De Romeinen waren meesters van de bouwkunst. Hoe ze beton zelfhelend maakten, is nu weer iets duidelijker dankzij onderzoek aan MIT.

 

Het is één van de prestaties waarom de Romeinen bekend staan: hun bouwkunst. Zelfs twee millennia nadat ze zijn neergezet, staan hier en daar nog gebouwen, of delen ervan. Dat is voor een deel te danken aan een bouwmateriaal dat in de Romeinse tijd werd geperfectioneerd: beton.

Dat materiaal bestond al wel, maar de Romeinse bouwers verbeterden de receptuur. Ze slaagden er zelfs in om beton zelfhelend te maken: bij het optreden van kleine scheurtjes herstelt het materiaal zichzelf, zodat het zijn sterkte behoudt. Onderzoekers aan het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben nu ontdekt hoe dit mechanisme werkt. Ze schrijven erover in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances van 6 januari.
 

Vulkaanas

In de Romeinse tijd werd beton gemaakt van gebluste kalk, een wit poeder, gemengd met vulkaanas, kleine steentjes en water. Materiaalwetenschappers doen al tijden onderzoek naar de eigenschappen van dit Romeinse beton.

Zo bleek uit onderzoek in 2018 dat het energieverbruik bij de productie van modern beton omlaag kan, door er vulkaanas aan toe te voegen. Een truc die rechtstreeks van de Romeinse betonspecialisten lijkt te komen.
 

Zeewater

En enkele jaren geleden werd duidelijk uit onderzoek hoe het kwam dat bepaalde structuren die de Romeinen in de zee bouwden, de tand des tijds goed hebben doorstaan. Wanneer er een scheurtje in het beton ontstaat, reageert het zeewater met bepaalde stoffen in het beton tot een sterk materiaal dat de scheur opvult. Zo behoudt de structuur zijn sterkte.

Maar ook betonnen structuren van de Romeinen op land vertonen soms deze zelfhelende eigenschappen. Hoe dat precies werkt werd onderzocht door ingenieurs en materiaalkundigen uit de groep van universitair hoofddocent Admir Masic van MIT.
 

Stadsmuur

Ze gingen naar Privernum, een opgegraven stadsmuur  uit de Romeinse tijd vlakbij Rome, en verzamelden daar enkele betonmonsters. Terug in het lab zaagden ze die doormidden en bekeken ze onder de microscoop.

Speciale aandacht hadden ze voor de kalkklontjes die in de monsters zaten. Wetenschappers hadden deze al eerder gezien, maar vaak werd gedacht dat ze het resultaat waren van een slecht uitgevoerd mengproces van het beton.

Masic en zijn mensen hadden echter een ander vermoeden: de Romeinse betonmakers zouden de klontjes wel eens met opzet erin kunnen hebben gedaan. Hun theorie is dat de Romeinen ongebluste kalk aan het mengsel toevoegden, voordat ze het met water lieten uitharden. Dit witte poeder is eenvoudig te maken, door kalksteen te verhitten. Tijdens het mengen van het beton reageerde het poeder met water, waarbij een chemische reactie optrad die veel warmte produceerde. Hierdoor kon de kalk niet volledig oplossen, waardoor de kalkklonten ontstonden.

Toen de onderzoekers van MIT zelf in het lab volgens dit recept beton maakten, op basis van ongebluste kalk, zagen ze inderdaad ook de klontjes kalk ontstaan. Het eindproduct leek erg op de betonmonsters van Privernum.

 

Illustratie: Seymour et al., Science Advances 2023 / CC BY-NC

 

Scheur

Maar nu volgde de spannendste stap. Wat zou er gebeuren als de onderzoekers moedwillig een scheur aanbrachten in hun beton? Om dat te testen, goten ze van hun beton een cilindervormig proefstuk (zie hierboven). Daar brachten ze op gecontroleerde wijze een scheur in aan, waarna ze de twee helften weer samenbrachten, maar dan op een afstand van 0,5 millimeter.

Toen ze hier een tijdje (dertig dagen in het experiment) water doorheen lieten sijpelen, bleek zich in de scheur een vaste stof te hebben gevormd. Analyse wees uit dat dit calciet was, ofwel kalkspaat, een mineraal dat voornamelijk bestaat uit calciumcarbonaat. Het materiaal voor deze opvulling kwam uit de kalkklonten. Het op de Romeinen gebaseerde beton was in staat om scheurtjes zelf op te vullen, tot een breedte van 0,5 millimeter aan toe.
 

Goedkoper

De onderzoekers denken dat hun zelfhelende beton goedkoper is dan bestaande vormen van zelfhelend beton. Ook zal het ‘Romeinse beton’ langer meegaan. ‘En dat helpt bij het bestrijden van klimaatverandering’, zegt Masic in een nieuwsbericht van Science. De productie van cement, het belangrijkste bestanddeel van beton, is namelijk goed voor acht procent van alle uitstoot van broeikasgassen.

De MIT-onderzoekers hopen dat bedrijven de nieuwe inzichten nuttig kunnen gebruiken om beton te produceren dat langer meegaat dan de vijftig jaar die de bestaande betonsoorten soms maar halen. Ze geven zelf alvast het goede voorbeeld, want ze starten een bedrijfje dat het zelfhelende beton op de markt gaat brengen.

 

Openingsfoto: de koepel van het Pantheon in Rome, het schoolvoorbeeld van de betonbouw in het oude Rome. Foto Depositphotos