ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

Из чего мы строим

Созданы природой и трудом

На заре своей строительной деятельности человек использовал только естественные, встречающиеся в природе в готовом виде строительные материалы: камни, куски деревьев.

Постепенно люди научились сами валить и обтесывать деревья, добывать и обрабатывать камень в каменоломнях, применяя для этого нередко очень остроумные способы. Например, в Древнем Египте строители плотно загоняли в щели каменных глыб сухие деревянные клинья и затем поливали их водой до тех пор, пока дерево, разбухая, не раскалывало глыбы на отдельные каменные блоки нужных размеров.

Использовали строители и другие материалы, как, например, глину. Скрепляли глиняным тестом -строители называют его раствором - каменную кладку. Обмазывали глиной деревянный, заплетенный сучьями каркас и получали довольно прочную стену. Сушили на солнце приготовленные из глиняного теста кубики одинаковых размеров и получали кирпич-сырец. Потом научились обжигать изделия из глиняного теста - стали делать обожженный кирпич, черепицу и другие керамические изделия, отличающиеся высокой прочностью и долговечностью.. Так начали появляться искусственные строительные материалы - не взятые готовыми у природы, а изготовленные руками мастеров. Со временем строительными материалами стали стекло, металл, бетон, пластмассы. Причем в наши дни перечень строительных материалов увеличивается гораздо быстрее, чем в прежние времена.

Во-первых, традиционных материалов, которые применялись строителями тысячелетиями, сейчас уже не хватает, настолько возросли масштабы строительства. Только квартир и индивидуальных домов мы строим ежедневно много тысяч. Если строить их из дерева, как делались раньше избы, то каждые 5 лет нужно было бы вырубать лес на площади, равной территории Дании и Нидерландов.

Во-вторых, жизнь все время ставит перед строителями новые задачи, которые невозможно решить при помощи одних только традиционных строительных материалов. Например, обычный природный камень, несмотря на его прочность, невозможно использовать в конструкциях с пролетами более 40 м -они разрушаются под действием собственного веса. Приходится создавать новые материалы - более прочные и более легкие.

Для чего и из чего

Один и тот же строительный материал может быть использован по-разному. Например, металл применяется и в несущих конструкциях, и для отделки фасадов зданий и сооружений (титановая облицовка монумента в честь запуска первого искусственного спутника Земли, установленного около ВДНХ в Москве). Бывает и так, что один и тот же материал в одном и том же сооружении одновременно выполняет несколько функций. Так, деревянная декоративная обшивка стен в зале современного кинотеатра не только украшение: она еще и поглощает лишние шумы, уничтожает эхо, недопустимое в таких помещениях.

А теперь поговорим о каждом из особенно важных строительных материалов подробнее.

Дерево
Дерево всегда привлекало строителей легкостью обработки, небольшой собственной массой при относительно высокой прочности и хороших теплоизоляционных свойствах. Из бревен складывали стены, делали балки междуэтажных перекрытий, из досок настилали полы, сколачивали перегородки. Из дерева делали двери, оконные рамы, переплеты - столярные изделия; из отдельных брусьев собирали фермы - несущие элементы мостов, покрытий общественных зданий. До сих пор вызывает восхищение специалистов сооруженное в 1817 г. покрытие Конногвардейского манежа в Москве (ныне Центральный выставочный зал), деревянные фермы которого без всяких промежуточных опор перекрывают пролет в 44,9 м.

Сегодня диапазон применения дерева значительно расширился, хотя расходуем мы его экономнее. Стружка и опилки, неизбежно образующиеся при обработке древесины, в прежние времена совершенно не использовались в строительстве, в лучшем случае применялись как топливо. Та же участь ожидала и древесину, которая имела недопустимые с точки зрения строителя пороки - сучковатость, трещины.

В наши дни применение высокопрочных синтетических клеев позволяет изготавливать из маломерного, низкосортного пиленого материала, коротеньких деревянных брусочков, вплотную пригнанных друг к другу, деревянные клееные конструкции любой формы - купола, оболочки, складки, причем значительных размеров.

Дерево боится жучков-древоточцев, подвержено гниению. Современные деревянные конструкции пропитывают специальными составами - антисептиками, защищающими их от этих опасных врагов. Более того, сегодня дерево... не горит! Его научились делать огнестойким, покрывая особыми минеральными обмазками или пропитывая негорючими веществами - антипиренами.

Большая часть лесоматериалов обрабатывается сегодня на заводах. Деревообделочные комбинаты выпускают для строек и аккуратно распиленный брус, и доски различных размеров, и дощечки для паркетных полов - клепку, и водостойкую фанеру, и многое другое. А сжигавшиеся ранее стружки и опилки смешивают со специальными клеющими смолами и из этой массы прессуют древесностружечные и древесноволокнистые плиты. Часть отходов используется в качестве сырья для производства теплоизоляционных картонов, строительной бумаги.

В современных домах дерево часто применяют в качестве красивого отделочного декоративного материала.

В богатых лесом сельских районах и в наше время строят деревянные дома, но и тут этот древний материал используется по-новому. На современный каркасный или щитовой дом древесины идет в 2-3 раза меньше, чем на бревенчатый тех же размеров, а строят его гораздо быстрее.

Камень
Камень - один из самых старых стеновых и отделочных материалов. Природные каменные породы -мрамор, граниты, известняки - украшают станции метро, фасады и залы многих общественных зданий.

В Армении из мягкого, хорошо обрабатывающегося и легкого туфа, а на Украине из ракушечника кладут стены домов. Неотделанный природный камень и отходы, образующиеся при его обработке, используют при устройстве фундаментов, постройке дорог.

В наше время каменные материалы добывают и обрабатывают, применяя взрывную технику, буровые и камнерезные машины. Крупные каменные глыбы на специальных станках распиливают на блоки и плиты, на тоненькие облицовочные пластинки, шлифуют и полируют их поверхность. В некоторых случаях толщина такой пластинки измеряется... миллиметрами, а к стене, которую надо отделать, пластинки просто приклеивают.

Научились делать и искусственный литой камень - подбирают из разных материалов смесь, близкую по составу к естественному камню, плавят ее и отливают в специальных формах, точно соответствующих виду и размерам нужных строителям изделий.

Существуют и другие виды искусственных камней: керамические блоки и кирпичи, получаемые путем обжига специально обработанной глиняной массы; силикатные, шлаковые и бетонные блоки, приготовленные с применением различных вяжущих материалов.

Вяжущие материалы
Вяжущие материалы обладают спобобностью в результате происходящих в них химических реакций твердеть - превращаться из пластичных или тестообразных растворов в твердую массу, соединяя, "связывая" камни или кирпичи в кладке, отдельные куски шлака или песка в шлакоблоке, силикатном кирпиче. Как правило, это тонко размолотые порошки, которые смешивают с водой для получения строительных растворов и смесей.

Первые крупные металлические сооружения появились в конце прошлого века. Таков 100-метровый купол Дворца машин на Парижской всемирной выставке 1889 г.

Известные с древних времен вяжущие материалы - гипс, известь - называют воздушными, так как они твердеют, набирают и сохраняют прочность только на воздухе. По этой причине их нельзя применять при строительстве каналов, пристаней и других гидротехнических сооружений, при кладке фундаментов. Поэтому гораздо шире применяется цемент, который не теряет под воздействием влаги своей прочности.

Существуют и синтетические вяжущие материалы, твердеющие и набирающие прочность почти мгновенно и в воде, и на воздухе. Они являются частью большой группы разнообразных синтетических строительных материалов.

Синтетические материалы
Пластмассы в строительстве применяют недавно. Но представить себе современную стройку без пластмасс уже невозможно, настолько полезными оказались их свойства. Например, свам - стекловолокнистый анизотропный материал - по прочности не уступает стали и в 3 раза легче ее. Изоляционные синтетические материалы - поропласты, пенопласты - настолько хорошо сохраняют тепло, поглощают шум, что позволяют делать стены и перегородки в десятки раз тоньше, чем из кирпича или камня. А органическое стекло - полиметилакри-лат - пропускает самую полезную часть спектра солнечного излучения - ультрафиолетовую - гораздо лучше, чем обычное.

Синтетические материалы легко обрабатываются, хорошо склеиваются, как правило, не требуют последующей отделки. Например, устройство полов из по-ливинилацетатной мастики сводится всего лишь к тому, чтобы вылить ее на перекрытие и разровнять. Через несколько часов мастика затвердевает, и пол уже больше не требует никакой обработки.

Надо сказать, что пока "синтетика" выступает на стройке главным образом в роли отделочных материалов: красок, пленок, облицовочных плиток, ли-нолеумов, мастик. Но синтетические материалы -продукция такой бурно развивающейся отрасли производства, как химия,- очень перспективны, их применение в строительстве непрерывно увеличивается.

Металл
Было время, когда металл использовался исключительно в кровельных работах и для .изготовления фурнитуры - дверных ручек, петель, замков - или соединительных элементов каменных или деревянных конструкций - скреп, связей, болтов. И очень часто - как декоративный материал, например для решеток в оградах. Но когда возможности камня при строительстве большепролетных и высотных сооружений оказались исчерпанными, строители обратились к металлу. Сначала к чугуну. Из него строили мосты, покрытия зернохранилищ, заводских цехов.

Появление в середине XIX в. -прокатного железа (металлического проката), более прочного, чем литой чугун, ознаменовало следующий шаг в применении металла в качестве строительного материала.

В Париже в 1889 г. были выстроены одновременно два выдающихся сооружения - Дворец машин с залом шириной 115 м и знаменитая Эйфелева башня,- в которых были применены металлические конструкции.

Русские ученые и инженеры внесли значительный вклад в развитие металлоконструкций. Достаточно напомнить о работах В. Г. Шухова, построившего 148-метровую башню для Шаболовской радиостанции в Москве, конструкция которой выгодно отличается от башни французского инженера Эйфеля тем, что она сделана из однотипных элементов. При ее строительстве впервые в мире был применен метод монтажа, получивший впоследствии название телескопического; во время такого монтажа верхние ярусы конструкции выдвигаются из нижних, словно звенья складной телескопической антенны портативного радиоприемника.

В наши дни металл - один из важнейших строительных материалов. Из него делают колонны, балки и фермы каркасов и другие несущие конструкции промышленных и гражданских зданий. Из металла сооружаются мосты, нефтепроводы, резервуары для хранения газа и нефти. Из металла делают наружную облицовку стеновых панелей, оконные переплеты, двери, осветительную арматуру, трубы, лифтовые шахты, различное строительное оборудование.

Когда-то в строительстве использовали в основном так называемые черные металлы - чугун и сталь; реже - медь, бронзу; совсем редко - свинец (в витражах церквей, в кровельных покрытиях). Благодаря использованию алюминия и его сплавов диапазон применяемых строителями металлов значительно расширился. Легкость (алюминий в 3 раза легче стали), стойкость к атмосферным воздействиям, простота механической обработки, высокие декоративные качества завоевывают алюминиевым сплавам все более видное место в ряду других металлов. Но основным материалом для изготовления металлических изделий и конструкций пока еще остается сталь.

Две тысячи лет стоят построенные из бетона римским императором Аврелием крепостные стены.

Схема изготовления изделий из бетона.

Смесь из воды, цемента и заполнителей: щебня, песка - заполняет форму (опалубку) и твердеет. Опалубку убирают, и бетонное изделие готово. Прочность, дешевизна и простота изготовления завоевали бетону широкую популярность.

Широко используется сталь и в качестве составной части другого важнейшего материала современности - железобетона.

Бетон
Бетон - так называется искусственный каменный материал, с которого начинается история железобетона. Изготовление кирпича, обработка природного камня - основных строительных материалов прошлого - дело хлопотливое и трудоемкое. Поэтому строители в массивных конструкциях стали выкладывать из обработанного камня или кирпичей только тонкие наружные стенки, а пространство между ними затем заполняли щебнем, гравием, обломками камня и заливали все это раствором вяжущего материала. Раствор обволакивал каждое зернышко, каждую частичку заполнителя и, твердея, прочно соединял их в монолитную массу - бетон,-более однородную, чем каменная или кирпичная кладка, и поэтому более прочную и долговечную. А главное - более дешевую, ведь бетон на 80-90% состоит из недорогих, повсюду распространенных материалов.

Бетон очень древний материал. Еще в государстве Урарту (на территории современной Армении) в VIII в. до н. э. из него строили крепости, храмы, ирригационные сооружения. В Древнем Риме бетон широко применяли при возведении триумфальных арок, купольных и сводчатых покрытий зданий, мостов, используя в качестве вяжущих материалов глину, гипс, известь, природный асфальт. И в наши дни восхищает туристов прекрасно сохранившийся огромный бетонный купол римского Пантеона, построенного почти 2 тыс. лет назад.

Второе рождение бетона произошло, когда в строительстве появился цемент. Оказалось, что приготовленный с его применением бетон не только не боится воды, как бетон, изготовленный с другими вяжущими материалами, но... со временем становится прочнее - такова особенность твердения цементного камня.

Привлекало строителей и то, что из бетона можно -получать изделия или конструкции любых очертаний, надо только уложить в специально заготовленную форму - опалубку - бетонную смесь и подождать, пока она затвердеет. Кроме того, бетон можно изготовлять с различными свойствами: газонепроницаемый, кислотостойкий, жаропрочный и т. д.

Однако у бетона есть существенный недостаток -он плохо работает на растяжение.

Около 100 лет назад с этим недостатком научились бороться - появился железобетон.

Легкий купол из железобетона.

Сегодня строителям служат старые и новые материалы. Современное деревянное покрытие плавательного бассейна: деревянный настил 1 лежит на деревянных балках 3, опирающихся на клееные арки 4 из коротких обрезков досок и брусьев, а снизу видна декоративная подшивка из реек

Покрытие бассейна, сделанное из синтетической пленки, натянутой на металлический каркас.

Укрупненные стеновые детали - панели в настоящее время все чаще вытесняют традиционный кирпич со стройки.

Из металла делают и промышленные сооружения, например резервуары для хранения сжиженного газа - газгольдеры (внизу), и каркасы жилых зданий, и выставочные здания, например павильон СССР на Всемирной выставке в Канаде, переехавший затем в Москву на ВДНХ (внизу справа).

Схема "работы" железобетона. Бетон плохо переносит растягивающие напряжения, а металл успешно им сопротивляется, "помогая" бетону в конструкции.

Железобетон
Обычно изобретение железобетона связывают с именем парижского садовника Жозефа Монье, который в 1867 г. запатентовал способ изготовления цементных кадок для цветов с каркасом из проволочной сетки и железных прутьев. В действительности бетонные конструкции, усиленные металлическим каркасом - арматурой, применялись гораздо раньше.

Новый материал привлек строителей тем, что удачно соединил достоинства бетона с замечательным свойством стали - успешно сопротивляться растяжению. В балках верхняя часть поперечного сечения сжата, а нижняя - растянута. Помещая в растянутую часть балки металлические стержни -арматуру, мы заставляем их воспринимать опасные для бетона растягивающие напряжения. А со сжатием в верхней части балки бетон справляется сам.

Железобетон во многих случаях может успешно заменить стальные конструкции, что в конечном счете позволяет значительно сократить расход металла в строительстве. Он обладает многими ценными качествами. Пожары, например, для железобетонных конструкций не так страшны, как для металлических,- бетон надежно защищает арматуру из стали, которая теряет свою прочность при высокой температуре. Защищена арматура в железобетоне и от разрушающего действия влаги, химически активных веществ и других вредных воздействий.

Особого внимания заслуживают железобетонные конструкции с предварительно напряженной арматурой. В балках из обычного железобетона под действием нагрузок бетон растягивается вместе с арматурой, и в нем могут появиться мелкие трещины, открывающие влаге доступ к арматурной стали, что может привести к коррозии и разрушению арматуры.

Если же стальную арматуру предварительно, до укладки в опалубку бетонной смеси, растянуть, а затем, после затвердения бетона, отпустить, то арматура, стремясь вернуться в первоначальное состояние, обожмет и окружающий бетон. Возникающие в такой конструкции под действием внешней нагрузки растягивающие напряжения уже не приведут к образованию опасных трещин в бетоне. Предварительно напряженные конструкции оказались и прочнее и экономичнее, чем обычные ненапряженные, хотя изготовить их, конечно, сложнее - требуется специальное оборудование для предварительного напряжения арматуры.

Замечательные свойства железобетона по праву сделали его важнейшим материалом современного строительства. С применением железобетона строятся почти все городские жилые здания, а также промышленные и гражданские здания и сооружения.

Русские инженеры еще в конце прошлого - начале нашего столетия воздвигали выдающиеся для того времени сооружения из железобетона, например мост пролетом 45 м в Нижнем Новгороде (г. Горький), первый в мире железобетонный маяк в Николаеве, крепости в Кронштадте и Севастополе. А русские ученые внесли большой теоретический вклад в изучение свойств бетона и железобетона. Советские ученые и инженеры в 30-е годы предложили принятые ныне во всем мире новые методы расчета железобетонных конструкций.

Так удобнее в работе

В зависимости от того, как удобнее строителям, бетон поступает на стройку или в виде сырой бетонной смеси, или в виде готовых изделий.

Для возведения конструкций из монолитного бетона строители прямо на стройплощадке сооружают опалубку, в которую укладывают бетонную смесь. Опалубка - обычно сложное сооружение, она должна выдерживать давление сырой бетонной смеси, пока бетон твердеет и набирает необходимую проч-.ность. После этого опалубку разбирают - она уже не нужна. Устройство опалубки - дело трудоемкое, требует много материалов (дерева и металла). Бетонную смесь при изготовлении монолитных бетонных сооружений обычно готовят вблизи места строительства, потому что при длительной транспортировке она начнет схватываться раньше, чем будет уложена в опалубку. А кроме того, приходится ждать, пока бетон наберет необходимую прочность. Монолитный бетон обычно применяют при сооружении плотин, мостов, трибун стадионов, некоторых видов фундаментов и других массивных конструкций.

Большинство зданий и многие сооружения удобнее собирать из отдельных железобетонных элементов, изготовленных на заводе, т. е. из сборного железобетона. Тогда на стройке не надо заботиться о приготовлении и укладке бетонной смеси, тратить время на монтаж и разборку опалубки. А прочность зданий и сооружений из сборных железобетонных элементов не уступает монолитным благодаря тому, что арматуру этих элементов прочно соединяют между собой сваркой, а зазоры между элементами заполняют бетоном или раствором - замоноличивают.

Широкое применение во всех, областях строительства сборного железобетона-большая заслуга советских строителей.

Сборный железобетон целесообразно изготовлять, применяя многократно используемую опалубку и ускоренные процессы твердения бетонной смеси.

Дело в том, что при нормальной температуре и влажности обычный бетон твердеет довольно медленно. Но при повышенной температуре во влажной среде твердение бетона ускоряется в десятки раз. Такой процесс называется пропариванием. Естественно, что наиболее благоприятные условия для изготовления сборных бетонных и железобетонных элементов конструкций и изделий могут быть созданы лишь на заводе.

Широкое распространение индустриальных методов строительства, при которых большая часть наиболее сложных и трудоемких процессов переносится со строительной площадки на завод, отразилось не только на железобетоне.

Не так давно почти все жилые дома в наших городах строили из кирпича (его размеры -25 X 12 X 6,5 см, масса - около 4 кг). Теперь дома собирают из панелей, размеры которых измеряются метрами, толщина - десятками сантиметров, масса - тоннами. Одна такая панель заменяет сразу сотни кирпичей, а устанавливается она на место за несколько минут. Каменщику пришлось бы выкладывать такую же стену из кирпича несколько часов. Кроме того, кирпичную стену надо штукатурить, тогда как панель готова к окраске или оклейке обоями.

Металлические фермы покрытий цехов сваривают не на месте строительства, как это делали раньше, а привозят готовыми с завода металлоконструкций.

Железнодорожный путь укладывается из готовых секций, в которых рельсы уже соединены со шпалами.

Паркетные полы настилаются не из отдельных дощечек-клепок, а из изготовленных на заводе щитов площадью до 2,5 м².

Другими словами, промышленность поставляет на стройку все чаще не материалы или отдельные детали конструкций, а укрупненные изделия, целые элементы будущих зданий и сооружений.