Romeins beton: duurzamer dan het moderne Portlandbeton

Een zoute omgeving is desastreus voor gewapend beton: betonrot
. De zoute atmosfeer corrodeert het materiaal, het wapeningsstaal roest en de stukken beton vliegen er af. Ook de oude Romeinen kenden beton, maar dat lijkt alleen maar met de jaren sterker te worden. De geleerden zijn nog steeds niet helemaal achter het geheim van de Romeinen, maar het  zeewater zou het Romeinse beton sterker maken. Dat zou ten minste een deel van het geheim zijn.
Ik vind het altijd weer opmerkelijk te horen dat de oude Romeinen op technisch gebied allerlei mooie vindingen gebruikten, maar dat die kennis die daarbij hoort op de een of andere duistere wijze is verdwenen. Een van die opmerkelijke vindingen was beton. Het opmerkelijke van het Romeinse beton is dat het lijkt of dat met de jaren steeds beter bestand raakt tegen zoiets verwoestends als zeewater. De Romeinse scribent Plinius de oudere schreef in zijn Naturalis Historia dat beton in zeehavens wordt als één massa, ondoordringbaar voor het zoute water en met de dag sterker.
Hij schijnt niet eens overdreven te hebben. De geologe Marie Jackson van de universiteit van Utah heeft het Romeinse beton op microschaal bestudeerd om achter het geheim van het Romeinse beton te komen.

Romeinen maakten beton uit vulkaanas gemengd met calciumoxide en zeewater, met daarin stukken vulkanisch gesteente. Die samenvoeging leidt tot, wat genoemd wordt, een puzzolane reactie, vernoemd naar de stad Pozzuoli aan de baai van Napels. Wellicht zijn de Romeinen op dat idee gekomen door de gecementeerde vulkanische as die daar van nature voorkomen. zoals Plinius schrijft.

Plinius de oudere

Dit beton werd voor veel bouwwerken gebruikt, met inbegrip van het Pantheon en de Trajaanse markten in Rome. Grote betonnen structuren beschermden zeehavens en dienden als ankerplaatsen voor schepen.
Het moderne beton is ook een composiet, met een groot verschil: het zand en het grint in het beton zouden inert moeten zijn, maar reacties tussen het cement en het siliciumoxide (zand) vormen gels die uitzetten en het beton doen scheuren. Ik dacht altijd dat dat kwam doordat het beton poreus was/kon zijn, waardoor het wapeningsstaal ging roesten en daardoor uitzetten, met alle verwoestende gevolgen van dien. Jackson: “Die reactie is de voornaamste oorzaak van de sores met moderne betonbouwsels.”

Sabbatsjaar

Jacksons belangstelling voor het Romeinse beton werd gewekt door een sabbatsjaar in Rome. Kennelijk kon ze het werken niet laten. Ze onderzocht het tufsteen ontstaan uit vulkanische as en bekeek aslagen. Als snel raakte ze geïntrigeerd door de rol van het as in de opmerkelijke duurzaamheid van het Romeinse beton.
Samen met collega’s bestudeerde ze de factoren die het Romeinse beton zo bestendig maakten. Ze ontdekten dat de minerale verdeling in het beton voorkwam dat scheuren langer werden, terwijl het oppervlak van het zand en grint er juist voor zorgden dat de scheuren blijven groeien. Ze vonden in boorsels uit het beton in een Romeinse haven, verzameld in het ROMACONS-project, een uitzonderlijk zeldzame mineraal: aluminiumtobermoriet. Dat verraste de onderzoekers. Jackson: “Dat is moeilijk te maken.” Het synthetiseren in een lab vereist hoge temperaturen en levert maar weinig op.

Voor het nieuwe onderzoek maakten de onderzoekers weer gebruik van de ROMACONS-boorsels. Ze onderzochten die met een veelheid aan technieken, waaronder microdiffractie en microfluorescentie. Zo vonden dat het aluminiumtobermoriet en het verwante phillipsiet puimsteenachtige deeltjes en poriën vormden in de cementmatrix. Uit eerder onderzoek wist Jackson dat het hardingsproces bij Romeins beton maar kort was, dus iets anders moest ervoor hebben gezorgd dat de mineralen bij lage temperaturen doorgroeiden na de harding. “Niemand heeft ooit tobermoriet gemaakt bij 20°C, behalve de Romeinen.”
“We weten als geologen dat gesteentes veranderen. Verandering is een constante voor aardmaterialen. Welke verandering beïnvloedt de duurzaamheid van Romeins beton?”

Zeewater

Het Pantheon in Rome is Romeins beton gebruikt

De onderzoekers besloten dat het ’t zeewater was. Dat drong door in het beton en mineralen uit de vulkanische as losten er in op en, onder invloed van de alkalische omgeving, ontstonden er nieuwe materialen zoals aluminiumtobermoriet en phillipsiet.

Aluminiumtobermoriet kent silicarijke samenstellingen, die lijken op kristallen in vulkanisch gesteente. De kristallen zijn plaatvormig en versterken de cementmatrix. Die kristalstructuur leidt ook tot een hogere weerstand tegen brosse breuk. Dat corrosieachtige proces is iets dat je niet graag ziet in moderne materialen. Jackson: “We kijken naar iets dat we niet willen in cementbeton. We kijken naar iets dat in open verbinding staat met zeewater.”

Overstappen

Waarom stappen we niet over op Romeins beton, te meer daar cementproductie leidt tot grote hoeveelheden van het broeikasgas CO₂? Jackson: “De Romeinen hadden het geluk dat ze met deze gesteentes werkten. Ze zagen dat uit vulkaanas cement ontstond dat weer tufsteen vormde. Dat soort gesteentes zijn er niet zoveel in de wereld. Er zou iets vervangends moeten komen.”
Ze werkt nu met geologisch ingenieur Tom Adams samen om een vervangend betonrecept te ontwikkelen, waarbij ze materialen gebruikt uit het westen van de VS. Het zeewater komt van Berkeley, Californië.
Het kost tijd om de Romeinse bestendigheid te ontwikkelen in samenwerking met het zeewater. Romeins beton heeft een lagere druksterkte dan het moderne Portlandbeton. Het is volgens haar dan ook niet erg waarschijnlijk dat het moderne beton zal worden verdrongen door het nieuwe ‘Romeinse’ beton, maar het zou in bepaalde toepassingen zijn nut kunnen hebben.

Jackson stelde onlangs op de BBC voor een soort lagune te bouwen voor de kust van Swansea (GB) voor een getijdecentrale. Het zou 120 jaar duren om uit de kosten te komen. “Op de manier waarop we nu bouwen zou die tegen die tijd een ruïne zijn en een hoop verroest staal.” Romeins beton is voor de eeuwen gemaakt.

Hoewel zij en de haren vele antwoorden hebben gevonden, zijn nog lang niet alle vragen over het Romeinse beton beantwoord. Jackson is van plan het werk van Plinius voort te zetten. “De Romeinen maakten zich er druk om. Als wij in zee willen bouwen moeten we dat ook doen.”

Bron: EurekAlert