Цемент у древних римлян

Цемент у древних римлян

Рим­ляне нача­ли изготов­лять бетон более 2000 лет назад, но он не был похож на сего­дняш­ний. Они гото­ви­ли его по дру­гой фор­му­ле, из кото­рой полу­ча­лось веще­ство менее проч­ное, чем совре­мен­ный бетон. И все же стро­е­ния вро­де Пан­тео­на и Коли­зея пере­жи­ли века, зача­стую без малей­ше­го ремон­та. Гео­ло­ги, архео­ло­ги и инже­не­ры изу­ча­ли свой­ства антич­но­го рим­ско­го бето­на, чтобы раз­га­дать загад­ку его дол­го­веч­но­сти.

Рим­ский бетон… гораздо сла­бее совре­мен­ных видов бето­на. Он сла­бее при­мер­но в десять раз, как гово­рит Рена­то Перук­кио, инже­нер-меха­ник из Уни­вер­си­те­та Роче­стер в Нью-Йорк. Но то, чем обла­да­ет этот мате­ри­ал — фено­ме­наль­ная устой­чи­вость во вре­ме­ни.

Эта устой­чи­вость или дол­го­веч­ность про­тив сти­хии может обес­пе­чи­вать­ся одним из клю­че­вых состав­ля­ю­щих бето­на: вул­ка­ни­че­ский пепел. Совре­мен­ный бетон явля­ет­ся сме­сью извест­ко­во­го цемен­та, воды и так назы­вае­мых напол­ни­те­лей, таких как мел­кий гра­вий. Фор­му­ла рим­ско­го бето­на так­же начи­на­ет­ся с извест­ня­ка: стро­и­те­ли обжи­га­ли его, чтобы полу­чить нега­ше­ную известь, а затем добав­ля­ли воду, чтобы сде­лать смесь. Затем они сме­ши­ва­ли вул­ка­ни­че­ский пепел — обыч­но три еди­ни­цы вул­ка­ни­че­ско­го пеп­ла на одну еди­ни­цу изве­сти, соглас­но сочи­не­ни­ям Вит­ру­вия, архи­тек­то­ра и инже­не­ра I в. до н. э. Вул­ка­ни­че­ский пепел всту­пал в реак­цию с цемент­ной сме­сью, и в ито­ге полу­чал­ся креп­кий стро­и­тель­ный рас­т­вор, кото­рый объ­еди­ня­ли с кус­ка­ми кир­пи­чей раз­ме­ром с кулак или вул­ка­ни­че­ски­ми кам­ня­ми, кото­рые назы­ва­лись туфа­ми и затем отво­зи­ли на место, чтобы стро­ить сте­ны или сво­ды.

В нача­ле II в. до н. э. рим­ляне уже исполь­зо­ва­ли этот бетон в круп­ных стро­и­тель­ных про­ек­тах, экс­пе­ри­мен­ти­руя со стро­и­тель­ным мате­ри­а­лом, изо­бре­тен­ным еще рань­ше. Дру­гие антич­ные обще­ства, такие как гре­ки, веро­ят­но, тоже исполь­зо­ва­ли стро­и­тель­ный рас­т­вор на осно­ве изве­сти (в древ­нем Китае добав­ля­ли клей­кий рис, чтобы уве­ли­чить проч­ность). Но соеди­не­ние рас­т­во­ра с напол­ни­те­лем типа кир­пи­чей, чтобы сде­лать цемент, види­мо, было рим­ским изо­бре­те­ни­ем, ска­зал Перук­кио.

Для ран­не­го бето­на рим­ляне добы­ва­ли пепел из мно­же­ства древ­них вул­ка­ни­че­ских обла­стей. Но в то вре­мя, когда Август стал пер­вым рим­ским импе­ра­то­ром, при­бли­зи­тель­но в 27 г. до н. э., стро­и­те­ли ста­ли тре­бо­ва­тель­нее. Август тогда раз­вер­нул мас­штаб­ную обще­го­род­скую про­грам­му по вос­ста­нов­ле­нию ста­рых зда­ний и стро­и­тель­ству новых, и стро­и­те­ли исполь­зо­ва­ли вул­ка­ни­че­ский пепел толь­ко Поц­цо­лане Рос­се, пепел от пото­ка, кото­рым изверг­ся лет назад один из вул­ка­нов на Аль­бан­ских хол­мах в 12 милях к юго-восто­ку от Рима.

« Импе­ра­тор Август был дви­жу­щей силой систе­ма­ти­за­ции, стан­дар­ти­за­ции извест­ко­вых сме­сей с Поц­цо­лане Рос­се » , — гово­рит Мари Джек­сон, гео­лог и инже­нер-иссле­до­ва­тель Уни­вер­си­те­та Кали­фор­нии в Берк­ли. « По всей види­мо­сти, рим­ские стро­и­те­ли пред­по­чи­та­ли пепел из этой обла­сти, пото­му что бетон, сме­шан­ный с ним, отли­чал­ся дол­го­веч­но­стью » , — добав­ля­ет она. Таков был сек­рет бето­на — пре­крас­но скреп­лен­но­го, цель­но­го, проч­но­го мате­ри­а­ла.

Джек­сон и ее кол­ле­ги изу­ча­ли хими­че­ский состав бето­на, изготов­лен­но­го с Поц­цо­лане Рос­се. Уни­каль­ная смесь мине­ра­лов в этом пеп­ле, оче­вид­но, помо­га­ла бето­ну про­ти­во­сто­ять хими­че­ско­му раз­ру­ше­нию и повреж­де­нию.

« При стро­и­тель­стве зда­ний для пор­тов, кото­рые погру­жа­лись в соле­ные воды Сре­ди­зем­но­го моря, рим­ляне пред­по­чи­та­ли дру­гой осо­бый вид вул­ка­ни­че­ско­го пеп­ла. Пуль­вис Путе­о­лан­ский добы­вал­ся из обла­сти воз­ле Неа­по­ли­тан­ско­го зали­ва. Рим­ляне пере­во­зи­ли тыся­чи и тыся­чи тонн это­го вул­ка­ни­че­ско­го пеп­ла по Сре­ди­зем­но­мо­рью, чтобы стро­ить пор­ты от побе­ре­жья Ита­лии до Изра­и­ля, до Алек­сан­дрии в Егип­те, до Пом­пей­о­по­ля в Тур­ции » , — гово­рит Джек­сон.

« Мор­ская вода серь­ез­но повреж­да­ет совре­мен­ный бетон. Но в рим­ском бетоне Пуль­вис Путе­о­лан­ский фак­ти­че­ски смяг­чал повреж­де­ния от того, что вода про­са­чи­ва­лась сквозь него » , — гово­рит Джек­сон. Хотя точ­ный про­цесс неиз­ве­стен, види­мо, хими­че­ские реак­ции меж­ду извест­ко­вым тестом, вул­ка­ни­че­ским пеп­лом и мор­ской водой созда­ва­ли мик­ро­ско­пи­че­ские струк­ту­ры в бетоне, кото­рые отлав­ли­ва­ли такие моле­ку­лы как хло­риды и суль­фа­ты, повреж­даю­щие совре­мен­ный бетон.

Несмот­ря на успех рим­ско­го бето­на, с тече­ни­ем вре­ме­ни его пре­кра­ти­ли исполь­зо­вать в рим­ской импе­рии. « В Сред­ние века ред­ко стро­и­ли из бето­на, и это застав­ля­ет пред­по­ло­жить, что вул­ка­ни­че­ский пепел — это не един­ст­вен­ный сек­рет проч­но­сти рим­ско­го бето­на » , — гово­рит Перук­кио. Эти обшир­ные про­ек­ты мож­но было осу­ще­ст­вить толь­ко при нали­чии опре­де­лен­ной бюро­кра­тии и пра­виль­ной орга­ни­за­ции, кото­рые обес­пе­чи­ва­ла Рим­ская Импе­рия.

Секрет долговечности римского бетона.

Рис. 20. Бетон в деревянной опалубке (по Шуази)

Такой же способ укладки бетона применялся при строительстве подземных частей зданий, например, фундаментов, где опалубкой служили деревянные шиты, 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 штукатурку 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, но словам Плиния Старшего, вместе со штукатуркой переносить в любое место.

Польза продолжительного уплотнения смеси подтверждается и индийской практикой бетонного строительства. В Бенгалии. где песок или его часть в растворе заменялась тонкомплошм 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 » заканчивалось лишь тогда, когда вода, налитая на поверхность растворе переставала впитываться в него.

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. 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 онч 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 60 X 60 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 еше 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.

Древнеримский секрет долговечности бетонных сооружений.

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 объяснения древнеримского секрета долговечности бетонных сооружений, 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.

Изучаем истоки бетона

История бетона уходит далеко своими корнями в века, во времена существования Междуречья, Китая, Древнего Египта, Древней Греции, Древнего Рима. В те времена бетон использовали в смеси с глиной, гипсом и асфальтом при сооружении стен, арен, акведуков, возведении фундаментов зданий.

Само слово бетон происходит от латинского слова bitumen – горная смола, во французском языке тоже есть слово beton — искусственный каменный материал, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего материала, воды (реже без неё), заполнителей и специальных добавок; до формования эту смесь называют бетонной смесью.

В Древнем Риме бетон называли по-разному. Так, литую кладку с каменным заполнителем они именовали греческим словом «эмплектон» (emplekton). Встречается также слово «рудус» (rudus), а также «опус цементум» (opus caementitium), которым и стали называть римский 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, 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 Лапински 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. История бетона неразрывно связана с историей цемента. Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлась глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность. По мере развития и усложнения строительства возрастали требования, предъявляемые к вяжущим веществам.

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. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве) датируется 1950 г. до н.э. Бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до нашей эры. Несомненно, на широкое распространение римского бетона определенное влияние оказала политическая и экономическая структура античного общества. Однако не в меньшей степени, а может быть, даже в большей, этому способствовал и ряд крупных технических достижений. В частности, открытие римлянами свойств пуццолановых добавок, значительное улучшение состава бетона за счет использования чистых и даже в отдельных случаях фракционированных заполнителей взамен ранее применявшегося грунта, и тщательное уплотнение бетонной смеси, которому римляне уделяли большое внимание, и которое в значительной степени способствовало улучшению качества бетона.

Предположительно, в период наивысшего развития бетона (2 век н.э.) римлянами были разработаны и новые виды вяжущих веществ типа романцемента, позволившие в значительной степени улучшить физико-механические и деформативные характеристики возводимых ими бетонных сооружений. Повышению долговечности бетона способствовали и географические условия Италии с ее теплым и влажным климатом, в то время как в других странах с более суровым климатом постройки из такого же бетона сохранились плохо. Даже сегодня не потеряли своей значимости и конструктивные особенности римских бетонных дорог, полов, сводов и куполов, особенно в связи с тем, что, не умея бороться с растягивающими и изгибными напряжениями бетонных конструкций, римляне прекрасно «научили» их работать на сжатие. Большой интерес представляет и химико-минералогический состав римского цемента. Сочетание этих нововведений и явилось, видимо, основной причиной поразительной долговечности римского бетона, которую до сих пор нередко связывают с якобы утраченными секретами античных строителей. История железобетона Железобетон — один из древнейших строительных материалов. Из него построены галерей египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), часть Великой Китайской стены (III век до н.э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в других местах. Однако использование железобетона и железобетона для массового строительства началось только во второй половине XIX в., после получения и организации промышленного выпуска портландцемента, ставшего основным вяжущем веществом для бетонных и железобетонных конструкций. Вначале железобетон использовался для возведения монолитных конструкций и сооружений. Применялись жесткие и малоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С появлением железобетона, армированного каркасами, связанными из стальных стержней, начинают применять более подвижные и даже литые бетонные смеси, чтобы обеспечить их надлежащее распределение и уплотнение в бетонируемой конструкции. Однако применение подобных смесей затрудняло получение бетона высокой прочности, требовало повышенного расхода цемента. Поэтому большим достижением явилось появление в 30-х годах способа уплотнения бетонной смеси вибрированием, что позволило обеспечить хорошее уплотнение малоподвижных и жестких бетонных смесей, снизить расход цемента в бетоне, повысить его прочность и долговечность. В эти же годы был предложен способ предварительного напряжения арматуры в бетоне, способствовавший снижению расхода арматуры в железобетонных конструкциях, повышению их долговечности и трещиностойкости.

Профессор А.Р. Шуляченко в 80-х годах XIX века разработал теорию получения и твердения гидравлических вяжущих веществ и цементов и доказал, что на их основе могут быть получены долговечные бетонные конструкции. Под его руководством было организовано производство высококачественных цементов. Профессор Н.А. Белелюбский в 1891 году провел широкие испытания, результаты которых способствовали внедрению железобетонных конструкций в строительство. Профессор И.Г. Малюга в 1895 году в своей работе «Составы и способы изготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости» обосновал основные законы прочности бетона. В 1912 году был издан капитальный труд Н.А. Житкевича «Бетон и бетонные работы». В начале века появляются много работ по технологии бетона и за рубежом. Из них наиболее важными были работы Р. Фере (Франция), О. Графа (Германия), И. Боломе (Швейцария), Д. Абрамса (США). Широкое развитие получила технология бетона в СССР со времени первых крупных гидротехнических строительств — Волховстроя (1924 год) и Днепростроя (1930 год). Профессора Н.М. Беляев и И.П. Александрии возглавили ленинградскую научную школу по бетону. В 30-е годы ученные московской школы бетона Б.Г. Скрамтаев, Н.А. Попов, С.А. Миронов, С.В. Шестоперов, П.М. Миклашевский и другие разработали методы зимнего бетонирования и тем самым обеспечили круглогодичное возведения бетонных и железобетонных конструкций, создали ряд новых видов бетона, разработали способы повышения долговечности бетона, основы технологии сборного железобетона. В послевоенные годы создавались новые виды вяжущих веществ и бетонов, начинали широко применяться химические добавки, улучшающие свойства бетона, совершенствовались способы проектирования состава бетона и его технология.

Цемент Древнего Рима оказался экологически чище и прочнее современного 23.01.2020

Цемент Древнего Рима оказался экологически чище и прочнее современного

Анализ римского цемента, погруженного в течение 2000 лет в заливе Неаполя, показал, что он намного долговечнее и менее обременителен для окружающей среды по отношению к основным видам этого строительного материала, применяемым сегодня.«В середине 20-го века, бетонные конструкции рассчитывались на 50 лет», — рассказывает Пауло Монтерео из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли — известного научно-исследовательского учреждения при Министерстве энергетики США. — Сегодня мы проектируем здания, которые будут существовать 100 или 120 лет», — добавляет он.Тем не менее, многие римские порты остаются в отличном состоянии уже более 2000 лет, несмотря на действия волн, и химических воздействий от морской воды.Анализ, проведенный с помощью методов спектроскопии и дифракции рентгеновских лучей, показал, что из-за вулканических компонентов римский бетон не только был более прочным, но и требовал значительно меньше энергии для своего производства.«Можно утверждать, что нынешний цемент не является хорошим. Вместо этого, мы считаем его настолько хорошим, что используем его в объеме 19 миллиардов тонн в год. Проблема заключается в том, что во время производства портландцемента в атмосферу выбрасывается 7% углекислого газа всей мировой промышленности», — говорит доктор Монтерио, возглавляющий эти исследования.Портландцемент является источником «клея» для большинства существующих бетонов. Он образуется при нагревании смеси известняка и глины до температуры в 1450 градусов по Цельсию. Нагревание известняка освобождает диоксид углерода, а также газы от сгорания самого ископаемого топлива, необходимого для нагревания смеси.В случае строительства подводных объектов, которые должны были противостоять коррозии в морской воде, римляне следовали довольно необычной тактике, как показали новые исследования: известь смешивали с вулканическим пеплом, и заливали в деревянные формы. Когда эти формы погружали в море, морская вода вызывала экзотермическую химическую реакцию, в которой в известь включены молекулы морской воды, вступающие в реакцию с золой, что помещало все ингредиенты цемента на места.Анализ показал, что использовавшийся пепел, который содержал алюминий, создавал необычайно стабильную кристаллическую структуру в бетоне.В настоящее время на рынке экологически чистых бетонов изготовляются смеси на основе вулканического пепла и золы угольных электростанций (летучая зола). Устойчивость этих бетонов в долгосрочной перспективе не может быть полностью оценена до окончания анализов римских бетонов, говорят исследователи.Пока что доктор Монтейро предлагает частично заменить портландцемент и начать применять вулканический пепел potsolan (пуццолан), вулканические отложения которого в избытке присутствуют в Неаполитанском заливе рядом с приморским городом Пуцциоли.«Potsolan важен для практического применения, — говорит исследователь.- Мы могли бы заменить 40% мирового потребления портландцемента. Источники Potsolan есть по всему миру. Саудовская Аравия, например, не имеет летучую золу, но за то у нее есть горы potsolan.Анализ был опубликован в «Журнале Американского керамического общества» и «Американской Минералогии».

Экономить на цементе: есть ли смысл?

Читать прошлую статью

Из истории изобретения цемента

Читать следующую статью