Vroeger was alles beter. Dat cliché bezigen oudere generaties overal ter wereld. Maar zoals elk cliché bevat het een kern van waarheid, zeker als het gaat om antieke bouwmaterialen op basis van kalk. Die blijken soms verbazingwekkend duurzaam. Volgens twee recente studies in Science Advances, zijn de verklaringen voor de bouwkundige prestaties van de Romeinen en de Maya’s verrassend low-tech.  

Puzzolane 

De Romeinen hebben het beton weliswaar niet uitgevonden, maar ze hebben de mogelijkheden ervan zonder meer maximaal benut. Hun constructies hadden hoogten en overspanningen die daarvoor onmogelijk waren. De basis voor de Romeinse betonnen revolutie, die aan het einde van de derde eeuw voor Christus begon, bestond uit de reactie tussen vulkanische as, rijk aan siliciumdioxide en aluminiumoxide, gebluste kalk (Ca(OH)₂) en water. Deze zogeheten ‘puzzolane’ reactie – naar de stad Pozzuoli, in de Baai van Napels – leidt tot een zeer stevig en veelzijdig bouwmateriaal, maar verklaart niet noodzakelijkerwijs de lange levensduur. Hier moest een ander proces aan ten grondslag liggen.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Admir Masic, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek aan MIT, onderzocht samples Romeins beton uit de tweede eeuw voor Christus, om het geheim van dat materiaal te ontrafelen. ‘Wat ons opviel in die samples waren de alomtegenwoordige, millimeters grote, witte kalkfragmenten’ vertelt Masic. Deze zogeheten klasten — korrels van een bepaald materiaal ingebed in een ander materiaal — waren al langer bekend, maar werden doorgaans beschouwd als onzuiverheden. ‘Ons idee was dat deze kalkklasten, die je in vrijwel alle gepubliceerde dwarsdoorsnedes van Romeins beton ziet, met opzet werden toegevoegd en een belangrijke rol speelden in de eigenschappen van het materiaal.’ 

Bestudering van het materiaal met onder meer elektronenmicroscopie en Ramanspectroscopie, wees uit dat de kalklasten een brosse, poreuze structuur hebben en naast calciet uit verschillende andere soorten calciumcarbonaat bestaan, die ook in de rest van het beton voorkomen. Masic: ‘Die heterogene samenstelling van het materiaal is typisch voor een vormingsproces bij hoge temperatuur en relatief lage vochtigheid. In een normale evenwichtsreactie zou je dit niet zien.’ Een verklaring zou het gebruik van hot mixing kunnen zijn. Hierbij wordt ongebluste kalk tijdens het mengproces aan het cement wordt toegevoegd. De resulterende reactie is sterk exotherm, vandaar de naam.

Reactieve bron

‘Het zou zoveel verklaren’, zegt Masic. ‘Niet alleen de specifieke chemische verbindingen die we aantreffen, maar ook de snelheid waarmee de Romeinen die muren bouwden. Het beton wordt door dit proces sneller hard; na een dag kun je erop lopen.’ Bovendien vormen de kalkklasten een reactieve bron van calcium die het beton zelfhelende eigenschappen kan geven. Masic: ‘Water dat binnendringt in het beton komt in contact met de klasten, die deels oplossen en daardoor calciumionen leveren die vervolgens weer kristalliseren tot calciumcarbonaat, en de barsten zo vullen. Of ze reageren met elementen uit de vulkanische as en versterken op die manier de interne structuur van het beton.’ 

Om die hypothese te testen maakten de onderzoekers cilinders van modern beton, met en zonder toevoeging van ongebluste kalk. Ze braken de cilinders in tweeën en lieten water door de barst lopen. In de cilinders gemaakt mét gebluste kalk bleek het water na twee tot drie weken stelselmatig niet meer door de cilinders heen te lopen. In modern beton zou dat met zulke wijde barsten nooit lukken. Masic: ‘De kalkklasten in deze cilinders leken analytisch sterk op die in antiek Romeins beton, met een kern van calciumcarbonaten en een gehydrateerde, reactieve rand. De vulling van de barsten bleek bovendien uit puur calciet te bestaan, wat we ook in gevulde barsten van Romeins beton hebben aangetroffen. Wij denken dat dat door reactie met de klasten komt.’

Het blijft de vraag in hoeverre de eigenschappen van de reconstructies overeenkomen met die van het antieke materiaal. Masic: ‘Zou Romeins beton uit het Pantheon ook helen, als ik er water door laat lopen? Ik heb geen idee! Maar onze experimenten laten zien dat het kan.’ Masic sluit verdere experimenten niet uit. ‘We hebben de ongebluste kalk nu toegevoegd aan moderne betonmixen, we hebben niet geprobeerd een antiek Romeins recept te volgen. Het zou interessant zijn dat alsnog te doen en het resultaat op een vergelijkbare manier te analyseren.’ 

Honduras  

Aan de andere kant van de Atlantische Oceaan hebben veel kalkpleisters van de Maya’s de tand des tijds op even indrukwekkende wijze doorstaan. Carlos Rodríguez-Navarro, hoogleraar Aardwetenschappen aan de Universiteit van Granada, onderzocht met zijn team kalkpleister en -mortel uit de zevende eeuw na Christus, afkomstig van de archeologische site van Copán in Honduras, om erachter te komen wat deze verrassend goede staat van conservering kon verklaren.

De toevoeging van natuurlijke, organische materialen zou een sleutelrol spelen, zo was het vermoeden. In zestiende-eeuwse bronnen valt al te lezen dat de lokale kalkmortel zo sterk was omdat die werd gemaakt met ‘een soort water afkomstig van een boomschors’. Maar het was onbekend waarom het vervolgens die eigenschappen zou hebben en er was geen hard bewijs dat de klassieke Maya’s eeuwen daarvóór dezelfde technologie gebruikten. Onderzoekers hadden weliswaar organisch materiaal gevonden in pleister en mortel, maar schreven dat veelal toe aan bacteriële activiteit.  

De samples van de uitzonderlijk goed geconserveerde kalkpleisters bleken bij spectroscopische analyse inderdaad organische materialen te bevatten. Op nanoniveau is een grillige, korrelige structuur te zien die verschilt van de gladde, regelmatige structuur van zuiver calciet. De door het team gemaakte reconstructies van kalkpleisters, met en zonder toegevoegd schorsextract, bleken hetzelfde verschil te vertonen. ‘We hebben de aanwezigheid van polysachariden binnen in de calcietkristallen kunnen aantonen’, aldus Rodríguez-Navarro. ‘De enige manier om dat voor elkaar te krijgen, is wanneer je die bio-additieven tijdens het maakproces bij de kalk mengt, anders zou je ze alleen aan het oppervlak, buiten de kristallen, aantreffen. Onze studie is dus de eerste die laat zien dat de Maya’s bewust organisch materiaal moeten hebben toegevoegd aan de kalkmortel.’  

Kleefrijst 

De additieven blijken te werken als kristallisatieremmers, legt Rodríguez-Navarro uit. ‘Ze zorgen ervoor dat amorfe calciumcarbonaatdeeltjes, die later transformeren in stabiele kristalvormen als calciet, langer blijven bestaan. Zo behouden de uiteindelijke kristallen die enigszins amorfe structuur. Het is een biomimetisch materiaal, dat je kunt vergelijken met biomineralen van calciet waaruit veel schelpen bestaan’. Verdere tests toonden aan dat het uiteindelijke kalkpleister onder invloed van water minder snel ontbond en dus beter bestand was tegen de elementen.

Ook bleek het materiaal betere plastische eigenschappen te hebben: het kon sterker vervormen onder druk zonder te barsten. Hoe de Maya’s op het idee kwamen om die schorsextracten toe te voegen zullen we nooit weten. Mogelijk droogde de kalkmortel te snel waardoor barsten ontstonden en kwamen ze zo op het idee om een kleverige substantie toe te voegen. ‘Waarschijnlijk wisten ze heel goed wat ze deden, en kwamen ze door trial and error op een optimaal recept’, meent Rodríguez-Navarro. ‘Er is wat dat betreft sprake van een convergerende evolutie. Zo voegde men in China kleefrijst toe aan kalkmortel en ook elders op de wereld probeerden antieke volkeren met organische materialen de eigenschappen van hun bouwmaterialen te beïnvloeden.’ 

Moderne bouw 

‘We herontdekken deze technieken nu,’ aldus Rodriguez-Navarro, ‘omdat we meer passende materialen willen voor restauratie, maar ook duurzame alternatieven zoeken voor moderne bouw.’ Masic ziet ook een veelbelovende toekomst. ‘In minder rijke landen gaan we de oplossingen voor problemen niet vinden in kostbare fabrieken. Er zijn zoveel lokale, traditionele oplossingen goedkoop en bewezen effectief zijn en die we met behulp van moderne techniek en wetenschappelijke inzichten nog verder kunnen verbeteren. Dat is de sleutel tot een duurzame toekomst.’  

Linda Seymour, et al, Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of Ancient Roman Concrete, Science Advances (2023) [Open Access]

Carlos Rodríguez-Navarro, et al, Unveiling the secret of ancient Maya masons: Biomimetic lime plasters with plant extracts, Science Advances (2023) [Open Access]