Железобетон и строительство сегодня стали почти что синонимами. Благодаря железобетону появились здания, стремящиеся к километровой высоте и огромные монолитные детали, из которых собирают целые транспортные развязки. Несмотря на развитие новых сверхпрочных, сверхлегких, сверхстойких материалов, весь мир в основном строит из железобетона или его доработанных другими материалами аналогов.
Зачем внутри железо?
Главное преимущество железобетона в том, что он сочетает в себе положительные свойства двух материалов. Бетон отлично выдерживает сжатие, но очень плохо работает на растяжение. А стальная арматура, заложенная внутрь бетонной детали, сопротивляется растяжению и компенсирует недостатки бетона. При этом бетон и сталь близки по коэффициентам расширения и бетон очень прочно сцепляется с ней, образуя единое целое.
Первые опыты
Пионерами железобетонного строительства можно считать промышленников Демидовых. Возведенная в 1721-1725 годах по приказу Акинфия Демидова знаменитая Невьянская Башня, стала первым строением, где было использовано усиление стен заливкой из примитивного бетона с коваными стальными стержнями. Из-за подвижек грунта башня еще во время строительства начала наклоняться, и при дальнейшем строительстве ее «выгнули» так, чтобы компенсировать уклон. А для прочности, еще не зная, как работают материалы, в стены и перекрытия заложили скрепы из знаменитого демидовского железа, залив их смесью известкового цемента, сеяного песка и гальки. Как бы там ни было, башня стоит до сих пор.
Но того, что мог позволить себе один из богатейших людей Российской Империи, всем остальным пришлось ждать еще век с лишним. Уж очень дорого получалось железо, чтобы вот так прятать его в стены. Поэтому начало применения железобетона в строительстве относится к середине XIX века, когда качественное железо подешевело из-за массового производства.
Строители еще не вполне понимали, как это работает. Железные тяги, прутья и балки заливали в бетон просто потому, что знали – железо прочное, а значит стена или перекрытие с ними тоже будут прочнее.
Один из самых первых домов, в котором сочетание «бетон + железо» было применено как регулярный конструктивный элемент, находится в 15 округе Парижа по адресу улица Шарль Мишель, 72. Построенный в 1855 году, дом сейчас заброшен, но до сих пор держится. Правда, его автор, французский архитектор и промышленник Франсуа Куанье, судя по всему, тоже еще не очень хорошо знал сопромат и не очень понимал, как и за счет чего работает арматура в бетоне.
Что угодно, кроме строительства
«Отцом» железобетона считается французский садовник Жозеф Монье. Как обычно бывает с великими изобретениями, изначальная задача была совершенно иной: мсье Жозефу требовались большие и прочные кадки для садовых деревьев. Глина слишком легко кололась и из нее было невозможно сделать действительно большой горшок, нужен был очень сложный обжиг. Дерево было непрочно и быстро гнило.
Тогда Монье начал экспериментировать с новомодным материалом, цементом с наполнителями. Но бетон кололся и лопался еще хуже керамики. И он решил укрепить бетон стальной проволокой и сеткой.
Именно Монье принадлежит идея соединить два материала, чтобы использовать лучшие свойства каждого. И Монье стал первым, кто «методом научного тыка» заметил, что одни конфигурации арматуры работают гораздо лучше других, проверив свою идею экспериментами.
Оказалось, что, если внутрь бетонной отливки, там, где возникают напряжения, поместить пространственный «скелет» из простейших прямых и гнутых стальных стержней, прочность ее резко возрастет. Еще одна блестящая идея Монье – изготовить комплект опалубки и отливать с его помощью готовые одинаковые детали из железобетона.
Совершив важнейшее открытие, Монье первые несколько лет делал фальшивые валуны для свои садовых ландшафтов, кадки для деревьев и плитку для дорожек, пока друзья не убедили его показать свои разработки на Всемирной Выставке.
В июле 1867 Монье оформил свой первый патент: огородные кадки из железобетона. В следующем году он запатентовал железобетонные трубы и резервуары для воды из одной бетонной отливки. В 1869 году был получен один из ключевых патентов, который станет базой для всей строительной индустрии: железобетонные фасадные панели. В 1873 – запатентован мост из железобетона, в 1875 он построил его в замке Шазле, в 1878 – железобетонные балки и свод из одной детали, в 1882 – железобетонные шпалы.
Так, постепенно, появился весь арсенал элементов, из которых состоит дом или инженерное сооружение. Идеи Монье, часто с нарушением патентного права, в считанные годы распространились по всему миру.
Наука после практики
Интересно, что научное исследование железобетона началось уже после того, как из него начали активно строить. Первыми были, разумеется, дотошные и пунктуальные немцы. В 1884 году профессор Иоганн Баушингер провел первые исследования железобетона как материала, а инженер Маттиас Кёнен, один из авторов Рейхстага, отталкиваясь от этих данных, в 1886-1887 разработал первые правила и технологию расчета прочности железобетонных конструкций. А в это же время, в Москве, Лондоне, Бирмингеме и Нью-Йорке вовсю использовали «пиратский» вариант железобетона в промышленном строительстве, на глазок отливая перекрытия, балки и своды.
Когда были опубликованы работы Кёнена, стало ясно главное: из железобетона можно строить вообще всё и какого угодно размера, вплоть до целого дома одной деталью. Стали возможны высотные здания, плотины ГЭС, мосты и виадуки, быстровозводимые дома, резко подешевело строительство.
Конечно, чем больше конструкция, тем больше железобетон должен держать сам себя и тем меньше он держит полезной нагрузки. Но это несложно рассчитывается и детали легко усилить, благо исходные материалы дешевы и их очень много.
И так начался век железобетона, в котором мы живем и по сей день.
