Римский цемент как сделать
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.
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.
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
Гидравлические добавки древнего Рима
Цемянка, пуццоланы.
Очевидно, что римлян с их интенсивным строительством не устраивала не только низкая прочность бетонов и растворов на воздушной извести, но и то, что они твердели только на воздухе и не могли твердеть в условиях влажной среды. Потребности в гидравлических вяжущих веществах подтолкнули античных строителей к выявлению принципиально новых добавок для бетонов и растворов, с помощью которых можно было избавиться от перечисленных недостатков.
Сегодня мы хорошо знаем, что для того чтобы улучшить качество бетонов и растворов на воздушной извести, надо слабый и растворимый в воде гидроксид кальция (известковое тесто) перевести в более стойкое и нерастворимое соединение,например, в гидросиликат кальция. Для этого необходимо добавить в него активный кремнезем. Реакция в этом случае идет только в присутствии воды, хотя полученное новое соединение — гипросиликат кальция — почти не растворяется в воде.Активный кремнезем в отличие от пассивного — обыкновенного кварцевого песка, получил название гидравлической добавки за свою способность твердеть и набирать прочность не только на воздухе, но и в воде.
Римляне, конечно, не подозревали о сложных процессах, происходящих при смешивании воздушной извести с гидравлической добавкой, но, используя опыт этрусков и греков, они хорошо знали, что если к известковому тесту добавить не просто обыкновенный песок и камни, а кирпичный песок и кирпичные камни, то такое соединение будет способно твердеть в воде, а полученный при этом искусственный камень окажется гораздо прочнее, чем бетон или раствор на одной воздушной извести с обыкновенным песком и галькой. Впоследствии кирпичную или черепичную добавку стали называть цемянкой.
Обычно цемянку применяли в виде тонкомолотого порошка или пыли для водонепроницаемых штукатурок, бетонных полов и подобных покрытий, главным образом в сырых местах. Кроме этого, ее использовали в виде муки в штукатурках водопроводных каналов, давильных площадок для вина и резервуаров виноделен, рыбозасолочных ванн, а также для защиты бетонных сооружений от износа и разрушения.
Помимо цемянок, т. е. искусственных гидравлических добавок, Римляне широко применяли естественные добавки вулканического происхождения. Им даже приписывали честь открытия этих добавок, точнее, их действия на воздушную известь, так как вулканические камни использовались в строительной практике очень давно.
К таким добавкам относились: санторинская земля, добываемая на греческом острове Тире, рейнский трасс, расположенный на территории Германии, и туфф, залегающий мощными пластами почти по всей Италии. К ним также относились многие другие горные породы вулканического происхождения, получившие общее название пуццоланы.
Особенно широкое применение получили такие добавки, залегавшие в районе древних Путеол (совр. Поццуоли). Однако название свое — пуццолана, ставшее родовым для всех гидравлических добавок вулканического происхождения, они получили не поэтому, а потому что широко использовались в строительстве очень важного для древней Италии порта в Путеолах, бывшего к тому же долго центром торговли пуццоланой. Впервые термин «pulvis puteolanus» встречается у философа Сенеки (4 г. до н. э.— 65 г. н. э.) в его труде «Естественно-научные вопросы», и упоминается Плинием Старшим.
Одним из первых сооружений, при строительстве которого была использована пуццолана в качестве гидравлической добавки в бетон, был волнолом в окрестностях Неаполя близ Путеол, сохранившийся до наших дней (см. рис. 6). Несмотря на то, что туфовые блоки из этого волнолома подверглись эрозии, сам пуццолановый раствор между ними хорошо сохранился.
В зависимости от назначения раствора или бетона римляне применяли различные соотношения между известью и пуццоланой. Однако наиболее распространенным был состав 1:2 — на 1 часть извести, 2 части пуццоланы. Прочность такого бетона, вероятно, составляла 5—10 и более МПа.
Итальянскую пуццолану, как и греческую санторинскую землю, в большом количестве применяют и теперь в гидротехническом строительстве в разных странах. На Канарских островах, где пуццолана, как и в Италии, встречается повсеместно, соотношение между известью и пуццоланой принималось 1 : 5. Из бетонов таких составов построены гидротехнические и ирригационные сооружения, которые стоят в течение многих веков.
Воздушная известь в сочетании с пуццоланой и другими гидравлическими добавками была практически единственным гидравлическим цементом того времени, поскольку гидравлическая известь и роман-цемент применялись, как полагает большинство ученых, эпизодически и в ограниченном количестве. Таким образом, в применении гидравлической добавки к воздушной извести заключена одна из главных отгадок секрета долговечности римского бетона. Американские ученые уже давно заинтересовались этим вопросом и в середине 70-х годов нашего века получили новое вяжущее — геополимерный цемент — аналог древнеримского известково-пуццоланового вяжущего. По мнению зарубежных специалистов, новые цементы более долговечны и прочны, чем современные портландцементы.
Источник книга «Римский бетон». Автор В.А.Кочетов
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
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.
А еще мы как то спорили бетонные ли Египетские пирамиды, которым уже не одна тысяча лет
Теперь же международная команда исследователей наконец-то решила загадку столь длительного сохранения:
. оказывается, во время химической реакции между бетоном и морской водой формируется редкий минерал, который и укрепляет материал. Именно это и заставляет бетон со временем становиться лишь крепче.
Специалисты начали своё исследование с изучения описания древнего рецепта для создания цементного строительного раствора, который был придуман древнеримским инженером Марком Витрувием ещё в 30 годы до нашей эры.
Римляне делали бетон, смешивая вулканический пепел с известью и морской водой, а затем добавляли в него куски вулканического камня. Они «размазывали» полученную смесь на деревянные формы, которые затем погружались в морскую воду. Примечательно, что этот тип бетона использовался для строительства многих известных сооружений, включая Пантеон и рынок Траяна в Риме, а также для огромных морских сооружений для защиты гаваней.
В истории осталось много упоминаний о прочности древнеримского бетона, включая загадочную запись от 79 года до нашей эры. В ней описывается, что бетон, погружённый в морскую воду становится «единым массивом камня, неприступным для волн и укреплявшимся день ото дня».
Современным специалистам не терпелось понять, что же это значит на деле. И чтобы это выяснить, учёные изучили керны, полученные со дна древнеримской гавани в заливе города-порта Поццуоли близ Неаполя (Италия). Большинство итальянцев знают его как родину кинозвезды Софи Лорен, однако во времена Римской империи он был одним из крупнейших торговых портов Средиземного моря и звался Путеолы.
При анализе выяснилось, что морская вода растворила компоненты вулканического пепла, что позволило вырастать новым связующим материалам.
В течение десятилетия очень редкий гидротермальный минерал под названием алюминий-тоберморит (aluminum tobermorite; Al-tobermorite) образовался в бетоне. Кстати, исследователям уже было давно известно, что Al-tobermorite придавал древнеримскому бетону большую прочность, но как именно он там появлялся оставалось загадкой.
К слову, этот минерал можно получить и в лабораторных условиях, но его очень трудно внедрить в сам бетон.
«Никто никогда не производил тоберморит при 20 градусов по Цельсию. Кроме римлян», — говорит ведущий автор исследования, геолог из Университета Юты Мари Джексон (Marie Jackson).
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.
Результаты исследования древнеримского бетона опубликованы в научном издании American Mineralogist.
Древнеримский цемент был лучше.
В сфере изготовления цемента современным строителям есть чему поучиться у древних римлян, считают исследователи, которые изучали древние строительные технологии под руководством Пауло Монтейро из Департамента энергетики Национальной лаборатории Лоренса Беркли в США.
Древнеримская технология изготовления цемента оказалась более передовой, чем современная — она требует меньших затрат энергии и является более экологичной, а сам кирпич по прочности превосходит современный, говорится на сайте Лаборатории Лоренса Беркли.
Сейчас в мире наиболее широко применяется портландцемент, который считается очень качественным. Но из-за того, что для его производства нужно подогревать смесь известняка и глины до 1450°С, от сгорания топлива выделяется углекислый газ. Кроме того, такой газ выделяет и сам нагретый известняк.
Римляне же, наоборот, для производства цемента использовали меньше извести и подогревали её только до 900°С. В этом процессе им нужно было меньше топлива — соответственно снижались и выбросы в атмосферу от его горения.
В состав цемента у римлян входила известь и магматические горные породы. Для возведения подводных конструкций смешивали известь и вулканический пепел, и такую смесь выкладывали в деревянную опалубку. Морская вода вызвала горячую химическую реакцию. Известь гасилась (проходила реакция гидратации), взаимодействовала с вулканическим пеплом, и вся смесь начинала застывать.
С древних времён сохранились и записи древних римлян о качестве цемента и вулканического пепла.
Вначале Витрувий, инженер императора Августа, а позже Плиний Старший записал, что самый лучший цемент получался из пепла, взятого в районе Неаполитанского залива, особенно в окрестностях одного из приморских городов, современного Поццуоли.
Такой вулканический пепел имеет специальное название — пуццолан. Пепел такого типа можно встретить в разных частях мира, в частности, его можно добыть в Украине и в Карпатских, и Крымских горах.
Учёные выделяют несколько особенностей, которые делают древнюю технологию изготовления цемента более передовой, чем современную.
Во-первых, изменился состав бетона. Бетон на основе портландцемента состоит из кальция, силикатов и гидратов (К-С-Г). В состав римского бетона входило меньше кремния, а вместо него добавлялся ещё один компонент — алюминий. Такое сочетание кальция, алюминия, силикатов и гидратов (К-А-С-Г) позволяло создать очень прочный материал.
Во-вторых, древнеримский и современный цементы имеют разную структуру. Цемент на основе К-С-Г, застывая, становится похожим на такие природные структуры, как тоберморит и женнит. Однако он только подобен им — идеальной кристаллической структуры в современных цементах не увидеть.
Однако тоберморит обнаруживается в составе древнего римского бетона, который образуется там благодаря добавлению алюминия. Кроме того, само сочетание алюминия с тоберморитом даёт чрезвычайно прочный и долговечный материал.
Анализ показал, что по римскому рецепту для изготовления цемента требуется значительно меньше извести — его добавляется только 10% от веса всех компонентов. Температура, которой подвергается смесь, также на треть меньше, чем требуется при изготовлении портландцемента. А известь при реакции с богатым на алюминий пуццоланом и морской водой даёт очень прочные сочетание К-А-С-Г и алюминий-тоберморита.
«В середине 20-го века бетонные конструкции были рассчитаны на 50 лет, и немало таких зданий уже доживает свой век», — говорит Пауло Монтейро, профессор гражданской и экологической инженерии в Университете Калифорнии.
По словам специалиста, нынешние сооружения рассчитаны на 100—120 лет. Однако римские портовые сооружения сохранились на протяжении 2 тысяч лет и выстояли в условиях химического воздействия и подводных течений.