Римский бетон , также называемый opus caementicium , использовался в строительстве в Древнем Риме . Как и его современный эквивалент , римский бетон был основан на гидравлически схватывающемся цементе, добавленном к заполнителю .
Многие здания и сооружения, которые сохранились до наших дней, такие как мосты, водохранилища и акведуки, были построены с использованием этого материала, что свидетельствует как о его универсальности, так и о его долговечности. Его прочность иногда повышалась за счет включения пуццолановой золы , где она была доступна (особенно в Неаполитанском заливе ). Добавление золы предотвращало распространение трещин. Недавние исследования показали, что включение смесей различных типов извести, образующих конгломератные «обломки», позволяло бетону самостоятельно восстанавливать 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 облицовкой и другими опорами, [4] а интерьеры дополнительно украшались лепниной , фресками или цветным мрамором. Дальнейшие инновационные разработки в этом материале, часть так называемой бетонной революции , способствовали появлению структурно сложных форм. Наиболее ярким примером этого является купол Пантеона , крупнейший и старейший в мире купол из неармированного бетона. [5]
Римский бетон отличается от современного бетона тем, что в его состав часто входили более крупные компоненты; поэтому его укладывали, а не заливали. [6] Римский бетон, как и любой гидравлический бетон, обычно мог застывать под водой, что было полезно при строительстве мостов и других сооружений на воде.
Витрувий , писавший около 25 г. до н. э. в своих «Десяти книгах об архитектуре» , различал типы материалов, подходящих для приготовления известковых растворов . Для строительных растворов он рекомендовал пуццолан ( pulvis puteolanus на латыни), вулканический песок из пластов Поццуоли , которые имеют коричневато-желто-серый цвет в этой области вокруг Неаполя и красновато-коричневый около Рима. Витрувий указывает соотношение 1 части извести к 3 частям пуццолана для раствора, используемого в зданиях, и соотношение 1:2 для подводных работ. [10] [11]
Римляне впервые использовали гидравлический бетон в прибрежных подводных сооружениях, вероятно, в гаванях вокруг Байи до конца II века до н. э. [12] Гавань Кесарии является примером (22-15 гг. до н. э.) использования подводной римской бетонной технологии в больших масштабах, [10] для чего из Путеол импортировались огромные количества пуццолана . [13]
Для восстановления Рима после пожара 64 г. н. э. , уничтожившего большую часть города, новый строительный кодекс Нерона в основном предусматривал использование кирпичного бетона. [ необходима цитата ] 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 затвердевает со временем. Состав заполнителя был различным и включал 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 веществ использовались гипс и негашеная известь . [2] Вулканическая пыль, называемая пуццоланой или «карьерным песком», использовалась там, где ее можно было добыть. Пуццолан делает бетон более устойчивым к соленой воде, чем современный бетон. [15] Пуццолановый раствор имел высокое содержание глинозема и кремнезема .
Исследования 2023 года показали, что обломки извести, которые ранее считались признаком плохой техники агрегации, реагируют с водой, просачивающейся в любые трещины. Это производит реактивный кальций, который позволяет новым кристаллам карбоната кальция образовываться и повторно запечатывать трещины. [16] Эти обломки извести 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 обломки извести, таким образом, потенциально играя решающую роль в механизме самовосстановления. [1]
Бетон и, в частности, гидравлический раствор, отвечающий за его сцепление, были типом структурной керамики, полезность которой во многом определялась ее реологической пластичностью в состоянии пасты. Схватывание и затвердевание гидравлических цементов происходило 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 затвердевания римский бетон проявлял небольшую пластичность, хотя и сохранял некоторую устойчивость к растягивающим напряжениям.
Затвердевание пуццолановых цементов имеет много общего с затвердеванием их современного аналога, портландцемента . Высококремнеземистый состав римских пуццолановых цементов очень близок к составу современного цемента, к которому 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. [17] [18] [19]
Римский бетон в гробнице Цецилии Метеллы представляет собой еще один вариант с более высоким содержанием калия, который вызвал изменения, которые «укрепляют межфазные зоны и потенциально способствуют улучшению механических характеристик» [20] .
Для среды, подверженной землетрясениям, как на Итальянском полуострове , разрывы и внутренние конструкции в стенах и куполах создавали разрывы в бетонной массе. Части здания могли затем слегка смещаться, когда происходило движение земли, чтобы компенсировать такие напряжения, увеличивая общую прочность конструкции. Именно в этом смысле кирпичи и бетон были гибкими. Возможно, именно по этой причине, хотя многие здания и подвергались серьезным трещинам по разным причинам, они продолжают стоять по сей день. [21] [10]
Другой технологией, используемой для повышения прочности и устойчивости бетона, была его градация в куполах. Одним из примеров является Пантеон , где заполнитель верхней купольной области состоит из чередующихся слоев легкого туфа и пемзы , что дает бетону плотность 1350 килограммов на кубический метр (84 фунта/куб. фут). В фундаменте конструкции в качестве заполнителя использовался травертин , имеющий гораздо более высокую плотность 2200 килограммов на кубический метр (140 фунтов/куб. фут). [22] [10]
Научные исследования римского бетона с 2010 года привлекли внимание как СМИ, так и промышленности. [23] Из-за его необычной прочности, долговечности и уменьшенного воздействия на окружающую среду корпорации и муниципалитеты начинают изучать использование римского бетона в Северной Америке. Это подразумевает замену вулканического пепла угольной летучей золой , которая имеет схожие свойства. Сторонники говорят, что бетон, изготовленный с использованием летучей золы, может стоить до 60% дешевле, поскольку для него требуется меньше цемента. Он также имеет меньший экологический след из-за более низкой температуры приготовления и гораздо более длительного срока службы. [24] Было обнаружено, что пригодные для использования образцы римского бетона, подвергавшиеся воздействию суровых морских условий, имеют возраст 2000 лет с небольшим или нулевым износом. [25] В 2013 году Калифорнийский университет в Беркли опубликовал статью, в которой впервые описал механизм, с помощью которого сверхстабильное соединение кальций-алюминий-силикат-гидрат связывает материал. [26] Во время его производства в атмосферу выбрасывается меньше углекислого газа, чем при любом современном процессе производства бетона. [27] Неслучайно, что стены римских зданий толще, чем у современных. Однако римский бетон продолжал набирать прочность в течение нескольких десятилетий после завершения строительства. [17]
