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. В качестве материала для опалубки использовались или довольно крупные бутовые камни естественной формы с «инцертом» на фасаде, 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. В качестве примера можно привести волнолом в Неаполе, 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. Разновидностью «ретикулата» был «опус спикатум» (spicatum), т. е. укладка камней или кирпичей в виде колоса или елочки или с частичным употреблением «ретикулата» и кирпичей.

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. 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». 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 бетоном 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». 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. 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.

В особую группу входила опалубка сводов и куполов, так как ее устройство считалось наиболее сложней работой в процессе строительства. Опалубка для сводов и куполов делалась деревянной и устраивалась по деревянным кружглам, которые в зависимости 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, 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. 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. Такой же способ укладки бетона применялся при строительстве подземных частей зданий, например, фундаментов, где опалубкой служили деревянные щиты, установленные по длине вырытой траншеи, раскрепленные изнутри поперечными и продольными брусьями.

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, по словам Плиния Старшего, вместе со штукатуркой переносить в любое место.

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...» (Витрувий, кн. VII, гл. 3). 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 они 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, которые укладывались обычно через 1,5...3 м по высоте стены, и поперечными деревянными брусьями. Рассмотрев оба способа производства бетонных работ, следует еще 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. 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 его объяснения, 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.

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.

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Бетон — наилучший из материалов, изобретенных человечеством»,— сказал знаменитый итальянский архитектор П. Л. Нерви. И он был нрав. Оглянитесь вокруг, и вы увидите, что большинство домов в современном городе сделано из бетона. Мосты и тоннели, порты и плотины, дороги и подземные переходы, атомные электростанции и стартовые площадки для ракет - все они изготовлены из этого удивительного материала.

Бетон уже «пробовал» себя в таких, казалось бы, далеких от капитального строительства отраслях, как авиация, судостроение и железнодорожный транспорт. В первой половине нашего века из железобетона было построено много речных, морских судов и дебаркадеров. В экспериментальном порядке изготавливались крылья и фюзеляжи самолетов, железнодорожные вагоны и рамы цистерн, батискафы и подводные лодки. До сих пор не утихают споры вокруг проекта железобетонного моста длиной 85 км через Берингов пролив, который соединил бы Чукотский полуостров с Аляской. В 1984 г. в США выдвинут оригинальный проект сооружения на Луне поселений из бетона. С этой целью на лунной орбите предполагалось создать космический комплекс — бетонный завод с системой специализированных складов. Доставку необходимых материалов для приготовления бетона должны осуществлять специализированные транспортные корабли, стартующие с Земли и Луны. Дозирование и перемешивание компонентов производится на орбитальном бетонном заводе. При этом для создания силы тяжести на орбитальной станции весь комплекс планируется вращать при помощи двух небольших ракет, а внутри станции поддерживать необходимое атмосферное давление.

Разработки американских инженеров показали, что сегодня есть все реальные условия для сооружения железобетонного небоскреба высотой в 1,6 км. Как видно, строительство из бетона и железобетона приобрело такой огромный размах, что XX в. но праву называют «золотым веком» бетона.

Трудно предугадать судьбу бетона и железобетона через 50 лет. Возможно, их потеснят новые виды металлов, стекло - кристаллические или керамические материалы. А пока можно с уверенностью сказать, что в ближайшие десятилетия бетон и железобетон останутся в капитальном строительстве на одном из первых мест среди конструкционных строительных материалов.

Что же заставляет сегодня обратиться к далекой истории бетона? Прежде всего — это стремление понять причины его поразительной долговечности и, кроме того, рассказать о появлении этого удивительного материала, критически оценить разные стороны его жизни, сравнить с другими материалами и взять то полезное, что отфильтровало время на протяжении многих веков.

Знаете ли вы, что первый бетон, точнее псевдобетон, появился очень давно, в каменном веке, когда люди только учились строить жилища. Применение материала, подобного бетону, всегда диктовалось потребностью иметь для строительства прочный и дешевый местный материал, поэтому бетон стал использоваться гораздо раньше, чем металлы. Однако наибольшее развитие бетон получил в эпоху "древнеримского государства, где он употреблялся как строительный материал около 700 лет начиная с IV в. до н. э.

Прошло более 2000 лет с тех пор, как появился римскийбетон, а построенные из него отдельные здания и сооружения стоят и поныне. При этом некоторые из них постоянно находятся в соленой морской воде, другие, как, например. Пантеон в Риме, пережили несколько крупных землетрясений. Не менее интересными в этом отношении являются гидротехнические сооружения, римские бетонные дороги, многослойные полы, своды и купола.

В чем же причина такой поразительной долговечности римского бетона? Возможно, римляне обладали особым секретом строительства? На этот и другие вопросы вы найдете ответы в этой книге.

Здесь использованы материалы археологических раскопок, статьи, комментарии и монографии советских и зарубежных ученых, тексты и высказывания древнеримских авторов. В частности, достаточно много сведений взято из трудов Тита Ливия, Светония, Тацита, Витрувия, Варрона, Катона, Фронтина, Плиния Старшего и др. Кроме того, из древних сочинений: от поэтических до естественно-научных и философских.

Глава I

СТРОИТЕЛЬНОЕ ИСКУССТВО ДРЕВНИХ РИМЛЯН

РАЗДЕЛЯЙ И ВЛАСТВУЙ

Древний Рим. О нем написаны сотни статей и книг. И это не удивительно, так как мало государств, которые бы оставили в истории мировой цивилизации такой яркий след и завещали бы потомкам такое огромное культурное наследие. Значение его как великой сокровищницы знаний, двигающей человечество вперед, поистине огромно.

Неудивительно, что и наше поколение все чаще обращается к Древнему Риму, при этом не только к истории культуры, архитектуры, права и военного дела, но и к истории его техники, в частности — технике и технологии строительного производства, где большое внимание отводилось строительству из бетона.

Бетон мог развиться и получить широкое распространение лишь в таком сильном и огромном государстве, каким былДревний Рим с его большими объемами строительных работ, включая сооружение многотысячных амфитеатров, стадионов, терм, мощных крепостных стен или знаменитых римских дорог, протянувшихся на тысячу километров по всей стране и за ее пределами. Появление римского бетона отражало растущие потребности и технические возможности античного общества. Поэтому, чтобы лучше понять их влияние на развитие бетона, необходимо кратко познакомиться с общественным строем Древнего Рима, его политикой, в том числе строительной и экономикой.

Рост и. развитие Древнего Рима были не только стремительными, но и беспримерными. Зародившись в виде небольшого военного поселения на Палатине в середине VIII в. до н. э., он постепенно превратился в политический и культурный центр всего древнего мира. Его небольшая первоначально территория разрослась с течением веков в огромную и могущественную империю с сотнями миллионов жителей.

Границы Рима расширялись — первоначально за счет территории Италии, а затем и соседних стран. Внешняя политика характеризовалась непрерывными войнами и основывалась на знаменитом принципе «разделяй и властвуй».

В 60-х годах III в. до н. э. начинаются Пунические войны между Римом и Карфагеном. С перерывами они продолжаются более ста лет. После падения Карфагена A46 г. до н. э.), когда город но решению римского сената был предан огню и уничтожен, Рим становится самой могущественной державой на всей огромной территории от Египта и Малой Азии до Британских островов. В него стекаются несметные богатства и десятки тысяч рабов, труд которых становится основой государственного строя, оплотом его могущества на долгие годы. Такая политика требовала строительства дорог, мостов, водоводов и других инженерных сооружений, требовала еще больше золота и рабов.

Однако вместе с рабами в Рим пришли и острые социальные противоречия, которые нередко взрывались восстаниями против поработителей. Когда же они разрослись до такой степени, что перешли в гражданские войны, могущественная римская республика пошатнулась и, как старое здание, дала первую глубокую трещину.

Назрела крайняя необходимость в перестройке государственной системы, и она произошла, вынеся на гребень политической волны таких выдающихся полководцев, как Марий, Сулла, Помней, Цезарь, Антоний и Октавиан. Последний, как известно, открывает своим правлением новый этан в истории древнеримского государства.

Август-Октавиан, первый римский император в7 г. до н. э.— 14 г. н. э., был умным и дальновидным политиком. Первое, что он сделал, встав у власти,— это, остановив затянувшиеся в стране гражданские войны, дал всем римлянам долгожданный мир. Одновременно он укрепил устои рабовладельческого строя, проведя ряд важных реформ в Риме и его провинциях. В результате этих мероприятий в стране начался подъем экономики, оживилась культурная жизнь, значительного расцвета достигли литература, искусство и архитектура.

Большие средства Август и члены его семьи тратили на строительство таких роскошных построек, как храмы, портики и форумы, так как именно они, одетые в мрамор и золото, должны были покрывать неувядаемой славой его царствование. Недаром Август любил повторять, что, получив Рим кирпичным, он оставляет его мраморным. Подражать в этом императору старалась и знать.

Во времена императора Августа, примерно в 10—15 гг. до н. э., римским военным архитектором Витрувием была написана книга «Об архитектуре» (или «10 книг об архитектуре»), благодаря которой мы сегодня имеем представление о строительном производстве, материалах и технике того времени.

Марк Витрувий Полл ион, римский архитектор и инженер, несомненно, был образованнейшим человеком своего времени. Он в совершенстве владел не только своей профессией, но и медициной, астрономией, математикой, историей, музыкой и другими науками. Книга «Об архитектуре»— основной труд его жизни — стала главным пособием по строительству в его время, в эпоху Ренессанса, не потеряв актуальности и в наши дни. Она не столько дает картину строительных новшеств современной ему эпохи, сколько приводит сведения о строительных приемах, которыми он пользовался в течение своей долгой жизни.

На протяжении последующих двух веков строительная деятельность в стране продолжалась. При императоре Клавдии — строится ряд утилитарных построек. В 49 г. Клавдий возводит грандиозный водопровод общей длиной 69 км, из которых 15 км проходили под землей, в том числе, но акведуку, названному его именем. Другая его постройка — большая гавань в Остии, и, наконец,— обширный водоем с плотиной для спуска вод Фуцинского озера. Причем для этой цели был прорыт туннель длиной в 5640 м — случай уникальный в строительной практике того времени. Все это были грандиозные строительные программы, требовавшие для своего осуществления огромного объема прочного и дешевого строительного материала.

В 64 г. н. э. в Риме вспыхнул страшный опустошительный пожар, продолжавшийся девять дней. Пламя уничтожило дворцы и лачуг», храмы и театры, бесценные греческие статуи и скарб бедняков. После пожара Рим стал преображаться. Перестройка коснулась не только центра города, где начали возводить золотой дворец императора Нерона, но и всей прилегающей к дворцу территории. Улицы были выровнены и расширены. Новые здания по своей архитектуре теперь уже мало напоминали старые, тесные и неказистые. После пожара Нерон запретил употребление дерева в стенах, уменьшил высоту зданий, отдал распоряжения выравнивать дома, но фасаду портиков, приказал строить дома на некотором расстоянии друг от друга и при них делать просторные дворы. Тацит говорит, что вслед за пожаром «город обстроился по заранее размеренному плану...»

Архитектура времен Флавиев (69—96 гг. н. э.) представляет собой один из самых блестящих периодов строительного искусства Римской империи. Был восстановлен сгоревший Капитолий, построен храм Мира, дворец Флавиев на Палатине и огромный амфитеатр — Колизей.

Император Тит 79—81г.г..) приказывает возвести в Риме несколько терм, громадную мемориальную арку, названную его именем, и грандиозный дворец на Палатине.

Следует отметить, что такому подъему экономики и капитального строительства в стране способствовали так называемые «внешние поступления» средств и ресурсов. В частности, в 71 г. в Иудее было подавлено большое народное восстание, в результате чего Рим получил огромную денежную контрибуцию.

В конце I и начале II вв. н. э. победоносные войны Траяна (98—117 гг.) приносят Риму дополнительное обогащение. Последовавший затем длительный мир привел к расширению торговли и строительству дорог. К этому периоду относится строительство ряда крупных инженерных сооружений и среди них — большой порт в Остии. В 102 г. для контроля над Даккией Траян построил большой каменный мост с бетонными опорами через Дунай. Строил, конечно, не он, а его мастера-строители, среди которых особо выделялся Аполлодор из Дамаска. Вероятно, он был одним из самых образованных и талантливых инженеров Римской империи, так как помимо моста выстроил ряд крупных и сложных в конструктивном отношении сооружений, таких, как форум Траяна, цирк и термы в Риме, названные именем императора. Ему приписывают строительство одного из самых красивых и выдающихся сооружений мирового зодчества — бетонного Пантеона в Риме.

Еще интенсивнее продолжается строительство во время правления императора Адриана A17—138 гг.). Адриан принимал участие в строительстве не только как организатор, но и как архитектор и инженер-строитель. Большую часть своей жизни он провел в поездках по империи. Адриан посетил все римские провинции, был большим поклонником греческой культуры, восхищался мастерством египетских художников.

На склоне лет он приказал построить в городе Тибуре близ Рима загородную виллу с бетонными стенами и воспроизвести там, в миниатюре все то, что так поразило его во время путешествий. В 132 г. Адриан начал сооружать для себя грандиозный мавзолей и мост к нему, перекинутый через Тибр. Строительство этих сооружений было закончено в 139 г.

Строительная деятельность ближайших преемников Адриана не была такой оживленной. Из наиболее значительных сооружений можно назвать храм в честь жены императора Антонина Пия и колонну, носящую имя Марка Аврелия.

При царствовании Септимия Севера A93—211 гг.) происходит некоторое оживление строительной деятельности. По словам его современника Лемпидария «…Постройки прежних государей он восстановил и многие сам возвел, в том числе термы своего имени. Провел и воду, что называется Александровой... Он первый ввел Александровский способ отделки двумя видами мрамора. На форуме Траяна он поставил статуи великих людей, перенеся их отовсюду... Мосты, построенные Траяном, он восстановил почти во всех местах, а в некоторых и вновь построил...» В 203 г. в ознаменование побед над парфянами и арабами в Риме сооружается на мощном бетонном фундаменте триумфальная арка Септимия Севера высотой 23 и шириной 25 м. Архитектура этого периода отличается богатством декоративного убранства, придающего постройкам парадный облик.

При императоре Каракалле B11—217 гг.) в Риме строятся самые грандиозные и красивые за всю историю существования города термы, где в качестве основного строительного материала использовался бетон. Весь комплекс зданий занимал 16 га и был закончен немногим более чем за четыре года. Если раньше большие денежные расходы, вызванные войнами, строительством дорог, общественными работами, голодом и эпидемиями чумы покрывались за счет военных трофеев, дани с покоренных народов или денег от продажи пленных и конфискованных земель, то теперь, в начале III в., такие возможности резко сокращаются.

Рим в то время, как и многие города его провинций, еще сохранял свой внешний блеск, однако упадок, коренившийся в самой структуре римской империи, был уже хорошо заметен. Морской торговле вновь начали угрожать пираты, а сухопутные дороги стали небезопасными благодаря участившимся случаям разбоя. Наступил период крайнего распада экономики; обезлюдели города, опустели поля, так как не хватало рабочих рук, наблюдалось углубление типичных форм натурального хозяйства.

Во второй половине III в., после того как усилился натиск варваров на римские границы, началось интенсивное сооружение крепостей и стен по всей обширной империи. Так, Аврелиан с первых дней своего правления стал укреплять Рим мощными стенами, строительство которых было закончено в 282 г.

Мероприятия и многочисленные декреты Диоклетиана, а позднее — Константина, направленные на нормализацию экономической жизни страны, увенчались успехом. Внешняя опасность для римского государства была временно устранена, порядок упрочен, а мир обеспечен. Одним из основных методов государственной политики стала «военизация» всего государства, включая и гражданскую часть населения. Взяв за образец крупные восточные монархии, императоры создали такую социально-экономическую систему, при которой каждый гражданин считался на службе только у государства. Никто не имел права выйти из той социальной категории или ремесленной организации, в которой он находился. Никто не мог уклониться от той деятельности, к которой он был предназначен со дня своего рождения. Ранее свободные коллегии, объединявшие людей по профессии, превратились теперь в принудительные корпорации. Большинство ремесленников получали от государства денежные, а чаще натуральные пособия, но за это должны были примириться с тем, что их свобода была теперь резко ограничена.

В этой обстановке растет и расширяется капитальное строительство. Ко времени правления Диоклетиана относится сооруженный в 290 г. амфитеатр в Вероне — здание, напоминающее по типу и размерам Колизей в Риме. В 305 г. сооружены громадные бетонные термы Диоклетиана. Они вмещали одновременно 3200 человек и являлись самым крупным сооружением такого типа, созданным за всю историю римского строительства.

При Константине, который в области государственного управления продолжал традиции Диоклетиана, 11 мая 330 г. произошло торжественное освящение новой столицы римской империи, которая получила название Константинополь. Она быстро стал застраиваться, украшаться великолепными зданиями и произведениями искусств, перевезенными из Рима и Греции.

К IV в. Римская империя вступает в последнюю и заключительную стадию своего развития. Постепенно складывается систем так называемых натурально-замкнутых крепостных отношений, стране сокращается торговля, натурализуются почти все виды государственных платежей. Изменяется облик городов. Они теперь принимают вид крепостей, ограниченных мощными стенами и башнями. Поместья превращаются в самостоятельные политические и экономические единицы, а их владелец — в государя, с армией рабов и колонов. Империя Рима распадалась на глазах. В конце IV в. возникает новый социально-политический кризис. Параллельно усиливается напор варваров на границы государства. Огромные массы гуннов, аланов и готов двинулись из прикаспийских степей на Запад.

Таким образом, в результате завоевательной политики Древнего Рима, обогащения его за счет войн развивается строительство крупных инженерных сооружений, роскошных особняков, дворцов, храмов, жилых и общественных зданий. В свою очередь, это потребовало нового прочного, долговечного и относительно дешевого материала, каким и явился бетон. Однако для осуществления больших строительных проектов из бетона одного золота и рабов было недостаточно. Требовалась налаженная организация труда, инженерные знания и строительная техника.

...

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.

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.

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.