Римский бетон, также называемый opus caementicium, был использовался в строительстве в Древнем Риме. Как и его современный эквивалент, римский бетон был основан на гидравлическом цементе, добавляемом в заполнитель.
Многие здания и сооружения, сохранившиеся до сих пор, такие как мосты, водохранилища и акведуки, были построены из этого материала, что свидетельствует как о его универсальности, так и о долговечности. Его прочность иногда усиливалась за счет добавления пуццоланового пепла, где он был доступен (особенно в Неаполитанском заливе). Добавление золы предотвратило распространение трещин. Недавние исследования показали, что добавление смесей различных видов извести, образующих конгломератные «обломки», позволяет бетону самостоятельно устранять трещины.

Римский бетон широко использовался примерно с 150 г. до н.э.; некоторые ученые полагают, что он был разработан за столетие до этого.
Его часто использовали в сочетании с облицовками и другими опорами, а интерьеры дополнительно украшались лепниной, фресками или цветным мрамором. Дальнейшие инновационные разработки в области материалов, ставшие частью так называемой бетонной революции, способствовали структурно усложненным формам. Самым ярким примером этого является купол Пантеона, самый большой и самый старый в мире неармированный бетонный купол.
Римский бетон отличается от современного бетона тем, что заполнители часто включали более крупные компоненты; следовательно, его скорее положили, чем налили. Римский бетон, как и любой гидравлический бетон, обычно мог затвердевать под водой, что было полезно для мостов и других прибрежных сооружений.
Исторические ссылки

Витрувий, писавший около 25 г. до н. э. в своих «Десяти книгах по архитектуре», выделил типы материалов, подходящих для приготовления известковых растворов. В качестве строительных растворов он рекомендовал пуццолану (pulvis puteolanus на латыни), вулканический песок из пластов Поццуоли, которые имеют коричневато-желто-серый цвет в районе Неаполя и красновато-коричневый возле Рима. Витрувий указывает соотношение 1 части извести к 3 частям пуццолана для строительного раствора и соотношение 1:2 для подводных работ.
Римляне впервые использовали гидравлический бетон в прибрежных подводных сооружениях, вероятно, в гаванях вокруг Байй, еще до конца II века до нашей эры. Гавань Кесарии является примером (22-15 гг. до н.э.) применения подводной римской бетонной технологии в больших масштабах, для чего из Путеол импортировались огромные количества пуццолана.
Для восстановления Рима после пожара 64 г. н. э., уничтожившего большую часть города, новый строительный кодекс Нерона в основном предусматривал использование бетона с кирпичной облицовкой. Это, по-видимому, способствовало развитию кирпичной и бетонной промышленности.
Свойства материала

Римский бетон, как и любой бетон, состоит из заполнителя и гидравлического раствора, связующего вещества, смешанного с водой, которое со временем затвердевает. Состав заполнителя разнообразен и включает в себя куски камня, керамическую плитку, обломки извести и кирпичный щебень из остатков ранее снесенных зданий. В Риме в качестве заполнителя часто использовался легкодоступный туф.
В качестве связующих использовали гипс и негашеную известь. Вулканическую пыль, называемую пуццоланой или «ямным песком», предпочитали там, где ее можно было добыть. Пуццолана делает бетон более устойчивым к соленой воде, чем современный бетон. Пуццолановый раствор имел высокое содержание глинозема и кремнезема.
Исследования 2023 года показали, что известковые обломки, которые ранее считались признаком плохой технологии агрегации, реагируют с водой, просачивающейся в любые трещины. При этом образуется реактивный кальций, который позволяет новым кристаллам карбоната кальция образовываться и закрывать трещины. Эти известковые обломки имеют хрупкую структуру, которая, скорее всего, была создана в технике «горячего смешивания» с негашеной известью, а не с традиционной гашеной известью, в результате чего трещины преимущественно движутся через известковые частицы, тем самым потенциально играя решающую роль в механизме самовосстановления. .
Бетон и, в частности, гидравлический раствор, ответственный за его сцепление, представляли собой разновидность конструкционной керамики, полезность которой во многом определялась ее реологической пластичностью в пастообразном состоянии. Схватывание и затвердевание гидравлических цементов происходит в результате гидратации материалов и последующего химического и физического взаимодействия этих продуктов гидратации. Это отличалось от схватывания гашеных известковых растворов, наиболее распространенных цементов доримского мира. После схватывания римский бетон проявлял небольшую пластичность, хотя и сохранял некоторую устойчивость к растягивающим напряжениям.
Схватывание пуццолановых цементов имеет много общего с схватыванием их современного аналога портландцемента. Состав римского пуццоланового цемента с высоким содержанием кремнезема очень близок к составу современного цемента, к которому были добавлены доменный шлак, летучая зола или микрокремнезем.
Прочность и долговечность римского «морского» бетона, как предполагается, выигрывают от реакции морской воды со смесью вулканического пепла и негашеной извести, в результате которой образуется редкий кристалл, называемый тоберморитом, который может противостоять трещинам. Когда морская вода просачивалась в крошечные трещины римского бетона, она реагировала с филлипситом, естественным образом встречающимся в вулканической породе, и создавала глиноземистые кристаллы тоберморита. Результатом является кандидат на «самый прочный строительный материал в истории человечества». Напротив, современный бетон, подвергающийся воздействию соленой воды, разрушается в течение десятилетий.
Римский бетон в гробнице Цецилии Метеллы представляет собой еще один вариант с повышенным содержанием калия, который вызвал изменения, «укрепляющие межфазные зоны и потенциально способствующие улучшению механических характеристик».
Сейсмическая технология

В такой подверженной землетрясениям среде, как итальянский полуостров, перерывы и внутренние конструкции внутри стен и куполов создавали разрывы в бетонной массе. Части здания могли затем слегка смещаться при движении земли, чтобы выдержать такие нагрузки, что повышало общую прочность конструкции. Именно в этом смысле кирпичи и бетон были гибкими. Возможно, именно по этой причине, хотя многие здания по разным причинам получили серьезные трещины, они продолжают стоять и по сей день.
Другой технологией, используемой для повышения прочности и устойчивости бетона, была его градация в куполах. Одним из примеров является Пантеон, где заполнитель верхней части купола состоит из чередующихся слоев легкого туфа и пемзы, что дает бетону плотность 1350 килограммов на кубический метр (84 фунта/куб. фут). В фундаменте сооружения в качестве заполнителя использовался травертин, имеющий гораздо более высокую плотность 2200 килограммов на кубический метр (140 фунтов/куб. фут).
Современное использование

Научные исследования римского бетона с 2010 года привлекли внимание средств массовой информации и промышленности. Из-за его необычной прочности, долговечности и меньшего воздействия на окружающую среду корпорации и муниципалитеты начинают изучать использование бетона в римском стиле в Северной Америке. Это предполагает замену вулканического пепла летучей золой угля, имеющей аналогичные свойства. Сторонники говорят, что бетон, изготовленный из золы-уноса, может стоить до 60% дешевле, поскольку для этого требуется меньше цемента. Он также оказывает меньшее воздействие на окружающую среду благодаря более низкой температуре приготовления и гораздо более длительному сроку службы. Было обнаружено, что пригодные для использования образцы римского бетона, подвергшегося воздействию суровых морских условий, имеют возраст 2000 лет и практически не изнашиваются.
В 2013 году Калифорнийский университет в Беркли опубликовал статью, в которой впервые описан механизм, с помощью которого сверхстабильное соединение кальций-алюминий-силикат-гидрат связывает материал вместе. При его производстве в атмосферу выбрасывается меньше углекислого газа, чем при любом современном процессе производства бетона. Не случайно стены римских построек толще современных. Однако римский бетон все еще набирал свою прочность в течение нескольких десятилетий после завершения строительства.
Литература
