Откуда есть и пошёл бетон

Добрый день!

Очень много копий ломается по вопросам литого, то есть искусственного камня, например, геобетона, и умений древних людей. Нужно сказать, что искусственные материалы люди изобретали с о-о-очень древних времён, ибо были наблюдательны, пытливы умом, а главное, у них была в этом необходимость. Гору с пещерами за собой ведь не утащишь, а крепкое, надёжное жильё и защитные стены лишними никогда не бывают :о)

В зависимости от того, как мы будем интерпретировать термин "бетон", мы можем определять и время его изобретения. Древние материалы, полученные путём дробления и обжига известняка или гипса, представляли собой сырые цементы. Когда к этим цементам добавляли воду и песок, они превращались в раствор, который представлял собой гипсовый/известковый материал, изпользуемый для приклеивания камней друг к другу. За тысячи лет строительного опыта человечества эти материалы были усовершенствованы, объединены или изпользовались в сочетании с другими материалами и, в конечном итоге, превратились в современный бетон.

Современный бетон изготавливается из цемента (производится много разновидностей), крупных и мелких наполнителей, воды и разного рода модифицирующих добавок.

Предшественник бетона был изобретён примерно в 1300 г. до н.э., после того, как ближневосточные строители обнаружили, что, когда они покрывали наружные поверхности своих глинобитных крепостей и стен домов тонким влажным слоем обожжённого известняка, он вступал в химическую реакцию с газами воздуха и образовывал твёрдую защитную корку. Это был ещё не бетон, но это было началом развития цемента. Ранние цементные композитные материалы, которые применялись в каменном строительстве, как правило, включали в себя дроблённый обожжённый известняк, песок и воду. В отличие от бетона, они не заливались в форму.

Цемент, как один из ключевых компонентов современного бетона, существует в природе уже давно. Например, на территории нынешнего Израиля около 12 миллионов лет назад образовались природные месторождения цемента, возникшие в процессе самовозгорания горючих сланцев и их реакции с известняком. Однако цемент сам по себе не является бетоном. Бетон - это композитный строительный материал. Его компоненты, а цемент - только один из них,  изменялись с течением времени и меняются даже сейчас. Рабочие характеристики, задаваемые бетону, могут изменяться в зависимости от различных и разнонаправленных сил, которым бетон должен противостоять. Эти силы могут быть давящими или ударными, они могут исходить сверху (сила тяжести), снизу (вздымающаяся почва), с боков (боковые нагрузки), или они могут принимать форму эрозии, изтирания или химически агрессивной атаки. Компоненты бетона и их пропорции называются конструктивной смесью.

Изпользование бетона в древности

Первые бетоноподобные сооружения были построены набатейскими торговцами или бедуинами, которые примерно в 6500 г. до н.э заселяли и контролировали ряд оазисов и создали небольшую империю в регионах южной Сирии и северной Иордании. Позже они обнаружили преимущества гидравлической извести, то есть цемента, который затвердевает под водой, и к 700 г. до н.э. они уже строили печи для приготовления строительного раствора для строительства домов со стенами из щебня, бетонных полов и подземных водонепроницаемых цистерн. Цистерны держались в секрете и были одной из причин, по которой Набатеи могли процветать в пустыне.

Набатеи понимали необходимость при создании бетона делать смесь как можно более сухой (с меньшим водоцементным отношением или с малой усадкой), так как избыток воды становится причиной образования в бетоне пустот и слабых мест. Их строительные технологии включали утрамбовку свежеуложенного бетона специальными инструментами. В процессе утрамбовки образуется больше геля - связующего материала, образующегося в результате химических реакций, текущих во время гидратации. Гель связывает частицы заполнителя и окаменевает вместе с ними.

Старинное набатейское здание

У набатейцев, как и 500 лет спустя у римлян, был доступный местный материал, который можно изпользовать, чтобы сделать цемент водонепроницаемым. На их территории находились крупные поверхностные залежи мелкого кварцевого песка. Грунтовые воды, просачивающиеся через кремнезём, могут превратить его в пуццолан, который представляет собой песчаный вулканический пепел. Чтобы изготовить цемент, набатеи отыскивали такие залежи, выкапывали этот материал и соединяли его с известью. Затем они нагревали его в тех же печах, которые изпользовали для изготовления своей керамики, поскольку целевые температуры лежали в том же диапазоне.

Примерно в 5600 году до н. э. вдоль реки Дунай в районе бывшей Югославии были построены дома с изпользованием для полов материала типа бетона. Для этого были смешаны красный известняк, гравий, вода и песок.

Египет

Около 3000 г. до н.э. древние египтяне для формирования кирпичей изпользовали грязь, смешанную с соломой. Грязь с соломой больше похожа на саман (глинобитный материал), чем на бетон. Тем не менее, при строительстве пирамид египтяне также использовали гипсовые и известковые растворы, хотя большинство из нас думают о строительном растворе и бетоне как о двух разных материалах. Великая пирамида в Гизе потребовала около 500 000 тонн строительного раствора, который изпользовался в качестве подстилающего материала для каменной облицовки видимой поверхности готовой пирамиды. Это позволило каменщикам вырезать и устанавливать обсадные камни с открытыми швами не шире, чем 1/50 дюйма.

Камень оболочки пирамиды

Китай

Примерно в то же время (3 тысячи лет до новой эры) северные китайцы (провинция Ганьсу) изпользовали разновидность цемента при строительстве лодок (омоноличивали бамбук, из которого делали корпус) . Их бетон был зеленовато-чёрного цвета и содержал цемент, молотые кости, бой глиняной посуды, песок и воду. Бетон изпользовался и при строительстве Великой китайской стены. Спектрометрический анализ подтвердил, что ключевым ингредиентом в строительном растворе в Великой стене и других древних китайских сооружениях, был глютеновый клейкий рис. Некоторые из этих сооружений выдержали изпытание временем и устояли даже перед современными попытками сноса бульдозерами.

Древние греки и римляне

Древнегреческий бетон с мелким гравием

К 600 г. до н.э. греки открыли природный пуццолан, который при смешивании с известью развивал гидравлические свойства. Самыми ранними являются образцы бетона из Микен, затем троянские и македонские. Но греки были далеко не так плодотворны в бетонном строительстве, как римляне. Поэтому широкой публике греческий бетон менее известен.

К 200 г. до н.э. римляне очень успешно строили из бетона, но он не был похож на тот, который мы изпользуем сегодня. Это не был пластичный, текучий материал, заливаемый в формы, он походил на сцементированный щебень. Римляне строили большую часть своих сооружений, укладывая камни разного размера и заполняя раствором пространство между камнями вручную. Над поверхностью земли римские стены снаружи и внутри зданий были облицованы глиняными кирпичами, которые также служили формой (опалубкой) для бетона. Кирпич имел небольшую конструктивную ценность или не имел её вообще. Изпользование кирпичей (кроме функции опалубки) было главным образом декоративным. До этого времени и в большинстве мест того времени (включая 95% Рима) обычно изпользовались строительные растворы, представляющие собой простой известняковый цемент, который медленно затвердевал в результате реакции с углекислым газом из воздуха. Истинная химическая гидратация не произходила. Эти растворы были слабыми.

Для более крупных сооружений, а также для  наземной инфраструктуры, требующей большей долговечности и прочности, римляне изготавливали цемент из вулканического песка естественного произхождения, называемого harena fossicia. Для морских сооружений и тех, которые подвергаются воздействию пресной воды, таких как мосты, доки, ливневые стоки и акведуки, римские строители изпользовали вулканический песок под названием поццуолана (pozzuolana). Эти два материала, вероятно, представляют первое широкомасштабное изпользование по-настоящему цементирующего связующего вещества. Pozzuolana и harena fossicia вступают в химическую реакцию с известью и водой, гидратируя и затвердевая в виде искусственного камня, который можно изпользовать под водой. Римляне также изпользовали эти материалы для строительства больших сооружений, таких как римские бани, Пантеон и Колизей, и эти сооружения сохранились до наших дней. В качестве добавок римские строители применяли животный жир, молоко и кровь - материалы, отражающие очень рудиментарные методы. С другой стороны, в дополнение к изпользованию природных пуццоланов римляне научились изготавливать два типа искусственных пуццоланов - кальцинированную каолиновую глину и кальцинированные вулканические камни, которые, наряду с впечатляющими достижениями римлян в строительстве, свидетельствуют о высоком уровне технической сложности технологий  того времени.

Пантеон

Построенный римским императором Адрианом и завершённый в 125 году нашей эры, Пантеон имеет самый большой из когда-либо построенных неармированный бетонный купол. Купол имеет диаметр 142 фута и 27-футовое отверстие, называемое окулусом, на его вершине. Окулос находится в 142 футах над полом. Вероятно, купол возводили, начиная с внешних стен и наращивая все более тонкие слои, работая по направлению к центру.

Пантеон имеет внешние фундаментальные стены шириной 26 футов и глубиной 15 футов, выполненные из пуццоланового цемента (известь, реактивный вулканический песок и вода), утрамбованного поверх слоя плотного каменного заполнителя. То, что купол все ещё существует, - это какая-то случайность. Оседание и движение в течение почти 2000 лет, наряду со случайными землетрясениями, создали трещины, которые обычно ослабляют конструкцию настолько, что к настоящему времени она должна была упасть. Внешние стены, поддерживающие купол, содержат семь равномерно расположенных ниш с камерами между ними, которые не выходят наружу. Эти ниши и камеры, первоначально предназначались только для минимизации веса конструкции. Они утончают основные части стен, и действуют как компенсационные швы, определяющие места трещинообразования. Напряжения, вызванные движением, снимаются растрескиванием в нишах и камерах. Это означает, что купол по существу поддерживается 16 толстыми, конструктивно прочными бетонными столбами, образованными частями внешних стен, расположенных между нишами и камерами. Другим способом снижения веса было изпользование очень тяжелых агрегатов в нижних участках конструкции и изпользование более легких, менее плотных агрегатов, таких как пемза, высоко в стенах и в куполе. Стены также сужаются по толщине, чтобы уменьшить вес, передаваемый сверху на нижние конструкции основания.

Римские Гильдии

Ещё одним секретом успеха римлян было создание ими торговых гильдий. Каждая профессия имела гильдию, члены которой были ответственны за передачу знаний о материалах, технике и инструментах своим ученикам и римским легионам. Помимо боевых действий, римские легионы должны были быть самодостаточными, поэтому легионеры также обучались методам строительства и инженерии.

Технологические вехи

В Средние века бетонная технология откатилась далеко назад. После падения Римской Империи в 476 году н. э., методы изготовления пуццоланового цемента были утрачены, пока открытие в 1414 году рукописей, описывающих эти методы, не возродило интерес к строительству из бетона.

По материалам интернета

Список ссылок на другие публикации по этой теме выложены на канале нашего журнала неделю назад