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

Следующие несколько лет я буду наблюдать, как строится огромный небоскреб возле моего дома. Глазам моим откроется необычайное зрелище, настоящий инженерный подвиг, но самое главное – я очень хорошо узнаю, что такое бетон.

Работа началась с рытья огромного котлована. Говоря «огромного», я имею в виду чудовищно огромного. Неделя за неделей я совмещал походы за хлебом с наблюдениями сквозь дыру в заборе за работой гигантских машин. Они выгребали землю, зарываясь все глубже и глубже, как будто что-то искали. Но выкапывали они всего лишь глину, нанесенную за сотни тысяч лет рекой Темзой. Это была та же вязкая, плотная глина, которую всегда использовали для обжига кирпичей при строительстве жилых и складских помещений в центре Лондона. Но для «Осколка» ее использовать не собирались.

В тот день, когда они извлекли всю глину, в котлован было залито семьсот полных грузовиков бетона под будущий фундамент. Теперь он держит на себе небоскреб о семидесяти двух этажах и не дает ему осесть в землю вместе со всеми его двадцатью тысячами обитателей. Огромный котлован заполнили бетоном, который укладывали слой за слоем, до тех пор, пока гигантская яма полностью не исчезла и на ее месте не возник подземный кафедральный собор из твердеющего бетона. Строители поработали на славу, хоть и очень спешили: по финансовым соображениям постройку башни начали до того, как фундамент окончательно застыл.

«Как вы думаете, когда высохнет бетон?» – спросил мужчина с собакой. Вместе со мной он глядел в дыру. «Понятия не имею», – солгал я.

Ложь была способом закончить разговор поскорее, и свою задачу она выполнила. Это была привычная ложь лондонца, который старается вежливо избегать бесед с незнакомцами. Особенно если не знает, как человек или его собака отнесется к неизбежной грубости правдивого ответа: бетон не высыхает. Все в точности наоборот: вода становится неотъемлемой частью бетона. Когда бетон затвердевает, он взаимодействует с водой, запуская цепочку химических реакций, в результате которых образуется сложнейшая микроструктура. С большим запасом скрытой влаги бетон не высыхает, а становится водонепроницаемым.

Схватывание бетона – интересный химический процесс, активным участником которого является измельченный камень. Причем подойдет не любой – чтобы сделать бетон, вам понадобится карбонат кальция, основной компонент известняка. Эта порода образована спрессованными за миллионы лет живыми организмами, слои которых затем перемешались под воздействием высокой температуры и давления, вызванных движением земной коры. Вам также понадобится порода, содержащая силикат (соединение, включающее кремний и кислород; составляет около 90 % земной коры); на эту роль вполне подойдет какая-нибудь глина. Но измельчение этих пород и смешивание их с водой само по себе еще не приведет к желаемому результату – получится всего лишь илистая грязь. Чтобы создать необходимый ингредиент, который вступит в реакцию с водой, нужно освободить химические элементы от имеющихся химических связей.

Это непросто. Связи весьма устойчивы – именно поэтому породы нелегко растворяются и не вступают в реакцию со многими веществами, а сохраняются в благоприятных и неблагоприятных климатических условиях многие миллионы лет. Фокус в том, чтобы нагреть их до экстремально высокой температуры, 1450 °C, которая намного превосходит температуру дровяного или угольного пламени, составляющую максимум 600–800 °C. Раскаленное пламя приобретает белый цвет, без малейшего желтого или красного оттенка, скорее оно отдает голубым и до того ослепительно, что на него страшно и почти больно смотреть.

При такой температуре порода распадается и формируется заново в виде группы соединений под названием силикаты кальция. Да, это целое семейство соединений, поскольку на результат влияет множество ничтожных примесей. Если вы хотите получить именно бетон, хороши породы, богатые алюминием и железом, но лишь взятые в правильных пропорциях. Как только все остынет, получится мелкий порошок серо-белого, лунного цвета. Поворошив его пальцами, вы ощутите шелковистую текстуру пепла – есть в этом ощущении что-то атавистическое, – но вскоре на коже появится сухость. Это особый материал со скучным именем «цемент».

Если добавить к порошку воды, он тут же впитает ее и потемнеет. Но вместо грязного месива, которое обычно образуется при разжижении тонко измельченной породы, цепочка химических реакций рождает гель – полутвердое зыбкое вещество. Желе, которое обычно подают на детских праздниках, – это тоже гель, как и многие зубные пасты. Гель не расплескивается, подобно жидкости, поскольку обладает внутренним каркасом. Если каркас желе состоит из желатина, то каркас цемента – из фибрилл гидрата силиката кальция. Фибриллы – это кристаллоподобные нитевидные отростки молекул кремния и кальция, растворенных в воде, напоминающие органические соединения (см. рисунок на стр. 69). Рост внутреннего каркаса и последующие химические реакции приводят к постоянному изменению геля внутри цемента.

Фибриллы силиката кальция, растущие внутри затвердевающего цемента

Отросшие фибриллы смыкаются, образуя химические связи и поглощая все больше и больше воды, пока масса не превратится из геля в твердое вещество. Фибриллы образуют связи не только между собой, но и с другими породами. Так цемент превращается в бетон. Цементом скрепляют кирпичи или каменные блоки при строительстве домов и памятников. В обоих случаях с ним не слишком церемонятся и просто загоняют в швы – это просто клей для наружных поверхностей. Когда он же он, смешанный с мелкими камешками в роли крошечных кирпичиков, превращается в бетон, то становится строительным материалом.

В любой химической реакции важны пропорции, в противном случае можно все испортить. Если добавить в цементный порошок слишком много воды, то часть ее не вступит в реакцию с силикатом кальция и будет накапливаться, ослабляя структуру бетона. При нехватке воды, наоборот, останется «бесхозным» некоторое количество цементного порошка, что также вредит структуре. Именно эти ошибки приводят, как правило, к порче бетона. Если вовремя ее не заметить, плохой бетон через много лет может стать причиной катастрофы. Гигантские разрушения во время землетрясения на Гаити в 2010 году объясняются стремлением к дешевизне строительства и применением некачественного бетона. Около 250 тысяч зданий рухнули, похоронив под собой более 300 тысяч человек и оставив без крова еще около миллиона. Хуже всего, что катастрофа на Гаити не является чем-то экстраординарным. Такие бетонные бомбы замедленного действия разбросаны по всему миру.