Рассказано об истории появления и использования бетона в Древнем Риме начиная с IV в. до н.э. Приведены сведения о сырьевых материалах, методах контроля качества и свойствах бетона. Рассмотрены конструктивные особенности и технология возведения из бетона таких сооружений, как храм, многоэтажные дома, театры, стадионы, гавани, порты, мосты, акведуки, дороги.
Для школьников и широкого круга читателей.
"Бетон - наилучший из материалов, изобретенных человечеством", - сказал знаменитый итальянский архитектор П. Л. Нерви. И он был прав. Оглянитесь вокруг, и вы увидите, что большинство домов в современном городе сделано из бетона. Мосты и тоннели, порты и плотины, дороги и подземные переходы, атомные электростанции и стартовые площадки для ракет - все они изготовлены из этого удивительного материала.
Бетон уже "пробовал" себя в таких, казалось бы, далеких от капитального строительства отраслях, как авиация, судостроение и железнодорожный транспорт. В первой половине нашего века из железобетона было построено много речных, морских судов и дебаркадеров. В экспериментальном порядке изготавливались крылья и фюзеляжи самолетов, железнодорожные вагоны и рамы цистерн, батискафы и подводные лодки. До сих пор не утихают споры вокруг проекта железобетонного моста длиной 85 км через Берингов пролив, который соединил бы Чукотский полуостров с Аляской. В 1984 г. в США выдвинут оригинальный проект сооружения на Луне поселений из бетона. С этой целью на лунной орбите предполагалось создать космический комплекс - бетонный завод с системой специализированных складов. Доставку необходимых материалов для приготовления бетона должны осуществлять специализированные транспортные корабли, стартующие с Земли и Луны. Дозирование и перемешивание компонентов производится на орбитальном бетонном заводе. При этом для создания силы тяжести на орбитальной станции весь комплекс планируется вращать при помощи двух небольших ракет, а внутри станции поддерживать необходимое атмосферное давление.
Разработки американских инженеров показали, что сегодня есть все реальные условия для сооружения железобетонного небоскреба высотой в 1,6 км. Как видно, строительство из бетона и железобетона приобрело такой огромный размах, что XX в. по праву называют "золотым веком" бетона.
Трудно предугадать судьбу бетона и железобетона через 50 лет. Возможно, их потеснят новые виды металлов, стекло-кристаллические или керамические материалы. А пока можно с уверенностью сказать, что в ближайшие десятилетия бетон и железобетон останутся в капитальном строительстве на одном из первых мест среди конструкционных строительных материалов.
Что же заставляет сегодня обратиться к далекой истории бетона? Прежде всего - это стремление понять причины его поразительной долговечности и, кроме того, рассказать о появлении этого удивительного материала, критически оценить разные стороны его жизни, сравнить с другими материалами и взять то полезное, что отфильтровало время на протяжении многих веков.
Знаете ли вы, что первый бетон, точнее псевдобетон, появился очень давно, в каменном веке, когда люди только учились строить жилища. Применение материала, подобного бетону, всегда диктовалось потребностью иметь для строительства прочный и дешевый местный материал, поэтому бетон стал использоваться гораздо раньше, чем металлы. Однако наибольшее развитие бетон получил в эпоху древнеримского государства, где он употреблялся как строительный материал около 700 лет начиная с IV в. до н. э.
Прошло более 2000 лет с тех пор, как появился римский бетон, а построенные из него отдельные здания и сооружения стоят и поныне. При этом некоторые из них постоянно находятся в соленой морской воде, другие, как, например, Пантеон в Риме, пережили несколько крупных землетрясений. Не менее интересными в этом отношении являются гидротехнические сооружения, римские бетонные дороги, многослойные полы, своды и купола.
В чем же причина такой поразительной долговечности римского бетона? Возможно, римляне обладали особым секретом строительства? На этот и другие вопросы вы найдете ответы в этой книге.
Здесь использованы материалы археологических раскопок, статьи, комментарии и монографии советских и зарубежных ученых, тексты и высказывания древнеримских авторов. В частности, достаточно много сведений взято из трудов Тита Ливия, Светония, Тацита, Витрувия, Варрона, Катона, Фронтина, Плиния Старшего и др. Кроме того, из древних сочинений: от поэтических до естественно-научных и философских.
При работе над книгой автор пользовался различными переводами греческих и латинских текстов. Отсюда возможны отдельные расхождения в трактовке некоторых терминов и понятий.
Автор благодарит всех, кто помог ему в подборе уникального материала, переводе отдельных статей, просмотре и редактировании рукописи.
Римлянин! Ты научись народами править державно. В этом искусство твое! - налагать условия мира, Милость покорным являть и смирять войною надменных.
Вергилий
Древний Рим. О нем написаны сотни статей и книг. И это не удивительно, так как мало государств, которые бы оставили в истории мировой цивилизации такой яркий след и завещали бы потомкам такое огромное культурное наследие. Значение его как великой сокровищницы знаний, двигающей человечество вперед, поистине огромно.
Неудивительно, что и наше поколение все чаще обращается к Древнему Риму, при этом не только к истории культуры, архитектуры, права и военного дела, но и к истории его техники, в частности - технике и технологии строительного производства, где большое внимание отводилось строительству из бетона.
Бетон мог развиться и получить широкое распространение лишь в таком сильном и огромном государстве, каким был Древний Рим с его большими объемами строительных работ, включая сооружение многотысячных амфитеатров, стадионов, терм, мощных крепостных стен или знаменитых римских дорог, протянувшихся на тысячу километров по всей стране и за ее пределами. Появление римского бетона отражало растущие потребности и технические возможности античного общества. Поэтому, чтобы лучше понять их влияние на развитие бетона, необходимо кратко познакомиться с общественным строем Древнего Рима, его политикой, в том числе строительной и экономикой.
Рост и развитие Древнего Рима были не только стремительными, но и беспримерными. Зародившись в виде небольшого военного поселения на Палатине[1] в середине VIII в. до н. э., он постепенно превратился в политический и культурный центр всего древнего мира. Его небольшая первоначально территория разрослась с течением веков в огромную и могущественную империю с сотнями миллионов жителей.
Границы Рима расширялись - первоначально за счет территории Италии, а затем и соседних стран. Внешняя политика характеризовалась непрерывными войнами и основывалась на знаменитом принципе "разделяй и властвуй".
В 60-х годах III в. до н. э. начинаются Пунические войны между Римом и Карфагеном. С перерывами они продолжаются более ста лет. После падения Карфагена (146 г. до н. э.), когда город по решению римского сената был предан огню и уничтожен, Рим становится самой могущественной державой на всей огромной территории от Египта и Малой Азии до Британских островов. В него стекаются несметные богатства и десятки тысяч рабов, труд которых становится основой государственного строя, оплотом его могущества на долгие годы. Такая политика требовала строительства дорог, мостов, водоводов и других инженерных сооружений, требовала еще больше золота и рабов.
Однако вместе с рабами в Рим пришли и острые социальные Противоречия, которые нередко взрывались восстаниями против поработителей. Когда же они разрослись до такой степени, что перешли в гражданские войны, могущественная римская республика пошатнулась и, как старое здание, дала первую глубокую трещину.
Назрела крайняя необходимость в перестройке государственной системы и она произошла, вынеся на гребень политической волны таких выдающихся полководцев, как Марий, Сулла, Помпей, Цезарь, Антоний и Октавиан. Последний, как известно, открывает своим правлением новый этап в истории древнеримского государства.
Август-Октавиан, первый римский император (27 г. до н. э. - 14 г. н. э.), был умным и дальновидным политиком. Первое, что он сделал, встав у власти, - это, остановив затянувшиеся в стране гражданские войны, дал всем римлянам, долгожданный мир. Одновременно он укрепил устои рабовладельческого строя, проведя ряд важных реформ в Риме и его провинциях. В результате этих мероприятий в стране начался подъем экономики, оживилась культурная жизнь, значительного расцвета достигли литература, искусство и архитектура.
Большие средства Август и члены его семьи тратили на строительство таких роскошных построек, как храмы, портики и форумы, так как именно они, одетые в мрамор и золото, должны были покрывать неувядаемой славой его царствование. Недаром Август любил повторять, что, получив Рим кирпичным,[2] он оставляет его мраморным. Подражать в этом императору старалась и знать.
Во времена императора Августа, примерно в 10-15 гг. до н. э., римским военным архитектором Витрувием была написана книга "Об архитектуре" (или "10 книг об архитектуре") благодаря которой мы сегодня имеем представление о строительном производстве, материалах и технике того времени.
Марк Витрувий Поллион, римский архитектор и инженер, несомненно, был образованнейшим человеком своего времени. Он в совершенстве владел не только своей профессией, но и медициной, астрономией, математикой, историей, музыкой и другими науками. Книга "Об архитектуре" - основной труд его жизни - стала главным пособием по строительству в его время, в эпоху Ренессанса, не потеряв актуальности и в наши дни. Она не столько дает картину строительных новшеств современной ему эпохи, сколько приводит сведения о строительных приемах, которыми он пользовался в течение своей долгой жизни.
На протяжении последующих двух веков строительная деятельность в стране продолжалась. При императоре Клавдии - строится ряд утилитарных построек. В 49 г. Клавдий возводит грандиозный водопровод общей длиной 69 км, из которых 15 км проходили под землей, в том числе по акведуку, названному его именем. Другая его постройка - большая гавань в Остии, и, наконец, - обширный водоем с плотиной для спуска вод Фуцинского озера. Причем для этой цели был прорыт туннель длиной в 5640 м - случай уникальный в строительной практике того времени. Все это были грандиозные строительные программы, требовавшие для своего осуществления огромного объема прочного и дешевого строительного материала.
В 64 г. н. э. в Риме вспыхнул страшный опустошительный пожар, продолжавшийся девять дней. Пламя уничтожило дворцы и лачуги, храмы и театры, бесценные греческие статуи и скарб бедняков. После пожара Рим стал преображаться. Перестройка коснулась не только центра города, где начали возводить золотой дворец императора Нерона, но и всей прилегающей к дворцу территории. Улицы были выровнены и расширены. Новые здания по своей архитектуре теперь уже мало напоминали старые, тесные и неказистые. После пожара Нерон запретил употребление дерева в стенах, уменьшил высоту зданий, отдал распоряжения выравнивать дома по фасаду портиков, приказал строить дома на некотором расстоянии друг от друга и при них делать просторные дворы. Тацит говорит, что вслед за пожаром "город обстроился по заранее размеренному плану..."
Архитектура времен Флавиев (69-96 гг. н. э.) представляет собой один из самых блестящих периодов строительного искусства Римской империи. Был восстановлен сгоревший Капитолий, построен храм Мира, дворец Флавиев на Палатине и огромный амфитеатр - Колизей.
Император Тит (79-81 гг.) приказывает возвести в Риме несколько терм, громадную мемориальную арку, названную его именем, и грандиозный дворец на Палатине.
Следует отметить, что такому подъему экономики и капитального строительства в стране способствовали так называемые "внешние поступления" средств и ресурсов. В частности, в 71 г. в Иудее было подавлено большое народное восстание, в результате чего Рим получил огромную денежную контрибуцию.
В конце I и начале II вв. н. э. победоносные войны Траяна (98-117 гг.) приносят Риму дополнительное обогащение. Последовавший затем длительный мир привел к расширению торговли и строительству дорог. К этому периоду относится строительство ряда крупных инженерных сооружений и среди них - большой порт в Остии. В 102 г. для контроля над Дакией Траян построил большой каменный мост с бетонными опорами через Дунай. Строил, конечно, не он, а его мастера-строители, среди которых особо выделялся Аполлодор из Дамаска. Вероятно, он был одним из самых образованных и талантливых инженеров Римской империи, так как помимо моста выстроил ряд крупных и сложных в конструктивном отношении сооружений, таких, как форум Траяна, цирк и термы в Риме, названные именем императора. Ему приписывают строительство одного из самых красивых и выдающихся сооружений мирового зодчества - бетонного Пантеона в Риме.
Еще интенсивнее продолжается строительство во время правления императора Адриана (117-138 гг.). Адриан принимал участие в строительстве не только как организатор, но и как архитектор и инженер-строитель. Большую часть своей жизни он провел в поездках по империи. Адриан посетил все римские провинции, был большим поклонником греческой культуры, восхищался мастерством египетских художников.
На склоне лет он приказал построить в городе Тибуре близ Рима загородную виллу с бетонными стенами и воспроизвести там в миниатюре все то, что так поразило его во время путешествий. В 132 г. Адриан начал сооружать для себя грандиозный мавзолей и мост к нему, перекинутый через Тибр. Строительство этих сооружений было закончено в 139 г.
Строительная деятельность ближайших преемников Адриана не была такой оживленной. Из наиболее значительных сооружений можно назвать храм в честь жены императора Антонина Пия и колонну, носящую имя Марка Аврелия.
При царствовании Септимия Севера (193-211 гг.) происходит некоторое оживление строительной деятельности. По словам его современника Лемпидария "...Постройки прежних государей он восстановил и многие сам возвел, в том числе термы своего имени. Провел и воду, что называется Александровой... Он первый ввел александровский способ отделки двумя видами мрамора. На форуме Траяна он поставил статуи великих людей, перенеся их отовсюду... Мосты, построенные Траяном, он восстановил почти во всех местах, а в некоторых и вновь построил..." В 203 г. в ознаменование побед над парфянами и арабами в Риме сооружается на мощном бетонном фундаменте триумфальная арка Септимия Севера высотой 23 и шириной 25 м. Архитектура этого периода отличается богатством декоративного убранства, придающего постройкам парадный облик.
При императоре Каракалле (211-217 гг.) в Риме строятся самые грандиозные и красивые за всю историю существования города термы, где в качестве основного строительного материала использовался бетон. Весь комплекс зданий занимал 16 га и был закончен немногим более чем за четыре года.
Если раньше большие денежные расходы, вызванные войнами, строительством дорог, общественными работами, голодом и эпидемиями чумы покрывались за счет военных трофеев, дани с покоренных народов или денег от продажи пленных и конфискованных земель, то теперь, в начале III в., такие возможности резко сокращаются.
Рим в то время, как и многие города его провинций, еще сохранял свой внешний блеск, однако упадок, коренившийся в самой структуре римской империи, был уже хорошо заметен. Морской торговле вновь начали угрожать пираты, а сухопутные дороги стали небезопасными благодаря участившимся случаям разбоя. Наступил период крайнего распада экономики; обезлюдели города, опустели поля, так как не хватало рабочих рук, наблюдалось углубление типичных форм натурального хозяйства.
Во второй половине III в., после того как усилился натиск варваров на римские границы, началось интенсивное сооружение крепостей и стен по всей обширной империи. Так, Аврелиан с первых дней своего правления стал укреплять Рим мощными стенами, строительство которых было закончено в 282 г.
Мероприятия и многочисленные декреты Диоклетиана, а позднее - Константина, направленные на нормализацию экономической жизни страны, увенчались успехом. Внешняя опасность для римского государства была временно устранена, порядок упрочен, а мир обеспечен. Одним из основных методов государственной политики стала "военизация" всего государства, включая и гражданскую часть населения. Взяв за образец крупные восточные монархии, императоры создали такую социально-экономическую систему, при которой каждый гражданин считался на службе только у государства. Никто не имел права выйти из той социальной категории или ремесленной организации, в которой он находился. Никто не мог уклониться от той деятельности, к которой он был предназначен со дня своего рождения. Ранее свободные коллегии, объединявшие людей по профессии, превратились теперь в принудительные корпорации. Большинство ремесленников получали от государства денежные, а чаще натуральные пособия, но за это должны были примириться с тем, что их свобода была теперь резко ограничена.
В этой обстановке растет и расширяется капитальное строительство. Ко времени правления Диоклетиана относится сооруженный в 290 г. амфитеатр в Вероне - здание, напоминающее по типу и размерам Колизей в Риме. В 305 г. сооружены громадные бетонные термы Диоклетиана. Они вмещали одновременно 3200 человек и являлись самым крупным сооружением такого типа, созданным за всю историю римского строительства.
При Константине, который в области государственного управления продолжал традиции Диоклетиана, 11 мая 330 г. произошло торжественное освящение новой столицы римской империи, которая получила название Константинополь. Она быстро стала застраиваться, украшаться великолепными зданиями и произведениями искусств, перевезенными из Рима и Греции.
К IV в. Римская империя вступает в последнюю и заключительную стадию своего развития. Постепенно складывается система так называемых натурально-замкнутых крепостных отношений. В стране сокращается торговля, натурализуются почти все виды государственных платежей. Изменяется облик городов. Они теперь принимают вид крепостей, ограниченных мощными стенами и башнями. Поместья превращаются в самостоятельные политические и экономические единицы, а их владелец - в государя, с армией рабов и колонов. Империя Рима распадалась на глазах. В конце IV в. возникает новый социально-политический кризис. Параллельно усиливается напор варваров на границы государства. Огромные массы гуннов, аланов и готов двинулись из прикаспийских степей на Запад.
24 августа 410 г. вечный город пал.
Таким образом, в результате завоевательной политики Древнего Рима, обогащения его за счет войн развивается строительство крупных инженерных сооружений, роскошных особняков, дворцов, храмов, жилых и общественных зданий. В свою очередь, это потребовало нового прочного, долговечного и относительно дешевого материала, каким и явился бетон. Однако для осуществления больших строительных проектов из бетона одного золота и рабов было недостаточно. Требовалась налаженная организация труда, инженерные знания и строительная техника.
Дело то римским мужам привычно, Полезно для славы...
Гораций
По имеющимся на сегодня сведениям можно составить достаточно определенно представление об организации труда римских строителей. В Римском государстве была целая сеть различных товариществ-организаций, так называемых коллегий. В эти коллегии римские граждане объединялись по производственно-техническому признаку и по наименованию обрабатываемого материала. Были коллегии ювелиров, сапожников, врачей, юристов и т. д.
В строительные коллегии входили заготовители камня, извести, леса и много других категорий строительных рабочих.
При этом каждая коллегия объединяла специалистов только одной профессии, например только плотников или только бетонщиков.
В коллегиях существовали свои уставы, касса с "членскими взносами", мастерские, склады инвентаря и продовольствия. В конце года деньги, оставшиеся в кассе от "членских взносов", делились между её членами. Таким образом, римские коллеги напоминали современные кооперативы.
Члены коллегии получали от государства земельные наделы, что являлось одной из форм компенсации их труда. В устав коллегии были включены пункты о запрещении принимать в свой состав мастеров другого профиля, положения о взносах и о дележе денег.
Римский общественный труд почти целиком был построен на системе обязанностей и повинностей. И в этом отношении члены коллегий находились в более выгодном положении по сравнению с другими членами общества. Льготы, которые им предоставляли, состояли в освобождении их от многих общественных повинностей, тяжелых налогов и чрезвычайных податей.
Члены коллегии были связаны круговой порукой, обязанностью сына следовать профессии отца. За уклонение от повинностей они подвергались таким же преследованиям, как и беглые рабы. Такое положение, конечно, лишало молодых людей права выбора специальности по своему вкусу, но в то же время избавляло государство от дефицита квалифицированной рабочей силы..
Коллегиям было предоставлено право иметь любое внутреннее устройство при условии, что оно ни в чем не нарушит общегражданских законов. Поэтому каждая коллегия имела право собраний, где определялась вся политическая, экономическая и культурная жизнь. Там же выбирались сроком на пять лет председатели, называвшиеся патронами или магистрами, технические руководители, надсмотрщики и табельщики. Списки членов коллегий также пересматривались каждые пять лет. Внутри коллегии делились на центурии и декурии во главе с начальником и старшим мастером.
Над коллегиями сверху и, по-видимому, без вхождения в их состав, стояло несколько начальников, руководивших общественными работами. Главным среди них был государственный заказчик, в роли которого мог выступать консул, цензор, претор, эдил и т. п.
Он заключал договор между обеими сторонами и выдавал "наряд" на выполнение работ. В главное начальство входили также куратор, следивший за общим состоянием работ, подрядчик, отвечающий за сроки и качество выполнения работ, и архитектор, который одновременно выполнял роль и проектировщика, и главного инженера строительства. При этом есть сведения, что подрядчик отвечал за возложенные на него обязанности своим имуществом.
Конечно, жизнь коллегий не ограничивалась только соблюдением правил служебной дисциплины. Помимо них устав предусматривал обязательное выполнение технических указаний, подобных нашим ТУ (техническим условиям) и СНиПам (строительным нормам и правилам). Причем такие документы, как пишет Плиний Старший, утверждались всенародным голосованием, по примеру государственных законов.
Во времена империи, начиная с Августа, коллегии делились на две категории; общественные и императорские, так как последние работали по заданию императора. Власть постепенно превращала их в государственные учреждения, вытравляя из них общественный дух. Как показывают некоторые исследователи, коллегиям предоставлялась широкая возможность проявления инициативы при общем руководстве работ со стороны высокого начальства. Каждая из них несла ответственность за общий успех дела и имела при этом полную свободу в выборе средств для выполнения возложенной на нее работы.
Коллегии объединяли в своих рядах профессиональных мастеров-строителей, основной же рабочей силой в Древнем Риме были военнопленные, обращенные в рабов, которые в большинстве своем не имели специальной квалификации. Эти рабы организовывались по образцу римских легионов в центурии и декурии и находились под командой декурионов-десятников. Они дробили камень, толкли цемянку (отходы керамики), заливали в опалубку бетон, утрамбовывали его, а также выполняли самые тяжелые работы по укладке камней и подъему тяжестей.
Нередко на строительстве использовались воинские части. Придерживаясь принципа - каждая минута легионера должна быть использована с пользой для государства - римские военачальники превращали солдат, когда у них выдавалось свободное от походов время, в строителей. Документально известно, что такие работы, как строительство казарм, мостов, дорог и оборонительных сооружений, выполнялось только солдатами. Известно также, что подготовка квалифицированных строителей зачастую осуществлялась в армии. Витрувий, как пишет он сам, начал свою карьеру военным архитектором под началом императора Августа, а Аполлодор Дамасский прославился впервые при сооружении моста через Дунай для перехода армии Траяна.
Что же позволило римлянам проводить гигантские работы по сооружению дорог, акведуков, терм, крепостей и громадных общественных зданий и сооружений, не считаясь с затратами и не смущаясь трудоемкостью их выполнения? Прежде всего - это принудительный труд и наличие большого количества рабов и строительных рабочих, организованных в коллегии. Эта система опиралась на баснословные богатства Древнего Рима.
С первого взгляда может показаться, что подобная организация строительства не способствовала его совершенствованию. Однако это не так. Строительные работы, заключаемые на "хоздоговорных началах" между заказчиком и патроном коллегии, были основаны на личной заинтересованности каждого ее члена. До того как коллегии стали собственностью императоров, у них, вероятно, практиковалась говоря современным языком, система "самофинансирования и самоокупаемости", что, несомненно, способствовало их процветанию и развитию. Наконец, строгая дисциплина, четко разработанная система штрафов и повинностей, не говоря о беспрекословном подчинении солдат и рабов, способствовали быстрому и качественному ведению работ.
По Витрувию, сроки строительства зданий растягивались обычно не более чем на два года, а заготовка материалов при этом продолжалась 2-3 года. Фронтин указывал, что самое подходящее время для производства строительных работ - это с календ (первых чисел) апреля до календ ноября, за вычетом летней жары.
Есть сведения, что государство заботилось о текущем содержании зданий и сооружений. Тот же Фронтин пишет, что для эксплуатации и ремонта акведуков предусматривались бригады квалифицированных рабочих, которые круглосуточно несли дежурство на своих участках. Во время правления Юстиниана (527-565 гг.) был разработан кодекс, по которому выделялись средства на текущее содержание общественных зданий. В кодексе также оговаривались обязанности специального чиновника, который должен был систематически проводить инспекцию зданий с целью проведения профилактических и ремонтных работ. При этом он наблюдал за восстановительными работами и сметой на их ремонт. В его функции входило назначение кураторов по выполнению его отдельных поручений. Из всего этого можно сделать вывод о том, что ремонт и текущее содержание зданий и сооружений входили в функцию государства.
Во времена Витрувия уже знали и учитывали такой важный показатель зданий и сооружений, как их долговечность, которая назначалась главным образом в зависимости от материала стен. Так, по Витрувию, для зданий с каменными стенами долговечность была определена в 80 лет (кн. II, гл. 8).
Организация и способы римского строительства свидетельствуют о рациональном и вполне определенном отношении римлян к финансовой стороне дела. При всем своем богатстве они умели считать деньги. Так, они сразу же вкладывали в капитальное строительство огромные деньги, с тем чтобы не тратить еще большие суммы на последующие ремонты. Об этом особенно хорошо свидетельствуют римские дороги и отдельные виды общественных зданий и сооружений, сохранившиеся до наших дней.
Передавался труд к потомкам от отца, Но каждый камень, взвешен и размерен, Ложился в свой черед по замыслу творца. И линий общий строй был строг и верен, И каждый малый свод продуман до конца.
В. Брюсов
Любое крупное сооружение начинается с проекта. В специализированных проектных институтах вначале на бумаге рождается будущий стадион, мост или гидроузел. На первой стадии проектирования решаются технико-экономические и организационные вопросы строительства, прорабатываются архитектурные и конструктивные решения будущих зданий и сооружений, составляется смета строительства, т. е. план предстоящих денежных расходов и материалов. На второй стадии разрабатываются рабочие чертежи, производится уточнение и деталировка предусмотренных проектом технических решений.
А как же приступали к строительству в Древнем Риме? Однозначно ответить на этот вопрос трудно. Однако по фактам, которые накопились к настоящему времени, можно с достаточной уверенностью предположить, что римляне умели выполнять элементарные расчеты своих сооружений, знали и пользовались чертежами и, вероятно, проводили испытания строительных материалов, в том числе и бетона. Для подтверждения этих предположений достаточно, казалось бы, посмотреть на совершенные в архитектурном плане здания и сооружения римлян или, к примеру, на геометрически правильные развалины домов-садов в городе Остии, или на аркады акведука Понт-дю-Гар, в котором архитектурное изящество сочетается с точностью инженерных расчетов.
Тем не менее и сегодня не все ученые признают эти факты. Одни из них продолжают считать римлян, как и их предшественников "голыми" эмпириками, которые в любом деле, включая и строительство, следовали опыту своих отцов и дедов; другие не согласны с ними.
Если внимательно отнестись к документальным и археологическим источникам, то окажется, что уже при Витрувии в основе проектирования зданий и сооружений лежал главный принцип - придание постройке необходимого запаса прочности. При этом сами требования к прочности Витрувий сформулировал в виде ряда положений и правил.
Так, он писал, что при закладке фундамента зданий необходимо "...копать ров до материка, да и в самом материке на глубину, соответствующую размерам возводимой постройки и шириною больше будущих подземных стен, и заполнять его самой основательной каменной кладкой" (кн. I, гл. 5). При возведении крепостных стен "...сквозь всю толщу стен должны как можно чаще закладываться брусья из обожженного маслиничного дерева, чтобы стена, связанная с обеих сторон этими брусьями, как скрепами, навеки сохранила свою прочность" (кн. I, гл. 5). Мотивируя соотношение между диаметром и высотой колонн, он пишет: "...размышляя, каким способом их (колонны) сделали так, чтобы они были пригодны для поддержания тяжести и обладали правильным и красивым обличием, они измерили след мужской ступни по отношению к человеческому росту и, найдя, что ступня составляет шестую долю, применили это соотношение к колонне, и сообразно с толщиной основания ее ствола, вывели ее высоту в шесть раз больше, включая сюда и капитель. Таким образом, дорийская колонна стала воспроизводить в зданиях пропорции, крепость и красоту мужского тела" (кн. IV, гл. I).
Далее Витрувий продолжает: "...надо озаботиться облегчить нагрузки стены посредством сводов из клинчатых камней... Ведь если над перемычками или притолоками будут клинчатые арки, то, во-первых, от облегчения нагрузки дерево не будет прогибаться, а, во-вторых, при какой-нибудь порче от ветхости его можно будет легко заменить без устройства подпорок".
Кроме советов о запасах прочности сооружений в трактате Витрувия имеется ряд предосторожностей "...Особое внимание, - говорит он, - должно быть обращено на фундаменты, потому что земляная засыпка может причинить им безмерный вред. Она ведь не может всегда сохранять одинаковый вес, обычный для нее летом, но в зимнее время, впитав в себя обилие дождевой воды, она и своим весом, и своим объемом разрушает и распирает каменную кладку фундамента". Такое внимание к фундаментам, вероятно, было оправдано горьким опытом случившихся катастроф. Так, римский историк Тацит описывает, в 27 г. н. э. "произошло непредвидимое несчастье... Некто Атилий, вольноотпущенник, решившись выстроить в Фиденах амфитеатр для гладиаторских представлений, не укрепил его основание на прочном грунте и не скрепил прочными связями деревянного остова, как человек, который не имел ни достаточно денег, ни желания угодить гражданам своего города, но взялся за это дело для грязной выгоды. Стеклось большое множество народа, жадного до таких зрелищ..., собралось особенно много мужчин и женщин и людей всякого возраста... Переполненное здание пошатнулось и обрушилось внутрь, стремглав увлекло с собой и завалило огромное множество людей...
Пятьдесят тысяч человек было при этой катастрофе изувечено или раздавлено. Поэтому было постановлено Сенатом, чтобы никто не давал гладиаторского зрелища, у кого имущества было менее 400 тыс. сестерциев, и чтобы амфитеатр строился не иначе, как на почве, твердость которой была удостоверена осмотром. Атилий был отправлен в ссылку". Светоний также пишет, что у "...Фиден во время гладиаторского боя вследствие обвала амфитеатра погибло свыше 20 тыс. человек".
Началу строительных работ, как было принято, предшествовало представление архитектором сметы, имеющей форму договора между заказчиком и подрядчиком, а при строительстве ответственных сооружений - между сенатом или императором и строительной коллегией. В сметах обычно перечисляли все виды работ, связанные с возведением данного сооружения. При этом предусматривались мельчайшие подробности, благодаря чему они служили как бы инструкцией для подрядчиков и рабочих. Витрувий приводит интересные сведения, касающиеся ответственности архитектора за соблюдение финансовой дисциплины.
"...В известном городе Ebhesus, - пишет он, - существовал строгий, но справедливый обычай. Когда архитектор договаривался о подряде, он составлял смету и представлял ее на утверждение..., а свое состояние закладывал до окончания строительства. Если стоимость строительных работ соответствовала смете, то архитектору воздавались официальные почести, составлялся почетный указ и выдавалась грамота. Если стоимость не превышала 1/4 части запланированной сметы, то разность между фактической стоимостью и стоимостью по смете вычиталась (за счет города) и на архитектора штраф не накладывался. Если же перерасход стоимости был больше 1/4 части составленной сметы, то недостающая сумма взыскивалась из личных средств архитектора..." Витрувий жалеет, что в его время такие правила распространялись не на все сооружения. Он продолжает "...Если бы наши бессмертные боги создали такой закон не только для общественных зданий, но и для частных построек, тогда бы люди, которые в этом деле мало понимают, не оставались безнаказанными..."
Вероятно, к смете проекта обычно прилагалась пояснительная записка. Так, известно, что греческие архитекторы составляли подобные пояснения, в которых раскрывали замысел сооружения и способы его строительства, хотя ни одно из этих письменных свидетельств не дошло до наших дней. В известном сочинении Юлия Цезаря "Записка о Галльской войне" сказано, что при строительстве моста через Рейн, составлялись многочисленные записки и планы.
Совсем недавно группой западногерманских археологов был обнаружен архив "строительных чертежей". Они находились в руинах знаменитого храма Аполлона в Дидимах, к югу от современного турецкого города Секе. Выгравированные на стенах чертежи занимают площадь свыше 200 м² и представляют собой наиболее подробный и полный из известных нам "комплектов" древних строительных чертежей. Установлено, что это были рабочие чертежи, представляющие собой заключительную стадию архитектурного проектирования. Они были предназначены непосредственно для производства работ.
Заключительной стадии, вероятно, предшествовало несколько этапов предварительного проектирования. Сами же предварительные эскизы могли выполняться на папирусе, пергаменте, отбеленных деревянных досках и даже на плоских каменных плитах, что подтверждается находками западногерманских археологов.
В пользу существования чертежей у римлян говорит также наличие самих смет, которые очень трудно составить, не имея чертежей с размерами всего сооружения и его деталей. Наконец, еще одним доказательством существования чертежей и проектов в Древнем Риме была быстрота строительства, которая диктовалась короткими, не более полутора-двух лет, сроками полномочий консулов, цензоров или преторов, которые отвечали перед сенатом и народным собранием за сдачу объектов. Чтобы организовать труд большого количества людей в такой короткий срок, была необходима предельная четкость и ясность в ведении работ, которые невозможно представить без наличия чертежей и проекта. Скорее всего, римляне не были знакомы только с масштабными чертежами, и, тем не менее они проводили маркшейдерские работы, составляли детальные планы местности, делали подробные зарисовки и, видимо, чертежи деталей как образцы для скульпторов или резчиков по камню. Примером подобного технического решения может служить подробная схема раки в Капуе, выполненная в натуральную величину.
Известно, что в случае необходимости римляне изготавливали модели будущих сооружений. Интересное упоминание о моделях водопроводов с долинами рек, тоннелями и мостами имеется у Фронтина. Встречаются портретные изображения императоров и царей, в руках которых находятся миниатюрные сооружения.
Камни, полдень, пыль и молот Камни, пыль и зной...
В. Брюсов
Из чего же строили римляне свои великолепные здания и сооружения? В первую очередь из того, что лежало у них под ногами, - т. е. из местного материала. Таким материалом являлись естественные камни, древесина, сырцовый, а затем и обожженный кирпич, песок и галька, применявшиеся в растворе и бетоне.
В то далекое время громадными "островами" по всей Италии стояли лиственные леса. Росло много дубовых и буковых деревьев, клена, тополя, ольхи и цитрусовых. Однако с ростом могущества Древнего Рима леса нещадно истреблялись, что впоследствии сказалось не только на экономике страны, но и на ее климате.
Еще древние греки классифицировали лесоматериалы на три группы.[1] По описанию Теофраста, древнегреческого ученого и первого на земле ботаника, - "...лесной материал бывает пиленый, тесаный и круглый. Пиленый получается от распиливания пилою, тесаный - путем удаления наружных частей посредством топора, круглый оставляется нетронутым. Из них пиленый почти никогда не дает трещин, потому что открытая сердцевина высыхает и умирает". Плиний Старший пишет, что "...наиболее долговечным считают черное дерево, кипарис и кедр".
К сожалению, деревянные сооружения римлян не сохранились. Однако, судя по описаниям Витрувия, значение древесины в древнеримском государстве было очень велико. Она широко применялась, как конструкционный материал в качестве стоек, колонн, настилов, ферм при перекрытиях больших пространств в зданиях или пролетах между быками мостов там, где это было необходимо. Правда, римляне все же заменяли деревянные конструкции на металлические, несмотря на большую стоимость последних.
Не менее широко древесина использовалась как вспомогательный материал в виде сложной опалубки и кружал при строительстве сводов и куполов из бетона, для изготовления строительных лесов, подмостей, лестниц и других подобных устройств. Наиболее ценные сорта древесины использовались в качестве декоративной отделки. Широко применялась фанера, которую, по словам Плиния Старшего; нарезали из клена, бука, тополя, наплывов от ольхи, корней бузины, черного и цитрусовых деревьев.
Большое распространение в качестве строительного материала, особенно в республиканский период истории Рима, получили естественные камни. Они добывались и обрабатывались из самых разнообразных горных пород, начиная от легких, вулканических, таких, как туф, пемза, лава, и кончая плотными и прочными известняками и порфирами. Эти камни шли на сооружение фундаментов и барабанов колонн, из них изготавливали блоки самой разнообразной величины и конфигурации для возведения стен и архитравных прогонов. Нередко крупные элементы зданий возводились из каменных блоков без применения раствора, хотя последний к тому времени уже широко использовался в строительной практике. При этом большие каменные блоки так тщательно обтесывались, что при укладке, например стен, не требовалось дополнительной подгонки в местах сопряжения. В ответственных сооружениях для более надежного крепления каменных блоков между собой на их поверхности выдалбливались специальные отверстия для металлических дюбелей-"скреп"-штырей, хотя помимо металлических применялись деревянные и каменные "скрепы", особенно в виде так называемого ласточкиного хвоста.
Отверстия эти впоследствии заливались расплавленным свинцом по специально оставленным для этой цели канавкам.
Для' производства бетона, подстилающего слоя в дорожных покрытиях и других целей требовалось большое количество дробленого камня. Поэтому ежедневно целые армии рабов были заняты его переработкой. Отдельные каменные породы являлись сырьем для производства извести и гипса. Их также необходимо было добывать и перерабатывать. Витрувий дает рекомендации относительно выбора песка: "...при бутовых кладках первым делом надо проследить за песком, чтобы он подходил для раствора и не содержал примеси земли", (кн. II, гл. 4). Подобные рекомендации указаны для морского песка и других каменных материалов.
Из металлов в строительной практике того времени использовались бронза и железо. Причем бронзе отдавалось большее предпочтение, так как она являлась относительно прочным строительным материалом и не корродировала. Из нее выковывали длинные тонкие балки, которые впоследствии соединяли в более сложные конструктивные элементы, например, фермы. Причем в одних случаях из бронзы выполняли только основные конструктивные элементы ферм, а в других - ими заменяли целые деревянные элементы и собирали всю ферму вплоть до обрешетки включительно из металлических (бронзовых) частей. Железо употреблялось для изготовления различных монтажных приспособлений и деталей. Из него изготавливали, как было сказано выше, "скрепы" (дюбеля) и скобы для крепления естественных камней, железные гвозди и другие мелкие строительные детали и приспособления.
В 180 г. до н. э. пергамский царь Эвмен II, находившийся в то время под влиянием Рима, повелел соорудить напорный водопровод длиной 3 км. При этом, как было установлено в наше время, из-за перепада высот в 200 м рабочее давление в трубах должно было составить не менее 20 X 105 Па. Обычные гончарные трубы для этого не годились. Полагают, что были использованы металлические трубы длиной один метр, с укладкой их в просверленные камни. Трубы, скорее всего, отливали из бронзы.
Помимо бронзы и железа римляне были знакомы с золотом, серебром, ртутью, сурьмой, оловом и свинцом. Два последних элемента использовались и для строительных целей. Известно, например, что из гнутых свинцовых листов изготавливали трубы, сваривая пайкой продольные швы и соединительные муфты. При сооружении своих знаменитых водопроводов римляне даже ввели стандартизацию труб по диаметрам и поперечному сечению. Это упростило расчет и проектирование водопроводной сети. Свинец, как было сказано, использовался также для скрепления каменных плит и заделки швов.
Различные элементы строительных конструкций и декоративного оформления зданий изготавливались из терракотовых изделий, которые представляли собой специально обожженные сорта глины. Для терракотовых изделий применялась особая технология, заключающаяся в строгом подборе компонентов и соблюдении определенной температуры обжига. В качестве добавок в глину использовали солому, реже пуццолану и битый кирпич. Основными изделиями из терракоты был тонкий квадратный кирпич и. черепица различной конфигурации, цвета и размеров, обладавшая такими обязательными качествами, как водонепроницаемость, прочность и долговечность. Отдельные ее виды сохранились в хорошем состоянии до нашего времени.
Начиная примерно с I в. н. э. сырцовый кирпич, до того времени широко распространенный в древнеримском государстве, стал вытесняться обожженным. При этом обожженный кирпич изготавливался трех разновидностей: треугольный, квадратный и прямоугольный. Наибольшее распространение в обычной кладке получил не прямоугольный, а треугольный кирпич. Прямоугольный кирпич использовался, главным образом, для кладки углов и сопряжений стен, а квадратный - для прокладки кирпичных рядов и устройства связи между рядами стен. Следует сказать, что кирпичу как строительному материалу отводилось совершенно особое место при строительстве стен, сводов и куполов из бетона. В стенах, например, кирпич выполнял роль опалубки-облицовки, в сводах и куполах - несущего каркаса и т. д. Более подробно о роли кирпича в бетонных сооружениях будет сказано дальше. Здесь же стоит подчеркнуть, что такое удачное сочетание кирпича с бетоном впервые в строительной практике было предложено римлянами. Кирпичная опалубка помогала бетону сохранять свою форму при твердении, а бетон, со своей стороны, заставлял для кирпича находить новые оригинальные формы и цвет, выделяя дополнительно его интересные качества.
Размеры сторон кирпича были неодинаковы. Так, кирпич треугольной формы имел размеры сторон от 127 до 508 мм; прямоугольный - от 254 до 381 мм (длина) и от 101,6 до 152,4 мм (ширина); квадратный - от 762 до 838,2 мм. При этом высота треугольных и прямоугольных кирпичей была от 38,1 до 50,8 мм, а квадратных от 50,8 до 88,9 мм. Высота кирпичей в одном ряду принималась всегда одинаковой, причем швы делались, как правило, тонкими.
Можно отметить, что каких-либо узаконенных норм на размеры кирпича в то время не существовало. Это позволяло каждому изготовителю действовать по своему усмотрению, руководствуясь в основном качеством применяемой для изготовления кирпича глины. Однако в случае необходимости можно было всегда отличить одну партию кирпича от другой, так как на каждом кирпиче ставилось собственное клеймо изготовителя.
Человек, просвещенный открытиями своих отцов
Получил в наследие их мысли...
Гельвеций
Два великих древних государства - Эллада и Древний Рим находились совсем близко друг от друга, а в период римских завоеваний их границы даже смыкались между собой. Тем не менее это были два разных государства, более того - два разных мира, которые развивались и жили каждый по своим законам, и греческая цивилизация шла несколько иным путем, чем римская.
После завоеваний Александра Македонского, в конце IV в. до н. э. в Греции, которая намного расширила свои границы, стала стремительно развиваться торговля. Всего лишь за несколько лет она увеличилась в пять раз. Границы Греции простирались от Дуная на север - до Эфиопии на юге, от Индии и Китая на востоке до побережья Атлантики. Появилась потребность в строительстве кораблей, гаваней, портов и маяков. В связи с этим произошел мощный скачок технического творчества. За последующие три столетия в стране было сделано столько изобретений, сколько не удалось осуществить за предыдущие 30 веков.
В середине III в. до н. э. появились труды великого Архимеда (287-212 гг. до н. э.), в частности, его теория равновесия рычага, которой он фактически положил начало теоретической механике. Была разработана теория блоков, полиспастов и винтов для поднятия тяжестей, объяснены вопросы, связанные с распределением нагрузок между опорами, уточнены методы определения центра тяжести тел, которые также приписывались Архимеду. На основе этих теорий и научно-технических разработок было сделано много изобретений.
Архимеда принято считать изобретателем винтового насоса.
Он также изобрел и построил остроумные оборонительные механизмы для защиты от римлян своего родного города Сиракуз. Эта техника обладала столь большой разрушительной силой, что, как гласят предания, атакующие римляне в страхе разбегались при появлении этих странных машин.
Продолжатели Архимеда греки Ктесибий, живший примерно в 100 г. до н. э., и Фило из Византии (примерно 180 г. до н. э.) - предлагали заменить скрученные упругие веревки артиллерийских установок бронзовыми пружинами или сжатым воздухом. Однако их проекты остались только на бумаге, так как при существовавших тогда технических средствах они не могли быть осуществимы. Ктесибию принадлежит изобретение нагнетательного насоса, который использовался для подачи воды в пожарных машинах и в специальных гидравлических устройствах.
Рис. 1. Строительные машины и механизмы из "Механики" Герона Александрийского.
Рис. 2. Винт Архимеда.
Рис. 3. Римские подъемные краны и механизмы. Слева - "ступальный" кран, справа - строповка камней и подъем их треножным краном, внизу - простейший подъемный механизм.
В Древнем Риме не было слова "бетон". Оно появилось гораздо позже, в XVIII в. во Франции. Римляне же материал, подобный бетону, называли по-разному. Так, литую кладку с каменным заполнителем они именовали греческим словом "эмплектон" (emplekton). У Витрувия в кн. VII, гл. 4, 5 при описании полов встречается слово "рудус" (rudus), которое в переводе Ф. А. Петровского и других известных ученых-историков означает бетон. Однако чаще всего при обозначении таких слов, как раствор, возведении стен, сводов, фундаментов, молов и тому подобных конструкций в римском лексиконе употреблялось словосочетание "опус цементум" (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон.
Откуда навык этот - неведомо...
Гораций
Трудно точно сказать, где и когда появился бетон, так как начало его зарождения уходит далеко в глубь веков. Очевидно лишь то, что он не возник таким, каким мы его знаем сегодня, а, как большинство строительных материалов, прошел длинный путь развития.
Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Он был найден на берегу Дуная в поселке Лапенски Вир (Югославия) в одной из хижин древнего поселения каменного века, где из него был сделан пол толщиной 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой местной извести, доставлявшейся вверх по течению реки более чем за 400 км от места добычи.
История бетона неразрывно связана с историей цемента. Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлись глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность.
Использование глины в строительстве восходит приблизительно к 10 тысячелетию до н. э. На основе глины и жирной земли приготавливались смеси типа растворов и бетонов, которые в те далекие времена широко применялись при строительстве самых различных построек и сооружений, Начиная от простейших глинобитных (землебитных) домов до громадных храмов - зиккуратов (рис. 4). Римский писатель и ученый Плиний Старший (23-79 гг. н. э.) в "Естественной истории" с восхищением пишет о виденных им в Африке и Испании "формованных" стенах таких построек. "...Веками стоят они, не разрушаемые ни дождем, ни огнем, более прочные, чем сделанные из бутового камня... В Испании, - пишет он, - до сего дня стоят сторожевые вышки и башни Ганнибала из глины, построенные на вершинах гор". Плиний недаром называл такие стены "формованными", так как они, действительно, изготавливались путем трамбования (формования) влажного грунта или глины с камнем, уложенных между деревянными щитами опалубки, и в этом смысле являлись прообразом современных монолитных бетонных стен.
По мере развития и усложнения строительства возрастали требования, предъявляемые к вяжущим веществам. Считается, что более чем за 3 тыс. лет до н. э. в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие, такие, как гипс, а позднее - известь, которые получали посредством умеренной термической обработки исходного сырья.
Вместе с производством вяжущих расширялось применение растворов и бетонов. Вероятно, первыми шагами в освоении бетона было помимо полов сооружение траншей для фундаментов зданий, которые заполнялись галькой или обломками битого камня, затем заливались раствором глины, битума или извести с песком и превращались со временем в плотную и относительно прочную массу.
Отдельные примеры связывания мелких камней растворами или использование раствора с крупным заполнителем были известны в глубокой древности у египтян, вавилонян, финикийцев и карфагеняй. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве), датируется 1950 г. до н. э. По сведениям Плиния Старшего, бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до нашей эры.
Одним из первых начали применять бетон народы, населяющие Индию и Китай. Великая китайская страна, строительство которой было начато в 214 г. до н. э., сооружена в основном из бетона. Приготовление бетона и формование из него стен состояло в следующем. Вначале одна часть известкового теста тщательно перемешивалась с двумя частями песка и гравия или песка, строительного мусора и земли. Полученная сухая (очень жесткая) бетонная сместь с небольшим содержанием воды укладывалась слоями толщиной около 12 см между деревянными щитами опалубки и усиленно уплотнялась деревянными трамбовками. После такого уплотнения поверхность каждого слоя слегка увлажнялась водой и на него укладывался следующий бетонный слой. Процесс повторялся до полного возведения стены. Такой метод строительства довольно широко применялся в Китае еще в 20-х годах нашего века при строительстве домов, школ, бань и пагод.
Народы, жившие на островах Эгейского моря и в Малой Азии, начиная с VII - VI вв. до н. э. применяли растворы на жирной извести с гидравлическими добавками при строительстве отдельных зданий и гидротехнических сооружений. В Индии уже в наше время в храмах и дворцах знати были обнаружены хорошо сохранившиеся бетонные "набивные" полы (IV - V вв. до н. э.).
Искусство производства бетона постепенно распространялось в Восточном Средиземноморье и примерно к 500 г. до н. э. достигло Древней Греции, где для покрытия стен, в том числе из необожженного кирпича, использовался мелкозернистый известковый бетон. Таким образом были отделаны дворцы царей Креза (560-546 гг. до н. э.) и Атталы. Впоследствии бетон стал применяться в виде бутовой кладки. Пространство между двумя рядами каменной стены заполнялось крупными камнями, а затем заливалось известковым раствором. Витрувий в своем трактате довольно подробно описал несколько видов такой кладки.
Можно предположить, что римские бетонные стены и другие подобные конструкции развились как раз из греческой бутовой кладки путем постепенного расширения бутобетонного ядра за счет уменьшения толщины каменных стен, которые из главного элемента кладки постепенно превратились в тонкую оболочку, играющую уже подсобную, второстепенную роль.
Заметное применение бетона на территории древнеримского государства началось примерно с конца IV в. до н. э. и продолжалось около 700 лет. За это время в его развитии, как в живом организме, можно проследить четыре важных этапа: рождение, быстрый рост, зрелость и гибель этого материала.
Так, зарождение бетона, т. е. медленное и постепенное внедрение его в римскую строительную практику, длилось более двух столетий (до I в. до н. э.). Второй этап, продолжавшийся до II в. н. э., сопровождался ускоренным ростом и широким распространением объемов бетонного строительства по всей Римской империи и прилегающим к ней странам.. На третьем этапе (в период так называемой зрелости) бетон развивался не так стремительно, но с заметным улучшением свойств, технологии изготовления и принятия новых конструктивных решений. Это был этап качественного роста и развития больших потенциальных возможностей, который продолжался с начала II в. и примерно до середины III в. н. э. Наконец, заключительный, четвертый этап, продолжался менее ста лет и закончился в начале IV века н. э.
Указанное деление эволюционного развития римского бетона на отдельные этапы довольно условно, но позволяет схематично показать весь путь, который прошел этот материал за семь веков своего существования.
И доныне неизменно
Все хранит здесь явный след
Прежней дерзости и мощи,
Над которой смерти нет.
В. Брюсов
Римляне, как уже было сказано, не были изобретателями бетона, так же, как не они первые обнаружили вяжущие свойства извести, не они придумали арку, свод, большинство строительных машин и оборудования. Они переняли все это у этрусков, греков и других народов. Однако массовое применение, или как говорят сегодня - внедрение, все это получило именно в Древнем Риме. Только там широкое применение получил и бетон. Только римляне сумели полностью использовать такие его свойства, как прочность, водонепроницаемость и экономичность, а с I в. н: э. бетон превратился в один из основных конструкционных строительных материалов.
Первые бетонные постройки Древнего Рима датируются II в. до н. э. Однако, несомненно, этот материал применялся в римском государстве намного раньше. Подтверждением служат многие работы археологов, в частности американского археолога Е. Ван Деман.
Бетон того далекого времени т. е. IV - III вв. до н. э., мало походил в качественном отношении на последующий римский, хотя принципиальное сходство между ними сохранилось. Недаром до наших дней почти не дошло ни одного сооружения из "старого" раннеримскою бетона. Е. Ван Деман, посвятившая большую часть жизни изучению древнеримской архитектуры и строительства, назвала такой материал псевдо- или квази (якобы) бетоном.
В качестве вяжущего в псевдобетоне использовалась воздушная известь, а заполнителем служили песок и камень с большим количеством грунта. Камни крупного заполнителя часто были размером более 40-60 см.
Археологические раскопки стен Помпеи показали, что римский псевдобетон представлял собой материал, напоминающий современную бутовую кладку, где в качестве сердечника, т. е. ядра кладки, выступали крупные битые камни или валуны, скрепленные известковым раствором, а в качестве облицовки - две параллельные стены из крупных естественных камней, также связанных раствором из песка и извести.
Подобную кладку в то время называли "опус инцертум" (opus incertum) или просто "инцерт", т. е. кладка камней, образующая на фасаде сооружения неправильный, нерегулярный рисунок. Бетон в ней был очень непрочен, и устойчивость таких стен достигалась не столько за счет связующей силы раствора, сколько за счет внутреннего давления, создаваемого массой заполнителя, и трения между камнями. Определенную роль играла здесь и облицовочная стенка, которая одновременно выполняла роль опалубки, хотя уже в то время были известны случаи возведения бетонных сооружений с разборной деревянной опалубкой.
Рис. 5. Часть бетонной стены мавзолея Августа, облицованной туфом правильной формы (orus reticulatum, "ретикулат").
Этому искусству уже много тысяч лет...
А. Куприн
Долговечность римского бетона поразительна. Можно лишь удивляться, глядя на отдельные древнеримские здания и сооружения, простоявшие почти 2000 лет. Даже их развалины поражают наше воображение. Сегодня мы имеем более прочные цементы для бетона, чем слабые известковые вяжущие вещества римлян, прогнозируем работу железобетонных конструкций на много лет вперед, и все-таки у нас нет полной уверенности, что современные бетонные и железобетонные сооружения выдержат без разрушения хотя бы 100 лет эксплуатации. Почему же стоят бетонные сооружения римлян? Вероятно, они владели какими-то секретами, которые со временем были утрачены? Попробуем разобраться в этом сложном вопросе. Правда, для этого нам потребуется пройти по всей длинной технологической цепочке приготовления и производства римского бетона.
Для того чтобы каменный скелет превратился в монолитный искусственный камень, нужен прочный и желательно дешевый клей. В качестве такого клея, а точнее - его основного компонента, римляне использовали воздушную известь, хотя были случаи применения гидравлической извести и вяжущего типа роман-цемента.
Известь получают из обычного известняка, известняка-ракушечника, мела, мергеля - т. е. всех тех горных пород, в которых основным компонентом является кальцит. Серый бутовый камень, из которого, выкладывают фундамент, мрамор, мел - все они в большей или меньшей степени содержат кальцит. В зависимости от его относительного содержания известняки, например, называются чистыми (не менее 98% кальцита) и мергелистыми. Древние строители предпочитали чистые белые известняки, считая, что именно из них можно получить наиболее качественное вяжущее вещество.
Однако известняк еще не известь, и им невозможно склеить камни или кирпичи. Для этого он должен пройти длинный путь последовательных превращений - обжиг, дробление и гашение в воде...
За несколько тысячелетий до новой эры люди научились получать готовую известь из известняка. Со временем объемы строительства из камня и кирпича росли и требовали все больше и больше извести, поэтому вместе с увеличением выпуска кирпича и камня росла и совершенствовалась технология получения извести. Особенно больших успехов достигли в этом деле древние римляне.
Марк Порций Катон (234-149 гг. до н. э.), консул и цензор Римской Республики, примерно в 160 г. до н. э. описал устройство печи и процесс обжига известняка. По его данным печь имела форму усеченной пирамиды с шириной внизу 2,96 м, вверху 0,79 м и высотой 5,92 м. Устраивалась она обычно на крутом склоне холма, чтобы не мешал ветер. Иногда к печи пристраивали выступающую над поверхностью земли верхнюю часть, что увеличивало объем и улучшало тягу. Топку отделяли от пространства, занятого камнем, колосниковой решеткой, препятствующей падению камня в огонь. На рис. 12 приведен разрез римской известково-обжиговой печи.
Рис. 12. Римская печь для обжига известника (по Н. Дэвэю) а - глазок; б - твердое топливо; в -известняк.
Рис. 13. Римский легионер, перемешивающий известковый раствор при помощи лопатки (рельеф колонны Траяна).
В этом горниле вселенной,
В этом смешеньи всех сил и веществ...
В. Брюсов
Попробуем проследить основной путь превращения белого чистого известняка в прочный и плотный камень с современных научных позиций.
Если обжигать куски добытого в карьере известняка на сильном огне, то из камня по мере подъема температуры будут последовательно выделяться вода и углекислый газ с образованием углекислоты. При температуре порядка 900° С из известняка выделяется безводный продукт оксида кальция, т. е. белые куски негашеной извести. Это первое превращение известняка.
Следует очень осторожно обращаться с этими белыми камнями, так как негашеная известь способна разъедать руки, одежду, обувь. Она "съедает" все, как серная кислота. Если же на груду камней извести вылить ведро воды, известь зашипит, закипит, вздуется и над ней поднимется густой белый пар. Белые куски извести быстро превращаются в мелкий порошок. Через минуту кипение прекратится. Известь из негашеной превратилась в гашёную, а полученный порошок - в так называемую "пушонку".
Пушонка - сухой на ощупь порошок. Вылитая на негашеную известь вода химически соединилась с ней. Произошло второе превращение известняка.
Смешаем еще раз пушонку с водой. Кипеть, т. е. гаситься, она уже не будет, а просто превратится в тесто с техническим названием гидроксида кальция. Чем больше добавлять в него воды, тем более жидким становиться известковое тесто. Если это тесто плотно закрыть сверху грунтом, то оно не затвердеет десятки лет и при этом еще станет очень пластичным, наподобие сливочного масла. Если же тесто оставить на воздухе, то оно скоро покроется твердой корочкой и постепенно окаменеет. Жидкое тесто - третье превращение известняка. Это почти готовый клей. Слово "почти" означает, что таким тестом нельзя хорошо склеить кирпичи или камни, так как чистое известковое тесто быстро рассохнется и растрескается. Чтобы этого не произошло, необходимо тесто смешать с песком. Такая смесь будет называться известковым раствором, а процесс перехода растворной смеси в твердый камень - четвертое и одновременно пятое превращение известняка. Это наиболее важный и сложный этап при твердении гашеной извести.
Переход известкового раствора или бетона в камень-известняк или карбонат кальция известен как карбонатное твердение известковых вяжущих веществ. При обычной температуре он складывается из двух одновременно протекающих процессов: испарения свободной воды из известкового теста (четвертое превращение), с постепенным образованием кристаллического каркаса из гидроксида кальция (пятое превращение).
Процесс кристаллизации гидроксида кальция протекает весьма медленно. Испарение воды вызывает постепенное слипание его мельчайших частиц в более крупные и их кристаллизацию. Растущие кристаллы срастаются между собой, образуя известковый каркас, который окружает частицы песка.
Эти два процесса протекают почти одновременно и проходят достаточно интенсивно только в присутствии влаги и углекислого газа.
Пленка углекислого-кальция, образующаяся в первый период твердения раствора на его поверхности, затрудняет попадание углекислоты во внутренние слои гидроксида кальция. В результате процесс карбонизации почти приостанавливается, и твердение камня идет, главным образом за счет кристаллизации, при которой необходима пониженная влажность и. положительная температура.
В результате образования слабых кристаллических сростков прочность раствора на воздушной извести получается очень незначительной и к 28 сут твердения составляет в среднем 0,5 МПа. Помимо этого полученное соединение не стойко к воде и морозу. Правда, впоследствии в результате протекающего процесса карбонизации, прочность такого раствора и бетона увеличивается в 5-7 раз и более, но сам процесс протекает очень медленно - на протяжении десятков и сотен лет.
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 - гидросиликат 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.
Витрувий в кн. II, гл. 6 описывает эти добавки следующим образом: "...существует определенный порошок естественного происхождения, используя который можно добиться великолепного результата. Его находят в Байях и в землях v вокруг Везувия. Это вещество при смешивании с известью и камнем не только придает прочность сооружению, но даже при устройстве дамб в открытом море прочно схватывается под водой".
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.
Теперь реальным стало только то, Что можно было взвесить и измерить, Коснуться пястью, выразить числом-
М. Волошин
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:щебень 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.
Витрувий в кн. II, гл. 4 писал о том, что "...Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке". В большинстве случаев он советовал применять чистые "без примеси земли" пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ - очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев нежелателен, так как содержит примеси солей, которые ведут к выцветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строительства. Такое утверждение не противоречит современным техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно промывались.
Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. "Надо добывать камень не зимою, а летом, - пишет Витрувий (кн. II, гл. 4), - и оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся непорченным, пойдет для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность..."
Методы определения чистоты заполнителей 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, кн. II, гл. 4).
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 чей! 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 готовился 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 способе 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 известково-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-вяжущего отношения, тонкости помола пуццолановых добавок и других трудно учитываемых факторов.
В 80-х годах нашего века западногерманские ученые провели серию испытаний бетонных образцов, взятых в районе Кельна, Зальбурга и других городов Западной Германии - бывшей римской провинции. Бетонные образцы были отобраны из стен домов, сводов зданий, стен бассейнов и других сооружений. При этом было обнаружено, что прочность на сжатие бетонных образцов имела от 0,5 до 50 МПа в зависимости от вида сооружений, хотя преобладающей оказалась прочность порядка 7-12 МПа. Максимальное значение прочности - 50 МПа - обнаружено у бетонных полов. Стены и своды зданий показали гораздо меньшую прочность, а бетон из стен бассейна - всего 5 МПа. Это свидетельствует о том, что римляне, изготавливая водонепроницаемые сооружения, не стремились получить при этом прочный бетон.
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.
В стремленье ввысь, величественно смелом,
Вершилось здание свободным острием,
И было конченным, и было целым,
Спокойно замкнутым в себе самом.
В. Брюсов
Мы подошли к одному из самых главных технологических процессов при производстве бетонных изделий - формованию, которое в современном понимании этого слова включает устройство опалубки, укладку и уплотнение бетонной смеси.
Вопросы формования бетона, несомненно, крайне интересовали античных строителей.
Как уже было сказано, для возведения бетонных стен они обычно применяли каменную опалубку, которая, по мнению большинства ученых, одновременно выполняла роль облицовки. Такое мнение является распространенным, но не единственным, так как некоторые исследователи полагают, что каменная стена, выполняющая роль облицовки, возводилась лишь после твердения бетонного ядра.
Римляне употребляли самые различные виды каменной опалубки-облицовки: неправильную (инцерт), правильную из камней (ретикулат), правильную из кирпича (тестациум) и смешанную (микстум), т. е. с использованием камней и кирпичей (рис. 14).
Рис. 18. Виды каменной опалубки-облицовки: а) - неправильная (opus incertum); б) - правильная (opus reticulatum); в) - из кирпича (opus testacium); г) - смешанная (opus mixtum)
Рис. 16. Опалубка из прямоугольных камней с уложенными в нее слоями бетона (по Шуази).
Рис. 18. Римская бетонная стена с опалубкой-облицовкой из треугольного кирпича и поперечными связями из плоских кирпичей и деревянных брусьев (по Шуази).
Рис. 19. Опалубка с кирпичным каркасом в виде арок (по Шуази).
Рис. 20. Бетон в деревянной опалубке (по Шуази).
У римских строителей было крылатое выражение, приписываемое Витрувию: "utilitas, firmitas, venustas" - польза, прочность, красота! И, если судить по качеству возводимых ими сооружений, их долговечности и архитектуре, то можно сказать, что этот лозунг полностью воплощался в жизнь. В значительной степени этому способствовал римский бетон.
Настоящая глава посвящена конкретным видам капитального строительства из римского бетона, в частности строительству дорог, акведуков, терм, водопроводов, жилых и общественных зданий, храмов, мостов и гидротехнических сооружений.
Дорог строитель чудотворный,
Народ Траяна! Твой завет,
Спокойный, строгий и упорный,
В гранит и мрамор здесь одет.
В. Брюсов
Дороги прославили Древний Рим. Дороги - это торговые пути, пути сообщения, которые способствовали развитию Древнего Рима, его культуры и цивилизации. По ним перевозили награбленную в завоеванных странах добычу, перегоняли тысячи рабов.
В начале II в. во времена Траяна существовало уже около 100 тыс. километров государственных дорог, преимущественно с твердым покрытием. Они были хорошо обустроены и содержались в отличном эксплуатационном состоянии. На основных дорогах Рима через каждую римскую милю (примерно 1,5 км.) устанавливались дорожные знаки. Предусматривались станционные дома-гостиницы и ремонтные службы. Все это способствовало их большой пропускной способности. Так, по свидетельству современников, император Август мог в течение светового дня проезжать по римским дорогам 185 км, а Тиберий за сутки покрывал расстояние в 350 км. При четкой работе всех служб и быстрой смене лошадей в среднем удавалось проезжать до 300 км в день.
Вероятно, большинство дорог Древнего Рима строилось в соответствии с требованиями первых "технических условий", так называемых "12 таблиц", разработанных еще в 450 г. до н. э. Согласно этому документу дороги по ширине делились на следующие части (полосы): семита (semita) или пешеходная полоса шириной 30 см, итер (iter) - полоса для всадников и пешеходов шириной не более 92 см; актус (aktus) - полоса для одноупряжных повозок и экипажей шириной 1,22 см и двухполосная виа - (via) - основная проезжая часть шириной около 244 см. Таким образом, если считать, что семита, итер и актус проходили с обеих сторон дороги, то общая их ширина с учетом двойной виа составляла, приблизительно от 7 до 10 м. В более поздние времена империи этим размерам перестали строго следовать.
Первой стратегической дорогой римлян считалась Аппиева, проложенная в 312 г. до н. э. цензором Аппием Клавдием Крассом. Это была наиболее широкая мощеная дорога, соединившая Рим с Капуей. Именно вдоль нее были распяты на крестах 6 тыс. рабов, восставших под предводительством Спартака. Длина Аппиевой дороги составляла 540 км, а ширина 7...8 м. Как и большинство крупных дорог Древнего Рима, она, невзирая на рельеф местности была на большей части прямая, как луч. Аналогичной была "виа Фламиниа" - Великая Северная дорога, построенная приблизительно в 220 г. до н. э. Это была, пожалуй, самая длинная по протяженности дорога, которая шла от Рима к северу Италии через Альпы и далее - по берегу Адриатического моря в Византию. Считается, что до конца I в. до н. э. почти весь Италийский полуостров был пересечен дорогами, ведущими в Рим.
В то время в римских городах была распространена прямоугольная координатная сетка расположения домов с длинными и прямыми улицами. Это не значит, что все улицы были такие. Внутри кварталов улицы, наоборот, были узкими и кривыми, но главные улицы отличались от них. Они нередко имели ширину 12 м, а в отдельных городах, как, например, в Кельне, расстояние между фронтонами зданий достигало 32 м. Основная дорога там с учетом тротуаров имела ширину 22 м, а без учета тротуаров 11-14 м.
В пределах города на дорогах обязательно устраивался тротуар шириной от 0,5 до 2,4 м, который отделялся от проезжей части бордюрным камнем высотой около 45 см. Основание таких дорог обычно дренировалось при помощи специальных водостоков и кюветов, а их поверхность всегда была приподнята над уровнем земли и имела небольшой уклон к периферии.
Общая толщина римских дорог составляла от 80 до 130 см, хотя отдельные из них достигали 240 см. Как правило, дороги были многослойными, из четырех-пяти слоев, со средними слоями из бетона, хотя абсолютной уверенности в этом нет. Нижний слой многих дорог представлял собой основание из каменных плит толщиной 20-30 см, которые укладывались на хорошо уплотненное земляное полотно через растворную стяжку, с последующим выравниванием их песком. Второй слой толщиной 23 см состоял из бетона (битого камня, уложенного в раствор). Третий слой толщиной тоже 23 см был из мелкогравийного бетона. Оба бетонных слоя тщательно утрамбовывались. Это была самая сложная и изнуряющая часть работы, которую выполняли в основном рабы и иногда воинские подразделения. Последний, верхний слой дороги покрывался большими каменными блоками площадью 0,6-0,9 м² и толщиной около 13 см (рис. 21). Считается, что большая часть Аппиевой дороги сооружена именно так.
Рис. 21. Профиль римской дороги с гравийным (а) и каменным (б) покрытиями (по Легеру) 1 - подстилающий слой; 2 - каменные плиты; 3;4 - бетон; 5 - каменные плиты; 6 - крупный гравий или щебень
Рис. 22. Лондонская бетонная дорога с черепичным покрытием (по Кирби).
Рис. 23. Греческие геодезические инструменты, используемые римлянами (по Стоуну). а - грома, предназначалась для съхемки местности, построения прямых углов и линий; б - диоптра, более точный прибор по сравнению с громой, дополнительно снабжен водяным уровнем.
Акведуки - главное свидетельство величия Римской Империи
Фронтин
Эти слова принадлежат Сексту Юлию Фронтину (кон. I - нач. II в. н. э.), крупному государственному деятелю Древнего Рима, который был дважды консулом, удачно воевал в Британии и на старости лет получил титул "водного смотрителя". Заняв такой высокий пост, Фронтин, досконально изучивший все технико-экономические вопросы, связанные со строительством и эксплуатацией водопроводов, написал книгу "Водопроводы города Рима", которая имела большое значение не только в эпоху Римской империи, но и в последующие века. Многие строительные элементы в римских водопроводах были выполнены из бетона.
Вода у греков и римлян, как и у многих более древних народов, считалась чем-то божественным, одним из основных элементов мироздания. Вероятно, это поверие пришло с Ближнего Востока, где пресная вода всегда была большой ценностью. Там же на Ближнем Востоке задолго до возникновения древнеримского государства для сбора воды строились дамбы, плотины и каменные водоводы. В VII в. до н. э. близ древней Ниневии был выстроен большой водовод длиной 40 км. Для переброски его через долину реки ассирийцы построили каменный мост (акведук) с пятью сводчатыми арками, каждая пролетом 2,74 м. На протяжении 900 м он представлял собой открытый канал, проложенный в искусственном каменном ложе, шириной около 2,3 м. Возможно, это был один из первых акведуков, построенных людьми.
В Древнем Риме водопроводы начали строить в конце VI в. до н. э. Первый большой водопровод в Риме соорудил Аппий Клавдий, известный строитель Аппиевой дороги. Это событие произошло в 312 г. до н. э., в один и тот же год с открытием первой стратегической дороги. Относительно небольшой по протяженности водопровод длиной 16,5 км большей частью проходил под землей, начинаясь за городом от родника в каменоломнях и заканчивался у Тибра, по соседству с гаванью, куда бойкие подрядчики привозили из Египта мраморные и гранитные блоки. Его так и называли - Аппиевым.
Большинство водопроводов, как, впрочем, и храмов, театров, дорог и других ответственных и уникальных сооружений, получили свое название по имени своих строителей, точнее людей, которые финансировали строительство и отвечали за него. Ими обычно являлись высокопоставленные государственные цензоры, преторы, эдилы, а нередко консулы и сами императоры.
В 272 г. до н. э. был заложен второй водопровод в Риме, который был закончен через два года. Он снабжал столицу водой из речки Анио, расположенной в 70 км от города.
Водоснабжение Рима затруднялось из-за сильно пересеченной местности, так как город расположен на семи холмах, окруженных плоской территорией Кампании. Водоснабжение осуществлялось с помощью водоводов, которые в пределах города располагались на акведуках - специальных сооружениях в виде мостов (рис. 24). Водовод проходил поверху акведука и представлял собой канал в виде желоба, выполненный из камня, кирпича или бетона. При подходе водопровода к городу устраивались водонапорные башни, которые по принципу действия напоминали современные водонапорные сооружения, хотя и отличались от них распределительными системами для воды.
Третий водопровод в Риме - аква Марция - построен в 144 г. до н. э. Это уникальное для того времени гидротехническое сооружение послужило эталоном для более позднего римского строительства. В книгах древнеримских авторов водопровод Марция упоминается как значительная веха великих дней Республики. Особенно на трассе водопровода выделялся грандиозный акведук, поднявшийся почти на 60 м над уровнем Тибра. Общая протяженность водопровода достигала 91,3 км, из которой надземная часть составляла 11,82 км, а суточный дебит подаваемой воды равнялся 200 тыс. м³. Построен он был из красивого природного камня руками рабов - пленных греков и карфагенян.
Его водопропускное русло имело ширину 1,37-1,68 м, а высоту 2,44-2,75 м. К сожалению, этот водопровод с его замечательной аркадой акведука дошел до нас в жалких развалинах, тем более, что сам акведук несколько раз перестраивался. Так через 17 лет после окончания строительства по нему был проложен акведук Тэпула, а еще через 100 лет - акведук Джулия, где в качестве строительного материала уже были использованы кирпич и бетон.
Во времена императора Августа, когда в стране развернулись большие Строительные работы, во главе их становится друг и зять императора - полководец Марк Випсаний Агриппа. Ему приписывается строительство многих сооружений, включая храмы, термы и водопроводы.
По словам Фронтина, Агриппа был первым куратором водопроводов. Он обучал своих рабов "водопроводному делу" и создал из них специальную "водяную, команду", реорганизованную впоследствии в "водяное ведомство". В конце I в. в "водяную команду" входило много самых разных специалистов: инженеры-гидравлики, ремонтники, эксплуатационники. В нее входили и так называемые "виллики" (villici) - управители, "кастелларии" (castellarii) - наблюдатели за водохранилищами и водонапорными башнями, инспекторы-мостовики, нивелировщики и т. д.
Часть из них постоянно находилась за пределами города для проведения ремонтных работ, а часть несла свою службу у водопроводных башен и больших фонтанов. За умышленную порчу водопроводной сети и подключение без разрешения магистрата к городской системе водоснабжения на виновного налагался огромный штраф. Недаром Фронтин упоминает о "водяных ворах", так называемых "сверлильщиках", которые тайком, ночью подкапывались к водопропускным трубам или каналам и подсоединялись к ним для забора воды.
Предполагается, что именно Агриппа начиная с 19 г. до н. э. был куратором строительства одного из самых красивых акведуков в мире - Понт-дю-Гара, расположенного на юге Франции. Этот акведук лежал на пути следования водопровода Вирго (Virgo) к городу Ниму, одному из южных городов Галии - римской колонии. Глядя на этот акведук (рис. 25), поражаешься его красоте и величественности. Построен он в долине реки Гордон и покоится на трехъярусной каменной аркаде, выполненной из местного золотисто-коричневого известняка. Из этого камня вытесывались громадные блоки массой до 6 т, которые укладывались друг на друга без раствора, "насухо". Максимальная высота акведука 50 м, длина - 269 м. Предполагается, что внутренняя часть опор акведука сделана из римского бетона.
Канал водовода сверху перекрыт каменными плитами во избежание засорения и испарения воды, а также воздействия на нее ультрафиолета солнечных лучей, из-за которых, как предостерегал Витрувий, в воде начинается быстрый рост водорослей. Водовод имеет прямоугольное сечение из камня, оштукатуренное внутри крупнозернистым раствором с добавлением пуццоланы.
Группа американских ученых на основании детальных обследований основных конструктивных элементов акведука Понт-дю-Гар, пришла к выводу о том, что римские инженеры почти 2000 лет назад умели рассчитывать строительные конструкции, пользуясь для этого абаками и восковыми таблицами. При этом американцы утверждают, что многие сооружения римлян запроектированы с учетом так называемых дополнительных, т. е. возможных в будущем нагрузок. Трудно согласиться с таким утверждением. Любой расчет конструкции или материала требует обязательного знания напряжений, возникающих в зависимости от различного сочетания нагрузок. Без этого невозможно рассчитать строительную конструкцию и назначить поперечное сечение всех ее элементов. Лишь в 20-е годы XIX в. Анри Навье (1785-1836) впервые в мире ввел понятие "напряжение" и создал рассчетный математический аппарат сопротивления материалов, который позволял решать большинство задач, опираясь на полученные опытным путем допускаемые напряжения. До того момента строительство развивалось главным образом эмпирическим путем, и даже блестящие работы Галилея, Гука, Мариотта, Кулона и других ученых XVII - XVIII вв. лишь подготовили почву для возникновения методов расчета.
Не следует забывать, что сооружений, .подобных Понт-дю-Гару было немного. Большинство же других, в том числе Пантеон, совершенно не походили на них в конструктивном отношении. Это были массивные, тяжелые здания с большим запасом прочности, напряжения в которых были в 5-50 раз меньше фактического предела прочности используемых материалов на сжатие и растяжение.
Во времена императора Клавдия (41-45 гг.) для снабжения Рима водой строится очередной водопровод с большим каменным акведуком. По мнению ряда исследователей, это был последний акведук, выполненный из природного камня. Впоследствии подобные сооружения изготавливались только из бетона и кирпича.
Обычно часть трассы водопровода вблизи и в самом городе проходила над поверхностью земли, что объяснялось необходимостью ее разводки. Крупнейшей аркадой акведука была так называемая аркада Палатинского ответвления, построенная при Нероне. Она достигала почти 20 м высоты и состояла более чем из 200 арок пролетом 7,75 м и толщиной несущих столбов 2,3-2,4 м. Почти вся она была сделана из бетона.
Разводка воды по отдельным домам и другим сооружениям осуществлялась с помощью водоводов, в основном под землей. Водоводы представляли собой свинцовые и керамические трубы или траншеи в виде каналов. Размеры труб были строго стандартизированы и выпускались в специализированных мастерских.
Рис. 26. Поперечный разрез двух римских водопроводов на юге Франции. а - в Лионе; б - в Нимесе (Понт-дю-Гар); 1 - фундамент; 2 - бетон с глиняными черепками; 3 - бутовая кладка; 4 - слой штукатурки; 5 - земляное покрытие.
Хоть и малы эти бани,
но зданье их сладостно взору.
Так же, как роза в садах,
как и фиалок букет.
Палатинская эпиграмма
Основными потребителями вод в городах Древнего Рима были общественные бани-термы, фонтаны, канализационные системы и специальные хранилища-цистерны, сооружение которых также велось из бетона.
Бани были известны очень давно. Гораздо раньше, чем в Риме, ими пользовались на Ближнем Востоке, в Дрейней Греции и других частях мира. Однако, если все древние народы предназначение бань видели только в мытье и очищении тела, то в Древнем Риме они стали своеобразной частью общественной жизни общества.
Термы в Риме превратились в своего рода развлекательные и спортивные учреждения, клубы, где находились не только банные помещения и бассейны, но и библиотеки, гимнастические классы, комнаты для философских и литературных дискуссий, лавки с товарами, сады и нередко - небольшие стадионы. Это был целый комплекс зданий, насчитывавший от 15 до 20 помещений и размещавшийся на площади в 10-14 га.
В Риме функционировало огромное количество терм, из них только мелких насчитывалось до 800. Самые большие и роскошные термы были построены императорами. Это термы Нерона (64 г.), Веспасиана (68 г.), Тита (75 г.), Траяна (110 г.), Адриана (120 г.), Коммода (188 г.), Каракаллы (217 г.), Александра Севера (230 г.), Аврелиана (272 г.), Диоклетиана (295 г.) и Константина (324 г.). Правда, большинство из них не сохранились и известны лишь по названиям.
Можно сказать, что к I в. н. э. уже сложилось типовое здание терм. В конструктивном отношении оно состояло из массивного, чаще всего бетонного фундамента и бетонных стен с наружной и внутренней каменной облицовкой и перекрытий в виде бетонных сводов или куполов. Помимо этого термы включали большую систему водоснабжения и канализации, многие элементы которой были сделаны из бетона. Из бетона же обычно были выполнены бассейны для плавания, а также различные емкости для хранения воды.
Помещения для мытья состояли из горячей (кальдарий), теплой (тепидарий) и холодной (фригидарий) бань, а также специально оборудованной парной, где температура и влажность пара регулировалась с помощью перекрываемого люком светового окна, расположенного в центре купольного перекрытия. Заслуживает внимания система отопления римских терм, применявшаяся также для обогрева жилых помещений. Она называлась "гипокауст" (hypokaust) и была построена по принципу обогрева пола помещения или его стен. Из отопительной камеры горячий воздух проходил под перекрытием пола, расположенным на каменных или бетонных столбиках. Для обогрева стен этот же горячий воздух направлялся к отверстиям в стенах, сделанных в полых кирпичах, называемых "тубули" (tubuli) или к керамическим трубам, смонтированным в стене. С помощью жара подпольных печей производилось нагревание воды бассейнов, предназначенных для купания.
Одними из первых обнаружены термы при раскопках в Помпеях. Они датируются II в. до н. э. Примерно в 70-х гг. до н. э. были сооружены термы в Риме при форуме. Для нас они интересны тем, что арки в них выполнены из бетона.
Во времена Римской Республики курортным местом для высшей аристократии считался городок Байи, расположенный в живописной местности на берегу залива Поццуоли, который привлекал к себе приезжих источниками горячей минеральной воды и горячих газов. Там находились виллы Цезаря, Цицерона, Помпея и других знатных людей Древнего Рима. Там же сооружены несколько крупных и роскошных терм. Среди них выделяются две. Это почти полностью сохранившееся, круглое в плане сооружение диаметром 21,5 м с перекрытием в виде полусферы. По своей конструкции это здание напоминает римский Пантеон, вероятно, являясь его предшественником. Несмотря на свое утилитарное назначение, термы эти названы "храм Меркурия". Здание терм построено в середине I в. до н. э. частично из бетона. Второе здание терм построено позже первого, но по. конструкций и архитектурной форме напоминает его. Оно названо "храмом Дианы". Купол его в основном сделан из римского бетона и достигает в диаметре 29 м. Интересно, что часть купола выполнена из бетона на легком заполнителе, структура бетона по высоте купола не постоянна. В нижней его части, у основания, уложен более тяжелый бетон с крупным заполнителем в. виде известняка и битого кирпича, а выше применен легкий бетон из пористого вулканического туфа. Несомненно, для того времени это являлось интересным инженерным решением. Сверху весь купол был покрыт строительным раствором толщиной 10 см.
Следует отметить, что именно в термах получили наибольшее распространение каменные и главным образом бетонные купольные своды. Это, вероятно, было вызвано тем, что плоские деревянные перекрытия из-за повышенной влажности в термах быстро выходили из строя.
Большие термы с бетонным куполом диаметром 30 м были построены в начале II в. н. э. на вилле императора Адриана в Тиволи. Частично они сохранились до наших дней.
В 217 г. императором Каракаллой были торжественно освящены громадные термы, названные его именем. Это был целый комплекс зданий общей площадью более 15 га, на которой мог бы разместиться небольшой римский город (рис. 27). Вот как описывал эти термы один из современников: "Он (Каракалла) оставил необыкновенные термы, носящие его имя, в которых солнечную залу архитекторы считают неподражаемой, так как говорят, что в ней вверху были устроены решетки из бронзы или меди, которым был доверен весь свод. Зала была так обширна, что ученые-механики отрицают возможность такого устройства". Отдельные залы й помещения терм отличались необыкновенным убранством, вмещая одновременно более 1600 человек. Фундаменты, часть стен, куполов и отдельные бассейны этих терм были выполнены из бетона.
Стены бассейнов были облицованы туфовыми блоками толщиной 15 см. Сами блоки были подогнаны друг к другу почти без заметных стыков и держались у стены за счет раствора с высоким содержанием цемянки, которая способствовала водонепроницаемости раствора и более быстрому его схватыванию.
Рис. 27. Термы Каракаллы, реконструкция.
В город прибудем, высокие стены его окружают;
Гавань его с двух сторон огибает глубокая;
Вход же в гавань стеснен кораблями, которыми справа и слева
Берег уставлен, и каждый из них на стоянке особой.
Гомер
Древний Рим славился не только храмами и дворцами, но и портами, гаванями, мостами, тоннелями и т. д.
В период становления и во времена Республики (III - I в. до н. э.) Древний Рим проводил завоевательную политику, главным образом с помощью сухопутных войск. Военно-морской флот был слабым и развивался медленно. Это и обусловливало длительные сроки строительства портов, причалов, волнорезов, маяков и других подобных сооружений. Однако впоследствии все меняется. Захват большого количества заморских владений и развивающаяся торговля требовали расширения сети гидротехнических сооружений. В конце республиканского периода, в первые два века Империи (I-II в. н. э.) закладывается строительство новых портов и гаваней, разворачиваются работы по всей прибрежной полосе итальянского "сапога".
Гавани были призваны защищать корабли от неприятеля и от разрушительного действия морских штормов. Они во многом походили друг на друга. Обычно гавани представляли собой водный бассейн, защищенный со стороны моря естественными или чаще искусственными ограждениями - молами и волноломами. Молы представляли собой как бы две вытянутые руки, охватывавшие всю акваторию порта. На уровне входа в гавань, чуть дальше в море устраивался третий мол.
Рис. 29. Римский сквозной мост-мол в Поццуоли.
Рис. 30. Строительство бетонного мола методом подводного бетонирования (по Белидору).
Рис. 32. Строительство бетонного мола с помощью ряжевой перемычки
Готово, отделано здание дома.
Отлично по линейке.
И хвалят все строителя,
Берут себе в пример.
Плавт
Домусы и инсулы - богатые особняки и многоквартирные жилые дома.
Жара и шум старых италийских городов, особенно республиканского периода, привели к своеобразной планировке римских домусов - их внутреннему замкнутому расположению. Обязательным элементом такого особняка становится атрий или атриум - закрытый внутренний двор с бассейном, куда выходят остальные помещения дома. Уже в I в. до н. э. атриум превратился в самую парадную и официальную комнату-залу. В ней принимают посетителей, ведутся деловые разговоры.
Строительство домусов обязательно увязывалось с окружающим ландшафтом.
Противоположностью домуса была инсула - доходный многоквартирный жилой дом. Инсулы стали появляться, когда население города перевалило за 1 млн. человек и нужда в жилых помещениях стала катастрофической.
К сожалению, в самом Риме и от инсул, и от домусов сохранились лишь жалкие развалины (рис. 34). Однако при их изучении можно ориентироваться на другие древнеримские города - Помпеи, Геркуланум и главным образом - на Остию, где под многометровым слоем тибрского ила остались "законсервированными" на века все существовавшие в те времена жилые постройки.
Развалины этих городов дают много интересных сведений по истории древнеримского строительства. Бетон как строительный материал, широко применявшийся в самых разнообразных видах капитального строительства Древнего Рима, не мог не коснуться жилых построек. В первую очередь он применялся при сооружении подземных частей зданий и возведении стен. Здесь он конкурировал с природным камнем, в значительной степени вытесняя его. С конца II в. до н. э. естественный камень выполняет второстепенную роль - применяется в качестве опалубки-облицовки.
Немалая часть оснований и фундаментов жилых домов в Помпеях, Геркулануме и особеннб Остии выполнена из римского бетона (рис. 35). При этом сами фундаменты были хотя и массивные, но мелкого заложения, развитые в ширину. Строительство их велось или с применением опалубки (каменцой, деревянной) или без нее, непосредственно в вырытую траншею с плотными бортами. На место будущего фундамента забрасывались в хаотическом порядке камни разного размера (до 20 см) и проливались известковым раствором.
Строительство стен велось только с применением каменной опалубки. О видах такой опалубки и способах бетонирования в ней довольно подробно было сказано выше, поэтому остановимся только на отдельных деталях и особенностях возведения бетонных стен. Так, по Витрувию, толщина стен зданий равнялась 1,5 ступням, т. е. примерно 40 см. Вероятно, это была средняя величина и в зависимости от типа сооружения, его назначения и этажности менялась в меньшую или большую сторону.
Вначале возводилась каменная опалубка. Возводили ее квалифицированные рабочие, которые стояли на подмостях с обеих сторон стены, укладывая тесаные камни в строго определенной последовательности. Другие, неквалифицированные строители, занимались приготовлением раствора, перетаскиванием его в корзинах на верхние этажи здания и укладкой смеси с последующим трамбованием ее между двумя рядами опалубки.
В Помпеях и Геркулануме жилые дома среднего сословия были высотой в два, реже три этажа, т. е. не более 10 м, в Остии инсулы были 3-4 -этажными, а в Риме, где, по словам очевидцев, была большая проблема с жильем, где, как писал Ювенал, "дорога и квартира хотя бы дрянная, и пропитанье рабов, и самая скромная пища" - высота инсул достигала 21 м, хотя после нескольких крупных пожаров она была ограничена 18 м. При высоте этажа приблизительно 3 м инсулы состояли из 4-5 этажей, а в отдельных случаях - до 7-8. Представляется, что при достаточной прочности бетона принципиальных трудностей в строительстве 5-7 -этажных римских инсул не должно было возникнуть.
Рис. 35. План древнеримского жилого комплекса в Остии, построенного приблизительно в 128 г. н. э.
Из серых камней, выведенных строго,
Являли церкви мощь свободных сил.
В них дух столетий смело воплотил
И веру в гений свой, и веру в бога.
В. Брюсов
После завоевания Карфагена и покорения Греции Рим становится самым могущественным и грозным государством Древнего мира. Одновременно растут потребности в строительстве храмов и дворцов. Лучше всего такому типу зданий отвечали здания сводчатого типа. Есть сведения, что за много веков до римлян, своды, купола и стрельчатые арки применяли более древние народы, однако только в Древнем Риме их усовершенствовали до такой степени, что они остались непревзойденными до середины XIX в.
Римлянам были знакомы такие виды сводов, как цилиндрический, крестовый, коробовый и сферический (полуциркульный) - купольный. При этом наибольшее предпочтение они отдавали последнему. В конструктивном отношении большинство римских сводов делилось на каркасные и бескаркасные, т. е. в первом случае свод держался за счет каменного или, чаще, кирпичного скелета, а во втором - за счет прочности монолитного бетона. Однако, несмотря на то что с момента строительства первых бетонных сводов и куполов прошло более 2000 лет, ученые не могут совершенно определенно ответить на вопрос, какова конструкция римского свода и как он возводился. И эта загадка является очередным римским секретом.
Вопрос, действительно, сложный и интересный. Дело в том, что в большинстве обследованных римских сводов и куполов отчетливо видны кирпичные арки, которые образуют на их поверхности разнообразный, а порой причудливый рисунок. Чаще всего арки меридионально замыкают купол здания или строго поднимаются вверх до светового окна, но порой они вдруг обрываются, не дойдя до верха конструкции или закругляются и поворачивают вниз. Есть своды, у которых вообще отсутствует кирпичный каркас, а сам свод, точнее, вся его бетонная часть, как бы поддерживается дополнительной тонкой оболочкой, образованной из одного-двух рядов тонкого кирпича, уложенного плашмя.
Все эти особенности римских бетонных сводов и главным образом купольных или полуциркульных породили самые различные гипотезы, объясняющие их внутреннее строение. В результате конструкцию бетонных сводов стали условно подразделять на каркасную и бескаркасную, хотя наличие кирпичных арок во втором случае также не отвергается.
Для того чтобы приблизиться к истине, следует выслушать мнение двух сторон. Противники каркасной гипотезы утверждают, что кирпичные арки купола являются не несущим, а декоративным элементом. В доказательство они приводят данные о том, что заглубление кирпичных ребер-арок в бетон было совсем незначительным не более чем на 13-15 см при общей толщине свода-купола от 40 см и выше. К примеру, толщина купола Пантеона в верхней, самой тонкой части - 1,4 м, а у опорного кольца - 6 м. Уорд Перкинс, директор античного института в Риме, пишет по этому поводу следующее: "...при более детальном рассмотрении сводов находящиеся в нем кирпичные арки не несут никакой нагрузки. Они возводились одновременно с укладкой бетона и использовались лишь для того, чтобы добиться заданной кривизны свода и разделить массу жидкого бетона на более мелкие сектора, удобные для работы..."
Главным "идеологом" каркасной гипотезы сводов до сих пор является французский инженер, архитектор и исследователь Огюст Шуази (1841-1909). Более чем сто лет назад вышла его книга "Строительное искусство древних римлян", где весьма убедительно высказываются предположения относительно приоритета кирпичного каркаса в римских бетонных куполах. Там же приводится очень правдоподобное описание реконструкции сводов и куполов и примерный ход работ по их возведению.
Точка зрения Шуази представляется вполне убедительной, и вот почему. Возведение бетонных сводов, а тем более куполов с большими пролетами требовало чрезвычайно прочных и сложных по исполнению кружал и такой же деревянной опалубки, с поддерживающими их строительными лесами. Можно представить, сколько потребовалось бы древесины для сооружения временной опалубки, например при строительстве купола Пантеона, масса которого по нашим расчетам составила более 19 тыс. т. И все же главная причина использования кирпичного каркаса в сводах и куполах заключалась не в дефицитности леса, как считает Шуази. В наше время лесные дубравы окружают Рим со всех сторон и надо думать, что 2000 лет назад их было не меньше, чем сегодня. Причина, вероятно, заключается в том, что даже небольшая деформация кружал и опалубки должна была бы вызвать появление трещин в монолитном бетоне купола и затем привести к катастрофе. Видимо, такие примеры были, и это натолкнуло римских инженеров на мысль выкладывать вначале по деревянным кружалам кирпичные арки, образующие временно несущий каркас свода и уже затем в его промежутки укладывать бетонную смесь.
Рис. 38. Кирпичные арки-решетки с радиальными швами (по Шуази)
Рис. 39. Одинарные и сдвоенные кирпичные арки (по Шуази)
Рис. 40. Одинарный и двойной сводчатые настилы (по Шуази).
Рис. 41. Конструкция двойного сводчатого настила перекрытия одного из залов терм Каракаллы (по Шуази).
Рис. 42. Рим. Пантеон. Интерьер.
Рис. 43. Поперечный разрез купола Пантеона.
Рис. 44. Конструкция внутреннего каркаса ⅛ части купола Пантеона (по Пиранези).
Рис. 45. Порядок возведения кирпичного каркаса верхней части купола Пантеона (по Шуази ).
Рис. 46. Поперечный и продольный разрезы Пантеона.
Римский народ сдержан теперь
И о двух лишь вещах беспокойно мечтает,
Хлеба и зрелищ...
Ювенал
Римские зрелищные сооружения, включая театры, стадионы и ипподромы (гипподромы), ведут начало из Греции. Считается, что театры в Риме основал "римский грек" Ливии Андроник, который, выступая с чтением греческих трагедий Еврипида, стал приспосабливать их к римским нравам.
В 146 г. до н. э. римский консул Муммий, после разгрома цветущего Коринфа, построил в Риме первый деревянный театр. Почти сто лет спустя, в 55 г. до н. э. другой завоеватель - Помпей - пришел в восторг от греческого театра в Митилене и приказал, скопировав план театра, создать по этому же образцу каменный театр в Риме - богато украшенное сооружение, рассчитанное на 40 тыс. человек.
Театр Помпея считается одним из первых, где использован бетон с темно-красным оттенком. Это свидетельствует о том, что в середине - конце I в. до н. э. римские строители стали вводить в бетон пуццолановую добавку такого цвета.
Римский театр мало чем отличался от греческого. Основная его часть - сцена - представляла собой, кроме самой сценической площадки, двухъярусное сооружение, состоящее из непрерывно чередующихся колонн и ниш, в которых стояли статуи и бюсты (рис. 47). Вход в театр был бесплатным. И только со времен Августа, который превзошел всех своих предшественников в количестве и разнообразии организованных им зрелищ, места в зрительном зале стали строго распределяться. Так первый ряд, который назывался подиумом, был предназначен для сенаторов, иностранных гостей и отдельно для императора. Всадники, как второе высшее сословие общества, занимали 14 следующих рядов. Военные сидели отдельно от всех остальных зрителей. Школьникам и их учителям отводился свой сектор, а женщинам - места на самом верху, на галерке, причем им был запрещен доступ на состязания атлетов, которые часто выступали в театрах.
Противоположная от сцены часть театра была наклонной и полукруглой, в виде сферически расходившихся зрительных рядов. Большое внимание при строительстве театров уделялось расположению входов, расстоянию между креслами и главное - акустическим характеристикам зала. Для этого, как уже говорилось, в стены замуровывались керамические и терракотовые сосуды, типа труб диаметром до одного метра и высотой до 1,7 м. Зачастую они маскировались на сцене и были направлены своими раструбами в зрительный зал с тем, чтобы усиливать голоса актеров. О подобных "громкоговорителях"-голосниках писал еще Витрувий.
Постепенно, со временем стирались греческие "классические" формы представлений и устраивались зрелища нового римского типа. Так получают развитие цирки и амфитеатры. При этом они приобретают огромное значение в жизни Рима. Это видно хотя бы из того факта, что когда Нерон наказал город Помпеи, закрыв у них на 10 лет амфитеатр за кровопролитную драку между зрителями, для горожан наступил большой траур. Предполагают, что город откупился большим штрафом и наказание было снято. Римлян просто невозможно представить без их многочисленных зрелищных сооружений. Вот как писал Ювенал по этому поводу в своих "Сатирах": "...Если бы не было игр, то увидели бы Рим наш печальным и потрясенным, как в дни поражения консулов в Каннах..." Проведение большинства зрелищ сопровождалось, как правило, бесплатной раздачей пищи и денег тысячам зрителей. Местные власти и государство в целом пли на это, стремясь снискать расположение толпы и отвлечь массы от политической жизни страны.
В Риме было построено три цирка. Самый древний из них - Большой цирк - "Циркус максимус", был рассчитан на 250 тыс. зрителей. Кроме него был цирк Нерона и Максенция. Однако древние римские цирки не были похожи на современные и являлись скорее продолжением греческих ипподромов, предназначенных для состязаний на колесницах. Первоначально столбы, статуи и декоративные сооружения делили арену цирка на две части. Для безопасности зрителей их места обыкновенно отделялись от арены рвом. "Циркус максимус" в Риме имел очень большую длину арены - около 550 м и ширину примерно 90 м, недаром Траян обещал разместить в нем весь Рим. Он даже стал чеканить монету с изображением этого цирка.
Бетон в цирках применяли не только для устройства оснований, фундаментов и высоких стен, но особое место отводили ему при строительстве сводов, предназначенных в качестве перекрытий для многочисленных проходов и служебных помещений. При этом в цирках встречаются самые разнообразные конструкции сводчатых бетонных каркасов в виде кирпичных арок, решеток, двойных и одинарных настилов из кирпича.
Другим видом античных зрелищных сооружений с овальной ареной, вокруг которой уступами располагались места для зрителей, были амфитеатры. Для того чтобы лучше узнать, из каких строительных материалов возводились подобные сооружения и какую роль играл в них бетон, познакомимся поближе с одним из самых знаменитых амфитеатров - римским Колизеем.
В 80 г. н. э. римский император Тит из династии Флавиев торжественно открыл одно из самых замечательных сооружений Древнего Рима - Колизей, который и сегодня поражает нас своим величием и красотой. Предполагают, что и название его произошло от латинского "colosseum" - колоссальный.
Колизей, или как его называют иначе амфитеатр Флавиев (рис. 48), был предназначен для больших зрелищных представлений. Вначале в нем даже устраивались так называемые "навмахии", т. е. морские сражения, где разыгрывались настоящие битвы с участием военных кораблей. С этой целью арена могла за короткое время превратиться в озеро.
Рис. 49. Схема применения строительных материалов в одной из повторяющихся радиальных стен Колизея (по А. Г. Циресу).
А - мраморные сиденья; В - арка из травертина (известняка); С - наклонный свод из пемзобетона, поддерживающий места для зрителей; Д - столб из травертина; Е - стена из туфобетона, облицованная кирпичом; FF - столб из травертина; G - бетонная арка, облицованная кирпичом; Н - стена из туфа, К - кирпичные арки.
Итак, вы познакомились с римским бетоном, применявшимся античными строителями почти 2000 лет назад - этим древним строительным материалом, который, во многом преобразившись, смело шагнул в наш XX в. и прочно занял в нем лидирующее положение среди конструкционных материалов. Вы узнали, почему только в Древнем Риме бетон получил столь широкое распространение, почему столь удачное сочетание потребностей и возможностей римского общества привело к строительству из бетона именно в Риме и не могло возникнуть нигде, кроме Рима - ни в Греции, ни в Этрурии, ни в другом государстве. Впоследствии, 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 меньшой 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 (II 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, большей 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.
1. Блаватский В. Д. Архитектура Древнего Рима. М., 1938.
2. Витрувий. Десять книг об архитектуре. М., 1936.
3. Значко-Яворский И. Л. Очерки истории вяжущих веществ от древнейших времен до середины XIX в. М. - Л., 1963.
4. Катон. Земледелие. М. - Л., 1950.
5. Шуази О. Строительное искусство древних римлян. М., 1938.
6. Эллинистическая техника. Сб. статей под ред. акад. Н. И. Толстого. М. - Л., 1948.