Opus caementicium – rzymska technika budowy murów z drobnych kamieni, spajanych zaprawą z naturalnego cementu (tj. tufu wulkanicznego, wiążącego pod wpływem wody). Popularny w starożytnym Rzymie; Jeden z największych wynalazków rzymskich pozwalajacych rozbudowywać infrastrukture dróg, mostów , akweduktów i budynków. Wytrzymały nawet pod wodą, dzięki pucolanom.


Wynalazek tego betonu, czy zaprawy cementowej polegał na jej wodoodporności czy hydrofobowości, tak ze mróz nie mógł jej rozsadzić wewnętrznie ani osłabić. Sprawiał to dodatek wulkanicznego tufu, czyli popiołu z wulkanu np. z Wezuwiusza.   inna zaleta tej mieszanki było mieszanie wapna gaszonego na gorąco, czyli tak, że potem mogły powstawać w istniejącym już stwardniałym betonie kryształy wapnia zatykające nowopowstające rysy i pęknięcia. Był to wiec beton samonaprawiający się.

No ale co zrobić, gdy budowa miała powstać na terenie bez wulkanów? I tutaj do zaprawy zamiast wulkanicznego tufu wykorzystywano zmielone dachówki. A mury budowane tą technika na obszarach całego imperium rzymskiego przetrwały do dzisiaj.

Opus caementicium (w języku niemieckim zwykle zapisywane jako Opus caementitium, z wyjątkiem publikacji archeologicznych, zwane także betonem rzymskim lub murem odlewanym) to łacińska nazwa substancji przypominającej beton lub określonego procesu produkcyjnego, za pomocą którego Rzymianie od III wieku p.n.e. wytwarzali własne cegły. p.n.e. zaczęto budować części murów, a później całe budynki.

Podobnie skomponowany Opus signinum zawierał drobniejsze kruszywa i był stosowany jako wodoodporna zaprawa wylewkowa oraz przetwarzany na dekoracyjną wylewkę eksponowaną.

Komponenty
W przypadku opus caementicium palone wapno (głównie „białe wapno” bez składników ilastych) miesza się z kruszywami, takimi jak kwarc, szarogłaz, piaskowiec, tuf lub fragmenty cegieł w stosunku 1:3. W tym czasie wapienie wypalano w piecach wapienniczych lub szybowych piecach o średnicy około trzech metrów i głębokości około czterech metrów. W zależności od rodzaju kamienia, temperatura wypału wahała się od 900 do 1350 °C. W celu uzyskania spoiwa o właściwościach hydratacyjnych do wapna dodawano naturalne i sztuczne pucolany, takie jak tuf, popiół wulkaniczny lub pył ceglany. Reakcja zawartego w pucolanach SiO2 z Ca(OH)2 powstającego w procesie palenia i gaszenia wapna prowadzi do powstania nierozpuszczalnego w wodzie hydratu krzemianu wapnia (patrz reakcja pucolanowa).

Dodanie pucolany, np. tufu lub pyłu ceglanego, powoduje, że opus caementicium nabywa właściwości hydratyzacji. Podobnie jak dzisiejszy beton, opus caementicium jest odporny na wilgoć i twardnieje nawet pod wodą.[1] Po dodaniu wody palone wapno reaguje z intensywnym wydzielaniem ciepła, a powstały w ten sposób opus caementicium jest przetwarzany na ciepło.

Charakterystyka
Wytrzymałość na ściskanie opus caementicium podawana jest jako wartości od 5 do 40 N/mm², w zależności od użytych surowców. Gęstość objętościowa, wynosząca w przybliżeniu 1,53 do 2,59 kg/dm³ dla próbek suszonych na powietrzu, mieści się w zakresie dzisiejszych betonów (2,0 do 2,4 kg/dm³). Jednakże opus caementicium, przy zawartości 20–55% obj., ma znacznie wyższą zdolność absorpcji wody niż dzisiejszy beton, w przeciwieństwie do 10–15% obj.

Metoda budowy i rozwój strukturalny
Konstrukcja opus caementicium nawiązuje do greckiego modelu tzw. „emplektonu”. Tutaj między dwie warstwy cegieł wlano zaprawę z kamieni tłuczniowych i wapna, co stworzyło więź między warstwami muru. Z czasem Rzymianie zaczęli używać coraz cieńszych skorup z wapienia lub cegieł ceramicznych, które wypełniali opus caementicium.

W zależności od konstrukcji zewnętrznych skorup rozróżniano formy budowlane opus quadratum (duże, ciosane wapienie), opus incertum (nieregularne mury z naturalnego kamienia), opus reticulatum (małe kamienie tufowe ułożone w sieć w formie piramidy, której czubek skierowany jest do wnętrza elementu budowlanego, około 80 r. p.n.e.) i opus testaceum (cegły ceramiczne, około przełomu er). Pojawiały się one w fazie rozwoju jedna po drugiej lub w formach mieszanych (opus mixtum). Później, zamiast skorup z cegieł, na czas procesu utwardzania stosowano belki drewniane lub deski – podobnie jak elementy szalunkowe stosowane dziś w budownictwie betonowym. Te belki lub deski można później usunąć i ponownie wykorzystać.

Obróbka opus caementicium była bardziej wydajna niż obróbka kamieni wykonanych z głazów i ciosanych kamieni naturalnych, ponieważ można było odlewać go w formach. Ze względów dekoracyjnych i prawdopodobnie konstrukcyjnych wstawiano warstwy pośrednie wykonane z cegieł (penetracja ceglana).

Cele
W szczególności do budowy wodociągów i molo portowych stosowano opus caementicium. Dzięki dodaniu substancji pucolanowych, takich jak tuf, popiół wulkaniczny czy pył ceglany, osiągnięto wystarczającą odporność na wodę. Duże części (fundamenty, sklepienie i górne ściany wewnętrzne) Koloseum w Rzymie wykonano z opus caementicium, a nawet rzymskie konstrukcje kopułowe o ogromnych rozpiętościach (np. Panteon w Rzymie: kopuła o średnicy 43,3 metra, ok. 120 r. n.e.) mogły powstać wyłącznie dzięki zastosowaniu opus caementicium. Podczas budowy Panteonu można zaobserwować wykorzystanie różnych kruszyw. Do budowy fundamentu użyto gęstego trawertynu, natomiast do budowy kopuły wykorzystano lekkie kruszywa, takie jak tuf lub pumeks.

Tło historyczne
Już w 1000 r. p.n.e. W I wieku p.n.e. Fenicjanie mieszali zaprawy z pyłem ceglanym, a później z piaskiem wulkanicznym używanym jako pucolana, aby uzyskać zaprawę, która twardniała pod wpływem wody. Stosowanie wapna palonego również zapoczątkowali Fenicjanie, a następnie przejęli je Grecy, którzy wprowadzili tę metodę około 300 r. p.n.e. BC w Dolnych Włoszech w celu budowy tzw. „Emplektonu”. Uważa się, że był to model opus caementicium opracowany przez Rzymian.



Wraz z upadkiem Cesarstwa Rzymskiego budowano mniej dużych budowli. Spoiwa hydrauliczne stosowano nadal w średniowieczu, a pył ceglany stosowano jako sztuczną pucolanę aż do XIX wieku. Naturalne pucolany, takie jak trass, stosowano głównie w Europie Północnej. Poszukiwania alternatywy dla produkcji spoiwa hydraulicznego doprowadziły ostatecznie w połowie XIX wieku do opracowania cementu portlandzkiego.


wikipedia niemiecka wersja:
Opus caementicium (im Deutschen außer in archäologischen Fachpublikationen meist Opus caementitium geschrieben, auch Gussmauerwerk oder Römischer Beton genannt) ist die lateinische Bezeichnung für eine betonähnliche Substanz bzw. ein bestimmtes Herstellungsverfahren, mithilfe derer die Römer spätestens ab dem 3. Jahrhundert v. Chr. Teile von Mauern, später ganze Bauwerke errichteten.

Der ähnlich zusammengesetzte Opus signinum enthielt feinere Zuschlagstoffe und wurde als wasserdichter Estrichmörtel verwendet und zu dekorativem Sichtestrich verarbeitet.

Bestandteile
Im opus caementicium wird gebrannter Kalk (zumeist „weißer Kalk“ ohne tonartige Bestandteile) mit Zuschlägen wie Quarz, Grauwacke, Sandstein, Tuff oder Ziegelbruchstücken im Verhältnis von 1:3 gemischt. Gebrannt wurden die Kalksteine zur damaligen Zeit in Kalköfen bzw. ausgehobenen Schachtöfen mit einem Durchmesser von etwa drei Metern und einer Tiefe von ca. vier Metern. Die Brenntemperaturen schwankten je nach Steinart zwischen 900 und 1350 °C. Um ein Bindemittel mit hydratischen Eigenschaften zu erhalten, wurden dem Kalk natürliche und künstliche Puzzolane, wie Tuffe, Vulkanasche oder Ziegelmehle, beigemengt. Aus der Reaktion des in den Puzzolanen enthaltenen SiO2 und dem Ca(OH)2 aus dem Brenn- und Löschvorgang des Kalks bildet sich wasserunlösliches Calciumsilicathydrat (siehe Puzzolanische Reaktion).

Durch die Beimengung von Puzzolanen wie Tuff- oder Ziegelmehl erhält das opus caementicium hydratische Eigenschaften. Wie heutiger Beton ist opus caementicium feuchtigkeitsbeständig und härtet auch unter Wasser aus.[1] Durch die Zugabe von Wasser reagiert der gebrannte Kalk unter starker Hitzeentwicklung, und das so entstandene opus caementicium wird warm verarbeitet.

Eigenschaften
Die Druckfestigkeit von opus caementicium wird je nach verwendeten Ausgangsstoffen mit Werten von 5 bis 40 N/mm² angegeben. Die Rohdichte liegt mit Werten von ca. 1,53 bis 2,59 kg/dm³ für luftgetrocknete Proben im Bereich heutigen Betons (2,0 bis 2,4 kg/dm³). Mit 20 bis 55 Vol.-% hat opus caementicium jedoch im Gegensatz zu 10 bis 15 Vol.-% ein deutlich höheres Wasseraufnahmevermögen als heutiger Beton.

Bauweise und bauliche Entwicklung
Die Bauweise des opus caementicium geht auf das griechische Vorbild des sogenannten ‚Emplekton‘ zurück. Hier wurde zwischen zwei Schalen aus Mauersteinen ein Mörtel aus Bruchsteinen und Kalk gefüllt, der einen Verbund zwischen den Mauerschalen herstellt. Die Römer verwendeten mit der Zeit immer dünner werdende Schalen aus Kalksteinen oder keramischen Mauersteinen, die sie mit opus caementicium verfüllten.

Je nach Ausbildung der Außenschalen wurde zwischen den Bauformen des opus quadratum (große, behauene Kalksteine), opus incertum (unregelmäßiges Natursteinmauerwerk), opus reticulatum (netzförmig angeordnete kleine Tuff-Steine in Pyramidenform mit der Spitze ins Bauteilinnere zeigend, ca. 80 v. Chr.) und opus testaceum (keramische Mauerziegel, um die Zeitenwende) unterschieden. Sie traten in der Entwicklung nacheinander oder in Mischformen (opus mixtum) auf. Später werden anstelle der Schalen aus Mauersteinen auch – den heutigen Schalelementen im Betonbau ähnlich – Holzbalken oder -bretter für die Dauer des Erhärtungsprozesses verwendet, die später entfernt und wiederverwendet werden konnten.

Opus caementicium war effizienter zu verarbeiten als Mauerwerk aus Findlingen und behauenen Natursteinen, denn es konnte in Formen gegossen werden. Aus dekorativen und möglicherweise konstruktiven Gründen wurden teilweise aus Ziegeln gemauerte Zwischenschichten eingefügt (Ziegeldurchschuss).

Verwendungszwecke
Insbesondere Wasserleitungen und Hafenmolen wurden mit dem opus caementicium hergestellt. Durch die Zugabe von puzzolanischen Stoffen wie Tuff, Vulkanasche oder Ziegelmehl wurde eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Wasser erreicht. Große Teile (Fundament, Gewölbe und obere Innenwände) des Kolosseums in Rom bestehen aus opus caementicium, und auch die römischen Kuppelbauten mit riesigen Spannweiten (z. B. das Pantheon in Rom: Kuppel mit 43,3 Metern Durchmesser, ca. 120 n. Chr.) wurden erst durch die Verwendung des opus caementicium möglich. Beim Bau des Pantheons lässt sich eine Verwendung von unterschiedlichen Zuschlägen beobachten. Für das Fundament wurden dichte Travertine, für die Kuppel leichte Gesteinskörnung wie Tuff oder Bims eingesetzt.

Geschichtlicher Hintergrund
Bereits 1000 v. Chr. mischten die Phönizier ihre Mörtel mit Ziegelmehl und später vulkanischen Sanden als Puzzolan, um die Verfestigung unter Wasser zu erreichen. Die Nutzung des gebrannten Kalks stammt ebenfalls von den Phöniziern und wurde von den Griechen übernommen, die diesen ca. 300 v. Chr. in Unteritalien für den Bau des sogenannten „Emplektons“ verwendeten. Dieses gilt als Vorbild für das von den Römern entwickelte opus caementicium.

Mit dem Zerfall des römischen Reiches wurden weniger große Bauwerke errichtet. Im Mittelalter wurden weiterhin hydraulische Bindemittel verwendet, Ziegelmehl als künstliches Puzzolan bis ins 19. Jahrhundert hinein. Natürliche Puzzolane wie Trass fanden vor allem in Nordeuropa Anwendung. Die Suche nach einer Alternative zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels führte Mitte des 19. Jahrhunderts schließlich zur Entwicklung des Portlandzementes.