Римский бетон, также называемый opus caementicium, использовался в строительстве в
Древнем Риме. Как и его современный эквивалент, римский бетон был основан на цементе с гидравлическим схватыванием, добавленном к заполнителю.
Многие здания и сооружения, сохранившиеся до наших дней, такие как мосты, водохранилища и акведуки, были построены из этого материала, что свидетельствует как о его универсальности, так и о долговечности. Его прочность иногда повышалась за счет добавления пуццолановой золы там, где это было возможно (особенно в Неаполитанском заливе). Добавление золы предотвратило распространение трещин. Недавние исследования показали, что включение смесей различных видов извести, образующих конгломератные «обломки», позволило бетону самостоятельно заделывать 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 облицовкой и другими опорами, а интерьеры дополнительно украшались
штукатуркой, фресками или цветным мрамором. Дальнейшие инновационные разработки в материале, часть так называемой бетонной революции, способствовали созданию структурно сложных форм. Наиболее ярким примером этого является купол Пантеона, самый большой и старейший в мире купол из неармированного бетона.
Римский бетон отличается от современного бетона тем, что заполнители часто включали более крупные компоненты; следовательно, его укладывали, а не заливали. Римские бетоны, как и любой гидравлический бетон, обычно могли затвердевать под водой, что было полезно для мостов и другого строительства на берегу.
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 с грядок Поццуоли, коричневато-желто-серого цвета в окрестностях Неаполя и красновато-коричневого цвета недалеко от Рима. Витрувий определяет соотношение 1 части извести к 3 частям пуццолана для строительного раствора, используемого в зданиях, и соотношение 1: 2 для подводных работ.
Римляне впервые использовали гидравлический бетон в прибрежных подводных сооружениях, вероятно, в гаванях вокруг Байи до конца 2 века до н.э. Гавань Кесарии является примером (22-15 гг. до н.э.) широкомасштабного использования подводной римской бетонной технологии, для которой из Путеол было импортировано огромное количество пуццоланы.
Для восстановления Рима после пожара 64 г. н.э., уничтожившего большую часть города, новый строительный кодекс Нерона в основном предусматривал облицовку кирпичом бетона. Похоже, это способствовало развитию кирпичной и бетонной промышленности.
Свойства материала
Римский бетон, как и любой
бетон, состоит из заполнителя и гидравлического раствора, связующего, смешанного с водой, которое со временем затвердевает. Состав заполнителя варьировался и включал куски камня, керамическую плитку, известковые обломки и кирпичный щебень с остатков ранее снесенных зданий. В Риме в качестве заполнителя часто использовался легкодоступный туф.
В качестве вяжущих использовалисьгипс и негашеная известь. Вулканическая пыль, называемая пуццолана или «карьерный песок», предпочиталась там, где ее можно было добыть. Пуццолана делает бетон более устойчивым к соленой воде, чем современный бетон. Пуццолановый раствор имел высокое содержание оксида алюминия и кремнезема.
Недавние исследования (2023) показали, что известковые обломки, ранее считавшиеся признаком плохой технологии агрегирования, вступают в реакцию с водой, просачивающейся в любые трещины. При этом образуется химически активный кальций, который позволяет образовываться новым кристаллам карбоната кальция и повторно заделывать трещины. Эти известковые обломки имеют хрупкую структуру, которая, скорее всего, была создана методом «горячего смешивания» с негашеной известью, а не традиционной гашеной известью, в результате чего трещины преимущественно проходят по известковым обломкам, что потенциально играет решающую роль в механизме самовосстановления.
Бетон и, в частности, гидравлический раствор, ответственный за его сцепление, представлял собой разновидность конструкционной керамики, полезность которой во многом определялась ее реологической пластичностью в пастообразном состоянии. Схватывание и твердение гидравлических цементов, полученных в результате гидратации материалов и последующего химического и физического взаимодействия этих продуктов гидратации. Это отличалось от схватывания растворов из гашеной извести, наиболее распространенных цементов доримского мира. После схватывания римский бетон проявлял небольшую пластичность, хотя и сохранял некоторую устойчивость к растягивающим нагрузкам.
Схватывание пуццолановых цементов имеет много общего с схватыванием их современного аналога, портландцемента. Состав римских пуццолановых цементов с высоким содержанием кремнезема очень близок к составу современного цемента, в который были добавлены шлак доменной печи, зола-унос или диоксид кремния.
Считается, что прочность и долговечность римского «морского» бетона повышаются в результате реакции
морской воды со смесью вулканического пепла и негашеной извести с образованием редкого кристалла под названием тоберморит, который может противостоять разрушению. Когда морская вода просачивалась сквозь крошечные трещины в римском бетоне, она вступала в реакцию с филлипситом, естественным образом содержащимся в вулканической породе, и образовывала глиноземистые кристаллы тоберморита. Полученный результат является кандидатом на звание «самого прочного строительного материала в истории человечества». Напротив, современный бетон, подвергающийся воздействию соленой воды, портится в течение десятилетий.
Римский бетон в Гробнице Цецилии Метеллы — это еще одна разновидность с более высоким содержанием калия, которая вызвала изменения, которые «укрепляют межфазные зоны и потенциально способствуют улучшению механических характеристик».
Сейсмические технологии
Для окружающей среды, столь подверженной
землетрясениям, как итальянский полуостров, перебои и внутренние конструкции внутри стен и куполов создавали разрывы в бетонной массе. Части здания могли слегка смещаться при движении земли, чтобы выдерживать такие нагрузки, повышая общую прочность конструкции. Именно в этом смысле кирпичи и бетон были гибкими. Возможно, именно по этой причине, хотя многие здания получили серьезные трещины по разным причинам, они продолжают стоять и по сей день.
Другой технологией, используемой для повышения прочности и стабильности бетона, была градация его по куполам. Одним из примеров является Пантеон, где заполнитель верхней части купола состоит из чередующихся слоев легкого туфа и пемзы, что придает бетону плотность 1350 кг на кубический метр (84 фунта / кубический фут). В фундаменте сооружения в качестве заполнителя использовался травертин, имеющий гораздо более высокую плотность — 2200 кг на кубический метр (140 фунтов / кубический фут).
Современное использование
Научные исследования римского бетона с 2010 года привлекают внимание как средств массовой информации, так и отрасли. 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 угольной летучей золой, обладающей аналогичными свойствами. Сторонники говорят, что бетон, изготовленный из летучей золы, может стоить на 60% дешевле, поскольку для него 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 пригодным для использования примерам римского бетона, подвергавшегося воздействию суровых морских условий, 2000 лет, и они практически не изнашивались. В 2013 году Калифорнийский университет в Беркли опубликовал статью, в которой впервые описан механизм, с помощью которого сверхрастяжимое соединение кальций-алюминий-силикат-гидрат связывает материал вместе. Во время его производства в атмосферу выбрасывается меньше углекислого газа, чем в любом современном процессе производства бетона. Неслучайно стены римских зданий толще, чем у современных. Однако римский бетон все еще набирал свою прочность в течение нескольких десятилетий после завершения строительства.
