Рецепты римского бетона
Из чего древние Римляни делали бетон.
Теперь реальным стало только то. Что можно было взвесить и измерить. Коснуться пястью, выразить числом..
Когда инженеры-строители начинают профессиональный разговор о бетоне, то их в первую очередь интересует его прочность, отношение к морозу и воде. Для того чтобы бетон и бетонные сооружения обладали всеми требуемыми характеристиками, необходимо точно знать рецепт бетона — состав, т. е. соотношение всех его компонентов. В конечном виде состав бетона записывают в виде весового или реже объемного соотношения, например, 1:2:4 (цемент:песок:шебень или гравий), т. е. на одну часть цемента приходится две части песка и четыре части щебня или гравия. Определив заранее расход цемента и воды, можно, пользуясь указанным соотношением, легко вычислить расход каждого из заполнителей. Однако перед тем, как подойти к рецептам для бетона, необходимо выяснить еще один важный вопрос — роль заполнителей — песка и крупных камней в бетоне. Как они влияют на свойства бетона, да и нужны ли они вообще в бетоне?
Сразу же необходимо сказать, что без заполнителей нельзя изготовить бетон. Присутствие их в бетоне, как было установлено, значительно улучшает строительно-технические свойства материала и, в первую очередь, такие, как водонепроницаемость, Деформативность и прочность. Кроме того, заполнители намного Дешевле вяжущих веществ, поэтому экономически более выгодно, чтобы в бетонной смеси их было как можно больше.
Несомненно, что, начав работать с бетоном, римляне не могли не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобства их применения уже с середины I в. до н. э. вводится классификация заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в зависимости от назначения будущего бетонного сооружения. Об этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов, так, по виду и условиям залегания пески подразделялись, как и теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде — котлованные. При этом существовало дополнительное разделение каждого вида песка по окраске и загрязненности.
Витрувий писал о том, что . Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке . В большинстве случаев он советовал применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ — очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев нежелателен, так как содержит примеси солей, которые ведут к выцветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строительства. Такое утверждение не противоречит современным техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно промывались.
Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. «Надо добывать камень не зимою, а летом, -пишет Витрувий,— и оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся непорченным, пойдет для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность. »
Методы определения чистоты заполнит елей были весьма простыми, а требования к ним более жесткими. «. Если насыпать песок на белое полотенце и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и землистого осадка, то будет годен. » (Витрувий).
Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометрический) состав его заполнителей. Песок и щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в заполнителе, тем меньше требуется вяжущего вещества для получения плотного бетона.
О том, что римляне придавали большое значение зерновому составу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных в наше время. Так при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов моста Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подобных примеров. Следует также отметить частое использование дробленого щебня, причем «. не тяжелее фунта» (т. е. 327 г), как требует этого Витрувий.
Вероятно, к началу I в. н. э. римскими строителями было установлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочисленными примерами. Так, при строительстве Колизея в бетоне был применен заполнитель трех видов: для фундаментов — плотный и тяжелый щебень из высокопрочной лавы, для стен — более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях — легкая пемза и туф.
Теперь вновь обратимся к составу бетона его рецептуре. Вероятно, нет необходимости убеждать читателя в том, что из одних и тех же продуктов разные повара могут приготовить разные по вкусу блюда. Зависеть это будет, в первую очередь, от соотношения продуктов, которые будут закладываться в кастрюлю. Подобное происходит и с приготовлением бетона. Можно представить, какими искусными «кулинарами» должны были быть античные мастера-строители, если, не имея под рукой механизированного оборудования и даже элементарных весов они получали достаточно качественные по составу бетоны и растворы.
О выборе состава раствора в зависимости от назначения и вида применяемого песка имеются определенные указания Витрувия и других античных авторов. Относительно же состава бетона таких указаний ни у кого из них нет, за исключением туманных рекомендаций Плиния Старшего. Однако, если вспомнить, как гоговился бетон в Древнем Риме, станет ясным, почему там не было специальных рекомендаций о его составе.
Бетон в то время приготавливали в основном раздельным способом, т. е. отдельно в специальных емкостях замешивали известковый раствор и укладывали его слоями в опалубку, чередуя со слоями крупного заполнителя. Поэтому, если состав раствора был необходим в первую очередь для получения требуемой консистенции смеси и всегда указывался в правилах производства работ, то количество щебня или гальки, по-видимому, играло второстепенную роль, и поэтому не учитывалось. Правда, в отдельных видах гидротехнических работ количество щебня в общем объеме бетона все-таки задавалось. Так, Плиний приводит состав гидротехнического бетона из извести, пуццоланы и битого туфа в пропорции 1:2:1. Другой вид бетона без указания состава. Употреблявшийся для постройки цистерн состоял, по Витрувию, из чистого песка, щебня или булыжника весом не более одного Фунта и самой хорошей извести.
Можно предположить, что в то время уже существовали элементарные методы расчета состава раствора, так как римлянам были хорошо известны способы определения объема различных геометрических фигур и они могли рассчитывать общее количество раствора и бетона на любой заданный объем. Вяжущее вещество и заполнители принимались в зависимости от назначения работ в соотношениях, указанных выше, а количество воды подбиралось «на глаз». При этом важно подчеркнуть, что римляне были хорошо осведомлены о том, что избыток воды в смеси всегда нежелателен, на что указывал, в частности Плиний. Воду поэтому, скорее всего, заливали в смесь не всю сразу, а постепенно, доводя раствор до требуемой консистенции.
С тех пор как в конце XVIII в. в Европе появились первые машины по испытанию материалов, стали испытывать и образцы римского раствора и бетона, отобранные из различных сооружений. Правда, было обнаружено, что данные имеют немалый разброс, который усугубляется различным сроком службы сооружений— в пределах 50—350 лет. Однако отдельные выводы по результатам испытаний сделать можно. Можно предположить, что активность древнеримских вяжущих в зависимости от их вида была в пределах 0,5—15 МПа: в частности, для воздушной извести 0,5—1 МПа; для гидравлической 1,5—2 МПа; для из-вестково-цемяночного и известково-пуццоланового цемента 3—10 МПа и вяжущего типа романцемента 5—15 МПа.
Очевидно, что производимые в то время бетоны также обладали различной прочностью в зависимости от вида вяжущего, водо-вяжушего отношения, тонкости помола пуццолановых добавок и других трудно учитываемых факторов.
В 80-х годах нашего века западногерманские ученые провели серию испытаний бетонных образцов, взятых в районе Кельна, Зальбурга и других городов Западной Германии — бывшей римской провинции. Бетонные образцы были отобраны из стен домов, сводов зданий, стен бассейнов и других сооружений- При этом было обнаружено, что прочность на сжатие бетонных образцов имела от 0,5 до 50 МПа в зависимости от вида сооружений, хотя преобладающей оказалась прочность порядка 7—12 МПа. Максимальное значение прочности — 50 МПа обнаружено у бетонных полов. Степы и своды зданий показали гораздо меньшую прочность, а бетон из стен бассейна — всего 5 МПа. Это свидетельствует о том, что римляне, изготавливая водонепроницаемые сооружения, не стремились получить при этом прочный бетон.
Основываясь на многочисленных описаниях римских сооружений и результатах испытаний, можно предположить, что римские бетоны в зависимости от вида применяемого вяжущего и заполнителя имели среднюю плотность от 700 до 2200 кг/м3, водо-поглощение 5—20% и пористость порядка 20—40%.
Несмотря на такие большие диапазоны значений физико-механических показателей испытанных образцов, большинство римских бетонных сооружений оказались долговечными. Это подтверждает вывод отдельных исследователей о том, что ни прочность, ни пористость бетона не могут служить основным критерием при определении его долговечности. Вероятно, значения этих показателей наиболее важны в течение первых лет работы конструкции, а в дальнейшем они нивелируются.
Сегодня трудно оценить и проанализировать составы римского бетона только по соотношению их компонентов при большом количестве неизвестных, тем более, что данные относительно действительного состава бетона и его структурных характеристик у многих исследователей вызывают сомнения. Можно лишь утверждать, что хорошее современное состояние отдельных бетонных сооружений Древнего Рима свидетельствует о превосходном качестве применяемого исходного материала, рационально подобранном составе бетона и надлежащем качестве строительных работ.
Источник книга «Римский бетон». Автор В.А.Кочетов
Источник
Римский бетон — что мешает использовать его сегодня?
На юге Франции находится одна удивительная туристическая достопримечательность. Это высоченный, прекрасно сохранившийся трехъярусный акведук Пон-дю-Гар. В это трудно поверить, но он был построен две тысячи лет назад, в первом веке нашей эры. ЮНЕСКО называет его проявлением человеческого гения, и с этим вряд ли кто будет спорить. Древние римляне действительно зарекомендовали себя как исключительно талантливые строители и инженеры. Об этом говорят оставшиеся после них здания — от римских бань в английском городе Бат до могучего Пантеона. Как они возводили то, что стоит тысячи лет? Можем ли мы использовать их секреты?
История и свойства римского бетона
Чудесный рецепт
Римляне начали использовать бетон приблизительно в 3 веке до нашей эры. На латинском его название звучало как «Opus caementicium». Этот материал применялся при строительстве домов, общественных зданий, мостов и знаменитых дорог, многие из которых сохранились до наших дней. Если верить историкам, секрет прочности римского бетона заключался в пуццолане — смеси вулканического пепла, пемзы и туфа. Этот материал добавлялся в раствор, в состав которого входили вода, известь или гипс, а также измельчённый камень, кирпич и плитка. На одну часть пуццолана приходилось по три части извести или гипса. По всей видимости, вулканический материал, содержавший кремний и глинозем, запускал химическую реакцию, которая укрепляла раствор.
Надо отметить, что древние римляне не остановились на достигнутом успехе, а продолжали совершенствовать рецепт. Со временем их бетон стал ещё прочнее и получил такое замечательное свойство, как водостойкость. Известно, что этот эффект был получен в результате добавления в раствор измельчённой терракоты. В первом веке нашей эры древние технологи поняли, что определённая пропорция пуццоланы и извести позволяет бетону, помещённому в морскую воду, приобретать с течением времени какую-то запредельную прочность.
Чем плох современный бетон?
Сегодня мы имеем парадоксальную ситуацию, когда римские строения спокойно стоят там, где были возведены два тысячелетия назад, а современный бетон неумолимо разрушается, допустим, в той же соленой воде. То, что он армирован сталью, которая не любит эту среду, не добавляет ему прочности. Более того, не так давно министерство энергетики США и ученые Калифорнийского университета провели исследование, которое показало, что производство римского бетона было ещё и гораздо менее вредно для окружающей среды. Сегодня семь процентов выбросов углекислого газа, генерируемых всей мировой промышленностью, приходится на долю предприятий цементной отрасли. Дело тут в технологии, которая требует спекания при очень высокой температуре песка, известняка, глины, мела и некоторых других составляющих. Понятно, что этот эффект достигается путём сжигания значительного количества ископаемого топлива.
Препятствия на пути возвращения римского бетона
С учётом вышеописанного, возврат к рецепту двухтысячелетней давности кажется логичным и обоснованным. Тем более что эксперименты последнего времени, ставившие своей целью создание экологически чистого «римского» бетона, показывают неплохие результаты, а пуццолан не является дефицитным для нашей планеты материалом. Основная причина задержки с переходом на античный бетон кроется в создании действительно надёжного и работающего рецепта. Древние римляне его после себя не оставили, а современные учёные не смогли пока создать сравнимую по качествам смесь. Исследовательская работа, тем не менее, продолжается, и её плодов можно ждать уже в ближайшем будущем.
Однако вряд ли стоит надеяться, что этот материал сразу же проложит себе дорогу на полки соответствующих магазинов и на склады крупных строительных компаний. Несмотря на всю свою опасность для окружающей среды, портландцемент относительно дешев, а низкая цена — это один из основных факторов, определяющих выбор того или иного материала для строительства. Сегодня над разработкой рецепта римского бетона работают лишь несколько компаний, но ни одна из них не является крупным игроком в данной отрасли. По всей видимости, для массового перехода на него потребуются и регулирующие меры со стороны государственных структур, которые традиционно уделяют больше внимания вопросам экологии.
Если возврат к технологии двухтысячелетней давности всё же состоится, это, как кажется, будет чуть ли не единственный прецедент подобного рода. Впрочем, если древние римляне создали материал, который поражает своей прочностью современного человека, нет ничего зазорного в том, чтобы воссоздать его и перестать воспринимать как нечто чудесное. Тем более, что это позволит передать планету будущим поколениям в немного более приличном состоянии.
Источник
