Римский бетон химическая сущность затвердевания цемента

Бетон Древнего Рима — строительная технология, которую до сих пор обсуждают ученые

Древний Рим был чрезвычайно развитым и могущественным государством. Власть Республики, а потом Империи простиралась на три континента, представляя собой территорию порядка и культуры посреди варварского в своей основе мира. Римлянам принадлежит множество достижений в разных областях, в том числе и в строительной области. В частности, именно они начали широко применять бетонное строительство, позволившее им резко сократить сроки и повысить износостойкость возводимых зданий и сооружений, многие из которых сохранились и по сей день. Кстати, после падения Империи эта технология была утеряна, а затем изобретена заново в измененном виде спустя почти две тысячи лет. Рассмотрим ее более подробно?

Бетон в Риме называли Opus Caementitium (вот откуда идет название современного цемента!). Римляне брали смесь из песка, твердого наполнителя (щебень, кирпич и более легкие компоненты вулканического происхождения) и главного компонента — природной гашеной извести, смешанной с вулканическим пеплом. Образовавшийся состав перемешивали, заливали водой и помещали в опалубку. Спустя некоторое время образовывался очень твердый бетон. Затем опалубку снимали и, вуаля! Очередной Колизей готов!

Нельзя сказать, кто именно изобрел эту технологию. Она, возможно, пришла в примитивном виде из других государств, но потом потом постепенно именно в Древнем Риме достигла совершенства. Это случилось уже во времена Империи. Одним из важнейших открытий стало применение природной извести и вулканического пепла из окрестностей города Путеолы (сейчас Поццуоли). Именно этот состав и принес римскому бетону настоящую славу.

Что же строили из бетона? Да, все! Стены и своды зданий, фундаменты, укрепления, гидротехнические сооружения, основу дорог и многое другое. Технология применялась повсеместно. К примеру, римский Пантеон имеет бетонный купол диаметром более 40 м. Этот рекорд держался почти 2 тысячи лет, до XIX века.

Как и все в Империи, процесс производства бетона был стандартизирован. Его описывали Плиний Старший, Ветрувий и многие другие древнеримские ученые и энциклопедисты. Например, процесс производства извести и конструкция печи для ее отжига описан очень подробно — бери и строй хоть сейчас! Так же хорошо описан процесс производства наполнителей. Но все равно ученые до сих пор спорят о секрете невиданной прочности римского бетона. Самое распространенное объяснение — это уникальные свойства добавляемых в бетон вулканических пород, которые назывались по уже упоминаемому нами месту их добычи, пуццоланы. Кто-то кивает на использование римлянами морской воды. Но, кажется, секрет все-таки утерян. Получается, даже современная наука не способна постичь некоторые технологии двухтысячелетней давности. Вот такой вам и примитивный Древний Мир!

Источник

Бетон изобрели в Древнем Риме?

Это очень распространённая версия, которая одновременно верна и неверна.

На землях, некогда принадлежавших Древнему Риму, найдено множество отлично сохранившихся построек из монолитного бетона. Римляне столь искусно владели этой технологией, что выводили из бетона не только массивные блоки, но и колонны, стены, своды и даже купола.

Способ возведения подобных куполов, между прочим, до сих пор вызывает у учёных множество вопросов. Из бетона выстроен и Рынок Траяна (2 в. н. э.) – многоэтажный древнеримский торговый комплекс, неплохо сохранившийся до наших дней.

Или вот, скажем, Колизей (конец 1 в. н. э.) – один из величайших цирков Древнего Рима. Возведённый из бетона и облицованный поверх мрамором и кирпичом, после падения Рима он столетиями использовался как крепость – и простоял практически целеньким до середины 14 века, когда сильное землетрясение, наконец, его заметно повредило. Предприимчивые горожане растащили обломки и обколупали облицовку: из колизейского камня построено немало известных зданий более позднего Рима. Но основная конструкция сохранилась, потому что залитый в опалубку монолитный бетон попробуй-ка, разбери на куски!

Но на самом деле, как и многое другое, идею бетона (смеси цемента с наполнителем из мелких камней) и самого цемента древние римляне заимствовали у ещё более древних греков. Известен, например, неплохо сохранившийся водопроводный резервуар в древнегреческом городе Мегара, конструкции которого были обмазаны слоем материала, уже очень похожего на цемент.

И самое главное – покопавшись в этом цементе, мы уже можем обнаружить тот самый таинственный ингредиент, который впоследствии сделал древнеримские постройки настолько крепкими. В состав греческого цемента входил вулканический пепел, имеющий в наши дни своё особое название — «пуццолан». Добывали его тогда в холмах у города Путеолы (сейчас – Поццуоли) в районе вулкана Везувий.

В Древнем Риме бетон с вулканическим пеплом начали использовать примерно со 2 века до н. э., и весьма успешно. В состав смесей входили известь, пуццолан, вулканический туф, пемза, песок и камни. Древние римляне называли свой материал rudus (лат.) или emplekton (греч.), а связующий раствор — оpus caementum (французское слово «бетон» вошло в обиход только в 18 веке).

Несколько лет назад американские учёные прицельно исследовали древнеримский оpus caementum , сравнили с современным составом и выяснили, в чём секрет. Оказывается, пуццолан содержит много силиката алюминия (спойлер: а современный бетон – нет!) . Морская вода, на которой замешивали бетон, вызывала в растворе горячую химическую реакцию – здесь мы опустим долгие химические подробности – но в итоге внутри смеси образовывался особый минерал под названием алюминий-тоберморит, придававший бетону особую прочность.

Особенно интересно наблюдать этот химический процесс на морских постройках. Например, вот созданная при помощи римских строительных технологий гавань Ирода Великого в Кесарии (1 век до н.э.) – порт и комплекс защитных морских сооружений, материал которых стал предметом исследования. Бетонные молы и пирсы Кесарии почти две тысячи лет непрерывно омывались морскими волнами, частично уходя под воду. Реакция шла и шла, образование Al-тоберморита в бетонном монолите неторопливо продолжалось годами, десятками, сотнями лет… Может быть, идёт и сейчас. Бетон портовых сооружений становился всё прочнее, и теперь только наши далёкие потомки смогут сказать, сколько ещё тысячелетий простоят эти руины.

Римские строители знали множество способов применения бетона, однако ими же была введена и стандартизация состава бетонных смесей – римляне, со свойственной им педантичностью, нормировали множество технологий, что сделало многие достижения римской цивилизации весьма долговечными, но это отдельная интересная история.

Так вот, благодаря удачному химическому составу и соблюдению нормативов древнеримский бетон оказался более прочным и надёжным, чем современный. Прочность бетона в зданиях, построенных в наши дни, рассчитана примерно на 100-120 лет. А вот римские постройки уже продержались две тысячи лет – и переживут ещё нас с вами.

Если вам понравилась эта статья — поставьте лайк. Это сильно поможет развитию нашего канала, а также новые статьи из нашего канала будут чаще показываться в вашей ленте. Также будем рады, если вы подпишетесь на наш канал.

Источник

Римский бетон открывает свои секреты пытливому уму

Около 79 г. римский писатель Плиний Старший написал в своей «Натуралистической Истории», что бетонные структуры в гавани, подверженные постоянному воздействию солёной воды волн, становятся «единой каменной массой, неприступной для волн и изо дня в день сильнее».

Он не преувеличивал. В то время как современные морские бетонные конструкции разрушаются через несколько десятилетий, 2000-летние римские причалы и волноломы выдерживают это изпытание и по сей день, и теперь они прочнее, чем тогда, когда они были только построены. Геолог из университета Юты Мария Джексон изучает минералы и микроструктуру римского бетона, так же, как вулканический камень. Она и ее коллеги обнаружили, что фильтрация морской воды через бетон приводит к росту взаимного сцепления минералов, который придаёт бетону добавочную сплочённость . Результаты опубликованы сегодня в American Mineralogist .

Римский бетон и портландцемент

Римляне делали бетон, смешивая вулканический пепел с известью и морской водой, чтобы сделать раствор, в который затем включали измельчённые куски вулканического камня, «агрегаты» в бетоне. Сочетание золы, воды и негашеной извести производит так называемую пуццоланическую реакцию, названную в честь города Поццуоли в Неаполитанском заливе. Римляне, возможно, взяли идею этой смеси от естественно (природно) зацементированных отложений вулканического пепла, называемых туфами, которые, как описано Плинием, распространены в этом районе.

Конгломератоподобный бетон использовался во многих архитектурных сооружениях, включая рынки Пантеона и Траяна в Риме. Массивные морские сооружения защищали гавани от открытого моря и служили обширными заграждениями для судов и складов.

Современный портландцементный бетон также использует горный агрегат (наполнитель), но с важным отличием: частицы песка и гравия предназначены быть инертными. Любая реакция с цементной пастой может образовывать гели, которые расширяются и разрушают бетон.

«Эта щелочная реакция кремнезема возникает во всем мире, и это одна из основных причин разрушения бетонных конструкций на портландцементе», — говорит Джексон.

Заново открыть римский бетон

Интерес Джексон к римскому бетону начался с праздника в Риме. Сначала она изучала туфы, а затем исследовала отложения вулканического пепла, вскоре увлеклась их ролью в создании замечательной прочности римского бетона.

Вместе с коллегами Джексон начала изучать факторы, которые сделали архитектурный бетон в Риме настолько устойчивым. Один из факторов, по ее словам, заключается в том, что минеральные разрастания между заполнителем и раствором предотвращают удлинение трещин, в то время как поверхности нереактивных заполнителей в портландцементе только помогают трещинам распространяться дальше .

В другом изследовании буровых кернов римской гавани, собранных проектом РОМАКОНС в 2002-2009 гг., Джексон и его коллеги обнаружили в морском растворе исключительно редкий минерал, глиноземистый тоберморит (аль-тоберморит — глинозёмистый силикат кальция). Минеральные кристаллы, образовавшиеся в частицах извести путем пуццолановой реакции при несколько повышенных температурах. Присутствие аль-тоберморита удивило Джексон. «Его очень сложно получить», — говорит она о минерале. Его синтез в лаборатории требует высоких температур и приводит лишь к получению небольшого количества.

Для нового исследования Джексон и другие исследователи вернулись к высверленным кернам ROMACONS, изучив их различными методами, включая микродифракцию и анализ микрофлуоресценции на базовой линии источника света 12.3.2 в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Они обнаружили, что Al-тоберморит и связанный с ним цеолитный минерал, филлипсит, образуются в пемзе и порах цементирующей матрицы. Из предыдущей работы команда знала, что пуццолановый процесс отверждения римского бетона был недолгим. Что-то еще должно было заставить минералы ещё долго расти при низкой температуре после того, как бетон отвердел. «Никто не произвел тоберморит при 20 градусах Цельсия», — говорит она. «О, кроме римлян!»

«Как геологи, мы знаем, что камни меняются, — говорит Джексон. «Изменение является постоянными для материалов земли. Итак, как изменения влияют на долговечность римских структур? «

Команда пришла к выводу, что, когда морская вода просачивалась через бетон в волноломы и в причалы, она растворяла компоненты вулканического пепла и позволяла вырастать новым минералам из высокощелочных выщелоченных жидкостей, в частности, а-тоберморита и филлипсита. Этот Al-тоберморит имеет богатые кремнием композиции, похожие на кристаллы, которые образуются в вулканических породах. Кристаллы имеют плоские формы, которые усиливают цементирующую матрицу. Блокирующие пластины повышают устойчивость бетона к хрупкому разрушению.

Джексон говорит, что этот коррозионно-подобный процесс, как правило, плох для современных материалов. «Мы смотрим на систему, которая противоречит всему, чего не нужно в цементном бетоне», — говорит она. «Мы смотрим на систему, которая процветает в открытом химическом обмене с морской водой».

Современный римский бетон

Учитывая преимущество долговечности римского бетона, почему он не используется чаще, особенно, если производство портландцемента приводит к значительным выбросам углекислого газа?

«Рецепт был полностью потерян, — говорит Джексон. Она широко изучила древнеримские тексты, но еще не раскрыла точных методов смешивания морского раствора, чтобы полностью воссоздать бетон.

«Римлянам повезло с типом скалы, с которой им пришлось работать», — говорит она. «Они заметили, что вулканический пепел вырабатывает цементы для производства туфа. У нас во многих странах мира нет таких камней, поэтому им должна быть сделана замена ».

Сейчас она работает с инженером-геологом Томом Адамсом, чтобы разработать рецепт замены, однако, используя природные материалы из западной части США. Морская вода набирается самой Джексон для ее экспериментов у пристани в Беркли, Калифорния.

Римский бетон требует времени для развития своей прочности в морской воде и отличается меньшей прочностью на сжатие, чем типичный портландцемент. По этим причинам маловероятно, что римский бетон может стать широко распространенным, но может быть полезным в конкретных условиях.

Недавно Джексон говорила о приливно-отливной лагуне, которая будет построена в Суонси, Соединенное Королевство, чтобы использовать приливные силы. Лагуна, по ее словам, должна будет работать в течение 120 лет, чтобы возместить затраты, связанные с её строительством. «Вы можете себе представить, что с тем, как мы сейчас строим, к этому моменту это будет масса стальной коррозии». С другой стороны, римский прототип бетона остаётся нетронутым на протяжении веков.

Джексон говорит, что, хотя исследователи ответили на многие вопросы о строительном растворе бетона, долгосрочные химические реакции в совокупных материалах остаются неисследованными. Она намерена продолжить работу Плиния и других римских ученых, которые усердно трудились над раскрытием секретов их бетона. «Римляне были обеспокоены этим, — говорит Джексон. «Если мы собираемся строить в море, мы тоже должны этим беспокоиться».

Источник

Рецепты римского бетона

Из чего древние Римляни делали бетон.

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

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

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

Несомненно, что, начав работать с бетоном, римляне не могли не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобства их применения уже с середины I в. до н. э. вводится классификация заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в зависимости от назначения будущего бетонного сооружения. Об этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов, так, по виду и условиям залегания пески подразделялись, как и теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде — котлованные. При этом существовало дополнительное разделение каждого вида песка по окраске и загрязненности.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Источник

 Построй сам
Adblock
detector