Конечно, если бы это здание было кирпичным, то после первого же перекоса оно превратилось бы в груду камней. Секрет его удивительной «живучести» заключался в том, что оно было построено из железобетона. Именно железобетон придал зданию такую прочность и монолитность, что оно смогло выдержать столь необычные испытания.
В 1923 году страшное землетрясение разрушило Токио. Тысячи домов были превращены в развалины. Лишь несколько зданий остались почти невредимыми — их основу составляли железобетонные конструкции.
В чём же секрет удивительной прочности железобетона?
Почему бетон, «вооружённый» железом, приобретает совершенно новые свойства?
Бетон — искусственный камень — был известен ещё древним римлянам. Его изготавливали из смеси мелких камней, песка, воды и извести, к которой добавляли особые примеси, чтобы она могла твердеть и сохранять прочность не только в сухих, но и во влажных местах. Затвердевший, «схватившийся» бетон по своим свойствам напоминал естественный камень не очень высокой прочности. Однако впоследствии бетон был забыт: стены и своды зданий строили из кирпича и естественного камня.
Много позднее, уже в XIX веке, бетон был усовершенствован и снова стал распространяться в строительной практике.
В конце первой четверти XIX века англичанин Джозеф Аспдин и русский учёный Е. Челиев почти одновременно и независимо друг от друга изобрели новый вид связующего вещества. Аспдин назвал его «портланд-цементом», так как получавшийся из него бетон был похож на хорошо известный англичанам прочный известняк, добывающийся на острове Портланд, у южного берега Англии. С конца прошлого века портланд-цемент стал самым распространённым видом вяжущего материала, но теперь строители обычно называют его просто цементом.
Портланд-цемент изготавливается из особо подобранной смеси глины и известняка. Эту смесь обжигают в специальных печах, а затем размалывают в очень мелкий порошок. Этот серовато-зелёный порошок и называется цементом.
Однако для изготовления цемента не обязательно смешивать глину и известняк. Благодетельница-природа уже сама заранее «позаботилась» об этом, заготовив (и притом в больших количествах) необходимую смесь минералов в виде особой горной породы — мергелей. Состав мергелей таков, что, обжигая их, можно получить цемент. В СССР огромные залежи мергелей находятся около Новороссийска.
Цемент обладает замечательным свойством: если его смешать с водой, то полученная жидкая смесь через несколько часов превращается в прочный камень. И этот процесс необратим: затвердевший цементный камень в воде не размокает.
Бетон, применяемый современными строителями, изготавливается из смеси цемента, воды, песка и щебня. Песчинки заполняют пространство между частицами щебня и вместе с ними образуют своего рода «скелет», каркас, склеенный, омоноличенный затвердевшим цементным раствором. Бетон — это искусственный камень. Он долговечен, прочен, огнестоек. Чем старше бетон, тем больше его прочность: в этом отношении бетон отличается от всех других строительных материалов, ибо, как известно, и дерево, и железо, и кирпич, и гранит со временем стареют, их прочность постепенно уменьшается.
От природного камня бетон отличается и ещё одним ценным свойством. Обработка камня — довольно трудоёмкое дело, а изделиям из бетона нетрудно придать любые очертания. Жидкий бетон легко заполняет всю опалубку — так строители называют те формы, в которых изготавливается, отливается бетонная конструкция. Утрамбовывая бетон, строители добиваются того, что он заполняет все детали даже самой сложной по форме опалубки. Из бетона можно изготовить и колонну, и свод, и фундамент, и вазу, и даже статую. Это свойство бетона было умело использовано авторами огромного мемориального комплекса на Мамаевом кургане в Волгограде — скульптором Е. В. Вучетичем, архитектором Я. Б. Белопольским и их помощниками. И монументальная, словно вырастающая из скалы скульптура воина с гранатой, и суровые пропилеи с отпечатками израненных снарядами стен города-героя, и статуя скорбящей матери — всё это было отлито из бетона.
Как и всякий камень, бетон хорошо воспринимает сжимающие напряжения, но при этом очень боится растягивающих напряжений: в тех местах конструкции, где появляется растяжение, бетон может легко растрескаться. Чтобы этого не произошло, бетон надо укрепить в соответствующих местах железными стержнями — «арматурой». Железные стержни примут на себя возникающие в конструкции растягивающие напряжения и не позволят бетону растрескаться.
Рассмотрим, например, как «работает» под нагрузкой самая простая железобетонная конструкция — однопролётная балка.
Под воздействием нагрузки балка прогибается вниз. При этом в верхней зоне возникают сжимающие напряжения, а в нижней — растягивающие [5].
И дерево, и железо одинаково хорошо сопротивляются как сжатию, так и растяжению.
А бетон, хорошо «работая» на сжатие, в то же время почти не способен воспринимать растягивающих напряжений. Поэтому в середине пролёта бетонная балка может легко треснуть. Эти трещины в бетоне начнут появляться у нижнего края балки — там, где действуют растягивающие напряжения.
Из обычного бетона балку сделать нельзя: она едва выдержит свой собственный вес. Необходимо её усилить, «вооружить» железной арматурой. Конечно, арматуру надо ставить не где попало, а именно там, где бетон может растрескаться — то есть вблизи нижнего края балки. Когда такая армированная балка начнёт прогибаться под воздействием нагрузки, то возникающие при этом в её верхней зоне сжимающие напряжения будут восприниматься бетоном, а растягивающие напряжения примет на себя железная арматура.
Иначе надо расположить арматуру в консоли — так называется балка, закреплённая одним концом в стене. Под действием силы тяжести консоль стремится отогнуться вниз, при этом растяжение возникает в её верхней зоне, и арматуру надо, соответственно, расположить наверху.
На наших рисунках мы показали лишь схему размещения главной арматуры. В действительности даже в самой простой однопролётной балке располагается много арматурных стержней. Помимо толстых стержней главной арматуры устанавливаются монтажные стержни, «хомуты» и т. д. Они необходимы для того, чтобы обезопасить балку от всяких случайностей, избежать трещин от изменения температуры, от так называемых «косых» напряжений, возникающих вблизи опор.
Одно из главных достоинств железобетона заключается в том, что из него можно сооружать самые разнообразные конструкции: балки, арки, плиты, колонны, своды, купола и т. д. Достаточно изготовить опалубку соответствующей формы, поставить в нужных местах железную арматуру, а затем заполнить опалубку бетоном и плотно утрамбовать. Через некоторое время, когда бетон затвердеет и наберёт достаточную прочность, опалубку можно снять — и железобетонная конструкция будет готова.
Союз железа и бетона оказался удивительно удачным и плодотворным. Оба «союзника» великолепно дополняют друг друга. Железо, воспринимая растягивающие напряжения, оберегает бетон от трещин. Бетон, покрывающий со всех сторон арматуру, защищает её от ржавчины.
Оба материала были словно созданы друг для друга. Они надёжно слипаются, а их коэффициенты температурного расширения практически одинаковы.
Железобетон унаследовал лучшие свойства обоих «родителей». Он обладает прочностью металла и долговечностью камня. Железобетонные конструкции по разнообразию и изяществу очертаний конкурируют со стальными, но в то же время не боятся ржавчины, огня, хорошо чувствуют себя и в пресной, и в солёной воде. И при этом железобетон намного дешевле, чем сталь или камень.
5
Подробнее об изгибе балок см. статью А. Л. Пунина в сборнике «Хочу всё знать!», выпуск 1968 года.