Об истории строительных растворов и бетона. Древность и античность.

 Бетонная ванна в Кесарии Палестинской  (известная также, как Себастос, на латыни Цезарея Маритима,) создана древними римлянами.

      Я хочу дать  небольшой, не претендующий на полноту обзор истории строительных растворов и раннем применении бетона. Тема это интересная, хотя поначалу   кажется суховатой. Но в последние годы ей уделялась масса внимания – исследовались связывающие растворы зданий из разных культур и времен, искусственные монолиты древности. Исследователи получили массу интересных результатов, для истории технологии и арзитектуры весьма и весьма ценных. Тут, в этой теме, можно увидеть прогресс, определенные этапы достижений, позволяющих создавать все более сложные строения, а также взаимовлияние разных культур. Пару слов о химии строительного раствора. В современности это смесь цемента, песка и воды. Сам цемент получают спеканием известняка и глины при температурах около 1450 градусов. Известняк разлагается до окиси кальция, а глина состоит из гидратированных окислов кремния, алюминия и железа. Получившаяся окись кальция реагирует с ними, например, так:

 2CaO + H₄SiO₄ —>  Ca₂SiO₄  + 2 H₂O

      Образуются также и силикаты кальция другого вида. Окислы алюминия и железа также образуют в реакции с окисью кальция  алюминаты и алюмоферриты кальция. Все эти соли способны гидратироваться, то есть присоединять воду, причем  смесь после перемешивания постепенно твердеет, что разными способами (например, добавками) можно варьировать. Это способность цемента называется гидравлической. К технологии получения цемента пришли, понятно, далеко не сразу, но уже в античности достигли весьма впечатляющих результатов в  области строительных растворов. Первый этап – использование обожженой извести и разных силикатов, которые способны с ней реагировать.. 

Месопотамия.

В Месопотамии практически не было камня, но была глина, из которой стали делать кирпичи, которые вначале сушили на солнце, а лишь потом начали обжигать. Крепили кладку битумом, который был доступен строителям. Так был построен зиккурат в Сиалке, Иран, время постройки около 2900 лет до нэ, использовались кирпичи, высушенные на солнце, храм Chogha Zanbil в Иране, построенный в 1250 г. до нэ, использовал уже обожженые в печи кирпичи, но снова  битум в качестве связки. 

Древний Египет.

Известняковые блоки старых пирамид (2900 г. до нэ)  прокладывались глиной и илом, великие пирамиды (пирамида Хеопса, примерно 2600 г. до нэ) и Сфинкс (примерно 1400 г. до нэ) – раствором, большую часть которого составлял гипс, хотя точная рецептура используемой смеси неясна.

 Древняя Греция

Проблема идентификации старейших строительных  растворов, используемых в Древней Греции заключается, между прочим,  в том, что греки часто разбирали старые здания при постройке новых. Но, конечно, для археологов это препятствие преодолимое. Сохранившийся памятник найти можно. В городе  Мегара в конце VII века правил тиран Феаген. «… Феаген, подобно другим тиранам, уделял внимание городскому благоустройству. При нем в Мегарах был построен водопровод, подводивший к городу воду из загородного источника, посвященного Сифнидским нимфам (Paus., I, 40, 1; 41, 2). Вода поступала в большой резервуар (17 × 13 м), стены которого были сложены из больших каменных блоков. Крыша сооружения опиралась на тридцать пять колонн, которые, как и стены водоема, хорошо сохранились».

Рис. 1. Резервуар фонтана Феагена в Мегаре, время построения примерно 600 г. до нэ: первое известное  применение «протоцемента» и бетона на его основе.

 При исследовании этого резервуара выяснилось, что его стены обмазаны слоем  известкового раствора толщиной 12 мм, включающего в себя вулканический пепел из области Поццуоли  (или Путеоли – район современого Неаполя), где существовали греческие колонии. Можно себе представить, насколько ценным было изобретение  раствора в глазах греков, если его компонент везли из такой дали. Пепел из Поццуоли – туф и получаемый из него тонкий песок, то есть силикатный порошок (рис. 2), содержащий также большое количество окиси алюминия.  Реакция, которая происходит в такой смеси, очень близка к реакции, происходящей при получении современного цемента.

 Ca(OH)₂ + H₄SiO₄ —> Ca²⁺ + H₂SiO₄^2- + 2 H₂O —> CaH₂SiO₄ · 2 H₂O

 В  результате совместного применения гашеной извести и пепла получается  очень хорошее приближение к современному цементу. Как и в сегодня, в смесь иногда добавляли и гипс, который меняет скорость схватывания смеси и улучшает в результате качество. То есть технология была создана достаточно современная.

Рис. 2. Поццолан – ключевой материал для  античного строительства.

 Потом  греки использовали вулканический пепел с  островов Тира и Нисирос, и стали добавлять вместо пепла дробленую керамику, что увеличивало плотность раствора. Фактически получаемые из таких растворов монолиты уже являются бетоном. Поэтому время изобретения известкового раствора и бетона – не позже VII века до нэ и вероятные авторы изобретения – древние греки из колоний в Северной Италии. 

Древний Рим.

Понятно, что римляне не только переняли строительную технологию древних греков, но и по, мере возможности, внесли  в нее свой вклад. Древнеримский архитектор Витрувий в своих «Десяти книгах об архитектуре» (около 25 г. до нэ) наряду с известковыми растворами и бетоном для наземного строительства упоминает бетон для морских сооружений (рисунок в начале этого очерка). В самом деле,  известны  молы из римского «протобетона». Такой бетон стал использоваться со 2 века до нэ.

Рис.3. Вид на гавань Ирода Великого сверху (аэрофото). Часть сооружений гавани находится под водой, но хороша видна на этом снимке.

 К ним обратились и исследователи «морского бетона» римлян в рамках проекта Roman Maritime Concrete Study (ROMACONS), собиравшие его образцы из морских сооружений римлян (построенных в период примерно 6 веков), и проводившие модельные эксперименты по строительству на основе растворов, которые использовали римляне. Вначале это были объекты на Аппенинах:  Portus, Anzio, Cosa, Santa Liberata, и Baia). Потом объектом их исследования стала  Кесария Палестинская, где в очень короткие сроки, менее, чем за десятилетие (около  23-15 гг. до нэ) была построена гавань для Ирода Великого, правителя Иудеи (рис. 3). Даже по современным стандартам это был большое и сложное строительство, проведенное в очень короткие сроки, и при этом очень квалифицированно.  Стараясь понять, как строили римляне,   ее исследуют уже с 60 годов, и результаты получены очень любопытные. Во-первых, римляне  использовали разные виды  опалубки: простую и два варианта сложной (рис. 4 и 5).

Рис. 4. Простая опалубка: в песок вбиваются сваи, вода откачивается, внутреннее простанство заполняется бетоном. Но на деле этот способ весьма трудоемок.

 Рис. 5. На земле строится короб с двойной стенкой, он транспортируется на место, пространство между стенками заполняется раствором, после чего короб садится на дно. Откачивается вода, и раствором заполняют внутреннее пространство короба. Существовал вариант, когда строительство продолжалось уже на достаточно большой глубине нескольких метров.

На рис. 6 изображен типичный образец древнеримского бетона. Поццолан для строительства гавани, как показывает исследование,  был с Аппенин, из Поццуоли у Неаполя. То есть строительство потребовало также подвоза этого компонента морем. Один из современных исследователей,  Брэндон, посчитал, что при строительстве гавани Ирода Великого в Кесарии было использовано примерно 35,000 куб. метров бетона, что потребовало доставки   24,000 куб метров поццолана (около. 52,000 тонн), разработки 12,000 куб метров его местного заменителя куркара,  дававшего, однако, бетон более низкого качества, и прозводства 12,000 куб.метров гашеной извести. Только поццолан  примерно 100-150 больших судов, некоторые из которых были грузовые перевозчики зерна из Александии в Поцциоли, откуда зерно отправлялось в Рим, а назад они везли в качестве балласта или полноценного груза  поццолан. Учитывая расстояние в 2000 км от Неаполя, и необходимость координации работ с доставкой зерна и погодой,  строительная задача, и без того непростая, становилась еще более сложной, и  исследователи говорят, что применение заменителя отчасти  вело к снижению качества бетона по сравнению  с аналогичными молами   на Аппенинах.

Рис. 6. Образец древнеримского бетона.

 В рамках того же проекта исследовалась небольшая римская крепость Херсонис на северном побережье Крита. И там для бетона использовался поццолан из Италии. То есть, получается, для римлян это была гарантия качественного бетона.

(с) Сергей Алданов