Een fragment beton uit de afvalverzamelaar onder de stoelen van een gemeenschappelijke latrine in Villa Adriana, in Tivoli, heeft een chemische geschiedenis bewaard die al bijna 1900 jaar nog steeds in beweging is. Binnenin het materiaal vulden calciet de poriën en kleine breukjes, waardoor de structuur compacter werd en bijdroeg aan de duurzaamheid.
De ontdekking komt uit een onderzoek gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang door een internationale groep gecoördineerd door Xiaohong Zhu en Paulo JM Monteiro, burgerlijk ingenieur van de Universiteit van Californië in Berkeley. Hadrianus liet in zijn keizerlijke residentie kuuroorden, tuinen, paviljoens en monumentale zalen bouwen. Een van de nuttigste details over de Romeinse techniek was de badkamer.
Calciet vond zijn weg naar poriën en breuken
Het monster was afkomstig van de westelijke bouwwerken van Canopus, het grote complex geïnspireerd op de Egyptische stad, ingevoegd in de villa uit de 2e eeuw. De onderzoekers namen het waar met driedimensionale röntgentomografie, elektronenmicroscopen en spectroscopische analyses, gaande van fragmenten die met het blote oog zichtbaar zijn tot structuren die meetbaar zijn in nanometers.
Het beton werd bereid door fragmenten van vulkanische lava, puzzolaanmateriaal, kalk en een vrij kleine hoeveelheid water te mengen, met een verhouding tussen water en bindmiddel van ongeveer tussen 0,4 en 0,45. De originele blend vertelt echter slechts een deel van de lange levensduur. De rest gebeurde later, veel later.
In het materiaal bleven deeltjes calciumoxide achter die, wanneer ze in contact kwamen met vocht en kooldioxide in de lucht, calciumcarbonaat produceerden, vooral in de vorm van calciet. Kristallen groeiden langs de wanden van de poriën en in de breuken. Sommige hebben een vezelige en radiale structuur aangenomen, vergelijkbaar met kleine minerale weerhaken, waardoor de lege ruimtes geleidelijk smaller worden.
Dit proces, carbonatatie genoemd, maakte het beton dichter, beperkte de paden waardoor water kon binnendringen en hielp zelfs de kleinste scheuren te dichten. In feite spreken de auteurs van een potentieel vermogen tot zelfherstel: het monster toont de mineralen die in de breuken zijn afgezet, zonder een Romeinse latrine bij archeologisch besluit te transformeren in een onverwoestbaar materiaal.
Vulkanische as blijft een beslissend onderdeel van het recept
Het nieuwe onderzoek breidt de traditionele verklaring voor de duurzaamheid van Romeins beton uit. Wetenschappers zijn zich al lang bewust van het belang van de puzzolane reactie: vulkanische as reageert met kalk en water en vormt cementverbindingen die het mengsel kunnen binden.
Zelfs in het Villa Adriana-monster werden rond de vulkanische fragmenten kleine hoeveelheden calcium-, aluminium- en siliciumhydraten aangetroffen. Deze verbindingen versterkten de contactgebieden tussen de mortel en de stenen, een van de plaatsen waar zwakheden in beton kunnen ontstaan.
Calciet nam echter een veel groter deel van het materiaal in beslag en was aanwezig in de poriën en breuken. Volgens de auteurs werkte de carbonatatie die eeuwenlang aanhield daarom samen met puzzolane reacties: de eerstgenoemde vulde de opengelaten ruimtes, de laatstgenoemde consolideerde de bindingen rond de aggregaten.
Het resultaat sluit aan bij een eerder MIT-onderzoek dat in 2023 werd gepubliceerd. In dat geval hadden de onderzoekers de witte kalkklonten in Romeins beton geanalyseerd, die lange tijd werden beschouwd als het resultaat van onnauwkeurige menging. Experimenten toonden aan dat ze konden fungeren als calciumreserves: als water een scheur binnendrong, smolt het materiaal gedeeltelijk en herkristalliseerde het in de scheur.
Het werk aan de Villa van Hadrianus observeert het resultaat van soortgelijke processen binnen een monster dat bijna twee millennia aan de tijd is blootgesteld. Kortom, de Romeinse mortel was niet langer vers; zijn chemie bleef werken.
Moderne bruggen hebben een bijkomend probleem: staal
Het kopiëren van het Romeinse mengsel zoals het is, zou van weinig nut zijn. Veel hedendaagse infrastructuur maakt gebruik van gewapend beton en bevat daarom stalen staven. De aanvankelijk zeer alkalische omgeving van het cement beschermt het metaal tegen corrosie; diepe carbonatatie kan de pH verlagen en roest bevorderen. Gecorrodeerd staal neemt in volume toe, zet druk op het omringende materiaal en kan nieuwe scheuren veroorzaken.
De aanbevelingen van het onderzoek kunnen nuttiger zijn voor materialen zonder metalen wapening, grote massieve betonconstructies, conserveringsinterventies of nieuwe mengsels die zijn ontworpen om gecontroleerde carbonatatie te benutten. De auteurs kijken ook naar cementen met minder klinker, het onderdeel waarvan de productie hoge temperaturen vereist en een groot deel van de uitstoot van de sector genereert.
Tijden blijven de lastigste grens. In het Romeinse monster verliep de mineralisatie langzaam, terwijl koolstofdioxide door diffusie het materiaal binnendrong. We hebben het over eeuwen, zelfs millennia: een tempo dat ongeschikt is om het fenomeen om te zetten in een snelle oplossing om de uitstoot van moderne gebouwen te absorberen.
Het onderzoek betreft tevens een steekproef uit één instelling. Romeinse technieken veranderden afhankelijk van de tijdperken, plaatsen, grondstoffen en de functie van de gebouwen. De latrine van Villa Adriana documenteert met ongebruikelijke precisie een langdurig mechanisme; het biedt niet het universele recept dat in alle uithoeken van het rijk wordt gebruikt.
Er komt echter een concrete indicatie uit dat uitlaatspruitstuk: de chemie van het Romeinse beton bleef lang na installatie bestaan. Lucht, vocht en mineralen zetten het werk voort. Bovenal een ingrediënt dat moderne bouwplaatsen met een zekere spaarzaamheid gebruiken.
