Залізобетон у нашому житті
Переклав власний пост-статтю про історію будівельних матеріалів.
Для того, щоб відповісти на питання: чим так важливий залізобетон необхідно поглянути на те, з чого люди будували свої домівки на протязі тисячоліть. Матеріал номер один - дерево. Серед тих матеріалів, що неважко отримати на місці дерево має цілу низку важливих властивостей. По-перше, дерева багато. Не усюди, але там, де воно є, його, зазвичай, багато. Воно не сконцентровано у окремих точках. По-друге дерево універсально. Дерево достатньо міцне, щоб робити з нього несучі конструкції, форма матеріалу дозволяє робити з нього перекриття та дах, воно має непогані теплоізоляційні властивості, не боїться (відносно) води та льоду.Камінь дереву не конкурент, оскільки видобувається важче, зустрічається рідше, його важко транспортувати, будувати з нього можна тільки несучі та огороджуючі конструкції та й теплоізоляційні властивості його у багатьох випадках дереву програють. З каменю та дерева вже можна будувати цілі невеликі міста з невеликою кількістю кам'яних будівель (з дерев'яними дахами та перекриттями) та іншими будівлями з дерева. Усі будівлі не вище 2-3 поверхів, зазвичай.
Але камінь та дерево зустрічаються далеко не усюди (а деревина до того ж має властивість швидко закінчуватися). І ось там, де цих матеріалів не вистачало біля 6 тисяч років тому було зроблено переворот у будівництві. Люди додумалися використовувати глину як в'яжучу речовину та отримали перші композитні матеріали: саман та глінобетон. Композитні матеріали - це взагалі будь-які штучні матеріали у яких два матеріали (один міститься всередині іншого і скріплюється ним) працюють разом і властивості одного доповнюють властивості іншого. А бетон це саме і є будівельний композитний матеріал, де заповнювач скріплюється в'яжучою речовиною, яка спочатку рідка, а потім твердне, скріплюючи заповнювач та створюючи міцний матеріал. Глина була в'яжучим поганим. Єдиною її перевагою була доступність і легкість перетворення на в'яжуче - необхідно було просто добавити води. Змішуючи гліну з соломою отримували саман - матеріал, теплотехнічні властивості якого важко повторити і тепер.
Справа не тільки в тому, що він має теплопровідність набагато нижчу, ніж у деревини, але і здатний довгий час утримувати тепло та холод. Всередені будинку з цього матеріалу влітку прохолодно, а зимою тепло. По суті українські мазанки - той самий саман. Змішуючи глину з гравієм та щебенем можна отримати глінобетон - не такий видатний за теплотехнічними властивостями, але більш міцний. Нажаль глина і після твердіння легко розмочувалась від вологи та ще й деформувалась під дією навантажень. Як наслідок з саману нічого вище за два поверхи будувати неможна, та й така стіна не стоїть більше двох десятків років, поступово осідаючи та перетворюючись просто на купу землі.
Дуже швидко спосіб зробити гліну водостійкою знайшли. разом з тим винайшовши матеріал, який разом із деревом буде найуніверсальнішим і технологічним на протязі тисячоліть - цеглу та її модифікацію - черепицю.
Випалювання цегли потребувало створення цілої промисловості і потребувало значних витрат енергії: її треба відформувати, а потім ще й випалити. Не всі це уміли. Але справа була варта того. Маючи міцнісні властивості каменю, цегла була значно доступніше, її було неймовірно легко, у порівнянні з каменем, транспортувати, а будувати з неї було ще легше, у тому числі такі складні штуки як арка та склепіння. Ми ж, мешкаючи у сучасних будівлях не замислюємося, яка складна з точки зору первобитного будівельника складна річ вікно або двері. У тому плані, що над проємом знаходиться велика маса матеріалу, яка повинна на щось спиратися. З дерев'яним будинком усе зросуміло: бревна і доски довгі - їм є куди спертися. А як бути з каменем та глиною? З'явився такий непримітний, але виключно важливий будівельний віроб( без якого і зараз важко обійтися) як перемичка. Грубо кажучи - просто брусок, що перекриває собою проєм і на який спирається усе, що вище. Погане рішення - використовувати для нього камінь. Погане - бо камінь треба витісати, транспортувати, він погано працює на вигин та ще й важкий. Добре (відносно) рішення - перемичка з деревини, єдиний суттєвий недолік якої - деревина гниє. Тому кам'яні перемички використовувалися тільки у кам'яних будівлях, що будувалися на віки. В усіх інших випадках використовувалося дерево - все рівно саман стоїть меньше.
І ось з'явився матеріал, який (якщо його скріпити тією самою глиною) дозволяв створити арку. Арка має просту структуру: цеглини кладуться одна на одну під кутом, посупово "перевертаючись на бік". Міцність конструкції придає замковий камінь у центрі склепіння (позначений цифрою 1) або арки. Тобто можна обійтися без перемичок. хоча перекриття виходить всеж неідеальним (перекриття виходить товстим і важким. Цегла, якщо її добре скріпити будівельним розчином, дозволяє будувати вже цілі мегаполіси, храми, стіни що не поступаються кам'яним, черепиця багато в чому переважає дерево у якості покрівельного матеріалу. Саме цегла дозволяє вперше будувати будівлі в десяток поверхів. Фактично деревина після винайдення цегли зберегла свої позиції тільки завдяки низькій вартості і тому, що для перекриттів та стропил альтернативи їй до 19 століття не було.
Тим часом люди продовжили шукати більш досконалі в'яжучі речовини. термічно обробивши вапняк людина отримала спочатку повітряне, а потім і гідравлічне вапно. Ці в'яжучі речовини вже дозволили будувати з цегли міста, здатні простояти багато століть. Ветон з них, щоправда, також був недостатньо міцним. Далі за усих просунулися римляни, що використовуючи місцеві, доволі унікальні родовища вапняку, мергелю та вулканічної пемзи отримали романцемент, а на його основі - римський бетон. Римський бетон став першим матеріалом, що за своєю довговічністю перевершив природні матеріали. Римські будівлі стоять тисячі років. Справа в тому, що цемент з часом не втрачає своєї міцності, а навпаки збільшує її. Не буду поглиблюватися у фізико-хімічний механізм, скажу тільки, що відбувається це завдяки збереженню всередині цементного каменю в'яжучого, що не прореагувало з водою і тому, що продукти корозії цементного каменю мають міцність, що не поступається йому самому.
Але римська імперія загинула, а за межами Італії таких родовищ майже немає. Тому наступні півтори тисячі років люди будували з каменю, дерева, глини, цегли та вапна (при цьому у Європі майже на 800 років забули і про цеглу). Романцемент знову почав широко використовуватися тільки у 16 столітті, і знову ж, переважно для кладочного розчину.
Світ назавжди змінився 21 жовтня 1824 року (пафосно звучить, але це насправді так). В цей день Джозеф Аспдін отримав патент на нову в'яжучу речовину - портландцемент. Портландцемент, який отримують шляхом сумісного випалу вапняку та глини, має набор якостей, що роблять його найважливішим будівельним матеріалом сучасності. Він достатньо дешевий (усі подальші спроби замінити його чимось звичайно розбивалися об високу ціну матеріалів), затворюється водою, бетон на його основі деякий час залишаєтьсядостатньо рухливим , щоб формувати з нього що завгодно, швидко набирає міцність без температурної обробки (з нею ще швидше). За міцністю ще за часів Аспдіна бетон перевершив багато видів каменю. До кінця 19 століття було виявлено, що основний недолік бетону - низька міцність на розтяг та вигин цегко долається завдяки тому, що бетон добре працює разом зі сталевою арматурою (висока міцність зчеплення та рівні коефіцієнти температурного розширення). Про Жоржа Моньє, що вважається винахідником залізобетону можна погуглити самостійно. З'явився багаторівневий композит - залізобетон, який в середині 20 століття (коли бетон та сталь навчилися вигоовляти у величезних кількостях) витіснив на другі і треті ролі і деревину і цеглу. Фундамент - стрічковий, свайний або плита - з бетону. Несучі конструкції - з залізобетону (він дозволяє робити їх набагато тонкішими не лише за кам'яні, але і за цегляні. Перекриття - тонкі, міцні та негорючі і гниття - теж залізобетонні. Дах - і той бетонний. Бетонна коробка - це не вада, це - досягнення.
Доречі, саме бетон дозволяє привести у архітектуру нескінченну множину форм за розумну ціну. Просто у СРСР свого часу через катастрофічну нестачу житля, державну монополію на землю та хронічні транспортні проблеми була необхідна інша особливість залізобетону - можливість швидко і дешево набудувати неймовірну кількість квадратних метрів житлової площі. Агрегатно-поточний метод виробництва збірного залізобетону дозволяє будувати по одному багатоповерховому будинку на 100 квартир на тиждень (звичайно, мова йде про саму коробку при ідеальних умовах). Доречі, ті хто вважає, що "хрущоба" - це жах напевне не бачили, що таке бараки та комуналки дохрущовських часів. Тільки за "хрущовки" Хрущову можна простити усе, що він наробив.
Насправді ж, сучасні індустріальні пейзажі - результат винайдення саме залізобетону. Саме він дозволив будівлям здійнятися на сотню поверхів угору, мостам протягнутися на кілометри, промисловим будівлям вмістити в себе цехи з виготовлення літаків і ракет, а метро піти глибоко під землю. Залізобетон - це не символ ваги. Це, як для своєї міцності, дуже легкий матеріал. У 1885 році найвища будівля в світі виглядала ось так:
А у 1985 ось так:
Розвиток залізобетону не припинився навіть тоді, коли 1930 року Ежен Фрейсіне придумав попередньо напружувати бетон, одним з наслідків чого є один з найважливіших будівельних виробів, що напевне усі бачили, але не замислювалися. наскільки він важливий - багатопустотна плита перекриття.
Справжній розвиток залізобпетону почався у 50-ті роки. Спочатку для нього придумали купу хімічних добавок, що дозволили витрачати цементу меньше, а міцність отримувати більше, піднявши її з 20 МПа до 40. Потім поглянули на проблему глибше і на початку 1980-х років за допомогою комплексного застосування хімічних та дрібномолотих мінеральних добавок, отримали високоміцний бетон з міцністю 80 МПа, з якого вже у 90-ті роки було побудовано, наприклад, найдовший в світі міст Акасі-Кайкьо,довжиною 4 кілометри.
Але й на цьому петонознавці не зупинилися. Кількість компонентів у найбільш високотехнологічних видах бетону досягає 10, а їх міцність наближається до міцності алюмінію. Тож у майбутньому будівельникам по силам буде навіть не ось це:
а щось ось таке:
І наостанок. Постійно виникає плутанина з термінами. Цемент - це сірий порошок, що виготовляється з глини та вапняку з додаванням гіпсу. Якщо змішати його з водою - отримаємо цементне тісто. Якщо до цементного тіста додати пісок - то отримаємо будівельний розчин, а якщо ще й щебінь, то отримаємо бетонну суміш, що після твердіння називається бетоном (портландцементним бетоном). Якщо всередині бетону є сталева арматура - це залізобетон, а якщо вона попередньо напружена попередньо напружений залізобетон.
Для того, щоб відповісти на питання: чим так важливий залізобетон необхідно поглянути на те, з чого люди будували свої домівки на протязі тисячоліть. Матеріал номер один - дерево. Серед тих матеріалів, що неважко отримати на місці дерево має цілу низку важливих властивостей. По-перше, дерева багато. Не усюди, але там, де воно є, його, зазвичай, багато. Воно не сконцентровано у окремих точках. По-друге дерево універсально. Дерево достатньо міцне, щоб робити з нього несучі конструкції, форма матеріалу дозволяє робити з нього перекриття та дах, воно має непогані теплоізоляційні властивості, не боїться (відносно) води та льоду.Камінь дереву не конкурент, оскільки видобувається важче, зустрічається рідше, його важко транспортувати, будувати з нього можна тільки несучі та огороджуючі конструкції та й теплоізоляційні властивості його у багатьох випадках дереву програють. З каменю та дерева вже можна будувати цілі невеликі міста з невеликою кількістю кам'яних будівель (з дерев'яними дахами та перекриттями) та іншими будівлями з дерева. Усі будівлі не вище 2-3 поверхів, зазвичай.
Але камінь та дерево зустрічаються далеко не усюди (а деревина до того ж має властивість швидко закінчуватися). І ось там, де цих матеріалів не вистачало біля 6 тисяч років тому було зроблено переворот у будівництві. Люди додумалися використовувати глину як в'яжучу речовину та отримали перші композитні матеріали: саман та глінобетон. Композитні матеріали - це взагалі будь-які штучні матеріали у яких два матеріали (один міститься всередині іншого і скріплюється ним) працюють разом і властивості одного доповнюють властивості іншого. А бетон це саме і є будівельний композитний матеріал, де заповнювач скріплюється в'яжучою речовиною, яка спочатку рідка, а потім твердне, скріплюючи заповнювач та створюючи міцний матеріал. Глина була в'яжучим поганим. Єдиною її перевагою була доступність і легкість перетворення на в'яжуче - необхідно було просто добавити води. Змішуючи гліну з соломою отримували саман - матеріал, теплотехнічні властивості якого важко повторити і тепер.
Справа не тільки в тому, що він має теплопровідність набагато нижчу, ніж у деревини, але і здатний довгий час утримувати тепло та холод. Всередені будинку з цього матеріалу влітку прохолодно, а зимою тепло. По суті українські мазанки - той самий саман. Змішуючи глину з гравієм та щебенем можна отримати глінобетон - не такий видатний за теплотехнічними властивостями, але більш міцний. Нажаль глина і після твердіння легко розмочувалась від вологи та ще й деформувалась під дією навантажень. Як наслідок з саману нічого вище за два поверхи будувати неможна, та й така стіна не стоїть більше двох десятків років, поступово осідаючи та перетворюючись просто на купу землі.
Дуже швидко спосіб зробити гліну водостійкою знайшли. разом з тим винайшовши матеріал, який разом із деревом буде найуніверсальнішим і технологічним на протязі тисячоліть - цеглу та її модифікацію - черепицю.
Випалювання цегли потребувало створення цілої промисловості і потребувало значних витрат енергії: її треба відформувати, а потім ще й випалити. Не всі це уміли. Але справа була варта того. Маючи міцнісні властивості каменю, цегла була значно доступніше, її було неймовірно легко, у порівнянні з каменем, транспортувати, а будувати з неї було ще легше, у тому числі такі складні штуки як арка та склепіння. Ми ж, мешкаючи у сучасних будівлях не замислюємося, яка складна з точки зору первобитного будівельника складна річ вікно або двері. У тому плані, що над проємом знаходиться велика маса матеріалу, яка повинна на щось спиратися. З дерев'яним будинком усе зросуміло: бревна і доски довгі - їм є куди спертися. А як бути з каменем та глиною? З'явився такий непримітний, але виключно важливий будівельний віроб( без якого і зараз важко обійтися) як перемичка. Грубо кажучи - просто брусок, що перекриває собою проєм і на який спирається усе, що вище. Погане рішення - використовувати для нього камінь. Погане - бо камінь треба витісати, транспортувати, він погано працює на вигин та ще й важкий. Добре (відносно) рішення - перемичка з деревини, єдиний суттєвий недолік якої - деревина гниє. Тому кам'яні перемички використовувалися тільки у кам'яних будівлях, що будувалися на віки. В усіх інших випадках використовувалося дерево - все рівно саман стоїть меньше.
І ось з'явився матеріал, який (якщо його скріпити тією самою глиною) дозволяв створити арку. Арка має просту структуру: цеглини кладуться одна на одну під кутом, посупово "перевертаючись на бік". Міцність конструкції придає замковий камінь у центрі склепіння (позначений цифрою 1) або арки. Тобто можна обійтися без перемичок. хоча перекриття виходить всеж неідеальним (перекриття виходить товстим і важким. Цегла, якщо її добре скріпити будівельним розчином, дозволяє будувати вже цілі мегаполіси, храми, стіни що не поступаються кам'яним, черепиця багато в чому переважає дерево у якості покрівельного матеріалу. Саме цегла дозволяє вперше будувати будівлі в десяток поверхів. Фактично деревина після винайдення цегли зберегла свої позиції тільки завдяки низькій вартості і тому, що для перекриттів та стропил альтернативи їй до 19 століття не було.
Тим часом люди продовжили шукати більш досконалі в'яжучі речовини. термічно обробивши вапняк людина отримала спочатку повітряне, а потім і гідравлічне вапно. Ці в'яжучі речовини вже дозволили будувати з цегли міста, здатні простояти багато століть. Ветон з них, щоправда, також був недостатньо міцним. Далі за усих просунулися римляни, що використовуючи місцеві, доволі унікальні родовища вапняку, мергелю та вулканічної пемзи отримали романцемент, а на його основі - римський бетон. Римський бетон став першим матеріалом, що за своєю довговічністю перевершив природні матеріали. Римські будівлі стоять тисячі років. Справа в тому, що цемент з часом не втрачає своєї міцності, а навпаки збільшує її. Не буду поглиблюватися у фізико-хімічний механізм, скажу тільки, що відбувається це завдяки збереженню всередині цементного каменю в'яжучого, що не прореагувало з водою і тому, що продукти корозії цементного каменю мають міцність, що не поступається йому самому.
Але римська імперія загинула, а за межами Італії таких родовищ майже немає. Тому наступні півтори тисячі років люди будували з каменю, дерева, глини, цегли та вапна (при цьому у Європі майже на 800 років забули і про цеглу). Романцемент знову почав широко використовуватися тільки у 16 столітті, і знову ж, переважно для кладочного розчину.
Світ назавжди змінився 21 жовтня 1824 року (пафосно звучить, але це насправді так). В цей день Джозеф Аспдін отримав патент на нову в'яжучу речовину - портландцемент. Портландцемент, який отримують шляхом сумісного випалу вапняку та глини, має набор якостей, що роблять його найважливішим будівельним матеріалом сучасності. Він достатньо дешевий (усі подальші спроби замінити його чимось звичайно розбивалися об високу ціну матеріалів), затворюється водою, бетон на його основі деякий час залишаєтьсядостатньо рухливим , щоб формувати з нього що завгодно, швидко набирає міцність без температурної обробки (з нею ще швидше). За міцністю ще за часів Аспдіна бетон перевершив багато видів каменю. До кінця 19 століття було виявлено, що основний недолік бетону - низька міцність на розтяг та вигин цегко долається завдяки тому, що бетон добре працює разом зі сталевою арматурою (висока міцність зчеплення та рівні коефіцієнти температурного розширення). Про Жоржа Моньє, що вважається винахідником залізобетону можна погуглити самостійно. З'явився багаторівневий композит - залізобетон, який в середині 20 століття (коли бетон та сталь навчилися вигоовляти у величезних кількостях) витіснив на другі і треті ролі і деревину і цеглу. Фундамент - стрічковий, свайний або плита - з бетону. Несучі конструкції - з залізобетону (він дозволяє робити їх набагато тонкішими не лише за кам'яні, але і за цегляні. Перекриття - тонкі, міцні та негорючі і гниття - теж залізобетонні. Дах - і той бетонний. Бетонна коробка - це не вада, це - досягнення.
Доречі, саме бетон дозволяє привести у архітектуру нескінченну множину форм за розумну ціну. Просто у СРСР свого часу через катастрофічну нестачу житля, державну монополію на землю та хронічні транспортні проблеми була необхідна інша особливість залізобетону - можливість швидко і дешево набудувати неймовірну кількість квадратних метрів житлової площі. Агрегатно-поточний метод виробництва збірного залізобетону дозволяє будувати по одному багатоповерховому будинку на 100 квартир на тиждень (звичайно, мова йде про саму коробку при ідеальних умовах). Доречі, ті хто вважає, що "хрущоба" - це жах напевне не бачили, що таке бараки та комуналки дохрущовських часів. Тільки за "хрущовки" Хрущову можна простити усе, що він наробив.
Насправді ж, сучасні індустріальні пейзажі - результат винайдення саме залізобетону. Саме він дозволив будівлям здійнятися на сотню поверхів угору, мостам протягнутися на кілометри, промисловим будівлям вмістити в себе цехи з виготовлення літаків і ракет, а метро піти глибоко під землю. Залізобетон - це не символ ваги. Це, як для своєї міцності, дуже легкий матеріал. У 1885 році найвища будівля в світі виглядала ось так:
А у 1985 ось так:
Розвиток залізобетону не припинився навіть тоді, коли 1930 року Ежен Фрейсіне придумав попередньо напружувати бетон, одним з наслідків чого є один з найважливіших будівельних виробів, що напевне усі бачили, але не замислювалися. наскільки він важливий - багатопустотна плита перекриття.
Справжній розвиток залізобпетону почався у 50-ті роки. Спочатку для нього придумали купу хімічних добавок, що дозволили витрачати цементу меньше, а міцність отримувати більше, піднявши її з 20 МПа до 40. Потім поглянули на проблему глибше і на початку 1980-х років за допомогою комплексного застосування хімічних та дрібномолотих мінеральних добавок, отримали високоміцний бетон з міцністю 80 МПа, з якого вже у 90-ті роки було побудовано, наприклад, найдовший в світі міст Акасі-Кайкьо,довжиною 4 кілометри.
Але й на цьому петонознавці не зупинилися. Кількість компонентів у найбільш високотехнологічних видах бетону досягає 10, а їх міцність наближається до міцності алюмінію. Тож у майбутньому будівельникам по силам буде навіть не ось це:
а щось ось таке:
І наостанок. Постійно виникає плутанина з термінами. Цемент - це сірий порошок, що виготовляється з глини та вапняку з додаванням гіпсу. Якщо змішати його з водою - отримаємо цементне тісто. Якщо до цементного тіста додати пісок - то отримаємо будівельний розчин, а якщо ще й щебінь, то отримаємо бетонну суміш, що після твердіння називається бетоном (портландцементним бетоном). Якщо всередині бетону є сталева арматура - це залізобетон, а якщо вона попередньо напружена попередньо напружений залізобетон.