Римский бетон: Ученые раскрыли секрет удивительной прочности бетона Древнего Рима

Секрет римского бетона.

Древний Рим

Книга «Римский бетон». Глава Ⅱ. Опус цементум — римский бетон.

Способы производства бетонных работ.

Рис. 20. Бетон в деревянной опалубке (по Шуази)

Такой же способ укладки бетона применялся при строительстве подземных частей зданий, например, фундаментов, где опалубкой служили деревянные шиты, установленные по длине вырытой траншеи, раскрепленные изнутри поперечными и продольными брусьями (рис. 20). В случае постройки фундаментов на плотных грунтах вулканического происхождения, которыми так богата была римская земля, бетонная смесь укладывалась в траншею без опалубки, так как котлован или траншея сами по себе образовывали устойчивую форму, в которой было удобно укладывать и трамбовать бетон. Таковы подземные части цирка Салюстия, базилики Константина, зданий виллы Адриана и т. д.

Способ трамбования широко применялся при строительстве полов и дорог, на что в свое время указывали Варрон и Витрувий. При этом следует обратить особое внимание на то, что трамбование смеси, по словам Витрувия, обычно производилось «частыми Ударами тяжелых трамбовок (посредством) большой группой рабочих». Все это говорит о том, что древние строители (и не только в Древнем Риме) придавали большое значение тщательному уплотнению бетонной смеси. Даже наносимую на стены штукатурку рекомендовалось «бить гладилкой…» для придания ей большей плотности. Отсюда и качество штукатурки было такое, что «в нее можно было смотреться как в зеркало», а написанные на ней фрески можно было, но словам Плиния Старшего, вместе со штукатуркой переносить в любое место.

Польза продолжительного уплотнения смеси подтверждается и индийской практикой бетонного строительства. В Бенгалии. где песок или его часть в растворе заменялась тонкомплошм кирпичом (суркхи), применяли следующий способ производства работ: жирную известь и суркхи смешивали в мокром состоянии на бегунках до образования клейкой массы, которая добавлялась к заполнителю, после чего раствор тщательно перемешивался и укладывался. Трамбование продолжалось в течение многих часов » заканчивалось лишь тогда, когда вода, налитая на поверхность растворе переставала впитываться в него.

Интересным представляется также, что в отдельных случаях до начала укладки и уплотнения смеси ее предварительно подвергали усиленной механической обработке: …рабочие группой в 10 человек толкли смесь деревянными бабами и только после такой обработки применяли в дело… Предварительная (до формования) активация бетонной смеси применяется и в наши дни. Так, сегодня известно несколько способов активации бетонной смеси, в том числе — механическая — виброактивация.

Другой способ производства бетонных работ выполнялся без применения трамбования и, вероятно, был распространен гораздо шире, чем первый. В качестве опалубки служили стены, выложенные из более мелких и легких, чем в первом случае, камней (кирпичей) кубической или треугольной формы. Толщина такой опалубки была намного меньше, чем в первом случае, так как давление, передаваемое бетонной смесью на стены, было значительно ниже.

В опалубку заливался небольшой слой раствора и на него сверху набрасывались камни, нередко достигавшие в поперечнике 12—17 см. При этом онч зачастую укладывались только на постель, т. е. горизонтально. Такой вид кладки в какой-то мере напоминал современную бутобетонную, хотя и отличался от нее строгим чередованием слоев раствора и крупного заполнителя. Консистенция растворной смеси выбиралась, видимо, таким образом, чтобы крупный заполнитель погрузился в смесь не больше, чем на определенную глубину, с тем, чтобы только заполнить пустоты между зернами щебня. Это подтверждается одинаковыми по высоте слоями щебня.

Для большей устойчивости обе стенки каменной опалубки по мере заполнения их бетонной смесью связывались специальными плоскими квадратными кирпичами из обожженной глины, размером 60 X 60 см и толщиной 4…5 см (см. рис. 19), которые укладывались обычно через 1,5…3 м по высоте стены, и поперечными деревянными брусьями.

Рассмотрев оба способа производства бетонных работ, следует еше раз подчеркнуть, что хотя они и были основными при изготовлении бетонных сооружений, но далеко не единственными. Различные их варианты использовались во всех концах Римской империи.

Древнеримский секрет долговечности бетонных сооружений.

Таким образом, после относительно подробного анализа технологии формования римского бетона мы вновь подошли к вопросу о тайне так называемого древнеримского секрета долговечности бетонных сооружений.

Одним из первых, кто сделал попытку объяснения древнеримского секрета долговечности бетонных сооружений, был французский архитектор Ж. Ронделе (1734—1829). После длительного изучения римских сооружений и проведения ряда опытов он пришел к выводу, что превосходное качество римских растворов и бетонов объясняется не какими-нибудь секретами гашения извести, ее составом или сроками выдерживания, как думали раньше, а лишь тщательным перемешиванием и хорошим уплотнением (трамбованием) свежеуложенной смеси. Действительно, опыты показали, что химический анализ римских растворов и бетонов не обнаруживает в их составе ничего необычного. При этом они характеризуются плотной структурой и часто содержат еще не полностью карбонизировавшуюся известь.

Современный английский исследователь Ф. Финкелдей после детального обследования отдельных частей римского бетонного акведука также пришел к выводу, что у римлян не было никаких особых секретов изготовления бетонных сооружений. По его мнению, долговечность достигалась применением известково-пуццоланового вяжущего и рационально подобранного соотношения вяжущего и заполнителя. При этом римляне использовали умеренное количество воды в бетонной смеси. Ф. Финкелдей был настолько поражен долговечностью и прочностью римских бетонных сооружений, что настойчиво призывал вернуться к их старым технологическим методам, используя аналогичный цемент и заполнители.

Можно ли согласиться с выводами Ж. Ронделе и Ф. Финкелдей, двух известных ученых-строителей, которых разделяет более чем столетний отрезок времени? Вероятно да, так как любой специалист-бетонщик, будь то античный строитель, энциклопедист типа Ж. Ронделе или исследователь наших дней, знает простые, но важные принципы получения бетона с заданными свойствами. Это тщательный выбор исходных материалов для бетона, перемешивание и усиленное уплотнение бетонной смеси.

Кроме того, для каждого типа конструкции римляне тщательно определяли вид бетона и неукоснительно соблюдали все технические условия. Как известно, они разработали значительное количество стандартов и строго им следовали. При их полувоенном государственном управлении и рабовладельческой системе хозяйства сомневаться в этом не приходится.

Источник книга «Римский бетон». Автор В.А.Кочетов

Ученые раскрыли секрет прочности древнеримского бетона

• Мэтт Макграт
• Корреспондент по вопросам окружающей среды

9 июля 2017

Автор фото, JP OLESON

Підпис до фото,

Образцы из древнеримского пирса просветили рентгеновскими лучами высокой мощности

Исследователям удалось определить химический состав древнеримского бетона, который уже много тысячелетий не поддается разрушительному воздействию стихий.

Древние римляне строили прибрежные стены из камней с помощью бетона, состоящего из извести и вулканического пепла.

Ученые определили, что входившие в его состав вулканические элементы вступали в реакцию с морской водой, и конструкция становилась крепче.

По мнению ученых, это открытие может стать толчком для разработки экологичных строительных материалов.

Современный цементный раствор со временем трескается и разрушается. А прочность древнеримского материала уже давно не давала покоя исследователям, ведь с годами этот материал только крепнет даже под действием воды.

Во время исследования образцов приморских стен ученые выяснили, что бетон древних римлян содержит редкий минерал — алюминий-тоберморит.

Они считают, что это укрепляюще вещество кристаллизовалось в извести, когда древнеримский раствор выделял тепло под воздействием морской воды.

Но на этом исследователи не остановились и провели еще более детальный анализ образцов прибрежных стен с помощью электронного микроскопа, чтобы определить распределение элементов.

Также они использовали две другие техники: рентгеновскую микродифракцию и рамановскую спектроскопию, чтобы точнее определить химический состав.

По результатам нового исследования стало известно, что сквозь бетон в значительном объеме прорастает тоберморит. В составе также содержится пористый минерал, который называется филлипсит.

Исследователи утверждают, что эти кристаллы прорастали под длительным воздействием морской воды, укрепляли бетон и предупреждали появление трещин.

«В отличие от современного бетона, который изготавливают на основе цемента, — сообщила главная автор исследования Мари Джексон из Университета штата Юта, США, — бетон древних римлян твердый, как камень, и крепнет во время химического обмена с морской водой».

Автор фото, PA

Этот минерал очень редкий, говорят ученые.

Древний раствор очень отличался от современного. Сейчас здания возводят с применением бетона, основой которого является портлендский цемент.

Его изготавливают путем нагревания и измельчения нескольких составляющих: известняка, песчаника, пепла, мела, железа и глины. Растертый материал затем смешивают с крупными частицами, так называемыми «агрегатами», например кусочками камня, чтобы образовывались бетонные структуры.

Изготовление цемента вредит окружающей среде и является источником 5% всех мировых выбросов углекистого газа.

Могут ли у нас появиться более экологичные строительные материалы, если о цементном растворе древних римлян станет известно больше?

Профессор Джексон тестирует новые материалы с помощью морской воды и вулканической породы из западных районов Соединенных Штатов. В интервью BBC в начале этого года профессор сказала, что при строительстве электростанции — приливной лагуны в заливе Суонси — следует учесть древнеримский опыт замеса бетона.

«Они строили очень массивные сооружения, довольно безопасные для окружающей среды и долговечные», — отметила профессор Джексон.

«По моему мнению, римский бетон или его аналог был бы очень хорошим вариантом (для Суонси. — Ред.). Чтобы инвестиции в эту электростанцию ​​окупились, она должна прослужить 120 лет», — добавляет она.

«Мы знаем, что портлендский цементобетон имеет стальную арматуру. Максимум через шестьдесят лет она разрушится из-за коррозии, а это только половина нужного срока его использования», — отмечает профессор.

Однако несколько факторов затрудняют возрождение древнеримского цемента. Один из них — это недостаток необходимой вулканической породы. Древним римлянам, говорят ученые, просто повезло, потому что необходимые материалы были у них буквально под ногами.

Кроме того, точный рецепт римской смеси не сохранился. Чтобы полностью восстановить формулу древних римлян экспериментальным путем, нужны долгие годы.

Римский бетон — история появления, свойства, секреты прочности: tvin270584 — LiveJournal

Римляне начали использовать бетон более 2000 лет назад, но он не был похож на современные составы. Они готовили его по другой формуле, из которой получалось вещество менее прочное, чем современный бетон. В статье мастер сантехник расскажет, что такого есть в римском бетоне, что позволяет Пантеону и Колизею все еще стоять.

Как появился бетон

В Древнем Риме не было слова «бетон». Оно появилось гораздо позже, в XVIII в. во Франции. Римляне же материал, подобный бетону, называли по-разному. Так, литую кладку с каменным наполнителем они именовали греческим словом «эмплектон» (emplekton). У Витрувия в кн. VII, гл. 4,5 при описании полов встречается слово «рудус» (rudus), которое в переводе Ф. А. Петровского и других известных ученых-историков означает бетон. Однако чаще всего при обозначении таких слов, как раствор, возведении стен, сводов, фундаментов, молов и тому подобных конструкций в римском лексиконе употреблялось словосочетание «опус цементуй» (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон.
Трудно точно сказать, где и когда появился бетон, так как начало его зарождения уходит далеко в глубь веков. Очевидно лишь то, что он не возник таким, каким мы его знаем сегодня, а, как большинство строительных материалов, прошел длинный путь развития.
Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Он был найден на берегу Дуная в поселке Лапенски Вир (Югославия) в одной из хижин древнего поселения каменного века, где из него был сделан пол толщиной 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой местной извести, доставлявшейся вверх по течению реки более чем за 400 км от места добычи.
История бетона неразрывно связана с историей цемента. Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлись глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность.
Использование глины в строительстве восходит приблизительно к 10 тысячелетию дс н, э. На основе глины и жирной земли приготавливались смеси типа растворов и бетонов, которые в те Далекие времена широко применялись при строительстве самых Различных построек и сооружений,- начиная от простейших глинобитных (землебитных) домов до громадных храмов — зиккуратов (рис. 1).

Рис. 1. Зиккурат а древнем городе Ур, реконструкция
Римский писатель и ученый Плиний Старший (23—79 гг. н. э.) в «Естественной истории» с восхищением пишет о виденных им в Африке и Испании «формованных» стенах таких построек. «…Веками стоят они, не разрушаемые ни дождем, ни огнем, более прочные, чем сделанные из бутового камня… В Испании,— пишет он,— до сего дня стоят сторожевые вышки и башни Ганнибала из глины, построенные на вершинах гор». Плиний недаром называл такие стены «формованными», так как они, действительно, изготавливались путем трамбования (формования) влажного грунта или глины с камнем, уложенных между деревянными щитами опалубки, и в этом смысле являлись прообразом современных монолитных бетонных стен.
По мере развития и усложнения строительства возрастали требования, предъявляемые к вяжущим веществам. Считается, что более чем за 3 тыс. лет до н. э. в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие, такие, как гипс, а позднее — известь, которые получали посредством умеренной термической обработки исходного сырья.
Вместе с производством вяжущих расширялось применение растворов и бетонов. Вероятно, первыми шагами в освоении бетона было помимо полов сооружение траншей для фундаментов зданий, которые заполнялись галькой или обломками битого камня, затем заливались раствором глины, битума или извести с песком и превращались со временем в плотную и относительно прочную массу.
Отдельные примеры связывания мелких камней растворами или использование раствора с крупным заполнителем были известны в глубокой древности у египтян, вавилонян, финикийцев и карфагенян. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве), датируется 1950 г. до н. э. По сведениям Плиния Старшего, бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до нашей эры.
Одним из первых начали применять бетон народы, населяющие Индию и Китай. Великая китайская страна, строительство которой было начато в 214 г. до н. э., сооружена в основном из бетона. Приготовление бетона и формование из него стен состояло в следующем. Вначале одна часть известкового теста тщательно перемешивалась с двумя частями песка и гравия или песка, строительного мусора и земли. Полученная сухая (очень жесткая) бетонная сместь с небольшим содержанием воды укладывалась слоями толщиной около 12 см между деревянными щитами опалубки и усиленно уплотнялась деревянными трамбовками. После такого уплотнения поверхность каждого слоя слегка увлажнялась водой и на него укладывался следующий бетонный слой. Процесс повторялся до полного возведения стены. Такой метод строительства довольно широко применялся в Китае еще в 20-х годах нашего века при строительстве домов, школ, бань и пагод.
Народы, жившие на островах Эгейского моря и в Малой Азии, начиная с VII—VI вв. до н. э. применяли растворы на жирной извести с гидравлическими добавками при строительстве отдельных зданий и гидротехнических сооружений. В Индии Уже в наше время в храмах и дворцах знати были обнаружены хорошо сохранившиеся бетонные «набивные» полы (IV—V вв. До н. э.).
Искусство производства бетона постепенно распространялось в Восточном Средиземноморье и примерно к 500 г. до н. э.; достигло Древней Греции, где для покрытия стен, в том числе из необожженного кирпича, использовался мелкозернистый известковый бетон. Таким образом были отделаны дворцы царей Креза (560—546 гг. до н. э.) и Атталы. Впоследствии бетон стал применяться в виде бутовой кладки. Пространство между двумя рядами каменной стены заполнялось крупными камнями, а затем заливалось известковым раствором. Витрувий в своем трактате довольно подробно описал несколько видов такой кладки.
Можно предположить, что римские бетонные стены и другие подобные конструкции развились как раз из греческой бутовой кладки путем постепенного расширения бутобетонного ядра за счет уменьшения толщины каменных стен, которые из главного элемента кладки постепенно превратились в тонкую оболочку, играющую уже подсобную, второстепенную роль.

Заметное применение бетона на территории древнеримского государства началось примерно с конца IV в. до н. э. и продолжалось около 700 лет. За это время в его развитии, как в живом организме, можно проследить четыре важных этапа: рождение, быстрый рост, зрелость и гибель этого материала.
Так, зарождение бетона, т. е. медленное и постепенное внедрение его в римскую строительную практику, длилось более двух! столетий (до I в. до н. э.). Второй этап, продолжавшийся до! II в. н. э., сопровождался ускоренным ростом и широким распространением объемов бетонного строительства по всей Римской империи и прилегающим к ней странам. На третьем этапе (в период так называемой зрелости) бетон развивался не так стремительно, но с заметным улучшением свойств, технологии; изготовления и принятия новых конструктивных решений. Это был этап качественного роста и развития больших потенциальных возможностей, который продолжался с начала II в. и примерно до середины III в. н. э. Наконец, заключительный, четвертый этап, продолжался менее ста лет и закончился в начале IV века н. э.
Указанное деление эволюционного развития римского бетона на отдельные этапы довольно условно, но позволяет схематично показать весь путь, который прошел этот материал за семь веков своего существования.
От псевдобетона до пантеона

Римляне, как уже было сказано, не были изобретателями бетона, так же, как не они первые обнаружили вяжущие свойства извести, не они придумали арку, свод, большинство строительных машин и оборудования. Они переняли все это у этрусков, греков и других народов. Однако массовое применение, или как говорят сегодня — внедрение, все это получило именно в Древнем Риме. Только там широкое применение получил и бетон. Только римляне сумели полностью использовать такие его свойства, как прочность, водонепроницаемость и экономичность, а с I в. н. э. бетон превратился в один из основных конструкционных строительных материалов.
Первые бетонные постройки Древнего Рима датируются II в. до н. э. Однако, несомненно, этот материал применялся в римском государстве намного раньше. Подтверждением служат многие работы археологов, в частности американского археолога Е. Ван Деман.
Бетон того далекого времени т. е. IV—III вв. до н. э., мало походил в качественном отношении на последующий римский, хотя принципиальное сходство между ними сохранилось. Недаром до наших дней почти не дошло ни одного сооружения из «старого» раннеримскою бетона. Е. Ван Деман, посвятившая большую часть жизни изучению древнеримской архитектуры и строитель-, ства, назвала такой материал псевдо- или квази (якобы) бетоном.
В качестве вяжущего в псевдобетоне использовалась воздушная известь, а заполнителем служили песок и камень с большим количеством грунта. Камни крупного заполнителя часто были размером более 40—60 см.
Археологические раскопки стен Помпеи показали, что римский псевдобетон представлял собой материал, напоминающий современную бутовую кладку, где в качестве сердечника, т. е. ядра кладки, выступали крупные битые камни или валуны, скрепленные известковым раствором, а в качестве облицовки — две параллельные стены из крупных естественных камней, также связанных раствором из песка и извести.
Подобную кладку в то время называли «опус инцертум» (opus incertum) или просто «инцерт», т. е. кладка камней, образующая на фасаде сооружения неправильный, нерегулярный рисунок. Бетон в ней был очень непрочен, и устойчивость таких стен достигалась не столько за счет связующей силы раствора, сколько за счет внутреннего давления, создаваемого массой заполнителя, и трения между камнями. Определенную роль играла здесь и облицовочная стенка, которая одновременно выполняла роль; опалубки, хотя уже в то время были известны случаи возведения бетонных сооружений с разборной деревянной опалубкой.
Начиная со II в. до н. э. бетон употребляется при строительстве фундаментов и стен жилых домов, храмов и сооружений утилитарного значения, в частности дорог. Известно, что строительству дорог римляне придавали очень большое значение, так как это связано с их военной политикой и освоением захваченных территорий.
Одним из первых наиболее крупных бетонных сооружений в Риме, по дошедшим до нас сведениям, явился огромный продовольственный склад рода Эмилиев. Он был построен во II в. до н. э. из массивных бетонных стен, вытянутых на 500 м вдоль Тибра.
Примерно с первой четверти I в. до н. э. состав бетона меняется. Улучшается качество заполнителей за счет более разнообразного зернового состава, уменьшается наибольшая крупность камней до величины с «кулак», резко сокращается количество грунта в заполнителях. В связи с этим растет и прочность бетона. Постепенно на смену «инцерту» приходит «ретикулат» (opus reticulatum): возведение опорной стенки из камней, имеющих правильный сетчатый рисунок (рис. 2).

Рис. 2. Часть бетонной стены мавзолея Августа
На юге Италии, особенно в районе Путеол, вместо обычно применявшегося песка для раствора и бетона местные жители использовали залегающие здесь пуццоланы, сначала даже не подозревая, какими превосходными качествами эти добавки обладают. Подобные свойства имели и вулканические породы в окрестностях Рима. Отличались они от неаполитанских (путеоланских) только цветом, но строители Рима не знали этого и ввозили такие добавки до середины I в. до н. э. с юга страны. После того, как было обнаружено, что местные добавки обладают такими же свойствами, как и добавки из района Путеол, их стали повсеместно использовать в бетоне, на что указывает красноватый оттенок бетонных сооружений в Риме и его окрестностях. Впоследствии все добавки подобного типа стали называть пуццоланами.
В 1 в. до н. э. во времена Юлия Цезаря, пуццоланы в бетонах все чаще используются непосредственно по своему назначению, Примерами могут служить ранние гидротехнические сооружения; некоторые из них сохранились до наших дней, в частности большой волнолом близ Неаполя, построенный в конце I в. до н. э. (рис. 3). При этом толченый бой отходов кирпича и черепицы, который добавлялся также в качестве гидравлической добавки и позднее получил название пуццолан, стал применяться несколько раньше, чем добавки вулканического» происхождения. Есть сведения, что подобные добавки использовались на Крите за много веков до римской цивилизации.

Рис. 3. Бетонный волнолом близ Неаполя
«Опус инцертум» все больше уступает место «опусу ретикула-ту». Появляется тенденция в качестве крупного заполнителя использовать обломки старых разрушенных зданий. Размеры камня в бетонных основаниях теперь всегда начинают превышать размеры его в бетонных стенах. Становится очевидным, что древние мастера уже обратили внимание на то, что качество бетона зависит от качества заполнителя. В это же время все большее распространение получает технология возведения бетонных сводов и куполов. Бетонные своды к тому времени уже достигают пролета 20—22 м, хотя и строятся преимущественно из тесаного камня или кирпича.
В правлении римского императора Августа начинается расцвет бетонного строительства — второй его период. В это время в Риме возводится ряд крупных общественных зданий. Грандиозное строительство было неотъемлемой частью политической программы новой монархии. Рим как столица, центр империи, должен был быть хорошо украшен. Кроме того, он должен был вместить огромные массы людей.
В I в. н. э. население Рима составляло более одного миллиона человек. Для такого огромного города необходим был целый ряд мер по благоустройству, проведению водопроводов, дорог, жилых и общественных зданий. Это требовало, с одной стороны, достаточно высокого уровня практических и теоретических строительных знаний, а с другой — прочного и долговечного материала. Всем этим требованиям лучше всего отвечал бетон.
В конце I в. до н. э. возводятся первые крупные общественные постройки с монолитными бетонными стенами и фундаментами — театры в Помпеях и Риме (в частности, известный театр Марцелла — 17 г. до н. э.). Есть сведения, что основания отдельных мостов, которые довольно интенсивно строились в тот период, также были бетонными.
К этому времени в основном стандартизируется состав бетонной смеси и технологии его приготовления. Так, крупный заполнитель уже представлял собой камни размером до 100 мм, песок просеивался и для различных работ строго подразделялся по происхождению. Нередко в качестве крупного заполнителя использовали битую черепицу, называя в этом случае бетонную массу «структура цистациа» (structure cistacea).
Впоследствии бетон почти полностью вытеснил дерево и каменную кладку из прямоугольного камня, используемую при возведении арок и сводов, и лишь при строительстве наиболее ответственных сооружений, например мостов, по-прежнему использовалась каменная кладка, так как полного доверия к бетону пока не было.
Примерно с середины 60-х годов I в. н. э. в правление Нерона архитекторами Севером и Целером в Риме сооружается громадный по размерам «золотой дом Нерона», где бетон с большим успехом используется при возведении стен, сводов и куполов (рис. 4).

Рис. 4. Восьмиугольный зал «Золотого дома Нерона»
В 90-х годах 1 в. н. э. был открыт Колизей, построены термы и триумфальная арка в честь побед Тита, где мощный пятиметровый фундамент был выполнен из трамбованного бетона. В то же время архитектором Рабирием воздвигнут грандиозный Дворец на Палатине, своды которого представляли собой кирпичный каркас, заполненный бетоном. К концу I в. н. э. бетон занял в строительстве лидирующее положение среди основных конструкционных строительных материалов.
Со II в. н. э., начиная с правления Траяна и позднее Адриана, расширяется строительство инженерных сооружений из бетона. Однако особое место бетону, как и прежде, отводится при возведении общественных и жилых зданий, особенно при постройке так называемых инсул — многоэтажных домов. Среди них особое место занимает показательное строительство жилого комплекса с типовыми трех-четырех этажными инсулами в Остии.
Облицовка из плоского кирпича и черепицы в то время почти полностью вытесняет «ретикулат». Так выполнены термы Траяны, Торговые ряды Траяна в Риме и Вилла Адриана (рис. 5—8). Часть набережной Тибра в период правления этого императора также была изготовлена из бетона с облицовкой методом «ретикулат» и чередующимися рядами кирпича.

Рис. 5. Торговые ряды Траяна с бетонным сводом

Рис. 6. Торговые ряды Траяна с бетонным сводом
В 123 г. заканчивается в Риме строительство Пантеона, раз-, мер бетонного купола которого диаметром 43 м до XIX в. оставался рекордным для данного типа бетонных конструкций. Основные строительные работы по Пантеону были выполнены при императоре Адриане. Именно при нем строительство из бетона достигает своего наивысшего расцвета, начинается третий период его развития.

Рис. 7. Вилла Адриана. Вестибюль «Золотой площади»
В Британии, Северной Африке, Германии, Испании — во всех римских провинциях прокладываются дороги, строятся многочисленные оборонительные сооружения, жилые и общественные здания. Бетонные своды этих построек имели несколько другое конструктивное решение, чем прежде. Они выполнялись не в виде кирпичных арок, заполненных бетоном, а в виде сплошного каркаса из кирпича, уложенного плашмя по деревянным доскам, на который поверху набрасывался бетон.
После смерти Адриана намечается постепенный спад бетонного строительства. Это было закономерно и связано с начавшимся политическим и экономическим кризисами, которые на протяжении последующих 2,5—3 столетий сотрясают древнеримское рабовладельческое государство.
На общем фоне упадка, несомненно, были отдельные периоды подъема строительного дела. В это время построены термы Каракаллы и Домициана, где бетон был применен в стенах, Сводах и бассейнах для купания. В 268 г. был закончен большой храм Минервы Врачевательницы (Minerva Medica). Ее сферический бетонный купол имеет весьма любопытную конструкцию. Каркас свода храма состоит, по мнению французского ученого Шуази, из меридиональных кирпичных арок, пространство между которыми заполнено бетоном.

Рис. 8. Центральная стена на вилле Адриана
Бетон, хотя и в более ограниченном количестве, продолжал применяться вплоть до IV в. н. э. Наиболее выдающиеся сооружения этого периода условно — четвертого периода — термы Диоклетиана, базилика Максенция и трехпролетная арка Константина (рис. 9-10).

Рис. 9. Арка Константина

Рис. 10. Арка Константина
Последние примеры использования бетона в античный период можно встретить в Константинополе, куда в начале IV в. н. э. переместилась столица римского государства. Так, в частности, нижние части сводов и арок знаменитого Софийского собора в Константинополе, построенного в 540 г., были сделаны из бетона. В последующий период строительство из бетона практически прекращается.
Клей для бетона
Долговечность римского бетона поразительна. Можно лишь удивляться, глядя на отдельные древнеримские здания и сооружения, простоявшие почти 2000 лет. Даже их развалины поражают наше воображение. Сегодня мы имеем более прочные цементы для бетона, чем слабые известковые вяжущие вещества Римлян, прогнозируем работу железобетонных конструкций на много лет вперед, и все-таки у нас нет полной уверенности, что современные бетонные и железобетонные сооружения выдержат без разрушения хотя бы 100 лет эксплуатации. Почему же стоят бетонные сооружения римлян? Вероятно, они владели какими-то секретами, которые со временем были утрачены? Попробуем разобраться в этом сложном вопросе. Правда, для этого нам потребуется пройти по всей длинной технологической цепочке приготовления и производства римского бетона.
Для того чтобы каменный скелет превратился в монолитный искусственный камень, нужен прочный и желательно дешевый клей. В качестве такого клея, а точнее — его основного компонента, римляне использовали воздушную известь, хотя были случаи применения гидравлической извести и вяжущего типа роман-цемента.
Известь получают из обычного известняка, известняка-ракушечника, мела, мергеля — т. е. всех тех горных пород, в которых основным компонентом является кальцит. Серый бутовый камень, из которого выкладывают фундамент, мрамор, мел — все они в большей или меньшей степени содержат .кальцит. В зависимости от его относительного содержания известняки, например, называются чистыми (не менее 98% кальцита) и мергелистыми. Древние строители предпочитали чистые белые известняки, считая, что именно из них можно получить наиболее качественное вяжущее вещество.
Однако известняк еще не известь, и им невозможно склеить камни или кирпичи. Для этого он должен пройти длинный путь последовательных превращений — обжиг, дробление и гашение в воде…
За несколько тысячелетий до новой эры люди научились получать готовую известь из известняка. Со временем объемы строительства из камня и кирпича росли и требовали все больше и больше извести, поэтому вместе с увеличением выпуска кирпича и камня росла и совершенствовалась технология получения извести. Особенно больших, успехов достигли в этом деле, древние римляне.

Статья на сайте полностью не поместилась, продолжить чтение вы сможете по ссылке:

https://santekhnik-moskva.blogspot.com/2020/11/Rimskiy-beton.html

Бетон в древнем риме

Римский бетон

Человечество строило давно. И из кирпича и из камня и из дерева. При этом в случае с каменной и кирпичной кладкой, ее нужно было чем-то скреплять и раствор был придуман очень давно. Однако, в Древнем Риме идею раствора развили, когда камни с кирпичами и не нужны — достаточно раствора с наполнителем.

Однако и раствор нужен не обычный, и наполнитель, и хотя оно и называется «бетоном», на современный бетон он похож крайне мало…

Надо сказать, что совсем неудивительно, что бетон начали массово применять в Древнем Риме:

1. Большой объем строительства. Любая империя начинает много строить. Тут много причин — от простой нужды в жилье или в мостах во время урбанизации, до вопросов престижа. Император Август говорил, что «он получил Рим кирпичным, а оставляет мраморным». Строительство в Риме ограничивалось не отсутствием финансирования или рабочей силы, а техническими возможностями строительной техники.

2. Строить требовалось быстро. Дело в том, что срок полномочий консулов, цензоров или переторов составлял от двух до пяти лет — и после этого времени они должны были отчитываться перед сенатом и народным собранием за сдачу объекта. Поэтому строительство старались укладывать в полтора-два года.

3. Римская бюрократия. Каждая империя очень быстро обрастает бюрократией. И строительство не могло не обрасти различными строительными нормами. Такие события, как завалившийся в 57 г в Фиденах амфитеатр для гладиаторов (во время представления), очень способствует изучению прочности материалов, как бы нам не казалось, что в те времена все стролось на глазок.

4. Любая империя строится не на века — а навсегда. И вопросы долговечности были перевоочередными — по Витрувию, долговечность каменной кладки определена в 80 лет. Поэтому старались строить сразу качественно, чтобы потом каждый год не ремонтировать.

Понятно, что требования взаимоисключающие. Строить много и качественно — это задача во все времена. И строители обратились к «опус цементум», так чаще всего называли бетон.

Прообраз бетона существовал и до Рима. Зиккураты города Ур строились трамбовкой смеси глины, влажного грунта и камней между деревянными щитами опалубки. Такие простые методы позволяли стоять стенам годами и тысячелетиями. Бетон, где для связующего использовались известь или битум, замечен в Древнем Египте. В Древней Греции во дворцах Креза бетоном отделаны стены и изобретена бутовая кладка — когда бетон заливается между двумя рядами каменной стены. Великая Китайская стена построена, в основном из бетона — на одну часть известкового теста брали две части песка с гравием или строительным мусором, укладывали слоями в районе 12 см и трамбовали.

В древней Индии обнаружены бетонные «набивные полы».

Что же сделали Римляне? Они довели технологию. Они сделали бетон качественным и недорогим и научились выпускать его в больших количествах. Римляне строили бутовую кладку очень давно, но первые образцы (построенные до 3 века до н.э.) до нас не дошли, а последующие стоят как ни в чем не бывало.

На картинке — фрагмент Пантеона, который до сих пор является самым большим бетонным неармированным зданием.

Бетон, собствено, состоит из двух частей — это связующее и наполнитель. Каждый из них выверен сотнями лет. Количество опытов и экспериментов просто не поддается подсчету. В римском бетоне связующее — это известь. Для того, чтобы ее получить, нужно взять известняк и обжечь его в печи. Тут первая засада — обжечь нужно максимально эффективно, чтобы сберечь топливо и максимально качественно. Мы получим негашеную известь (оксид кальция), которую нужно погасить водой. Тут тоже хватает секретов и методов, потому что если останутся крупинки негашеной извести, то прочность бетона резко упадет. Далее — вопросы сушки и подготовки «пушонки», то есть порошка гашеной извести (гидроксида кальция).

Если развести пушонку водой еще раз и получить известковое тесто — оно на воздухе покрывается корочкой известняка и постепенно каменеет. Это — процесс карбонизации. Во время его свободная вода испаряется из известкового теста и параллельно образовывается кристаллический каркас из гидроксида кальция.

И ему мешает эта самая корочка углекислого кальция, которая затрудняет попадание углекислого газа во внутренние слои гидроксида кальция. Процесс идет очень медленно — годами, десятилетиями и столетиями. Этому мешает та самая корочка. Она не пускает углекислый газ внутрь и отвердение идет за счет чистой кристаллизации. Процесс должен идти при положительной температуре и в сухости.

Тут необходим песок — растущие кристаллы гидроксида кальция срастаются между собой, образуя каркас вокруг частиц песка. Соответственно, нужно правильно рассчитать процент содержания песка, чтобы процесс шел максимально быстро и результат получился максимально прочным.

Естественно, начинаются вопросы подбора песка. Римляне перепробовали все типы песка, доступные им и тот же Витрувий пишет конкретные рекомендации. И тут есть секрет — если гидроксид кальция перевести в гидросиликат кальция, то он станет куда более стойким, потому что гидросиликат кальция не растворяется в воде. Для этого нужно добавить активный кремнезем, сейчас он называется гидравлической добавкой. Такое название говорит о том, что раствор будет застывать и в воде. И застывать будет очень и очень быстро!

Самая простая добавка — кирпичный или черепичный песок. Но у римлян были естественные добавки вулканического происхождения, естественно, их нужно было подбирать годами и десятилетиями, но и обойдутся они заметно дешевле.

Витрувий описывает эти добавки так «существует определенный порошок естественного происхождения, используя который можно добиться великолепного результата. Его находят в Байях и в землях вокруг Везувия. Это вещество при смешивании с известью и камнем не только придает прочность сооружению, но даже при устройстве дамб в открытом море прочно схватывается под водой». Такие добавки получили название «пуццолана», но их месторождение не только возле древних Путеол (сейчас Поццуоли), это также санторинская земля с острова Тир, рейнский трасс из Германии и туфф, который можно найти почти по всей Италии.

Хитростей при использовании добавок у римлян накопилось немало — например, использование морской воды при разведении раствора. Чаще всего на 1 часть извести давали 2 части пуццоланы.

Сейчас исследуют тот римский бетон, пролежавший в море тысячи лет и он по некоторым параметрам даже лучше современного.

Если попаданец хочет ввести бетон в древности, то ему следует задуматься над двумя вопросами:

1. Количество знаний, которые должен иметь попаданец, экстремально велико. Кроме вопросов, связанных с перечисленным, возникают вопросы с постройкой оборудования и инструментов. Ведь и печи нужно построить и инструменты для размельчения-перемешивания тоже нужны. Да и знания техники безопасности — ведь придется связываться с негашеной известью. И это — ни одного слова о строительстве или инструментах для строительства! Вы понимаете, почему много позже масоны образовались именно из строителей? Это была элита рабочих профессий, с ними могли соревноваться только ювелиры, но последний было очень мало, по сравнению с каменщиками. В средние века строитель-гастарбайтер был просто невозможен!

2. Введение бетона — занятие социальное. Цена бетона упадет только с массовым его производством. То есть должны быть задействована большая масса народа десятков разных специальностей и главное — развито управление этим всем. То есть — нужно кормить большой бюрократический аппарат. Естественно, такая надстройка окупается только когда начинаются крупные проекты. И это — не игрушечные средневековые соборы, а тысячекилометровые дороги, бетонные гавани с волноломами или акведуки. Получается как с запуском ракеты-носителя в космос — при увеличении массы груза немного растет размер третьей ступени, заметно размер второй и очень сильно — размер первой ступени. Соответственно — после развала Империи такие задачи потеряли актуальность. И бетон — вместе с ними.

www.popadancev.net

Производство бетонных работ в древнем Риме.

Книга «Римский бетон». Глава Ⅱ. Опус цементум — римский бетон.

В стремленье ввысь, величественно смелом.Вершилось здание свободным острием,И было конченным, и было целым.

Спокойно замкнутым в себе самом.

В. Брюсов Рис. 14. Виды каменной опалубки-облицовки.а) неправильная;б) правильная;в) из кирпича;

г) смешанная.

Мы подошли к одному из самых главных технологических процессов при производстве бетонных изделий — формованию, которое в современном понимании этого слова включает устройство опалубки, укладку и уплотнение бетонной смеси. Вопросы формования бетона, несомненно, крайне интересовали античных строителей.

Как уже было сказано, для возведения бетонных стен они обычно применяли каменную опалубку, которая, по мнению большинства ученых, одновременно выполняла роль облицовки. Такое мнение является распространенным, но не единственным, так как некоторые исследователи полагают, что каменная стена, выполняющая роль облицовки, возводилась лишь после твердения бетонного ядра.

Римляне употребляли самые различные виды каменной опалубки-облицовки: неправильную (инцерт), правильную из камней (ретикулат), правильную из кирпича (тестациум) и смешанную (микстум), т. е. с использованием камней и кирпичей (рис. 14).

В качестве материала для опалубки использовались или довольно крупные бутовые камни естественной формы с «инцертом» На фасаде (рис. 15), или камни, образующие правильный рисунок — «ретикулат». В этом случае опалубка представляла собой кладку из квадратных тесаных камней относительно небольшой величины, укладываемых так, что их стороны образовывали к горизонту угол в 45°. Полученный таким образом сетчатый рисунок придавал стене красивый вид.

Рис. 15. Разновидность «инцерта» — смешанная кладка. (opus mixtum — «микстум»)

В качестве примера можно привести волнолом в Неаполе (см. рис. 6), развалины виллы Адриана, остатки терм Диоклетиана в Риме и многие другие сооружения. Использовалась также опалубка из больших квадратных или прямоугольных камней, расположенных своими сторонами под прямым углом к горизонту (рис. 16). Разновидностью «ретикулата» был «опус спикатум» (spicatum), т. е. укладка камней или кирпичей в виде колоса или елочки или с частичным употреблением «ретикулата» и кирпичей (рис. 17).

В I в. н. э. на смену «ретикулату» приходит облицовка из обожженного плоского кирпича треугольной или любой другой формы. Стена с такой облицовкой выглядела более просто, чем «ретикулат», однако сцепление кирпичей с бетонной смесью было более надежным, а все сооружение более монолитным. Острые концы таких кирпичей были направлены в сторону бетонного ядра для лучшего закрепления в нем (рис. 18). Такие виды опалубок-облицовок, называемые «опус тестациум» (opus testacium), стали особенно популярны после Тиберия (14—37 гг.). когда «опус тестациум» изготавливались централизованно и регулярно обеспечивали стройку. Иногда ряды таких кирпичей чередовали с рядами тесаного камня, уложенного по форме «ретикулата».

Рис. 16. Опалубка из прямоугольных камнейс уложенными в нее слоями бетона (по Шуази)

По мере перехода от одного вида опалубки-облицовки к другому менялся не только внешний вид, но и качество сооружений. При этом не всегда в лучшую сторону. Так, после того как на смену «инцерту» пришел «ретикулат», сцепление камней с бетонов ухудшилось. По словам Витрувия, такая сетчатая кладка, несмотря на более привлекательный вид, легче давала трещины …из-за того, что неперерезанные постели и швы кладки расходятся во все стороны. А при кладке неправильной формы камни, перекрывая друг друга и заходя один за другой, придают ей хотя и не очень приятный вид, но зато обеспечивают большую прочность, чем при сетчатой.

Рис. 17. Пример смешанной кладки«ретикулат» с кирпичом.

Для более прочного сцепления кирпича опалубки с бетоном римляне специально изготавливали кирпич с одной стороны шероховатым, пористым, а с другой — гладким и блестящим.

Во времена Тиберия в качестве внешней облицовки стали использовать также специально приготовленную черепицу, кромки и концы которой хорошо обеспечивали сцепление ее с бетоном. При этом черепица готовилась в специальных формах, после чего ее можно было с помощью удара молотка разбить на две или несколько одинаковых керамических деталей заданных размеров.

Рис. 18. Римская бетонная стена с опалубкой-облицовкойиз треугольного кирпича и поперечными связями из плоских

кирпичей и деревянных брусьев (по Шуази)

Всестороннее и длительное использование каменной и кирпично-черепичной кладки в качестве постоянной опалубки-облицовки, вероятно, было оправдано стремлением римлян придать привлекательность внешнему виду своих бетонных сооружений.

Помимо каменной опалубки широко применялась деревянная — в виде струганых досок и деревянных щитов, о чем упоминается в работах Витрувия и многих археологов.

Рис. 19. Опалубка с кирпичнымкаркасом в виде арок (по Шуази)

В особую группу входила опалубка сводов и куполов, так как её устройство считалось наиболее сложной работой в процессе строительства. Опалубка для сводов и куполов делалась деревянной и устраивалась по деревянным кружалам, которые в зави симости от пролета свода опирались или на опоры-выступы, специально оставляемые в стене в процессе строительства, или на деревянные леса. Она нередко имела сложную конфигурацию, в которой плотники должны были воплотить замысел архитектора. Конструкция такой опалубки зачастую усиливалась кирпичными каркасами (рис. 19), промежутки между которыми заполнялись бетонной смесью.

С целью экономии древесины римские инженеры использовали оригинальный способ изготовления массивных перекрытий: вначале с помощью легкой деревянной опалубки сооружался тонкий бетонный свод, а затем по нему производили последующее бетонирование всего перекрытия.

После возведения опалубки приступали к бетонированию сооружения. Это была относительно простая, но крайне тяжелая физическая операция, так как от того, как уложена и уплотнена бетонная смесь, зависят все основные свойства бетона.

Сегодня нам хорошо известно, что если бетонную смесь недоуплотнить всего лишь на 1%, то прочность его понизится на 5%. Если же недоуплотнение составит 5—10%, то прочность соответственно упадет на 30—50%. В современном строительстве такое положение считается недопустимым, поэтому уплотнению смеси уделяют серьезное внимание, применяя многочисленные виды бетоноформовочного оборудования, в основе которого в большинстве случаев лежит эффект вибрации.

Римляне не использовали вибрацию, но, видимо, хорошо понимали, насколько важно тщательно уложить и уплотнить бетонную смесь. В начальный период применения бетона они использовали хаотичную, беспорядочную укладку известкового раствора с большими камнями, что в наше время напоминает бутовую кладку с «изюмом», когда производится набрасывание больших бутовых камней в заранее уложенный раствор. Затем появляется более упорядоченный, послойный метод укладки растворной смеси и крупного заполнителя. Уплотнение бетонной смеси производилось ими с помощью трамбования или без него.

Трамбование осуществлялось следующим образом: вначале на небольшую высоту возводилась опалубка из крупных тесаных камней, назначение которых заключалось в том, чтобы за счет своей большой массы сдерживать боковое давление бетонной смеси и ударов трамбовок. Затем, видимо, в опалубку укладывался слой раствора толщиной 10 — 15 см, а поверх него набрасывался щебень крупностью 8—10 см (см. рис. 17). Возможно, щебень укладывался раньше раствора.

В качестве щебня использовались куски плотного туфа либо обломки черной лавы, добывавшиеся в карьерах, которые располагались неподалеку от строительной площадки. Когда слой щебня достигал приблизительно такой же толщины, как слой раствора, его начинали трамбовать тяжелыми деревянными трамбовками, обитыми железом. Трамбование продолжалось, видимо, до тех пор, пока сверху не появлялся раствор, заполнявший пустоты между щебнем. Затем снова укладывался раствор, посыпался щебнем, трамбовался, и процесс повторялся. Так вместе с ростом опалубки вырастала стена из монолитного бетона. При этом каждый законченный слой посыпался каменной крошкой и пылью, оставшейся после отески камней. Эта пыль, вероятно, предназначалась для того, чтобы бетонная смесь не прилипала к ногам и трамбовкам рабочих, хотя, по мнению архитектора А. Башкирова, пыль служила специальным «прокладочным», антисейсмическим слоем.

Источник книга «Римский бетон». Автор В.А.Кочетов

stroyremkom.ru

Пуццолана и римский бетон

Римская архитектура отличается грандиозностью, которая стала возможной благодаря стремительному развитию инженерного дела в то время. Римляне совершили прорыв в проектировании, что позволило им возвести протяженные акведуки, грандиозные храмы, амфитеатры и другие сооружения, которые мы можем увидеть и сейчас. Это произошло с помощью новых материалов, в частности, бетона, пуццоланы, а также новаторских конструкций – сводов и куполов.

Римляне многое переняли из греческой культуры, и архитектура не исключение. Они строили храмы, похожие на греческие, и окружали их рядами колонн согласно архитектурным ордерам. Новыми стали технологии проектирования и строительства, которые применяются в архитектуре до сих пор.

Римский бетон

Одна из таких идей – применение бетона. Обычно считается, что бетон – произведение 20 века, но его использовали и во времена Рима. Но бетон не римское изобретение — и древние греки, и народ Кампании (часть северной Италии, где в древности жили греки и этруски) использовали раствор при возведении каменных стен по крайней мере уже в 4 веке до нашей эры. А римлянам отлично удавалось улучшать готовые идеи, поэтому римский бетон не стал исключением.

Стремительно растущая империя, в которой постоянно что-то строилось, нуждалась в идеальном материале. Римляне покрывали стены из кирпичей или тесаного камня смесью бута с бетоном – получалось дешево, быстро и очень крепко. Римский бетон отлично подходил для изогнутых форм – особенно сводов и куполов, столь любимых римлянами. Быстросхватывающийся и водостойкий бетон, изобретенный в Риме, был идеальным для строительства мостовых опор.

Пуццолана

Бетон – это раствор, смешанный с мелкими камнями для получения прочной и твердой массы. Обычно он состоял из трех частей – заполнителя (песка и камней), цемента (вяжущего вещества) и воды. Римский секрет был в эффективном вяжущем веществе под названием «пуццолана» – смеси извести и вулканического пепла.

Пуццолану нашли на склонах холмов на берегу Неаполитанского залива, в районе, который называют Путеола или Пуццола. Римляне относились к пуццолане с благоговением, описание ее свойств есть в трудах Плиния (Естественная история XXXV, 166) и Витрувия, который в своем трактате по архитектуре перечисляет ключевые особенности вещества: «…она не только сообщает крепость зданиям вообще, но даже когда при помощи нее выкладывают дамбы в море, то и они приобретают прочность под водою». Витрувий был прав. Римский бетон настолько прочен, что, несмотря на потерю облицовки в результате человеческого или погодного фактора, множество возведенных тысячу лет назад остовов зданий стоят до сих пор.

«…они были в буквальном смысле помешаны на строительстве, оно стало любимой причудой богатых», — Дж. К. Стобарт, «Великолепие Рима» (J.C. Stobart, The Grandeur That Was Rome)

Покоренные реки

Римский бетон с использованием пуццоланы идеально подходил для строительства мостов, а возведение больших каменных мостов стало возможным только с быстросхватывающимся бетоном. Фактически, до римлян мосты представляли собой небольшие каменные переправы или недолговечные деревянные конструкции. Благодаря римскому бетону изменился фундаментальный подход к мостостроению.

Арки и купола

Бетон окончательно разделил римскую и греческую архитектуру. В частности, он отлично подходил для создания изогнутых структур. Используя бетон, римские строители смогли возвести множество купольных и сводчатых зданий (грандиозный Пантеон, огромные императорские термы, знаменитые римские базилики), а также все типы арочных конструкций.

Эти формы изобрели не в Риме – в греческой архитектуре тоже есть купола и своды, но римляне благодаря пуццолане применили их гораздо шире и смогли создать купола очень большого размера (например, на крыше Пантеона) и внушительные арочные конструкции. Одержимые строительством и исполненные решимости возвести как можно большие и впечатляющие сооружения, благодаря бетону римские архитекторы развили огромный потенциал сводов и куполов и выразили с их помощью грандиозные архитектурные идеи. Они полностью изменили мировую архитектуру.

Римские сводчатые здания

Строительство свода – непростая задача, особенно если доступны только камни и обычный раствор. Придется сделать опалубку из дерева, очень тщательно и точно обтесать каждый камень и начать укладывать камни с верха деревянной конструкции. Изобретение нового, очень прочного раствора позволило сделать конструкцию более легкой, и обходиться менее квалифицированной рабочей силой. Быстросхватывающийся римский бетон на основе пуццоланы облегчил центрирование и увеличил скорость возведения зданий.

Пантеон в риме

Пантеон – одно из величайших римских зданий, храм всех богов в центре Рима. Круглое здание с рядами квадратных углублений (кессонов) с внутренней стороны купола производит потрясающее впечатление. Его постройка стала возможной благодаря виртуозному применению римского бетона, из которого состоит купол. Строители использовали наполнитель разного состава: твердый травертин и туф для основания и подъема до первого карниза, легкий кирпич и туф для следующего уровня, затем только кирпич и, наконец, в верхней части купола совсем легкий материал – вулканическую пемзу. ■

Хронология

• 15 г. до н.э. – построен акведук Пон-дю-Гар в Ницце
• 75-80 гг. – Колизей в Риме, построен
• 100-112 гг. – построен рынок Траяна в Риме
• 118-128 гг. – завершено строительство Пантеона в Риме
• 135 г. – храм Венеры и Ромы в Риме, построен
• 212-216 гг. – термы Каракаллы в Риме, построены
• 298-306 гг. – термы Диоклетиана в Риме, построены

tartle.net

Древнеримский бетон оказался лучше современного

Как ни смешно говорить это, но, кроме большей энергоэффективности и экологичности, римский предшественник современных бетонов отличается ещё и повышенной устойчивостью к воздействию воды.

Новое исследование обнаруженных в морской среде образцов древнеримского бетона, выполненное группой под руководством Пауло Монтейро (Paulo Monteiro) из Калифорнийского университета в Беркли (США), показало, что этот материал даже более устойчив к коррозии, чем считалось.

Почти всё, что мы знаем о римском бетоне от его современников, основано на работах Марка Витрувия Поллиона (имя и когномен — гипотетические). В описании известкового строительного раствора, выполнявшего у римлян роль цемента, он рекомендует смешивать известь с пуццоланом (вулканический пепел, пемза и туф естественного происхождения, в основном из-под Везувия) в соотношении 1 к 3 для наземных работ и 1 к 2 для подводных. К слову, вместо обычной воды для производства бетона тогда рекомендовалось использовать морскую. Тем не менее рецепт всё равно очень условен, потому что ни количество добавлявшейся воды, ни точное время рекомендуемого схватывания Витрувий не приводит.

Основу портландцемента сегодняшнего типа изготавливают, упрощённо говоря, нагревом смеси известняка и глин при температурах до 1 450 °С. Согласно анализу группы г-на Монтейро, римский цемент производился иначе. Он требовал меньше извести, и известняк нагревался всего до 900 °C или даже меньшей температуры. Тем не менее в том, что касается устойчивости к воздействию воды (а это главная причина разрушения бетонных конструкций современности), он был даже лучше нынешнего.

Почему бы не дать древнеримской технологии зелёный свет, тем более что пуццолан распространён по всему миру, включая регионы, в которых нет ни единого действующего вулкана? «В середине XX века бетонные структуры проектировались для эксплуатации на протяжении 50 лет, и во многих из них сейчас непонятно в чём душа держится, — откровенно замечает г-н Монтейро. — Сегодня мы проектируем здания со сроком эксплуатации 100–120 лет». Само собой, из-за этого нам действительно интересно знать, почему бетонные изделия, пролежавшие 2 тыс. лет под водой, не имеют ни малейших следов разрушения.

Учёные называют следующие важные отличия проанализированных образцов римского бетона от нынешнего материала.

Во-первых, сегодняшний портландцемент состоит из кальция, силикатов и гидратов, в то время как римский аналог включал меньше кремниевых соединений и больше алюминия.

Во-вторых, если портландцемент является попыткой скопировать природный тоберморит и дженнит, но на практике его структура не вполне соответствует идеалу, то римский цемент и бетон, для которого он служил связующим, как раз совпадают с тоберморитом. Почему? — В силу присутствия в римском варианте тоберморита алюминия, придающего ему бóльшую жёсткость.

Что может означать внедрение сходных технологий сегодня? В римском бетоне известняка всего 10% по весу, при этом он требует куда меньшего нагрева. Хотя полностью заменить нормальный портландцемент римским по ряду причин нельзя (к примеру, римский дольше схватывается, да и применять морскую воду не везде удобно), широкое использование последнего способно значительно снизить энергозатраты на изготовлении нынешних 19 млрд тонн бетона в год, служащего причиной 7% глобальных выбросов углекислого газа и потребителем значительной части доступной человечеству пресной воды.

Наконец, и это весьма важно, замедление темпов коррозии современного железобетона может резко уменьшить затраты на строительство новых зданий и сооружений и ремонт старых. Разумеется, чтобы римскую сказку сделать былью, выводы по структуре использовавшего древними бетона должны быть взяты на вооружение современными инженерами.

othereal.ru

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.

«Римский бетон» — из прошлого в будущее…

Для улучшения характеристик современного бетона необходимо использовать опыт древних римлян. К примеру, международная команда геологов и инженеров, пытаясь улучшить характеристики бетона, такие как, прочность и долговечность, обратились к опыту античных мастеров Древнего Рима, чьи массивные сооружения противостоят силам природы уже более 2000 лет.

Команда исследователей из Национальной Лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Лаборатория Беркли) во главе с Пауло Монтейро исследовали мелкомасштабную структуру «римского бетона». В качестве образца был использован бетонный римский волнорез, который в течение последних 2000 лет был погружен в Средиземное море. Проведенный анализ образцов показал, что «римский бетон» превосходит современный по прочности. Структура «римского бетона» состоит из чрезвычайно стабильного соединения: кальций-алюминий-силикат-гидрат. Структура же современного бетона состоит из соединения: кальций-силикат-гидрат. Таким образом, римский аналог включал в себя меньшее количество кремниевых соединений и больше алюминия.

Это открытие может помочь улучшить долговечность современного бетона, который уже спустя всего 50 лет часто показывает признаки разрушения, особенно в условиях применения в морской воде.

Производство «римского бетона» также наносит меньший вред окружающей среде, чем его современный аналог. В процессе производства портландцемента, основного компонента современного бетона, необходимо сжечь большое количество топлива, чтобы нагреть смесь известняка и глины до температуры около +1450 градусов. В итоге это приводит к увеличению выбросов углекислого газа на 7% каждый год. Римляне, напротив, в своем бетоне применяли меньшее количество извести, а известняк нагревался до температур около 900°С и ниже, что требовало гораздо меньшего количества топлива, чем при производстве портландцемента.  
 

«Римский бетон» оставался связанным и хорошо консолидированным в агрессивных морских условиях» — сказала Мари Джексон, ведущий автор научных работ. – Это один из самых прочных строительных материалов на планете и это не было случайностью. Перевозка грузов была спасательным кругом политической, экономической и военной стабильности для Римской империи, поэтому строительство гаваней, способных прослужить в течении долгих лет, было очень важным мероприятием.

Бетон, как строительный материал, использовался Римской империей при возведении памятников, таких как Пантеон в Риме, а также при строительстве причалов, волнорезов и других портовых сооружений. Особенный интерес ученых вызывала способность бетона противостоять крайне агрессивной морской среде.

Рецепт «римского бетона» был описан около 30 г до н.э. Маркусом Витрувием Поллионом, гражданским инженером, служившим при императоре Октавиане Августе. Отнюдь не секретным ингредиентом являлся пуццолан¹, который римляне использовали в сочетании с известью для образования раствора. Этот раствор и камни погружали в деревянные формы, находящиеся в воде. Морская вода незамедлительно вступала в химическую реакцию, протекающую с выделением тепла. Гидратированная известь вступала во взаимодействие с пеплом и таким образом скрепляла всю смесь вместе. Вместо того, чтобы бороться с агрессивной морской водой, римляне использовали ее, делая неотъемлемой частью бетона. Исследователи также описали очень редкий гидротермальный материал под названием алюминий-тоберморит, который образуется в бетоне. «Наше исследование обеспечило первое экспериментальное определение механических свойств минерала» — сказала Джексон.

Так почему же уменьшилось потребление «римского бетона»? «С исчезновением Римской империи, уменьшилось судоходство, а в связи с этим и потребность в бетоне также сошла на нет», — говорит Джексон, – Помимо этого, древние конструкции были так хорошо выполнены, что не нуждались в реконструкции даже спустя века».

Несмотря на то, что «римский бетон» долговечен, он вряд ли заменит современный, так как он не подходит для строительства, там где требуется быстрое твердение и набор прочности. Но ученые в настоящее время пытаются найти варианты его использования в развитии более экологичного и прочного современного бетона.

¹Пуццолан — вулканический пепел, пемза и туф естественного происхождения, взятые из вулканических регионов Неаполитанского залива, особенно из тех мест, где сегодня находится приморский город Поцуолли. Зола с аналогичными минеральными характеристиками встречается во многих частях мира.

Римский цемент: секреты прочности и долговечности

Если вы являетесь любителем классической архитектуры, скорее всего, вы удивлялись впечатляющей долговечности сооружений, построенных во времена Римской империи, многие из которых остаются целыми и невредимыми по истечении нескольких тысячелетий. Великолепный купол Пантеона, непостижимая в своем совершенстве и прочности иконография Колизея являются примерами, которые сложно не запомнить.

К слову сказать, другие конструкции, построенные римлянами, были даже более фундаментальными. А именно стоит вспомнить сети водопроводов и дорог с твердым покрытием, гавани на Средиземноморье — все это говорит о том, что инфраструктура, созданная в Риме, была процветающей. Что касается лепнины, то размещенная на прочной основе, она отлично сохранялась, не подвергаясь растрескиванию.

Если изучать здания, построенные и отделанные гипсом в 20-м веке, легко заметить, как быстро структура цемента, а с ней и лепные украшения, нанесенные на стены и потолок, приходят в упадок. Современный бетон, который в основном состоит из связующего портландцемента, оценивается специалистами на предмет долговечности с гарантией на 50-100, максимум 120 лет.

В чем же проблема? Какие аспекты конкретной материальной науки продолжают ускользать от современных инженеров, архитекторов и каменщиков? Какую мы можем извлечь выгоду из изучения мастерства создания древнего цементного и гипсового раствора?

Секрет —  в пуццолане

Исторические наблюдения уже давно указали на ключевой ингредиент в римском растворе, который, как полагают ученые, и составляет существенную разницу между ним и его современными аналогами. В состав римляне включали пуццолан (вулканический пепел).

Этот ингредиент в растворах, изготовленных римлянами, был указан в древних источниках — книгах по архитектуре, опубликованных еще в первом веке до нашей эры. Но точные средства и методы, используемые для создания смесей, до недавнего времени так и оставались загадкой. Только специалистам из Национальной лаборатории Лоренса Беркли из Калифорнийского университета удалось декодировать состав римских образцов бетона и других материалов, взятых из затопленных волнорезов, сооруженных более 2000 лет назад.

То, что они обнаружили, подтверждало описание, предлагаемое Витрувием. Исследованный бетон имел  такую пропорцию: одна часть гашеной извести, две или три части пуццолана. Дальнейший анализ проливает яркий свет на способ смешивания материалов и химические реакции, происходящие между ингредиентами.

Морская вода, способная разрушать различные структуры, в данном случае использовалась в качестве ключевого компонента, вызывающего реакцию между известью (карбонитовый кальций) и пуццоланом (диоксид кремния), в результате чего возникало характерное соединение —  кальций силикат алюминия гидрат. Алюминий, полученный в результате этой реакции, отсутствует в современных растворах.

Ознакомьтесь с каталогом гипсовых изделий Gessostar

cмотреть все гипсовые изделия

Как увеличить твердость алебастра

Еще одно важное открытие касается экологии. Исследователи сделали вывод, что известняк, используемый в римском бетоне, подвергался сушке при гораздо более низкой температуре, чем принято сейчас, следовательно, мастера  использовали меньше топлива и получали меньше углеродных выбросов, плохо влияющих на атмосферу. Полученный раствор имел меньшую хрупкость и, следовательно, большую выносливость.

Ученые, проводившие исследования, надеются, что их работа поможет улучшить методы и составы, применяемые в современном строительстве и при реконструкциях. Кроме этого, внедрение открытий поможет продлить жизнь вновь создающимся творениям, а также  уменьшит воздействие производства бетонов на окружающую среду.

Тайны древнеримского бетона

История содержит много упоминаний о древнем бетоне, в том числе в трудах известного римского ученого Плиния Старшего, который жил в I веке нашей эры и умер при извержении Везувия в 79 году нашей эры. Плиний писал, что лучший морской бетон был сделан из вулканического пепла, обнаруженного в регионах вокруг Неаполитанского залива, особенно недалеко от современного города Поццуоли. Его достоинства стали настолько известны, что пепел со схожими минеральными характеристиками — независимо от того, где он был найден в мире — получил название пуццолана.

Путем анализа минеральных компонентов цемента, взятого из волнолома залива Поццуоли в лаборатории Калифорнийского университета в Калифорнии. В Беркли, а также на предприятиях в Саудовской Аравии и Германии международная группа исследователей смогла раскрыть «секрет» прочности римского цемента. Они обнаружили, что римляне изготавливали бетон, смешивая известь и вулканическую породу, чтобы сформировать раствор. Для строительства подводных сооружений этот раствор и вулканический туф упаковывали в деревянные формы. Затем морская вода вызвала химическую реакцию, в результате которой молекулы воды гидратировали известь и вступили в реакцию с золой, скрепив все вместе.Получающаяся в результате связь кальция-алюминия-силиката-гидрата (C-A-S-H) исключительно прочная.

Для сравнения, в портландцементе (наиболее распространенной современной бетонной смеси) отсутствует комбинация извести и вулканического пепла, и он плохо связывается по сравнению с римским бетоном. Портландцемент, используемый почти два столетия, имеет тенденцию особенно быстро изнашиваться в морской воде, имея срок службы менее 50 лет. Кроме того, при производстве портландцемента образуется значительное количество углекислого газа, одного из самых разрушительных из так называемых парниковых газов.По словам Пауло Монтейро, профессора гражданской и экологической инженерии Калифорнийского университета в Беркли и ведущего исследователя группы, занимающейся анализом римского бетона, на производство 19 миллиардов тонн портландцемента, который мы используем каждый год, «приходится 7 процентов углекислый газ, который промышленность выбрасывает в воздух ».

Помимо того, что римский бетон более долговечен, чем портландцемент, он также кажется более устойчивым в производстве. При производстве портландцемента углерод выделяется горящим топливом, используемым для нагрева смеси известняка и глин до 1450 градусов по Цельсию (2642 градуса по Фаренгейту), а также самим нагретым известняком (карбонатом кальция).Для изготовления бетона римляне использовали гораздо меньше извести и делали его из известняка, обожженного при температуре 900 градусов по Цельсию (1652 градуса по Фаренгейту) или ниже, при этом потреблялось гораздо меньше топлива.

Проведенный исследователями анализ римского бетона проливает свет на существующие современные бетонные смеси, которые использовались в качестве более экологически чистых частичных заменителей портландцемента, такие как вулканический пепел или летучая зола от угольных электростанций. Монтейро и его коллеги также предполагают, что использование материалов и методов производства, используемых древними римлянами, могло бы производить бетон с более длительным сроком службы, который генерирует меньше углекислого газа.По оценке Монтейро, пуццолан, который можно найти во многих частях мира, потенциально может заменить «40 процентов мирового спроса на портландцемент». Если это так, древнеримские строители могут быть ответственны за то, чтобы оказать поистине революционное влияние на современную архитектуру — по одной массивной бетонной конструкции за раз.

Почему 2000-летний римский бетон намного лучше, чем тот, который мы производим сегодня

Одна из завораживающих загадок Древнего Рима — это впечатляющая долговечность некоторых бетонных портовых сооружений.Эти штуки, разбитые морскими волнами в течение 2000 лет, все еще существуют, в то время как наши современные смеси разрушаются всего за несколько десятилетий.

Теперь ученые раскрыли невероятную химию этого явления, приблизившись к раскрытию давно утерянного рецепта. Оказывается, римский бетон не только прочнее того, что мы можем сделать сегодня, но и со временем он на прочнее, чем .

Исследователи под руководством геолога Мари Джексон из Университета Юты много лет разбирали тайны римского бетона, и теперь они нанесли на карту его кристаллическую структуру, точно выясняя, как этот древний материал со временем затвердевает.

Современный бетон обычно изготавливается из портландцемента, смеси кварцевого песка, известняка, глины, мела и других ингредиентов, расплавленных вместе при высоких температурах. В бетоне эта паста связывает «заполнитель» — куски камня и песка.

Этот заполнитель должен быть инертным, потому что любая нежелательная химическая реакция может вызвать трещины в бетоне, что приведет к эрозии и разрушению конструкций. Вот почему бетон не обладает долговечностью природных горных пород.

Но римский бетон работает не так.

Их был создан из вулканического пепла, извести и морской воды, благодаря химической реакции, которую римляне, возможно, наблюдали в отложениях вулканического пепла с естественным цементом, называемых туфовыми породами.

В растворе из вулканического пепла было больше вулканической породы в виде заполнителя, который затем продолжал вступать в реакцию с материалом, что в конечном итоге сделало римский цемент гораздо более долговечным, чем вы думаете.

В предыдущем исследовательском проекте под руководством Джексона команда уже собрала образцы римского морского бетона из нескольких портов на итальянском побережье.

Сверление образцов римского бетона в Тоскане, 2003 г. Фото: J. P. Oleson

Теперь исследователи нанесли на карту образцы с помощью электронного микроскопа, а затем сверлили их до чрезвычайно высокого разрешения с помощью микродифракции рентгеновских лучей и рамановской спектроскопии. С помощью этих передовых методов они смогли идентифицировать все минеральные зерна, образовавшиеся в древнем бетоне на протяжении веков.

«Мы можем пойти в крошечные природные лаборатории в бетоне, составить карту присутствующих минералов, последовательности кристаллов, которые образуются, и их кристаллографических свойств», — говорит Джексон.

«То, что мы смогли найти, просто поразительно».

Джексона особенно интересовало присутствие глиноземистого тоберморита, твердого минерала на основе кремнезема, который на самом деле довольно редок и труден для производства в лаборатории, но в древнем бетоне его много.

Как выясняется, глиноземистый тоберморит и связанный с ним минерал, называемый филлипситом, на самом деле растут в бетоне из-за плещущейся вокруг него морской воды, медленно растворяя вулканический пепел внутри и давая ему пространство для развития усиленной структуры из этих взаимосвязанных кристаллов. .

«Римляне создали каменный бетон, который хорошо себя чувствует при открытом химическом обмене с морской водой», — говорит Джексон.

Это довольно безумно и прямо противоположно тому, что происходит с современным бетоном, который разрушается, поскольку соленая вода ржавеет стальной арматурой и смывает соединения, скрепляющие материал.

Изготовление бетона, как когда-то римляне, было бы благом для современной строительной индустрии, особенно когда речь идет о прибрежных сооружениях, таких как причалы, которые постоянно бьют волнами, или причудливые приливные лагуны для использования энергии волн.

Но, к сожалению, рецепты были утеряны безвозвратно, поэтому наш единственный шанс воссоздать древний материал — это перепроектировать его на основе того, что мы знаем о его химических свойствах.

И мы не можем заменить весь цемент в мире историческими материалами, потому что не везде мы можем получить доступ к нужным вулканическим ингредиентам.

«Римлянам повезло с камнями, с которыми им приходилось работать», — говорит Джексон. «У нас нет этих камней во многих странах мира, поэтому придется произвести замены.»

Но если Джексон и ее коллеги смогут раскрыть рецепт, современные морские инженеры смогут задействовать потенциал материала, который не требует стальной арматуры, может служить веками и к тому же производит меньше выбросов углерода.

Исследование был опубликован в журнале American Mineralogist .

Римский бетон с морской водой содержит секрет сокращения выбросов углерода

Просверлите керн из вулканического пепла-гидратированного известкового раствора из древнего порта Байя в заливе Поццулои.Желтоватые включения — это пемза, темные каменные обломки — это лава, серые области — это другие кристаллические материалы вулканического происхождения, а белые пятна — это известь. Врезка представляет собой изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, особых кристаллов аль-тоберморита, которые являются ключом к превосходному качеству римского бетона с морской водой. (Щелкните изображение для получения наилучшего разрешения.)

Химические секреты бетонного римского волнолома, который последние 2000 лет провел под водой в Средиземном море, были раскрыты международной группой исследователей во главе с Пауло Монтейро из США.С. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли), профессор гражданской и экологической инженерии Калифорнийского университета в Беркли.

Анализ образцов, предоставленных членом команды Мари Джексон, выявил, почему лучший римский бетон превосходил большинство современных бетонов по долговечности, почему его производство было менее вредным для окружающей среды и как эти улучшения могут быть применены в современном мире.

«Дело не в том, что современный бетон плохой — он настолько хорош, что мы используем его 19 миллиардов тонн в год», — говорит Монтейро.«Проблема в том, что на производство портландцемента приходится семь процентов углекислого газа, который промышленность выбрасывает в воздух».

Портландцемент — это источник «клея», который скрепляет большинство современных бетонов. Но при этом высвобождается углерод из горящего топлива, необходимый для нагрева смеси известняка и глины до 1450 градусов по Цельсию (2642 градуса по Фаренгейту) — и из самого нагретого известняка (карбоната кальция). Команда Монтейро обнаружила, что римляне, напротив, использовали гораздо меньше извести и делали ее из известняка, обожженного при температуре 900 ° C (1 652 ° F) или ниже, при этом для этого требовалось гораздо меньше топлива, чем для портландцемента.

Сокращение выбросов парниковых газов — один из мощных стимулов для поиска лучшего способа производства бетона, в котором нуждается мир; другая — потребность в более прочных и долговечных зданиях, мостах и ​​других сооружениях.

«В середине 20 века бетонные конструкции были рассчитаны на 50 лет эксплуатации, и многие из них были взяты в долг», — говорит Монтейро. «Теперь мы проектируем здания на срок от 100 до 120 лет». Тем не менее, римские портовые сооружения пережили 2000 лет химических атак и воздействия волн под водой.

Как это сделали римляне

Римляне изготавливали бетон, смешивая известь и вулканическую породу. В подводных сооружениях известь и вулканический пепел были смешаны для образования раствора, и этот раствор и вулканический туф были упакованы в деревянные формы. Морская вода мгновенно вызвала горячую химическую реакцию. Известь была гидратирована, включая молекулы воды в свою структуру, и вступила в реакцию с золой, склеивая всю смесь вместе.

Залив Поццуоли определяет северо-западную часть Неаполитанского залива.Бетонный образец, исследованный исследователями из Беркли в Advanced Light Source, BAI.06.03, взят из гавани Байя, одного из многих древних подводных мест в регионе. Черные линии обозначают края кальдеры, а красные области — вулканические кратеры. (Щелкните изображение для получения наилучшего разрешения.)

Описания вулканического пепла сохранились с древних времен. Сначала Витрувий, инженер императора Августа, а затем Плиний Старший записали, что лучший морской бетон был сделан из пепла из вулканических регионов Неаполитанского залива (Плиний умер при извержении вулкана Монтана).Везувий, похоронивший Помпеи), особенно из мест, расположенных недалеко от сегодняшнего приморского города Поццуоли. Зола с аналогичными минеральными характеристиками, называемая пуццоланом , встречается во многих частях мира.

Использование лучей 5.3.2.1, 5.3.2.2, 12.2.2 и 12.3.2 в Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли, наряду с другими экспериментальными установками в Калифорнийском университете в Беркли, Университете науки и технологий имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии и На синхротроне BESSY в Германии Монтейро и его коллеги исследовали морской бетон в заливе Поццуоли.Они обнаружили, что римский бетон отличается от современного по нескольким существенным причинам.

Один — это вид клея, который связывает компоненты бетона вместе. В бетоне из портландцемента это соединение кальция, силикатов и гидратов (C-S-H). Римский бетон дает существенно иной состав, с добавлением алюминия и меньшего количества кремния. Полученный в результате гидрат силиката кальция-алюминия (C-A-S-H) представляет собой исключительно стабильное связующее.

На лучах ALS 5.3.2.1 и 5.3.2.2, рентгеновская спектроскопия показала, что конкретный способ, которым алюминий заменяет кремний в C-A-S-H, может быть ключом к когезии и стабильности бетона с морской водой.

Еще один поразительный вклад команды Монтейро касается продуктов гидратации в бетоне. Теоретически C-S-H в бетоне из портландцемента напоминает комбинацию природных слоистых минералов, называемых тоберморитом и дженнитом. К сожалению, эти идеальные кристаллические структуры не встречаются в обычном современном бетоне.

Однако тоберморит встречается в растворе древнего бетона с морской водой. В экспериментах по дифракции рентгеновских лучей под высоким давлением на канале ALS 12.2.2 были измерены его механические свойства и впервые выяснена роль алюминия в его кристаллической решетке. Альтоберморит (Al для алюминия) имеет большую жесткость, чем слабокристаллический C-A-S-H, и обеспечивает модель прочности и долговечности бетона в будущем.

Наконец, микроскопические исследования на канале ALS 12.3.2 идентифицировали другие минералы в римских образцах.Обобщение результатов, полученных с различных линий передачи, позволило выявить потенциальные области применения минералов для получения высококачественных бетонов, включая герметизацию опасных отходов.

Уроки на будущее

В экологически чистых современных бетонах уже есть вулканический пепел или летучая зола от угольных электростанций в качестве частичной замены портландцемента, что дает хорошие результаты. Эти смешанные цементы также производят C-A-S-H, но их долговременные характеристики не могли быть определены до тех пор, пока команда Монтейро не проанализировала римский бетон.

Их анализ показал, что римский рецепт требовал менее 10 процентов извести по весу, приготовленной при температуре, равной 2/3 или меньше требуемой для портландцемента. Взаимодействие извести с богатой алюминием пуццолановой золой и морской водой приводит к образованию высокостабильных C ‑ A-S-H и альтоберморита, обеспечивающих прочность и долговечность. И материалы, и то, как римляне использовали их, дают уроки на будущее.

«Для нас пуццолан важен с точки зрения его практического применения», — говорит Монтейро. «Он может заменить 40 процентов мирового спроса на портландцемент.А источники пуццолана есть по всему миру. В Саудовской Аравии нет летучей золы, но есть горы пуццолана ».

Более прочный, долговечный современный бетон, сделанный с меньшим количеством топлива и меньшим выбросом углерода в атмосферу, может быть наследием более глубокого понимания того, как римляне создавали свой несравненный бетон.

Эта работа была поддержана Университетом науки и технологий Короля Абдуллы, Фондом классической библиотеки Леба в Гарвардском университете и Управлением науки Министерства энергетики США, которое также поддерживает усовершенствованный источник света.Образцы римского морского бетона были предоставлены Мари Джексон и программой бурения ROMACONS, спонсируемой CTG Italcementi из Бергамо, Италия.

###

Научные контакты: Пауло Монтейро, [адрес электронной почты защищен], 510-643-8251; Мари Джексон, [адрес электронной почты защищен], 928-853-7967

Для получения дополнительной информации прочтите пресс-релиз Калифорнийского университета в Беркли по адресу http://newscenter.berkeley.edu/2013/06/04/roman-concrete/.

«Материал и упругие свойства альтоберморита в древнеримском бетоне с морской водой», Мари Д.Джексон, Джухюк Мун, Эмануэле Готти, Рэй Тейлор, Абдул-Хамид Эмвас, Кагла Мерал, Питер Гуттманн, Пьер Левитц, Ханс-Рудольф Венк и Пауло Дж. М. Монтейро, появляются в журнале Американского керамического общества.

«Раскрытие секретов альтоберморита в римском бетоне с морской водой» Мари Д. Джексон, Седжунг Рози Чэ, Шон Р. Малкахи, Кагла Мерал, Рэй Тейлор, Пэнхуи Ли, Абдул-Хамид Эмвас, Джухёк Мун, Сейюн Юн, Габриэле Вола, Ханс-Рудольф Венк и Пауло Дж. М. Монтейро появятся в American Mineralogist.

Advanced Light Source — это синхротронный источник света третьего поколения, излучающий свет в рентгеновской области спектра, который в миллиард раз ярче, чем солнце. ALS — это национальный пользовательский объект Министерства энергетики, который привлекает ученых со всего мира и поддерживает своих пользователей в выполнении выдающихся научных исследований в безопасной среде. Для получения дополнительной информации посетите www-als.lbl.gov/.

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли решает самые насущные научные проблемы мира, продвигая устойчивую энергетику, защищая здоровье человека, создавая новые материалы и раскрывая происхождение и судьбу Вселенной.Основанная в 1931 году, лаборатория Berkeley Lab была отмечена 13 Нобелевскими премиями. Калифорнийский университет управляет лабораторией Беркли в Управлении науки Министерства энергетики США. Для получения дополнительной информации посетите www.lbl.gov.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Office of Science по адресу science.energy.gov.

Редкий минерал — ключ к долговечности древнего бетона

Римский рецепт просуществовал 2000 лет благодаря усилению реакции с морской водой.

Древние римляне построили бетонные морские стены, которые выдерживали удары океанских волн более 2000 лет. Теперь международная команда обнаружила ключ к долговечности бетона: это редкий минерал, образующийся в ходе химических реакций между бетоном и морской водой, которые укрепляют материал.

Инженеры-строители могли бы использовать эти знания для создания более прочного и устойчивого бетона, говорит руководитель группы Мари Джексон, геолог из Университета Юты в Солт-Лейк-Сити. Она и ее коллеги сообщают о своих открытиях 3 июля в журнале American Mineralogist ¹ .

В современном бетоне используется паста из портландцемента и воды для скрепления небольших камней. Он разлагается в течение десятилетий, особенно в суровых морских условиях. Вместо портландцемента в римском бетоне использовалась смесь вулканического пепла и извести для связывания обломков горных пород.Римский философ Плиний Старший описал подводные бетонные конструкции, которые становятся «единой каменной массой, неприступной для волн и с каждым днем ​​все более прочной». Это вызвало интерес Джексона. «Для меня вопрос был в том, как этот материал стал роком?» она говорит.

В более ранней работе Джексон и его коллеги сообщили о некоторых необычных химических свойствах римского бетона, таких как присутствие редкого минерала, известного как алюминиевый тоберморит ² . Для нового исследования ученые взяли образцы бетона римской гавани для Advanced Light Source, рентгеновского синхротрона в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, и нанесли на карту расположение минералов в образцах.

Исследователи обнаружили силикатный минерал под названием филлипсит, который часто встречается в вулканических породах, с растущими из него кристаллами алюминиевого тоберморита. Кажется, что тоберморит вырос из филлипсита, когда морская вода, содержащая кальций и кремнезем, промывала бетон, делая его более щелочным. . «Это очень редкое явление на Земле», — говорит Джексон. Такая кристаллизация наблюдалась только в таких местах, как вулкан Суртси в Исландии. По мере роста тоберморит может укреплять бетон, потому что его длинные пластинчатые кристаллы позволяют материалу изгибаться, а не разрушаться при изгибе.

Применение древних знаний

Современные производители бетона могли бы учиться на знаниях древних римлян, — говорит Неле де Бели, инженер-материаловед из Гентского университета в Бельгии. Она и ее коллеги использовали такие материалы, как летучая зола, образующаяся при сжигании угля, для придания бетону свойств «самовосстановления», благодаря чему материал закрывает трещины после того, как они образуют ³ . Летучая зола похожа на вулканический пепел, который римляне использовали в своих смесях.

Джексон работал над воссозданием рецепта римлян в лаборатории. «Я не говорю, что это будет бетон, который будет использоваться в повседневной инфраструктуре», — говорит она. «Но для таких материалов, как морские стены, мы могли составлять смеси с известью и вулканическим пеплом, как это делали римляне». По словам Джексона, римляне могли почерпнуть свои идеи, изучая, как пепел от извержений вулканов кристаллизовался в прочную породу.

Джексон — консультант цементной компании в Неваде, которая использует вулканический пепел из западных Соединенных Штатов для создания таких бетонов.Этот процесс выделяет гораздо меньше углекислого газа, парникового газа, чем обычные методы изготовления современного бетона.

Ссылки

1. 1

   Jackson, M. D. et al. Американский минералог, в прессе (2017).

2. 2

   Jackson, M. D. et al. Американский минералог 98 , 1669-1687 (2013).

   CAS
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   Статья

   Google ученый

3. 3

   Титтельбум, К.V., Gruyaert, E., Rahier, H. & De Belie, N. Construction & Building Materials 37 , 349-359 (2012).

   Артикул

   Google ученый

Скачать ссылки

Об этой статье

Цитировать эту статью

Витце, А. Редкий минерал — ключ к долговечности древнего бетона.
Природа (2017). https://doi.org/10.1038/nature.2017.22231

Ссылка для скачивания

Поделиться статьей

Все, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, смогут прочитать это содержание:

Получить ссылку для совместного использования

Извините, ссылка для совместного использования в настоящее время недоступно для этой статьи.

Предоставлено инициативой по обмену контентом Springer Nature SharedIt

13 причин, по которым мы знаем, почему римский бетон прочнее своего современного аналога

Любой, кто посетил Рим или любой другой город, где сегодня возвышаются старые римские постройки, наверняка удивился изобретательности древних римлян.

Одним из самых гениальных творений этих непревзойденных инженеров стал opus caementicium , известный сегодня как римский бетон.Всего лишь три года назад рецепт этого материала был полностью утерян временем.

Однако в 2017 году исследователи раскрыли секрет. Сегодня современные инженеры все еще учатся на этих методах, которым более 2000 лет. Вот некоторые из самых интересных фактов о римском бетоне.

СВЯЗАННЫЕ: 15 ЭПИЧЕСКИХ СРАЖЕНИЙ, ИЗМЕНИЛИ ХОД ИСТОРИИ

1. Все началось с римской архитектурной революции

Римская архитектурная революция, также известная как бетонная революция, началась с Римской республики, которая была основана в 509 г. до н.э. и процветал с приходом Римской империи в 27 г. до н.э.

Мост Алькантара в Эстремадуре, Испания, построен ок. 104 г. н.э., Источник: Wikimedia Commons / Public domain

Примерно в это время древние римляне широко использовали конструкции архитектурных форм, такие как арки, мосты, акведуки, купола и своды. Чтобы их построить, им понадобится невероятно прочный материал.

2. Бетон был краеугольным камнем революции

Для проектирования таких сооружений, как купол Пантеона в Риме (построенный ок.113 г. н.э.), бывший римский храм превратился в католическую церковь, которая привлекает туристов со всего мира. Сегодня, спустя почти 2000 лет после постройки, это все еще самый большой в мире неармированный бетонный купол.

Интерьер Пантеона в Риме, крупнейшего в мире неармированного бетонного купола, Источник : Wikimedia Commons / Public domain

Однако разработка одного конкретного материала была важна для того, чтобы сделать эти конструкции возможными: римский бетон. Хотя исторических документов по этому материалу мало, мы знаем, что он определенно широко использовался примерно с 150 г. до н.э.Некоторые ученые утверждают, что он был разработан примерно за столетие до этого.

3. Римляне знали, насколько сильным было их «неприступное» изобретение.

Как отмечают авторы исследования 2017 года, в котором анализировался римский бетон, римляне «потратили колоссальный объем работы [на разработку римского бетона] — они были очень хороши. , очень умные люди ».

Когда они довели бетон до требуемой прочности, они прекрасно осознавали свои достижения.Как поясняется в исследовании, Плиний Старший написал в своей «Естественной истории», что бетон «неприступен для волн и с каждым днем ​​становится сильнее».

4. Точный рецепт бетона был утерян для истории

Хотя современные инженеры и архитекторы давно восхищались непреходящей силой римской архитектуры и римского бетона, существует опасение, что точный метод, который использовали древние римляне, мог быть полностью утерян. на время — исчезнув с падением Римской империи.

«Рецепт был полностью утерян», — заявила геолог из Университета Юты Мари Джексон в пресс-релизе в 2017 году. Хотя Джексон потратил годы на тщательное изучение древнеримских текстов в поисках невероятно прочной оригинальной смеси, используемой для изготовления римского бетона, нет. текст еще не найден с исчерпывающим рецептом.

5. Некоторые исторические документы действительно дают ключ к разгадке.

Витрувий примерно в 25 г. до н.э. написал в своих Десяти книгах по архитектуре конкретных типов заполнителей, подходящих для приготовления известковых растворов.

Для строительных растворов он рекомендовал пуццолану ( pulvis puteolanus на латыни), вулканический песок из пластов Поццуоли.

Витрувий описал соотношение 1 часть извести к 3 частям пуццолана для цемента, используемого в зданиях. Для подводных работ он указал соотношение извести и пуццолана 1: 2 для подводных работ — практически такое же соотношение, которое сегодня используется для бетона на морских объектах.

6. Римские бетонные волнорезы впечатляюще прочны

Как писал Плиний Старший, римский бетон был «неприступен для волн». Неудивительно, что древние римляне были пионерами в принципах подводного строительства.

К I веку римские инженеры начали строить сооружения, такие как волнорезы, которые могли противостоять силе моря, многие из которых сохранились до сих пор. Город Кесария (построен около 25 г. до н. Э.) — самый ранний известный пример крупномасштабной подводной римской бетонной строительной площадки.Сегодня это часть природного парка в Израиле.

7. Ученые проанализировали бетонные керны римских пирсов, волноломов и гаваней

В рамках исторического проекта ROMACONS Джексон и группа исследователей посетили бетонные керны, погруженные в воду, чтобы изучить их свойства.

Бурение ROMACONS на морском сооружении в Портус-Косанус, Тоскана, 2003 г., Источник : JP Oleson / University of Utah

Они исследовали эти керны, которые были частями римских пирсов, волноломов и других сооружений, используя такие методы, как микродифракционный и микрофлуоресцентный анализ на канале усовершенствованного источника света 12.3.2 в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

8. Ранний анализ показал, что бетон содержит редкое вещество, которое очень трудно получить.

В своих исследованиях Джексон и его коллеги обнаружили в морском растворе очень редкий минерал, называемый глиноземистым тоберморитом. Минеральные кристаллы образовывались в частицах извести в результате пуццолановой реакции при слегка повышенных температурах.

Это было удивительное открытие. «Это очень сложно сделать», — говорит Джексон о глиноземистом тоберморите.Изготовление в лаборатории — сложная задача, требующая очень высоких температур.

8. Исследователи обнаружили, что химическая реакция в римском бетоне со временем делает его прочнее

Группа исследователей пришла к выводу, что глиноземистый тоберморит образовался, когда морская вода просачивалась через бетон в волнорезах и опорах, растворяя компоненты вулканического пепла и позволяя формировать новые минералы.

«Как геологи, мы знаем, что горные породы меняются», — сказал Джексон.«Изменения для земных материалов постоянны. Так как же изменения влияют на долговечность римских построек? »

Глиноземистый тоберморит имеет богатый кремнеземом состав, напоминающий кристаллы, образующиеся в вулканических породах. Кристаллы имеют пластинчатую форму, которая укрепляет цементирующую матрицу. Эти блокирующие пластины, в свою очередь, повышают устойчивость римского бетона к хрупкому разрушению. «Мы изучаем систему, которая успешно работает при открытом химическом обмене с морской водой», — пояснил Джексон.

9.Прочность римского бетона частично зависела от удачи.

Прочность римского бетона, вероятно, была достигнута путем проб и ошибок, экспериментов и удачи.

Как объяснила Джексон после проведения своего исследования, «римлянам повезло с камнями, с которыми им приходилось работать. Они заметили, что из вулканического пепла вырос цемент, чтобы образовался туф. Во многих странах мира таких пород нет. , поэтому должны быть произведены замены ».

10.В настоящее время ученые работают над воссозданием римского бетона с использованием недавно открытого рецепта

. Хотя мы, возможно, не знаем точного рецепта римского бетона, научное сообщество согласилось с тем, что, вообще говоря, он сделан из смеси вулканических пород. зола, известь (оксид кальция), морская вода и куски вулканической породы.

С момента проведения исследования и публикации результатов Джексон работала с инженером-геологом Томом Адамсом над разработкой рецепта замены с использованием материалов из западного США.S.

11. Требуется время, чтобы стать прочнее современного бетона

Хотя римский бетон прочнее обычного современного бетона, также известного как портлендский бетон, требуется время, чтобы развить эту прочность, благодаря процессу, описанному в пункте 8.

По этой причине он не может быть жизнеспособной заменой бетона, который используется сегодня. Тем не менее, это может быть полезно в определенных контекстах, таких как описанный ниже.

12. Ученый утверждал, что новая большая дамба в Великобритании должна быть сделана из римского бетона.

Джексон недавно предположил, что большой проект — предполагаемая приливная лагуна, которая будет построена в Суонси, Соединенное Королевство, — должен быть построен из римского бетона. .

Причина, по которой она привела, заключается в том, что лагуна, которую планировалось построить для использования приливной энергии, должна была быть в эксплуатации в течение 120 лет, чтобы окупить затраты на строительство по проекту.

«Вы можете себе представить, что при том, как мы строим сейчас, к тому времени это будет масса корродирующей стали», — объяснил Джексон. С другой стороны, использование римского бетона могло со временем укрепить конструкцию, а это значит, что она могла стоять веками.

13. Исследования римского бетона продолжаются сегодня

Хотя исследования Джексона и других помогли ответить на многие вопросы о свойствах римского бетона, многое еще не известно о том, как этот материал изменяется в течение долгих периодов времени. выжил.

Театр недалеко от древнеримской гавани Себастоса, Источник : Wikimedia Commons / Public domain

«Я думаю, [исследование] открывает совершенно новую перспективу того, как можно производить бетон — то, что мы считаем коррозией. процессы могут действительно производить чрезвычайно полезный минеральный цемент и вести к постоянной устойчивости, фактически, возможно, к повышению устойчивости со временем », — пояснил Джексон.

«Римляне были озабочены этим. Если мы собираемся строить в море, мы тоже должны этим заняться.»

Сегодня бесчисленные акведуки, мосты, пирсы и другие старые здания все еще стоят сегодня, демонстрируя нам давнее наследие Древней Римской империи — и империи, построенной на прочнейшем бетонном фундаменте.

Римский бетон

Римский бетон, названный на латыни opus caementicium , использовался с поздней Римской республики до конца Римской империи. Он использовался для строительства памятников, больших зданий и инфраструктуры, таких как дороги и мосты. Качество бетона было превосходным, а здания и памятники, сохранившиеся до наших дней, свидетельствуют о прочности их конструкции!

Бетон обычно покрывали, так как бетонные стены считались неэстетичными.Римские строители покрывали стены зданий камнями или небольшими квадратными блоками из туфа, которые часто образовывали красивые узоры, отмечая, что бетонные здания с облицовкой из кирпича были обычным явлением в Риме, особенно после великого пожара 64 года нашей эры.

Римская формула бетона

Римский бетон или opus caementicium был изобретен в конце 3-го века до нашей эры, когда строители добавляли вулканическую пыль под названием pozzolana в раствор, сделанный из смеси извести или гипса, кирпича или кусков камня и воды.

Бетон был получен путем смешивания с водой: 1) заполнителя, который включал в себя куски камня, керамической плитки, куски кирпича от ранее снесенных построек, 2) вулканическую пыль (называемую pozzolana ) и 3) гипс или известь. Обычно смесь составляла 1 часть извести на 3 части вулканического пепла. Пуццолана содержала как диоксид кремния, так и оксид алюминия и вызывала химическую реакцию, которая усиливала сцепляемость строительного раствора.

Было много разновидностей бетона, и в Риме даже произошла Бетонная революция, которая представила достижения в составе бетона и позволила построить впечатляющие памятники, такие как Пантеон. Например, римские строители обнаружили, что добавление измельченной терракоты в раствор создает водостойкий материал, который затем можно использовать для цистерн и других конструкций, подверженных воздействию дождя или воды.

Подводный бетон освоили римляне к середине I века нашей эры.Город Кесария является впечатляющим примером римского строительства. Техника изготовления была совершенно невероятной: смесь из одной части извести и двух частей вулканического пепла помещалась в вулканический туф или небольшие деревянные ящики. Затем морская вода гидратирует известь и запускает горячую химическую реакцию, в результате которой бетон затвердевает.

Был ли римский бетон лучше современного?

На самом деле утверждалось, что бетон, используемый римлянами, был более высокого качества, чем бетон, который используется сегодня.Недавние исследования американских и итальянских ученых показали, что бетон, из которого строились римские гавани в Средиземном море, был более прочным, чем современный бетон (известный как портландцемент).

Производственный процесс кардинально изменился. Портландцемент изготавливается путем нагревания глины и известняка при высоких температурах (также добавляются различные добавки), в то время как римляне использовали вулканический пепел и гораздо меньшее количество извести, нагретых при более низких температурах, чем современные методы.

Например, римские гавани остаются нетронутыми сегодня после 2000 лет волн, разбивающихся о волнорезы гаваней, тогда как портлендский бетон начинает разрушаться менее чем за 50 лет ударов с моря.Бетон из Древнего Рима также имел свойства изгиба, которых нет в портлендском бетоне из-за его извести и вулканического пепла, что объясняет, почему он не трескается через несколько десятилетий.

Бетонная загадка Древнего Рима, разгаданная учеными

Ученые раскрыли тайну прочности бетона Древнего Рима и в процессе, возможно, узнали кое-что, что может повлиять на современное строительство.

В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале American Mineralogist, подробно описывается, как древние римские морские стены, построенные около 2000 лет назад, смогли противостоять стихиям из-за редкой химической реакции, которая, по-видимому, со временем укрепила бетон.

Современные цементные смеси имеют тенденцию к эрозии, особенно в присутствии морской воды, но, как выяснили исследователи, римский рецепт вулканического пепла, извести, морской воды и минерала, называемого алюминиевым тоберморитом, фактически укрепляет бетон и предотвращает расширение трещин.

Реакция была вызвана тем, что морская вода непрерывно врезалась в конструкции в течение сотен лет, позволяя минеральной смеси оксидов кремния и извести расти между агрегатом вулканической породы и строительным раствором, создавая сопротивление.

«Вопреки принципам современного бетона на основе цемента, римляне создали каменный бетон, который хорошо себя чувствует при открытом химическом обмене с морской водой», — заявила в журнале ведущий автор Мари Джексон из Университета Юты.

«Это очень редкое явление на Земле», — добавила она.

В то время как римляне получили больший доступ к природному вулканическому пеплу, однажды эта концепция может быть использована как более экологичная альтернатива современному цементному смешиванию, которое выбрасывает в атмосферу значительное количество углекислого газа.

«Римлянам повезло с камнями, с которыми им приходилось работать», — сказал Джексон. «Они заметили, что из вулканического пепла вырос цемент, чтобы произвести [раствор].У нас нет этих камней во многих странах мира, поэтому придется произвести замену ».

Джексон работает над созданием рецепта замены, который она предложила использовать вместо стали для планируемой приливной лагуны в Соединенном Королевстве.

«Я думаю, римский бетон или его разновидность были бы очень хорошим выбором [лагуна]. Этот проект потребует 120 лет срока службы, чтобы окупить вложения », — сказала она Би-би-си в начале этого года.

Джексон предупредил, что типичные цементные смеси не будут противостоять элементам так же хорошо, как бетон в римском стиле.

«Они наверняка будут подвергаться коррозии, по крайней мере, в течение половины срока службы», — сказала она.

Получите наш космический информационный бюллетень. Подпишитесь, чтобы получать новости недели в космосе.

Спасибо!

В целях вашей безопасности мы отправили письмо с подтверждением на указанный вами адрес.Щелкните ссылку, чтобы подтвердить подписку и начать получать наши информационные бюллетени. Если вы не получите подтверждение в течение 10 минут, проверьте папку со спамом.

Свяжитесь с нами по [email protected].

.