Рецепты Римского бетона

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. Об этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов, так, по виду и условиям залегания пески подразделялись, как и теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде — котлованные. При этом существовало дополнительное разделение каждого вида песка по окраске и загрязненности.
Витрувий в кн. II, гл. 4 писал о том, что «...Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке». В большинстве случаев он советовал применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ — очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев нежелателен, так как содержит примеси солей, которые ведут к выцветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строительства. Такое утверждение не противоречит современным техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно промывались.
Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. «Надо добывать камень не зимою, а летом,— пишет Витрувий (кн. II. гл. 4),— и оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся испорченным, пойдет для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность...»
Методы определения чистоты заполнителей были весьма простыми, а требования к ним более жесткими. «...Если насыпать песок на белое полотенце и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и землистого осадка, то будет годен...» (Витрувий, кн. II, гл. 4).
Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометрический) состав его заполнителей. Песок и щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в заполнителе, тем меньше требуется вяжущего вещества для получения плотного бетона.
О том, что римляне придавали большое значение зерновому составу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных в наше время. Так при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель.с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов моста Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подобных примеров. Следует также отметить частое использование дробленого щебня, причем «...не тяжелее фунта» (т. е. 327 г), как требует этого Витрувий.
Вероятно, к началу 1 в. н. э. римскими строителями было установлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочисленными примерами. Так, при строительстве Колизея в бетоне был применен заполнитель трех видов: для фундаментов — плотный и тяжелый щебень из высокопрочной лавы, для стен — более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях — легкая пемза и туф.
Теперь вновь обратимся к составу бетона — его рецептуре. Вероятно, нет необходимости убеждать читателя в том, что из одних и тех же продуктов разные повара могут приготовить разные по вкусу блюда. Зависеть это будет, в первую очередь, от соотношения продуктов, которые будут закладываться в кастрюлю. Подобное происходит и с приготовлением бетона. Можно представить, какими искусными «кулинарами» должны были быть античные мастера-строители, если, не имея под рукой механизированного оборудования и даже элементарных весов они получали достаточно качественные по составу бетоны и растворы.
О выборе состава раствора в зависимости от назначения и вида применяемого песка имеются определенные указания 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 были хорошо известны способы определения объема различных геометрических фигур и они могли рассчитывать общее количество раствора и бетона на любой заданный объем. Вяжущее вещество и заполнители принимались в зависимости от назначения работ в соотношениях, указанных выше, а количество воды подбиралось «на глаз». При этом важно подчеркнуть, что римляне были хорошо осведомлены о том, что избыток воды в смеси всегда нежелателен, на что указывал, в частности, Плиний. Воду поэтому, скорее всего, заливали в смесь не всю сразу, а постепенно, доводя раствор до требуемой консистенции.
С тех пор как в конце XVIII в. в Европе появились первые машины по испытанию материалов, стали испытывать и образцы римского раствора и бетона, отобранные из различных сооружений. Правда, было обнаружено, что данные имеют немалый разброс, который усугубляется различным сроком службы сооружений— в пределах 50—350 лет. Однако отдельные выводы по результатам испытаний сделать можно. Можно предположить, что активность древнеримских вяжущих в зависимости от их вида была в пределах 0,5—15 МПа: в частности, для воздушной извести 0,5—1 МПа; для гидравлической 1,5—2 МПа; для известково-цемяночного и известково-пуццоланового цемента 3— 10 МПа и вяжущего типа романцемента 5—15 МПа.
Очевидно, что производимые в то время бетоны также обладали различной прочностью в зависимости от вида вяжущего, водо-вяжущего отношения, тонкости помола пуццолановых добавок и других трудно учитываемых факторов.
В 80-х годах нашего века западногерманские ученые провели серию испытаний бетонных образцов, взятых в районе Кельна, Зальбурга и других городов Западной Германии — бывшей римской провинции. Бетонные образцы были отобраны из стен домов, сводов зданий, стен бассейнов и других сооружений. При этом было обнаружено, что прочность на сжатие бетонных образцов имела от 0,5 до 50 МПа в зависимости от вида сооружений, хотя преобладающей оказалась прочность порядка 7—12 МПа. Максимальное значение прочности — 50 МПа — обнаружено У бетонных полов. Стены и своды зданий показали гораздо меньшую прочность, а бетон из стен бассейна — всего 5 МПа. Это свидетельствует о том, что римляне, изготавливая водонепроницаемые сооружения, не стремились получить при этом прочный бетон.
Основываясь на многочисленных описаниях римских сооружений и результатах испытаний, можно предположить, что римские бетоны в зависимости от вида применяемого вяжущего и заполнителя имели среднюю плотность от 700 до 2200 кг/м3, водо-поглощение 5—20% и пористость порядка 20—40%.
Несмотря на такие большие диапазоны значений физико-механических показателей испытанных образцов, большинство римских бетонных сооружений оказались долговечными. Это подтверждает вывод отдельных исследователей о том, что ни прочность, ни пористость бетона не могут служить основным критерием при определении его долговечности. Вероятно, значения этих показателей наиболее важны в течение первых лет работы конструкции, а в дальнейшем они нивелируются.
Сегодня трудно оценить и проанализировать составы римского бетона только по соотношению их компонентов при большом количестве неизвестных, тем более, что данные относительно действительного состава бетона и его структурных характеристик у многих исследователей вызывают сомнения. Можно лишь утверждать, что хорошее современное состояние отдельных бетонных сооружений Древнего Рима свидетельствует о превосходном качестве применяемого исходного материала, рационально подобранном составе бетона и надлежащем качестве строительных работ.