古罗马遗址,即使在废墟中,其辉煌壮丽依然令⼈印象深刻。⽃兽场、万神庙、拱券、⼤跨度的⾼架渠、浴场等,不仅显⽰出古罗马建筑与施⼯的⾼超技艺与能⼒,⽽且是古罗马帝国曾经兴盛的印记。在古罗马由兴到衰的整个过程中,在建筑⽅⾯始终不断创新,古罗马建筑风格及其对独特建筑材料的使⽤举世闻名,影响深远。
古罗马帝国最具代表性的建筑材料可以归纳为:⾃然材料(原⽯、⼤理⽯、⽊材等)、⼈造材料(砖、玻璃等)以及混合材料(各种混凝⼟)。值得⼀提的是古罗马⼈更善于使⽤可批量⽣产的建筑材料,如砖和混凝⼟等。其中,罗马混凝⼟占有着⾄关重要的地位,是批量化⽣产建筑材料的代表,为古罗马建筑的发展带来了空间上的飞跃与⾰新。
罗马混凝⼟物质组成,是由砂浆与⾻料混合⽽成的⼀种具有⾼度可塑性的建筑材料。
“罗马混凝⼟”则特指古罗马时期的混凝⼟。维苏威⽕⼭喷出的⽕⼭碎屑物为罗⻢混凝⼟提供材料。罗马混凝⼟也主要由⾻料和砂浆两部分组成。⾻料的组成物质包括:⽕⼭岩(酸性浮岩、⽓孔状⽞武质⽕⼭渣、凝灰岩、熔岩等)、沉积岩(⽯灰华、砂岩等)和变质岩(⽯英岩、板岩等)的岩块、⽯英等矿物碎块及碎砖块。⾻料⼀般粒径10厘⽶?30厘⽶。
⽕⼭灰是⽕⼭爆炸喷发形成的细碎屑物(⼩于2毫⽶),由岩浆或熔岩破碎⽽成的⽕⼭玻璃碎屑、晶体碎屑和源⾃地下⽕⼭结构破碎的岩屑构成。凝灰岩是⽕⼭灰通过天然矿物胶结物的胶结、固化⽽成的岩⽯。这些⾻料在应⽤过程中通常⼿⼯码放在砂浆之中,因此罗马混凝⼟更类似于⼀种浆砌碎⽯。⽽现代混凝⼟则是由砂浆与⼩粒径⾻料(豌⾖到坚果般⼤⼩不等)混合⽽成的,其⾻料⽐罗马混凝⼟的⾻料⼩得多。
从现代观点来看,罗马混凝⼟的砂浆本⾝也可被视为⼀种混凝⼟,它是将熟⽯灰灰浆与砾级到砂级的⽕⼭灰⾻料混合后发⽣化学反应形成的。
罗马混凝⼟具有便捷、⾼效、廉价、坚固、耐⽤、可塑的特点,其原料来⾃于容易开采的各种天然岩⽯与矿物材料和煅烧后形成的⽯灰。这些固体物质的混合物与⽔掺混反应后,就会形成具有⾼性能的⽔硬性灰浆和⾮均匀的复合连续体。
由于当时混凝⼟的塑形主要是使⽤⽊质模板来进⾏,因此只要⽊质模板可以制作成什么形状,混凝⼟就能被制塑造成什么形状。虽然罗马混凝⼟的强度较现代混凝⼟的强度稍弱,但其耐久性远远超越现代混凝⼟,与海⽔接触的海⽤混凝⼟尤其如此,历经2000多年仍然保持相对完好的古罗马建筑结构可以证明这⼀点。此外,罗马混凝⼟较⾼的可塑性,为古罗马⼯匠建造多种多样的建筑结构提供了必要条件。
罗马混凝⼟的制作⼯艺,维特鲁威创作于公元前32年⾄公元前22年的《建筑⼗书》中,曾经阐述过制作性能优良混凝⼟的⽅法。在制作过程中,⾄关重要的成分是⼀种“合适的砂”(其实就是粗⽕⼭灰),尤其推荐使⽤⿊⾊、⽩⾊、亮红⾊和暗红⾊的“砂”以及新挖掘出来的“砂”,并且要求这些“砂”⾥不能混杂⼀丝⼀毫的泥⼟。
如果把这种“砂”在双⼿之间揉搓,会发出沙沙的响声;把它扔到⽩布上,如果没有留存黏附物,那么就可以认定没有泥⼟混杂在砂中。当时⼈们还没有认识到这种特殊的混凝⼟物质是来⾃于⽕⼭喷发,但是这件事却被记录在现存影响深远的⻄⽅最早的经典建筑著作中。书中记载显示,古罗⻢⼈已经意识到⽕⼭灰是相当优质的混凝⼟原料,同时他们已经通过不断实践获知了如何制造出即使在海⽔⾥也依然坚固的混凝⼟。
灰浆⽣产过程中的化学反应(改⾃L.C.Lancaster,2005)。
罗马混凝⼟制作⼯艺中,⽯灰砂浆是最初始的部分,其制作流程为:先煅烧⽯灰岩得到⽣⽯灰(主要成分为氧化钙),然后将烧制得到的⽣⽯灰与⽔混合搅拌产⽣熟⽯灰(氢氧化钙),再后将氢氧化钙与“砂”(粗⽕⼭灰)混合,最终碳酸钙物质在缓慢的蒸发过程中发⽣结晶产⽣碳酸钙晶体。这些碳酸钙晶体倾向于黏附在粗糙物料的表⾯,故“砂”的作⽤是加强颗粒之间的黏结强度,从⽽增强混凝⼟的整体强度。
罗马⼯匠们更喜欢⾼纯度的⽯灰,其原料源于罗⻢东北部亚平宁⼭脉的厚层⽯灰岩。在那⾥,采⽯场可以提供氧化钙含量较⾼的纯净⽯灰⽯。纯净⽯灰⽯在窑内的温度和持续时间上相对⼀致,有利于煅烧出纯净的⽣⽯灰,加⽔后它就可以形成⾼质量的熟⽯灰。在罗⻢混凝⼟制作的整个过程中,并⾮只有蒸发这⼀种单⼀的物理过程,⽽是包含着质地均匀的熟⽯灰灰浆与砂浆中的天然⽕⼭灰之间发⽣的化学反应。
事实上,在古罗⻢的图拉真市场⼤会堂的砂浆黏合基质中,现代科学家们已经识别出了碱-氧化铝⽔泥凝胶以及钙-氧化铝结晶⽔泥。经过这些化学反应⽽产⽣的混凝⼟会克服混凝⼟内外强度不均的缺点,⽽且固结过程既可以发⽣在陆地上,也可以直接发⽣在⽔中。在海⽔中固结的砂浆甚⾄⽐在陆地上固结的强度更强,这可能是由于海⽔与各种材料之间的进⼀步反应及⽕⼭灰的多孔结构造成的。
古罗⻢时期的桥梁、输⽔设施、甚⾄沿海港⼝的建设都使⽤了这种混凝⼟。这些地上和⽔下的建造物很好地保存⾄今。
罗马混凝⼟的结构特点,从外观上来看,罗⻢混凝⼟与⽕⼭碎屑岩的结构很相似,具有⾮均匀的不等粒结构。其中,粗⻣料部分类似于⽕⼭岩块,砂浆部分与⽕⼭凝灰⻆砾岩相似。
罗⻢混凝⼟⽐较独特的地⽅是,除了含有⽕⼭凝灰⻆砾岩或凝灰岩常具有的碎屑物质外,砂浆部分还含有⼤量的⼈⼯⽯灰碎屑颗粒和胶结物,⽽且⽕⼭碎屑、⽯灰碎屑与细粒基质之间的化学反应还形成了新的起胶结作⽤的⽔凝胶和低温结晶矿物,不规则状的⽔凝胶与针状、⽚状、葡萄状的新⽣矿物相互粘结、嵌⼊和交织,形成了⼀种密实的胶结结构。
不同类型的⻣料具有不同的密度,从浮岩、⽕⼭渣、凝灰岩到熔岩,其密度逐渐增⼤。
古罗⻢⼈通过将多种不同密度的⻣料按⽐例进⾏混合,来获得不同密度的混凝⼟。在⼤型建筑中,按照不同⻣料密度⾃⼤到⼩,古罗⻢⼈把⼤密度的⻣料⽤于建筑基础的厚构件,⽽将⼩密度的⻣料⽤于建筑上部或拱顶,从⽽减轻结构负担,增加基础稳定性,例如万神庙⾃下⾄上就使⽤了密度逐层递减的⻣料,同时在穹顶上增加了⼤量壁龛,从⽽减轻穹顶重量,维持整体结构的稳定。
罗马混凝⼟的历史作⽤和现代启示,罗⻢混凝⼟的出现,相对先前时代来说是⾰命性的,不仅促进了罗⻢建筑形式和⻛格的发展与创新,对其性能的开发和利⽤也是古罗⻢对欧洲建筑的最伟⼤的贡献。罗⻢混凝⼟的使⽤让罗⻢⼈有机会制造出前所未有的结构形式和空间体验,如万神庙的穹顶⾄今仍然是世界上最⼤的⽆⽀撑混凝⼟穹顶,罗⻢⽃兽场其建筑规模、技艺⽔准和艺术⻛格都堪称奇迹,影响深远。
⽽⽕⼭灰⽔泥制成的罗⻢海⽤混凝⼟,其⽔下固化能⼒为古罗⻢⼈建造此前未曾实现的⽔上建筑成为了可能。可以说,罗⻢混凝⼟在罗⻢建筑形式的创新发展中起着举⾜轻重的作⽤。此外,罗⻢混凝⼟为⼤量、快速、廉价地建设道路、神庙、要塞、港⼝等提供了可能,从⽽为古罗⻢在军事、政治、经济和贸易发展⽅⾯提供了优势。
罗马混凝⼟惊⼈的耐久性与⾃愈性为设计和制造现代建筑混凝⼟提供了重要启示。
⽬前,国外⼀些企业已着⼿开展了这⽅⾯的研究。罗⻢混凝⼟对天然⽕⼭原料应⽤的思想已开始被现代建筑师所借鉴。它的优点是能够延⻓混凝⼟的使⽤寿命,从⽽可以减少严重影响环境的普通硅酸盐⽔泥(⽣产每吨这种⽔泥排放1吨⼆氧化碳)的使⽤量(占全球温室⽓体排放总量的8%),进⽽减少碳排放量以及粉尘、⼆氧化硫、氯氧化物等污染物的排放量,节约资源和能源,促进绿⾊发展。
罗马混凝⼟和古罗⻢建筑⼀样是⼈类珍贵的历史⽂化遗产,通过对其研究和利⽤,不仅让我们现代⼈依稀瞥⻅2000年前这个强⼤帝国的⼀缕剪影,更为现代建筑学的进步提供了珍贵的饱含科技密码的材料。