Römischer Beton

Römischer Beton ist Kalkmörtel, der um Bruchsteine oder Ziegelbrocken gestampft wird; in seiner bekanntesten Form enthält der Mörtel Vulkanasche. Die Asche lässt ihn sogar unter Wasser hart werden; er trug die Gewölbe Roms, seine Häfen und die unbewehrte Kuppel des Pantheons, bis heute die größte ihrer Art.

Was es ist

Römischer Beton, opus caementicium, ist eine Masse aus Steinbrocken, die ein Kalkmörtel zusammenhält; in vielen römischen Bauten enthielt er Vulkanasche. Die Römer nannten die Brocken caementa; daher stammt das Wort Zement. Seit dem 2. Jahrhundert v. Chr. konnten Baumeister damit Mauern, Gewölbe und Kuppeln errichten, die mit Haustein allein nicht zu erreichen waren, billiger und mit weniger Fachkräften.

Zwei Dinge unterscheiden ihn von einem einfachen Kalkmörtel: die Vulkanasche, mit der er sogar unter Wasser erhärtet, und eine Bauweise in Lagen aus Bruchstein zwischen Schalen aus Ziegeln oder kleinen Steinen.

Wie es funktioniert

Ein Kalkofen: Der Kalkstein liegt auf einem Bogen über dem Feuer und kommt als weißer Branntkalk heraus.

Das Bindemittel beginnt als Kalkstein. Im Ofen gebrannt, gibt er Kohlendioxid ab und wird zu Branntkalk; mit Wasser gelöscht, quillt er unter starker Erwärmung auf und wird zu Löschkalk. Mörtel aus reinem Luftkalk härtet langsam, indem er Kohlendioxid aus der Luft aufnimmt, und bleibt dort weich, wo keine Luft hinkommt.

Vulkanasche ändert das. Die Asche vom Golf von Neapel, nach der Stadt Pozzuoli Puzzolan genannt, enthält viel Kieselsäure und Tonerde in glasiger, reaktionsfreudiger Form. Sie reagiert mit Kalk und Wasser zu neuen bindenden Mineralen, sodass der Mörtel durch Reaktion mit Wasser statt mit Luft erhärtet, auch untergetaucht. Vitruv bemerkte um 25 v. Chr., dass dieser vulkanische Sand aus der Gegend von Baiae und dem Vesuv, mit Kalk und Bruchstein gemischt, unter Wasser ebenso hart wurde wie an Land.

Meeresbeton: Hölzerne Kästen im Meer wurden mit Aschemörtel und Bruchstein gefüllt.

Für Häfen rammten die Bauleute Holzpfähle in den Meeresgrund, verbanden sie zu einer Umschließung und füllten diese mit Mörtel und Tuffbrocken direkt ins Wasser; Vitruv beschreibt auch Umschließungen, die vor dem Füllen leergepumpt wurden. Plinius der Ältere beschrieb solche Molen als eine einzige Steinmasse, die jeden Tag fester werde. 2017 zeigte ein Team um die Geologin Marie Jackson, dass Meerwasser langsam Teile der Asche löst und neue Minerale, darunter der seltene Aluminium-Tobermorit und Phillipsit, in ihren Poren wachsen. Nach Ansicht des Teams helfen diese verzahnten Kristalle dem Beton, Rissen zu widerstehen.

Die Arbeiter bauten römischen Beton in Lagen auf. Sie legten eine Lage faustgroßer Steine oder Ziegelbrocken aus, stampften Mörtel hinein und wiederholten das Lage um Lage; den Mörtel trug man in Körben zur Mauer. Die Schalen aus Ziegeln oder kleinen Quadern dienten als verlorene Schalung. In Abständen liefen Schichten großer flacher Ziegelplatten durch die Mauer und verbanden die Schalen mit dem Kern.

Die weißen Klümpchen sind Kalkeinschlüsse. Wo ein Riss einen davon kreuzt, kann Wasser den Kalk lösen und den Riss mit Calcit füllen.

2023 untersuchte ein Team am MIT unter Admir Masic die kleinen weißen Kalkklümpchen im römischen Beton. Es kam zu dem Schluss, dass die Bauleute einen Teil des Kalks als Branntkalk zugaben, der die Mischung bei der Reaktion erhitzt. Die Klümpchen wirken als Vorrat: Dringt Wasser in einen Riss, löst es dort Kalk und lagert Calciumcarbonat ab, das den Spalt schließt. Das Team stellte danach moderne Probemörtel mit Branntkalk her, ließ sie reißen und Wasser hindurchlaufen; laut dem Bericht des MIT schlossen sich die Risse in etwa zwei Wochen, während eine Vergleichsprobe ohne Branntkalk undicht blieb.

Römischer Beton ist weniger druckfest als moderner Beton aus Portlandzement und gewinnt nur langsam an Festigkeit. Die Baumeister rechneten damit: Im Pantheon trugen in die Mauern eingelassene Ziegelbögen die Lasten, während der Beton aushärtete.

Wie man ihn herstellt

Ein kleiner Probeblock von etwa 30 cm Länge zeigt, wie sich das Material verhält. Er dient nur der Anschauung und nie als tragendes Bauteil. Verwenden Sie Produkte, die für Kalkarbeiten und Denkmalpflege verkauft werden.

Material besorgen. Sie brauchen pulverförmiges Kalkhydrat, natürliches Puzzolan oder ein anderes für Kalkmörtel angebotenes Puzzolan und Zuschlag: saubere Ziegelbrocken oder Steine von Walnuss- bis Eigröße. Tragen Sie von Anfang an Handschuhe und Schutzbrille, arbeiten Sie an einem gut belüfteten Ort und vermeiden Sie Staub.

Mörtel anrühren. Verwenden Sie die Raumteile, die der Puzzolan-Hersteller für Kalkhydrat angibt. Setzen Sie eine dicht sitzende Partikelmaske auf, wie es die Sicherheitsdatenblätter verlangen, und mischen Sie die Pulver trocken. Geben Sie anschließend nach und nach Wasser hinzu, bis der Mörtel steif und klebrig ist, nicht flüssig.

Schalen mauern. Feuchten Sie Ziegel und Ziegelbruch vorher an, ohne dass Wasser darauf steht, damit sie dem frischen Mörtel nicht das Wasser entziehen. Mauern Sie zwei kurze, dünne Ziegelschalen in Kalkmörtel, jeweils eine Handbreit hoch. Sie dienen als Schalung und bleiben stehen.

Kern füllen. Mörtel zwischen die Schalen streichen, den Zuschlag hineindrücken und dann mit einem hölzernen Stampfer weiteren Mörtel in die Lücken stampfen, bis keine Hohlräume bleiben. In Lagen von etwa 6 bis 8 cm arbeiten, damit der Mörtel jedes Stück umhüllt, und mit einer Schicht flacher Ziegelplatten quer über den ganzen Block abschließen.

Langsam aushärten lassen. Das Werk mindestens zwei Wochen feucht und schattig halten, mit nassen Jutesäcken abdecken und vor Frost schützen. Kalk und Puzzolan werden noch monatelang fester; den Block nach einigen Monaten aufschlagen, um zu sehen, wie weit er erhärtet ist.

Sicherheit. Kalk ist ätzend. Er verbrennt die Haut und kann blind machen: Handschuhe, lange Ärmel und dicht schließende Schutzbrille tragen, jeden Spritzer sofort mit viel klarem Wasser abspülen und bei Augenkontakt ärztliche Hilfe holen. Beim Schütten und Trockenmischen von Kalk und Puzzolan eine dicht sitzende Partikelmaske tragen. Löschen Sie keinen Branntkalk selbst und versuchen Sie nicht das römische „Heißmischen“: Branntkalk und Wasser reagieren heftig, kochen und spritzen. Diese Hausmischung ist nicht geprüft: nicht für Stufen, Mauern oder sonst etwas verwenden, das eine Last tragen muss.

Geschichte und Entwicklung

Kalkmörtel war im Mittelmeerraum lange vor Rom in Gebrauch; die römischen Baumeister machten daraus einen tragenden Baustoff. Um 150 v. Chr. war Beton weit verbreitet, manche Forscher setzen seine Anfänge ein Jahrhundert früher an. Beton, der unter Wasser abbindet, wurde wahrscheinlich am Golf von Neapel entwickelt, wo die Asche vorkommt, noch vor dem Ende des 2. Jahrhunderts v. Chr.; welche erhaltenen Hafenbauten die ältesten sind, ist umstritten.

In der Kaiserzeit trug er die meisten Großbauten. Der Hafen des Herodes in Caesarea, ab etwa 22 v. Chr. gebaut, entstand mit Asche, die aus Italien herangeschafft wurde. Das Pantheon, unter Hadrian etwa zwischen 117 und 125 n. Chr. neu errichtet, hat eine Kuppel von 43,3 m Durchmesser mit einer runden Öffnung von etwa 9 m im Scheitel. Seine Mauern sind rund 6 m dick, und der Zuschlag wechselt vom schweren Travertin der Fundamente über Tuff und Ziegel bis zu leichtem Bims und Tuff in der oberen Kuppel. Sie ist bis heute die größte unbewehrte Betonkuppel der Welt.

Nach dem Ende des Weströmischen Reiches wurde großer Betonbau selten, und Kalkmörtel diente wieder vor allem als Bindemittel für Mauerwerk. Moderner Beton aus Portlandzement, oft mit Stahl bewehrt, bindet schneller ab und ist fester, kann aber im Meerwasser innerhalb weniger Jahrzehnte reißen, und sein Stahl kann rosten, wenn er schlecht hergestellt oder geschützt ist. Forscher untersuchen heute Bohrkerne römischer Häfen und die Kalkeinschlüsse, um Beton zu entwickeln, der länger hält und weniger Kohlendioxid freisetzt.