История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

полупустынных областях Евразии. В конце четвертого тысяче­ летия до н.э. в Месопотамии впервые стал применяться обож­ женный кирпич. Сначала он использовался только при обли­ цовке храмов и дворцов. В античности обожженный кирпич широко распространился по всей территории Римской империи. Особенно широко применялся кирпич в зодчестве Месопотамии и Древнего Рима, где из него (45x30x10 см) выкладывали слож­ ные конструкции, в том числе арки и своды. Окончательную форму, близкую к современной, он получил в Северной Италии при господстве лангобардов и стал быстро распространяться в северном направлении.

В Византии использовался широкий и плоский кирпич - плинфа (от греческого plinthos-кирпич). Плинфа применялась также и в древнерусском храмовом зодчестве (например, Со­ фийский собор в Киеве, 1037 г.).

Ярким примером использования кирпичного строительства в России времён Иоанна П1 стало строительство стен и храмов Мо­ сковского Кремля, которым заведовали итальянские мастера.

И кирпичную печь устроили за Андрониковым мона­ стырём, в Калитникове, в чём ожигать кирпич и как делать, на­ шего Русскаго кирпича уже да продолговатее и твёрже, когда его нужно ломать, то водой размачивают. Известь же густо мотыками повелели мешать, как на утро засохнет, то и ножем не­ возможно расколупить».

До XIX в. техника производства кирпича оставалась прими­ тивной и трудоёмкой. Формовали кирпич вручную, сушили только летом, обжигали в напольных печах-времянках, выло­ женных из высушенного кирпича-сырца. В середине XIX в. бы­ ли построены кольцевая обжиговая печь и ленточный пресс, обусловившие переворот в технике производства кирпича. В это же время появились глинообрабатывающие машины: бегу­ ны, вальцы, глиномялки. В наше время более 80% всего кирпи­ ча производят предприятия круглогодичного действия, среди которых имеются крупные механизированные заводы, произво­ дительностью свыше 100 млн. шт. в год.

Строители древнейших времен довольствовались для своих низких жилищ в большинстве случаев глиняным раствором. Известь употребляли уже в эпоху неолита, но только для побел-

ки стен. Античные и средневековые строители употребляли ог­ ромное количество извести, ибо только известковый раствор (если не считать в совершенстве обработанные и идеально при­ легающие друг к другу каменные квадры перуанских и других построек) позволял их великолепным проектам расти вверх и вширь.

Производство и применение извести основано на простых химических реакциях, которые стали известны довольно рано. Подходящим сырьем для ее производства являются известняки и доломиты, сложенные из карбонатов. Путем обжига они пре­ вращаются в окислы, при этом выделяется углекислый газ.

Молекулярная масса карбоната кальция (СаСОз) равна 100, так что, например, из 100 кг чистого кальцита путем обжига можно получить 56 кг окиси кальция (СаО) и 44 кг углекислого газа. Если учесть, что для обжига применялось недостаточно чистое сырье и что весь процесс проходил далеко не совершен­ но, выход равнялся примерно половине массы всей шихты. При применении доломита выход был еще ниже.

Во время гашения окислы поглощают воду, и в результате происходит их превращение в гидроокись с выделением тепла. Так появляется гашеная известь.

Раствор твердеет в результате того, что гидроокиси прини­ мают из воздуха углекислый газ и вновь превращаются в кар­ бонаты.

Самым древним и простым способом производства извести было, очевидно, обжигание на костре. Такой способ сохранялся наряду с более прогрессивными способами на протяжении все­ го средневековья. В период античности, когда известь стала очень важным и нужным сырьем, появились печи для обжига извести. Тип печи, существовавший в Древнем Риме, стал ис­ ходным в цепи развития печей, использовавшихся вплоть до XX в. Римские архитекторы Катон и Витрувий упоминают из­ весть как важный строительный материал.

В Иверсхайме (ФРГ) археологи исследовали обжиговый центр для извести с шестью печами, относящийся ко П-Ш вв. н.э. Печи были выдолблены в склоне горы, над ними, выше по склону было возведено здание, у которого проходила подъездная дорога. По ней к печам подвозили шихту. У самих печей были 242

построены кирпичные ниши для обслуживания. Такие объекты относятся к очень редким находкам. В этом районе археологи открыли уже четыре обжиговых центра, поставлявших известь для Рейнской обл. в период римского владычества. Дешевой и надежной транспортной артерией была река. Известь отсюда, оче­ видно, вывозили даже на территорию современной Голландии.

Затем в строительстве стали применять цемент (нем. Zement от лат. caementum) - вяжущее вещество из смеси раз­ личных природных минеральных веществ: CaO Si02, СаО АЬ03, СаО А120 з Fe2C>3. Часто использовались вулканические материалы: в древности с острова Санторин, из местности Пуццуоли вблизи Неаполя (пуццолан). Качество вяжущего мате­ риала существенно зависит от состава, а также от технологии помола и обжига. В 1796 г. Джон Паркер получил патент на гидравлическое вяжущее - романцемент - измельченный про­ дукт обжига природных мергелей. В 1824 г. Джозеф Эспдин в Англии и Е.Г. Челиев в России независимо друг от друга созда­ ли портландцемент (отметим, что портландцемент и портландский камень - мелкозернистый известняк - совсем разные ма­ териалы). Затем этот цемент усовершенствовал Джон Смитон (1760 г.), добавив итальянскую пуццолану. Современный порт­ ландцемент отличается от того, который создал Эспдин. Этот материал создал Исаак Чарльз Джонсон, применив белое кале­ ние за счет высокой температуры (1450-1550°С).

Бетон появился в 1834 г., в его состав входили дробленый камень, песок, гравий, галька, смешанные с цементом или изве­ стью (часто используется состав из извести и щебня в соотно­ шении 1:3). Такой вяжущий материал был известен со II в. до н.э. еще в Древнем Риме, который изготавливался на основе вулканического песка, обладающего вяжущими свойствами (пуццолана), в смеси с дробленой керамикой или кирпичом. Римляне, так же как греки и египтяне, чаще использовали гипс, известь, глину, асфальт. Поэтому бетон был основательно забыт и вновь открыт в XIX в.

Железобетон изобретали, по крайней мере, трижды. Снача­ ла это сделал французский инженер Ламбо. На Всемирной па­ рижской выставке 1855 г. он продемонстрировал лодку с кор­

пусом из железного каркаса, залитого цементным раствором. Любопытные посетители подолгу простаивали у этого экспона­ та. Но, видимо, из-за плохой внешней отделки о лодке забыли, как только закрылась выставка. Французы в 1949 г. торжест­ венно отметили столетие железобетона, признав тем самым приоритет Ламбо по дате постройки первой лодки.

Был также забыт патент англичанина Уилкинсона (1854 г.) на железобетон. В 1955 г. при сносе построенного им в 1865 г. здания были обнаружены железобетонные элементы.

В1861 г. вышла в свет книга французского ученого Коанье,

вкоторой он описал несколько конструкций из бетона с метал­ лической сеткой. Однако и на этот раз, на новый материал не обратили никакого внимания.

И все-таки приоритет здесь остался за французами. В 1867 г. садовник Монье сделал из бетона цветочную кадку. С этой кадки и начинается официально признанная история же­ лезобетона. А садовник забросил свои основные дела и стал ли­ хорадочно изобретать. На следующий год он получил патент на изготовление железобетонных труб и резервуаров, спустя еще год - на изготовление плоских плит, а в 1877 г. - на изготовле­ ние железнодорожных шпал. Но широкое применение железо­ бетона в строительстве началось лишь в 1885 г., когда Монье продал свое право на сделанные им изобретения.

Монье не понимал своего открытия, размещая сетку посе­ редине толщины балки, где нет растягивающих элементов. Ме­ жду тем, в 1877 г. американец Хайэтт на основе своих много­ численных опытов выпустил книгу, где высказал тезис о целе­ сообразности расположения железных элементов в растянутой зоне изделия.

Патенты Монье в 1884 г. приобрели две немецкие фирмы. В 1886 г. по заказу одной из фирм инженер Вайс и профессор Баушингер провели первые научные опыты по определению прочности железобетона, его огнестойкости, сцепления, долго­ вечности и т.д. Тогда же инженер Кенен определил оптималь­ ное расположение арматуры в зоне растягивающих растяжений.

Гибкий железобетон

Уже несколько десятков зданий построено с применением тонких и гибких лселезобетонных пластин, выпускаемых в Ря­ зани. Толщина пластин - всего 3 или 6 см, ширина-до 3 м, дли­ на-12, 18 или 24 м. Из них мож но создавать изогнутые поверх­ ности: внутренние и нарулсные стены зданий, легкие и проч­ ные покрытия. Сам способ разработ ан в НИИ бетона и желе­ зобетона (Москва).

На специальном стенде растягивают прочные канаты, выполняющие роль арматуры, затем накладывают бетон, ко­ торый т вердеет и упрочняется при определенной температу­ р е и влажности. К огда лее концы арматуры обрезают, растялсение снимается, тем самым пластина еще более упрочня­ ется. Эта технология позволяет добиться гибкости конструк­ ции: при изгибе на них не образуются трещины. Со стенда пла­ стину снимают за монталеные петли и укладывают на панеле­ воз. Монтале из таких пластин проводится легко и быстро.

С глубокой древности вплоть до наших дней в строительст­ ве широко применяются различные скрепы, скобы, хомуты, за­ тяжки. Для крыш использовалась кровельная черепица различ­ ной формы.

10.5. НЕКОТОРЫЕ ЗНАМЕНИТЫЕ ЗДАНИЯ И СОРУЖЕНИЯ

10.5.1. Архитектура и строительство

Когда мы представляем себе башни Московского Кремля, греческий Парфенон, здание Эрмитажа в Санкт-Петербурге или церковь Вознесения в селе Коломенском, мы говорим - какая прекрасная архитектура! Архитектуру сравнивают с застывшей музыкой. Н.В. Гоголь назвал её «каменной летописью мира», которая может рассказать нам о быте, привычках и мировоззре­ нии создавшего её народа. Определить архитектуру одним сло­ вом невозможно, т. к. в ней соединяются искусство и техника, творчество и наука, фантазия и расчёт. Ведь задуманное здание надо ещё и построить, а для этого необходимо рассчитать кон-

струкции, учесть свойства применяемых строительных мате­ риалов, спроектировать водопровод, канализацию, отопление и прочие инженерные системы. Нужно, кроме того, правильно определить потребности общества, которым служит данное со­ оружение, предвидеть их изменение в будущем, суметь «увя­ зать» архитектуру создаваемого здания с существующим окру­ жением - будь то природный ландшафт или городская застрой­ ка, найти особые средства художественной выразительности, созвучные данному времени, и многое, многое другое.

Недаром выдающийся французский зодчий Ле Корбюзье говорил: «Области, охватываемые архитектурой, столь много­ численны, что определение архитектуры можно отождествить с понятием общей культуры».

Того, кто задумывает архитектуру здания, целого архитек­ турного ансамбля или планировку города, а затем разрабатыва­ ет их, привлекая к проектированию конструкторов, инженеров и других специалистов, называют архитектором. На Руси людей этой профессии называли ещё зодчими. Таким образом, под словом «архитектура» надо понимать и сами постройки, и про­ фессию людей, которые их создают.

Современное значение слов «архитектор» и «инженер» поя­ вилось только в последние годы XIX в. Греческое слово архитек­ тор означает - старший или главный строитель. Он отвечал за создание мостов, храмов, акведуков, театров. Инженер первона­ чально был изобретателем хитроумных сооружений, главным об­ разом для военных целей. В 1716 г. французская армия создала «Корпус инженеров и мостов», в 1747 г. - «Школу мостов и до­ рог» - прообраз высшей инженерной школы. Джон Смитон пер­ вым назвал себя гражданским инженером, т.е. не военным. В Лондоне в 1818 г. был основан «Институт гражданских инжене­ ров» (не учебное заведение, а по существу - общество), в 1834 г. - «Королевский институт британских архитекторов. В 1847 г. в Англии был создан «Институт инженеров-механиков». В числе его организаторов были отец и сын Стефенсоны.

Не всё то, что строится, можно назвать архитектурой: на­ пример, тоннели метро или временные складские сооружения служат узко практической цели и являются лишь видом строи­ тельной деятельности. Но и те постройки, которые относятся к 246

области архитектурного творчества, могут быть удачными или неудачными, хорошей или плохой архитектурой.

Ещё Витрувий - архитектор и одновременно инженер в войсках Юлия Цезаря, в своём трактате «Десять книг об архи­ тектуре» писал, что неотъемлемым свойством архитектурного произведения должны быть прочность, польза и красота, вы­ ступающие в целостном единстве.

Чтобы достичь такого результата, зодчий должен обладать талантом и глубоко понимать социальные проблемы и культуру современного ему общества. Только в этом случае он сможет вдохнуть жизнь в создаваемые пространственные формы и сде­ лать архитектурное сооружение совершенным произведением ис­ кусства, достойным войти в сокровищницу мировой культуры.

Архитектура вызвана к жизни потребностью человека соз­ дать изолированное пространство, защищающее его от внешней среды; поэтому первым архитектурным сооружением было жи­ лище.

Создание искусственного пространства, в границах которо­ го могут проходить различные виды жизнедеятельности, и яв­ ляется сущностью архитектуры. При этом речь идёт не только о внутреннем пространстве здания, но и о внешнем - например, пространстве населённого пункта, организованном объёмами зданий, набережными и мостами, автомагистралями, оградами и монументами.

Виды жизнедеятельности определяются потребностями че­ ловека. Так, человек должен спать, есть, учиться, воспитывать детей, работать, развлекаться, удовлетворять духовные запросы, лечиться, отдыхать, заниматься спортом и т.д., и поэтому стро­ ятся жилые дома, общественные и промышленные здания и со­ оружения.

Хотя эти потребности остаются, в основном, постоянными, типы зданий и сооружений меняются: не всегда были школы, кинотеатры и больницы, да и само их содержание становится со временем другим: водяные мельницы сменились гидростанция­ ми; современные бани не похожи на римские термы; ну и, ко­ нечно, аэропорты, космодромы, атомные станции и телебашни появились только в нашем веке.

Градостроительство как вид архитектурной деятельности отличается от проектирования отдельных зданий и сооружений. Тут существуют другие принципы и подходы.

10.5.2. Пирамиды

Знаменитые пирамиды строились в эпоху, когда каменный век еще не закончился. Высота великой пирамиды - пирамиды Хеопса - достигала 146 м, сейчас из-за выветривания она сокра­ тилась до 137 м. На ее постройку пошло 6 млн. т. каменных блоков. Полезная площадь сооружения чрезвычайно мала: ос­ нование пирамиды представляет собой квадрат со стороной 230 м, а поперечник камеры с саркофагом - всего 4 м.

С пирамидами связано много легенд и загадок, которые по­ степенно исчезают благодаря тому, что археология становится точной экспериментальной наукой.

Каменные блоки для постройки привозили на кораблях, ко­ торые приплывали по специально вырытому каналу из Нила к каменоломне. Сначала судно засыпали землей (в Египте, скорее всего, песком) до уровня берега и перетаскивали на него моно­ лит. Затем песок из судов и прилегающей части канала устраня­ ли, и груз отправлялся в путь. Существовал и другой способ по­ грузки. Подготовленный монолит располагали над каналом та­ ким образом, чтобы концами он опирался на противоположные берега (в этом случае значительно возрастает внутреннее на­ пряжение каменного материала и такой монолит должен быть достаточно мощным и тяжелым, чтобы камень не дал трещину). Под него подводили судно с балластом камней. Последние за­ тем выбрасывали, и судно оставалось нагруженным только по­ лезным грузом.

На одном из древнеегипетских рельефов изображена пере­ возка алебастровой скульптуры Джехутихотепа массой около 60 т, относящаяся к периоду XII династии. На рельефе, обнару­ женном в его гробнице в Эль-Берше, изображено несколько ин­ тересных технических деталей. Скульптура привязана к дере­ вянным саням, которые тянут с помощью канатов. Рабочий ритм определяет мужчина, стоящий на коленях статуи. Его при­ казы усиливаются ударами деревянных колотушек в руках

мужчины, сидящего под ним. Третий мужчина на санях льет воду впереди саней, чтобы уменьшить под ними трение. Воду подносят три носильщика. Сзади идут три надсмотрщика с пал­ ками, 12 запасных работников и 6 групп воинов по 10 человек в каждой с бичами и палками в руках. Всего здесь изображено 174 человека, из которых, как это обычно бывает, только 99 ак­ тивно работающих, остальные их только подгоняют, притом самым безжалостным способом. Девяноста девяти мужчин для перевозки 60-тонной статуи, конечно, мало. Но эту неточность можно вменить в вину художнику. Изображать всех перевозя­ щих статую было бы слишком сложным делом.

Когда пирамида поднялась ввысь, нужно было строить на­ клонные площадки из земли, тесно примыкающие к ее стенам. В качестве опоры этой рампы шириной 3 м служили каменные блоки, выступавшие из стен пирамиды. На макете было уста­ новлено, что рампы могли существовать у всех четырех стен. Три из них использовались для транспортировки камня, а чет­ вертая - для спуска пустых саней и людей. Согласно расчетам, использование саней с подливанием воды позволяло относи­ тельно легко передвигать груз вверх, особенно в том случае, ес­ ли рампа была укреплена и выровнена с помощью поперечных брусьев.

10.5.3. Вавилонская башня

Вавилонская башня описана в Библии, писал о ней и знаме­ нитый Геродот. Она состояла из восьми башен, поставленных друг на друга. Во время походов Александра Македонского она уже была достаточно ветхой и подверглась ремонту, причем отмечалось, что башня имела восемь этажей и общую высоту около 80 м. Наружные лестницы вели на уровни второго и третьего этажей. Башня была построена из сырого необожжен­ ного кирпича, только облицовка позже была сделана из обож­ женного кирпича. Таким образом, ее конструкция была стан­ дартной для Месопотамии, ступенчатые башни меньших разме­ ров строились часто. Расчеты, проведенные профессором МВТУ А.И. Сидоровым, показали, что напряжения смятия бы­ ли близкими к предельно допустимым величинам, и поэтому