История бетона

Содержание:

• Протобетон
• Бетон в Древнем Риме
• Бетон в Европе
• Современная история производства бетона в России
• История железобетонных конструкций

Протобетон

Бетон как строительный материал прошёл долгую эволюцию и в итоге превратился в одну из основ современной стройки. Истоки его использования уходят в далёкое прошлое. Так, при раскопках на берегах Дуная археологи нашли следы древнего жилища, возраст которого оценивается примерно в пять тысяч лет. В этом сооружении полы имели толщину около 25 сантиметров и по сути представляли собой заливку, выполненную по принципам, близким к бетону: в качестве вяжущего компонента применялась красная глина, а для усиления использовался мелкий речной гравий.

Если обратиться к более ранним свидетельствам, можно заметить, что отдельные подходы к “связыванию” каменного заполнителя раствором встречались уже в древних цивилизациях. В Египте, Вавилоне, у финикийцев и у карфагенян применяли смеси, где камни удерживались в общей массе вяжущим составом. Однако наиболее ранние подтверждённые данные о бетоне в Египте относятся к периоду около 1950 года до нашей эры. Тогда бетон использовали при сооружении галерей знаменитого лабиринта, датируемого примерно 3600 годами до н. э. Также сообщается о применении монолитной технологии при возведении сводчатых конструкций, в частности в связи с пирамидой Нима.

Древние египтяне, судя по сохранившимся данным, в роли связующего применяли гипс и известь. Позднее интерес к этим технологиям не угасал: в XX веке мир обсуждал гипотезу швейцарского химика и профессора Джозефа Давидовица. Он предполагал, что отдельные блоки пирамиды Хеопса могли быть изготовлены искусственным способом на основе геополимерного бетона. Поводом для версии стали наблюдения: при изучении каменных блоков в одном из них обнаружили человеческий волос. По мысли исследователя, он мог оказаться там только в случае попадания с головы работника во время приготовления и укладки смеси. Дополнительные результаты поиска свели воедино новую находку — текст на стеле, относящейся к III династии, в котором, по расшифровкам, содержался рецепт приготовления древнего материала. Независимые исследования при этом показали, что нижние элементы пирамиды сложены из природного известняка, а верхние ряды — выполнены с использованием бетонной массы. В описании смеси упоминаются пальмовая зола, крошка из песчаника и сода, извлекаемая из воды Нила.

История бетона тесно связана с развитием цемента, поскольку именно вяжущие вещества формируют основу прочности материала. Одними из самых ранних подобных компонентов служили глина и жирная земля: при смешивании с водой и последующем высыхании они приобретали заметную твёрдость. Практика применения глины в строительстве прослеживается примерно с X тысячелетия до нашей эры. На базе глинистых материалов готовили составы, похожие на растворы и бетоны, которые использовались для самых разных построек. Это охватывало от простых землебитных домов до крупных культовых сооружений вроде зиккуратов.

В Индии ещё в древние времена — примерно в IV–V веках до н. э. — в дворцах и храмах обнаруживали хорошо сохранившиеся бетонные полы, выполненные по принципу заливки. Древние народы Китая тоже довольно рано применяли бетонные решения. Например, часть Великой Китайской стены, начало возведения которой относят к III веку до н. э., создавалась с использованием бетона. Любопытно, что и в Египте, и в Китае бетон применяли ещё в очень ранние периоды: примерно 3600 лет назад до нашей эры строители использовали смесь, напоминающую бетон, при сооружении галерей египетского лабиринта и отдельных участков стены в Китае. Разумеется, состав не был полностью идентичен современным рецептурам, но сама идея применения подобного материала подтверждает его востребованность в разные эпохи и у разных народов.

Технологию укладки в те времена можно описать следующим образом: известковое тесто тщательно перемешивали с песком и гравием (соотношение, как правило, задавали в виде “одна часть известкового теста на две части заполнителя”), далее сухую смесь слегка увлажняли, раскладывали слоями примерно по 12 сантиметров и активно уплотняли, используя деревянные трамбовки. Укладку проводили между щитами опалубки. Затем следующий слой наносили на предварительно увлажнённую поверхность уже сформированного слоя. Так процесс повторяли до завершения нужной высоты стены.

Бетон в Древнем Риме

Известно также, что термин “бетон” знаком человечеству уже более шести тысяч лет. Существенный скачок в развитии архитектуры связан с практикой Древнего Рима: именно там бетон получил широкое применение и дал возможность создавать новые типы сооружений. Благодаря этому стали активно развиваться арки, мосты, базилики и акведуки. Однако после падения Римской империи традиционная рецептура изготовления бетона оказалась утраченной — её знание было забыто, а восстановление заняло многие столетия.

Первые признаки применения бетона в строительстве связывают с Древним Римом. Археологические данные указывают, что римляне использовали бетонные смеси на основе гипса, извести и глины. Из такого материала возводили различные инженерные элементы и архитектурные формы: арочные конструкции, купольные покрытия и другие сооружения со сложной геометрией.

Для широкого распространения бетона требовались условия, которые сложились в сильном и масштабном государстве — Древнем Риме. Рим отличался большими объёмами строительства: возводились амфитеатры и стадионы, а также дороги, тянувшиеся на многие сотни и даже тысячи километров внутри страны и за её пределами. Таким образом, рост спроса на долговечные и технологичные материалы сочетался с реальными техническими возможностями общества.

Важно подчеркнуть, что римляне не считались авторами изобретения бетона как такового. Однако именно в Риме бетон стал одним из базовых конструкционных материалов благодаря набору практических характеристик. В первую очередь отмечали его прочность, способность противостоять проникновению воды и относительную экономичность.

Начало активного применения бетона в пределах Древнего Рима относят примерно к концу IV века до нашей эры, а продолжительность использования как основного решения оценивают примерно в 700 лет. При этом в римской практике материал обозначали по-разному. Литую кладку с каменным заполнителем называли греческим термином «эмплектон» (emplekton). В источниках встречается и слово «рудус» (rudus).

Наиболее часто для обозначения раствора, который использовали при возведении стен, сводов и фундаментов, применялось выражение «опус цементум» (opus caementitium). Именно так со временем стали называть римский бетон.

Показательно, что в Колизее использовалось несколько разновидностей бетонных смесей. Для фундамента применяли бетон на щебне из высокопрочного сорта лавы. Для стен использовали щебень травертина, туфа и кирпичного боя. Отдельную категорию составлял особо лёгкий бетон на пемзе, предназначенный для сводов, где нагрузка была меньше.

К середине I века н. э. относится и важная серия примеров. В 90-х годах I века н. э. был открыт Колизей, велось строительство терм, а также возводилась триумфальная арка в честь побед Тита. В одном из таких сооружений упоминается пятиметровый фундамент, выполненный из трамбованного бетона.

В 123 году в Риме завершили строительство Пантеона. Там бетонный купол диаметром около 43 метров долго оставался рекордным для своего типа конструкций — вплоть до XIX века.

Особую роль бетону отводили при сооружении зданий общественного и жилого назначения. Особенно это проявлялось в постройках инсул — многоэтажных домов, где требовались надёжные и устойчивые конструкции.

Спустя крах Римской Империи технология получения бетона была утрачена примерно на целое тысячелетие. Лишь значительно позже, в 1844 году, стало известно о современном варианте бетона, где в качестве связующего используется цементное вещество.

После распада Римской империи этот материал надолго ушёл из активной строительной практики. Долгое время бетон почти не использовали, и развитие технологий в этой сфере фактически остановилось.

Постепенно технологии бетонного строительства распространялись в восточном направлении — в сторону Восточного Средиземноморья. Примерно к 500 году до нашей эры они достигли Древней Греции. Там для отделки стен, в том числе стен из необожжённого кирпича, применяли известковый мелкозернистый бетон. Так, упоминается, что дворцы Креза (560–546 гг. до н. э.) и Аттала были отделаны с применением подобных материалов.

Со временем бетон стали использовать и в форме бутовой кладки. Суть такой технологии заключалась в следующем: между двумя рядами каменной стены размещали крупные камни, после чего заполняли пустоты известковым раствором. Римский архитектор и инженер Витрувий во второй половине I века до нашей эры в своём трактате довольно подробно описывал несколько вариантов такой кладки. По-видимому, более поздние римские бетонные стены могли сформироваться именно на основе греческих приёмов с бутовой закладкой.

Бетон в Европе

Возрождение интереса к бетону в Европе произошло значительно позже — примерно 200 лет назад. На тот момент бетон представляли как каменистую смесь: в неё входили вода, заполнитель и вяжущее вещество. Существенный шаг вперёд связан с появлением цемента. Его создание стало возможным благодаря развитию промышленного производства.

В 1796 году англичанин Паркер получил романцемент. Он получался при обжиге смеси глины и извести. Именно это вещество стали считать первой исторической маркой цемента. Если соединить такой цемент в заранее заданных пропорциях с гравием, песком и водой, получается бетон, пригодный для строительства.

Отдельный сюжет связан с попытками проследить использование подобных растворов в более ранние эпохи. Француз Шарру описывал сведения о применении бетона кельтами, проживавшими на части территории современной Европы. В своём изложении он опирался на суждение химика, который много лет занимался изучением тумулов — каменных памятников кельтской культуры во Франции — и проводил анализы грунта. По результатам исследований специалист пришёл к выводу, что сооружения создавались с использованием бетона либо близкого по составу строительного раствора.

Современная история производства бетона в России

Известно, что при создании судостроительных верфей в Лодейном Поле Пётр I требовал к поставкам не просто “известь”, а именно “цемент”. При этом под этим словом тогда понимали материал, лишь отдалённо напоминавший сегодняшние цементные смеси. Он отличался сильной неоднородностью и, как правило, показывал невысокую прочность.

В поисках решения учёные были вынуждены вновь и вновь пересматривать составы и технологии. Им приходилось измельчать исходные компоненты, тщательно перемешивать их, проверять свойства полученной массы и добиваться более стабильного результата. Цель была одна: создать такое вяжущее вещество, которое работало бы надёжно и предсказуемо.

Параллельно аналогичные изыскания велись и за пределами России — в разных странах. Исследователи стремились получить полноценное гидравлическое вяжущее, то есть такое, которое способно “схватываться” не только на воздухе, но и в условиях воды.

Прорыв действительно случился. В начале XIX века русский мастер-строитель Е. Челиев сумел получить нужное вяжущее: он подвергал обжигу смесь глины и извести до состояния спекания, после чего доводил продукт до нужной степени измельчения. В результате был получен цемент, который также называли “каменным клеем”.

Почти одновременно схожее решение появилось в Англии. Аспдин предложил свой вариант, назвав его “портландцементом” — по аналогии с известняками, добываемыми в окрестностях Портланда и напоминавшими материал в уже затвердевшем состоянии. Затем, во второй половине XIX века, технологию производства удалось заметно усовершенствовать благодаря работам А. Р. Шуляченко — профессора Петербургской военно-инженерной академии. Его справедливо рассматривают как основателя отечественного цементного производства. Под его руководством качество продукции возросло настолько, что российский цемент начал почти полностью вытеснять зарубежный портландцемент. В стране начали появляться цементные заводы, а изготовление цемента стало регулярным, промышленным.

Если говорить о причинах “склеивающей” силы цемента, то ключевыми оказываются две характеристики. Во-первых, высокая прочность получаемого камня. Во-вторых, способность затвердевать и сохранять свойства не только на воздухе, но и в воде.

Стремясь воспроизвести “искусственный камень”, строители действовали практично: подбирали компоненты разной формы, смешивали их с мелким песком и закрепляли цементом, разведённым водой. После укладки смеси ей давали полностью затвердеть. Полученный материал по прочностным показателям сопоставлялся с природными конгломератами и получил название бетона (от французского “beton”). Именно применение цемента в бетонных смесях сделало бетон одним из базовых материалов современного строительства.

Активное освоение бетона и его изучение особенно заметны на рубеже XIX–XX веков, и в этом отношении Россия играла ведущую роль. Бетон применяли при возведении портовых сооружений (в том числе в Одессе в 1870-х годах), при строительстве канализационных коллекторов в Петербурге (1912 год), а также при создании фортификационных объектов — в Севастополе (1885) и Кронштадте (1900). О масштабах использования говорит статистика: к 1900 году в России работало уже 66 бетонных предприятий и полигонов, а к 1913-му в строительные работы было направлено примерно 3,5 миллиона кубических метров бетона. В Советском Союзе развитие технологии получило сильный импульс после старта крупных гидротехнических проектов — Волховстроя (1924) и Днепростроя (1930). Были внедрены решения для зимнего бетонирования, что позволило вести работы в течение всего года и возводить бетонные, а также железобетонные конструкции. Кроме того, создавались новые разновидности бетонов и вяжущих материалов, предлагались подходы к повышению долговечности, а также формировались основы технологии сборного железобетона.

На сегодняшний день одна из самых значимых задач бетоноведения связана с внедрением и дальнейшим развитием бетонов нового поколения, которые в международной научной среде именуют High Performance Concrete. Появление таких материалов открыло новый этап в строительной практике. Их отличают высокая прочность и устойчивость к коррозии, водонепроницаемость и морозостойкость, а также возможность целенаправленно управлять деформационными характеристиками. Благодаря этим свойствам стали возможны крупные и технически сложные проекты: например, мост через пролив Акаси в Японии с центральным пролётом 1990 м, тоннель под Ла-Маншем, высотный 125-этажный небоскрёб в Чикаго (610 м) и другие объекты. Высококачественные бетоны дают более надёжные гарантии эксплуатационной работы зданий и сооружений в условиях неблагоприятных внешних факторов и значительных нагрузок, позволяют сокращать сроки строительства и уменьшать инвестиционные риски.

 

История железобетонных конструкций

Дальнейший прогресс привел к появлению железобетона, который по праву считается одним из главных достижений строительной отрасли. Особого внимания заслуживает то, как возникла эта идея и каким образом она оформилась в практическое решение. Ключевым этапом в становлении технологии стало появление самого железобетона. Первый патент, касающийся применения железобетонных конструкций, относят к 1854 году: его получил английский штукатур Уильям Уилкинсон. Этот материал, сегодня без него трудно представить повседневную жизнь и современное строительство, возник не в лаборатории, а, как ни странно, из истории с обычным цветочным горшком.

Французские любители декоративного оформления украшали подоконники и балконы растениями в кашпо и кадках. Проблема заключалась в том, что многие емкости делали из дерева: они были недолговечны, а корни растений, разрастаясь, быстро разрушали поверхность. В результате идея сделать более устойчивую тару требовала принципиально другого подхода к материалу.

Однажды парижскому цветоводу Жозефу Монье пришла мысль изготавливать горшки из бетона. Однако и этот вариант не оправдал надежд: корни продолжали повреждать емкости. Тогда изобретатель усложнил конструкцию и перешел к усилению: он стал делать бетонные изделия на основе железной сетки, покрывая ее цементным раствором. Так фактически и появился железобетон. 16 июля 1867 года Монье получил патент на изготовление цветочных кадок из проволочной сетки, обработанной цементным раствором с двух сторон.

Дальше своеобразной основой всех последующих решений Монье стала стальная арматура, заключенная в бетон. Именно она обеспечивала прочность и одновременно позволяла сохранить конструкциям аккуратные, практичные формы. В течение следующих примерно двадцати лет Монье зарегистрировал около пятнадцати изобретений: среди них упоминаются железнодорожные шпалы, перекрытия и балки, мостовые конструкции, а также газовые и водопроводные трубы. Отдельное место занимали переносные и стационарные жилые дома. В 1868 году в Майсонс-Алфорте он построил небольшой железобетонный бассейн — один из ранних примеров подобных сооружений в истории. А первый мост из железобетона, с шириной проезжей части около четырех метров, был возведен в 1875 году.

Монье также предпринимал шаги для закрепления своих прав. Он подавал заявки на патенты в Германии и России и добивался их получения. В 1879 году немецкий инженер и предприниматель Вайс заключил лицензионное соглашение с правообладателем. По его технологии арматуру переносили из середины сечения в нижнюю зону балки или плиты, где при работе конструкции возникали основные растягивающие усилия. Когда Монье увидел такую модификацию в Берлине, он выразил протест и спросил у лицензиата, кто же является автором решения — сам Вайс или он. На это Вайс ответил, что Монье первым соединил железо с бетоном, поэтому конструкция действительно может связываться с его именем, но при этом корректное расположение арматуры, по мнению Вайса, принадлежит ему. При этом он добавил, что, к сожалению, не сумел оформить на нее патент.

Стоит упомянуть и более ранний эпизод. Еще в 1848 году цементный раствор и арматурную сетку пытался соединить Ж.-Л. Ламбо, известный адвокат, который запатентовал железобетонную лодку. Этот объект стал экспонатом Всемирной выставки в Париже, получил награду «ЭКСПО-1855», но интерес у специалистов оказался ограниченным, и после некоторого внимания о лодке довольно быстро забыли. Ламбо при этом не стал патентовать железобетон как самостоятельную общую технологию.

Параллельно действовало и правовое основание, закрепляющее интересы разработчика. Французский патентный закон, принятый Конвентом в январе 1791 года, провозглашал право собственности автора на изобретение и запрещал использование его другими лицами без разрешения. Тем самым закреплялась монополия патентовладельца как механизм, который, по задумке законодателя, должен способствовать развитию промышленности. В дальнейшем патент, появившийся вместе с развитием капиталистических отношений, стал восприниматься как инструмент прогресса.

Справедливость в истории с приоритетом железобетона удалось частично восстановить значительно позже. Лишь через сто лет, в 1950 году, во Франции отметили столетие со дня рождения железобетона, что в итоге помогло официально подтвердить приоритет Ламбо.

Массовый выпуск железобетонных изделий начался примерно 160 лет назад. Логично предположить, что первые патенты, связанные с изготовлением таких конструкций, появились еще в XIX столетии. С течением времени железобетонные элементы самых разных типов стали привычной частью строительных решений: от перекрытий и балок до инженерных сооружений.

Заметный вклад в развитие конструкций, которые в то время считались более рациональными и перспективными, внес французский инженер. В 1892 году он выдвинул идею железобетонных ребристых перекрытий, а также разработал и предложил ряд иных вариантов строительных конструкций.

Идея Монье заинтересовала еще одного французского специалиста — инженера Эжена Фрейсине. Благодаря основательным техническим знаниям и тщательному анализу свойств нового материала он сумел предложить целый ряд оригинальных решений. В итоге Фрейсине внес заметный вклад в улучшение рабочих качеств железобетона и помог расширить сферу его использования.

Одним из его практических достижений стало повышение прочности железобетонных конструкций за счет вибропрессования. Такой подход позволял более эффективно уплотнять бетонную массу, что, в свою очередь, отражалось на надежности изделий.

Однако наибольшую значимость имеет разработка Фрейсине, связанная с технологией изготовления бетона с применением струнно-напряженных элементов. В этой системе максимально натянутые стальные каркасные струны выступают как опора в уже готовом бетонном изделии. Когда напряжение снимается, струны стремятся вернуться к первоначальной длине, создавая в бетоне дополнительное внутреннее воздействие.

В результате при работе конструкции под нагрузкой напряжения растяжения и сжатия распределяются более равномерно. Это существенно увеличивает несущую способность железобетона и делает материал более эффективным при эксплуатации.

После появления этих решений начался период активного распространения железобетонных технологий. В начале ХХ века в Германии наладили производство «товарного цемента», то есть готовой смеси, которую можно было доставлять непосредственно на строительную площадку. В США и Англии вскоре появились первые бетономешалки, что ускорило и упростило изготовление бетонных смесей.

В России железобетонные изделия начали применять с 1885 года. Их использовали для перекрытий, которые устраивали по металлическим балкам. Дальнейшее широкое внедрение произошло после серии испытаний различных конструкций — железобетонных плит, труб, сводов, мостов и других объектов.

С 1900 года железобетон стал активно использоваться при строительстве железнодорожных сооружений, шоссейных дорог, а также в промышленном и гражданском строительстве, постепенно заняв важное место в строительной практике.