От египетских пирамид до умных блоков с температурными датчиками — бетон и сопутствующие технологии прошли долгий путь с момента появления. Звукоизолирующие высокопрочные здания стали частью нашей жизни. А история бетона полна проб, ошибок и гениальных решений.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(32). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Человек использует бетон с давних времён. Его применяли уже при строительстве древнейшей египетской пирамиды Джосера (около 2667 года до н. э.) и Великой китайской стены (III век до н. э.). Но по-настоящему массовое применение бетон получил в Древнем Риме. Во-первых, на Апениннском полуострове были все компоненты для его изготовления (главный из них — вулканический пепел). Во-вторых, римлянам удалось существенно улучшить качества бетона: он приобрёл невиданную прочность. Так, например, Пантеон до сих пор считается крупнейшей неармированной бетонной постройкой в мире. Древнеримские волнорезы и сейчас защищают морской берег от волн.

Кирпично-бетонная ротонда Пантеона перекрыта полусферическим куполом (диаметр свыше 43 м). В центре купола находится круглое отверстие диаметром 9 метров, через которое в храм проникает дневной свет.

Геологи и материаловеды долго разгадывали тайну римского бетона. Оказалось, секрет его прочности в химии: кристаллы минерала алюминия-тоберморита, образующегося в результате воздействия щелочных растворов морской воды на вулканический пепел в составе бетонной смеси, обладают удивительной гибкостью. Под нагрузкой они не разрушаются, а деформируются, что и объясняет их удивительные свойства. Конечно, в Древнем Риме никто не догадывался о существовании чудо-минерала. Скорее всего, его получили совершенно случайно, и строители сами до конца не понимали, что происходит со смесью. К сожалению, как и многие другие античные технологии, секрет производства бетона был утрачен в Средние века.

Старая барабанная печь для обжига цементного клинкера

Бетон как строительный материал восстал из пепла в 1824 году, когда Джозеф Аспдин изобрёл портландцемент (от лат. caementum — щебень, битый камень, и названия английского острова Портленд, где добывали природный камень, похожий на отвердевший портландцемент). Согласно рецептуре Аспдина, клинкер и гипс измельчаются (СaSO ₄•2H₂O) до порошкообразного состояния. Клинкер — это смесь веществ, полученная спеканием известняка (преимущественно CaCO₃) и глины (смесь Al₂O₃, воды и SiO₂) при температуре выше 1400 °С.

Сегодня масштабы производства бетона настолько велики, что ежегодно этот процесс формирует 7% выбросов СО ₂ в мире. Полученные после обжига гранулы клинкера на 97% состоят из оксидов кальция, кремния, алюминия и железа; оставшаяся часть приходится на оксиды марганца, титана, хрома и других элементов. Эту смесь вяжущих веществ тщательно измельчают и смешивают со вторым важным компонентом портландцемента — гипсом, отвечающим за скорость схватывания раствора, то есть за превращение его в твёрдый искусственный камень.

Изображение со сканирующего электронного микроскопа: пластины гидроксида кальция и иглы эттрингита

А что же происходит, когда в цемент добавляют воду? Безводные минералы в составе цемента активно взаимодействуют с водой. Один из основных процессов можно представить в виде уравнения:

3CaO Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO Al₂O₃ 6H₂O + 867Дж/г.

Иглообразные кристаллы CaO•Al ₂O₃•6H₂O пронизывают всю толщу цементного раствора, придавая ему прочность и твёрдость. Уравнение реакции подсказывает, что кристаллизация цементного раствора сопровождается выделением тепла, — его надо вовремя отводить, чтобы бетон получился качественным. Обычно его просто поливают водой, и это позволяет избежать главного врага искусственного камня — появления трещин.

Армирование — способ увеличения стойкости конструкции; служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении

Бетон выдерживает колоссальные нагрузки на сжатие, что делает его отличным материалом для фундаментов, но вот на растяжения (в том числе при изменении температуры) реагирует очень плохо. Это было главным препятствием для его использования в качестве строительного и конструкционного материала, пока в 1846 году за дело не взялся французский садовник Жозеф Монье. Он изготавливал бетонные кадки для пересадки на зиму апельсиновых деревьев в оранжереи Лувра и не понаслышке знал, как часто растрескивается и ломается бетон. Монье вставил стальные стержни в стенки кадок, и это здорово продлило срок службы материала. Сталь оказалась идеальным напарником бетона: она отлично выдерживает растяжения, но при сжатии заметно деформируется. Получившийся железобетон вписал в историю имя неизвестного доселе садовника и подарил человечеству возможность высотного строительства. 

История бетона такая же, как и сам материал, — консервативная, долгая и неизменная. Тем удивительнее была новость о самовосстанавливающемся материале, способном «заживлять» трещины в литой бетонной конструкции. Речь идёт о «живом» бетоне! Технологи вводят в раствор микрогранулы с бактериями и питательными веществами. А дальше эти «закладки» долгие годы ждут своего часа — он наступит, когда появится трещина и в неё попадёт влага. Получив доступ к кислороду и воде, бактерии активизируются и заполняют пустоты главным продуктом своей жизнедеятельности — кальцитом CaCO3, который возвращает прочность бетону, причём именно в тех местах, где это больше всего необходимо.

Светопроводящие бетонные конструкции представляют собой твёрдый и прочный массив, пронизанный тончайшими стеклянными волокнами. Прочностные характеристики LiTraCon не уступают характеристикам обычного бетона.