Минойцы изготавливали бетон, смешивая известковый цемент с вулканическим пеплом – в районе Средиземного моря его было в избытке. Вулканический пепел состоит из крошечных частиц кремния и кислорода, и эти частицы легко вступают в реакцию с другими элементами – и потому, что они мелкие, и потому, что образовались из раскаленного материала, очень резко охладившегося после извержения вулкана. Когда в смесь пепла и гашеной извести добавляют воду, кальций, кремний и вода, связываясь, образуют прочный материал – он заполнит все пустоты между песчинками в бетоне. Таким образом, бетон приобретет и прочность, и водонепроницаемость.
С исчезновением минойцев пропало и знание о гидравлическом бетоне. Прошло более тысячи лет, прежде чем технология возродилась: римляне, жившие в районе Неаполя, заново открыли это искусство примерно за три сотни лет до нашей эры.
Римляне прекрасно умели обращаться с бетоном. Среди множества поразительных примеров зданий, построенных с использованием римского бетона, сегодня по-прежнему можно увидеть Колизей, Пантеон и бесчисленные остатки акведуков и дорог. Бетон сохраняет прочность даже спустя две тысячи лет.
Первый крупномасштабный проект, в котором бетон сыграл главную роль, – строительство порта в Кесарии, на севере современного Израиля. Ирод, правивший Иудейским царством до 4 года до н. э., мечтал построить порт – достаточно крупный, чтобы принять римские корабли, перевозящие зерно. Проблема в том, что имевшееся в его распоряжении побережье было просто-напросто одним длинным пляжем без единой шхеры или устья реки, которые могли бы послужить убежищем в плохую погоду. А так как вдобавок поблизости не было источника качественного строительного камня, без гидравлического бетона строительство хорошего порта становилось практически невыполнимой задачей.
Строительство порта потребовало большого количества древесины – и само сооружение, и печи, в которых обжигали известь и изготавливали глиняные кувшины для перевозки гашеной извести. Бо́льшую часть древесины привозили из недавно завоеванного региона к северу и югу от Дуная – среди прочего из королевства Дакия (это современная Трансильвания), где римляне также разрабатывали богатые месторождения золота. Для производства достаточного количества бетона, необходимого для строительства, Ироду понадобились сотни печей для обжига извести, не простаивавших ни днем ни ночью в течение нескольких лет и производивших бетон для строительства. Гашеную известь смешивали с водой, наполняли ею глиняные кувшины и грузили на корабли. Из Неаполя на огромных кораблях вывозили вулканический пепел. Когда порт достроили, Кесария превратилась в крупнейший и самый процветающий город Иудеи – в то время по размеру он совпадал с Афинами.
Сегодня порт находится на 12-метровой глубине. Вследствие землетрясений, регулярно сотрясающих побережье Израиля, он за прошедшие столетия постепенно погрузился в море.
Скребущий небеса бетон
С падением Римской империи искусство производства бетона вновь было утрачено, и вновь пользоваться гидравлическим цементом стали только в XVIII веке. В отличие от Средиземноморья в северной части Европы нет крупных месторождений вулканического пепла, но каменщики поняли, что, если жечь известняк вместе с глиной, получится твердеющий в воде цемент. Когда глину нагревают до высоких температур, глинистые минералы рассыпаются и образуется легко вступающий в реакцию с водой материал. Остатки жженой глины обладают примерно теми же свойствами, что и вулканический пепел, а он, в свою очередь, состоит из очень сильно разогретых минералов, содержащих кремний.
Сегодня при производстве цемента почти всегда берут за основу варианты рецепта, который в 1824 году британский каменщик Джозеф Аспдин запатентовал под названием «портлендский цемент». Название отсылает к известному серо-белому строительному камню, известняку с острова Портленд (Дорсет, Англия). На рынке новый цемент рекламировали как «столь же прочный, как портлендский камень». Портлендский цемент изготавливают, нагревая смесь известняка и глины до 1450 градусов. Содержащиеся в сырье минералы распадаются и образуют очень нестабильный материал, быстро вступающий в реакцию при контакте с водой. В конце примешиваются добавки, например гипсовый порошок и пепел – продукт различных производственных процессов, – для контроля того, за какое время цемент затвердеет, насколько густым или текучим он будет до затвердевания, насколько прочным будет готовый цемент. Чтобы получился бетон, перед бетонированием цемент смешивают с песком и щебнем.
Вследствие реакции между цементным порошком и водой вода в цементе становится очень щелочной (это противоположность кислоты). Благодаря этому портлендский цемент превосходно работает вместе со сталью. Благодаря щелочной среде внутри бетона – она сохраняется до тех пор, пока в реакцию не вступит весь цемент, – на стали образуется плотная оболочка, препятствующая ее ржавлению при контакте с водой. Сегодня большинство сооружений в мире строят именно из армированного сталью бетона. Сочетание стали и бетона дает такую прочность и гибкость, что построить мы можем буквально всё, на что хватит нашего воображения, включая небоскребы, тянущиеся вверх почти на километр, и плотины, чей размер превышает все когда-либо существовавшее на свете.
В то же время у бетонных сооружений из армированной стали более короткий срок службы, чем у построенных римлянами. Когда в реакцию с водой вступили все частицы цемента, вода становится менее щелочной, и защитная оболочка на стали слабеет. Однако этот процесс занимает немало времени. В огромных сооружениях, таких как плотина Гувера, чье строительство завершилось в 1935 году, эти реакции протекают по сей день, а потому сталь по-прежнему находится под защитой. В конструкциях обычного размера очень важно не допустить попадания воды на стальную арматуру.
Только что залитый бетон водонепроницаемый и очень хорошо защищает сталь. Но на протяжении многих лет и месяцев после изготовления в нем протекают химические реакции, из-за которых он трескается. Бетон становится уже не таким прочным и более пористым, из-за чего внутрь может проникнуть вода. Когда вода добралась до арматуры, та начинает ржаветь. Ржавчине нужно место, и она ломает находящийся поблизости бетон – так внутрь попадает еще больше воды. Если этим процессам никак не препятствовать, изначально прочный мост начинает крошиться и может рухнуть без предупреждения. Снаружи повреждения стальной арматуры видны не сразу. Если на крупных, открытых трещинах видны пятна красной ржавчины, значит, повреждения уже значительные.
Срок службы проектируемых сегодня бетонных конструкций составляет примерно 100 лет. Согласно имеющемуся у нас опыту, повреждения возникают раньше, особенно если конструкция стоит в морской воде или на нее попадают брызги, поскольку содержащаяся в морской воде соль ускоряет процесс ржавления. В нашей инфраструктуре – а это дороги, мосты, плотины, аэропорты, фундаменты, канализационные трубы и люки – растет количество конструкций, которым в течение нескольких десятилетий требуется обслуживание или замена. Одновременно производят огромное количество бетона, который невозможно использовать повторно. Сделать новый цемент из старого не получится.
