Использование бетона в строительстве в древнем мире

   Продолжая исследования  образцов египетских пирамид,  полученных от Лауэра, Давидович вскоре обнаружил еще более интересные вещи. Например, практически на поверхности камня он обнаружил ВОЛОСОК. И.Давидович обратился в три лаборатории с вопросом - что это такое? Все лаборатории в один голос заявили, что это - "маленький жгутик из трех органических волокон, скорее всего, волос". Присутствие волос в природном известняке исключено. Известняк формировался около 50 миллионов лет тому назад, на дне океана. В природных известняках никогда не находят волос, и вообще органических остатков. Если же это - бетон, то волосок, упавший, скажем, с руки рабочего, или оторвавшийся от волосяного каната, - вещь вполне понятная.

   И.Давидович приводит также  много других серьезных доводов,  доказывающих искусственное происхождение  камня, из которого изготовлены  пирамиды и многие статуи "древнего" Египта. Пытаясь расширить свои  исследования, и в частности, разобраться  - из чего сделана голова Большого  Сфинкса, Давидович в 1984 году  обратился в Египетское Управление  Древностей с просьбой разрешить  ему исследования на месте.  Получить образцы, взять на  анализ камни пирамид, Сфинкса  и египетских каменных карьеров. Ему было отказано. Причину выставили  следующую. "Ваша гипотеза представляет  лишь личную точку зрения, которая  не соответствует археологическим  и геологическим фактам".

   Таким образом, по мнению  египтологов, научные точки зрения  бывают личные и неличные. На  личные точки зрения, даже ученых-профессионалов, внимания можно не обращать. Такая  позиция превращает науку просто  в идеологию.

Использование бетона в древнем Риме

Однако бетон в современном  понимании этого термина, имеющего латинское происхождение «beton» — горная смола, стал применяться древними римлянами.

Сущность изготовления римского бетона сводилась к следующему. Свежую обожженную известь гасили, смешивая с инертными  добавками, после чего наливали на слой балласта (камня) и уплотняли трамбовками Затем бетон засыпали слоем земли и оставляли для твердении без доступа воздуха на 1 — 2 года. Такая технология определяли высокую прочность римского бетона.

К техническим достижениям древних  римлян в области бетона следует  отнести применение гидравлических добавок и легких заполнителей, уплотнения (трамбования), особых условий твердения. О внимательном изучении свойств бетона римлянами свидетельствует трактат Витрувия, в котором дано определение роли пуццоланы в качестве гидравлической добавки: «В соединении с известкой и бутом она не только сообщает крепость зданиям вообще, но даже когда при помощи нее выкладывают дамбы в море, то и они приобретают прочность под водою». Таким образом, задолго до изобретения в XIX в. портландцемента римлянам удалось создать вяжущее из естественных материалов, обладающее высокими прочностными и гидравлическими качествами. Создание бетона и его внедрение в строительство является важнейшим изобретением древних римлян. Именно это выдающееся изобретение, сугубо технологическое на первый взгляд, во многом способствовало тем архитектурным достижениям Древнего Рима, которые до сих пор сохраняют для человечества значение образца. Такие гигантские сооружения Рима, как склады Эмилиев (II в. I до н. э.), мосты и акведуки, термы и базилики, перекрытые бетонными сводами, определяют лицо архитектуры Древнего Рима, ее эстетическую концепцию организации пространства. I Вершиной архитектурного использования бетонной конструкции в античном мире является здание Пантеона в Риме (115 — 125 гг. н. э.). В стенах и куполе, внутренний диаметр которого составляет 43,5 м, широко использован бетон на легких заполнителях (туф, пемза, глиняные сосуды). Бетонная конструкция купола, являвшаяся средством решения сложной пространственной задачи, далеко выходит за рамки только технического решения.

Достижение этой сверхзадачи в  Пантеоне было бы невозможным без  виртуозного овладения римлянами  бетонной техникой, без талантливого инженерного конструирования купола на основе постепенного уменьшения объемной массы заполнителей бетона. Именно поэтому он признан вершиной древнеримской  архитектуры. Но не следует забывать, что путь к этому был долгим: через столетия примитивных решений  и простейшей технологии — к пространству легких арок, сводов и куполов.

Римский бетон применялся античными строителями почти 2000 лет назад. Когда Римская империя стала распадаться и возник большой дефицит рабочей силы, постепенно пропал интерес к этому древнему материалу. Кустарно-ремесленный способ ведения хозяйства средневековья привел к тому, что бетон практически вышел из употребления и был почти забыт. Такое «забвение» продолжалось очень долго — до тех пор, пока потребности молодых капиталистических государств не заставили вновь обратить на него внимание строителей. Но произошло это спустя почти 1300 лет после падения Древнего Рима.

Несомненно, что на широкое распространение  римского бетона определенное влияние  оказала политическая и экономическая  структура античного общества, особенно ее победоносные войны с завоеванием  большого количества золота и громадным  притоком рабов. Однако не в меньшей  степени, а может быть, даже в большей, этому способствовал и ряд  крупных технических достижений. В частности, открытие римлянами  свойств пуццолановых добавок, значительное улучшение состава бетона за счет использования чистых и даже в  отдельных случаях фракционированных  заполнителей взамен ранее применявшегося грунта и тщательное уплотнение бетонной смеси, которому римляне уделяли большое внимание и которое в значительной степени способствовало улучшению качества бетона. Предположительно, в период наивысшего развития бетона (11 в. н. э.) римлянами были разработаны и новые виды вяжущих веществ типа романцемента, позволившие в значительной степени улучшить физико-механические и деформативные характеристики возводимых ими бетонных сооружений. Следует указать и на строгий, обязательный контроль при получении и приемке исходных материалов для бетона, и на методы производства работ.

Сочетание указанных нововведений и явилось, вероятно, той основной причиной поразительной долговечности  римского бетона, которую до сих  пор нередко связывают с якобы  утраченными секретами античных строителей. Помимо этого представляется, что повышению долговечности  бетона способствовали и географические условия Италии с ее теплым и влажным  климатом, в то время как в других странах с более суровым климатом постройки из такого же бетона сохранились  плохо.

В наше время трудно допустить возможность  использования римской технологии в производстве бетонных работ, хотя возведение долговечной и красивой каменной опалубки-облицовки на бетонной стене не лишено смысла Вероятно, сегодня  не потеряли своей значимости и конструктивные особенности римских бетонных дорог, полов, сводов и куполов, особенно в  связи с тем, что, не умея бороться с растягивающими и изгибными  напряжениями бетонных конструкций, римляне  прекрасно «научили» их работать на сжатие. И этот опыт древнеримских строителей заслуживает самого пристального внимания. Несомненно, большой интерес представляет и химико-минералогический состав римских цементов.

Сегодня обстоятельства заставляют нас  строить быстро и экономично, но не всегда эстетично. Для римлян же красота была требованием, без которого сооружение теряло право на жизнь.

Необходимо рассмотреть еще  один важный вопрос. Это очередной  вопрос-загадка. Железобетон. Применялся ли он в Древнем Риме?

На основании современных исследований вывод напрашивается отрицательный. У древних авторов также отсутствуют  какие-либо сведения о применении металлической  арматуры. Упоминается лишь об использовании  «скрепления» в бетоне — веток  и стеблей деревьев, шерсти животных. Витрувий в одной из своих книг советует при строительстве небольших сводов употреблять побеги тростника с ивой.

Однако недавно на территории Австрии  — бывшей римской провинции —  обнаружены интересные археологические  находки. Неподалеку от города Клагенфурта (бывший Норикум) в бетонном перекрытии свода отопительного канала найдены металлические вкладыши в виде полосового железа шириной 2—3 см и толщиной 4—6 мм. Время сооружения — приблизительно 15 г. н. э. Арматура в виде сплетенных сеток обнаружена также в одном из перекрытий Геркуланума и термах Траяна в Риме. Есть сведения о применении в качестве арматуры бронзовых стержней.

Можно ли по этим немногочисленным фактам делать вывод о применении железобетона в Риме? Видимо, в современном  значении этого понятия, когда под  словом «применение» подразумевается  широкое распространение продукции  в практике строительства — нет.

Античные строители скорее всего имели представление о материале, подобном железобетону, возможно, даже «почувствовали» отдельные его достоинства, однако внедрить его в массовое производство так и не смогли. Для этого в то время не было технических возможностей. Был большой дефицит металла, не было соответствующих производств и технологий, где можно было бы его выпускать; недостаточно было «высокомарочных вяжущих веществ», которые смогли бы обеспечить заданное сцепление с бетоном. Древний Рим, его общественный строй и вся та эпоха оказались неподготовленными работать с железобетоном. И это был далеко не единичный случай. Так, римляне оказались не готовы к внедрению паровой турбины, не смогли применять у себя асфальтобетон и другие нововведения, хотя все это им было известно.

Каждому материалу, технологии или  устройству необходимо свое время и  железобетон здесь не исключение.

В заключение хотелось бы напомнить  слова известного французского историка архитектора Огюста Шуази о том, что в отношении архитектурно-декоративных форм мы прибегаем к заимствованию у древних римлян и, вероятно, в производстве конструкций мы также могли бы кое-чему у них поучиться. «И бетонных конструкций» — скажем мы.

Свойства  бетона

Геологические свойства бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально  составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения.

Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси  и к бетону.

Основной структурообразующей  составляющей в бетонной смеси является цементное тесто.

Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей  удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.

При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет  подобно вязкой жидкости. Поэтому  бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости.

Свойство бетонной смеси разжижаться  при механических воздействиях и  вновь загустевать в спокойном  состоянии называется тиксотропией

Технические свойства бетонной смеси

При изготовлении железобетонных изделий  и бетонировании монолитных конструкций  самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность.

 Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:

подвижность бетонной смеси (П), являющуюся характеристикой структурной прочности  смеси;

жесткость (Ж), являющуюся показателем  динамической вязкости бетонной смеси;

связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.

Подвижность бетонной смеси характеризуется  измеряемой осадкой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию. Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью.

Жесткость бетонной смеси характеризуется  временем (с) вибрирования, необходимым  для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси  в приборе для определения  жесткости.

Связность бетонной смеси обуславливает  однородность строения и свойств  бетона. Очень важно сохранить  однородность бетонной смеси при  перевозке, укладке в форму и  уплотнении. При уплотнении подвижных  бетонных смесей происходит сближение  составляющих ее зерен, при этом часть  воды отжимается вверх. Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

Удобоукладываемость бетонной смеси

Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/м3) распределяется между цементным тестом (Вц) и заполнителем (Взап): В= Вц + Взап. Количество воды в цементном тесте определяют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси - подвижность и жесткость.

Водопотребность заполнителя Взап является его важной технологической характеристикой; она возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков.

Для обеспечения требуемой прочности  бетона величина водоцементного отношения  должна сохраняться постоянной, поэтому  возрастание водопотребности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он достигает 15-25%, поэтому мелкие пески следует применять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность

Деформативные свойства бетона

Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругиe материалы. Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия.

Область условно упругой работы бетона - от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины.

Опыты подтвердили, что при небольших  напряжениях и кратковременном нагружения для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины.

Модуль упругости бетона возрастает при увеличении прочности и зависит  от пористости: увеличение пористости бетона сопровождается снижением модуля упругости.

При одинаковой марке по прочности  модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе меньше в 1,7-2,5 раза тяжелого. Еще ниже модуль упругости  ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона можно управлять, регулируя его структуру. Модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равными между собой:

Есж = Ер = Еб.