Beton rzymski - Roman concrete

zdjęcie przedstawiające betonowy spód dużej kopuły
Panteon w Rzymie jest przykładem konstrukcji betonowej rzymskiego.

Beton rzymski , zwany także opus caementicium , był materiałem stosowanym w budownictwie w starożytnym Rzymie . Beton rzymski powstał na bazie cementu hydroutwardzalnego . Jest trwały dzięki zawartości popiołu pucolanowego , który zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć. W połowie I wieku materiał był często używany, często licowany cegłą, chociaż różnice w kruszywie pozwalały na różne układy materiałów. Dalsze innowacyjne rozwiązania w zakresie materiału, zwane rewolucją betonową , przyczyniły się do powstania skomplikowanych konstrukcyjnie form, takich jak kopuła Panteonu , największa i najstarsza na świecie kopuła z niezbrojonego betonu.

Beton rzymski był zwykle licowany kamieniem lub cegłą, a wnętrza mogły być dodatkowo ozdobione sztukaterią , freskami lub cienkimi płytami z fantazyjnych kolorowych marmurów. Składający się z kruszywa i dwuczęściowego systemu cementowego znacznie różni się od współczesnego betonu. Kruszywo było zazwyczaj znacznie większe niż we współczesnym betonie, często zamieniając się w gruz, w wyniku czego było układane, a nie wylewane. Niektóre rzymskie betony można było ustawić pod wodą, co było przydatne w przypadku mostów i innych konstrukcji nadwodnych.

Nie jest pewne, kiedy powstał beton rzymski, ale był on wyraźnie w powszechnym i zwyczajowym użyciu od około 150 roku p.n.e.; niektórzy uczeni uważają, że został opracowany sto lat wcześniej.

odniesienia historyczne

Zdjęcie przedstawia pozostałości starożytnego rzymskiego portu morskiego
Cezarea jest najwcześniejszym znanym przykładem zastosowania technologii podwodnego betonu rzymskiego na tak dużą skalę.
Wnętrze gołej, betonowej kopuły, zwanej dziś Świątynią Merkurego, z dwoma kwadratowymi oknami w połowie wysokości kopuły po drugiej stronie, okrągłym oculusem u góry i poziomem wody sięgającym do podstawy kopuły
Ruiny tzw. „Świątyni Merkurego” w Baiae , rzymskiego basenu frigidarium łaźni zbudowanej w I wieku p.n.e. w okresie późnej Republiki Rzymskiej , zawierające najstarszą zachowaną betonową kopułę i największą przed Panteonem

Witruwiusz , pisząc około 25 roku pne w swoich Dziesięciu Księgach Architektury , wyróżnił rodzaje kruszyw odpowiednich do sporządzania zapraw wapiennych . Do zapraw strukturalnych polecał pucolana ( łac. pulvis puteolanus ), piasek wulkaniczny z pokładów Pozzuoli , które są koloru brązowo-żółto-szarego w okolicach Neapolu i czerwono-brązowego w okolicach Rzymu. Vitruvius określa proporcję 1 część wapna do 3 części pucolany dla cementu używanego w budynkach oraz proporcję 1:2 wapna do pucolany dla prac podwodnych, zasadniczo taki sam stosunek mieszany obecnie dla betonu używanego w obszarach morskich.

W połowie I wieku naszej ery zasady konstrukcji podwodnych z betonu były dobrze znane rzymskim budowniczym. Miasto Cezarea było najwcześniejszym znanym przykładem wykorzystania technologii podwodnego betonu rzymskiego na tak dużą skalę.

W celu odbudowy Rzymu po pożarze w 64 rne , który zniszczył duże części miasta, nowy kodeks budowlany Nerona w dużej mierze wymagał betonu licowanego cegłą. Wydaje się, że sprzyja to rozwojowi przemysłu ceglanego i betonowego.

Przykład opus caementicium na grobowcu na starożytnej Drodze Appijskiej w Rzymie. Oryginalna osłona została usunięta.

Właściwości materiału

Beton rzymski jak każdy beton składa się z kruszywa i zaprawy hydraulicznej – spoiwa zmieszanego z wodą, które z czasem twardnieje. Kruszywo było zróżnicowane i zawierało kawałki skały, dachówki ceramicznej i gruz ceglany z pozostałości wcześniej rozebranych budynków.

Jako spoiwa zastosowano gips i wapno palone . Pyły wulkaniczne, zwane pucolaną lub „piaskiem dołowym”, były preferowane tam, gdzie można je było pozyskać. Pozzolana sprawia, że ​​beton jest bardziej odporny na działanie słonej wody niż współczesny beton. Zastosowana zaprawa pucolanowa charakteryzowała się wysoką zawartością tlenku glinu i krzemionki . Tuf był często używany jako kruszywo.

Beton, aw szczególności zaprawa hydrauliczna odpowiedzialna za jego spoistość, była rodzajem ceramiki konstrukcyjnej, której użyteczność wynikała w dużej mierze z jego plastyczności reologicznej w stanie pasty. Wiązanie i twardnienie cementów hydraulicznych pochodzących z hydratacji materiałów i wynikającej z niej interakcji chemicznej i fizycznej tych produktów hydratacji. Różniło się to od układania zapraw wapiennych gaszonych , najpowszechniejszych cementów świata przedrzymskiego. Beton rzymski po związaniu wykazywał niewielką plastyczność, choć zachowywał pewną odporność na naprężenia rozciągające.

Ustawienie pucolanowych cementów ma wiele wspólnego z ustawieniem ich nowoczesnym odpowiednikiem cementu portlandzkiego . Cementy z pucolany rzymskiej charakteryzują się wysoką zawartością krzemionki bardzo zbliżoną do współczesnego cementu, do którego dodano żużel wielkopiecowy , popiół lotny lub pył krzemionkowy .

Uważa się, że wytrzymałość i trwałość rzymskiego betonu „morskiego” wynika z reakcji wody morskiej z mieszanką popiołu wulkanicznego i wapna palonego w celu utworzenia rzadkiego kryształu zwanego tobermorytem , który może być odporny na pękanie. Gdy woda morska przesączała się przez maleńkie pęknięcia w betonie rzymskim, reagowała z fillipsytem naturalnie występującym w skale wulkanicznej i tworzyła gliniaste kryształy tobermorytu. Rezultatem jest kandydat na „najtrwalszy materiał budowlany w historii ludzkości”. W przeciwieństwie do tego nowoczesny beton wystawiony na działanie słonej wody niszczeje w ciągu dziesięcioleci.

Struktura krystaliczna tobermorytu : elementarna komórka elementarna

Wytrzymałości na ściskanie nowoczesnych cementów portlandzkich są zazwyczaj na poziomie 50 megapaskali (7300 psi) i poprawiły się prawie dziesięciokrotnie od 1860 roku. Nie ma porównywalnych danych mechanicznych dla starożytnych zapraw, chociaż pewne informacje na temat wytrzymałości na rozciąganie można wywnioskować z pękania Kopuły z betonu rzymskiego. Te wytrzymałości na rozciąganie różnią się znacznie od stosunku woda/cement zastosowanego w początkowej mieszance. Obecnie nie ma możliwości ustalenia, jakimi stosunkami woda/cement posługiwali się Rzymianie, nie ma też obszernych danych na temat wpływu tego stosunku na wytrzymałość cementów pucolanowych.

Technologia sejsmiczna

W środowisku tak podatnym na trzęsienia ziemi, jak półwysep włoski , przerwy i konstrukcje wewnętrzne w ścianach i kopułach tworzyły nieciągłości w masie betonowej. Poszczególne fragmenty budynku mogły się wówczas nieznacznie przesunąć, gdy nastąpił ruch ziemi, aby zniwelować takie naprężenia, zwiększając ogólną wytrzymałość konstrukcji. W tym sensie cegły i beton były elastyczne. Być może właśnie z tego powodu, chociaż wiele budynków uległo poważnym pęknięciom z różnych przyczyn, stoją one do dziś.

Kolejną technologią stosowaną do poprawy wytrzymałości i stabilności betonu była jego gradacja w kopułach. Jednym z przykładów jest Panteon , gdzie kruszywo w górnej części kopuły składa się z naprzemiennych warstw lekkiego tufu i pumeksu , co daje betonowi gęstość 1350 kilogramów na metr sześcienny (84 funty/stopę sześcienną). Fundament konstrukcji wykorzystywał trawertyn jako kruszywo o znacznie większej gęstości 2200 kilogramów na metr sześcienny (140 funtów/stopę sześcienną).

Nowoczesne zastosowanie

Ostatnie przełomowe odkrycia naukowe dotyczące betonu rzymskiego przyciągają uwagę mediów i przemysłu. Ze względu na jego niezwykłą trwałość, długowieczność i mniejszy wpływ na środowisko, korporacje i gminy zaczynają badać zastosowanie betonu w stylu rzymskim w Ameryce Północnej, zastępując popiół wulkaniczny popiołem lotnym z węgla, który ma podobne właściwości. Zwolennicy twierdzą, że beton wykonany z popiołu lotnego może kosztować nawet o 60% mniej, ponieważ wymaga mniej cementu i że ma mniejszy wpływ na środowisko ze względu na niższą temperaturę gotowania i znacznie dłuższą żywotność. Użyteczne przykłady betonu rzymskiego wystawionego na trudne warunki morskie mają 2000 lat i nie były zużywane ani wcale.

Zobacz też

  • Cement modyfikowany energetycznie  (EMC) – klasa cementów obrabianych mechanicznie w celu przekształcenia reaktywności
  • Geopolimer  – polimerowy szkielet Si–O–Al podobny do zeolitów, ale amorficzny
  • Cegła rzymska  – styl cegły stosowany w architekturze starożytnego Rzymu
  • Aktywność pucolanowa  – Zdolność materiałów bogatych w krzemionkę do reagowania z wodorotlenkiem wapnia w celu utworzenia hydratów krzemianu wapnia
  • Tobermoryt  – minerał inokrzemianowy z przeobrażonego wapienia i skarn

Literatura

  • Adam, Jean-Pierre; Mateusz, Antoni (2014). Budynek rzymski . Florencja: Taylor i Francis. Numer ISBN 9780203984369.
  • Lancaster, Lynne C. (2009). Konstrukcje ze sklepieniami betonowymi w Cesarskim Rzymie: innowacje w kontekście . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 9780521842020.
  • Lechtman, Wrzos; Hobbs, Linn (1986). „Romański beton i rzymska rewolucja architektoniczna”. W WD Kingery (red.). Ceramika i Cywilizacja . 3: Ceramika wysokiej technologii: przeszłość, teraźniejszość, przyszłość. Amerykańskie Towarzystwo Ceramiki. Numer ISBN 091609488X.
  • MacDonald, William Lloyd (1982). Architektura Cesarstwa Rzymskiego, t.2, ocena urbanistyczna . New Haven: Yale University Press. Numer ISBN 9780300034561.

Bibliografia

Zewnętrzne linki