Впервые я побывала в Пантеоне, когда еще была подростком, и я сразу влюбилась в это здание за его красоту и ощущение умиротворенности. Во второй раз я посетила его уже дипломированным инженером и смотрела – с не меньшим восхищением – на выемки в куполе, пытаясь найти трещины в основании. Я долго разглядывала луч света, проходящий через окулус на вершине этого необыкновенного сооружения. Меня по-прежнему поражали масштабы купола и видимая простота форм, но теперь я понимала, насколько, должно быть, сложно было построить его так много лет назад.
Я часто задумываюсь о том, будут ли, подобно Пантеону, те здания, которые мы проектируем и строим сейчас, по-прежнему существовать и сохранятся ли так же хорошо две тысячи лет спустя. Это кажется непостижимым.
После падения Римской империи в V веке началась темная эпоха Средневековья – или, как я ее называю, эпоха трещин и крошек, – и римский рецепт бетона оказался утерян почти на тысячу лет. Мы вернулись к более примитивному образу жизни, и бетон снова появился только в XIV веке. Даже тогда инженеры продолжали бороться с основным недостатком бетона – трещинами при воздействии силы растяжения. Лишь несколько столетий спустя откроют настоящую магию бетона, и обнаружит ее самый неожиданный герой в самом неожиданном месте.
В 1860-е годы французский садовод Жозеф Монье устал от того, что глиняные горшки постоянно трескаются. Тогда он попробовал сделать горшки из бетона, но понял, что они точно так же трескаются. Совершенно случайно он решил усилить бетон, поместив в него металлическую сетку. Этот эксперимент мог оказаться неудачным по двум основным причинам: во-первых, бетон мог не сцепиться с металлом (не было причин предполагать, что он это сделает) и металл только ослабил бы горшок. Во-вторых, из-за сезонных изменений металл и бетон расширяются и сжимаются в разной степени, что должно создавать еще больше трещин. Но Монье случайно создал революционный горшок, который сохранял прочность и почти не трескался.
Как и большинство металлов, железо и сталь (как мы уже увидели) гибки и пластичны и хорошо выдерживают силу растяжения: при растяжении они не трескаются. Металлы не такие ломкие, как кирпич или бетон. Таким образом, соединив бетон (который при растяжении трескается) с железом (которое выдерживает растяжение), Монье создал идеальное сочетание материалов. На самом деле, древний вариант того же принципа можно обнаружить в Марокко, где стены некоторых берберских городов строили из глины с добавлением соломы: эта смесь называется саман, и ее также использовали, в числе прочих, древние египтяне, вавилоняне и коренные американцы. Солома выполняет ту же функцию, что и металл в бетоне: она связывает глину со штукатуркой и предотвращает чрезмерное образование трещин, так как солома сопротивляется силе растяжения. В штукатурке на стенах моей викторианской квартиры содержится конский волос, служащий той же цели.
Монье представил свой новый материал на Парижской выставке в 1867 году, а затем стал применять его в создании труб и балок. Инженер-строитель Густав Адольф Вайс из Германии увидел этот материал и стал думать о том, как строить из него целые здания. В 1879 году он купил у Монье патент и начал проводить эксперименты с использованием бетона в качестве строительного материала, а затем стал пионером в строительстве бетонных зданий и мостов по всей Европе.
Идеальный союз строительных материалов: стальная решетка усиливает бетон, противостоит растяжению и предотвращает трещины
Удачный союз стали (которая заменила железо после распространения бессемеровского процесса) и бетона кажется сейчас настолько очевидным, что уже трудно себе представить, как они не встретились раньше. В каждой бетонной постройке, которую я проектирую, я использую стальную арматуру – длинные фактурные прутья диаметром от 8 до 40 мм, которым придают нужную форму и которые соединяют вместе, чтобы получилась решетка или сетка, составляющая основу бетонного блока. Мои расчеты показывают, где на бетон будет действовать сила растяжения, а где сила сжатия, и в соответствии с этим я распределяю стальные прутья.
Подрядчики берут мои чертежи, устанавливают размеры и форму каждого стального прута в проекте и рассчитывают его вес. Эти расчеты отправляются на завод, и через несколько недель оттуда привозят стальные прутья, которым придают нужную форму перед тем, как залить их бетоном.
Когда в бетонной смеси происходит химическая реакция, сталь и бетон образуют прочные связи. Цементная паста так же прочно прилипает к стали, как к заполнителям. Как только они схватились, их уже трудно разъединить. У них почти одинаковые термические коэффициенты, а это означает, что они расширяются и сжимаются примерно на одну и ту же величину при одинаковых изменениях температуры. Когда бетонная балка сгибается под воздействием гравитации, сверху на нее действует сила сжатия, а внизу – сила растяжения, то снизу бетон трескается. Эти трещины – шириной в 1 мм, и часто их даже не видно, но они есть. Как только это происходит, стальные прутья в нижней части балки приходят в движение и начинают сопротивляться силе растяжения, сохраняя целостность балки.
Сегодня стальная арматура уже вошла в ДНК бетонного строительства. На многих стройплощадках в Лондоне есть небольшие окошки в заборах. Как вы легко можете себе представить, когда я прохожу мимо такого окошка, то не могу в него не заглянуть, потому что мне всегда любопытно, что там внутри. Не важно, что это за стройка, – я всегда вижу груды арматуры или стальных решеток в деревянных опалубках. Когда приезжают бетономешалки с вращающимися барабанами, они заливают в опалубки мощный бетонный водопад, а потом рабочие берут перфораторы с миксером и замешивают его так, чтобы заполнитель хорошо распределился по всей массе. Инженеры вроде меня должны удостовериться, что зазора между прутьями арматуры достаточно, чтобы между ними легко затекал бетон. Когда я только пришла на работу, мой первый начальник Джон сказал мне: «Если из твоей стальной клетки может вылететь канарейка, значит, прутья слишком далеко друг от друга. Если канарейка задыхается, значит, они слишком близко». Этот урок я не забуду никогда (в нашем мысленном эксперименте не пострадала ни одна канарейка).
Как только весь бетон хорошенько перемешали и залили в опалубки, рабочие разравнивают его сверху большими граблями и оставляют застывать. Но у этого невероятного материала в запасе еще один секрет. За следующие несколько недель основная масса бетона пройдет химическую реакцию и затвердеет, и над ней проведут тесты, а результаты покажут, что масса достигла целевой прочности. На самом деле, эта прочность продолжит увеличиваться – очень медленно – и в следующие месяцы и даже годы, и еще долго будет стремиться к стабильному показателю.
Сегодня мы используем бетон для множества целей, строим из него небоскребы, многоквартирные жилые дома, туннели, шахты, дороги, плотины и многое другое. В древние времена разные цивилизации использовали различные материалы и технологии в соответствии со своими навыками, климатом и окружающей средой. Сегодня во всем мире используется бетон.
