Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

• Название: Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
• Автор: Марк Медовник
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-17-089787-2

Профессор Лондонского университета Марк Медовник сделал почти невозможную вещь – написал не только доступную, но и остроумную книгу о самых разных материалах – своего рода «Занимательное материаловедение». Рассказ о новых химических соединениях, вдумчивый сравнительный анализ винных бокалов, сталь самурайских мечей, композитные материалы для трансплантации, бетонные конструкции суперсовременных аэропортов – обо всем этом автор пишет с блеском и глубоким знанием предмета. Книга «Из чего это сделано» – превосходный образец популярной науки высочайшего уровня, настоящая находка для любознательного читателя.

---

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.)