Римский бетон

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

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

OpusCaementiciumViaAppiaAntica

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

Пантеон Рим-Купол

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

Бетонная баня Кесарии

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

Бая-Темпио ди Меркурио

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

Кристаллическая структура торберморита CSH 3D RasMol