Рождение бетона

Две тысячи лет назад в Риме проживало более одного миллиона человек. Это был очень тесный и шумный город. Его называли "стоязычным". И действительно, говорили в Риме на многих языках. На улицах можно было встретить греков, египтян, парфян, иудеев, фракийцев и многих других иноземцев. В центре, застроенном роскошными виллами знати, храмами, термами, лавками торговцев, трактирщиков и брадобреев, в дневное время не протолкнуться. Там совершались торговые сделки, там отдыхали и развлекались. Туда приходили людей посмотреть и себя показать.

Древнеримский автор Ювенал записал свои впечатления о невыносимой тесноте города:

 "...мнет нам бока огромной толпою 
 Сзади идущий народ: этот локтем толкает, а тот палкой 
 Крепкой, иной по башке тебе даст бревном иль 
 бочонком; 
 Ноги у нас все в грязи, наступают большие подошвы
 С разных сторон, и вонзается в пальцы военная 
 шпора"*.

^* (Цит. по кн.: Кнаббе Г. С. Древний Рим - история и повседневность. - М., 1986. - С. 155.)

Шум на улицах стоял невероятный: грохотали по камням мостовой телеги, с криками рано поутру бежали в школу ребята, зазывали клиентов менялы, бранились соседки на балконе пятого этажа многоквартирного дома-инсулы.

Да, да, не удивляйтесь - уже тогда Рим застраивался пяти-шестиэтажными домами. В городе были сооружены арочные мосты и акведуки. Нигде в мире еще не видывали таких внушительных арок, не встречали прежде и огромных куполов, перекрывающих здания. Казалось невозможным возвести купол диаметром 40 метров над "храмом всем богам" - Пантеоном, а римляне это сделали. Такие масштабные сооружения появились благодаря изобретению бетона - римского бетона.

Долгое время в Риме господствовала каменная кладка насухо. С крупными блоками камня все просто, они удерживаются силой собственной тяжести.

А для мелкого камня и кирпича такой способ кладки непригоден. Ничем не связанные кирпичные стены рано или поздно рухнут. Их обязательно надо связать каким-нибудь вяжущим веществом. Древние египтяне, греки, римляне вначале склеивали кирпичи глиной, потом нашли гипс, асфальт, известь. На их основе стали готовить строительные растворы и скреплять ими отдельные кирпичи и камни, превращая их в монолит.

В Древнем Риме кто-то догадался залить мелкие камни раствором извести и песка. Когда смесь застыла, получился достаточно прочный искусственный камень. Это произошло в III веке до н. э. С тех пор римляне начали применять строительный раствор со щебнем в качестве самостоятельного строительного материала. Новый камень получил название "римский бетон".

Он был несложным в изготовлении и более дешевым, чем природный камень. Теперь не надо было тесать и подгонять тяжелые каменные блоки. Для получения бетона не требовалась высокая квалификация строителей. Дело пошло быстрее. Это обстоятельство было чрезвычайно важным для такого большого города, как Рим.

В то время бетон применяли в основном для забутовки стен. Им заполняли пустое пространство между двумя стенками из кирпича или тесаного камня. Сначала заливали слой раствора из песка, извести и воды. Сверху насыпали такой же слой - сантиметров 10-15 - каменного щебня. Затем щебень трамбовали. Далее операция повторялась до тех пор, пока не достигали заданной высоты. Застывая, бетон соединялся со стенами в прочный монолит. При устройстве сводов и арок бетонную смесь укладывали по деревянной опалубке необходимой формы. Уплотняли бетон очень осторожно, чтобы не повредить опалубку и не нарушить форму свода.

Всем хорош был римский бетон, но он боялся воды и довольно быстро разрушался. Для строительства требовалось водостойкое вяжущее, и его нашли. Строители заметили: если к известковому раствору добавить вулканический пепел Везувия, то прочность бетона повышалась. К тому же он не только не разрушался в воде, но и твердел в ней. Такой бетон, твердеющий в воде, мы называем гидравлическим. Добавки продукта извержения Везувия назвали пуццоланой по месту большого скопления пепла у местечка Пуццоли вблизи Неаполя.

Бетон стал основным строительным материалом во времена Юлия Цезаря. Уже более двух тысяч лет стоят в городах бывшей Римской империи сооружения тех лет: мосты, акведуки, термы, величественный Пантеон, амфитеатр Флавиев, или Колизей.

Надо сказать, что древние римляне при возведении многих сооружений использовали и так называемый природный бетон. Оказывается, в природе существует материал, подобный искусственному бетону. Это обломки горных пород, которые сама природа связала вместе каким-либо минеральным склеивающим веществом. Им могли быть кремнезем, кальцит, гипс, известь. Такие породы, как конгломерат, песчаник, брекчия, называют цементированными, они по строению очень близки к современному цементному бетону.

С падением Римской империи применение бетона прекратилось, секреты его получения были утрачены. Возобновилось использование бетона только в XVIII столетии в европейских странах.

В России известковый раствор - основа римского бетона - применялся еще со времен Киевской Руси. Пуццоланы у нас не нашлось, поэтому в качестве гидравлической добавки догадались использовать толченый кирпич, бой керамической посуды и черепицы. Толченый кирпи на Руси называли цемянкой, а вяжущее на основе извести с цемянкой в XVIII веке у нас называли цементом. Известно, что Петр I требовал присылки именно цемента, а не извести для строительства верфей в Лодейном поле. Разумеется, этот цемент мало чем походил на современный.

Значение слова "цемент" на протяжении многих веков неоднократно менялось. Сегодня это собирательное название искусственных неорганических порошкообразных вяжущих материалов. В переводе с латинского "цемент" означает "битый камень", "щебень". Одно время цементом именовали гидравлические добавки к извести, потом цементом стали называть все вяжущие растворы: глиняные, гипсовые, известковые. Иногда цементом называли даже замазки.

Но вернемся в XVIII столетие. Строителей не удовлетворяли известковые растворы, так как кладка на их основе просыхает в полной мере только года за два и, что еще важнее, бетоны на извести легко разрушались под воздействием влаги. Приходилось искать хорошее гидравлическое вяжущее вещество, чтобы создавать прочные и водостойкие бетоны. Ведь секрет римского бетона еще не был разгадан.

В 1759 году английский инженер Джон Смитон первым при сооружении Эддистонского маяка применил вяжущее из обожженных глинистых известняков. Полученная известь твердела не только на воздухе, но и под водой. Смитон получил гидравлическую известь, что особенно важно для Англии, где в середине XVIII века в связи с развитием мореплавания, мостостроения, строительства портов требовалось много водостойкого вяжущего материала.

В конце XVIII столетия другой англичанин, Джеймс Паркер обнаружил в устье Темзы скопления окатанных камней. Ими оказались известняки, содержащие более 25% глинистых примесей. Джеймс Паркер обжег камни, но при гашении их водой они не рассыпались в белый порошок, как обычно при получении извести. У него оказались мелкие камешки, которые при помоле дали порошок серого цвета. После затворения, или смешения его с водой, раствор быстро твердел как на воздухе, так и в воде и набирал еще большую прочность, чем уже известная гидравлическая известь. Это вяжущее назвали романцементом, что в переводе означает "римский цемент". Так через много столетий было получено вяжущее, близкое к римскому. Романцемент на долгие годы займет ведущее место в строительном производстве.

Однако месторождений известняков с необходимым строго определенным содержанием глины не так уж много. Стояла задача составить искусственную смесь, пригодную для получения прочного гидравлического вяжущего. Но без знания точных соотношений известняка и глины сделать это не так просто. Без теоретических знаний поиски искусственного вяжущего велись медленно, вслепую.

Почти одновременно, независимо друг от друга английский каменщик Джозеф Аспдин и русский строитель Егор Челиев усовершенствовали романцемент, приблизив его по свойствам к современному цементу. Но судьба распределила роли двух изобретателей не поровну. Джозеф Аспдин уже при жизни пользовался всемирной известностью. Имя Егора Челиева более ста лет находилось в полном забвении.

21 октября 1824 года каменщик Джозеф Аспдин получает патент на усовершенствование способа производства искусственного камня - портландцемента. Этот день считается днем рождения современного искусственного вяжущего. В затвердевшем виде новый цемент напоминал известняк из каменоломен близ города Портланда, отсюда и название нового строительного материала- портландцемент.

Сорокапятилетний уроженец города Лидса Джозеф Аспдин основал неподалеку в Уэйкфилде заводское производство нового цемента. Дело его процветало, и очень скоро к нему пришло признание. В 1924 году в Англии праздновали столетие со дня изобретения портландцемента. На торжества прибыла американская делегация. Она от имени Американской портландце- ментной ассоциации преподнесла городу Лидсу мемориальную бронзовую доску в память Джозефа Аспдина. Надпись на доске гласила, что изобретение портландцемента сделало весь мир должником Дж. Аспдина. В 1938 году от имени цементной промышленности Англии в кладбищенской церкви, где погребен изобретатель, была установлена мемориальная доска Джозефу Аспдину с двумя барельефами. Так отмечены заслуги англичанина в изобретении отличного вяжущего.

А что же с русским изобретателем?

Исследования советских авторов позволяют поставить рядом с именем англичанина Джозефа Аспдина забытое имя Егора Челиева. Русский изобретатель Егор Герасимович Челиев (грузин по отцу, русский по матери) родился в 1771 году. Его дед с петровского времени, а затем и отец состояли на службе в России. Грузинская фамилия Челидзе со временем превратилась в Челиевых. Егору не удалось получить сколько- нибудь серьезного систематического образования. Учился он самостоятельно всю жизнь. Службу начал с 16 лет. Сначала он был уездным землемером, потом военным, чиновником и снова землемером. Ему приходилось составлять планы городов, сел, деревень. Позднее, в 1818 году Челиев участвовал в разработке "Прожектированного плана столичного города Москвы". Эта его деятельность позволила составителям Биографического словаря в 1905 году назвать Егора Герасимовича географом. В то время под этим словом понимали деятельность Челиева как землемера, землеустроителя, картографа и планировщика.

В том же словаре Челиев значится еще и писателем по домоводству. Здесь опять-таки следует пояснить, что словом "домоводство" означали домостроение, устройство усадеб, мостов, плотин, каналов, а также изготовление строительных материалов. Всеми этими делами Челиев занимался, работая в Комиссии для строений в Москве. Основной задачей Комиссии было восстановление города после пожара 1812 года. Вот тогда-то он и изобрел свой мертель, как он назвал цемент.

Под руководством Челиева в Москве сооружали водопроводы и водостоки, фонтаны и бассейны для водозабора, каналы и мостовые. На строительстве этих сооружений с 1813 по 1824 год изобретатель и испытал свой мертель. Для приготовления цемента он брал строительный мусор: штукатурку от разломанных строений и скопившуюся пылянку извести. Это было намного дешевле, чем приготовление цемента на извести, а по прочности строения на его "каменном клее" превосходили возведенные на традиционных вяжущих. Одиннадцать лет все каналы, бассейны и прочие сооружения служили исправно. И только тогда, в 1825 году, убедившись, что стены сооружений не пропускают воду и со временем становятся еще прочнее, он опубликовал книгу "Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель, или цемент".

Е. Челиев, как и Дж. Аспдин, получил искусственный гидравлический цемент с превосходными свойствами. Результаты у Челиева были даже выше, чем у Аспдина. Одно и то же сырье, составленное из известняка или извести и глины в определенной пропорции, они обжигали при разных температурах. Дж. Аспдин обжигал смесь при температуре 900-1000° С. Он старался не допускать спекания сырья, спекшиеся куски отбрасывал как брак. Е. Челиев, напротив, вел обжиг добела, до спекания, или оклинкерования. Температура обжига повышалась до 1100-1200°. При этом достигалось более полное взаимодействие извести с глиной. После обжига оба изобретателя смесь измельчали, просеивали и выдавали портландцемент. Но Челиев создал более прочный цемент, твердеющий в воде, и тем самым сделал шаг вперед на пути к современному цементу.

Секрет превращения цемента в камень состоит в том, что при смешивании его с водой начинается химическая реакция при которой минералы, входящие в состав цемента, присоединяя к себе воду, превращаются в новые химические соединения. Процесс идет до тех пор, пока все цементные зерна не соединятся с водой. В результате получается густая, как сметана, и клейкая масса. Постепенно она густеет, кристаллизуется и превращается в прочный камень.

Книга Е. Г. Челиева вскоре после выхода стала известна в инженерных кругах России и была высоко оценена специалистами. А дальше произошла странная вещь: занимая высокие посты в Комиссии, имея почетные награды, Челиев в 1829 году вдруг был бездоказательно, несправедливо признан профессионально несоответствующим занимаемой должности и отстранен от работы. И это после такой характеристики, выданной всего лишь несколькими мясяцами ранее:

"5-го класса Егор Герасимов сын Челиев, 56 лет, из дворян Саратовской губернии, начальник 2-го разряда. В службе 39-й год, при Команде состоит в комплекте. В иностранной службе не был, в кампаниях не служил. Ведет себя по службе хорошо, способности ума имеет весьма хорошие, пьянству или игре не предан, в хозяйстве хорош. По российски читать, писать, арифметику, геометрию, артиллерию, фортификацию, опытную физику, химию, механику, живопись, скульптуру и гражданскую архитектуру знает; иностранных языков не знает. К повышению достоин"^*.

^* (Цит. по кн.: Значко-Яворский И. Л. Е. Г. Челиев. - М., 1976. - С. 32.)

Вот так - к повышению достоин, но от службы отстранен. После 1829 года следы Челиева теряются. Около 130 лет пролежали в архивах книги и документы талантливого изобретателя, и теперь, когда они стали доступны и широко известны, мы вправе гордиться нашим соотечественником, одним из создателей портландцемента.

В более поздние времена многие специалисты и ученые разрабатывали и усовершенствовали технологию производства цемента - основного компонента бетона.

Отцом русского цементного производства считают профессора Петербургской инженерной академии А. Р. Шуляченко. Во второй половине XIX столетия были построены свои цементные заводы и с тех пор отечественный цемент вытеснил иностранный портландцемент.

Сегодня цемент изготовляют путем обжига до спекания как природного сырья, так и искусственной сырьевой массы. Искусственная смесь должна содержать примерно 3 части известняка и 1 часть глины или других пород, близких по химическому составу к глине. После обжига смеси получают спекшийся клинкер в виде темно-серых комочков размером с орех. Клинкер измельчают в порошок. Чтобы улучшить качество цемента, при помоле вводят гидравлические добавки гипса, диатомита, опоки и др. Прочность цемента во многом влияет на прочность бетона, поскольку цемент обеспечивает силу сцепления между заполнителем и арматурой. Сегодня цементная промышленность выпускает около 50 видов цементов, которые позволяют получать бетоны с различными заданными свойствами.

Цветочницы из бетона

Но на свойства и качество бетона влияют также и другие составляющие: гравий или щебень, песок и вода. Крупные заполнители - гравий и щебень образуют скелет бетона, и от них зависит прочность искусственного камня. Гладко окатанные обломки горных пород - гравий - хуже сцепляются с цементом, чем щебень. Поэтому последний считается лучшим заполнителем. Его получают дроблением природных камней на куски размером от 5 до 70 миллиметров. Щебень имеет неправильную форму и шероховатую поверхность, в результате сцепление с цементом крепче и бетон получается прочнее. Если применяется щебень из гранита, базальта, диорита, прочность искусственного камня будет достаточно высокой. Если взять щебень из туфа, пемзы, вулканических шлаков, прочность заметно снизится, но зато бетон станет много легче. А это очень важно, особенно там, где требуются легкие конструкции.

Мелкий заполнитель - песок также влияет на прочность бетона. В песке могут быть вредные для камня примеси: уголь, глина, пыль, слюда. Если такой песок не промыть, примеси могут не только снизить качество, но и привести к разрушению бетона. Особенно вредной примесью являются сульфаты и частицы гипса. Они под действием воды превращаются в жидкую белую слизь, вытекающую из бетона. Такой "больной" бетон не пригоден для строительства зданий и сооружений.

В давние времена качество песка определялось очень просто: песок не должен замутнять воды, пачкать рук, оставлять пыли на белом полотне. Хороший песок должен скрипеть между ладонями. Промывка песка не допускалась. В Москве это требование соблюдали, а в Петербурге песок промывали и, как показала практика, вполне успешно.

И наконец, вода. Для качества бетона вовсе не безразлично, какая вода применяется, поскольку кислоты, жиры и другие примеси, содержащиеся в воде, оказывают вредное влияние на процесс твердения бетона.

Итак, все компоненты искусственного камня нам известны. Их в определенной пропорции засыпают в бетономешалку, добавляют воду и тщательно перемешивают до получения однородной смеси, которую называют бетонной смесью, или тестом. В 1908 году впервые в России были утверждены "Технические условия для железобетонных сооружений", в которых определялось соотношение компонентов бетона. Он должен был состоять из 1 части цемента, 2 с половиной частей песку и 4 частей гравия или щебня. В настоящее время состав бетонной смеси тщательно рассчитывается, но в общем соотношение частей почти не изменилось.

Современный жилой дом

Бетонную смесь, или бетонное тесто, назовут бетоном только после того, как оно затвердеет в камень, который со временем наберет прочность. Для этого тесто укладывают в формы и уплотняют, чтобы нигде не было пустот. Твердение смеси происходит как в естественных, так и в искусственно созданных температурно-влажностных условиях. От метода приготовления, укладки, уплотнения смеси и условий, в которых происходит ее твердение, также зависит качество бетона.

В зависимости от того, где будет применяться бетон, при его создании используется определенная рецептура. Таким образом, можно получить бетоны обычные, применяемые для колонн, плит и других изделий. Увеличивая гидравлические добавки, можно получить бетон гидротехнический для строительства плотин, шлюзов, облицовки каналов. Бетон, изготовленный без крупного заполнителя, на одном лишь песке применяется для получения относительно нового вида железобетона - армоцемента. Он особенно хорош в тонкостенных конструкциях.

Для снижения веса бетонных конструкций широко используются промышленные отходы. В 1910 году в г. Каменске при строительстве театра в качестве легкого заполнителя был применен металлургический шлак. Шлакобетонные блоки и камни широко использовались в первые десятилетия советской власти при строительстве рабочих поселков. Из них также возводили промышленные и общественные здания.

В послевоенные годы в качестве легких заполнителей стали использовать также керамзит, аглопорит, перлит и другие пористые материалы. В зависимости от легких заполнителей новые виды бетона называют керамзитобетоном, шлакозолобетоном, перлитбетоном и т. д. Введение в состав бетона угольной золы, хлористого кальция, извести и пудры из алюминия позволяет получить вспененный, необычно легкий и вместе с тем прочный ячеистый газозолобетон. Особый состав бетонов для дорожных покрытий и у специальных жаростойких, морозостойких и кислотоупорных бетонов. Например, для повышения стойкости в агрессивных кислотных средах на бетонные изделия наносят полимерные покрытия. Тонкая полимерная пленка не только защищает бетон от разрушения, но и придает ему определенные декоративные качества, так как может иметь различную окраску. Открытые террасы, ступени, полы из полимербетонов вполне могут соперничать с полами, облицованными керамической кислотоупорной плиткой.

Некоторые марки бетона могут выдерживать длительное время температуры свыше 1000° C!

В наши дни бетон самый распространенный строительный материал. Именно он помог строителям быстро ликвидировать послевоенный жилищный кризис, когда тысячи семей переселились из подвалов и даже землянок в благоустроенные дома.

Свойства бетона позволяют возводить из него на большой глубине под водой фундаменты для маяков, доки, плотины, молы, бассейны. Первым крупным сооружением из бетона и железобетона в нашей стране была Волховская ГЭС, строившаяся с 1921 по 1926 год, а затем и другие гидротехнические сооружения. В любой гидроузел входят здание гидростанции, бетонная и земляная плотины, судоходные шлюзы с каналами и защитными дамбами и другие строения. Чтобы возвести все эти сооружения требуются огромные количества бетона и железобетона. Например, за год на одну только плотину Волжской ГЭС ушло столько бетона, сколько его потребовалось на строительство всего Панамского канала в течение 20 лет. Уникальное сооружение современности - одна из крупнейших в мире Чиркейская плотина, высотой 231 метр и длиной по гребню 338 метров, возведена целиком из бетона. Из какого другого материала можно было бы возводить такие грандиозные сооружения? Из природного камня? - сложно, из него не образуешь монолита без единой щели в условиях напора воды.

Что же позволило бетону стать строительным материалом номер один? Его поразительные свойства. Он обладает способностью принимать любую форму, может выдерживать любые нагрузки, не боится воды, мороза, огня. От времени бетон не старится, а только становится прочнее. Из него можно изготовлять в заводских условиях различные конструкции, детали, части зданий и собирать их на строительной площадке.

Этот замечательный камень вызвал настоящий переворот в строительстве. Не случайно итальянский инженер и архитектор Пьетро Луиджи Нерви назвал бетон наилучшим из материалов, изобретенных человечеством.