Римский бетон

Печатается по решению секции литературы по строительным материалам редакционного совета Стройиздата.

Рецензент — д-р техн. наук Г. И. Бердичевский (НИИЖБ)

ПРЕДИСЛОВИЕ

«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 {3} 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.

СТРОИТЕЛЬНОЕ ИСКУССТВО ДРЕВНИХ РИМЛЯН

РАЗДЕЛЯЙ И ВЛАСТВУЙ

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^* 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». {5}

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 прризошла, вынеся на гребень политической волны таких выдающихся полководцев, как Марий, Сулла, Помпеи, 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^*, 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 {6} 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. {7}

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 Даккией 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 {8} 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. {9}

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 отношении. 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.

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.

РИМСКИЕ «КООПЕРАТИВЫ»

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. {10} 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. {11}

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 {12} «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.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
(АНТИЧНЫЕ ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ)

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 Витрувий 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 {14} 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». {15}

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 {16} 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.

ИЗ ЧЕГО СТРОИЛИ В ДРЕВНЕМ РИМЕ

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 {17} группы^*. 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. {18} 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 × 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 {19} 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.

НАСЛЕДИЕ ДРЕВНИХ ЭЛЛИНОВ

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.

Древнегреческий ученый Герон Александрийский, живший приблизительно около I в. н. э., дал систематическое изложение основных достижений античного мира по прикладной механике и математике. Он изобрел ряд приборов и автоматов, в частности теодолит, прибор для определения пройденного расстояния путем механического подсчета числа оборотов вращающегося колеса, который можно уподобить современному счетчику на

автомашине. Герон описал насосы, пожарную машину, и пожарную помпу, а также приспособление автоматического регулирования фитиля и уровня масла в лампах. Самыми выдающимися его изобретениями были ветряная машина и простейшая паровая турбина. Однако для того времени они оказались не более чем игрушками и на практике не использовались.

В отличие от Греции Древний Рим не оставил после себя никакого научного и технического наследия. Исключение, пожалуй, могут составить только военная и строительная техника, хотя и в них многое было заимствовано у древних цивилизаций и, главным образом, у греков. Римляне больше получали в наследство мыслей и идей, чем конкретных технических достижений. Да и нужны ли они были им, когда любой богатый гражданин Рима охотнее вкладывал свои капиталы в покупку рабов, более дешевых, чем машины.

Тем не менее нужны были и машины, и в частности строительные. На протяжении длительного времени в Риме велись колоссальные по объему и масштабам строительные работы, которые зачастую сдерживались не отсутствием денег и рабочей силы, а техническими возможностями строительной техники. Необходимы были подъемные краны большой грузоподъемности, транспортные средства, мощные копры для забивки свай, а также прочные и долговечные строительные материалы, способные перекрывать пролеты с расстоянием более 40 м.

Описание всех видов строительной техники, используемой римлянами, заняло бы слишком много времени, поэтому остановимся лишь на отдельных, наиболее важных из них, включив сюда, в первую очередь, грузоподъемные и гидравлические машины и механизмы.

Витрувий наряду с описанием военных машин упоминает о различных видах грузоподъемного оборудования, включая блоки, полиспасты, кабестаны^*, копровые сваезабивочные машины и т. д. К сожалению, рисунки самого Витрувия не сохранились. Зато до наших дней дошли изображения строительных машин и механизмов, описанных Героном Александрийским (около I в. н. э.) в его «Механике» (рис. 1). Все эти машины и механизмы приводились в действие с помощью силы рук, ног, а позднее — воды и оставались до наступления эпохи пара основными в строительной технике. Принцип их действия в наши дни остался таким же, как и 2000 лет тому назад.

Римляне располагали тремя типами гидравлических машин, два из которых, по крайней мере, были заимствованы у греков. Это подъемное колесо и винт Архимеда — нагнетательный насос. Из всех перечисленных типов машин наибольшее распространение получил винт Архимеда (рис. 2). Он состоял из деревянного сердечника — винта, обитого по спирали медными полосами, и деревянного цилиндра. Длина всей машины могла достигать 10–12 м, а угол наклона к горизонту составлял 22–45°. Винт приводился в движение при помощи специальной рукоятки, укрепленной на верхнем торце машины. Располагая эти винты один над другим, можно было ими откачивать воду с большой глубины.

Широкое распространение в римской строительной практике получило грузоподъемное оборудование. На рис. 3 показаны лишь некоторые из подъемных кранов, применявшихся в строительстве. С их помощью было возведено большое количество {25} монументальных зданий и сооружений, среди них гордость Рима — Колизей, бетонный Пантеон, колонна Траяна, мраморные блоки которой весили 50 т каждый. При строительстве акведука Клавдия, длина которого была более 14 км, потребовалось поднять 560 тыс. т тесаного камня.

Среди многих видов грузоподъемных механизмов весьма оригинальным является триспастос — ступальный кран, работающий по принципу беличьего колеса (см. рис. 3). У римских авторов отсутствует описание этого крана, но, как видно из рис. 3, на котором изображен этот кран, работающий при строительстве римской гробницы, он состоял помимо кронштейна с системой блоков и полиспастов, из большого по размерам колеса, которое приводилось в движение группой людей, находящихся внутри него. Предполагают, что при строительстве Пантеона были использованы подъемный кран со ступальным колесом и ступальный свайный копер.

Возможно, что для подъема камней очень больших размеров и массы, например барабанов колонн или архитравов, пользовались более «старым» испытанным египетским способом, о котором упоминает еще Плиний Старший. По его словам, камни поднимали по наклонной плоскости, образованной мешками, наполненными сухим песком, при этом сами камни располагались несколько выше их будущего места опоры. Затем песок медленно высыпали из мешков до тех пор, пока каменные глыбы не занимали свое проектное положение. Однако, несомненно, что все же чаще использовали подъемные краны как более производительное грузоподъемное оборудование.

Для подъема камней кранами в одном случае на двух противоположных плоскостях камня вытесывались подковообразные борозды, через которые просовывали веревочные канаты и цепляли их за крюк крана. В другом — в камнях проделывали сквозные отверстия, через которые можно было пропускать подъемный канат, или, сделав на них специальные выемки, можно было ухватить их своего рода «клещами».

Доставка камней из каменоломен к месту строительства была одной из наиболее трудоемких операций. Сухопутная доставка грузов осуществлялась при помощи волокуш, телег и тягловых животных. Погрузка и разгрузка их происходила как с помощью рычагов, клиньев и крюков, так и с помощью подъемных механизмов. Громадные мраморные глыбы, большая часть которых доставлялась в Рим из Египта, переправлялись морем на специально устроенных баржах. Для этого баржи подавались к месту погрузки полузатопленными, с помощью уложенных для этой цели камней. После погрузки мраморных глыб на баржу эти временно уложенные камни убирались, баржа приподнималась и груз перевозился к месту назначения.

ОПУС ЦЕМЕНТУМ — РИМСКИЙ БЕТОН

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.

КАК ПОЯВИЛСЯ БЕТОН

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», {28} 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 смесь 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.). {29}

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.

ОТ ПСЕВДОБЕТОНА ДО ПАНТЕОНА

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» раннеримского 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.

Начиная со II в. до н. э. бетон употребляется при строительстве фундаментов и стен жилых домов, храмов и сооружений утилитарного значения, в частности дорог. Известно, что строительству дорог римляне придавали очень большое значение, так как это связано с их военной политикой и освоением захваченных территорий.

Одним из первых наиболее крупных бетонных сооружений в Риме, по дошедшим до нас сведениям, явился огромный продовольственный склад рода Эмилиев. Он был построен во II в. до н. э. из массивных бетонных стен, вытянутых на 500 м вдоль Тибра.

Примерно с первой четверти I в. до н. э. состав бетона меняется. Улучшается качество заполнителей за счет более разнообразного зернового состава, уменьшается наибольшая крупность камней до величины с «кулак», резко сокращается количество грунта в заполнителях. В связи с этим растет и прочность бетона. Постепенно на смену «инцерту» приходит «ретикулат» (opus reticulatum): возведение опорной стенки из камней, имеющих правильный сетчатый рисунок (рис. 5).

На юге Италии, особенно в районе Путеол, вместо обычно применявшегося песка для раствора и бетона местные жители использовали залегающие здесь пуццоланы, сначала даже не подозревая, какими превосходными качествами эти добавки обладают. Подобные свойства имели и вулканические породы в окрестностях Рима. Отличались они от неаполитанских (путеоланских) только цветом, но строители Рима не знали этого и ввозили такие добавки до середины I в. до н. э. с юга страны. После того

как было обнаружено, что местные добавки обладают такими же свойствами, как и добавки из района Путеол, их стали повсеместно использовать в бетоне, на что указывает красноватый оттенок бетонных сооружений в Риме и его окрестностях.

Впоследствии все добавки подобного типа стали называть пуццоланами.

В I в. до н. э. во времена Юлия Цезаря, пуццоланы в бетонах все чаще используются непосредственно по своему назначению, Примерами могут служить ранние гидротехнические сооружения; некоторые из них сохранились до наших дней, в частности большой волнолом близ Неаполя, построенный в конце I в. до н. э. (рис. 6). При этом толченый бой отходов кирпича и черепицы, который добавлялся также в качестве гидравлической добавки {33} и позднее получил название пуццолан, стал применяться несколько раньше, чем добавки вулканического происхождения. Есть сведения, что подобные добавки использовались на Крите за много веков до римской цивилизации.

«Опус инцертум» все больше уступает место «опусу ретикулату». Появляется тенденция в качестве крупного заполнителя использовать обломки старых разрушенных зданий. Размеры камня в бетонных основаниях теперь всегда начинают превышать размеры его в бетонных стенах. Становится очевидным, что древние мастера уже обратили внимание на то, что качество бетона зависит от качества заполнителя. В это же время все большее распространение получает технология возведения бетонных сводов и куполов. Бетонные своды к тому времени уже достигают пролета 20–22 м, хотя и строятся преимущественно из тесаного камня или кирпича.

В правлении римского императора Августа начинается расцвет бетонного строительства — второй его период. В это время в Риме возводится ряд крупных общественных зданий. Грандиозное строительство было неотъемлемой частью политической программы новой монархии. Рим как столица, центр империи, должен был быть хорошо украшен. Кроме того, он должен был вместить огромные массы людей.

В I в. н. э. население Рима составляло более одного миллиона человек. Для такого огромного города необходим был целый ряд мер по благоустройству, проведению водопроводов, дорог, жилых и общественных зданий. Это требовало, с одной стороны, достаточно высокого уровня практических и теоретических строительных знаний, а с другой — прочного и долговечного материала. Всем этим требованиям лучше всего отвечал бетон.

В конце I в. до н. э. возводятся первые крупные общественные постройки с монолитными бетонными стенами и фундаментами — театры в Помпеях и Риме (в частности, известный театр Марцелла — 17 г. до н. э.). Есть сведения, что основания отдельных мостов, которые довольно интенсивно строились в тот период, также были бетонными.

К этому времени в основном стандартизируется состав бетонной смеси и технологии его приготовления. Так, крупный заполнитель уже представлял собой камни размером до 100 мм, песок просеивался и для различных работ строго подразделялся по происхождению. Нередко в качестве крупного заполнителя использовали битую черепицу, называя в этом случае бетонную массу «структура цистациа» (structura cistacea).

Впоследствии бетон почти полностью вытеснил дерево и каменную кладку из прямоугольного камня, используемую при возведении арок и сводов, и лишь при строительстве наиболее ответственных сооружений, например мостов, по-прежнему использовалась каменная кладка, так как полного доверия к бетону пока не было.

Примерно с середины 60-х годов I в. н. э. в правление Нерона архитекторами Севером и Целером в Риме сооружается громадный по размерам «золотой дом Нерона», где бетон с большим успехом используется при возведении стен, сводов и куполов (рис. 7).

В 90-х годах I в. н. э. был открыт Колизей, построены термы и триумфальная арка в честь побед Тита, где мощный пятиметровый фундамент был выполнен из трамбованного бетона. В то же время архитектором Рабирием воздвигнут грандиозный дворец на Палатине, своды которого представляли собой кирпичный каркас, заполненный бетоном. К концу I в. н. э. бетон занял в строительстве лидирующее положение среди основных конструкционных строительных материалов.

Со II в. н. э., начиная с правления Траяна и позднее Адриана, расширяется строительство инженерных сооружений из бетона. Однако, особое место бетону, как и прежде, отводится при возведении общественных и жилых зданий, особенно при постройке так называемых инсул — многоэтажных домов. Среди них особое место занимает показательное строительство жилого комплекса с типовыми трех-четырех этажными инсулами в Остии.

Облицовка из плоского кирпича и черепицы в то время почти полностью вытесняет «ретикулат». Так выполнены термы Траяны, Торговые ряды Траяна в Риме и Вилла Адриана (рис. 8–10). Часть набережной Тибра в период правления этого императора также была изготовлена из бетона с облицовкой методом «ретикулат» и чередующимися рядами кирпича.

В 123 г. заканчивается в Риме строительство Пантеона, размер бетонного купола которого диаметром 43 м до XIX в. оставался рекордным для данного типа бетонных конструкций. Основные строительные работы по Пантеону были выполнены при императоре

Адриане. Именно при нем строительство из бетона достигает своего наивысшего расцвета, начинается третий период его развития.

В Британии, Северной Африке, Германии, Испании — во всех римских провинциях прокладываются дороги, строятся многочисленные оборонительные сооружения, жилые и общественные здания. Бетонные своды этих построек имели несколько другое конструктивное решение, чем прежде. Они выполнялись не в виде кирпичных арок, заполненных бетоном, а в виде сплошного каркаса из кирпича, уложенного плашмя по деревянным доскам, на который поверху набрасывался бетон.

После смерти Адриана намечается постепенный спад бетонного строительства. Это было закономерно и связано с начавшимся политическим и экономическим кризисами, которые на протяжении последующих 2,5–3 столетий сотрясают древнеримское рабовладельческое государство.

На общем фоне упадка, несомненно, были отдельные периоды подъема строительного дела. В это время построены термы Каракаллы и Домициана, где бетон был применен в стенах, сводах и бассейнах для купания. В 268 г. был закончен большой храм Минервы Врачевательницы (Minerva Medica). Ее сферический

бетонный купол имеет весьма любопытную конструкцию. Каркас свода храма состоит, по мнению французского ученого Шуази, из меридиональных кирпичных арок, пространство между которыми заполнено бетоном.

Бетон, хотя и в более ограниченном количестве, продолжал применяться вплоть до IV в. н. э. Наиболее выдающиеся сооружения этого периода условно — четвертого периода — термы Диоклетиана, базилика Максенция и трехпролетная арка Константина (рис. 11). Последние примеры использования бетона

в античный период можно встретить в Константинополе, куда в начале IV в. н. э. переместилась столица римского государства. Так, в частности, нижние части сводов и арок знаменитого Софийского собора в Константинополе, построенного в 540 г., были сделаны из бетона. В последующий период строительство из бетона практически прекращается.

КЛЕЙ ДЛЯ БЕТОНА

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 {39} 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.

В 60-х годах XX в. при прокладке автомобильной дороги Шванмейн — Эйфель (ФРГ) были обнаружены шесть римских печей для обжига известняка. Все они имели примерно одинаковые

размеры, а по форме напоминали печи, описанные Катоном. Средний диаметр печей составлял три метра, а высота немногим более четырех метров. Одна из печей была реконструирована и на ней проведен опытный обжиг местного известняка по римской технологии. Обжиг продолжался примерно одну неделю, а выход готовой обожженной извести составил порядка 15 м³.

Основное внимание при производстве извести римляне уделяли выбору сырья. Катон рекомендовал для этого белый, наиболее чистый известняк, не считая пригодным пестрый, содержащий глинистые примеси материал. Этого же мнения придерживались Витрувий, Плиний и Палладий (IV в. н. э.). Известняк обжигали при температуре порядка 900°С. При этом окончание процесса обжига определяли по уменьшению количества дыма в пламени.

Римляне различали три вида извести: негашеную, погашенную в тесто, которая употреблялась при отделочных работах, и погашенную в порошок, идущую исключительно для кладки стен.

Для изготовления кладочных растворов обожженную и измельченную в небольшие куски воздушную известь гасили водой так называемым сухим способом. Для этого известь погружали в воду и затем рассыпали на воздухе или укладывали ее слоями, которые затем опрыскивали водой и покрывали слоем песка для сохранения выделяемого тепла, способствующего гашению. Эти способы, применяемые порой и теперь, не обеспечивали полноты гашения, так как оставляли в порошке более крупные, неразмешанные и непогасившиеся зерна извести. Для штукатурных работ известь затворяли избыточным количеством воды задолго до употребления и выдерживали в ямах до полного гашения. Образующееся тесто тщательно секли острыми металлическими секирами и перемешивали (рис. 13) до равномерно жирной и «липкой» консистенции. Витрувий справедливо считал, что без этого кусочки недожженной извести не успевают погаситься до начала работ и будут продолжать гаситься в штукатурке, образуя дутики,

которые приведут к поверхностным разрывам и трещинам. Для наиболее ответственных работ и приготовления специальных замазок (мальт) известь гасили не водой, а вином, перетирая со свиным салом и смоквой. Обычно римские законы не разрешали применять известь, гашенную менее чем за три месяца до начала строительства. Особенно тщательно и долго гасили известь, предназначенную для штукатурных работ. У древних строителей существовали специальные правительственные постановления, запрещающие употребление гашеной извести раньше истечения нескольких лет со дня затворения ее водой. Плиний Старший упоминает в своей «Естественной истории» о том, что древние законы о сооружениях запрещали применять для штукатурки известь, гашенную менее чем за три года до начала строительства. В то время считали, что, «...чем старее известь, тем лучше». Этим, по мнению Витрувия, достигалась надежность гашения, от которой зависела прочность сооружения.

К XIX в. сроки гашения извести намного сократились, но многие строители придерживались старых правил, считая законы древних строителей непогрешимыми. Так, русский зодчий Ф. М. Казаков при постройке здания Сената в Кремле приказал выдерживать известь в творильных ямах до шести месяцев, а Д. Жилярди считал, что этот срок должен быть около двух недель. Впоследствии время выдержки извести было уменьшено до трех дней, а сегодня известь гасят за несколько часов, используя для этой цели специальные установки-гидраторы.

Качество извести проверялось государственными контролерами при помощи небольшой лопатки, которую погружали в известковое {42} тесто. Если после выдергивания лопатки на ней оставались отдельные комки, считалось, что известь еще не созрела для производства работ. Если же лопатка выходила из теста сухой и чистой, это показывало, что известь утратила свои вяжущие свойства. И только когда при вытаскивании лопатки к ней прилипал по всей поверхности ровный слой известкового теста, известь считалась годной к употреблению. Интересно, что Витрувий был первым, кто сделал попытку теоретически обосновать процесс обжига и твердения извести. Его объяснение сводилось к взаимодействию четырех первичных элементов, из которых состоит материя — земли, воды, огня и воздуха. Сегодня многим такое объяснение покажется наивным и даже смешным. Однако не следует забывать, что Витрувий описал это явление 2000 лет назад, и еще долго после него сущность процесса обжига известняка оставалась неясной. Первые научные объяснения такому взаимодействию химических элементов дал в 50-х годах XVIII в. Дж. Блэк. Процессы же твердения современных кальциевых цементов исчерпывающе не разъяснены и поныне.

Прошли века, но принцип получения извести, отработанный древними римлянами, остался прежним. Изменилась лишь технология ее получения и гашения. На смену кустарному производству пришли автоматизированные заводы с большой производительностью, позволяющие получать продукт, однородный по составу, с улучшенными характеристиками.

Однако при рассмотрении технологии получения извести из известняка мы не продвинулись по пути расшифровки римского секрета... С этой целью познакомимся с различными качественными превращениями известняка, описанными в следующем разделе.

ПЯТЬ ЧУДЕСНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

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 {43} 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. {44}

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 {45} 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 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 {46} 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.

РЕЦЕПТЫ РИМСКОГО БЕТОНА

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 {47} 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 чем 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 {48} 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 {49} были хорошо известны способы 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 {50} 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.

СЕКРЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РИМСКОГО БЕТОНА

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).

В качестве материала для опалубки использовались или довольно крупные бутовые камни естественной формы с «инцертом» на фасаде (рис. 15), или камни, образующие правильный рисунок — «ретикулат». В этом случае опалубка представляла собой кладку из квадратных тесаных камней относительно небольшой величины, укладываемых так, что их стороны образовывали к горизонту угол в 45°. Полученный таким образом сетчатый

рисунок придавал стене красивый вид. В качестве примера можно привести волнолом в Неаполе (см. рис. 6), развалины виллы Адриана, остатки терм Диоклетиана в Риме и многие другие сооружения. Использовалась также опалубка из больших квадратных или прямоугольных камней, расположенных своими сторонами под прямым углом к горизонту (рис. 16). Разновидностью «ретикулата» был «опус спикатум» (spicatum), т. е. укладка камней или кирпичей в виде колоса или елочки или с частичным употреблением «ретикулата» и кирпичей (рис. 17).

В I в. н. э. на смену «ретикулату» приходит облицовка из обожженного плоского кирпича треугольной или любой другой формы. Стена с такой облицовкой выглядела более просто, чем «ретикулат», однако сцепление кирпичей с бетонной смесью было более надежным, а все сооружение более монолитным. Острые концы таких кирпичей были направлены в сторону бетонного ядра для лучшего закрепления в нем (рис. 18). Такие виды опалубок-облицовок, называемые «опус тестациум» (opus testacium), стали особенно популярны после Тиберия (14–37 гг.), когда «опус тестациум» изготавливались централизованно и регулярно обеспечивали стройку. Иногда ряды таких кирпичей чередовали с рядами тесаного камня, уложенного по форме «ретикулата».

По мере перехода от одного вида опалубки-облицовки к другому менялся не только внешний вид, но и качество сооружений. При этом не всегда в лучшую сторону. Так, после того как на смену «инцерту» пришел «ретикулат», сцепление камней с бетоном

ухудшилось. По словам Витрувия, такая сетчатая кладка, несмотря на более привлекательный вид, легче давала трещины «...из-за того, что неперерезанные постели и швы кладки расходятся во все стороны. А при кладке неправильной формы камни, перекрывая друг друга и заходя один за другой, придают ей хотя и не очень приятный вид, но зато обеспечивают большую прочность, чем при сетчатой».

Для более прочного сцепления кирпича опалубки с бетоном римляне специально изготавливали кирпич с одной стороны шероховатым, пористым, а с другой — гладким и блестящим.

Во времена Тиберия в качестве внешней облицовки стали использовать также специально приготовленную черепицу, кромки и концы которой хорошо обеспечивали сцепление ее с бетоном. При этом черепица готовилась в специальных формах, после чего ее можно было с помощью удара молотка разбить на две или несколько одинаковых керамических деталей заданных размеров.

Всестороннее и длительное использование каменной и кирпично-черепичной кладки в качестве постоянной опалубки-облицовки, вероятно, было оправдано стремлением римлян придать привлекательность внешнему виду своих бетонных сооружений.

Помимо каменной опалубки широко применялась деревянная — в виде струганых досок и деревянных щитов, о чем упоминается в работах Витрувия и многих археологов.

В особую группу входила опалубка сводов и куполов, так как ее устройство считалось наиболее сложной работой в процессе строительства. Опалубка для сводов и куполов делалась деревянной и устраивалась по деревянным кружалам, которые в {55} зависимости от пролета свода опирались или на опоры-выступы, специально оставляемые в стене в процессе строительства, или на деревянные леса. Она нередко имела сложную конфигурацию, в которой плотники должны были воплотить замысел архитектора. Конструкция такой опалубки зачастую усиливалась кирпичными каркасами (рис. 19), промежутки между которыми заполнялись бетонной смесью.

С целью экономии древесины римские инженеры использовали оригинальный способ изготовления массивных перекрытий: вначале с помощью легкой деревянной опалубки сооружался тонкий бетонный свод, а затем по нему производили последующее бетонирование всего перекрытия.

После возведения опалубки приступали к бетонированию сооружения. Это была относительно простая, но крайне тяжелая физическая операция, так как от того, как уложена и уплотнена бетонная смесь, зависят все основные свойства бетона.

Сегодня нам хорошо известно, что если бетонную смесь недо-уплотнить всего лишь на 1%, то прочность его понизится на 5%. Если же недоуплотнение составит 5–10%, то прочность соответственно упадет на 30–50%. В современном строительстве такое положение считается недопустимым, поэтому уплотнению смеси уделяют серьезное внимание, применяя многочисленные виды бетоноформовочного оборудования, в основе которого в большинстве случаев лежит эффект вибрации.

Римляне не использовали вибрацию, но, видимо, хорошо понимали, насколько важно тщательно уложить и уплотнить бетонную смесь. В начальный период применения бетона они использовали хаотичную, беспорядочную укладку известкового раствора с большими камнями, что в наше время напоминает бутовую кладку с «изюмом», когда производится набрасывание больших бутовых камней в заранее уложенный раствор. Затем появляется более упорядоченный, послойный метод укладки растворной смеси и крупного заполнителя. Уплотнение бетонной смеси производилось ими с помощью трамбования или без него.

Трамбование осуществлялось следующим образом: вначале на небольшую высоту возводилась опалубка из крупных тесаных камней, назначение которых заключалось в том, чтобы за счет своей большой массы сдерживать боковое давление бетонной смеси и ударов трамбовок. Затем, видимо, в опалубку укладывался слой раствора толщиной 10–15 см, а поверх него набрасывался щебень крупностью 8–10 см (см. рис. 17). Возможно, щебень укладывался раньше раствора.

В качестве щебня использовались куски плотного туфа либо обломки черной лавы, добывавшиеся в карьерах, которые располагались неподалеку от строительной площадки. Когда слой щебня достигал приблизительно такой же толщины, как слой раствора, его начинали трамбовать тяжелыми деревянными трамбовками, обитыми железом. Трамбование продолжалось,

видимо, до тех пор, пока сверху не появлялся раствор, заполнявший пустоты между щебнем. Затем снова укладывался раствор, посыпался щебнем, трамбовался, и процесс повторялся. Так вместе с ростом опалубки вырастала стена из монолитного бетона. При этом каждый законченный слой посыпался каменной крошкой и пылью, оставшейся после отески камней. Эта пыль, вероятно, предназначалась для того, чтобы бетонная смесь не прилипала к ногам и трамбовкам рабочих, хотя, по мнению архитектора А. Башкирова, пыль служила специальным «прокладочным», антисейсмическим слоем.

Такой же способ укладки бетона применялся при строительстве подземных частей зданий, например, фундаментов, где опалубкой служили деревянные щиты, установленные по длине вырытой траншеи, раскрепленные изнутри поперечными и продольными брусьями (рис. 20). В случае постройки фундаментов на плотных грунтах вулканического происхождения, которыми так богата была римская земля, бетонная смесь укладывалась в траншею без опалубки, так как котлован или траншея сами по себе образовывали устойчивую форму, в которой было удобно укладывать и трамбовать бетон. Таковы подземные части цирка Салюстия, базилики Константина, зданий виллы Адриана и т. д.

Способ трамбования широко применялся при строительстве полов и дорог, на что в свое время указывали Варрон и Витрувий. При этом следует обратить особое внимание на то, что трамбование смеси, по словам Витрувия, обычно производилось «частыми ударами тяжелых трамбовок (посредством) большой группой рабочих». Все это говорит о том, что древние строители (и не только {57} в Древнем Риме)^* придавали большое значение тщательному уплотнению бетонной смеси. Даже наносимую на стены штукатурку рекомендовалось «бить гладилкой...» для придания ей большей плотности. Отсюда и качество штукатурки было такое, что «в нее можно было смотреться как в зеркало», а написанные на ней фрески можно было, по словам Плиния Старшего, вместе со штукатуркой переносить в любое место.

Интересным представляется также, что в отдельных случаях до начала укладки и уплотнения смеси ее предварительно подвергали усиленной механической обработке: «...рабочие группой в 10 человек толкли смесь деревянными бабами и только после такой обработки применяли в дело...» (Витрувий, кн. VII, гл. 3). Предварительная (до формования) активация бетонной смеси применяется и в наши дни. Так, сегодня известно несколько способов активации бетонной смеси, в том числе — механическая — виброактивация.

Другой способ производства бетонных работ выполнялся без применения трамбования и, вероятно, был распространен гораздо шире, чем первый. В качестве опалубки служили стены, выложенные из более мелких и легких, чем в первом случае, камней (кирпичей) кубической или треугольной формы. Толщина такой опалубки была намного меньше, чем в первом случае, так как давление, передаваемое бетонной смесью на стены, было значительно ниже.

В опалубку заливался небольшой слой раствора и на него сверху набрасывались камни, нередко достигавшие в поперечнике 12–17 см. При этом они зачастую укладывались только на постель, т. е. горизонтально. Такой вид кладки в какой-то мере напоминал современную бутобетонную, хотя и отличался от нее строгим чередованием слоев раствора и крупного заполнителя. Консистенция растворной смеси выбиралась, видимо, таким образом, чтобы крупный заполнитель погрузился в смесь не больше, чем на определенную глубину, с тем, чтобы только заполнить пустоты между зернами щебня. Это подтверждается одинаковыми по высоте слоями щебня.

Для большей устойчивости обе стенки каменной опалубки по мере заполнения их бетонной смесью связывались специальными плоскими квадратными кирпичами из обожженной глины, размером 60 × 60 см и толщиной 4...5 см (см. рис. 19), которые {58} укладывались обычно через 1,5...3 м по высоте стены, и поперечными деревянными брусьями.

Рассмотрев оба способа производства бетонных работ, следует еще раз подчеркнуть, что хотя они и были основными при изготовлении бетонных сооружений, но далеко не единственными. Различные их варианты использовались во всех концах Римской империи.

Таким образом, после относительно подробного анализа технологии формования римского бетона мы вновь подошли к вопросу о тайне так называемого древнеримского секрета долговечности бетонных сооружений.

Одним из первых, кто сделал попытку его объяснения, был французский архитектор Ж. Ронделе (1734–1829). После длительного изучения римских сооружений и проведения ряда опытов он пришел к выводу, что превосходное качество римских растворов и бетонов объясняется не какими-нибудь секретами гашения извести, ее составом или сроками выдерживания, как думали раньше, а лишь тщательным перемешиванием и хорошим уплотнением (трамбованием) свежеуложенной смеси. Действительно, опыты показали, что химический анализ римских растворов и бетонов не обнаруживает в их составе ничего необычного. При этом они характеризуются плотной структурой и часто содержат еще не полностью карбонизировавшуюся известь.

Современный английский исследователь Ф. Финкелдей после детального обследования отдельных частей римского бетонного акведука также пришел к выводу, что у римлян не было никаких особых секретов изготовления бетонных сооружений. По его мнению, долговечность достигалась применением известково-пуццоланового вяжущего и рационально подобранного соотношения вяжущего и заполнителя. При этом римляне использовали умеренное количество воды в бетонной смеси. Ф. Финкелдей был настолько поражен долговечностью и прочностью римских бетонных сооружений, что настойчиво призывал вернуться к их старым технологическим методам, используя аналогичный цемент и заполнители.

Можно ли согласиться с выводами Ж. Ронделе и Ф. Финкелдей, двух известных ученых-строителей, которых разделяет более чем столетний отрезок времени? Вероятно да, так как любой специалист-бетонщик, будь то античный строитель, энциклопедист типа Ж. Ронделе или исследователь наших дней, знает простые, но важные принципы получения бетона с заданными свойствами. Это тщательный выбор исходных материалов для бетона, перемешивание и усиленное уплотнение бетонной смеси.

Кроме того, для каждого типа конструкции римляне тщательно определяли вид бетона и неукоснительно соблюдали все технические условия. Как известно, они разработали значительное количество стандартов и строго им следовали. При их полувоенном государственном управлении и рабовладельческой системе хозяйства сомневаться в этом не приходится.

ПОЛЬЗА, ПРОЧНОСТЬ И КРАСОТА

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.

ВСЕ ДОРОГИ ВЕДУТ В РИМ

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 {60} 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, соединявшая 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.

Таким образом, поданным ряда исследователей, занимавшихся изучением римских дорог, можно констатировать, что обязательным элементом римских дорог являлся слой бетона толщиной около 30 см, который укладывался между каменными плитами основания и каменной брусчаткой верхнего покрытия. На рис. 22 показано сечение одной из таких дорог с покрытием из каменной брусчатки или гравелистого бетона.

Французский инженер М. Флере еще в начале XIX в. описал устройство римской дороги с гравийным покрытием. Грунт, по его сведениям, вырывался на глубину до четырех футов (120 см), после чего дно траншеи тщательно уплотнялось окованными деревянными трамбовками. На дно заливалась известково-песчаная постель толщиной в один дюйм (2,5 см), на которую укладывался слой плоских широких камней. Поверх этих камней снова заливали слой раствора и хорошо уплотняли. Следующий слой толщиной 9–10 дюймов (23–25 см) состоял из бетона, где крупным заполнителем были камни булыжника и гравия. Помимо них использовали также черепицу и каменные обломки разрушенных зданий. Выше этого слоя укладывался новый слой бетона на более мелких камнях, толщина которого составляла около одного фута (30 см). Последний верхний слой толщиной три-три с половиной фута (90–105 см) состоял из крупного гравия или щебня, который особенно тщательно утрамбовывался в течение нескольких дней.

Более дешевые дороги состояли из каменной засыпки толщиной 13 см, перемешанного слоя грунта, известняка и песка толщиной 46 см, слоя уплотненного грунта толщиной около 46 см и верхнего слоя из булыжника и битого камня. Были и другие разновидности дорог. Так, в Лондоне сохранилась древнеримская дорога с толщиной дорожной одежды 230 см, сделанная полностью из бетона с покрытием из белых черепичных плит. Интересно, что вся бетонная масса дороги заключена между каменными подпорными стенками (рис. 22).

В римских дорогах была тщательно продуманная система дренажа, поэтому толстая масса бетона при. отрицательных температурах не растрескивалась. Дорожное покрытие не имело температурных швов и было пригодным в основном для мягкого итальянского климата. В северных провинциях Римской империи уже можно было наблюдать трещинообразование, поэтому в более поздний период империи римляне почти прекратили строить дороги с применением бетона.

Трасса римских дорог размечалась с помощью двух параллельно натянутых веревок, которые определяли ее ширину. Прямолинейность обеспечивалась с помощью прибора «грома» (рис. 23), хотя чаще для этой цели пользовались более простым, но эффективным способом — с помощью дыма от далеко расположенного костра и какой-либо промежуточной точки.

Так, например, римские дороги в Англии не отклонялись от своей оси более чем на ¹/₂–¹/₄ мили на каждые 20–30 миль длины.

На строительство дорог сгонялось большое количество рабов. Привлекались также воинские части и свободное население. Громадный объем каменных материалов добывался и перерабатывался вручную. При этом большие камни раскаляли на кострах, а затем обливали холодной водой.

Большинство римских дорог эксплуатировалось еще в XIX в., а отдельные сохранились до наших дней. Интересно, что римлянам был известен природный асфальт и даже в сочетании с песком и битым камнем, но они не использовали его для одежды верхнего покрытия дорог.

Таким образом, можно отметить достаточно мощную и прочную одежду дорог Древнего Рима, составлявшую от 0,8 до 1,3 м, а в отдельных случаях до 2,4 м. По современным понятиям дороги такого типа выполнены с чрезмерным запасом прочности. К примеру, дорожная одежда современных дорог такого типа для аналогичных климатических условий не превышает 60–70 см, включая морозозащитный слой и слой износа. Конструкция дорог, подобных Аппиевой, может быть применена для самых тяжелых эксплуатационных нагрузок нашего времени, порядка 15 т на ось автомобиля. Недаром эта одна из самых старейших дорог мира, построенная 2300 лет назад, эксплуатируется и поныне.

Римские дороги обладали рядом других достоинств: наличием в отдельных из них специального слоя износа из естественных камней; возможностью приготовления бетона непосредственно на месте работ; широким применением извести, которая ввиду большой растяжимости по сравнению с современным портланд-цементом дает бетоны повышенной трещиностойкости. И, конечно, одним из основных достоинств римских дорог является их большая долговечность, доказательством чего служит хорошее состояние отдельных из них в наше время. Например ремонт римских дорог {64} в Испании проводился не чаще, чем один раз в 70–100 лет.

По конструктивным особенностям и методам строительства бетонные полы напоминают римские бетонные дороги. Древние авторы, начиная с Варрона (116–27 гг. до н. э.), оставили нам подробное описание бетонных полов, устройство которых они во многом заимствовали у греков.

В Севастополе, в Карантинной бухте, есть чудесный историко-археологический античный заповедник — Херсонес Таврический. В нем до сих пор сохранились руины городских стен с башнями, храмы, мастерские. Сохранился и античный театр, где вечером можно увидеть трагедии греческих авторов. В центральной части заповедника у фонтана находится римский бетонный пол с прекрасной мозаикой. Прошло немногим менее 2000 лет, а он после небольшой реставрации выглядит, почти как новый. Таких полов было выполнено достаточно много по всему Древнему Риму.

В конструктивном отношении практически все римские полы, как и дороги, были многослойными, чаще всего — четырехслойными, что подтверждено археологическими раскопками. Они обычно были с хорошо утрамбованным грунтовым основанием и чередующимися слоями бетона, раствора, различных по виду и крупности камней и верхнего покрытия в виде растворной стяжки, а чаще всего каменных плит.

По назначению римские полы, следуя терминологии древних авторов, делились на «открытые и закрытые», т. е. полы, расположенные под открытым небом и в закрытых помещениях. В свою очередь, они могли быть холодными, теплыми, водонепроницаемыми и т. п.

Открытые полы Варрон советует делать следующим образом: «...Выкапывается площадка глубиной в два фута (59 см), основание которой утрамбовывается. На это основание укладывается щебень либо мелкий дробленый кирпич, в котором заранее оставляются каналы для дренирования воды. Затем засыпается слой угля, хорошо трамбуется и покрывается бетонным слоем толщиной в ¹/₂ фута, состоящим из крупного песка, извести и золы...»

Витрувий в кн. VII, гл. 1, описывая примерно такой же пол, приводит более конкретные указания. «На подготовленное каменное хорошо утрамбованное грунтовое основание — пишет он,— укладывался слой крупнопористого бетона, состоящего из двух частей извести и пяти частей «старого» щебня, взятого из развалин. Уложенный бетон с помощью большой группы рабочих очень тщательно уплотнялся деревянными трамбовками посредством частых ударов. Толщина этого слоя составляла обычно не более 23 см. Поверх него укладывался второй слой, состоящий из одной части извести и трех частей толченого кирпича, толщиной 15 см. Последний, верхний слой состоял из квадратных или фигурных плиток, которые укладывались строго по уровню и линейке и затем заглаживались точильным камнем и шлифовались...» {65}

Витрувий рассматривает еще несколько видов бетонных полов, отличающихся между собой количеством и толщиной слоев, составом бетона и материалом верхнего покрытия, среди которых обычный пол, водонепроницаемый, под открытым небом, в закрытых помещениях, который устраивался по двойному деревянному настилу или сдвоенным доскам.

Определенный интерес представляет конструкция теплого, зимнего пола с дренирующим верхним слоем, который Витрувий называет греческим. Вот как он описывает строительство такого пола: «...Выкапывают яму на два фута ниже уровня триклиния (столовой) и, утрамбовав почву, кладут слой из обожженного кирпича с таким наклоном в обе стороны, что образуется сток к отверстиям каналов. Затем, насыпав и утрамбовав слой угля, кладут массу из крупного песка, извести и золы толщиной в полфута по уровню и правилу, и, когда верхняя поверхность отшлифована камнем, то получается род черного пола, очень удобного, поскольку все, что проливается из бокалов и сплевывается, тотчас же высыхает, а находящиеся там прислужники, даже будучи босыми, не чувствуют холода от подобного рода пола...»

Давно изменилась технология изготовления полов, аналогичных римским. Давно не применяются добавки растительного происхождения, но конструктивный принцип построения многослойных полов и последовательность их исполнения остались такими же, как и два тысячелетия назад. Следует также отметить исключительную долговечность древнеримских полов, многие их которых сохранились до наших дней не только в Италии, но и во многих других странах, в том числе, и в древних городах Северного Причерноморья.

ГОРДОСТЬ ДРЕВНЕГО РИМА

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, {66} 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 {69} 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 расчетный 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.

Фронтин разработал стандартные размеры водопроводных труб для 25 диаметров, хотя использовали только 15.

По свидетельству Витрувия, самая большая свинцовая труба имела длину окружности 100 дюймов (порядка 60 см в диаметре).

Днища и стены каналов водоводов делались или бетонными со слоем штукатурки, или каменными, а крыша — из плоских каменных плит или плит, уложенных в два ската. Со времени Нерона покрытия каналов в основном выполняли в виде бетонного цилиндрического свода. На рис. 26 показаны два поперечных разреза римских водоводов, обнаруженных на территории. Франции. Размеры просвета канала часто делались таким образом, чтобы обеспечить человеку возможность проходить по нему, почти не сгибаясь. Высота сечения колебалась в пределах 1,5–3 м, а ширина составляла 0,6–1,2 м.

В 80–90 гг. для водоснабжения римской колонии Агриппина, из которой впоследствии возник Кельн, был построен водопровод протяженностью 80 км. Предполагают, что он работал до 475 г. Стены и основание его выполнены из бетона, а свод, который по предположению сделан несколько позже канала, представляет собой бутобетонную кладку.

Немецкие исследователи Гамблах и Грюн утверждают, что в качестве вяжущего вещества для бетона этого водовода использовалась не воздушная известь с добавкой трасса, как предполагалось до них, а сильногидравлическая известь, полученная из близлежащих месторождений известняка в районе Эйфеля. При этом в качестве гидравлической добавки использовалась кирпичная пыль.

Впоследствии в Кельне во II в. н. э. был сооружен водопровод длиной 100 км. Нижняя часть его канала выполнена из бетона с растворной штукатуркой, а перекрытие — из природного камня, «посаженного» на раствор.

Интересно, что римлянами были разработаны бетонные трубы, которые по оценкам современных специалистов могли выдерживать более высокие давления жидкости, чем керамические или свинцовые. Прототипом им служили трубы из естественного камня с выдолбленными в средней части отверстиями. Бетонные трубы снаружи имели квадратную форму с размером сторон 21 см, а внутренний диаметр труб составлял 6–8 см. Трубы изготавливались в виде отдельных звеньев длиной около 95 см и соединялись между собой «стык в стык» с последующей зачеканкой стыка раствором и бетоном. Такие трубы были обнаружены западногерманскими археологами в Тунисе, в районе Карфагена и других местах бывшей Римской империи.

Всего в Риме насчитывалось 11 водопроводов общей протяженностью более 500 км. Потребление воды в городе составляло около 561 тыс. м³ в день. Рим был самым обеспеченным водой городом в мире. На душу населения в нем приходилось около 500 л. Некоторые ученые даже считают, что потребление воды достигало 800–1000 л.

ПОТРЕБИТЕЛИ ВОД

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 Древней 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. {72}

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 {73} 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 диаметрам 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 и 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.

Интересны с инженерной точки зрения термы в Трире,

построенные в первой половине II в. н. э. Один из фасадов этих терм украшен скульптурным изображением амазонок. Это прекрасная копия Фидия, которая сегодня украшает рейнский музей в Трире. Стены терм сделаны из римского бетона с облицовкой природным камнем и кирпичом. Особого внимания заслуживают в них два отапливаемых плавательных бассейна размером 22 × 14 м каждый. Они установлены на опоры из кирпича, которые, в свою очередь, стоят на бетонном полу. Пол, как показали исследования западногерманских ученых, до сегодняшнего дня отличается большой водонепроницаемостью и огнестойкостью.

Там же в Трире в конце III в. н. э. начались работы по сооружению императорских терм. Еще и сегодня сохранились руины огромного кальдария и разветвленная система обслуживания и обогрева терм. По данным западногерманского исследователя X. О. Лампрехта, чрезвычайно массивные стены тщательно облицовывались обработанными блоками известняка, за которые ранее укладывался литой бетон, состоящий из конгломерата каменных обломков и раствора. Через 3–4 слоя камней, на равном расстоянии укладывался выравнивающий слой из кирпича. Все ответственные элементы (здания), такие, как арки, опоры, проемы дверей, окон и. каминов выполнены в кирпичной кладке. Своды погребов и обходных путей отливались (из бетона) с помощью переставных деревянных форм.

И все же самыми вместительными термами за все существование Древнего Рима считались термы, построенные при императоре

Диоклетиане, сооружение которых началось в 298 г. По средневековой легенде среди строителей этих терм насчитывалось 40 тыс. христиан, приговоренных к каторжным работам. В 305 году термы были закончены. По своему конструктивному исполнению и используемым строительным материалам они очень близко напоминали термы Каракаллы, только вместимость их почти в два раза превышала вместимость терм Каракаллы. Большинство ответственных строительных элементов этих терм выполнены из бетона (рис. 28).

Помимо терм много воды в городах требовала система канализации. Примерно в 500 г. до н. э. в Риме была построена знаменитая «клоака Максима». Это был громадный по тем временам тоннель, выполненный из каменных блоков шириной более трех и высотой {76} до четырех метров. Такие размеры коллектора позволили инспекторам и ремонтным рабочим свободно плавать в нем на лодках.

Канализационные системы известны и по другим городам Древнего Рима. В Кельне были раскопаны три главных коллектора из десяти. Один из них выполнен из туфовых блоков, а два других — из бетона с внутренней облицовкой из крупно-обломочного песчаника. Ширина их в свету составляла около 1,5 м, а общая ширина — 3,85 м при высоте до 2,45 м.

Большое количество воды «забирали» для себя так называемые дома «личного пользования» — «форики» или общественные туалеты. Надо сказать, что они во многом отличались от современных, начиная от богатого внутреннего убранства и кончая самим отношением римлян к этим заведениям. Сиденья выполнялись из мрамора с декорированными подлокотниками в виде дельфинов. Над сиденьями нередко устраивались ниши со статуями богов или алтарь богини Фортуны. Отсутствие туалетной бумаги компенсировалось проточной водой и фонтанчиками воды, озонирующими воздух. Люди там, как писали очевидцы, встречались, обменивались новостями и приглашениями на обед, что никого не удивляло. Когда в Поццуоли в XIX в., археологи раскопали одно из таких сооружений, имевших форму и размеры красивого павильона, то по ошибке причислили его к храму. Предполагается, что форика с источником водоснабжения имелась на первом этаже каждого римского дома. Вероятно, было обнаружено, что римский бетон хорошо сопротивляется действию фекалий, так как часть канализационных каналов и резервуаров выполнена из бетона. Многие улицы имели ливневую канализацию.

Система римской канализации не имела себе равной почти до середины XIX в. Так, в 1842 г. Британская Королевская комиссия, ознакомившись с канализацией Рима, пришла к выводу, что сооружения римлян были более гигиеничны, чем аналогичные в Англии.

Одновременно с водопроводами, а возможно, и раньше, появились цистерны — емкости для хранения воды или другой жидкости. Они, как правило, располагались в подвалах домов; имели грушевидную форму, на дне которой устраивался небольшой уклон к центру, где размещался отстойник. Размеры таких цистерн были довольно внушительны: высота 5–8 м, нижний диаметр 4–5 м, верхний 0,8 м. Стены их устраивались из камня или бетона с последующей штукатуркой толщиной от 5 до 15 см. Сама штукатурка была многослойной. Приготавливалась она для первого слоя на тощей воздушной извести, а для последующих слоев — на сильногидравлическом вяжущем. При этом применялся раствор состава 1:3 (известь : песок). Витрувий напоминал, что «...поверхность их (цистерн) должна быть хорошо оштукатурена. Строительный материал должен быть безупречен и следует очень тщательно производить работы по герметизации». {77}

Водонепроницаемость цистерн достигалась также за счет специальной обмазки известковым раствором, в котором известь смешивалась с оливковым маслом или другими органическими веществами. Плиний описывает также «мальту» для покрытия поверхностей, которая, отвердевая, становилась тверже камня. Она состояла из извести, погашенной в вине, свиного сала и винных ягод.

Уже при Витрувии цистерны начинают делать из бетона. Для этого, как пишет Витрувии, ...«заготавливают самый чистый и жесткий песок, выламывают базальтовый щебень кусками не тяжелее одного фунта и замешивают в твориле крепкую известь, так чтобы на 5 частей песку было две части извести. Рвы для этих цестерн до уровня будущей их глубины утрамбовывают деревянными, окованными железом бабами. Когда стены утрамбованы, всю землю из середины выкидывают до самого низа стены. Дно утрамбовывают.» (кн. VIII, гл. VI). Начиная с I в. н. э. большинство цистерн изготавливаются полностью из бетона.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

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.

Подводная часть молов и волноломов обычно устраивалась в виде каменной насыпки, надводная — из тесаного камня, а средняя сооружалась из бетона. Иногда в приливных портах (Остия, Антиум, Поццуоли и др.) в целях свободного входа и выхода воды оградительные сооружения возводились в виде арочных мостов-молов (рис. 29).

Много полезных советов по поводу строительства портов и гаваней дает Витрувий. Так, по экономическим соображениям, он требует начинать возводить такие сооружения с выбора места, чтобы по возможности избегать строительства искусственных молов. При этом он обращает особое внимание на устройство входа в гавань, который должен быть с мощными крепостными строениями и обязательно с цепью, перегораживающей вход кораблям противника.

В период Республики ведущим портом Италии становится город Путеол^*. Позднее, на рубеже двух эр, значение его падает и переходит к новому городу — воротам Рима — Остии^**, расположенной в одной миле от устья Тибра. Акватория порта {79} представляла собой громадный по тем временам бассейн размером 760 × 970 м, окруженный молами шириной по 48 м каждый. Римский историк Светоний пишет, что «гавань в Остии соорудил (Клавдий), проведя справа и слева рукава, а у входа в самом глубоком месте выстроил мол. Чтобы придать ему более солидное основание, он предварительно затопил корабль, на котором был привезен в Рим большой обелиск из Египта, потом, набив сваи, он построил на них высочайшую башню по образцу Фарозского маяка в Александрии, дабы по его огням корабли направляли свой бег ночью».

Впоследствии в зоне порта произошло постепенное обмеление из-за наносного ила Тибра, поэтому император Траян в период с 100 по 106 г. строит практически новую, еще большую по размерам гавань, названную его именем. Она включает в себя шестиугольный док-бассейн площадью 322 тыс. м² и примыкающий к ней канал.

На территории порта и гавани произведены громадные по объему строительные работы. По оценкам специалистов там было переработано 2,4 млн. м³ грунта и возведено 550 тыс. м³ строительных конструкций из римского бетона, включая 1970 м подпорных стенок для набережной.

Витрувий в своем трактате (кн. V, гл. 12) описывает три способа производства работ при сооружении бетонных молов и подобных им конструкций. Это способ подводного бетонирования, способ сооружения крупногабаритных бетонных злементов и способ ряжевой перемычки.

По первому способу «...в спокойной воде,— пишет Витрувий,— где хотели вывести мол, место окружалось шпунтовой стенкой из вбитых в дно моря дубовых свай с заложенными в их пазы крепкими досками». После устройства такого ограждения «...на небольших судах подвозили заранее перемешанный раствор, составленный в пропорции 1 : 2 (известь : песок из района Кум^*) и битые камни. В раствор добавляли камни, и всю массу высыпали на место укладки с помощью ящика без дна...» На рис. 30 показано строительство бетонного мола.

В местах, где море было неспокойно и где этот способ был неприменим, римляне пользовались другим способом — изготовлением крупногабаритных бетонных элементов на берегу моря. На берегу устраивалась деревянная платформа, одна из частей которой делалась строго горизонтальной, а другая — наклонной. Эта наклонная часть платформы обшивалась до уровня горизонтальной платформы досками и в образовавшееся пространство засыпался песок, с тем чтобы получилась большая общая горизонтальная поверхность. На этой поверхности с помощью деревянной или чаще каменной опалубки формовали из римского

бетона любой требуемый элемент — большой прямоугольный блок или тетрапод и оставляли их для последующего твердения и набора прочности на два месяца. Затем по истечении указанного срока доски, удерживавшие песчаную засыпку, разбирали, песок высыпался, а готовый бетонный элемент плавно «сходил» в море, где его с помощью «силы волн» устанавливали на нужное место (рис. 31).

Есть сведения, что в период правления императора Калигулы (37–41 гг. н. э.) в Неаполе был сооружен большой причал из бетонных блоков, изготовленных на берегу. Если это было действительно так, то можно считать, что в порту Калигулы 1950 лет назад впервые в мировой строительной практике были изготовлены и использованы крупногабаритные массивные сборные бетонные блоки.

В местах, где не было пуццоланы, римляне при изготовлении молов и волноломов применяли третий способ — с помощью «ряжевой перемычки». Для этого они, как пишет Витрувий, огораживали место строительства двойной стеной («ряжевой перемычкой») из свай и шпунтовых досок (рис. 32). Образовавшийся промежуток между досками заполняли глиной, которую забрасывали в воду в травяных мешках и затем плотно утрамбовывали. «Окружив таким образом часть моря водонепроницаемой перемычкой из двух стенок с глиняным заполнением, они удаляли воду с помощью гидравлических машин, осушали это место, вырывали для фундамента ров до материка и возводили бетонный массив (мола) или стену из камня на обыкновенном известковом растворе».

Был и еще один очень простой, но более дорогой способ сооружения больших молов и маяков, о котором уже упоминалось раньше — это затапливание старых кораблей. Для этого отслужившие свой век суда доставлялись к месту будущего строительства, заполнялись камнями или бетоном и затапливались. В наше время археологами были не раз обнаружены останки таких затопленных кораблей, например в Остии и других местах.

Наиболее сохранившийся античный мол из монолитного римского бетона существует в испанском городе Ампуриасе. Сохранились остатки волнолома с руинами маяка и полуразрушенными складами в Лептис Магна (Ливия). Ряд подобных гидротехнических сооружений «уцелел» в городе Сиде (южная Турция).

Крайне любопытны в смысле долговечности бетона сооружения старой итальянской гавани Чивита-Веккия. Она расположена на открытом побережье и все ее портовые сооружения находятся под защитой бетонного мола. Этот бетонный мол, как обычно, с каменной облицовкой, построенный в период 75–78 гг. н. э., имеет длину 85 м, ширину 6 м и высоту 7 м. Несмотря на то, что он изо дня в день подвергается действию соленых морских волн, против которых современный портландцемент без специальной защиты бессилен, он не только простоял более 1900 лет, но и в большинстве своем сохранился. Недаром исследователи разных стран пытаются {82} на его примере изучать долговечность современного гидротехнического бетона.

Мосты и тоннели относятся к наиболее сложным и ответственным инженерным сооружениям. Однако при их строительстве римляне также использовали бетон. Уже один этот факт показывает, какое большое доверие приобрел этот материал в то время.

Мосты, как любые строительные системы, прошли очень длинный путь развития, начиная от перекинутого над пропастью ствола дерева, и до громадных железобетонных исполинов, переброшенных сегодня через многокилометровые препятствия. В римской истории мост из-за сложности возведения считался чем-то символическим, поэтому даже высшие священнослужители, а впоследствии и римские папы носили дополнительный титул «pontifex maximus», т. е. высший, заслуженный мостостроитель, опекун мостов.

Особую сложность при строительстве мостов представляло возведение сухих фундаментов и опор. Примерно с I в. н. э. их начинают строить в основном из бетона с каменной облицовкой, хотя есть примеры и более раннего использования бетона в мостостроении. Предполагают, что бетон был использован в опорах известного акведука Понт-дю-Гар, построенного в конце I в. до н. э. При низком уровне воды в реках были обнаружены остатки бетонных фундаментов римских мостов в Италии, ФРГ и на территории Австрии.

В 101–103 гг. по приказу императора Траяна известным древнеримским инженером-строителем Аполлодором Дамасским был возведен мост через Дунай. Общая длина моста составляла 1071 м, он имел 20 бетонно-каменных опор и деревянные пролетные строения. По своим размерам мост являлся одним из крупнейших инженерных сооружений того времени (рис. 33).

К сожалению, описание моста, сделанного Аполлодором, было утрачено и напоминанием о нем служат оставшиеся бетонные опоры, которые показываются из Дуная при падении уровня его вод. Свидетельством существования моста служит медаль, выбитая Траяном в честь окончания его строительства, барельеф колонны Траяна в Риме, а также небольшие заметки очевидцев.

По всем этим документам можно сделать вывод о том, что мост был арочный. У Прокопия и Диона Каасия (примерно 220 г. н. э.) можно найти незначительные сведения о применявшихся при его строительстве материалах. Так, по описанию Диона Каасия, мост Траяна через Истр, как тогда называли Дунай, состоял из «...20 быков, сделанных из тесаных камней, высота их 150 футов (45 м), не считая фундаментов, толщиной 60 футов (18 м). Эти были расположены друг от друга на расстоянии 170 футов (51 м), соединены арками...»

Теофил (прибл. IV в. н. э.) указывал, что для возведения фундаментов и опор моста применялись большие короба, которые «...заливались смесью крупных камней и цемента...» Таким образом,

можно предположить, что опоры моста выполнены из бетона, заливавшегося в большие деревянные короба по методу «опускного колодца» или в опалубку, образованную каменной кладкой, т. е. по первому способу, описанному Витрувием.

Исследования опор моста, выполненные уже в наше время, показали, что использованный в бетоне цемент с современных позиций можно отнести к романцементу, полученному путем обжига местных мергелистых пород. Это уже второй случай, подтверждающий применение в качестве вяжущего вещества в римских бетонах романцемента. В зерновом составе бетона обнаружено, {84} что ¹/₃ его занимал песок и ²/₃ крупный заполнитель. При этом общее весовое соотношение материалов в бетоне было следующим: 1 : 2,1 : 2,6 (цемент : песок : битый кирпич). Количество цемента на 1 м³ бетона составляло примерно 300 кг. Прочность бетона на сжатие в возрасте более 1830 лет (испытания проведены в 1935 г.) составила 30,5 МПа. Разрушение проезжей части моста, видимо, произошло не вследствие низкого качества бетона, а скорее из-за конструктивных особенностей моста — низкорасположенного от воды основания, деревянных пролетных строений и т. п., хотя есть предположение, что император Адриан отдал приказ уничтожить его, опасаясь наступления варваров.

Можно отметить также мост св. Ангела, построенный в Риме из камня и бетона в 134 г. Мост переброшен через Тибр и ведет к мавзолею императора Адриана. Он имеет восемь арок, три средние из них имеют пролет по 18 м. В настоящее время итальянскими инженерами исследуется бетон этого моста. Семь из девяти сохранившихся опор моста в Трире, построенного в 140 г., сделаны из римского бетона, облицованного базальтовыми квадрами. По свидетельству современных исследователей, на сегодня по всей территории бывшего древнеримского государства известно более 1000 мостов, значительная часть которых выполнена с бетонными опорами.

Во II–I вв. до н. э. потребность римлян в дорогах настолько возросла, что удовлетворять ее пришлось не только за счет строительства мостов, но и тоннелей. До наших дней сохранились развалины нескольких древнеримских тоннелей, часть из которых выполнена с применением бетона.

В конце I в. до н. э. римский архитектор Коккеус получил от императора Агриппы срочный заказ на строительство сразу нескольких тоннелей. Один из них, названный впоследствии «грот Коккеус», был длиной в километр. Как и дороги, он был строго прямолинеен, имел две полосы движения и шесть вентиляционных шахт, через которые осуществлялась подача свежего воздуха, а заодно и освещения тоннеля. Глубина заложения этого тоннеля составляла 30 м. В дальнейшем Коккеус построил еще несколько тоннелей, хотя и меньшей длины. Предполагают, что в последних из них бетон использовался при возведении внутренней отделки со специальной трехслойной штукатуркой в качестве гидроизоляции. Позднее, во времена Клавдия (I в. н. э.), была осуществлена проходка очень большого гидротехнического тоннеля, предназначенного для спуска вод Фуцинского озера в реку. Общая длина тоннеля составляла более 5600 м, а перепад высот 8,4 м. Часть строительных элементов этого тоннеля была также выполнена с применением римского бетона.

Это был самый длинный искусственный подземный тоннель до 1876 г., до тех пор пока не был сооружен тоннель Мон-Сени (Mont Cenis). Причем тоннель Клавдия функционировал до 1875 г., после чего на его месте был построен новый. {85}

С падением Римской империи (в начале V в. н. э.) дороги перестали строиться и постепенно приходили в негодность. Вместе с ними на длительное время прекратилось и строительство инженерных сооружений.

ДОМУСЫ, ИНСУЛЫ И ИХ ОБОРОНА

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 особенно 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 (каменной, 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.

Можно отметить ряд интересных особенностей в строительстве инсул. Так, по данным немецкого исследователя X. О. Лампрехта, после завершения строительства стен их наружная и внутренняя поверхности штукатурились, покрывались грунтовкой и разрисовывались.

Следует сказать о самой штукатурке, точнее, о ее качестве. Обычно штукатурка для отделки стен зданий делалась многослойной, при этом в зависимости от назначения помещения общее количество слоев штукатурки доходило до 9 с толщиной каждого слоя от 18,5 до 74 мм. Каждый слой штукатурного раствора принимался с определенным соотношением извести, песка и воды и нередко с применением различных добавок. Так, для имитации стены под мрамор в последние слои штукатурки добавляли мраморный песок с пылью и тщательно шлифовали. Недаром, как писал Витрувий, глядя на такую штукатурку, можно было видеть собственное отражение не хуже, чем в зеркале. По рекомендации Витрувия, «для комнат первого этажа, в местах, где угрожает сырость, в нижний слой штукатурки, находящийся на расстоянии 0,9 м от пола вместо песка использовать толченые глиняные черепки», т. е. искусственную пуццолановую добавку — цемянку.

Отопление в домах производилось различными способами, но чаще всего для этой цели использовали бронзовые переносные печи, сделанные в виде красивых чаш или ваз. В качестве топлива обычно применяли древесный уголь. Были и стационарные отопительные системы по типу используемых в термах. В этом случае в бетонных стенах домов оставлялись каналы, а под полом жилого помещения — незаполненное пространство. По ним проходил горячий газ, поднимавшийся снизу и обогревавший помещение.

Домусы и инсулы находились в черте города, а каждый город того времени требовал обязательной защиты от врагов. Даже Рим несколько раз за свою историю подвергался разрушению и поэтому нуждался в хорошо продуманной оборонительной системе.

Особенно большой размах получает фортификационное строительство с середины периода империи. В начале I в. н. э. закончен первый большой участок укрепленной линии, соединявший Рейн с Дунаем между Кельном и Регенсбургом. При Адриане (II в. н. э.) была создана вторая мощная оборонительная линия в Англии. Однако темпы фортификационного строительства резко возросли с конца II, начала III вв., когда на границах Римской империи стало неспокойно от нападений варваров.

Городские оборонительные стены того периода в основном строили из бетона. Ядро стен возводилось из бетона, а опалубка-облицовка из кирпича или чаще — из природного камня. При этом

для более прочного соединения каменной облицовки с бетонным ядром стены между ними укладывались анкеры — обожженные деревянные балки, чаще — из масляничного дерева. В массивных толстых стенах их ядро засыпалось грунтом, за ним с обеих сторон находилась бетонная часть стены толщиной примерно 50–70 см с каждой стороны и далее — слой облицовки из естественного камня.

Фундамент стен имел несколько большую ширину, чем сама стена, а по глубине доходил до плотного грунта. В отдельных случаях рекомендовалось делать основание стен в виде свайного ростверка. К примеру, стена Вампуриас в Испании, известная как стена Цезаря, была закончена в 44 г. до н. э. и включала в себя три слоя: среднего, самого мощного, выполненного из римского бетона, с помощью, как предполагают, передвижной деревянной опалубки, и двух отдельно пристроенных слоев из естественного камня. Верхняя наружная часть стены заканчивалась каменными зубцами.

Сохранились руины римских фортификационных сооружений из бетона на территории ФРГ. В районе Зальбурга — массивная каменная стена из бетона для гарнизона римского лагеря и городская стена в Кельне, построенная в период между 51 и 69 г. Она имеет ширину 2,4 м и высоту над фундаментом 7,8 м. Ядро стены бетонное, а в качестве каменной оболочки использованы базальтовые блоки и блоки из крупнообломочного местного песчаника. Фундамент стены шириной 3 м заглублен в землю на 3 м. Раньше стена окружала полностью город и имела девять ворот и 19 башен диаметром 9–9,2 м.

Можно отметить ряд крупных военных крепостей в Англии, в которых размещались римские гарнизоны. Развалины отдельных из них сохранились до наших дней. Так, на рис. 36–37 показаны стены и угловые башни римской крепости близ Ярмута, которая была сооружена примерно в 230–280 гг. н. э. Крепость представляет собой прямоугольник со сторонами 195 × 91 м. Высота стен до 4,5 м, ширина — 2,4 м, а ширина основания стен 3,3 м. По углам крепости расположены круглые башни, на которых, вероятно, находились баллисты или другие камнеметальные орудия.

Сооружение стен, как видно из рисунка, велось обычным методом послойной укладки раствора и крупного камня с последующим трамбованием. Укладка бетона производилась в каменную опалубку-облицовку, которая в небольшом количестве сохранилась на западной стене крепости. После того как римляне покинули крепость, она превратилась в монастырь, а затем в норманский замок. Сохранившиеся стены этой крепости, часть которых выходит из находящегося рядом болота, являются еще одним подтверждением долговечности римского бетона.

Большее впечатление оставляют каменные руины оборонительных стен в Риме. Вечный город в свое время был опоясан двумя {91} кольцами стен. Предполагают, что первым их создателем был римский царь Сервий Тулий (VI в. до н. э.). Толщина каменных стен, тянувшихся на 11 км, составляла четыре, а высота — десять метров. Площадь окруженной части города была примерно 426 га. Через восемь веков император Аврелиан в 271 г. начал сооружать новую городскую стену с бетонным заполнением. Она имела длину 19 км, и окружала городскую территорию площадью 1380 га. Впоследствии эта стена еще несколько раз надстраивалась и усиливалась и в конечном варианте включала помимо самой стены 383 башни, 5 ворот и 7020 зубцов.

ПАНТЕОН — ХРАМ ВСЕХ БОГОВ (О СВОДЧАТЫХ ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ)

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 {92} 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.

Рассмотрим отдельные конструкции римских бетонных сводов и куполов, придерживаясь сначала мнения Шуази. Разберем устройство куполов с кирпичными каркасами.

Своды с кирпичными каркасами римляне изготавливали трех {94} типов: в виде кирпичных арок с радиальными швами, кирпичных решеток и в виде отдельно стоящих арок из кирпича.

Каркасы в виде арок с радиальными швами выполнялись обычно из двух видов кирпичей: прямоугольных, размером 59 × 15 × 4,5 см и квадратных (59 × 59 × 4,5 см). Из прямоугольных кирпичей выкладывались параллельные арки, которые связывались между собой квадратными кирпичами (рис. 38). Полученные таким образом кирпичные решетки заполнялись бетонной смесью, точнее — слоями раствора и щебня, как при возведении стен. Впоследствии римляне отказались от такой конструкции и перешли от цельного решетчатого каркаса к отдельно стоящим, скрытым в кладке одинарным или сдвоенным арочным рёбрам (рис. 39).

Широкое распространение в античных сводах получили настилы из кирпича или черепицы. С их помощью перекрывали не только простые цилиндрические своды, но и своды самой сложной конфигурации. Они достаточно разносторонне применялись в сводах, перекрывающих обширные залы, как, например, в термах Каракаллы, а также в узких галереях водопроводов.

Изготовление сводчатых настилов происходило следующим образом. По выпуклой поверхности деревянной опалубки укладывался ряд крупных квадратных кирпичей с размерами сторон в два римских фута (59 см) и толщиной от 4 до 5 см. Эти большие кирпичи образовывали как бы сплошную тонкую оболочку по всей выпуклой поверхности опалубки. Такой настил мог быть одинарным, но чаще всего на него дополнительно укладывались кирпичи меньшего размера со стороной порядка 20 см (рис. 40, 41). При этом определенное количество кирпичей было поставлено на ребро в толще второго настила, образуя как бы анкерные выступы для лучшего сцепления с бетонной смесью. Применяя такой настил из кирпича, который Шуази называл каркасом, античные строители, вероятно, преследовали две цели: во-первых, предоставить бетонной кладке свода сплошную и прочную опорную поверхность, а во-вторых, обеспечить надежную связь между этим настилом-каркасом и бетонной смесью. Однако такая конструкция сводов применялась обычно при пролете, не превышающем 20 м.

Большой интерес в конструктивном отношении представляют сферические или, как их чаще называют, полуциркульные купола на круглом в плане основании. Из них только бетонные практически не вызывают горизонтального распора после окончательного набора прочности. Это очень важное достоинство бетонных куполов по сравнению с куполами, выполненными из других материалов.

Рассмотрим более подробно конструкцию и строительство таких куполов на примере Пантеона, так как именно в Пантеоне нашла наивысшее выражение инженерная и архитектурная мысль античного Рима.

Первый Пантеон построил по распоряжению императора

Августа Агриппа. Однако в 110 г. н. э. старый Пантеон сгорел и на его месте примерно в 115 г. начато строительство нового храма. Через десять лет новый Пантеон был закончен. К сожалению, имя строителя этого уникального сооружения осталось неизвестным, однако особенности творчества Аполлодора Дамасского позволяют считать, что именно, по его проекту было создано это величайшее сооружение.

Почти все здание Пантеона (рис. 42) возведено из бетона. Бетонный фундамент сделан на заполнителе из битого кирпича и плотного туфа. Мощные бетонные стены толщиной 6 м с наружной стороны облицованы кирпичом, а с внутренней — оштукатурены. Его бетонный полусферический купол имеет внутренний диаметр 43,2 м. До середины XIX в. это оставалось рекордом для сооружений подобного типа (рис. 43). Однако единого мнения о конструкции каркаса нет. Как утверждает Шуази, ссылаясь на Пиранези,^* каркас купола выполнен из кирпичных, пересекающихся

между собой арок, промежутки между которыми заполнены бетоном. По сведениям других исследователей, бетонный купол сделан монолитным, без применения кирпичного каркаса.

По предположению Шуази, кирпичный каркас купола (рис. 44) состоит из 8 основных меридиональных арок С, опирающихся на разгрузочные арки В, 8 промежуточных арок е и двух концентрических колец: основного, верхнего Е, образующего световой проем, и дополнительного S, расположенного несколько ниже основного и предназначенного для усиления верхнего кольца.

Порядок возведения купола осуществлялся в два приема. Вначале, на первом этапе строительства, выкладывались меридиональные С и промежуточные е кирпичные арки (см. рис. 44, 45). Затем концы арок С соединялись между собой небольшими арочками О — О, по вершинам которых выкладывалось основное кирпичное кольцо Е диаметром 8,92 м. Так постепенно росла кирпичная паутина будущего купола.

Для сравнения разберем противоположное Шуази мнение других исследователей по устройству купола Пантеона. Основываясь на том, что кирпичный каркас выше второго снизу ряда кессонов^* не обнаружен, они утверждают, что купол Пантеона, начиная со второго нижнего ряда кессонов, полностью отлит из бетона и лишь его нижняя часть армирована кирпичными арками (рис. 46).

По их мнению, 9/10 частей переходной части здания от ротонды к портику и самой ротонды также состоит из бетона. Купол сооружен с помощью громадной полусферической опалубки, на которую горизонтальными слоями заливался бетон. Как технологически это выполнялось, установить трудно. И это является очередной римской загадкой.

Шуази предполагает, что укладку бетона начинали, как и при

возведении стен, с растворного слоя, на который набрасывался слой крупного заполнителя. Большинство других авторов подчеркивают наличие горизонтальных чередующихся слоев крупного заполнителя и раствора, который заливали в деревянную опалубку.

Опалубка поддерживалась кружалами, которые опирались на большое количество деревянных стоек. Для устройства кессонов на опалубке были установлены деревянные формы, которые отливались одновременно с куполом. Пять рядов кессонов на куполе Пантеона облегчают его вес примерно на ¹/₆ часть, а их перспективное сокращение создает большой эффект высоты.

Следует выделить ряд других особенностей в конструкции римских сводов и куполов. Во-первых, это обязательнее уменьшение толщины оболочки по направлению от основания к световому окну. Например, в Пантеоне при толщине основания купола 6 м толщина поперечного сечения у светового окна всего 1,4 м. Второе — это уменьшение плотности бетона в зависимости от высоты купола. Так, в том же куполе Пантеона четко прослеживаются два вида бетона на крупном заполнителе из туфа и пемзы, которые специально для этой цели доставлялись с Везувия. При бетонировании сводов и куполов в них закладывались керамические емкости в виде амфор, горшков или труб. При этом трубы также изготавливались из обожженной глины диаметром от 60 до 90 мм и длиной 200–250 мм. Иногда они имели форму конуса. Следует напомнить, что подобные конструкции сводов и куполов возводились намного раньше Пантеона и первые из них, как, например, храм Меркурия, были возведены в середине I в. до н. э. Однако Пантеон как бы собрал воедино все лучшее, что было создано до него.

В заключение следует отметить еще один важный инженерный аспект античного строительства, а именно — запас прочности, с которым римские инженеры подходили к возведению своих сооружений и к определению формы их поперечного сечения. Пользуясь безмоментной теорией расчета оболочек, автором совместно с Б. М. Зиновьевым были рассчитаны вертикальные сжимающие и кольцевые — растягивающие напряжения в нижней зоне опорного кольца купола Пантеона. Принимая плотность пемзотуфобетона равной в среднем 800 кг/м³, собственная масса купола составила порядка 19,7 тыс. т., что соответствует сжимающему напряжению — 0,4 МПа в нижней части купола. Кольцевое растягивающее усилие там же составило около 5 т, т. е. всего 0,012 МПа.

Принимая прочность на сжатие известково-пуццоланового пемзотуфобетона 2–3 МПа, а на растяжение 0,5–1 МПа, можно сказать, что римские строители обеспечили запас прочности в одном из главных конструктивных элементов купола — опорном кольце — примерно в 5 раз на сжатие и более чем в 40 раз на растяжение.

ХЛЕБА И ЗРЕЛИЩ

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 — Помпеи — 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 шли 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 «colossum» — 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.

Сюда и стекался римский народ, требовавший хлеба и зрелищ. Здесь сражались между собой или с дикими зверями гладиаторы, здесь гибли многие тысячи первых христиан, которых отдавали на растерзание диким животным.

Что же в дальнейшем стало с Колизеем? В Средние века он был своеобразным замком аристократических семейств. Впоследствии в нем обитали различные религиозные братства, устроившие на арене церковь, а под отдельными аркадами — часовни. Были даже планы со стороны Ватикана превратить Колизей в суконную фабрику. В 1714 г. папа Климент XI устроил в нем селитряный завод, главным сырьем для которого были навоз и различные отбросы.

Однако Колизей разрушался не только от небрежности и варварского обращения с ним. В 217 г., как предполагают историки архитектуры, он был сильно поврежден, по-видимому метеоритом, вызвавшим большой пожар и разрушения. Значительные повреждения были причинены ему землетрясениями 442 и 486 гг. Но особенно он пострадал от землетрясения 1349 г. С этого времени, по-видимому, Колизей превращается в ту руину, которую он представляет сейчас.

Колизей представляет собой в плане — громадный эллипс с внутренними размерами по осям 55 × 87,5 м, наружными 157 × 186 м и высотой 47 м. Вмещал он, если верить разным источникам, от 50 до 90 тыс. человек, хотя большинство исследователей {106} называют цифру 50 тысяч. Его центральную часть составляет овальная арена, окруженная ровной полосой мест для зрителей. Проходы между столбами, расположенными по радиусу, открываются наружу 80 монументальными арками, которые образуют 80 входов в амфитеатр — примерно по 600 человек на вход.

Общая высота здания, массивность верхней стены диктовали необходимость достаточно мощной конструкции нижележащих этажей, откуда вполне понятным становится выбор для них таких конструкций, как арка, а материала — бетон.

Бетон к тому времени применялся уже более 200 лет. К моменту строительства Колизея существовало уже несколько отработанных или, как бы сказали сегодня,— апробированных технологических способов приготовления и укладки бетонной смеси. Они довольно подробно описаны раньше. Подчеркнем лишь отдельные особенности строительства Колизея. В частности, послойный метод укладки раствора с крупными камнями размером до 12–18 см.

В конструктивных элементах Колизея встречается три вида бетона: для фундамента, приготавливаемого на щебне из высокопрочного сорта лавы; для стен на щебне из травертина, туфа и кирпичного боя и особо легкий из пемзы, предназначенный для сводов, которые не несут большой нагрузки. В общем объеме применяемых строительных материалов бетон наряду с природным камнем занимал одно из первых мест. В качестве примера на рис. 49 дана схема применения различных материалов в одной из многочисленно повторяющихся радиальных стен Колизея. По рис. 50 было приблизительно подсчитано примерное соотношение каждого материала в общем объеме стены. При этом оказалось, что бетон в стене составил около 43, туф — 24, известняк (травертин) — 22, кирпич 8 и мрамор 3%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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» {107} 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, большой интерес представляет и химико-минералогический состав римских цементов.

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

Необходимо рассмотреть еще один важный вопрос. Это {108} 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

5. Шуази О. Строительное искусство древних римлян. М., 1938

6. Эллинистическая техника. Сб. статей под ред. акад. Н. И. Толстого. М.–Л., 1948

Сноски

* Имелся в виду необожженный глиняный кирпич — сырец, зачастую с примесью соломы, сушеной травы и т. п.

* Применяемые в современном строительстве лесоматериалы также подразделяются на три группы: круглые, пиленые и изделия и полуфабрикаты из древесины.

* Польза продолжительного уплотнения смеси подтверждается и индийской практикой бетонного строительства. В Бенгалии, где песок или его часть в растворе заменялась тонкомолотым кирпичом (суркхи), применяли следующий способ производства работ: жирную известь и суркхи смешивали в мокром состоянии на бегунках до образования клейкой массы, которая добавлялась к заполнителю, после чего раствор тщательно перемешивался и укладывался. Трамбование продолжалось в течение многих часов и заканчивалось лишь тогда, когда вода, налитая на поверхность раствора, переставала впитываться в него.

* Дж. Б. Пиранези (1720–1778 гг.), итальянский гравер, во время капитального ремонта Пантеона, когда с внутренней стороны купола была отбита штукатурка, воспользовался этим и зарисовал все детали купола. Рис. 45 и 46, взятые из книги О. Шуази, точно воспроизводят рисунок Пиранези, на котором изображена конструкция внутреннего каркаса ¹/₈ части купола.

* Квадратные или многоугольные углубления на потолке или внутренней поверхности арки, свода. Играют конструктивную и декоративную роль.

Предисловие.......................		3
Глава I. Строительное искусство древних римлян..........		5
	Разделяй и властвуй..................	5
	Римские «кооперативы».................	10
	Проектирование и моделирование..............	14
	Из чего строили в Древнем Риме.............	17
	Наследие древних эллинов................	21
Глава II. Опус цементум — римский бетон...........		27
	Как появился бетон..................	27
	От псевдобетона до Пантеона...............	31
	Клей для бетона...................	39
	Пять чудесных превращений................	43
	Рецепты римского бетона.................	47
	Секрет долговечности римского бетона...........	51
Глава III. Польза, прочность и красота............		60
	Все дороги ведут в Рим................	60
	Гордость Древнего Рима................	66
	Потребители вод...................	72
	Инженерные сооружения.................	78
	Домусы, инсулы и их оборона..............	86
	Пантеон — храм всех богов.................	92
	Хлеба и зрелищ...................	102
	Заключение......................	107

	Рис. 3. Римские подъемные краны и механизмы. Слева — «ступальный» кран, справа — строповка камней и подъем их треножным краном, внизу — простейший подъемный механизм


Рис. 22. Лондонская бетонная дорога с черепичным покрытием (по Кирби)

Рис. 23. Греческие геодезические инструменты, используемые римлянами (по Стоуну) а — грома, предназначалась для съемки местности, построения прямых углов и линий; б — диоптра, более точный прибор по сравнению с громой, дополнительно снабжен водяным уровнем