Что такое бетон в древнем риме. Производство бетонных работ в древнем Риме

Если заходит разговор о практичном строительном материале, то сразу же вспоминают бетон. Это искусственно созданный, наподобие камня материал, получение которого происходит в результате схватывания (застывания) предварительно замешанного и подвергшегося уплотнению раствора.

Бетон — материал современности

В XVIII веке во Франции происходит много замечательных событий. Одно из них – связано со строительством. «Бетон» – слово французское, там же впервые его и употребили.

Бетон — известен с давних времен

Известны разные версии появления бетона. Одна из них гласит, что однажды археологи обнаружили в небольшой хижине пол, сделанный из бетона, толщина которого составляла одну четвертую метра (25 см). Произошло это на территории бывшей Югославии, находка относилась к каменному веку (как предполагается – 5 600 год до нашей эры (до н. э.). Как выяснилось, бетонный раствор пола состоял, в том числе, из местной красноватой извести и гравия.

В Египте был найден бетон, относящийся к 950 году до н. э., в гробнице Теве и в строительстве галерей широкоизвестных египетских пирамид также был использован бетон. Этот строительный материал в Древнем Риме называли «римским бетоном». Примерно в IV веке до нашей эры его стали применять. Много утекло воды с тех давних пор, однако, римский Пантеон, построенный из него, сохранился до нашего времени, причем пережил даже несколько землетрясений.

Проводились исследования древних поселений в Риме и пришли к выводу, что два вида бетона применялись для строительства:

1. природный;
2. искусственный.

Природный брали из обломков горных пород, которые были связаны разными минеральными веществами (например, гипсом, известью, кальцитом). К природному можно отнести песчаник, брекчию, конгломерат.

До появления цемента в качестве связующего вещества выступала известь. Кроме нее, пользовались еще жирной землей и глиной, они в сочетании с водой становились кашеобразной массой, которая вскоре высыхала и приобретала неплохую прочность. Вот из этой кашицы вначале и строили глинобитные дома, а позднее даже стали возводить храмы.

В Испании до нашего времени сохранились формованные стены, которые выдержали не одну непогоду в течение многих лет подряд. Для их возведения применяли метод формования (по-другому: трамбования). По своему усмотрению строители брали: камень и влажный грунт либо камень и глину, которые укладывали в опалубку, выполненную из дерева.

Строительная сфера развивалась, были созданы искусственные вяжущие вещества (известь, гипс), получившиеся благодаря термической обработке сырьевой массы. Когда появился достаточно широкий ассортимент вяжущих веществ, то и применяться получаемые бетоны и растворы стали чаще в строительстве.

Не только бетонные полы, но и заливка фундаментов зданий осуществлялась с их помощью. Вырывали траншеи под фундамент, насыпали туда гальку (мелкий камень), затем заливали смесью извести с песком, глиняной массой. Это сооружение становилось прочной основой для дальнейшего строительства.

Состав материала

Таблица: состав бетона

Как выясняется, бетон популярен издавна. Специалисты строительного дела обратили внимание на отличную прочность, водонепроницаемость и удобство в укладывании бетона.

Что же входит в состав бетона? В первую очередь напрашивается ответ: цемент, песок, вода и щебень. Но не всегда так. Современный бетон отличается еще и тем, что в него, кроме вышеперечисленного, добавляют химические ингредиенты. Как раз они улучшают затвердевающие, схватывающие и компилятивные свойства, влияющие на качество.

Современный бетон состав

В XX веке добавляемые в бетон различные компоненты положительно сказываются на его свойствах. В конце века прошедшего появились бетоны, подвергавшиеся модификации, как их еще называют бетонами «последнего поколения». Здания, построенные из них, долговечны, надежны и привлекательны. Хорошо известен бетонный модификатор МБ, который представляет собой композиционный порошок, имеющий органоминеральную основу.

Состав: бетон самоуплотняющийся

Минеральная часть – микрокремнезем либо смесь с кислой золой-уноса. Органическая часть – это пластификатор либо смесь с ним, имеющая регулятор затвердевания с добавками. Важным фактором считается соотношение микрокремнезема и золы-уноса в минеральной части, благодаря этому происходит разделение модификаторов на 4 вида: Мб-01; МБ-30С, МБ-50, МБ-100С.

Бетоны относятся к искусственным каменным строительным материалам, которые состоят из инертных заполнителей (чаще всего – это песок, образующийся при выветривании горных пород твердого происхождения, представляющий собой рыхлую смесь из зерен (с диаметром от 0,15 мм до 5 мм), воды и вяжущих веществ. Эта смесь хорошенько перемешивается.

Подробнее про строительные смеси можно узнать в .

Какими бывают инертные заполнители?

Для бетона обычно применяют заполнители – кварцевые речные пески как наиболее чистые, не требующие промывки, так как содержат глину, мелкие пылевидные фракции и ил не более 5 процентов по весу. Песок со средней крупностью зерна менее 0,2 мм для бетона не применяется. Кроме величины зерна в песке, пригодном для бетона, имеет значение объем пустот, который не должен превышать 40 процентов; гравий – добывают его из рыхлых залеганий, которые образовались путем естественного разрушения осадочных или метаморфических, изверженных горных пород.

Инертные заполнители для бетона

Для бетона наиболее подходящим является гравий с щебневидными зернами ; Щебень – это еще один из инертных заполнителей для бетона. Его получение основано на дроблении горных пород (это может быть гранит, диабаз, песчаник, доломит, известняк), или же кирпичных частей (лом), отвальных шлаков. Для дробления камня на щебень используют камнедробилки (в основном щековые). Размер щебня должен быть от 5 мм до 150 мм.

Чаще всего в качестве вяжущего вещества в бетоне выступает цемент, в процентном отношении он должен составлять в соответствии с весом бетона — от 10 до 15. Тогда получается, что в процентах — воды и инертных заполнителей — будет 90–85.

Заполнителем также может быть битум (асфальтобетон). Если же используют для заполнителей местные материалы, то это снижает стоимость бетона.

Мелким заполнителем выступают чаще всего речные (чистые) кварцевые пески с зернами от 0,15 мм до 5 мм, слюды в них содержаться не должно выше 0,5 процента, а различных примесей пылевидных, ила, глины – не свыше 5 процентов.

Среди крупных заполнителей получил широкое распространение щебень, который получают в результате искусственного дробления твердых, морозостойких (прочных) пород.

Для работы с массивными конструкциями берется щебень не более 150 мм, а самым популярным – 5–80 мм. Если же применяется гравий (крупным заполнителем), то он должен иметь те же самые размеры, что и щебень, обладать такой же морозостойкостью как раз в тех случаях, когда он эксплуатируется при смачивании водой, а также замораживается и оттаивает.

Чтобы было удобно работать со свежеприготовленной бетонной смесью, она должна обладать достаточной подвижностью и удобно укладываться при вибрировании. Когда бетон изготовлен, его прочность в течение одной–двух недель быстро растет.

По пределу прочности в кг/см2 при сжатии бетонного стандартного кубика, имеющего размер 20 Х 20 Х 20 см, определяют марку бетона. Кубик подвергают испытанию через четыре недели после того, как изготовят. Еще в СССР были установлены такие марки: 50; 75; 100; 150; 200; 250; 300; 400; 500. На прочность цемента действует водоцементное соотношение и активность самого цемента.

Как получают и применяют бетон

Получение его происходит благодаря обжигу до спекания искусственной массы материалов, выверенных с большой точностью, с содержанием углекислого кальция (который есть в чистом или мергелистом известняке и др.) и глины (также может быть разной: известковой, мергель и прочие) с последующим тонким помолом либо шлакопортландцемент (если сопоставить с портландцементом, то схватывание и твердение происходит медленнее в первые дни). Но нельзя поспорить с его стойкостью против действия минерализованных вод (в сопоставлении его с портландцементом), потому применение его возможно для массивных бетонных и железобетонных конструкций, гидротехнических сооружений. Может участвовать в растворах для каменной кладки, в изготовлении полов и бетонных камней.

Заданные качественные показатели бетона определяются установлением состава бетонной массы, марки цемента и качества заполнителей. Чтобы рассчитать расход цемента на один кубический метр бетона должны быть учтены требования необходимой прочности и плотности, экономичности бетона и пластичного состояния бетонной массы. Если необходимо возвести железобетонное сооружение, которое будет находиться на открытом пространстве или в воде, то расход цемента, как правило, составит 250 кг/м3, а для конструкций и приспособлений внутри помещений – не меньше 220 кг/м3.

Железобетонные сооружения требуют обычного бетона.

Стены здания и легкие перекрытия нуждаются в легком бетоне (можно использовать шлакобетон).

Теплоизоляция требует особо легких (пено- и газобетон).

Виды бетонов

Виды бетонов и разделение на классы

Взяв за основу объемный вес, бетоны подразделяются на 5 видов:

1. особо тяжелые , имеющие объемный вес (ОВ) свыше 2 700 кг/м3, заполнители используют тяжелые – стальные опилки (стальбетон) либо тяжелый шпат;
2. тяжелые или обычные (с ОВ – 2 100–2 600 кг/м3) с заполнителями: кварцевым песком, щебнем либо гравием, обязательно из плотных пород;
3. облегченные (ОВ – 1 800 кг/м3– 000 кг/м3) с заполнителем также облегченного типа, к примеру, кирпичным щебнем;
4. легкие (с ОВ – от 1 000 кг/м3 до 1 800 кг/м3) с заполнителями более легкими (керамзит, туф, шлак, пемза);
5. особо легкие (ОВ — от 400 кг/м3 до 1 000 кг/м3), зачастую к ним относят ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), не содержащие или содержащие совсем немного твердых заполнителей.

Самыми популярными считаются тяжелые бетоны. В качестве вяжущего вещества наиболее пригоден портландцемент (силикатцемент).

Первыми в использовании бетона, как уже известно, стали египтяне, за ними – римляне и греки. Пантеон и Колизей – яркое тому доказательство. Каменщик из Англии Джозеф Аспдин запатентовал в 1824 году странное серое вещество и дал ему название «портландцемент». Что-то похожее изобрел в Москве в первой четверти 20 века Е. Челиев. Вскоре Россия узнала о цементе Аспдина. Это произошло в 1847 году, с которого и взяла старт эра бетона. Вот так бывает!

Как ни смешно говорить это, но, кроме большей энергоэффективности и экологичности, римский предшественник современных бетонов отличается ещё и повышенной устойчивостью к воздействию воды.

Новое исследование обнаруженных в морской среде образцов древнеримского бетона, выполненное группой под руководством Пауло Монтейро (Paulo Monteiro) из Калифорнийского университета в Беркли (США), показало, что этот материал даже более устойчив к коррозии, чем считалось.

Почти всё, что мы знаем о римском бетоне от его современников, основано на работах Марка Витрувия Поллиона (имя и когномен - гипотетические). В описании известкового строительного раствора, выполнявшего у римлян роль цемента, он рекомендует смешивать известь с пуццоланом (вулканический пепел, пемза и туф естественного происхождения, в основном из-под Везувия) в соотношении 1 к 3 для наземных работ и 1 к 2 для подводных. К слову, вместо обычной воды для производства бетона тогда рекомендовалось использовать морскую. Тем не менее рецепт всё равно очень условен, потому что ни количество добавлявшейся воды, ни точное время рекомендуемого схватывания Витрувий не приводит.

Основу портландцемента сегодняшнего типа изготавливают, упрощённо говоря, нагревом смеси известняка и глин при температурах до 1 450 °С. Согласно анализу группы г-на Монтейро, римский цемент производился иначе. Он требовал меньше извести, и известняк нагревался всего до 900 °C или даже меньшей температуры. Тем не менее в том, что касается устойчивости к воздействию воды (а это главная причина разрушения бетонных конструкций современности), он был даже лучше нынешнего.

Почему бы не дать древнеримской технологии зелёный свет, тем более что пуццолан распространён по всему миру, включая регионы, в которых нет ни единого действующего вулкана? «В середине XX века бетонные структуры проектировались для эксплуатации на протяжении 50 лет, и во многих из них сейчас непонятно в чём душа держится, - откровенно замечает г-н Монтейро. - Сегодня мы проектируем здания со сроком эксплуатации 100–120 лет». Само собой, из-за этого нам действительно интересно знать, почему бетонные изделия, пролежавшие 2 тыс. лет под водой, не имеют ни малейших следов разрушения.

Учёные называют следующие важные отличия проанализированных образцов римского бетона от нынешнего материала.

Во-первых, сегодняшний портландцемент состоит из кальция, силикатов и гидратов, в то время как римский аналог включал меньше кремниевых соединений и больше алюминия.

Во-вторых, если портландцемент является попыткой скопировать природный тоберморит и дженнит, но на практике его структура не вполне соответствует идеалу, то римский цемент и бетон, для которого он служил связующим, как раз совпадают с тоберморитом. Почему? - В силу присутствия в римском варианте тоберморита алюминия, придающего ему бóльшую жёсткость.

Что может означать внедрение сходных технологий сегодня? В римском бетоне известняка всего 10% по весу, при этом он требует куда меньшего нагрева. Хотя полностью заменить нормальный портландцемент римским по ряду причин нельзя (к примеру, римский дольше схватывается, да и применять морскую воду не везде удобно), широкое использование последнего способно значительно снизить энергозатраты на изготовлении нынешних 19 млрд тонн бетона в год, служащего причиной 7% глобальных выбросов углекислого газа и потребителем значительной части доступной человечеству пресной воды.

Наконец, и это весьма важно, замедление темпов коррозии современного железобетона может резко уменьшить затраты на строительство новых зданий и сооружений и ремонт старых. Разумеется, чтобы римскую сказку сделать былью, выводы по структуре использовавшего древними бетона должны быть взяты на вооружение современными инженерами.

В Древнем Риме не было слова «бетон». Оно появилось гораздо позже, в XVIII в. во Франции. Римляне же материал, подобный бетону, называли по-разному. Так, литую кладку с каменным наполнителем они именовали греческим словом «эмплектон» (emplekton). У Витрувия в кн. VII, гл. 4,5 при описании полов встречается слово «рудус» (rudus), которое в переводе Ф. А. Петровского и других известных ученых-историков означает бетон. Однако чаще всего при обозначении таких слов, как раствор, возведении стен, сводов, фундаментов, молов и тому подобных конструкций в римском лексиконе употреблялось словосочетание «опус цементуй» (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон.

Как появился бетон

Трудно точно сказать, где и когда появился бетон, так как начало его зарождения уходит далеко в глубь веков. Очевидно лишь то, что он не возник таким, каким мы его знаем сегодня, а, как большинство строительных материалов, прошел длинный путь развития.

Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Он был найден на берегу Дуная в поселке Лапенски Вир (Югославия) в одной из хижин древнего поселения каменного века, где из него был сделан пол толщиной 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой местной извести, доставлявшейся вверх по течению реки более чем за 400 км от места добычи.

История бетона неразрывно связана с историей цемента. Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлись глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность.

Использование глины в строительстве восходит приблизительно к 10 тысячелетию дс н, э. На основе глины и жирной земли приготавливались смеси типа растворов и бетонов, которые в те Далекие времена широко применялись при строительстве самых Различных построек и сооружений,- начиная от простейших глинобитных (землебитных) домов до громадных храмов - зиккуратов (рис. 4). Римский писатель и ученый Плиний Старший (23-79 гг. н. э.) в «Естественной истории» с восхищением пишет о виденных им в Африке и Испании «формованных» стенах таких построек. «...Веками стоят они, не разрушаемые ни дождем, ни огнем, более прочные, чем сделанные из бутового камня... В Испании,- пишет он,- до сего дня стоят сторожевые вышки и башни Ганнибала из глины, построенные на вершинах гор». Плиний недаром называл такие стены «формованными», так как они, действительно, изготавливались путем трамбования (формования) влажного грунта или глины с камнем, уложенных между деревянными щитами опалубки, и в этом смысле являлись прообразом современных монолитных бетонных стен.

По мере развития и усложнения строительства возрастали требования, предъявляемые к вяжущим веществам. Считается, что более чем за 3 тыс. лет до н. э. в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие, такие, как гипс, а позднее - известь, которые получали посредством умеренной термической обработки исходного сырья.

Вместе с производством вяжущих расширялось применение растворов и бетонов. Вероятно, первыми шагами в освоении бетона было помимо полов сооружение траншей для фундаментов зданий, которые заполнялись галькой или обломками битого камня, затем заливались раствором глины, битума или извести с песком и превращались со временем в плотную и относительно прочную массу.

Отдельные примеры связывания мелких камней растворами или использование раствора с крупным заполнителем были известны в глубокой древности у египтян, вавилонян, финикийцев и карфагенян. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве), датируется 1950 г. до н. э. По сведениям Плиния Старшего, бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до нашей эры.

Одним из первых начали применять бетон народы, населяющие Индию и Китай. Великая китайская страна, строительство которой было начато в 214 г. до н. э., сооружена в основном из бетона. Приготовление бетона и формование из него стен состояло в следующем. Вначале одна часть известкового теста тщательно перемешивалась с двумя частями песка и гравия или песка, строительного мусора и земли. Полученная сухая (очень жесткая) бетонная сместь с небольшим содержанием воды укладывалась слоями толщиной около 12 см между деревянными щитами опалубки и усиленно уплотнялась деревянными трамбовками. После такого уплотнения поверхность каждого слоя слегка увлажнялась водой и на него укладывался следующий бетонный слой. Процесс повторялся до полного возведения стены. Такой метод строительства довольно широко применялся в Китае еще в 20-х годах нашего века при строительстве домов, школ, бань и пагод.

Народы, жившие на островах Эгейского моря и в Малой Азии, начиная с VII-VI вв. до н. э. применяли растворы на жирной извести с гидравлическими добавками при строительстве отдельных зданий и гидротехнических сооружений. В Индии Уже в наше время в храмах и дворцах знати были обнаружены хорошо сохранившиеся бетонные «набивные» полы (IV-V вв. До н. э.).

Искусство производства бетона постепенно распространялось в Восточном Средиземноморье и примерно к 500 г. до н. э.; достигло Древней Греции, где для покрытия стен, в том числе из необожженного кирпича, использовался мелкозернистый известковый бетон. Таким образом были отделаны дворцы царей Креза (560-546 гг. до н. э.) и Атталы. Впоследствии бетон стал применяться в виде бутовой кладки. Пространство между двумя рядами каменной стены заполнялось крупными камнями, а затем заливалось известковым раствором. Витрувий в своем трактате довольно подробно описал несколько видов такой кладки.

Можно предположить, что римские бетонные стены и другие подобные конструкции развились как раз из греческой бутовой кладки путем постепенного расширения бутобетонного ядра за счет уменьшения толщины каменных стен, которые из главного элемента кладки постепенно превратились в тонкую оболочку, играющую уже подсобную, второстепенную роль.

Заметное применение бетона на территории древнеримского государства началось примерно с конца IV в. до н. э. и продолжалось около 700 лет. За это время в его развитии, как в живом организме, можно проследить четыре важных этапа: рождение, быстрый рост, зрелость и гибель этого материала.

Так, зарождение бетона, т. е. медленное и постепенное внедрение его в римскую строительную практику, длилось более двух! столетий (до I в. до н. э.). Второй этап, продолжавшийся до! II в. н. э., сопровождался ускоренным ростом и широким распространением объемов бетонного строительства по всей Римской империи и прилегающим к ней странам. На третьем этапе (в период так называемой зрелости) бетон развивался не так стремительно, но с заметным улучшением свойств, технологии; изготовления и принятия новых конструктивных решений. Это был этап качественного роста и развития больших потенциальных возможностей, который продолжался с начала II в. и примерно до середины III в. н. э. Наконец, заключительный, четвертый этап, продолжался менее ста лет и закончился в начале IV века н. э.

Указанное деление эволюционного развития римского бетона на отдельные этапы довольно условно, но позволяет схематично показать весь путь, который прошел этот материал за семь веков своего существования.

От псевдобетона до пантеона

Римляне, как уже было сказано, не были изобретателями бетона, так же, как не они первые обнаружили вяжущие свойства извести, не они придумали арку, свод, большинство строительных машин и оборудования. Они переняли все это у этрусков, греков и других народов. Однако массовое применение, или как говорят сегодня - внедрение, все это получило именно в Древнем Риме. Только там широкое применение получил и бетон. Только римляне сумели полностью использовать такие его свойства, как прочность, водонепроницаемость и экономичность, а с I в. н. э. бетон превратился в один из основных конструкционных строительных материалов.

Первые бетонные постройки Древнего Рима датируются II в. до н. э. Однако, несомненно, этот материал применялся в римском государстве намного раньше. Подтверждением служат многие работы археологов, в частности американского археолога Е. Ван Деман.

Бетон того далекого времени т. е. IV-III вв. до н. э., мало походил в качественном отношении на последующий римский, хотя принципиальное сходство между ними сохранилось. Недаром до наших дней почти не дошло ни одного сооружения из «старого» раннеримскою бетона. Е. Ван Деман, посвятившая большую часть жизни изучению древнеримской архитектуры и строитель-, ства, назвала такой материал псевдо- или квази (якобы) бетоном.

В качестве вяжущего в псевдобетоне использовалась воздушная известь, а заполнителем служили песок и камень с большим количеством грунта. Камни крупного заполнителя часто были размером более 40-60 см.

Археологические раскопки стен Помпеи показали, что римский псевдобетон представлял собой материал, напоминающий современную бутовую кладку, где в качестве сердечника, т. е. ядра кладки, выступали крупные битые камни или валуны, скрепленные известковым раствором, а в качестве облицовки - две параллельные стены из крупных естественных камней, также связанных раствором из песка и извести.

Подобную кладку в то время называли «опус инцертум» (opus incertum) или просто «инцерт», т. е. кладка камней, образующая на фасаде сооружения неправильный, нерегулярный рисунок. Бетон в ней был очень непрочен, и устойчивость таких стен достигалась не столько за счет связующей силы раствора, сколько за счет внутреннего давления, создаваемого массой заполнителя, и трения между камнями. Определенную роль играла здесь и облицовочная стенка, которая одновременно выполняла роль; опалубки, хотя уже в то время были известны случаи возведения бетонных сооружений с разборной деревянной опалубкой.

Начиная со II в. до н. э. бетон употребляется при строительстве фундаментов и стен жилых домов, храмов и сооружений утилитарного значения, в частности дорог. Известно, что строительству дорог римляне придавали очень большое значение, так как это связано с их военной политикой и освоением захваченных территорий.
Одним из первых наиболее крупных бетонных сооружений в Риме, по дошедшим до нас сведениям, явился огромный продовольственный склад рода Эмилиев. Он был построен во II в. до н. э. из массивных бетонных стен, вытянутых на 500 м вдоль Тибра.

Примерно с первой четверти I в. до н. э. состав бетона меняется. Улучшается качество заполнителей за счет более разнообразного зернового состава, уменьшается наибольшая крупность камней до величины с «кулак», резко сокращается количество грунта в заполнителях. В связи с этим растет и прочность бетона. Постепенно на смену «инцерту» приходит «ретикулат» (opus reticulatum): возведение опорной стенки из камней, имеющих правильный сетчатый рисунок (рис. 5).

На юге Италии, особенно в районе Путеол, вместо обычно применявшегося песка для раствора и бетона местные жители использовали залегающие здесь пуццоланы, сначала даже не подозревая, какими превосходными качествами эти добавки обладают. Подобные свойства имели и вулканические породы в окрестностях Рима. Отличались они от неаполитанских (путеоланских) только цветом, но строители Рима не знали этого и ввозили такие добавки до середины I в. до н. э. с юга страны. После того, как было обнаружено, что местные добавки обладают такими же свойствами, как и добавки из района Путеол, их стали повсеместно использовать в бетоне, на что указывает красноватый оттенок бетонных сооружений в Риме и его окрестностях.

Впоследствии все добавки подобного типа стали называть пуццоланами.

В 1 в. до н. э. во времена Юлия Цезаря, пуццоланы в бетонах все чаще используются непосредственно по своему назначению, Примерами могут служить ранние гидротехнические сооружения; некоторые из них сохранились до наших дней, в частности большой волнолом близ Неаполя, построенный в конце I в. до н. э. (рис. 6). При этом толченый бой отходов кирпича и черепицы, который добавлялся также в качестве гидравлической добавки и позднее получил название пуццолан, стал применяться несколько раньше, чем добавки вулканического" происхождения. Есть сведения, что подобные добавки использовались на Крите за много веков до римской цивилизации.

«Опус инцертум» все больше уступает место «опусу ретикула-ту». Появляется тенденция в качестве крупного заполнителя использовать обломки старых разрушенных зданий. Размеры камня в бетонных основаниях теперь всегда начинают превышать размеры его в бетонных стенах. Становится очевидным, что древние мастера уже обратили внимание на то, что качество бетона зависит от качества заполнителя. В это же время все большее распространение получает технология возведения бетонных сводов и куполов. Бетонные своды к тому времени уже достигают пролета 20-22 м, хотя и строятся преимущественно из тесаного камня или кирпича.

В правлении римского императора Августа начинается расцвет бетонного строительства - второй его период. В это время в Риме возводится ряд крупных общественных зданий. Грандиозное строительство было неотъемлемой частью политической программы новой монархии. Рим как столица, центр империи, должен был быть хорошо украшен. Кроме того, он должен был вместить огромные массы людей.

В I в. н. э. население Рима составляло более одного миллиона человек. Для такого огромного города необходим был целый ряд мер по благоустройству, проведению водопроводов, дорог, жилых и общественных зданий. Это требовало, с одной стороны, достаточно высокого уровня практических и теоретических строительных знаний, а с другой - прочного и долговечного материала. Всем этим требованиям лучше всего отвечал бетон.

В конце I в. до н. э. возводятся первые крупные общественные постройки с монолитными бетонными стенами и фундаментами - театры в Помпеях и Риме (в частности, известный театр Марцелла - 17 г. до н. э.). Есть сведения, что основания отдельных мостов, которые довольно интенсивно строились в тот период, также были бетонными.

К этому времени в основном стандартизируется состав бетонной смеси и технологии его приготовления. Так, крупный заполнитель уже представлял собой камни размером до 100 мм, песок просеивался и для различных работ строго подразделялся по происхождению. Нередко в качестве крупного заполнителя использовали битую черепицу, называя в этом случае бетонную массу «структура цистациа» (structure cistacea).

Впоследствии бетон почти полностью вытеснил дерево и каменную кладку из прямоугольного камня, используемую при возведении арок и сводов, и лишь при строительстве наиболее ответственных сооружений, например мостов, по-прежнему использовалась каменная кладка, так как полного доверия к бетону пока не было.

Примерно с середины 60-х годов I в. н. э. в правление Нерона архитекторами Севером и Целером в Риме сооружается громадный по размерам «золотой дом Нерона», где бетон с большим успехом используется при возведении стен, сводов и куполов (рис. 7).

В 90-х годах 1 в. н. э. был открыт Колизей, построены термы и триумфальная арка в честь побед Тита, где мощный пятиметровый фундамент был выполнен из трамбованного бетона. В то же время архитектором Рабирием воздвигнут грандиозный Дворец на Палатине, своды которого представляли собой кирпичный каркас, заполненный бетоном. К концу I в. н. э. бетон занял в строительстве лидирующее положение среди основных конструкционных строительных материалов.

Со II в. н. э., начиная с правления Траяна и позднее Адриана, расширяется строительство инженерных сооружений из бетона. Однако особое место бетону, как и прежде, отводится при возведении общественных и жилых зданий, особенно при постройке так называемых инсул - многоэтажных домов. Среди них особое место занимает показательное строительство жилого комплекса с типовыми трех-четырех этажными инсулами в Остии.

Облицовка из плоского кирпича и черепицы в то время почти полностью вытесняет «ретикулат». Так выполнены термы Траяны, Торговые ряды Траяна в Риме и Вилла Адриана (рис. 8-10). Часть набережной Тибра в период правления этого императора также была изготовлена из бетона с облицовкой методом «ретикулат» и чередующимися рядами кирпича.

В 123 г. заканчивается в Риме строительство Пантеона, раз-, мер бетонного купола которого диаметром 43 м до XIX в. оставался рекордным для данного типа бетонных конструкций. Основные строительные работы по Пантеону были выполнены при императоре Адриане. Именно при нем строительство из бетона достигает своего наивысшего расцвета, начинается третий период его развития.

В Британии, Северной Африке, Германии, Испании - во всех римских провинциях прокладываются дороги, строятся многочисленные оборонительные сооружения, жилые и общественные здания. Бетонные своды этих построек имели несколько другое конструктивное решение, чем прежде. Они выполнялись не в виде кирпичных арок, заполненных бетоном, а в виде сплошного каркаса из кирпича, уложенного плашмя по деревянным доскам, на который поверху набрасывался бетон.

После смерти Адриана намечается постепенный спад бетонного строительства. Это было закономерно и связано с начавшимся политическим и экономическим кризисами, которые на протяжении последующих 2,5-3 столетий сотрясают древнеримское рабовладельческое государство.

На общем фоне упадка, несомненно, были отдельные периоды подъема строительного дела. В это время построены термы Каракаллы и Домициана, где бетон был применен в стенах, Сводах и бассейнах для купания. В 268 г. был закончен большой храм Минервы Врачевательницы (Minerva Medica). Ее сферический бетонный купол имеет весьма любопытную конструкцию. Каркас свода храма состоит, по мнению французского ученого Шуази, из меридиональных кирпичных арок, пространство между которыми заполнено бетоном.

Бетон, хотя и в более ограниченном количестве, продолжал применяться вплоть до IV в. н. э. Наиболее выдающиеся сооружения этого периода условно - четвертого периода - термы Диоклетиана, базилика Максенция и трехпролетная арка Константина (рис. 11). Последние примеры использования бетона в античный период можно встретить в Константинополе, куда в начале IV в. н. э. переместилась столица римского государства. Так, в частности, нижние части сводов и арок знаменитого Софийского собора в Константинополе, построенного в 540 г., были сделаны из бетона. В последующий период строительство из бетона практически прекращается.

Клей для бетона

Долговечность римского бетона поразительна. Можно лишь удивляться, глядя на отдельные древнеримские здания и сооружения, простоявшие почти 2000 лет. Даже их развалины поражают наше воображение. Сегодня мы имеем более прочные цементы для бетона, чем слабые известковые вяжущие вещества Римлян, прогнозируем работу железобетонных конструкций на много лет вперед, и все-таки у нас нет полной уверенности, что современные бетонные и железобетонные сооружения выдержат без разрушения хотя бы 100 лет эксплуатации. Почему же стоят бетонные сооружения римлян? Вероятно, они владели какими-то секретами, которые со временем были утрачены? Попробуем разобраться в этом сложном вопросе. Правда, для этого нам потребуется пройти по всей длинной технологической цепочке приготовления и производства римского бетона.

Для того чтобы каменный скелет превратился в монолитный искусственный камень, нужен прочный и желательно дешевый клей. В качестве такого клея, а точнее - его основного компонента, римляне использовали воздушную известь, хотя были случаи применения гидравлической извести и вяжущего типа роман-цемента.

Известь получают из обычного известняка, известняка-ракушечника, мела, мергеля - т. е. всех тех горных пород, в которых основным компонентом является кальцит. Серый бутовый камень, из которого выкладывают фундамент, мрамор, мел - все они в большей или меньшей степени содержат.кальцит. В зависимости от его относительного содержания известняки, например, называются чистыми (не менее 98% кальцита) и мергелистыми. Древние строители предпочитали чистые белые известняки, считая, что именно из них можно получить наиболее качественное вяжущее вещество.

Однако известняк еще не известь, и им невозможно склеить камни или кирпичи. Для этого он должен пройти длинный путь последовательных превращений - обжиг, дробление и гашение в воде...

За несколько тысячелетий до новой эры люди научились получать готовую известь из известняка. Со временем объемы строительства из камня и кирпича росли и требовали все больше и больше извести, поэтому вместе с увеличением выпуска кирпича и камня росла и совершенствовалась технология получения извести. Особенно больших, успехов достигли в этом деле, древние римляне.

Марк Порций Катон (234-149 гг. до н. э.), консул и цензор Римской Республики, примерно в 160 г. до н. э. описал устройство печи и процесс обжига известняка. По его данным печь имела форму усеченной пирамиды с шириной внизу 2,96 м, вверху 0,79 м и высотой 5,92 м. Устраивалась она обычно на крутом склоне холма, чтобы не мешал ветер. Иногда к печи пристраивали выступающую над поверхностью земли верхнюю часть, что увеличивало объем и улучшало тягу. Топку отделяли от пространства, занятого камнем, колосниковой решеткой, препятствующей падению камня в огонь. На рис. 12 приведен разрез римской известковообжиговой печи.

В 60-х годах XX в. при прокладке автомобильной дороги Шванмейн - Эйфель (ФРГ) были обнаружены шесть римских печей для обжига известняка. Все они имели примерно одинаковые размеры, а по форме напоминали печи, описанные Катоном. Средний диаметр печей составлял три метра, а высота немногим более четырех метров. Одна из печей была реконструирована и на ней проведен опытный обжиг местного известняка по римской технологии. Обжиг продолжался примерно одну неделю, а выход готовой обожженной извести составил порядка 15 м 3 .

Основное внимание при производстве извести римляне уделяли выбору сырья. Катон рекомендовал для этого белый, наиболее чистый известняк, не считая пригодным пестрый, содержащий глинистые примеси материал. Этого же мнения придерживались Витрувий, Плиний и Палладий (IV в. н. э.). Известняк обжигали при температуре порядка 900° С. При этом окончание процесса обжига определяли по уменьшению количества дыма в пламени.

Римляне различали три вида извести: негашеную, погашенную в тесто, которая употреблялась при отделочных работах, и погашенную в порошок, идущую исключительно для кладки стен.

Для изготовления кладочных растворов обожженную и измельченную в небольшие куски воздушную известь гасили водой так называемым сухим способом. Для этого известь погружали в воду и затем рассыпали на воздухе или укладывали ее слоями, которые затем опрыскивали водой и покрывали слоем песка для сохранения выделяемого тепла, способствующего гашению. Эти способы, применяемые порой и теперь, не обеспечивали полноты гашения, так как оставляли в порошке более крупные, неразмешанные и непогасившиеся зерна извести. Для штукатурных работ известь затворяли избыточным количеством воды задолго до употребления и выдерживали в ямах до полного гашения. Образующееся тесто тщательно секли острыми металлическими секирами и перемешивали (рис. 13) до равномерно жирной и «липкой» консистенции. Витрувий справедливо считал, что без этого кусочки недожженной извести не успевают погаситься до начала работ будут продолжать гаситься в штукатурке, образуя дутики, которые приведут к поверхностным разрывам и трещинам. Для наиболее ответственных работ и приготовления специальных замазок (мальт) известь гасили не водой, а вином, перетирая со свиным салом и смоквой. Обычно римские законы не разрешали; применять известь, гашенную менее чем за три месяца до начала строительства. Особенно тщательно и долго гасили известь, предназначенную для штукатурных работ. У древних строителей существовали специальные правительственные постановления, запрещающие употребление гашеной извести раньше истечения нескольких лет со дня затворения ее водой. Плиний Старший упоминает в своей «Естественной истории» о том, что древние законы о сооружениях запрещали применять для штукатурки известь, гашенную менее чем за три года до начала строительства. В то время считали, что, «...чем старее известь, тем лучше». Этим, по мнению Витрувия, достигалась надежность гашения, от которой зависела прочность сооружения.

К XIX в. сроки гашения извести намного сократились, но многие строители придерживались старых правил, считая законы древних строителей непогрешимыми. Так, русский зодчий Ф. М. Казаков при постройке здания Сената в Кремле приказал выдерживать известь в творильных ямах до шести месяцев, а Д. Жилярди считал, что этот срок должен быть около двух недель. Впоследствии время выдержки извести было уменьшено до трех дней, а сегодня известь гасят за несколько часов, используя для этой цели специальные установки-гидраторы.

Качество извести проверялось государственными контролерами при помощи небольшой лопатки, которую погружали в известковое тесто. Если после выдергивания лопатки на ней оставались отдельные комки, считалось, что известь еще не созрела для производства работ. Если же лопатка выходила из теста сухой и чистой, это показывало, что известь утратила свои вяжущие свойства. И только когда при вытаскивании лопатки к ней прилипал по всей поверхности ровный слой известкового теста, известь считалась годной к употреблению. Интересно, что Витрувий был первым, кто сделал попытку теоретически обосновать процесс обжига и твердения извести. Его объяснение сводилось к взаимодействию четырех первичных элементов, из которых состоит материя - земли, воды, огня и воздуха. Сегодня многим такое объяснение покажется наивным и даже смешным. Однако не следует забывать, что Витрувий описал это явление 2000 лет назад, и еще долго после него сущность процесса обжига известняка оставалась неясной. Первые научные объяснения такому взаимодействию химических элементов дал в 50-х годах XVIII в. Дж. Блэк. Процессы же твердения современных кальциевых цементов исчерпывающе не разъяснены и поныне.

Прошли века, но принцип получения извести, отработанный древними римлянами, остался прежним. Изменилась лишь технология ее получения и гашения. На смену кустарному производству пришли автоматизированные заводы с большой производительностью, позволяющие получать продукт, однородный по составу, с улучшенными характеристиками.

Однако при рассмотрении технологии получения извести из известняка мы не продвинулись по пути расшифровки римского секрета... С этой целью познакомимся с различными качественными превращениями известняка, описанными в следующем разделе.

Пять чудесных превращений

Попробуем проследить основной путь превращения белого чистого известняка в прочный и плотный камень с современных научных позиций.

Если обжигать куски добытого в карьере известняка на сильном огне, то из камня по мере подъема температуры будут последовательно выделяться вода и углекислый газ с образованием Углекислоты. При температуре порядка 900°С из известняка выделяется безводный продукт оксида кальция, т. е. белые куски негашеной извести. Это первое превращение известняка.

Следует очень осторожно обращаться с этими белыми камнями, так как негашеная известь способна разъедать руки, одежду, обувь. Она «съедает» все, как серная кислота. Если, же на груду камней извести вылить ведро воды, известь зашипит, закипит, вздуется и над ней поднимется густой белый пар. Белые куски извести быстро превращаются в мелкий порошок. Через минуту кипение прекратится. Известь из негашеной превратилась в гашеную, а полученный порошок - в так называемую «пушонку».

Пушонка - сухой на ощупь порошок. Вылитая на негашеную известь вода химически соединилась с ней. Произошло второе превращение известняка.

Смешаем еще раз пушонку с водой. Кипеть, т. е. гаситься, она уже не будет, а просто превратится в тесто с техническим названием гидроксида кальция. Чем больше добавлять в него воды, тем более жидким становиться известковое тесто. Если это тесто плотно закрыть сверху грунтом, то оно не затвердеет десятки лет и при этом еще станет очень пластичным, наподобие сливочного масла. Если же тесто оставить на воздухе, то оно скоро покроется твердой корочкой и постепенно окаменеет. Жидкое тесто - третье превращение известняка. Это почти готовый клей. Слово «почти» означает, что таким тестом нельзя хорошо склеить кирпичи или камни, так как чистое известковое тесто быстро рассохнется и растрескается. Чтобы этого не произошло, необходимо тесто смешать с песком. Такая смесь будет называться известковым раствором, а процесс перехода растворной смеси в твердый камень - четвертое и одновременно пятое превращение известняка. Это наиболее важный и сложный этап при твердении гашеной извести.

Переход известкового раствора или бетона в камень-известняк или карбонат кальция известен как карбонатное твердение известковых вяжущих веществ. При обычной температуре он складывается из двух одновременно протекающих процессов: испарения свободной воды из известкового теста (четвертое превращение), с постепенным образованием кристаллического каркаса из гидроксида кальция (пятое превращение).

Процесс кристаллизации гидроксида кальция протекает весьма медленно. Испарение воды вызывает постепенное слипание его мельчайших частиц в более крупные и их кристаллизацию. Растущие кристаллы срастаются между собой, образуя известковый каркас, который окружает частицы песка.

Эти два процесса протекают почти одновременно и проходят достаточно интенсивно только в присутствии влаги и углекислого газа.

Пленка углекислого кальция, образующаяся в первый период твердения раствора на его поверхности, затрудняет попадание углекислоты во внутренние слои гидроксида кальция. В результате процесс карбонизации почти приостанавливается, и твердение камня идет, главным образом за счет кристаллизации, при которой необходима пониженная влажность и положительная температура.

В результате образования слабых кристаллических сростков прочность раствора на воздушной извести получается очень незначительной и к 28 сут твердения составляет в среднем 0,5 МПа. Помимо этого полученное соединение не стойко к воде и морозу. Правда, впоследствии в результате протекающего процесса карбонизации, прочность такого раствора и бетона увеличивается в 5-7 раз и более, но сам процесс протекает очень медленно - на протяжении десятков и сотен лет.

Очевидно, что римлян с их интенсивным строительством не устраивала не только низкая прочность бетонов и растворов на воздушной извести, но и то, что они твердели только на воздухе и не могли твердеть в условиях влажной среды. Потребности в гидравлических вяжущих веществах подтолкнули античных строителей к выявлению принципиально новых добавок для бетонов и растворов, с помощью которых можно было избавиться от перечисленных недостатков.

Сегодня мы хорошо знаем, что для того чтобы улучшить качество бетонов и растворов на воздушной извести, надо слабый и растворимый в воде гидроксид кальция (известковое тесто) перевести в более стойкое и нерастворимое соединение, например, в гидросиликат кальция. Для этого необходимо добавить в него активный кремнезем. Реакция в этом случае идет только в присутствии воды, хотя полученное новое соединение - гидросиликат кальция - почти не растворяется в воде. Активный кремнезем в отличие от пассивного - обыкновенного кварцевого песка, получил название гидравлической добавки за свою способность твердеть и набирать прочность не только на воздухе, но и в воде.

Римляне, конечно, не подозревали о сложных процессах, происходящих при смешивании воздушной извести с гидравлической добавкой, но, используя опыт этрусков и греков, они хорошо знали, что если к известковому тесту добавить не просто обыкновенный песок и камни, а кирпичный песок и кирпичные камни, то такое соединение будет способно твердеть в воде, а полученный при этом искусственный камень окажется гораздо прочнее, чем бетон или раствор на одной воздушной извести с обыкновенным песком и галькой. Впоследствии кирпичную или черепичную добавку стали называть цемянкой.

Обычно цемянку применяли в виде тонкомолотого порошка или пыли для водонепроницаемых штукатурок, бетонных полов и подобных покрытий, главным образом в сырых местах. Кроме этого, ее использовали в виде муки в штукатурках водопроводных каналов, давильных площадок для вина и резервуаров виноделен, рыбозасолочных ванн, а также для защиты бетонных сооружений от износа и разрушения.

Помимо цемянок, т. е. искусственных гидравлических добавок, Римляне широко применяли естественные добавки вулканического происхождения. Им даже приписывали честь открытия этих добавок, точнее, их действия на воздушную известь, так как вулканические камни использовались в строительной практике очень давно.

Витрувий в кн. II, гл. 6 описывает эти добавки следующим образом: «...существует определенный порошок естественного происхождения, используя который можно добиться великолепного результата. Его находят в Байях и в землях, вокруг Везувия. Это вещество при смешивании с известью и камнем не только придает прочность сооружению, но даже при устройстве дамб в открытом море прочно схватывается под водой».

К таким добавкам относились: санторинская земля, добываемая на греческом острове Тире, рейнский трасс, расположенный на территории Германии, и туфф, залегающий мощными пластами почти по всей Италии. К ним также относились многие другие горные породы вулканического происхождения, получившие общее название пуццоланы.

Особенно широкое применение получили такие добавки, залегавшие в районе древних Путеол (совр. Поццуоли). Однако название свое - пуццолана, ставшее родовым для всех гидравлических добавок вулканического происхождения, они получили не поэтому, а потому что широко использовались в строительстве очень важного для древней Италии порта в Путеол ах, бывшего к тому же долго центром торговли пуццоланой. Впервые термин «pulvis puteolanus» встречается у философа Сенеки (4 г. до н. э.- 65 г. н. э.) в его труде «Естественно-научные вопросы», и упоминается Плинием Старшим.

Одним из первых сооружений, при строительстве которого была использована пуццолана в качестве гидравлической добавки в бетон, был волнолом в окрестностях Неаполя близ Путеол, сохранившийся до наших дней (см. рис. 6). Несмотря на то, что туфовые блоки из этого волнолома подверглись эрозии, сам пуццолановый раствор между ними хорошо сохранился.

В зависимости от назначения раствора или бетона римляне применяли различные соотношения между известью и пуццоланой. Однако наиболее распространенным был состав 1:2 - на 1 часть извести, 2 части пуццоланы. Прочность такого бетона, вероятно, составляла 5-10 и более МПа.

Итальянскую пуццолану, как и греческую санторинскую землю, в большом количестве применяют и теперь в гидротехническом строительстве в разных странах. На Канарских островах, где пуццолана, как и в Италии, встречается повсеместно, соотношение между известью и пуццоланой принималось 1:5. Из бетонов таких составов построены гидротехнические и ирригационные сооружения, которые стоят в течение многих веков.

Воздушная известь в сочетании с пуццоланой и другими гидравлическими добавками была практически единственным гидравлическим цементом того времени, поскольку гидравлическая известь и роман-цемент применялись, как полагает большинство ученых, эпизодически и в ограниченном количестве. Таким образом, в применении гидравлической добавки к воздушной извести заключена одна из главных отгадок секрета долговечности римского бетона. Американские ученые уже давно заинтересовались этим вопросом и в середине 70-х годов нашего века получили новое вяжущее - геополимерный цемент - аналог древнеримского известково-пуццоланового вяжущего. По мнению зарубежных специалистов, новые цементы более долговечны и прочны, чем современные портландцементы.

Рецепты римского бетона

Когда инженеры-строители начинают профессиональный разговор о бетоне, то их в первую очередь интересует его прочность, отношение к морозу и воде. Для того чтобы бетон и бетонные сооружения обладали всеми требуемыми характеристиками, необходимо точно знать рецепт бетона - состав, т. е. соотношение всех его компонентов. В конечном виде состав бетона записывают в виде весового или реже объемного соотношения, например, 1:2:4 (цемент:песок:щебень или гравий), т. е. на одну часть цемента приходится две части песка и четыре части щебня или гравия. Определив заранее расход цемента и воды, можно, пользуясь указанным соотношением, легко вычислить расход каждого из заполнителей. Однако перед тем, как подойти к рецептам для бетона, необходимо выяснить еще один важный вопрос - роль заполнителей - песка и крупных камней в бетоне. Как они влияют на свойства бетона, да и нужны ли они вообще в бетоне?

Сразу же необходимо сказать, что без заполнителей нельзя изготовить бетон. Присутствие их в бетоне, как было установлено, значительно улучшает строительно-технические свойства материала и, в первую очередь, такие, как водонепроницаемость, Деформативность и прочность. Кроме того, заполнители намного Дешевле вяжущих веществ, поэтому экономически более выгодно, чтобы в бетонной смеси их было как можно больше.

Несомненно, что, начав работать с бетоном, римляне не могли Не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобства их применения уже с середины I в. до н. э. вводится классификация заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в Зависимости от назначения будущего бетонного сооружения. Об этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов. Так, по виду и условиям залегания пески подразделялись, как и теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде - котлованные. При этом существовало.дополнительное разделение каждого вида песка по окраске и загрязненности.

Витрувий в кн. II, гл. 4 писал о том, что «...Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке». В большинстве случаев он советовал применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ - очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев нежелателен, так как содержит примеси солей, которые ведут к выцветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строительства. Такое утверждение не противоречит современным техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно промывались.

Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. «Надо добывать камень не зимою, а летом,- пишет Витрувий (кн. II. гл. 4), - и оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся испорченным, пойдет для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность...»

Методы определения чистоты заполнителей были весьма простыми, а требования к ним более жесткими. «...Если насыпать песок на белое полотенце и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и землистого осадка, то будет годен...» (Витрувий, кн. II, гл. 4).

Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометрический) состав его заполнителей. Песок и щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в заполнителе, тем меньше требуется вяжущего вещества для получения плотного бетона.

О том, что римляне придавали большое значение зерновому составу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных в наше время. Так- при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель,с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов моста Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подобных примеров. Следует также отметить частое использование дробленого щебня, причем «...не тяжелее фунта» (т. е. 327 г), как требует этого Витрувий.

Вероятно, к началу I в. н. э. римскими строителями было установлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочисленными примерами. Так, при строительстве Колизея в бетоне был применен заполнитель трех видов: для фундаментов - плотный и тяжелый щебень из высокопрочной лавы, для стен - более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях - легкая пемза и туф.

Теперь вновь обратимся к составу бетона - его рецептуре. Вероятно, нет необходимости убеждать читателя в том, что из одних и тех же продуктов разные повара могут приготовить разные по вкусу блюда. Зависеть это будет, в первую очередь, от соотношения продуктов, которые будут закладываться в кастрюлю. Подобное происходит и с приготовлением бетона. Можно представить, какими искусными «кулинарами» должны были быть античные мастера-строители, если, не имея под рукой механизированного оборудования и даже элементарных весов они получали достаточно качественные по составу бетоны и растворы.

О выборе состава раствора в зависимости от назначения и вида применяемого песка имеются определенные указания Витрувия и других античных авторов. Относительно же состава бетона таких указаний ни у кого из них нет, за исключением туманных рекомендаций Плиния Старшего. Однако, если вспомнить, как готовился бетон в Древнем Риме, станет ясным, почему там не было специальных рекомендаций о его составе.

Бетон в то время приготавливали в основном раздельным способом, т. е. отдельно в специальных емкостях замешивали известковый раствор и укладывали его слоями в опалубку, чередуя со слоями крупного заполнителя. Поэтому, если состав раствора был необходим в первую очередь для получения требуемой консистенции смеси и всегда указывался в правилах производства работ, то количество щебня или гальки, по-видимому, играло второстепенную роль, и поэтому не учитывалось. Правда, в отдельных видах гидротехнических работ количество щебня в общем объеме бетона все-таки задавалось. Так, Плиний приводит состав гидротехнического бетона из извести, пуццоланы и битого туфа в пропорции 1:2:1. Другой вид бетона без указания состава, Употреблявшийся для постройки цистерн состоял, по Витрувию, из чистого песка, щебня или булыжника весом не более одного Фунта и самой хорошей извести.

Можно предположить, что в то время уже существовали элементарные методы расчета состава раствора, так как римлянам были хорошо известны способы определения объема различных геометрических фигур и они могли рассчитывать общее количество раствора и бетона на любой заданный объем. Вяжущее вещество и заполнители принимались в зависимости от назначения работ в соотношениях, указанных выше, а количество воды подбиралось «на глаз». При этом важно подчеркнуть, что римляне были хорошо осведомлены о том, что избыток воды в смеси всегда нежелателен, на что указывал, в частности, Плиний. Воду поэтому, скорее всего, заливали в смесь не всю сразу, а постепенно, доводя раствор до требуемой консистенции.

С тех пор как в конце XVIII в. в Европе появились первые машины по испытанию материалов, стали испытывать и образцы римского раствора и бетона, отобранные из различных сооружений. Правда, было обнаружено, что данные имеют немалый разброс, который усугубляется различным сроком службы сооружений - в пределах 50-350 лет. Однако отдельные выводы по результатам испытаний сделать можно. Можно предположить, что активность древнеримских вяжущих в зависимости от их вида была в пределах 0,5-15 МПа: в частности, для воздушной извести 0,5-1 МПа; для гидравлической 1,5-2 МПа; для известково-цемяночного и известково-пуццоланового цемента 3- 10 МПа и вяжущего типа романцемента 5-15 МПа.

Очевидно, что производимые в то время бетоны также обладали различной прочностью в зависимости от вида вяжущего, водовяжущего отношения, тонкости помола пуццолановых добавок и других трудно учитываемых факторов.

В 80-х годах нашего века западногерманские ученые провели серию испытаний бетонных образцов, взятых в районе Кельна, Зальбурга и других городов Западной Германии - бывшей римской провинции. Бетонные образцы были отобраны из стен домов, сводов зданий, стен бассейнов и других сооружений. При этом было обнаружено, что прочность на сжатие бетонных образцов имела от 0,5 до 50 МПа в зависимости от вида сооружений, хотя преобладающей оказалась прочность порядка 7-12 МПа. Максимальное значение прочности - 50 МПа - обнаружено У бетонных полов. Стены и своды зданий показали гораздо меньшую прочность, а бетон из стен бассейна - всего 5 МПа. Это свидетельствует о том, что римляне, изготавливая водонепроницаемые сооружения, не стремились получить при этом прочный бетон.

Основываясь на многочисленных описаниях римских сооружений и результатах испытаний, можно предположить, что римские бетоны в зависимости от вида применяемого вяжущего и заполнителя имели среднюю плотность от 700 до 2200 кг/м 3 , водопоглощение 5-20% и пористость порядка 20-40%.

Несмотря на такие большие диапазоны значений физико-механических показателей испытанных образцов, большинство римских бетонных сооружений оказались долговечными. Это подтверждает вывод отдельных исследователей о том, что ни прочность, ни пористость бетона не могут служить основным критерием при определении его долговечности. Вероятно, значения этих показателей наиболее важны в течение первых лет работы конструкции, а в дальнейшем они нивелируются.

Сегодня трудно оценить и проанализировать составы римского бетона только по соотношению их компонентов при большом количестве неизвестных, тем более, что данные относительно действительного состава бетона и его структурных характеристик у многих исследователей вызывают сомнения. Можно лишь утверждать, что хорошее современное состояние отдельных бетонных сооружений Древнего Рима свидетельствует о превосходном качестве применяемого исходного материала, рационально подобранном составе бетона и надлежащем качестве строительных работ.

Секрет долговечности римского бетона

Мы подошли к одному из самых главных технологических процессов при производстве бетонных изделий - формованию, которое в современном понимании этого слова включает устройство опалубки, укладку и уплотнение бетонной смеси.

Вопросы формования бетона, несомненно, крайне интересовали античных строителей.

Как уже было сказано, для возведения бетонных стен они обычно применяли каменную опалубку, которая, по мнению большинства ученых, одновременно выполняла роль облицовки. Такое мнение является распространенным, но не единственным, так как некоторые исследователи полагают, что каменная стена, выполняющая роль облицовки, возводилась лишь после твердения бетонного ядра.

Римляне употребляли самые различные виды каменной опалубки-облицовки: неправильную (инцерт), правильную из камней (ретикулат), правильную из кирпича (тестациум) и смешанную (микстум), т. е. с использованием камней и кирпичей (рис. 14).

В качестве материала для опалубки использовались или довольно крупные бутовые камни естественной формы с «инцертом» На фасаде (рис. 15), или камни, образующие правильный рисунок - «ретикулат». В этом случае опалубка представляла собой кладку из квадратных тесаных камней относительно небольшой величины, укладываемых так, что их стороны образовывали к горизонту угол в 45°. Полученный таким образом сетчатый рисунок придавал стене красивый вид. В качестве примера можно привести волнолом в Неаполе (см. рис. 6), развалины виллы Адриана, остатки терм Диоклетиана в Риме и многие другие сооружения. Использовалась также опалубка из больших квадратных или прямоугольных камней, расположенных своими сторонами под прямым углом к горизонту (рис. 16). Разновидностью «ретикулата» был «опус спикатум» (spicatum), т. е. укладка камней или кирпичей в виде колоса или елочки или с частичным употреблением «ретикулата» и кирпичей (рис. 17).

В I в. н. э. на смену «ретикулату» приходит облицовка из обожженного плоского кирпича треугольной или любой другой формы. Стена с такой облицовкой выглядела более просто, чем «ретикулат», однако сцепление кирпичей с бетонной смесью было более надежным, а все сооружение более монолитным. Острые концы таких кирпичей были направлены в сторону бетонного ядра для лучшего закрепления в нем (рис. 18). Такие виды опалубок-облицовок, называемые - «опус тестациум» (opus testacium), стали особенно популярны после Тиберия (14-37 гг.), когда «опус тестациум» изготавливались централизованно и регулярно обеспечивали стройку. Иногда ряды таких кирпичей чередовали с рядами тесаного камня, уложенного по форме «ретикулата».

По мере перехода от одного вида опалубки-облицовки к другому менялся не только внешний вид, но и качество сооружений. При этом не всегда в лучшую сторону. Так, после того как на смену «инцерту» пришел «ретикулат», сцепление камней с бетоном ухудшилось. По словам Витрувия, такая сетчатая кладка, несмотря на более привлекательный вид, легче давала трещины «...из-за того, что неперерезанные постели и швы кладки расходятся во все стороны. А при кладке неправильной формы камни, перекрывая друг друга и заходя один за другой, придают ей хотя и не очень приятный вид, но зато обеспечивают большую прочность, чем при сетчатой».

Для более прочного сцепления кирпича опалубки с бетоном римляне специально изготавливали кирпич с одной стороны шероховатым, пористым, а с другой - гладким и блестящим.

Во времена Тиберия в качестве внешней облицовки стали использовать также специально приготовленную черепицу, кромки и концы которой хорошо обеспечивали сцепление ее с бетоном. При этом черепица готовилась в специальных формах, после чего ее можно было с помощью удара молотка разбить на две или несколько одинаковых керамических деталей заданных размеров.

Всестороннее и длительное использование каменной и кирпично-черепичной кладки в качестве постоянной опалубки-облицовки, вероятно, было оправдано стремлением римлян придать привлекательность внешнему виду своих бетонных сооружений.

Помимо каменной опалубки широко применялась деревянная - в виде струганых досок и деревянных щитов, о чем упоминается в работах Витрувия и многих археологов.

В особую группу входила опалубка сводов и куполов, так как ее устройство считалось наиболее сложней работой в процессе строительства. Опалубка для сводов и куполов делалась деревянной и устраивалась по деревянным кружалам, которые в зависимости от пролета свода опирались или на опоры-выступы, специально оставляемые в стене в процессе строительства, или на деревянные леса. Она нередко имела сложную конфигурацию, в которой плотники должны были воплотить замысел архитектора. Конструкция такой опалубки зачастую усиливалась кирпичными каркасами (рис. 19), промежутки между которыми заполнялись бетонной смесью.

С целью экономии древесины римские инженеры использовали оригинальный способ изготовления массивных перекрытий: вначале с помощью легкой деревянной опалубки сооружался тонкий бетонный свод, а затем по нему производили последующее бетонирование всего перекрытия.

После возведения опалубки приступали к бетонированию сооружения. Это была относительно простая, но крайне тяжелая физическая операция, так как от того, как уложена и уплотнена бетонная смесь, зависят все основные свойства бетона.

Сегодня нам хорошо известно, что если бетонную смесь недоуплотнить всего лишь на 1%, то прочность его понизится на 5%. Если же недоуплотнение составит 5-10%, то прочность соответственно упадет на 30-50%. В современном строительстве такое положение считается недопустимым, поэтому уплотнению смеси уделяют серьезное внимание, применяя многочисленные виды бетоноформовочного оборудования, в основе которого в большинстве случаев лежит эффект вибрации.

Римляне не использовали вибрацию, но, видимо, хорошо понимали, насколько важно тщательно уложить и уплотнить бетонную смесь. В начальный период применения бетона они использовали хаотичную, беспорядочную укладку известкового раствора с большими камнями, что в наше время напоминает бутовую кладку с «изюмом», когда производится набрасывание больших бутовых камней в заранее уложенный раствор. Затем появляется более упорядоченный, послойный метод укладки растворной смеси и крупного заполнителя. Уплотнение бетонной смеси производилось ими с помощью трамбования или без него.

Трамбование осуществлялось следующим образом: вначале на небольшую высоту возводилась опалубка из крупных тесаных камней, назначение которых заключалось в том, чтобы за счет своей большой массы сдерживать боковое давление бетонной смеси и ударов трамбовок. Затем, видимо, в опалубку укладывался слой раствора толщиной 10-15 см, а поверх него набрасывался щебень крупностью 8-10 см (см. рис. 17). Возможно, щебень укладывался раньше раствора.

В качестве щебня использовались куски плотного туфа либо обломки черной лавы, добывавшиеся в карьерах, которые располагались неподалеку от строительной площадки. Когда слой щебня достигал приблизительно такой же толщины, как слой раствора, его начинали трамбовать тяжелыми деревянными трамбовками, обитыми железом. Трамбование продолжалось, видимо, до тех пор, пока сверху не появлялся раствор, заполнявший пустоты между щебнем. Затем снова укладывался раствор, посыпался щебнем, трамбовался, и процесс повторялся. Так вместе с ростом опалубки вырастала стена из монолитного бетона. При этом каждый законченный слой посыпался каменной крошкой и пылью, оставшейся после отески камней. Эта пыль, вероятно, предназначалась для того, чтобы бетонная смесь не прилипала к ногам и трамбовкам рабочих, хотя, по мнению архитектора А. Башкирова, пыль служила специальным «прокладочным», антисейсмическим слоем.

Такой же способ укладки бетона применялся при строительстве подземных частей зданий, например, фундаментов, где опалубкой служили деревянные щиты, установленные по длине вырытой траншеи, раскрепленные изнутри поперечными и продольными брусьями (рис. 20). В случае постройки фундаментов на плотных грунтах вулканического происхождения, которыми так богата была римская земля, бетонная смесь укладывалась в траншею без опалубки, так как котлован или траншея сами по себе образовывали устойчивую форму, в которой было удобно укладывать и трамбовать бетон. Таковы подземные части цирка Салюстия, базилики Константина, зданий виллы Адриана и т. д.

Способ трамбования широко применялся при строительстве полов и дорог, на что в свое время указывали Варрон и Витрувий. При этом следует обратить особое внимание на то, что трамбование смеси, по словам Витрувия, обычно производилось «частыми ударами тяжелых трамбовок (посредством) большой группой Рабочих». Все это говорит о том, что древние строители (и не только в Древнем Риме) придавали большое значение тщательному уплотнению бетонной смеси. Даже наносимую на стены штука-турку рекомендовалось «бить гладилкой...» для придания ей большей плотности. Отсюда и качество штукатурки было такое, что «в нее можно было смотреться как в зеркало», а написанные на ней фрески можно было, по словам Плиния Старшего, вместе со штукатуркой переносить в любое место.

Интересным представляется также, что в отдельных случаях до начала укладки и уплотнения смеси ее предварительно подвергали усиленной механической обработке: «...рабочие группой в 10 человек толкли смесь деревянными бабами и только после такой обработки применяли в дело...» (Витрувий, кн. VII, гл. 3). Предварительная (до формования) активация бетонной смеси применяется и в наши дни. Так, сегодня известно несколько способов активации бетонной смеси, в том числе - механическая - виброактивация.

Другой способ производства бетонных работ выполнялся без применения трамбования и, вероятно, был распространен гораздо шире, чем первый. В качестве опалубки служили стены, выложенные из более мелких и легких, чем в первом случае, камней (кирпичей) кубической или треугольной формы. Толщина такой опалубки была намного меньше, чем в первом случае, так как давление, передаваемое бетонной смесью на стены, было значительно ниже.

В опалубку заливался небольшой слой раствора и на него сверху набрасывались камни, нередко достигавшие в поперечнике 12-17 см. При этом они зачастую укладывались только на постель, т. е. горизонтально. Такой вид кладки в какой-то мере напоминал современную бутобетонную, хотя и отличался от нее строгим чередованием слоев раствора и крупного заполнителя. Консистенция растворной смеси выбиралась, видимо, таким образом, чтобы крупный заполнитель погрузился в, смесь не больше, чем на определенную глубину, с тем, чтобы только заполнить пустоты между зернами щебня. Это подтверждается одинаковыми по высоте слоями щебня.

Для большей устойчивости обе стенки каменной опалубки по мере заполнения их бетонной смесью связывались специальными плоскими квадратными кирпичами из обожженной глины, размером 60X60 см и толщиной 4...5 см (см. рис. 19), которые укладывались обычно через 1,5...3 м по высоте стены, и поперечными деревянными брусьями.

Рассмотрев оба способа производства бетонных работ, следует еще раз подчеркнуть, что хотя они и были основными при изготовлении бетонных сооружений, но далеко не единственными. Различные их варианты использовались во всех концах Римской империи.

Таким образом, после относительно подробного анализа технологии формования римского бетона мы вновь подошли к вопросу о тайне так называемого древнеримского секрета долговечности бетонных сооружений.

Одним из первых, кто сделал попытку его объяснения, был французский архитектор Ж. Ронделе (1734-1829). После длительного изучения римских сооружений и проведения ряда опытов он пришел к выводу, что превосходное качество римских растворов и бетонов объясняется не какими-нибудь секретами гашения извести, ее составом или сроками выдерживания, как думали раньше, а лишь тщательным перемешиванием и хорошим уплотнением (трамбованием) свежеуложенной смеси. Действительно, опыты показали, что химический анализ римских растворов и бетонов не обнаруживает в их составе ничего необычного. При этом они характеризуются плотной структурой и часто содержат еще не полностью карбонизировавшуюся известь.

Современный английский исследователь Ф. Финкелдей после детального обследования отдельных частей римского бетонного акведука также пришел к выводу, что у римлян не было никаких особых секретов изготовления бетонных сооружений. По его мнению, долговечность достигалась применением известково-пуццоланового вяжущего и рационально подобранного соотношения вяжущего и заполнителя. При этом римляне использовали умеренное количество воды в бетонной смеси. Ф. Финкелдей был настолько поражен долговечностью и прочностью римских бетонных сооружений, что настойчиво призывал вернуться к их старым технологическим методам, используя аналогичный цемент и заполнители.

Можно ли согласиться с выводами Ж. Ронделе и Ф. Финкелдей, двух известных ученых-строителей, которых разделяет более чем столетний отрезок времени? Вероятно да, так как любой специалист-бетонщик, будь то античный строитель, энциклопедист типа Ж. Ронделе или исследователь наших дней, знает простые, но важные принципы получения бетона с заданными свойствами. Это тщательный выбор исходных материалов для бетона, перемешивание и усиленное уплотнение бетонной смеси.

Кроме того, для каждого типа конструкции римляне тщательно определяли вид бетона и неукоснительно соблюдали все технические условия. Как известно, они разработали значительное количество стандартов и строго им следовали. При их полувоенном государственном управлении и рабовладельческой системе хозяйства сомневаться в этом не приходится.

Примечания

1. Польза продолжительного уплотнения смеси подтверждается и индийской практикой бетонного строительства. В Бенгалии, где песок или его часть в растворе заменялась тонкомолотым кирпичом (суркхи), применяли следующий способ производства работ: жирную известь и суркхи смешивали в мокром состоянии на бегунках до образования клейкой массы, которая добавлялась к заполнителю, после чего раствор тщательно перемешивался и укладывался. Трамбование продолжалось в течение многих часов и заканчивалось лишь тогда, когда вода, налитая на поверхность раствора переставала впитываться в него.

Человечество строило давно. И из кирпича и из камня и из дерева. При этом в случае с каменной и кирпичной кладкой, ее нужно было чем-то скреплять и раствор был придуман очень давно. Однако, в Древнем Риме идею раствора развили, когда камни с кирпичами и не нужны - достаточно раствора с наполнителем.

Однако и раствор нужен не обычный, и наполнитель, и хотя оно и называется «бетоном», на современный бетон он похож крайне мало…

Надо сказать, что совсем неудивительно, что бетон начали массово применять в Древнем Риме:

1. Большой объем строительства. Любая империя начинает много строить. Тут много причин - от простой нужды в жилье или в мостах во время урбанизации, до вопросов престижа. Император Август говорил, что «он получил Рим кирпичным, а оставляет мраморным». Строительство в Риме ограничивалось не отсутствием финансирования или рабочей силы, а техническими возможностями строительной техники.

2. Строить требовалось быстро. Дело в том, что срок полномочий консулов, цензоров или переторов составлял от двух до пяти лет - и после этого времени они должны были отчитываться перед сенатом и народным собранием за сдачу объекта. Поэтому строительство старались укладывать в полтора-два года.

3. Римская бюрократия. Каждая империя очень быстро обрастает бюрократией. И строительство не могло не обрасти различными строительными нормами. Такие события, как завалившийся в 57 г в Фиденах амфитеатр для гладиаторов (во время представления), очень способствует изучению прочности материалов, как бы нам не казалось, что в те времена все стролось на глазок.

4. Любая империя строится не на века - а навсегда. И вопросы долговечности были перевоочередными - по Витрувию, долговечность каменной кладки определена в 80 лет. Поэтому старались строить сразу качественно, чтобы потом каждый год не ремонтировать.

Понятно, что требования взаимоисключающие. Строить много и качественно - это задача во все времена. И строители обратились к «опус цементум», так чаще всего называли бетон.

Прообраз бетона существовал и до Рима. Зиккураты города Ур строились трамбовкой смеси глины, влажного грунта и камней между деревянными щитами опалубки. Такие простые методы позволяли стоять стенам годами и тысячелетиями. Бетон, где для связующего использовались известь или битум, замечен в Древнем Египте. В Древней Греции во дворцах Креза бетоном отделаны стены и изобретена бутовая кладка - когда бетон заливается между двумя рядами каменной стены. Великая Китайская стена построена, в основном из бетона - на одну часть известкового теста брали две части песка с гравием или строительным мусором, укладывали слоями в районе 12 см и трамбовали.

В древней Индии обнаружены бетонные «набивные полы».

Что же сделали Римляне? Они довели технологию. Они сделали бетон качественным и недорогим и научились выпускать его в больших количествах. Римляне строили бутовую кладку очень давно, но первые образцы (построенные до 3 века до н.э.) до нас не дошли, а последующие стоят как ни в чем не бывало.

На картинке - фрагмент Пантеона, который до сих пор является самым большим бетонным неармированным зданием.

Бетон, собствено, состоит из двух частей - это связующее и наполнитель. Каждый из них выверен сотнями лет. Количество опытов и экспериментов просто не поддается подсчету. В римском бетоне связующее - это известь. Для того, чтобы ее получить, нужно взять известняк и обжечь его в печи. Тут первая засада - обжечь нужно максимально эффективно, чтобы сберечь топливо и максимально качественно. Мы получим негашеную известь (оксид кальция), которую нужно погасить водой. Тут тоже хватает секретов и методов, потому что если останутся крупинки негашеной извести, то прочность бетона резко упадет. Далее - вопросы сушки и подготовки «пушонки», то есть порошка гашеной извести (гидроксида кальция).

Если развести пушонку водой еще раз и получить известковое тесто - оно на воздухе покрывается корочкой известняка и постепенно каменеет. Это - процесс карбонизации. Во время его свободная вода испаряется из известкового теста и параллельно образовывается кристаллический каркас из гидроксида кальция.

И ему мешает эта самая корочка углекислого кальция, которая затрудняет попадание углекислого газа во внутренние слои гидроксида кальция. Процесс идет очень медленно - годами, десятилетиями и столетиями. Этому мешает та самая корочка. Она не пускает углекислый газ внутрь и отвердение идет за счет чистой кристаллизации. Процесс должен идти при положительной температуре и в сухости.

Тут необходим песок - растущие кристаллы гидроксида кальция срастаются между собой, образуя каркас вокруг частиц песка. Соответственно, нужно правильно рассчитать процент содержания песка, чтобы процесс шел максимально быстро и результат получился максимально прочным.

Естественно, начинаются вопросы подбора песка. Римляне перепробовали все типы песка, доступные им и тот же Витрувий пишет конкретные рекомендации. И тут есть секрет - если гидроксид кальция перевести в гидросиликат кальция, то он станет куда более стойким, потому что гидросиликат кальция не растворяется в воде. Для этого нужно добавить активный кремнезем, сейчас он называется гидравлической добавкой. Такое название говорит о том, что раствор будет застывать и в воде. И застывать будет очень и очень быстро!

Самая простая добавка - кирпичный или черепичный песок. Но у римлян были естественные добавки вулканического происхождения, естественно, их нужно было подбирать годами и десятилетиями, но и обойдутся они заметно дешевле.

Витрувий описывает эти добавки так «существует определенный порошок естественного происхождения, используя который можно добиться великолепного результата. Его находят в Байях и в землях вокруг Везувия. Это вещество при смешивании с известью и камнем не только придает прочность сооружению, но даже при устройстве дамб в открытом море прочно схватывается под водой». Такие добавки получили название «пуццолана», но их месторождение не только возле древних Путеол (сейчас Поццуоли), это также санторинская земля с острова Тир, рейнский трасс из Германии и туфф, который можно найти почти по всей Италии.

Хитростей при использовании добавок у римлян накопилось немало - например, использование морской воды при разведении раствора. Чаще всего на 1 часть извести давали 2 части пуццоланы.

Сейчас исследуют тот римский бетон, пролежавший в море тысячи лет и он по некоторым параметрам даже лучше современного.

Если попаданец хочет ввести бетон в древности, то ему следует задуматься над двумя вопросами:

1. Количество знаний, которые должен иметь попаданец, экстремально велико. Кроме вопросов, связанных с перечисленным, возникают вопросы с постройкой оборудования и инструментов. Ведь и печи нужно построить и инструменты для размельчения-перемешивания тоже нужны. Да и знания техники безопасности - ведь придется связываться с негашеной известью. И это - ни одного слова о строительстве или инструментах для строительства! Вы понимаете, почему много позже масоны образовались именно из строителей? Это была элита рабочих профессий, с ними могли соревноваться только ювелиры, но последний было очень мало, по сравнению с каменщиками. В средние века строитель-гастарбайтер был просто невозможен!

2. Введение бетона - занятие социальное. Цена бетона упадет только с массовым его производством. То есть должны быть задействована большая масса народа десятков разных специальностей и главное - развито управление этим всем. То есть - нужно кормить большой бюрократический аппарат. Естественно, такая надстройка окупается только когда начинаются крупные проекты. И это - не игрушечные средневековые соборы, а тысячекилометровые дороги, бетонные гавани с волноломами или акведуки. Получается как с запуском ракеты-носителя в космос - при увеличении массы груза немного растет размер третьей ступени, заметно размер второй и очень сильно - размер первой ступени. Соответственно - после развала Империи такие задачи потеряли актуальность. И бетон - вместе с ними.

www.popadancev.net

Производство бетонных работ в древнем Риме.

Книга «Римский бетон». Глава Ⅱ. Опус цементум - римский бетон.

В стремленье ввысь, величественно смелом.Вершилось здание свободным острием,И было конченным, и было целым.

Спокойно замкнутым в себе самом.

В. Брюсов Рис. 14. Виды каменной опалубки-облицовки.а) неправильная;б) правильная;в) из кирпича;

г) смешанная.

Мы подошли к одному из самых главных технологических процессов при производстве бетонных изделий - формованию, которое в современном понимании этого слова включает устройство опалубки, укладку и уплотнение бетонной смеси. Вопросы формования бетона, несомненно, крайне интересовали античных строителей.

Как уже было сказано, для возведения бетонных стен они обычно применяли каменную опалубку, которая, по мнению большинства ученых, одновременно выполняла роль облицовки. Такое мнение является распространенным, но не единственным, так как некоторые исследователи полагают, что каменная стена, выполняющая роль облицовки, возводилась лишь после твердения бетонного ядра.

Римляне употребляли самые различные виды каменной опалубки-облицовки: неправильную (инцерт), правильную из камней (ретикулат), правильную из кирпича (тестациум) и смешанную (микстум), т. е. с использованием камней и кирпичей (рис. 14).

В качестве материала для опалубки использовались или довольно крупные бутовые камни естественной формы с «инцертом» На фасаде (рис. 15), или камни, образующие правильный рисунок - «ретикулат». В этом случае опалубка представляла собой кладку из квадратных тесаных камней относительно небольшой величины, укладываемых так, что их стороны образовывали к горизонту угол в 45°. Полученный таким образом сетчатый рисунок придавал стене красивый вид.

Рис. 15. Разновидность «инцерта» - смешанная кладка. (opus mixtum - «микстум»)

В качестве примера можно привести волнолом в Неаполе (см. рис. 6), развалины виллы Адриана, остатки терм Диоклетиана в Риме и многие другие сооружения. Использовалась также опалубка из больших квадратных или прямоугольных камней, расположенных своими сторонами под прямым углом к горизонту (рис. 16). Разновидностью «ретикулата» был «опус спикатум» (spicatum), т. е. укладка камней или кирпичей в виде колоса или елочки или с частичным употреблением «ретикулата» и кирпичей (рис. 17).

В I в. н. э. на смену «ретикулату» приходит облицовка из обожженного плоского кирпича треугольной или любой другой формы. Стена с такой облицовкой выглядела более просто, чем «ретикулат», однако сцепление кирпичей с бетонной смесью было более надежным, а все сооружение более монолитным. Острые концы таких кирпичей были направлены в сторону бетонного ядра для лучшего закрепления в нем (рис. 18). Такие виды опалубок-облицовок, называемые «опус тестациум» (opus testacium), стали особенно популярны после Тиберия (14-37 гг.). когда «опус тестациум» изготавливались централизованно и регулярно обеспечивали стройку. Иногда ряды таких кирпичей чередовали с рядами тесаного камня, уложенного по форме «ретикулата».

Рис. 16. Опалубка из прямоугольных камнейс уложенными в нее слоями бетона (по Шуази)

По мере перехода от одного вида опалубки-облицовки к другому менялся не только внешний вид, но и качество сооружений. При этом не всегда в лучшую сторону. Так, после того как на смену «инцерту» пришел «ретикулат», сцепление камней с бетонов ухудшилось. По словам Витрувия, такая сетчатая кладка, несмотря на более привлекательный вид, легче давала трещины...из-за того, что неперерезанные постели и швы кладки расходятся во все стороны. А при кладке неправильной формы камни, перекрывая друг друга и заходя один за другой, придают ей хотя и не очень приятный вид, но зато обеспечивают большую прочность, чем при сетчатой.

Рис. 17. Пример смешанной кладки«ретикулат» с кирпичом.

Для более прочного сцепления кирпича опалубки с бетоном римляне специально изготавливали кирпич с одной стороны шероховатым, пористым, а с другой - гладким и блестящим.

Во времена Тиберия в качестве внешней облицовки стали использовать также специально приготовленную черепицу, кромки и концы которой хорошо обеспечивали сцепление ее с бетоном. При этом черепица готовилась в специальных формах, после чего ее можно было с помощью удара молотка разбить на две или несколько одинаковых керамических деталей заданных размеров.

Рис. 18. Римская бетонная стена с опалубкой-облицовкойиз треугольного кирпича и поперечными связями из плоских

кирпичей и деревянных брусьев (по Шуази)

Всестороннее и длительное использование каменной и кирпично-черепичной кладки в качестве постоянной опалубки-облицовки, вероятно, было оправдано стремлением римлян придать привлекательность внешнему виду своих бетонных сооружений.

Помимо каменной опалубки широко применялась деревянная - в виде струганых досок и деревянных щитов, о чем упоминается в работах Витрувия и многих археологов.

Рис. 19. Опалубка с кирпичнымкаркасом в виде арок (по Шуази)

В особую группу входила опалубка сводов и куполов, так как её устройство считалось наиболее сложной работой в процессе строительства. Опалубка для сводов и куполов делалась деревянной и устраивалась по деревянным кружалам, которые в зави симости от пролета свода опирались или на опоры-выступы, специально оставляемые в стене в процессе строительства, или на деревянные леса. Она нередко имела сложную конфигурацию, в которой плотники должны были воплотить замысел архитектора. Конструкция такой опалубки зачастую усиливалась кирпичными каркасами (рис. 19), промежутки между которыми заполнялись бетонной смесью.

С целью экономии древесины римские инженеры использовали оригинальный способ изготовления массивных перекрытий: вначале с помощью легкой деревянной опалубки сооружался тонкий бетонный свод, а затем по нему производили последующее бетонирование всего перекрытия.

После возведения опалубки приступали к бетонированию сооружения. Это была относительно простая, но крайне тяжелая физическая операция, так как от того, как уложена и уплотнена бетонная смесь, зависят все основные свойства бетона.

Сегодня нам хорошо известно, что если бетонную смесь недоуплотнить всего лишь на 1%, то прочность его понизится на 5%. Если же недоуплотнение составит 5-10%, то прочность соответственно упадет на 30-50%. В современном строительстве такое положение считается недопустимым, поэтому уплотнению смеси уделяют серьезное внимание, применяя многочисленные виды бетоноформовочного оборудования, в основе которого в большинстве случаев лежит эффект вибрации.

Римляне не использовали вибрацию, но, видимо, хорошо понимали, насколько важно тщательно уложить и уплотнить бетонную смесь. В начальный период применения бетона они использовали хаотичную, беспорядочную укладку известкового раствора с большими камнями, что в наше время напоминает бутовую кладку с «изюмом», когда производится набрасывание больших бутовых камней в заранее уложенный раствор. Затем появляется более упорядоченный, послойный метод укладки растворной смеси и крупного заполнителя. Уплотнение бетонной смеси производилось ими с помощью трамбования или без него.

Трамбование осуществлялось следующим образом: вначале на небольшую высоту возводилась опалубка из крупных тесаных камней, назначение которых заключалось в том, чтобы за счет своей большой массы сдерживать боковое давление бетонной смеси и ударов трамбовок. Затем, видимо, в опалубку укладывался слой раствора толщиной 10 - 15 см, а поверх него набрасывался щебень крупностью 8-10 см (см. рис. 17). Возможно, щебень укладывался раньше раствора.

В качестве щебня использовались куски плотного туфа либо обломки черной лавы, добывавшиеся в карьерах, которые располагались неподалеку от строительной площадки. Когда слой щебня достигал приблизительно такой же толщины, как слой раствора, его начинали трамбовать тяжелыми деревянными трамбовками, обитыми железом. Трамбование продолжалось, видимо, до тех пор, пока сверху не появлялся раствор, заполнявший пустоты между щебнем. Затем снова укладывался раствор, посыпался щебнем, трамбовался, и процесс повторялся. Так вместе с ростом опалубки вырастала стена из монолитного бетона. При этом каждый законченный слой посыпался каменной крошкой и пылью, оставшейся после отески камней. Эта пыль, вероятно, предназначалась для того, чтобы бетонная смесь не прилипала к ногам и трамбовкам рабочих, хотя, по мнению архитектора А. Башкирова, пыль служила специальным «прокладочным», антисейсмическим слоем.

stroyremkom.ru

Пуццолана и римский бетон

Римская архитектура отличается грандиозностью, которая стала возможной благодаря стремительному развитию инженерного дела в то время. Римляне совершили прорыв в проектировании, что позволило им возвести протяженные акведуки, грандиозные храмы, амфитеатры и другие сооружения, которые мы можем увидеть и сейчас. Это произошло с помощью новых материалов, в частности, бетона, пуццоланы, а также новаторских конструкций – сводов и куполов.

Римляне многое переняли из греческой культуры, и архитектура не исключение. Они строили храмы, похожие на греческие, и окружали их рядами колонн согласно архитектурным ордерам. Новыми стали технологии проектирования и строительства, которые применяются в архитектуре до сих пор.

Римский бетон

Одна из таких идей – применение бетона. Обычно считается, что бетон – произведение 20 века, но его использовали и во времена Рима. Но бетон не римское изобретение - и древние греки, и народ Кампании (часть северной Италии, где в древности жили греки и этруски) использовали раствор при возведении каменных стен по крайней мере уже в 4 веке до нашей эры. А римлянам отлично удавалось улучшать готовые идеи, поэтому римский бетон не стал исключением.

Стремительно растущая империя, в которой постоянно что-то строилось, нуждалась в идеальном материале. Римляне покрывали стены из кирпичей или тесаного камня смесью бута с бетоном – получалось дешево, быстро и очень крепко. Римский бетон отлично подходил для изогнутых форм – особенно сводов и куполов, столь любимых римлянами. Быстросхватывающийся и водостойкий бетон, изобретенный в Риме, был идеальным для строительства мостовых опор.

Пуццолана

Бетон – это раствор, смешанный с мелкими камнями для получения прочной и твердой массы. Обычно он состоял из трех частей – заполнителя (песка и камней), цемента (вяжущего вещества) и воды. Римский секрет был в эффективном вяжущем веществе под названием «пуццолана» – смеси извести и вулканического пепла.

Пуццолану нашли на склонах холмов на берегу Неаполитанского залива, в районе, который называют Путеола или Пуццола. Римляне относились к пуццолане с благоговением, описание ее свойств есть в трудах Плиния (Естественная история XXXV, 166) и Витрувия, который в своем трактате по архитектуре перечисляет ключевые особенности вещества: «…она не только сообщает крепость зданиям вообще, но даже когда при помощи нее выкладывают дамбы в море, то и они приобретают прочность под водою». Витрувий был прав. Римский бетон настолько прочен, что, несмотря на потерю облицовки в результате человеческого или погодного фактора, множество возведенных тысячу лет назад остовов зданий стоят до сих пор.

«…они были в буквальном смысле помешаны на строительстве, оно стало любимой причудой богатых», - Дж. К. Стобарт, «Великолепие Рима» (J.C. Stobart, The Grandeur That Was Rome)

Покоренные реки

Римский бетон с использованием пуццоланы идеально подходил для строительства мостов, а возведение больших каменных мостов стало возможным только с быстросхватывающимся бетоном. Фактически, до римлян мосты представляли собой небольшие каменные переправы или недолговечные деревянные конструкции. Благодаря римскому бетону изменился фундаментальный подход к мостостроению.

Арки и купола

Бетон окончательно разделил римскую и греческую архитектуру. В частности, он отлично подходил для создания изогнутых структур. Используя бетон, римские строители смогли возвести множество купольных и сводчатых зданий (грандиозный Пантеон, огромные императорские термы, знаменитые римские базилики), а также все типы арочных конструкций.

Эти формы изобрели не в Риме – в греческой архитектуре тоже есть купола и своды, но римляне благодаря пуццолане применили их гораздо шире и смогли создать купола очень большого размера (например, на крыше Пантеона) и внушительные арочные конструкции. Одержимые строительством и исполненные решимости возвести как можно большие и впечатляющие сооружения, благодаря бетону римские архитекторы развили огромный потенциал сводов и куполов и выразили с их помощью грандиозные архитектурные идеи. Они полностью изменили мировую архитектуру.

Римские сводчатые здания

Строительство свода – непростая задача, особенно если доступны только камни и обычный раствор. Придется сделать опалубку из дерева, очень тщательно и точно обтесать каждый камень и начать укладывать камни с верха деревянной конструкции. Изобретение нового, очень прочного раствора позволило сделать конструкцию более легкой, и обходиться менее квалифицированной рабочей силой. Быстросхватывающийся римский бетон на основе пуццоланы облегчил центрирование и увеличил скорость возведения зданий.

Пантеон в риме

Пантеон – одно из величайших римских зданий, храм всех богов в центре Рима. Круглое здание с рядами квадратных углублений (кессонов) с внутренней стороны купола производит потрясающее впечатление. Его постройка стала возможной благодаря виртуозному применению римского бетона, из которого состоит купол. Строители использовали наполнитель разного состава: твердый травертин и туф для основания и подъема до первого карниза, легкий кирпич и туф для следующего уровня, затем только кирпич и, наконец, в верхней части купола совсем легкий материал – вулканическую пемзу. ■

Хронология

• 15 г. до н.э. – построен акведук Пон-дю-Гар в Ницце
• 75-80 гг. – Колизей в Риме, построен
• 100-112 гг. – построен рынок Траяна в Риме
• 118-128 гг. – завершено строительство Пантеона в Риме
• 135 г. – храм Венеры и Ромы в Риме, построен
• 212-216 гг. – термы Каракаллы в Риме, построены
• 298-306 гг. – термы Диоклетиана в Риме, построены

tartle.net

Древнеримский бетон оказался лучше современного

Как ни смешно говорить это, но, кроме большей энергоэффективности и экологичности, римский предшественник современных бетонов отличается ещё и повышенной устойчивостью к воздействию воды.

Новое исследование обнаруженных в морской среде образцов древнеримского бетона, выполненное группой под руководством Пауло Монтейро (Paulo Monteiro) из Калифорнийского университета в Беркли (США), показало, что этот материал даже более устойчив к коррозии, чем считалось.

Почти всё, что мы знаем о римском бетоне от его современников, основано на работах Марка Витрувия Поллиона (имя и когномен - гипотетические). В описании известкового строительного раствора, выполнявшего у римлян роль цемента, он рекомендует смешивать известь с пуццоланом (вулканический пепел, пемза и туф естественного происхождения, в основном из-под Везувия) в соотношении 1 к 3 для наземных работ и 1 к 2 для подводных. К слову, вместо обычной воды для производства бетона тогда рекомендовалось использовать морскую. Тем не менее рецепт всё равно очень условен, потому что ни количество добавлявшейся воды, ни точное время рекомендуемого схватывания Витрувий не приводит.

Основу портландцемента сегодняшнего типа изготавливают, упрощённо говоря, нагревом смеси известняка и глин при температурах до 1 450 °С. Согласно анализу группы г-на Монтейро, римский цемент производился иначе. Он требовал меньше извести, и известняк нагревался всего до 900 °C или даже меньшей температуры. Тем не менее в том, что касается устойчивости к воздействию воды (а это главная причина разрушения бетонных конструкций современности), он был даже лучше нынешнего.

Почему бы не дать древнеримской технологии зелёный свет, тем более что пуццолан распространён по всему миру, включая регионы, в которых нет ни единого действующего вулкана? «В середине XX века бетонные структуры проектировались для эксплуатации на протяжении 50 лет, и во многих из них сейчас непонятно в чём душа держится, - откровенно замечает г-н Монтейро. - Сегодня мы проектируем здания со сроком эксплуатации 100–120 лет». Само собой, из-за этого нам действительно интересно знать, почему бетонные изделия, пролежавшие 2 тыс. лет под водой, не имеют ни малейших следов разрушения.

Учёные называют следующие важные отличия проанализированных образцов римского бетона от нынешнего материала.

Во-первых, сегодняшний портландцемент состоит из кальция, силикатов и гидратов, в то время как римский аналог включал меньше кремниевых соединений и больше алюминия.

Во-вторых, если портландцемент является попыткой скопировать природный тоберморит и дженнит, но на практике его структура не вполне соответствует идеалу, то римский цемент и бетон, для которого он служил связующим, как раз совпадают с тоберморитом. Почему? - В силу присутствия в римском варианте тоберморита алюминия, придающего ему бóльшую жёсткость.

Что может означать внедрение сходных технологий сегодня? В римском бетоне известняка всего 10% по весу, при этом он требует куда меньшего нагрева. Хотя полностью заменить нормальный портландцемент римским по ряду причин нельзя (к примеру, римский дольше схватывается, да и применять морскую воду не везде удобно), широкое использование последнего способно значительно снизить энергозатраты на изготовлении нынешних 19 млрд тонн бетона в год, служащего причиной 7% глобальных выбросов углекислого газа и потребителем значительной части доступной человечеству пресной воды.

Наконец, и это весьма важно, замедление темпов коррозии современного железобетона может резко уменьшить затраты на строительство новых зданий и сооружений и ремонт старых. Разумеется, чтобы римскую сказку сделать былью, выводы по структуре использовавшего древними бетона должны быть взяты на вооружение современными инженерами.

Если вы являетесь любителем классической архитектуры, скорее всего, вы удивлялись впечатляющей долговечности сооружений, построенных во времена Римской империи, многие из которых остаются целыми и невредимыми по истечении нескольких тысячелетий. Великолепный купол Пантеона, непостижимая в своем совершенстве и прочности иконография Колизея являются примерами, которые сложно не запомнить.

К слову сказать, другие конструкции, построенные римлянами, были даже более фундаментальными. А именно стоит вспомнить сети водопроводов и дорог с твердым покрытием, гавани на Средиземноморье — все это говорит о том, что инфраструктура, созданная в Риме, была процветающей. Что касается лепнины, то размещенная на прочной основе, она отлично сохранялась, не подвергаясь растрескиванию.

Если изучать здания, построенные и отделанные гипсом в 20-м веке, легко заметить, как быстро структура цемента, а с ней и лепные украшения, нанесенные на стены и потолок, приходят в упадок. Современный бетон, который в основном состоит из связующего портландцемента, оценивается специалистами на предмет долговечности с гарантией на 50-100, максимум 120 лет.

В чем же проблема? Какие аспекты конкретной материальной науки продолжают ускользать от современных инженеров, архитекторов и каменщиков? Какую мы можем извлечь выгоду из изучения мастерства создания древнего цементного и гипсового раствора?

Секрет — в пуццолане

Исторические наблюдения уже давно указали на ключевой ингредиент в римском растворе, который, как полагают ученые, и составляет существенную разницу между ним и его современными аналогами. В состав римляне включали пуццолан (вулканический пепел).

Этот ингредиент в растворах, изготовленных римлянами, был указан в древних источниках — книгах по архитектуре, опубликованных еще в первом веке до нашей эры. Но точные средства и методы, используемые для создания смесей, до недавнего времени так и оставались загадкой. Только специалистам из Национальной лаборатории Лоренса Беркли из Калифорнийского университета удалось декодировать состав римских образцов бетона и других материалов, взятых из затопленных волнорезов, сооруженных более 2000 лет назад.

То, что они обнаружили, подтверждало описание, предлагаемое Витрувием. Исследованный бетон имел такую пропорцию: одна часть гашеной извести, две или три части пуццолана. Дальнейший анализ проливает яркий свет на способ смешивания материалов и химические реакции, происходящие между ингредиентами.

Морская вода, способная разрушать различные структуры, в данном случае использовалась в качестве ключевого компонента, вызывающего реакцию между известью (карбонитовый кальций) и пуццоланом (диоксид кремния), в результате чего возникало характерное соединение — кальций силикат алюминия гидрат. Алюминий, полученный в результате этой реакции, отсутствует в современных растворах.

Ознакомьтесь с каталогом гипсовых изделий Gessostar

Как увеличить твердость алебастра

Еще одно важное открытие касается экологии. Исследователи сделали вывод, что известняк, используемый в римском бетоне, подвергался сушке при гораздо более низкой температуре, чем принято сейчас, следовательно, мастера использовали меньше топлива и получали меньше углеродных выбросов, плохо влияющих на атмосферу. Полученный раствор имел меньшую хрупкость и, следовательно, большую выносливость.

Ученые, проводившие исследования, надеются, что их работа поможет улучшить методы и составы, применяемые в современном строительстве и при реконструкциях. Кроме этого, внедрение открытий поможет продлить жизнь вновь создающимся творениям, а также уменьшит воздействие производства бетонов на окружающую среду.