Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого - Вацлав Смил

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[256]. Сооружениями из железобетона также увлекались архитекторы Огюст Перре во Франции (элегантные жилые дома и Театр Елисейских Полей) и Фрэнк Ллойд Райт в США. Самые известные проекты Райта в период между двумя мировыми войнами — это отель «Империал» в Токио, законченный незадолго до землетрясения 1923 г., которое сровняло город с землей и повредило новое здание, и «Дом над водопадом» в Пенсильвании, построенный в 1939 г. Его последним знаменитым проектом из железобетона стал Музей Гуггенхайма в Нью-Йорке, сооружение которого завершилось в 1959 г.[257].

Прочность железобетона на разрыв увеличилась еще больше после того, как изобрели способ предварительного напряжения упрочняющей сетки или стержней перед заливкой бетоном (предварительное напряжение арматуры достигается с помощью концевых анкеров, к которым прикладывается усилие, снимающееся после затвердения раствора). Применяют также постнапряжение, когда предварительно уложенные в конструкции арматурные канаты натягиваются и закрепляются анкерами на торцах конструкции с помощью специальных устройств. Первым сооружением, где применялся преднапряженный железобетон, был мост в Плугастеле близ Бреста, построенный Эженом Фрейсине в 1930 г.[258]. Но самое известное сооружение из предварительно напряженного бетона — это необычное, похожее на парус белое здание Сиднейской оперы по проекту архитектора Йорна Утзона (строилось с 1959 по 1973 г.)[259]. Мировой рекорд среди мостов принадлежит Даньян-Куньшаньскому виадуку длиной 164,8 километра (строительство закончено в 2010 г.), по которому проложены пути скоростной железнодорожной магистрали, соединяющей Пекин и Шанхай[260].

В настоящее время армированный бетон используется при строительстве всех современных зданий и объектов транспортной инфраструктуры, от причалов до сегментных колец, которые устанавливают современные машины для прокладки туннелей (под Ла-Маншем и в Альпах). Стандартное скоростное шоссе в Америке представляет собой 28-сантиметровый слой неармированного бетона, уложенный поверх слоя (толщиной в два раза больше) из натуральных заполнителей (камней, гравия, песка). Вся система американских скоростных магистралей содержит около 50 миллионов тонн цемента, 1,5 миллиарда тонн заполнителей и всего лишь около 6 миллионов тонн стали (опорные конструкции и дренажные трубы)[261]. Взлетно-посадочные полосы аэропортов (длиной до 3,5 километра) имеют основу из армированного бетона, толщиной до 1,5 метра в зонах приземления, чтобы выдержать сотни тысяч ударов в год при посадке самолетов весом до 380 тонн (Airbus 380).