Секрет древнеримского бетона July 6th, 2017

Современный бетон, который широко используется при строительстве дорог, мостов и зданий, может разрушиться в течение как минимум 50 лет. Но этого нельзя сказать о бетонных сооружениях (например, причалов и волноломов), оставшихся после Римской империи. Им насчитывается не одна тысяча лет, а они до сих пор выдерживают удары морских волн.

В более ранних работах авторы исследования сообщали о редком минерале, Al-тоберморите, который они находили в древнеримском бетоне.
Фото Marie Jackson.

Теперь специалисты обнаружили следующее: когда морская вода просачивается сквозь цементный раствор, она реагирует с вулканическим пеплом и кристаллами, образовывая Al-tobermorite и пористый минерал филлипсит.

По мнению Джексон, современные инженеры могли бы использовать эти знания для создания прочного бетона. Правда, говорят исследователи, обоим минералам необходимы столетия, чтобы по-настоящему укрепить бетон. Так что специалисты в настоящий момент работают над тем, что пытаются воссоздать современную версию древнеримского бетона.

"Рецепт точного изготовления этого бетона был потерян, и никому никогда не удавалось его восстановить. Римлянам повезло, что у них был подходящий минеральный пример того, как работает этот бетон. Они наблюдали за тем, как вулканический пепел попадал в море и превращался в пемзу. Нам придётся подобрать их аналоги, так как и морская вода, и пепел есть далеко не везде", — заключает Джексон.

Теперь реальным стало только Что можно было взвесить и измерить. Коснуться пястью, выразить числом.

■М. Волошин

Когда инженеры-строители начинают профессиональный раз­говор о бетоне, то их в первую очередь интересует его прочность, отношение к морозу и воде. Для того чтобы бетон и бетонные сооружения обладали всеми требуемыми характеристиками, не­обходимо точно знать рецепт бетона - состав, т. е. соотношение всех его компонентов. В конечном виде состав бетона записывают в виде весового или реже объемного соотношения, например, 1:2:4 (цемент:песок:щебень или гравий), т. е. на одну часть цемента приходится две части песка и четыре части щебня или гравия. Определив заранее расход цемента и воды, можно, пользуясь указанным соотношением, легко вычислить расход каждого из заполнителей. Однако перед тем, как подойти к рецептам для бетона, необходимо выяснить еще один важный вопрос - роль заполнителей - песка и крупных камней в бетоне. Как они влияют на свойства бетона, да и нужны ли они вообще в бетоне?

Сразу же необходимо сказать, что без заполнителей нельзя изготовить бетон. Присутствие их в бетоне, как было установлено, значительно улучшает строительно-технические свойства матери­ала и, в первую очередь, такие, как водонепроницаемость, Деформативность и прочность. Кроме того, заполнители намного Дешевле вяжущих веществ, поэтому экономически более выгодно, чтобы в бетонной смеси их было как можно больше.

Несомненно, что, начав работать с бетоном, римляне не могли Не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобст - Ва их применения уже с середины I в. до н. э. вводится классифи­кация заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в зависимости от назначения будущего бетонного сооружения.

Этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов. 1ак, по виду и условиям залегания пески подразделялись, как и

Теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде - котлованные. При этом существовало. допол­нительное разделение каждого вида песка по окраске и загряз­ненности.

Витрувий в кн. II, гл. 4 писал о том, что «...Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке». В большинстве слу­чаев он советовал применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ - очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев неже­лателен, так как содержит примеси солей, которые ведут к вы­цветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строитель­ства. Такое утверждение не противоречит современным техничес­ким условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что запол­нители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно про­мывались.

Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. «Надо добывать камень не зимою, а летом,- пишет Витрувий (кн. II. гл. 4),- и оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся испорченным, пойдет для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность...»

Методы определения чистоты заполнителей были весьма прос­тыми, а требования к ним более жесткими. «...Если насыпать песок на белое полотенце и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и землистого осадка, то будет годен...» (Витрувий, кн. II, гл. 4).

Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометриче­ский) состав его заполнителей. Песок и щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в заполнителе, тем меньше требуется вяжущего вещества для получения плотного бетона.

О том, что римляне придавали большое значение зерновому со­ставу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных в наше время. Так" при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель. с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов мос­та Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подоб­ных примеров. Следует также отметить частое использование дробленого щебня, причем «...не тяжелее фунта» (т. е. 327 г), как требует этого Витрувий.

Вероятно, к началу I в. н. э. римскими строителями было уста­новлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочислен­ными примерами. Так, при строительстве Колизея в бетоне был применен заполнитель трех видов: для фундаментов - плотный и тяжелый щебень из высокопрочной лавы, для стен - более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях - легкая пемза и туф.

Теперь вновь обратимся к составу бетона-его рецептуре. Вероятно, нет необходимости убеждать читателя в том, что из одних и тех же продуктов разные повара могут приготовить раз­ные по вкусу блюда. Зависеть это будет, в первую очередь, от соотношения продуктов, которые будут закладываться в кастрю­лю. Подобное происходит и с приготовлением бетона. Можно представить, какими искусными «кулинарами» должны были быть античные мастера-строители, если, не имея под рукой ме­ханизированного оборудования и даже элементарных весов они получали достаточно качественные по составу бетоны и рас­творы.

О выборе состава раствора в зависимости от назначения и вида применяемого песка имеются определенные указания Витру - вия и других античных авторов. Относительно же состава бетона таких указаний ни у кого из них нет, за исключением туманных рекомендаций Плиния Старшего. Однако, если вспомнить, как готовился бетон в Древнем Риме, станет ясным, почему там не было специальных рекомендаций о его составе.

Бетон в то время приготавливали в основном раздельным способом, т. е. отдельно в специальных емкостях замешивали известковый раствор и укладывали его слоями в опалубку, чере­дуя со слоями крупного заполнителя. Поэтому, если состав рас­твора был необходим в первую очередь для получения требуемой консистенции смеси и всегда указывался в правилах производства работ, то количество щебня или гальки, по-видимому, играло второстепенную роль, и поэтому не учитывалось. Правда, в от­дельных видах гидротехнических работ количество щебня в общем объеме бетона все-таки задавалось. Так, Плиний приводит состав гидротехнического бетона из извести, пуццоланы и битого туфа в пропорции 1:2:1. Другой вид бетона без указания состава, Употреблявшийся для постройки цистерн состоял, по Витрувию, из чистого песка, щебня или булыжника весом не более одного Фунта и самой хорошей извести.

Можно предположить, что в то время уже существовали элементарные методы расчета состава раствора, так как римлянам

4 Зак 88ф Были хорошо известны способы определения объема различных геометрических фигур и они могли рассчитывать общее количество раствора и бетона на любой заданный объем. Вяжущее вещество и заполнители принимались в зависимости от назначения работ в соотношениях, указанных выше, а количество воды подбиралось «на глаз». При этом важно подчеркнуть, что римляне были хорошо осведомлены о том, что избыток воды в смеси всегда нежелателен, на что указывал, в частности, Плиний. Воду поэтому, скорее всего, заливали в смесь не всю сразу, а постепенно, доводя раствор до требуемой консистенции.

С тех пор как в конце XVIII в. в Европе появились первые ма­шины по испытанию материалов, стали испытывать и образцы римского раствора и бетона, отобранные из различных сооруже­ний. Правда, было обнаружено, что данные имеют немалый раз­брос, который усугубляется различным сроком службы со­оружений- в пределах 50-350 лет. Однако отдельные выводы по результатам испытаний сделать можно. Можно предположить, что активность древнеримских вяжущих в зависимости от их вида была в пределах 0,5-15 МПа: в частности, для воздушной из­вести 0,5-1 МПа; для гидравлической 1,5-2 МПа; для из - вестково-цемяночного и известково-пуццоланового цемента 3- 10 МПа и вяжущего типа романцемента 5-15 МПа.

Очевидно, что производимые в то время бетоны также обладали различной прочностью в зависимости от вида вяжущего, водо - вяжущего отношения, тонкости помола пуццолановых добавок и других трудно учитываемых факторов.

В 80-х годах нашего века западногерманские ученые провели серию испытаний бетонных образцов, взятых в районе Кельна, Зальбурга и других городов Западной Германии - бывшей рим­ской провинции. Бетонные образцы были отобраны из стен до­мов, сводов зданий, стен бассейнов и других сооружений. При этом было обнаружено, что прочность на сжатие бетонных образ­цов имела от 0,5 до 50 МПа в зависимости от вида сооружений, хотя преобладающей оказалась прочность порядка 7-12 МПа. Максимальное значение прочности - 50 МПа - обнаружено У бетонных полов. Стены и своды зданий показали гораздо мень­шую прочность, а бетон из стен бассейна - всего 5 ААПа. Это свидетельствует о том, что римляне, изготавливая водонепро­ницаемые сооружения, не стремились получить при этом проч­ный бетон.

Основываясь на многочисленных описаниях римских сооруже­ний и результатах испытаний, можно предположить, что римские в зависимости от вида применяемого вяжущего и запол­нителя имели среднюю плотность от 700 до 2200 кг/м3, водо - поглощение 5-20% и пористость порядка 20-40%.

Несмотря на такие большие диапазоны значений физико-ме­ханических показателей испытанных образцов, большинство римских бетонных сооружений оказались долговечными. Это подтверждает вывод, отдельных исследователей о том, что ни прочность, ни пористость бетона не могут служить основным кри­терием при определении его долговечности. Вероятно, значения этих показателей наиболее важны в течение первых лет работы конструкции, а в дальнейшем они нивелируются.

Сегодня трудно оценить и проанализировать составы римского бетона только по соотношению их компонентов при большом количестве неизвестных, тем более, что данные относительно действительного состава бетона и его структурных характеристик у многих исследователей вызывают сомнения. Можно лишь утвер­ждать, что хорошее современное состояние отдельных бетонных сооружений Древнего Рима свидетельствует о превосходном качестве применяемого исходного материала, рационально подо­бранном составе бетона и надлежащем качестве строительных работ.

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.

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.

Становление империи

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 пуццолан 1 , 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.

1 Пуццолан - 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.

В Древнеримская технология изготовления цемента оказалась более передовой, чем современная

В сфере изготовления цемента современным строителям есть чему поучиться у древних римлян, считают исследователи, которые изучали древние строительные технологии под руководством Пауло Монтейро из Департамента энергетики Национальной лаборатории Лоренса Беркли в США.

Древнеримская технология изготовления цемента оказалась более передовой, чем современная — она ​​требует меньших затрат энергии и является более экологичной, а сам кирпич по прочности превосходит современный, говорится на сайте Лаборатории Лоренса Беркли.

Сейчас в мире наиболее широко применяется портландцемент, который считается очень качественным. Но из-за того, что для его производства нужно подогревать смесь известняка и глины до 1450°С, от сгорания топлива выделяется углекислый газ. Кроме того, такой газ выделяет и сам нагретый известняк.

Римляне же, наоборот, для производства цемента использовали меньше извести и подогревали её только до 900°С. В этом процессе им нужно было меньше топлива — соответственно снижались и выбросы в атмосферу от его горения.

Древняя технология

В состав цемента у римлян входила известь и магматические горные породы. Для возведения подводных конструкций смешивали известь и вулканический пепел, и такую ​​смесь выкладывали в деревянную опалубку. Морская вода вызвала горячую химическую реакцию. Известь гасилась (проходила реакция гидратации), взаимодействовала с вулканическим пеплом, и вся смесь начинала застывать.

С древних времён сохранились и записи древних римлян о качестве цемента и вулканического пепла.

Вначале Витрувий , инженер императора Августа , а позже Плиний Старший записал, что самый лучший цемент получался из пепла, взятого в районе Неаполитанского залива, особенно в окрестностях одного из приморских городов, современного Поццуоли.

Такой вулканический пепел имеет специальное название — пуццолан. Пепел такого типа можно встретить в разных частях мира, в частности, его можно добыть в Украине и в Карпатских, и Крымских горах.

В чём разница?

Учёные выделяют несколько особенностей, которые делают древнюю технологию изготовления цемента более передовой, чем современную.

Во-первых, изменился состав бетона. Бетон на основе портландцемента состоит из кальция, силикатов и гидратов (К-С-Г). В состав римского бетона входило меньше кремния, а вместо него добавлялся ещё один компонент — алюминий. Такое сочетание кальция, алюминия, силикатов и гидратов (К-А-С-Г) позволяло создать очень прочный материал.

Во-вторых, древнеримский и современный цементы имеют разную структуру. Цемент на основе К-С-Г, застывая, становится похожим на такие природные структуры, как тоберморит и женнит. Однако он только подобен им — идеальной кристаллической структуры в современных цементах не увидеть.

Однако тоберморит обнаруживается в составе древнего римского бетона, который образуется там благодаря добавлению алюминия. Кроме того, само сочетание алюминия с тоберморитом даёт чрезвычайно прочный и долговечный материал.

Анализ показал, что по римскому рецепту для изготовления цемента требуется значительно меньше извести — его добавляется только 10% от веса всех компонентов. Температура, которой подвергается смесь, также на треть меньше, чем требуется при изготовлении портландцемента. А известь при реакции с богатым на алюминий пуццоланом и морской водой даёт очень прочные сочетание К-А-С-Г и алюминий-тоберморита.

«В середине 20-го века бетонные конструкции были рассчитаны на 50 лет, и немало таких зданий уже доживает свой век», — говорит Пауло Монтейро, профессор гражданской и экологической инженерии в Университете Калифорнии.

По словам специалиста, нынешние сооружения рассчитаны на 100—120 лет. Однако римские портовые сооружения сохранились на протяжении 2 тысяч лет и выстояли в условиях химического воздействия и подводных течений.

Для того чтобы бетон и бетонные сооружения обладали всеми требуемыми характеристиками, необходимо точно знать рецепт бетона - состав, т. е. соотношение всех его компонентов. В конечном виде состав бетона записывают в виде весового или реже объемного соотношения, например, 1:2:4 (цемент:песок:щебень или гравий), т. е. на одну часть цемента приходится две части песка и четыре части щебня или гравия. Определив заранее расход цемента и воды, можно, пользуясь указанным соотношением, легко вычислить расход каждого из заполнителей. Однако перед тем, как подойти к рецептам для бетона, необходимо выяснить еще один важный вопрос - роль заполнителей - песка и крупных камней в бетоне. Как они влияют на свойства бетона, да и нужны ли они вообще в бетоне?
Сразу же необходимо сказать, что без заполнителей нельзя изготовить бетон. Присутствие их в бетоне, как было установлено, значительно улучшает строительно-технические свойства материала и, в первую очередь, такие, как водонепроницаемость, Деформативность и прочность. Кроме того, заполнители намного Дешевле вяжущих веществ, поэтому экономически более выгодно, чтобы в бетонной смеси их было как можно больше.
Несомненно, что, начав работать с бетоном, римляне не могли Не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобства их применения уже с середины I в. до н. э. вводится классификация заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в зависимости от назначения будущего бетонного сооружения. Об этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов, так, по виду и условиям залегания пески подразделялись, как и теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде - котлованные. При этом существовало дополнительное разделение каждого вида песка по окраске и загрязненности.
Витрувий в кн. II, гл. 4 писал о том, что «...Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке». В большинстве случаев он советовал применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ - очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев нежелателен, так как содержит примеси солей, которые ведут к выцветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строительства. Такое утверждение не противоречит современным техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно промывались.
Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. «Надо добывать камень не зимою, а летом,- пишет Витрувий (кн. II. гл. 4),- и оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся испорченным, пойдет для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность...»
Методы определения чистоты заполнителей были весьма простыми, а требования к ним более жесткими. «...Если насыпать песок на белое полотенце и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и землистого осадка, то будет годен...» (Витрувий, кн. II, гл. 4).
Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометрический) состав его заполнителей. Песок и щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в заполнителе, тем меньше требуется вяжущего вещества для получения плотного бетона.
О том, что римляне придавали большое значение зерновому составу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных в наше время. Так при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель.с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов моста Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подобных примеров. Следует также отметить частое использование дробленого щебня, причем «...не тяжелее фунта» (т. е. 327 г), как требует этого Витрувий.
Вероятно, к началу 1 в. н. э. римскими строителями было установлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочисленными примерами. Так, при строительстве Колизея в бетоне был применен заполнитель трех видов: для фундаментов - плотный и тяжелый щебень из высокопрочной лавы, для стен - более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях - легкая пемза и туф.
Теперь вновь обратимся к составу бетона - его рецептуре. Вероятно, нет необходимости убеждать читателя в том, что из одних и тех же продуктов разные повара могут приготовить разные по вкусу блюда. Зависеть это будет, в первую очередь, от соотношения продуктов, которые будут закладываться в кастрюлю. Подобное происходит и с приготовлением бетона. Можно представить, какими искусными «кулинарами» должны были быть античные мастера-строители, если, не имея под рукой механизированного оборудования и даже элементарных весов они получали достаточно качественные по составу бетоны и растворы.
О выборе состава раствора в зависимости от назначения и вида применяемого песка имеются определенные указания Витрувия и других античных авторов. Относительно же состава бетона таких указаний ни у кого из них нет, за исключением туманных рекомендаций Плиния Старшего. Однако, если вспомнить, как готовился бетон в Древнем Риме, станет ясным, почему там не было специальных рекомендаций о его составе.
Бетон в то время приготавливали в основном раздельным способом, т. е. отдельно в специальных емкостях замешивали известковый раствор и укладывали его слоями в опалубку, чередуя со слоями крупного заполнителя. Поэтому, если состав раствора был необходим в первую очередь для получения требуемой консистенции смеси и всегда указывался в правилах производства работ, то количество щебня или гальки, по-видимому, играло второстепенную роль, и поэтому не учитывалось. Правда, в отдельных видах гидротехнических работ количество щебня в общем объеме бетона все-таки задавалось. Так, Плиний приводит состав гидротехнического бетона из извести, пуццоланы и битого туфа в пропорции 1:2:1. Другой вид бетона без указания состава, Употреблявшийся для постройки цистерн состоял, по Витрувию, из чистого песка, щебня или булыжника весом не более одного Фунта и самой хорошей извести.
Можно предположить, что в то время уже существовали элементарные методы расчета состава раствора, так как римлянам были хорошо известны способы определения объема различных геометрических фигур и они могли рассчитывать общее количество раствора и бетона на любой заданный объем. Вяжущее вещество и заполнители принимались в зависимости от назначения работ в соотношениях, указанных выше, а количество воды подбиралось «на глаз». При этом важно подчеркнуть, что римляне были хорошо осведомлены о том, что избыток воды в смеси всегда нежелателен, на что указывал, в частности, Плиний. Воду поэтому, скорее всего, заливали в смесь не всю сразу, а постепенно, доводя раствор до требуемой консистенции.
С тех пор как в конце XVIII в. в Европе появились первые машины по испытанию материалов, стали испытывать и образцы римского раствора и бетона, отобранные из различных сооружений. Правда, было обнаружено, что данные имеют немалый разброс, который усугубляется различным сроком службы сооружений- в пределах 50-350 лет. Однако отдельные выводы по результатам испытаний сделать можно. Можно предположить, что активность древнеримских вяжущих в зависимости от их вида была в пределах 0,5-15 МПа: в частности, для воздушной извести 0,5-1 МПа; для гидравлической 1,5-2 МПа; для известково-цемяночного и известково-пуццоланового цемента 3- 10 МПа и вяжущего типа романцемента 5-15 МПа.
Очевидно, что производимые в то время бетоны также обладали различной прочностью в зависимости от вида вяжущего, водо-вяжущего отношения, тонкости помола пуццолановых добавок и других трудно учитываемых факторов.
В 80-х годах нашего века западногерманские ученые провели серию испытаний бетонных образцов, взятых в районе Кельна, Зальбурга и других городов Западной Германии - бывшей римской провинции. Бетонные образцы были отобраны из стен домов, сводов зданий, стен бассейнов и других сооружений. При этом было обнаружено, что прочность на сжатие бетонных образцов имела от 0,5 до 50 МПа в зависимости от вида сооружений, хотя преобладающей оказалась прочность порядка 7-12 МПа. Максимальное значение прочности - 50 МПа - обнаружено У бетонных полов. Стены и своды зданий показали гораздо меньшую прочность, а бетон из стен бассейна - всего 5 МПа. Это свидетельствует о том, что римляне, изготавливая водонепроницаемые сооружения, не стремились получить при этом прочный бетон.
Основываясь на многочисленных описаниях римских сооружений и результатах испытаний, можно предположить, что римские бетоны в зависимости от вида применяемого вяжущего и заполнителя имели среднюю плотность от 700 до 2200 кг/м3, водо-поглощение 5-20% и пористость порядка 20-40%.
Несмотря на такие большие диапазоны значений физико-механических показателей испытанных образцов, большинство римских бетонных сооружений оказались долговечными. Это подтверждает вывод отдельных исследователей о том, что ни прочность, ни пористость бетона не могут служить основным критерием при определении его долговечности. Вероятно, значения этих показателей наиболее важны в течение первых лет работы конструкции, а в дальнейшем они нивелируются.
Сегодня трудно оценить и проанализировать составы римского бетона только по соотношению их компонентов при большом количестве неизвестных, тем более, что данные относительно действительного состава бетона и его структурных характеристик у многих исследователей вызывают сомнения. Можно лишь утверждать, что хорошее современное состояние отдельных бетонных сооружений Древнего Рима свидетельствует о превосходном качестве применяемого исходного материала, рационально подобранном составе бетона и надлежащем качестве строительных работ.