הקדמה    🔗

עבודות ההנדסה הרומאיות שנוצרו ב’תור הזהב' של הבנייה הרומאית זוכות להערכה והערצה עד ימינו אלה. רבות מעבודותיהם המרשימות של הבנאים הרומאים מהוות עדות לכישוריהם ולמומחיותם. עם זאת נותרו פרטים רבים

בעבודותיהם של הבנאים האלה הדורשים מחקר נוסף. ספרו הקלאסי בן עשרת הכרכים של ויטרוביוס נותר כמקור החשוב ביותר לידע המצוי ברשותנו על הבנייה הרומאית. עדויות ארכיאולוגיות חדשות שהתגלו בארץ שופכות אור חדש על המפעלים להולכת המים שבנו הרומאים, כפי שבאו לידי ביטוי בכתביו של ויטרוביוס.

בספר השמיני בפרק ו' מתאר ויטרוביוס שלושה סוגים עיקריים של מובילי מים:

– מנהרות תת קרקעיות שנחצבו בסלע רך או קשה.

– תעלות על קרקעיות הבנויות על גבי קשתות.

– צינורות מעופרת, או מחרס.

שרידים משלושת הסוגים האלה פזורים ברחבי האימפריה הרומית העתיקה, ואחדים מהם נמצאים עדיין בשימוש. מנהרות תת קרקעיות מוזכרות כבר בתנ"ך (דברי הימים א, ה לב). אמות מים דומות נבנו גם על ידי היוונים והאטרוסקים. אמות המים הידועות ביותר הן אלה הבנויות על קשתות אבן ששרדו ברומא, פונט־דה־גרד, סגוביה, קונסטנטינופול ועוד. המיבנה הטכני של הצינורות הרומאיים מעורר התפעלות. ויטרוביוס בספרו, מבקר את השימוש בצינורות עופרת יקרים המזיקים לבריאות ומשבח את השימוש בצינורות חרס; שיטה שראשיתה באסיה התיכונה ובמסופוטמיה שמהן הובאה ליוון (בשנת 2000 לפני הספירה בקירוב). האקרופוליס באתונה, והיכלים נוספים אשר בנו היוונים ברחבי ממלכתם ובאתרים גבוהים מסביבתם, עוררו את בעיית העברת המים אליהם. משרידים שהתגלו במקומות שונים מתברר כי החומרים בהם השתמשו היוונים לבניית הצינורות היו חרס, אבץ ועופרת. כמו כן הם השתמשו בחומרים מיוחדים לאיטום חיבורי הצינורות על מנת שיעמדו גם בלחץ חזק.

 

חומרי ציפוי ואיטום למנהרות ותעלות    🔗

למרבה פליאתם של המדענים העוסקים בטכנולוגיית הבטון, בדרך כלל לא התגלו סדקים באמות המים העתיקות. תוך שימוש בחומרי בנייה פשוטים ובשיטות ידניות, הצליחו הבנאים הקדומים לפתח שיטות לציפוי האמות בחומרים עמידים בפני התייבשות והיסדקות, למניעת דליפת המים וחלחולם בעדן. בעת בחירת החומר המתאים היה על הבנאים להתחשב בעיקר בהשפעות אקלימיות.

תחתית התעלות נבנתה מבטון (concrete) המבוסס על תערובת של רסק לבני חרס וסיד (lime) ביחס של 3:1 או 4:1. קירות התעלה נבנו מאבנים מסותתות או מבטון. לשם עבודות הגימור – ציפוי ואיטום התעלה – היתה חשיבות רבה למציאת טיח (mortar) עמיד ואטום בפני חלחול, אשר אינו מתכווץ. דבר זה הושג על ידי מירוק של טיח רב שכבתי (multi-layer stucco plaster). ויטרוביוס ממליץ בספר השביעי בפרק ו': ‘צפה את הקיר החיצוני בטיח עשוי מרסק לבנים, ומעל זה טיח המכיל אבקת שיש’. הטיח העשוי מרסק לבנים היה צריך כנראה להבטיח את הקישור ההידראולי (איטום למים) והטיח המכיל אבקת שיש נועד למנוע כיווץ. את פני השכבות היה צריך לשפשף היטב ולמרק כמו ראי. 

 

חומרי איטום לצינורות הלחץ    🔗

לדברי ויטרוביוס, אחד הפרטים החשובים ביותר בבניית הצינורות, שהיו צריכים לעמוד בפני לחץ, היה השימוש בחומר איטום בחיבורים שבין חוליות הצינור. הוא המליץ על השימוש בתערובת של סיד חי (בלתי כבוי) ושמן. חומר דומה מומלץ להגנת רצפות בטון מפני כפור.

 

החוקים הנסיוניים של טכנולוגיית הבטון הקדום במבנים הידראוליים    🔗

הצלחתם של המתכננים הקדומים בטכנולוגיית החומרים היתה פועל יוצא של ידיעותיהם ונסיונם במבנה החומרים ועמידותם בהשפעת התנאים האקלימיים והסביבתיים. הפתרון הכללי לציפויין של המנהרות היה באמצעות השימוש בחומרים חלקים ועמידים בפני מים. באטמוספירה בעלת הלחות הגבוהה לא היתה סכנה של התכווצות והיסדקות הציפוי. לפיכך טיפול פשוט בפני הטיח סיפק הגנה מספקת. פתרון דומה, דהיינו ליטוש הטיח בלבד, נמצא גם בתעלות גלויות של אמות בנויות.

האמות הארוכות הבנויות על קשתות נבנו כמבנה רצוף ללא תפרי התפשטות. כאן היה צורך בתשומת לב רבה יותר להשפעה האקלימית על היסדקות הציפוי. ויטרוביוס המליץ על השימוש בטיח רב שכבתי משויף היטב.

הפתרונות המתוארים על ידי ויטרוביוס הם של טכנולוגיות קדומות שהתבססו על נסיון שהצטבר ונרכש בעבודת הבנאים והטייחים במשך מאות שנים. ויטרוביוס עצמו אינו דן בהסבר הטכני להצלחת השיטות הטכנולוגיות שאותן תיאר.

 

חקר החומרים    🔗

בחפירות שנערכו ברומא, בשרידי ההתיישבות האטרוסקית, התגלתה מנהרה תת קרקעית מהמאה השישית לפני הספירה. התעלה נחצבה בסלע; רוחבה 0.7 מ' וגובהה 1.70 מ'. רצפת התעלה היתה מצופה בטון שנעשה מרסק לבני חומר שרוף, בעובי 15 ס"מ. חלקו התחתון של הקיר צופה בשכבת בטון אשר הכילה רסק לבנים דק יותר, בעובי 7 ס"מ, ואילו החלק העליון טויח בטיח בהיר בעובי 3 ס"מ. תקרת המנהרה היתה מצופה בחלקה באריחי חרס (70x 70 7 x ס"מ) שנוספו כנראה בתקופה הרומית. בדיקה מדעית של חומרי הבנייה במעבדה העלתה כי חומר הקישור (binding) היה מבוסס בעיקרו על סידן־קרבונט. התגלו עקבות מועטים לנוכחות סידן־סיליקט, שהם כנראה תוצאה של ריאקציות כימיות בין הסידן ההידרואוקסידי, החול, ויתכן אף רסק הלבנים.

הבדיקות העלו, כי למרות צפיפותם וחוזקם הנמוכים של החומרים, עמידותם היתה גבוהה ויציבה. חלחול המים דרך משטחי הטיח המלוטש היה מועט ולא משמעותי. בדיקה העלתה כי תכונה זאת הושגה בעיקר הודות לליטוש המשטחים, כפי שהמליץ ויטרוביוס.

 

אמת המים הגבוהה בקיסריה    🔗

הקטע החשוב ביותר של אמת המים בקיסריה הוא התעלה הנישאת על קשתות הבנויות מאבן חול (sand stone) ברוחב 5 מ' ובגובה 2.5 מ'. הקשתות עשויות מפן חיצוני של אבני גזית ופנים של בטון המורכב ממלט אפור ושברי אבני כורכר. בטון זה הכיל כמות גדולה של חלקיקי פחם. גם התעלה הפתוחה נבנתה מבטון דומה וצופתה בטיח רב שכבתי. למרות שהבנאים לא השתמשו בתפרי התפשטות, לא נגרמו נזקים או סדקים כתוצאה מהתכווצות והתפשטות החומר בהשפעת השינויים האקלימיים.

שכבות הטיח היו כדלקמן:

– שכבה אפורה – הכוללת גרגרי פחם, בעובי 10–6 מ"מ.

– שכבה לבנה – עם שיש כתוש דק, בעובי 5־6 מ"מ.

– שכבה אדומה – עם רסק לבנים, בעובי 6–5 מ"מ.

– שכבה אפורה – עם גרגרי פחם, בעובי 3 מ"מ.

– שכבה לבנה – עם שיש כתוש דק, בעובי 3 מ"מ

– שכבה אדומה – עם רסק לבנים, בעובי 4 מ"מ.

בציפוי הרב שכבתי היוותה השכבה האפורה בסיס מקשר טוב לשכבות האדומות והלבנות. בניגוד לטיח האפור שהינו רך וחלש, הטיח האדום והטיח הלבן הנם חזקים וקשים ביותר. ראוי להדגיש כי השימוש בטיח הרב שכבתי בקיסריה מתאים למיפרט שהציע ויטרוביוס בספרו.

 

צינורות לחץ מאבן בבית לחם    🔗

כאמור, הבעיה העיקרית של צינורות האבן, היתה איטום החיבורים שבין חוליות הצינור. בצינור האבן שהתגלה בבית לחם הלחץ היה בן חמש אטמוספירות. חוליות האבן היו במידות חיצוניות של 90 x 90 50 x ס"מ, ובעלי קוטר פנימי של 38 ס"מ. המרווח ברוחב 2 ס"מ בחיבורים שבין החוליות מולא בחומר איטום לבן קשיח. המילוי כוסה בשני סוגי טיח: שכבה אפורה ורכה, ומעליה שכבה אדומה וקשה. הבדיקות הכימיות העלו כי המרכיבים העיקריים היו קלציט וארגוניט (calcite, aragonite). הכמות הגדולה של ארגוניט, הצפיפות וקשיחות החומר, מצביעות על אחוז גבוה של שיש טחון וסיד חי. לתערובת נוסף שמן כדי להבטיח מילוי נאות וצפוף של החיבורים.

 

החידה של טכניקת ההנדסה הקדומה    🔗

למרות שהידע של הבנאים הקדומים התבסס רק על נסיון והחומרים שהיו ברשותם היו חומרי בנייה פשוטים, הם הצליחו לפתור בעיות טכניות מסובכות והשיגו עמידות גבוהה של מפעלי המים שלהם. רק לחלק קטן מהשיטות והתהליכים נותן ויטרוביוס הסבר, כגון לתהליך שריפת הסיד ולהתקשות החומר באוויר. אך רוב השיטות שמתאר ויטרוביוס, כגון שיוף הטיח והחלקתו, יצירת הטיח הרב שכבתי. התקשות תערובת שמן וסיד, שיטת הבנייה של אמות עמידות ללא סדקים בלי תפרי התפשטות – נותרות ללא הסבר. נעמוד עליהן להלן.

 

השפעת המירוק על תכונות הטיח    🔗

שיפשוף ומירוק של הטיח הביא לסידור אופקי אחיד של חלקיקי השיש והסיד והקטין את גודל החלקיקים. הגדלת סך הכל שטח הפנים של החלקיקים, הקטין את הנימיות (הקפילריות) בשכבות האופקיות הדקות. הקטנת הנימיות גורמת כנראה לקרבוניזציה² נמרצת, לזרוז התקשות החומר, להגבלת הכיווץ והסידוק ולהגדלת עמידותו. טכניקה של שיפשוף ומירוק תוך תהליך ההתקשות נהוגה כיום ביציקת רצפות בטון.

 

חומר האיטום של צינורות ושיטת ההידוק    🔗

שיטת ההידוק של תערובת סיד ושמן לא הוסברה על ידי ויטרוביוס, אבל ככל הנראה היתה ידועה לו. מניתוח הכתוב בספרו נראה, כי החומר בו השתמשו היה תחמוצת סידן (סיד לא כבוי – CaO). השינויים המבניים המתחוללים בתערובת של תחמוצת סידן ושמן, הנתונה באטמוספירה יבשה, הם איטיים. לאחר הוספת מים בלחץ, חלק מן השמן מורחק מהתערובת, והחומר מתרחב הודות להפיכת תחמוצת הסידן להידרוכסיד הסידן (סיד כבוי – 2(Ca(OH) שנפחו גדל ב־40 אחוז. תהליך זה גורם למילוי מהודק של מרווחי החיבורים בין חוליות הצינור.

 

חידת תפר ההתפשטות    🔗

נושא אחד נותר עדיין ללא פתרון מניח את הדעת: כיצד בנו הרומאים אמות מים ארוכות על גבי קשתות ללא שימוש בתפרי התפשטות, ועם זאת מנעו סדקים אפילו באזורים בהם השינויים התרמיים גדולים? נביא כאן הסבר אפשרי לתופעה:

החומרים שמהם נבנו הקשתות נתונים ללחצים מרכזיים (centric pressure). לחץ זה מביא במשך הזמן לשקיעה מסוימת של כל קשת כתוצאה מהתכווצות ו’זחילה' במלט ובאבנים. כתוצאה מכך גדל הלחץ בחלק העליון של הקשת ובהמשך בתוך גוף התעלה העשוי בטון או אבנים ומלט. השימוש בבטון מהודק היטב ובטיח רב שכבתי ממורק בעל דרגת כיווץ נמוכה, הן הסיבות העיקריות לעמידות המבנה למרות העדר תפרי ההתפשטות.

 

מסקנות    🔗

הבטון הרומאי על יסוד סיד, הטיח הרב שכבתי, טכניקת המירוק וטכניקת בניית הקשתות הנם דוגמאות מרשימות ליכולת הטכנית הגבוהה של הבנאים הרומאים. הפתרון המוצלח לבעיות המסובכות של העברת מים, בהתחשב בתנאים האקלימיים, הם תוצאה של נסיון בן מאות שנים שהתבסס על מסורת וידע כללי שהיווה פיצוי לחסרון שיטות מדעיות. הטכנולוגיה הקדומה הוכיחה עצמה במשך שנים רבות של שימוש, אף שההסברים המדעיים לתהליכים המעשיים לא תמיד היו ידועים.