Надпись на щите гласила, что здесь будет построено самое высокое здание в Европе – «Осколок». Гигантский стеклянный небоскреб на картинке возносился из руин СаутуоркТауэрс над станцией «Лондон-Бридж». Текст восхвалял концепцию нового здания, которое будет царить на лондонском горизонте ближайшие несколько десятилетий.
Я почувствовал раздражение и беспокойство. А вдруг этот гигантский стеклянный фаллос станет мишенью для террористов? Что, если он будет атакован, как Башни-близнецы, и рухнет, убив меня и мою семью? Я сверился с картами «Гугл» и утешил себя тем, что даже если 330-метровое здание опрокинется набок, оно не заденет мой дом. С натяжкой оно могло бы достать до «Таверны Шекспира», паба, куда я время от времени (но не так уж часто) заходил. «Но пыли все равно наглотаемся!» – ворчал я себе под нос, продолжая путь за хлебом в апокалиптическом настроении.
Следующие несколько лет я буду наблюдать, как строится огромный небоскреб возле моего дома. Глазам моим откроется необычайное зрелище, настоящий инженерный подвиг, но самое главное – я очень хорошо узнаю, что такое бетон.
Работа началась с рытья огромного котлована. Говоря «огромного», я имею в виду чудовищно огромного. Неделя за неделей я совмещал походы за хлебом с наблюдениями сквозь дыру в заборе за работой гигантских машин. Они выгребали землю, зарываясь все глубже и глубже, как будто что-то искали. Но выкапывали они всего лишь глину, нанесенную за сотни тысяч лет рекой Темзой. Это была та же вязкая, плотная глина, которую всегда использовали для обжига кирпичей при строительстве жилых и складских помещений в центре Лондона. Но для «Осколка» ее использовать не собирались.
В тот день, когда они извлекли всю глину, в котлован было залито семьсот полных грузовиков бетона под будущий фундамент. Теперь он держит на себе небоскреб о семидесяти двух этажах и не дает ему осесть в землю вместе со всеми его двадцатью тысячами обитателей. Огромный котлован заполнили бетоном, который укладывали слой за слоем, до тех пор, пока гигантская яма полностью не исчезла и на ее месте не возник подземный кафедральный собор из твердеющего бетона. Строители поработали на славу, хоть и очень спешили: по финансовым соображениям постройку башни начали до того, как фундамент окончательно застыл.
«Как вы думаете, когда высохнет бетон?» – спросил мужчина с собакой. Вместе со мной он глядел в дыру. «Понятия не имею», – солгал я.
Ложь была способом закончить разговор поскорее, и свою задачу она выполнила. Это была привычная ложь лондонца, который старается вежливо избегать бесед с незнакомцами. Особенно если не знает, как человек или его собака отнесется к неизбежной грубости правдивого ответа: бетон не высыхает. Все в точности наоборот: вода становится неотъемлемой частью бетона. Когда бетон затвердевает, он взаимодействует с водой, запуская цепочку химических реакций, в результате которых образуется сложнейшая микроструктура. С большим запасом скрытой влаги бетон не высыхает, а становится водонепроницаемым.
Схватывание бетона – интересный химический процесс, активным участником которого является измельченный камень. Причем подойдет не любой – чтобы сделать бетон, вам понадобится карбонат кальция, основной компонент известняка. Эта порода образована спрессованными за миллионы лет живыми организмами, слои которых затем перемешались под воздействием высокой температуры и давления, вызванных движением земной коры. Вам также понадобится порода, содержащая силикат (соединение, включающее кремний и кислород; составляет около 90 % земной коры); на эту роль вполне подойдет какая-нибудь глина. Но измельчение этих пород и смешивание их с водой само по себе еще не приведет к желаемому результату – получится всего лишь илистая грязь. Чтобы создать необходимый ингредиент, который вступит в реакцию с водой, нужно освободить химические элементы от имеющихся химических связей.
Это непросто. Связи весьма устойчивы – именно поэтому породы нелегко растворяются и не вступают в реакцию со многими веществами, а сохраняются в благоприятных и неблагоприятных климатических условиях многие миллионы лет. Фокус в том, чтобы нагреть их до экстремально высокой температуры, 1450 °C, которая намного превосходит температуру дровяного или угольного пламени, составляющую максимум 600–800 °C. Раскаленное пламя приобретает белый цвет, без малейшего желтого или красного оттенка, скорее оно отдает голубым и до того ослепительно, что на него страшно и почти больно смотреть.
При такой температуре порода распадается и формируется заново в виде группы соединений под названием силикаты кальция. Да, это целое семейство соединений, поскольку на результат влияет множество ничтожных примесей. Если вы хотите получить именно бетон, хороши породы, богатые алюминием и железом, но лишь взятые в правильных пропорциях. Как только все остынет, получится мелкий порошок серо-белого, лунного цвета. Поворошив его пальцами, вы ощутите шелковистую текстуру пепла – есть в этом ощущении что-то атавистическое, – но вскоре на коже появится сухость. Это особый материал со скучным именем «цемент».
Если добавить к порошку воды, он тут же впитает ее и потемнеет. Но вместо грязного месива, которое обычно образуется при разжижении тонко измельченной породы, цепочка химических реакций рождает гель – полутвердое зыбкое вещество. Желе, которое обычно подают на детских праздниках, – это тоже гель, как и многие зубные пасты. Гель не расплескивается, подобно жидкости, поскольку обладает внутренним каркасом. Если каркас желе состоит из желатина, то каркас цемента – из фибрилл гидрата силиката кальция. Фибриллы – это кристаллоподобные нитевидные отростки молекул кремния и кальция, растворенных в воде, напоминающие органические соединения (см. рисунок на стр. 69). Рост внутреннего каркаса и последующие химические реакции приводят к постоянному изменению геля внутри цемента.
Фибриллы силиката кальция, растущие внутри затвердевающего цемента
Отросшие фибриллы смыкаются, образуя химические связи и поглощая все больше и больше воды, пока масса не превратится из геля в твердое вещество. Фибриллы образуют связи не только между собой, но и с другими породами. Так цемент превращается в бетон. Цементом скрепляют кирпичи или каменные блоки при строительстве домов и памятников. В обоих случаях с ним не слишком церемонятся и просто загоняют в швы – это просто клей для наружных поверхностей. Когда он же он, смешанный с мелкими камешками в роли крошечных кирпичиков, превращается в бетон, то становится строительным материалом.
В любой химической реакции важны пропорции, в противном случае можно все испортить. Если добавить в цементный порошок слишком много воды, то часть ее не вступит в реакцию с силикатом кальция и будет накапливаться, ослабляя структуру бетона. При нехватке воды, наоборот, останется «бесхозным» некоторое количество цементного порошка, что также вредит структуре. Именно эти ошибки приводят, как правило, к порче бетона. Если вовремя ее не заметить, плохой бетон через много лет может стать причиной катастрофы. Гигантские разрушения во время землетрясения на Гаити в 2010 году объясняются стремлением к дешевизне строительства и применением некачественного бетона. Около 250 тысяч зданий рухнули, похоронив под собой более 300 тысяч человек и оставив без крова еще около миллиона. Хуже всего, что катастрофа на Гаити не является чем-то экстраординарным. Такие бетонные бомбы замедленного действия разбросаны по всему миру.
Проследить истоки ошибки весьма непросто, поскольку внешне бетон выглядит замечательно. При строительстве аэропорта имени Джона Ф. Кеннеди некий инженер-инспектор во время плановой проверки заметил, что бетон, который привозили на площадку после полудня, значительно уступал в прочности утренним поставкам. Инспектор исследовал возможные причины этого загадочного явления, но так и не нашел ответа, пока не проследил за одним из грузовиков. Выяснилось, что водитель имел привычку ровно в полдень делать перерыв на обед, и прежде чем уйти, поливал из шланга бетон в кузове, свято веря, что лишняя вода сохранит бетон в жидком состоянии.
Когда рыли котлован под фундамент «Осколка», инженеры обнаружили в нем остатки старинного бетона. Это был римский бетон, из которого частично состояли руины древних терм, обнаруженные при сносе магазинчика по соседству со зданием Саутуорк-Тауэрс (я частенько ходил в него за рыбой с картошкой-фри).
Руины римских терм, обнаруженные строителями «Осколка»
Римлянам повезло. Им не пришлось комбинировать измельченную породу так и этак, нагревая ее до белого каления, – они открыли месторождение готового природного цемента в местечке под названием Поццуоли недалеко от Неаполя.
Римлянам повезло. Им не пришлось комбинировать измельченную породу так и этак, нагревая ее до белого каления, – они открыли месторождение готового природного цемента в местечке под названием Поццуоли недалеко от Неаполя.
Поццуоли в буквальном смысле дурно пахнет. Название произошло от латинского puteo – «воняю» (в древности это местечко называлось Путеолы). Пахнет здесь серой вулканических песков: миллионы лет земля принимала потоки лавы и пемзы, на ней оседал пепел силикатной породы, нагретой до сверхвысоких температур и выброшенной из жерла вулкана (что подозрительно напоминает изготовление цемента в наши дни). Римлянам оставалось лишь свыкнуться с запахом и добывать измельченную породу, нанесенную за миллионы лет. Этот цемент, сделанный самой природой, слегка отличается от современного портландцемента и для схватывания требует известковой добавки. Стоило римлянам догадаться об этом и для прочности добавить в цемент щебень, как в распоряжении человечества оказался уникальный строительный материал – бетон.
Дом, сложенный из кирпича, на вид привлекательней монолитного здания. Кирпич умещается на ладони, эта маленькая деталь придает всей постройке человеческое измерение. Совершенно не таков бетон: изначально он жидкий, поэтому бетонные здания отливают, получая сплошную конструкцию, без единого шва, от крыши до фундамента.
«Вам нужен фундамент – мы зальем вам фундамент. Вам нужны колонны – мы отольем вам колонны. Вам нужен пол – мы уложим вам пол. Удвоить размеры, закруглить линии? Нет проблем!» – таково кредо инженеров, работающих с бетоном. Главное – построить опалубку, тогда бетону можно придать любую форму. Кто бывал на стройплощадке, тот своими глазами видел, на что способен этот материал. Неделями я как зачарованный глядел через забор. Из фундамента рос дом – его отливали люди-муравьи. Измельченную породу и щебень свозили на площадку, где вода снова превращала их в монолитный камень. Есть своя философия в этой инженерной технике: сначала земная мантия выбрасывает куски породы и появляются горы, затем человек добывает камень из горных недр и, наконец, возводит новые, рукотворные горы по своему проекту – горы, в которых мы живем и работаем. Цикл завершается. Бетон исполняет самые смелые мечты инженеров. Как только римляне изобрели его, они сразу увидели преимущества бетонной инфраструктуры. Теперь они могли возводить порты где угодно, ведь бетон схватывался даже под водой. А чтобы не зависеть от местного камня и глины, строительное сырье везли по бетонным мостам. (В этом смысле бетон – идеальный материал для империй.) Впрочем, наиболее выдающееся произведение римской бетонной архитектуры находится в столице – это двухтысячелетний купол Пантеона, самый большой в мире купол из неармированного бетона.
Пантеон пережил падение Римской империи. А вот технология строительства из бетона не пережила. За следующую тысячу лет не появилось ни одного бетонного сооружения. Причина внезапной утраты технологии остается по сию пору тайной. Возможно, так как это было промышленное производство по своей сути, оно могло существовать только в промышленной империи. Оно не требовало уникальных ремесленных навыков, как труд каменотеса, или плотника, или жестянщика, его нельзя было передать по наследству, сделать семейным делом. Впрочем, у римского бетона, как бы ни был он хорош, имелся серьезный недостаток, о котором все знали, но исправить который так и не смогли.
Материалы можно разрушить двумя способами. К одному – пластичному – вы прибегаете, когда, к примеру, пытаетесь разорвать жевательную резинку. Это самовосстанавливающийся материал, поэтому он тянется, истончается посередине и лишь затем распадается на части. То же самое можно проделать с большинством металлов; правда, чтобы они тянулись, как жвачка, понадобится огромное количество энергии на перестановку атомных дислокаций. Металлы крепкие и прочны именно поэтому. Но можно разрушить материал по-другому – создав трещину. Так мы разбиваем стаканы и чашки, неспособные тянуться в ответ на разрывающее усилие. Этот недостаток (единственный в такого рода материалах) грозит им потерей цельности, и они дают трещину или раскалываются на части. Бетон тоже трескается, и это было большой проблемой для римских строителей.
Поэтому они использовали бетон в тех конструкциях, в которых он в большей степени подвергался сжатию, чем растяжению: в колоннах, куполах или фундаментах, где на него давил вес постройки. Сжатие не ослабляет бетон, даже если в нем, как в куполе двухтысячелетнего Пантеона, появляются трещины. Возможно, этот дефект возник в результате землетрясений или проседания почвы, но самой конструкции он не угрожает, поскольку на нее действует сила сжатия. Но если бы римляне строили из бетона перекрытия или балки, подверженные изгибу, они обнаружили бы, что малейшая трещина способна обрушить целое здание. Если материал начинает расходиться в стороны от трещины под действием собственного веса и веса всего сооружения, то конструкции не устоять. Чтобы максимально использовать потенциал бетона, как это делаем сегодня мы для строительства стен, перекрытий, мостов, туннелей и дамб, проблема требовалось решить эту проблему. И решение было найдено лишь в эпоху Промышленной революции, да и здесь помог случай.
Парижский садовник Жозеф Монье любил мастерить цветочные горшки. В 1867 году их делали только из глины. Иными словами, они были хрупкими и дорогими, особенно если вы питали страсть к тропическим растениям, потому что в этом случае требовались большие оранжерейные кадки. Бетон мог бы стать отличным выходом из положения. Использовать его и проще, и дешевле, чем глину, поскольку он не нуждается в обжиге. Однако бетонные кадки трескались так же часто, как и терракотовые.
Тогда Жозеф решил укрепить бетон стальными кольцами. Он не мог знать, что цемент отлично связывается со сталью. Вполне могло оказаться, что сталь в цементе ведет себя подобно растительному маслу в салате, независимо от прочих ингредиентов, как бы сама по себе. Но нет! Оказалось, что фибриллы силиката кальция прилипают не только к камню, но и к металлу.
По сути, бетон – это заменитель камня: его получают из камня, он похож на него по внешнему виду, составу и свойствам. А вот бетон, армированный сталью, совершенно другое дело – в природе не встречается подобного материала. Когда армированный бетон подвергается изгибу, внутренний стальной каркас поглощает усилие и препятствует образованию больших трещин. Эта комбинация – два в одном – превращает бетон из материала ограниченного применения в универсальный строительный материал всех времен.
И еще один секрет железобетона не мог знать изобретший его Жозеф Монье. Материалы не пребывают постоянно в одном и том же состоянии: они реагируют на воздействие окружающей среды, в особенности на изменения температуры. Большинство материалов расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Наши дома, мосты, дороги – все они по законам физики расширяются и сжимаются со сменой дня и ночи, будто дышат. Вот почему на стенах зданий и дорогах так много трещин. Если не учесть этого при проектировании, накопившееся напряжение может разрушить конструкцию. Если бы на месте Жозефа был инженер, он предположил бы, что бетон и металл, будучи совершенно разными материалами, станут расширяться и сжиматься в разной пропорции и рано или поздно разорвут друг друга; что в условиях летней жары или зимнего холода сталь вырвется из объятий бетона и кадки треснут. Но Жозеф был садовником, поэтому решился на эксперимент. К счастью, бетон и сталь имеют почти одинаковый коэффициент расширения, то есть практически одинаково расширяются и сжимаются с изменением температуры, – маленькое чудо, которое заметил не только Монье, но и англичанин по имени Уильям Уилкинсон, случайно открывший волшебную комбинацию за несколько лет до французского садовника. Настала эра железобетона.
Поезжайте в одну из многочисленных стран третьего мира и посмотрите, как живут миллионы бедняков: в лачугах из глины и дерева с листами гофрированной стали в качестве крыш. Эти жилища очень уязвимы перед стихией. На солнце в них невыносимо жарко, в дождь они протекают, их сметают бури, смывают наводнения, сносят бульдозеры по приказу полиции или властей. Чтобы построить жилище, которое укрыло бы от непогоды и прочих неприятностей, необходим материал не только прочный, но и жаростойкий, водонепроницаемый, способный выдержать любой натиск – природный или человеческий, а самое главное, доступный любому человеку во всем мире.
Железобетон – именно такой материал, самый дешевый в мире. К тому же бетонное строительство легко механизировать, а значит, еще больше удешевить. Один человек с бетономешалкой может построить фундамент и стены, полы и крышу за несколько недель. Монолитная конструкция запросто выдержит сотню лет в любых погодных условиях. Фундамент защитит ее от влаги, насекомых и плесени. Крепкие стены не рухнут, а оконные проемы не перекосятся. Такой дом требует минимального ухода. Черепицу не унесет ветром, поскольку никакой черепицы и нет; крыша представляет собой встроенный элемент здания. Можно выращивать на плоской крыше виноград, овощи, даже злаки – для термоизоляции и для пропитания. (Сады на крыше – привет садовнику-изобретателю Жозефу Монье. Не будь металлического каркаса, кругом высились бы одни купола, наподобие Пантеона.)