Римский бетон , также называемый opus caementicium , использовался при строительстве в Древнем Риме . Как и его современный эквивалент , римский бетон был основан на гидравлическом цементе, добавленном к заполнителю .
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. [1]
Римский бетон широко использовался примерно с 150 г. до н.э.; [2] некоторые ученые полагают, что он был разработан за столетие до этого. [3]
Его часто использовали в сочетании с облицовками и другими опорами, [4] 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. [5]
Римский бетон отличается от современного бетона тем, что заполнители часто включали более крупные компоненты; следовательно, его скорее положили, чем налили. [6] Римский бетон, как и любой гидравлический бетон, обычно мог затвердевать под водой, что было полезно для мостов и других прибрежных сооружений.
Витрувий , написавший 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 , который имеет 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. [10] [11]
Римляне впервые использовали гидравлический бетон в прибрежных подводных сооружениях, вероятно, в гаванях вокруг Байй, еще до конца II века до нашей эры. [12] Гавань Кесарии является примером (22-15 гг. до н. э.) использования подводной римской бетонной технологии в больших масштабах, [10] для чего огромные количества пуццолана были импортированы из Путеол . [13]
Для восстановления Рима после пожара 64 года нашей эры , уничтожившего большую часть города, новый строительный кодекс Нерона в основном предусматривал использование бетона с кирпичной облицовкой. [ нужна цитация ] Это, по-видимому, способствовало развитию кирпичной и бетонной промышленности. [10]
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 . [14]
В качестве связующих использовали гипс и негашеную известь . [2] Вулканическая пыль, называемая пуццоланой или «карьерным песком», предпочиталась там, где ее можно было получить. Пуццолана делает бетон более устойчивым к соленой воде, чем современный бетон. [15] Пуццолановый раствор имел высокое содержание глинозема и кремнезема .
Недавние исследования (2023 г.) 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. [16] Эти известковые куски 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 перемещаются через известковые куски, что потенциально играет решающую роль в саморазрушении. - механизм исцеления. [1]
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 пуццоланового цемента имеет много общего с схватыванием его современного аналога портландцемента . Состав римского пуццолана с высоким содержанием кремнезема очень близок к составу современного цемента, к которому были добавлены доменный шлак , летучая зола или микрокремнезем .
Считается, что прочность и долговечность римского «морского» бетона достигается за счет реакции морской воды со смесью вулканического пепла и негашеной извести с образованием редкого кристалла, называемого тоберморитом , который может противостоять разрушению. Когда морская вода просачивалась в крошечные трещины римского бетона, она вступала в реакцию с филлипситом, естественным образом обнаруженным в вулканической породе, и образовывала глиноземистые кристаллы тоберморита. Результатом стал кандидат на звание «самого прочного строительного материала в истории человечества». Напротив, современный бетон, подвергающийся воздействию соленой воды, портится в течение десятилетий. [17] [18] [19]
Римский бетон на гробнице Цецилии Метеллы — это еще один вариант с повышенным содержанием калия, который вызвал изменения, которые «укрепляют межфазные зоны и потенциально способствуют улучшению механических характеристик». [20]
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. [21] [10]
Еще одной технологией повышения прочности и устойчивости бетона стала его градация в куполах. Одним из примеров является Пантеон , где совокупность верхней части купола состоит из чередующихся слоев легкого туфа и пемзы , что придает бетону плотность 1350 килограммов на кубический метр (84 фунта на кубический фут). В фундаменте конструкции в качестве заполнителя использовался травертин , имеющий гораздо более высокую плотность - 2200 килограммов на кубический метр (140 фунтов на кубический фут). [22] [10]
Научные исследования римского бетона с 2010 года привлекли внимание средств массовой информации и промышленности. [23] 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. [24] Было обнаружено, что пригодные к использованию примеры римского бетона, подвергающегося воздействию суровых морских условий, имеют возраст 2000 лет с незначительным износом или без него. [25] 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. [26] При его производстве в атмосферу выбрасывается меньше углекислого газа, чем при любом современном процессе производства бетона. [27] Не случайно стены римских построек толще стен современных построек. Однако римский бетон все еще набирал свою прочность в течение нескольких десятилетий после завершения строительства. [17]
