemeinschaftslatrine in der etwa 17 Meilen östlich von Rom gelegenen UNESCO-Welterbestätte Hadriansvilla
    • Eine Latrine, für deren Restaurierung es kaum Gründe gibt, bot die Möglichkeit, Beton in seinem ursprünglichen Zustand ohne moderne Eingriffe zu untersuchen
    • Unter den Toilettensitzen wurden Proben entnommen und mit Hochleistungsmikroskopie, Röntgenscans und chemischer Zusammensetzungsanalyse untersucht
  • Wie erwartet fanden sich in den Proben Spuren der Verbindung von Vulkanasche, Kalk und Wasser, doch bei genauer Betrachtung der Poren und Risse erwies sich Kalzit aus Calcium, Kohlenstoff und Sauerstoff als wichtiges Bindemittel
  • Beim Prozess der Karbonatisierung, bei dem Kohlendioxid aus der Atmosphäre mit Calciumverbindungen im Beton reagiert, entsteht kalziumkarbonatreicher Kalzit
    • Kalzit füllt kleine Risse und Poren, stärkt die Struktur im Lauf der Zeit und versiegelt beschädigte Bereiche selbstständig
    • Die Ergebnisse wurden am 8. Juli in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht

Prinzip der Selbstheilung und Potenzial für modernen Beton

  • Eine Studie aus dem Jahr 2023 richtete den Blick auf Calciumablagerungen, die durch Reaktionen von Branntkalk bei der Herstellung römischen Betons zurückblieben
    • Diese Ablagerungen können mit Wasser wie Regen reagieren, erneut kristallisieren und dadurch Spalten füllen
  • Die neuen Ergebnisse stärken die Deutung, dass Carbonate keine bloßen Nebenbestandteile sind, sondern ein Kernelement, das im Betoninneren dynamisch wirkt
  • Beton ist eines der am meisten verbrauchten Materialien der Welt und setzt bei seiner Herstellung Kohlendioxid frei, das etwa 8 % der weltweiten Treibhausgasemissionen entspricht
  • Laut UN ist etwa die Hälfte der Gebäude, die 2050 existieren werden, noch nicht gebaut, weshalb die Entwicklung von Baustoffen mit kleinem CO2-Fußabdruck wichtig ist
  • Wer die Prinzipien langfristiger Karbonatisierung und Rissversiegelung im römischen Beton versteht, kann sie für die Entwicklung von langlebigem und umweltschonenderem Beton für moderne Infrastruktur nutzen

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1 Kommentare

 
GN⁺ 8 시간 전
Hacker-News-Kommentare

  • Für alle, die damit nicht vertraut sind: Das Geheimnis liegt im Kalkkreislauf: gebrannter Kalk (CaO), gelöschter Kalk (Ca(OH)2) und Kalkstein (CaCO3).
    Normalerweise beginnt man mit gebranntem Kalk; nach der Verarbeitung liegen die drei Stoffe gemischt vor, und durch jahrhundertelange Einwirkung von Luft und Regenwasser verwandelt sich der größte Teil in Kalkstein. Diese langsame Umwandlung sorgt dafür, dass das Mauerwerk sich selbst heilt und mit der Zeit fester wird.
    Kalkkitt ist bei Kontakt mit Feuchtigkeit so stark alkalisch, dass Schimmel nur schwer wachsen kann; er hemmt Schimmel also auch in feuchter Umgebung.
    Anders als Beton auf Portlandzementbasis ist Kalk selbst nicht wasserundurchlässig, aber römischer Beton, dem Asche oder zerkleinerte Töpferware/Keramik beigemischt wurde, erhielt durch die puzzolanische Reaktion Wasserdichtigkeit und wurde vermutlich dort eingesetzt, wo er mit Wasser in Kontakt kam.
    Kalk findet sich in der antiken Steinbaukunst allgemein; er ist sehr atmungsaktiv, gut zu verarbeiten und nachhaltig, benötigt aber Wartung und wurde deshalb von Portlandzement verdrängt. Für große Bauwerke ist moderner Beton hervorragend, aber zumindest bei Kitt und kleineren Wohnhäusern würde ich mir eine Rückkehr des Kalks wünschen.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Lime_(material)
    https://en.wikipedia.org/wiki/Roman_concrete
    https://en.wikipedia.org/wiki/Pozzolanic_activity#Reaction

    • Könnte man diese Eigenschaft nutzen und im Bad Kalkkitt statt Fugenmörtel verwenden?
    • Die Aussage, Beton auf Portlandzementbasis sei wasserdicht, ist eindeutig falsch. Sonst bräuchte man keinen Betonversiegler.
    • Ein weiterer wichtiger Grund, warum man heute Portlandzement Kalk vorzieht, ist die Aushärtegeschwindigkeit. Kalk braucht Tage zum Abbinden, Zement härtet schneller aus.
    • Backsteinhäuser aus der viktorianischen Zeit verwenden überall kalkbasierte Materialien: Mörtel zwischen den Ziegeln, Außenputz und Innenputz. Unser Haus ist ebenfalls etwa 140 Jahre alt.
      Kalk ist flexibel und passt gut zu solchen Häusern, die kaum Fundamente haben und sich ständig bewegen; außerdem ist er atmungsaktiv, reduziert Feuchtigkeit und verbessert auch die Raumluftqualität. Die Verarbeitung ist mühsam, weil das Trocknen statt Stunden Tage bis Wochen dauert, aber langfristig ist er für kleine Gebäude ein deutlich besseres Material. Auf der Haut kann er allerdings Verätzungen verursachen.

  • Römischer Beton besteht aus Kalkzement, der durch Karbonatisierung erhärtet, dem Puzzolane zugesetzt wurden, damit er auch unter Wasser abbinden kann. Es ist also nicht überraschend, dass die Karbonatisierung bis zu einem gewissen Grad weiterläuft.
    Moderner Beton reißt, wenn die Bewehrung rostet. Wenn man eine lange Lebensdauer will, kann man Glasfaserbewehrung verwenden oder ohne Bewehrung bauen, aber das ist teurer und weniger effizient.

    • Edelstahlbewehrung ist teuer, verlängert die Lebensdauer von Bauwerken aber erheblich. Der Bundesstaat Washington schreibt sie für Brücken über Salzwasser vor; die Materialkosten sind deutlich höher, doch die Gesamtkosten des Projekts steigen um weniger als 10 %.
      Epoxidbeschichtete Bewehrung galt eine Zeit lang als vielversprechend, ist aber auf dem Rückzug, weil Wasser über Schnittstellen und Verbindungen eindringt und dann alles vor Ort ausgebessert werden muss. Der Vergleich zwischen einem Pier mit Kohlenstoffstahlbewehrung und einem Pier mit Edelstahlbewehrung, die in den 1940er-Jahren nebeneinander gebaut wurden, ist eindrucksvoll.
      https://worldstainless.org/wp-content/uploads/2025/02/ref19_...
    • Beton ist druckfest und zugschwach, während es bei Bewehrungsstahl umgekehrt ist; deshalb kombiniert man sie so, dass der Stahl die Zugkräfte und der Beton die Druckkräfte aufnimmt. Die beiden Materialien haben ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, sodass sie auch bei Temperaturänderungen gut zusammenpassen.
      Glasfaser ließe sich vermutlich so auslegen, dass sie denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten und ausreichende Zugfestigkeit hat, aber wenn man einen Träger ohne Bewehrung baut, würden dann nicht von der zugbelasteten Unterseite aus Risse entstehen?
    • Wenn langlebigerer Beton wirtschaftlich ineffizient ist, könnte das der Grund sein, warum Beton nach 100 Jahren einstürzt.

  • Die Bewehrung in modernem Beton ist nützlich, korrodiert aber letztlich. Wenn die Lebensdauer wirklich entscheidend ist, kann man Edelstahlbewehrung verwenden; meist tut man das aber nicht, weil Gebäude eher funktional veralten und ersetzt werden, bevor es so weit ist.

    • Bewehrungsstahl korrodiert nur, wenn er nicht vollständig von Beton umschlossen ist; der Beton verhindert die Reaktion. Sobald auch nur ein Teil freiliegt, korrodiert er mit der Zeit schließlich durch und bricht.
    • Es gibt auch beschichtete Bewehrung und nichtmetallische Bewehrung.
    • Man braucht nicht unbedingt Edelstahl; man kann auch eine Opferanode verwenden: https://de.wikipedia.org/wiki/Opferanode
    • Man sollte klarstellen, was mit funktionalem Veralten gemeint ist. Die meisten Hochhäuser bestehen aus einem Stahlbetonskelett, an dem Glas hängt; wenn man es ohnehin durch ein ähnliches Skelett ersetzen würde, erscheint es sinnvoll, das bestehende Skelett so lange wie möglich zu erhalten und nur den Innenraum umzubauen.

  • Viele der Betonkonstruktionen, die heute schnell versagen, wurden gebaut, als die Materialtechnik noch neu war. Es ist keineswegs sicher, dass gut entworfener und ausgeführter moderner hochleistungsfähiger polymermodifizierter Beton dieselben Probleme hat.
    Mit Zusatzstoffen wie Xypex-Paste lassen sich Wasserdichtigkeit und Selbstheilungsfähigkeit erhöhen, und man kann mit durchlässigen Schalungsbahnen die Oberflächendichte steigern oder chemische Härter einsetzen.

  • Hängt mit dem Mythos um römischen Beton zusammen, den Grady Hillhouse behandelt hat. Die moderne Chemie ermöglicht mit verschiedenen Zusatzmitteln wie Hochleistungs-Fließmitteln Eigenschaften, die sich römische Ingenieure nicht hätten vorstellen können; einer der Gründe, warum moderner Beton weniger lange hält, ist jedoch die Wirtschaftlichkeit.
    Tragwerksplaner entfernen alles, was für die Entwurfsanforderungen nicht nötig ist, und die Lebensdauer ist nur eines von vielen Kriterien. Es ist selten unmöglich, auf römischem Niveau zu bauen, aber leicht, die Kosten zu überschreiten, die die Öffentlichkeit noch als vernünftig akzeptieren würde. Dass römischer Beton so lange hielt, hatte auch den Hintergrund, dass es genug narzisstische Kaiser gab, die eine ganze Wirtschaft für ihre eigene Unsterblichkeit mobilisieren konnten.
    https://practical.engineering/blog/2019/3/9/was-roman-concre...

    • Ein guter Link, aber Practical Engineering scheint das nicht ausdrücklich als „Mythos“ zu bezeichnen. Da die hohe Leistungsfähigkeit römischen Betons an sich kein Mythos ist, ist das auch angemessen.
    • Wenn man für den zehnfachen Preis die Lebensdauer um das 100- oder 1.000-Fache verlängern kann, wäre das die Zahlung nicht wert? Die Anfangskosten sind höher, aber die Total Cost of Ownership (TCO) sinken. Wenn man sogar beträchtliches Geld in Engineering steckt, um die Lebensdauer absichtlich zu verkürzen, kommt das letztlich geplanter Obsoleszenz nahe.
    • Auch dass klassische Architektur heute wegen der Kosten nicht mehr gebaut werde, wird oft behauptet, ist angesichts vieler Gegenbeispiele aber größtenteils übertrieben. Unter dem Kapitalismus tendiert man zu jeder noch so kleinen billigeren Option; zugleich haben schnellere Stilwechsel dazu geführt, dass kürzere Lebensdauern unbewusst akzeptiert werden, und es spielt eine große Rolle, dass man für Autos oder große auskragende Strukturen praktischere Formen bevorzugt.

  • Hempcrete sowie Baumit Trassitplus, eine Art römischer Zement, die Kalk und natürlichen hydraulischen Kalk (NHL) verwenden, sind moderne Bauverfahren, die dieses Prinzip nutzen.
    Sie sind näher an CO₂-Neutralität als andere Bauweisen, bieten gute thermische Eigenschaften und diffusionsoffene Wände und lassen sich auch leicht selbst verarbeiten.

    • Hempcrete ist deutlich schwächer und weniger fest als herkömmlicher Beton und wird im Grunde wohl als nichttragender Füllstoff behandelt.
      Auch Porenbeton aus Autoklavhärtung ist erwähnenswert. Er dämmt ordentlich, ist relativ umweltfreundlich, leicht und einfach zu schneiden und kann eingeschränkt auch als tragender Baustoff verwendet werden.

  • Ziel des Engineerings ist nicht einfach eine Brücke, die steht, sondern eine Brücke, die die Anforderungen gerade so erfüllt. Eine Brücke für 500 Jahre kann wertvolle Ressourcen verschwenden; besser ist es daher, sie auf 100 Jahre auszulegen und Ressourcen zu sparen.
    In 100 Jahren wird die Technik stark fortgeschritten sein, sodass sich eine neue Brücke viel einfacher bauen lässt; zumindest in vielen Ländern wie India sehe ich das so.

    • Warum ist eine Brücke, die 500 Jahre hält, schlecht? Eine gut gebaute Brücke von vor 500 Jahren funktioniert auch heute noch einwandfrei: https://en.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Segovia,_Madrid
    • Die Aussage, dass man eine Brücke dank technischen Fortschritts nach 100 Jahren viel leichter neu bauen könne, war nicht einmal in den letzten 200 Jahren wahr.
    • Man reißt alte Brücken nicht mit enormem Aufwand ab und baut sie neu, nur weil sich die Technik geändert hat. Es gibt auch Anlagen, die man nicht wieder bauen kann oder wird; deshalb ist es wertvoll, sie von Anfang an ordentlich und langlebig zu bauen.
    • Moderner Beton enthält oft Kunststofffasern wie Polypropylen, Flugasche, die eine Quelle für Arsen, Blei und Quecksilber sein kann, Silikastaub, Formaldehyd und sogar PFAS.
      Wenn solcher Beton abgerissen oder umgebaut wird, kann er zu einem Risiko für Umwelt und öffentliche Gesundheit werden und bietet daher auch keine größere Flexibilität für künftige Neubauten oder Verbesserungen.
    • Werden Bauwerke wie Brücken nicht mit mindestens dem 1,5-Fachen der Entwurfslast geprüft? In unserem Bereich setzt man bei Druck und der Festigkeit von Hebeösen üblicherweise den Faktor 2 an.

  • Es wäre schön gewesen, wenigstens ein Foto zu haben, wie diese Toilette aussah.

  • Es ist gut, dass das Pantheon noch steht, aber gibt es unter modernen Bauwerken wirklich etwas, das es wert wäre, 2.000 Jahre lang erhalten zu werden? Architekten verfolgen seit Langem eher Originalität als Schönheit, und Originalität hält nicht lange.
    In 2.000 Jahren wird sich die Menschheit vielleicht fragen, warum unsere Gesellschaft Mikrochips auf atomarer Ebene herstellen konnte, aber kein einziges Gebäude, das es zu bewahren lohnt.

    • Alle Bauwerke sind erhaltenswert. Der Gegenstand dieses Artikels ist ebenfalls eine Latrine, die die Menschen der Antike wohl kaum für erhaltenswert hielten, heute aber eine wichtige historische Quelle ist.
      Auch der Eiffel Tower galt zunächst als hässlich und wurde als temporäres Bauwerk errichtet, ist heute aber ein berühmteres Symbol von Paris als das Paris Pantheon, das eher klassischen Schönheitsmaßstäben entspricht. Historisch ist er ebenfalls bedeutender, weil er Technik und Kultur seiner Zeit besser repräsentiert. Allerdings würden beide Gebäude ohne kontinuierliche Instandhaltung kaum überleben, der Eiffel Tower ganz besonders.
    • Sand für Beton ist endlich, und die Verschmutzung durch seine Gewinnung ist ebenfalls gravierend. Es gibt also keinen Grund, ihn nicht sparsam zu verwenden und langlebige Gebäude zu errichten.
    • Es gibt auch moderne Bauwerke, die erhaltenswert sind. Die Sagrada Família ist ein typisches Beispiel; Sakralräume und individuell entworfene Privathäuser sind im Allgemeinen schöner als standardisierte Wohnhäuser oder Bürogebäude.
      Unter Neubauten gibt es auch viel Hässliches, und wenn man in London von St Paul's im Westen bis zur hässlichen Kulisse im Osten alles zusammen sieht, wird man melancholisch.
    • Das Sydney Opera House kommt einem als Bauwerk in den Sinn, das auch in 1.000 Jahren noch Interesse wecken dürfte.
    • Es gibt keinen Grund, warum sich die Bewertung von Gebäuden in den nächsten 2.000 Jahren nicht ändern sollte. Viele Tudor-Gebäude überall dürften vor 600 Jahren wahrscheinlich nicht als etwas Besonderes gegolten haben.

  • Es müsste ein besseres Format und eine bessere Art der Verbreitung geben. Marke und Domain wirken ideell stark, aber alle zwei Sätze kommt Werbung, und selbst mit Adblocker wird ständig versucht, einem die Aufmerksamkeit zu entreißen.
    Ich glaube, der kognitive Niedergang der Gemeinschaft entsteht weniger durch kurze Videos als durch den Alltag, in dem man jedes Mal, wenn man etwas Nützliches lesen und seine Neugier stillen will, von autoplayenden Interstitial-Anzeigen sowie 720×90- und 300×250-Anzeigen bombardiert wird.

    • Es gibt bessere Wege. Es wird auf den Artikel von Scientific American verlinkt, der die Originalquelle ist, aber ein Abo für 5 Dollar im Monat erfordert.
      Irgendwo in den Links dürfte es auch die schnörkellose Forschungsarbeit geben, aber auch dafür muss man möglicherweise zahlen. Wissenschaftsberichterstattung durchläuft mehrere Stufen – Paper, Nachrichtenbericht, populärwissenschaftliches Magazin für Erwachsene, populärwissenschaftliches Magazin für Jugendliche –, also kann man je nach Vorliebe wählen.
    • Man sollte auch darüber nachdenken, ob man für Inhalte bezahlt, die die eigene Neugier befriedigen. Die betreffende Institution ist gemeinnützig und erhält sogar öffentliche Mittel; ob solche Werbung nötig ist, ist fraglich.
      Trotzdem waren beim Lesen mit Brave überhaupt keine Anzeigen zu sehen.