Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого - [42]
Бетон состоит в основном из заполнителей (65–85 %) и воды (15–20 %)[247]. Мелкий заполнитель, такой как песок, позволяет получить более прочный бетон, но для него нужно больше воды, чем для более крупного заполнителя, например гравия разного размера. Заполнитель скрепляется цементом — обычно 10–15 % конечной массы, — при взаимодействии которого с водой смесь сначала становится жидкой, а затем застывает.
В результате получается самый распространенный в современной цивилизации материал, прочный и тяжелый, способный выдержать несколько десятилетий серьезной нагрузки, особенно когда его армируют (упрочняют) сталью. Чистый бетон относительно хорошо переносит сжатие (по этому показателю современные сорта в пять раз лучше, чем те, которые использовались несколько десятилетий назад), но имеет низкую прочность на разрыв[248]. У конструкционной стали прочность на разрыв почти в 100 раз выше, и для преодоления этой огромной разницы используются разные способы армирования бетона (стальная сетка, стальные прутья, стеклянное или стальное волокно, полипропилен).
Начиная с 2007 г. большинство населения Земли живет в городах, построенных преимущественно из бетона. Естественно, в городском строительстве используется множество других материалов: небоскребы имеют стальной каркас, покрытый стеклом и металлом; индивидуальные дома в пригородах американских городов строят из дерева (бруса, фанеры, досок) и гипсовых перегородок (и часто облицовывают кирпичом или камнем); в настоящее время для строительства многоэтажных жилых домов также применяется композитная древесина[249]. Но небоскребы и высотные дома стоят на бетонных сваях, и бетон используется не только для фундамента, но и для стен и потолков, и он присутствует во всей городской инфраструктуре — от подземных инженерных сетей (трубы большого диаметра, кабельные каналы, водостоки, тоннели метро) до наземной транспортной инфраструктуры (тротуары, дороги, мосты, причалы, взлетные полосы аэропортов). Современные города — от Сан-Паулу и Гонконга (с многоэтажными жилыми башнями) до Лос-Анджелеса и Пекина (с разветвленной сетью дорог) — являются олицетворением бетона.
В Древнем Риме бетон изготавливали из гипса, негашеной извести и вулканического песка, и этот превосходный и долговечный материал позволял строить грандиозные сооружения, в том числе огромные купола. Пантеон стоит в Риме почти 2 тысячи лет (строительство завершили в 126 г.), но до сих пор остается крупнейшим в мире купольным сооружением из неармированного бетона[250]. Процесс изготовления современного бетона был запатентован только в 1824 г. английским каменщиком Джозефом Аспдином. Его гидравлический раствор получался обжигом известняка и глины при высоких температурах: известь, кремний и алюминий, содержащиеся в этих материалах, спекались в стеклоподобное вещество, которое затем измельчалось, превращаясь в портландцемент[251]. Аспдин выбрал это название (его часто используют и сегодня), потому что после застывания и реакции с водой похожий на стекло клинкер приобретал цвет как у известняка с острова Портленд в проливе Ла-Манш.
Как уже отмечалось выше, новый материал отличался высокой прочностью на сжатие; современный бетон может выдержать давление более 100 мегапаскалей — такое давление оказывает африканский слон, стоящий на мелкой монетке[252]. Другое дело — прочность на разрыв. Бетон разрушается уже при нагрузках от 2 до 5 мегапаскалей (человеческая кожа и то прочнее). Вот почему масштабное применение бетона в строительстве началось только после успешного армирования сталью, что сделало этот материал пригодным для изготовления деталей конструкций, испытывающих серьезные нагрузки на разрыв.
В 1860-х и 1870-х гг. французы Франсуа Куанье и Жозеф Монье получили первые патенты на армирование бетона (Монье был садовником и начал использовать железную сетку для армирования своих декоративных кадок), но настоящий прорыв случился в 1884 г., когда Эрнст Рэнсом предложил использовать стальные стержни[253]. Конструкция современных вращающихся печей для производства цемента, где минералы спекались при температуре 1500 °C, была предложена в 1890-х гг., и ее появление позволило использовать бетон в масштабных проектах. Первым небоскребом из железобетона стало шестнадцатиэтажное знание Ingalls Building, построенное в Цинциннати в 1903 г.[254]. Всего три года спустя Томас Эдисон выразил убеждение, что в Америке бетон должен заменить дерево при строительстве индивидуальных домов, и начал конструировать и строить такие дома в Нью-Джерси; в 1911 г. он предпринял неудачную попытку создать бетонную мебель, в том числе спальные гарнитуры, и даже отлил из бетона копию своего самого любимого изобретения, фонографа[255].
Одновременно с неудавшимся проектом Эдисона швейцарский инженер Роберт Майар заложил основы нового способа применения этого материала, который используется по сей день: мосты из железобетона. Начал он с относительно небольших мостов в Цуоце в 1901 г. и в Тавансе в 1906 г. Самое знаменитое его сооружение, арочный мост Салгинатобель через альпийское ущелье, был закончен в 1930 г. и в настоящее время внесен в швейцарский реестр объектов культурного наследия
