Цемент обладает замечательным свойством: если его смешать с водой, то полученная жидкая смесь через несколько часов превращается в прочный камень. И этот процесс необратим: затвердевший цементный камень в воде не размокает.
Бетон, применяемый современными строителями, изготавливается из смеси цемента, воды, песка и щебня. Песчинки заполняют пространство между частицами щебня и вместе с ними образуют своего рода «скелет», каркас, склеенный, омоноличенный затвердевшим цементным раствором. Бетон — это искусственный камень. Он долговечен, прочен, огнестоек. Чем старше бетон, тем больше его прочность: в этом отношении бетон отличается от всех других строительных материалов, ибо, как известно, и дерево, и железо, и кирпич, и гранит со временем стареют, их прочность постепенно уменьшается.
От природного камня бетон отличается и ещё одним ценным свойством. Обработка камня — довольно трудоёмкое дело, а изделиям из бетона нетрудно придать любые очертания. Жидкий бетон легко заполняет всю опалубку — так строители называют те формы, в которых изготавливается, отливается бетонная конструкция. Утрамбовывая бетон, строители добиваются того, что он заполняет все детали даже самой сложной по форме опалубки. Из бетона можно изготовить и колонну, и свод, и фундамент, и вазу, и даже статую. Это свойство бетона было умело использовано авторами огромного мемориального комплекса на Мамаевом кургане в Волгограде — скульптором Е. В. Вучетичем, архитектором Я. Б. Белопольским и их помощниками. И монументальная, словно вырастающая из скалы скульптура воина с гранатой, и суровые пропилеи с отпечатками израненных снарядами стен города-героя, и статуя скорбящей матери — всё это было отлито из бетона.
Как и всякий камень, бетон хорошо воспринимает сжимающие напряжения, но при этом очень боится растягивающих напряжений: в тех местах конструкции, где появляется растяжение, бетон может легко растрескаться. Чтобы этого не произошло, бетон надо укрепить в соответствующих местах железными стержнями — «арматурой». Железные стержни примут на себя возникающие в конструкции растягивающие напряжения и не позволят бетону растрескаться.
Рассмотрим, например, как «работает» под нагрузкой самая простая железобетонная конструкция — однопролётная балка.
Под воздействием нагрузки балка прогибается вниз. При этом в верхней зоне возникают сжимающие напряжения, а в нижней — растягивающие[5].
И дерево, и железо одинаково хорошо сопротивляются как сжатию, так и растяжению.
А бетон, хорошо «работая» на сжатие, в то же время почти не способен воспринимать растягивающих напряжений. Поэтому в середине пролёта бетонная балка может легко треснуть. Эти трещины в бетоне начнут появляться у нижнего края балки — там, где действуют растягивающие напряжения.
Из обычного бетона балку сделать нельзя: она едва выдержит свой собственный вес. Необходимо её усилить, «вооружить» железной арматурой. Конечно, арматуру надо ставить не где попало, а именно там, где бетон может растрескаться — то есть вблизи нижнего края балки. Когда такая армированная балка начнёт прогибаться под воздействием нагрузки, то возникающие при этом в её верхней зоне сжимающие напряжения будут восприниматься бетоном, а растягивающие напряжения примет на себя железная арматура.
Иначе надо расположить арматуру в консоли — так называется балка, закреплённая одним концом в стене. Под действием силы тяжести консоль стремится отогнуться вниз, при этом растяжение возникает в её верхней зоне, и арматуру надо, соответственно, расположить наверху.
На наших рисунках мы показали лишь схему размещения главной арматуры. В действительности даже в самой простой однопролётной балке располагается много арматурных стержней. Помимо толстых стержней главной арматуры устанавливаются монтажные стержни, «хомуты» и т. д. Они необходимы для того, чтобы обезопасить балку от всяких случайностей, избежать трещин от изменения температуры, от так называемых «косых» напряжений, возникающих вблизи опор.
Одно из главных достоинств железобетона заключается в том, что из него можно сооружать самые разнообразные конструкции: балки, арки, плиты, колонны, своды, купола и т. д. Достаточно изготовить опалубку соответствующей формы, поставить в нужных местах железную арматуру, а затем заполнить опалубку бетоном и плотно утрамбовать. Через некоторое время, когда бетон затвердеет и наберёт достаточную прочность, опалубку можно снять — и железобетонная конструкция будет готова.
Союз железа и бетона оказался удивительно удачным и плодотворным. Оба «союзника» великолепно дополняют друг друга. Железо, воспринимая растягивающие напряжения, оберегает бетон от трещин. Бетон, покрывающий со всех сторон арматуру, защищает её от ржавчины.
Оба материала были словно созданы друг для друга. Они надёжно слипаются, а их коэффициенты температурного расширения практически одинаковы.
Железобетон унаследовал лучшие свойства обоих «родителей». Он обладает прочностью металла и долговечностью камня. Железобетонные конструкции по разнообразию и изяществу очертаний конкурируют со стальными, но в то же время не боятся ржавчины, огня, хорошо чувствуют себя и в пресной, и в солёной воде. И при этом железобетон намного дешевле, чем сталь или камень.
Поэтому понятно, что железобетон стал едва ли не самым распространённым строительным материалом.
Железобетон заставил «потесниться» камень даже в таких традиционно «каменных» типах конструкций, как колонны и арки. Применение железной арматуры не только увеличило их прочность, но и существенно повлияло на их архитектурный облик. Железобетонные колонны получаются намного стройней, чем каменные или бетонные. Очертания железобетонных арок также заметно отличаются от их каменных «родственниц»; их пролёты намного больше, а сами арки оказываются гораздо легче и изящнее. Пролёты современных железобетонных арочных мостов уже перешагнули триста метров, а выдающийся французский инженер Фрейссинэ разработал проект железобетонного моста с пролётом 1000 метров.
Способность железобетона одинаково хорошо воспринимать и сжатие, и растяжение привела к появлению новых типов конструкций.
У каменных и бетонных арочных мостов проезжая часть всегда располагалась только над аркой. А из железобетона можно соорудить арочный мост иного типа — с проезжей частью, подвешенной к арке снизу. Такие мосты особенно удобны на реках с низкими берегами. Характерный пример — Володарский мост в Ленинграде, построенный в 30-х годах по проекту инженера Г. П. Передерия. Его стометровые арки «с ездою понизу» были выдающимся достижением строительной техники тех лет.
Очень рациональны и экономичны железобетонные рамы — строительные конструкции, составленные из вертикальных и горизонтальных стержней. Стержни монолитно соединяются друг с другом — благодаря этому вся конструкция активно включается в работу, даже если сила приложена только в одной точке. Вертикальные и горизонтальные элементы рамы как бы взаимно помогают друг другу, образуя единый, слаженный «коллектив».
