Römischer Beton: Die stabilste Latrine der Geschichte

In der Hadriansvilla in Tivoli sind Fachleute dem Geheimnis des Römerbetons auf der Spur. Was ist es, das die dortige Latrine seit Jahrhunderten haltbar macht?

von Sam MacDonald

Eine antike römische Villa mit einem rechteckigen Wasserbecken im Vordergrund, umgeben von einer Kolonnade aus Säulen und Statuen. Die Reflexionen der Architektur und Skulpturen sind im ruhigen Wasser sichtbar. Im Hintergrund steht ein historisches Gebäude aus Stein, umgeben von Bäumen. Die Szene vermittelt eine ruhige und historische Atmosphäre. — © Oliviero Olivieri / robertharding / picture alliance (Ausschnitt)
Die in der Studie untersuchte Latrine befindet sich in der Villa des Hadrian in Tivoli. Der Kaiser ließ das Anwesen um 120 n. Chr. erbauen. Im Bereich des Canopus, einer großen Garten- und Bankettanlage mit Becken, liegt auch die Latrine.

Etwa 27 Kilometer östlich von Rom findet man die Überreste einer Latrine, deren Beton nun seit fast 2000 Jahren überdauert. Dieser Beton hat das Weltreich, dessen Bauleute das Material gegossen haben, überlebt; ebenso trotzte er fast zwei Jahrtausende lang der Verwitterung und überstand sogar Italiens dritte verpasste WM-Qualifikation in Folge. Das ist eine beeindruckende Bilanz für eine Toilette, insbesondere für eine Gemeinschaftstoilette.

Die bescheidene Latrine ist Teil der weitläufigen Villa von Kaiser Hadrian aus dem 2. Jahrhundert in Tivoli und hilft nun Forschenden, eines der größten Rätsel der Ingenieurwissenschaften zu lösen: Warum haben sich manche römische Betonkonstruktionen über Jahrtausende hinweg erhalten? Eine in »Science Advances« veröffentlichte Studie liefert das bislang klarste Bild davon, wie sich das Material noch lange nach dem Guss weiter veränderte und verdichtete.

Fachleute führen die bemerkenswerte Haltbarkeit des römischen Betons seit Langem auf einen genialen Umstand antiker Materialchemie zurück. Die römischen Baumeister mischten Kalk mit Vulkanasche und lösten dadurch mineralische Reaktionen aus, die sich weiter fortsetzten, während der Beton alterte. »Man kann sich das in etwa so vorstellen, dass die Römer Vulkane nutzten, um ihren Beton zu verbessern, während wir Zementöfen mit hohen Brenntemperaturen einsetzen«, sagt Maria Juenger, die an der University of Texas in Austin über Zement- und Betonwerkstoffe forscht und nicht an der Studie beteiligt war.

Das Wunder der weißen Kalkbröckchen

Forscherinnen und Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) schlugen 2023 vor, dass die weißen Kalkbröckchen im römischen Beton – sogenannte Kalkklasten, die lange Zeit als Indiz für eine unvollständige Vermischung gedeutet wurden – die selbstheilenden Eigenschaften des Materials erklären könnten. Wenn Risse im Beton entstehen und Wasser eindringt, dann kann die Flüssigkeit calciumreiches Material aus den Bröckchen lösen – das anschließend mit anderen Bestandteilen reagiert, zu Calciumcarbonat umkristallisiert und so den Riss verschließt.

Um diese chemischen Vorgänge in antikem Beton zu untersuchen, benötigt man eine Probe, die im Laufe der Zeit nie ausgebessert oder restauriert wurde – was eher selten der Fall ist, da Restauratoren seit Generationen archäologische Stätten in Schuss halten.

Die Fachleute nutzten daher ein besonderes Örtchen. »Niemand restauriert eine Latrine«, sagt Paulo Monteiro, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der University of California in Berkeley und Seniorautor der neuen Studie. »Das Material blieb 19 Jahrhunderte lang ungestört und führte still und leise ein Experiment durch, das kein lebender Mensch hätte beginnen können.«

Mit allen technischen Raffinessen

Monteiro, Erstautor Xiaohong Zhu von der Technischen Universität Peking und ihre Kollegen nutzten verschiedene Mikroskopie-, Spektroskopie- und Bildgebungsverfahren, darunter die Rasterelektronenmikroskopie samt Elementanalyse, die Röntgenbeugung und die Computertomografie. Damit kartierten sie die Carbonatminerale und die Mikrostruktur im Innern des antiken Betons bis auf eine Größenordnung von einigen zehn Nanometern. Der Prozess, bei dem der Beton Risse ausfüllt, wird als Carbonatisierung bezeichnet: Dabei dringt Kohlenstoffdioxid aus der Luft in den Beton ein und reagiert mit den calciumhaltigen Verbindungen, wobei Calcit, eine harte kristalline Form des Calciumcarbonats, zurückbleibt. Die Untersuchungen des Teams zeigen, dass Calcit den antiken Beton durchzieht, seine Poren sowie Risse ausfüllt und seine Bestandteile miteinander verbindet.

»Man hat bereits zuvor vermutet, dass Calcit eine wichtige bindende Phase in Bauwerken aus römischem Beton darstellt«, sagt Monteiro. »Neu ist, dass wir nun sehen können, wie er bindet.« Den Carbonaten kommt in dem Prozess also ein höherer Stellenwert zu als bisher angenommen.

»Das stärkt die Annahme, dass die Carbonate in diesen Systemen dynamischer sind und keine nebensächliche, sondern eine grundlegende Rolle spielen«, erklärt der Materialwissenschaftler Admir Masic vom MIT, Seniorautor der Studie von 2023.

Ob diese Erkenntnisse zur Verbesserung von modernem Beton beitragen können, ist aber noch unklar. »Das große Problem ist der Stahl«, sagt Juenger. Im Gegensatz zu römischem Beton wird heutiger Beton meist mit Stahlstäben bewehrt. Frischer Beton ist alkalisch genug, um das Metall vor dem Rosten zu schützen, doch durch die Carbonatisierung sinkt allmählich der pH-Wert und schwächt diesen Schutzmechanismus. »Dieselbe Reaktion, die den römischen Beton still und leise gestärkt hat, ist eine schleichende Bedrohung für den unsrigen«, erklärt Monteiro.

Gleichzeitig interessieren sich Ingenieure zunehmend für die kontrollierte Carbonatisierung, durch die Kohlenstoffdioxid in mineralischer Form gebunden werden kann. Das ist von erheblicher Bedeutung für eine Branche, die als Hauptzutat Zement braucht und deshalb rund acht Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verursacht. Die Autoren der Studie warnen allerdings davor, von dem Prozess im Römerbeton schnelle Erfolge beim Klimaschutz zu erwarten. Die chemische Reaktion lief in der Hadriansvilla über Jahrhunderte hinweg ab. »Moderne Ingenieure stehen vor einem schwierigen Spagat zwischen Haltbarkeit und Nachhaltigkeit«, betont Monteiro. »Wir hoffen, dass unsere Techniken dazu beitragen können, das Gleichgewicht zwischen beidem zu optimieren.« Unterdessen geht in Tivoli das Dauerexperiment in der Latrine weiter.