Невидимый конфликт

О бетоне мы рассказывали уже достаточно много. В сущности, это просто искусственный камень. Но, в отличие от природного камня, бетон может принимать различные конструктивные формы, застывать в самых необычных, нестандартных положениях, что делает его идеальным материалом для архитектурно-строительного творчества. С течением времени его прочность на сжатие (а она, как мы уже знаем, действительно каменная) не только не уменьшается, а, напротив, увеличивается. Хотя его рабочая диаграмма сильно отличается от рабочей диаграммы идеально упругого тела, но это не так уж страшно. Хуже то, что деформации реализуются не сразу после нагрузки, а медленно, постепенно, с течением времени; бетон ползет. Такая ползучесть бетона — весьма неприятное свойство, поскольку ведет к перераспределению усилий, которое трудно предусмотреть. Деформируемость бетона является причиной и другого типа перераспределения усилий, которое, в отличие от первого случая, оказывается даже желательным. Пластичность и «податливость» материала подобна аварийным клапанам в паровых котлах; благодаря этому опасность взрыва и катастрофы резко уменьшается. Более того, естественная «податливость» бетона приводит к более активному включению в работу слабо нагруженных сечений элемента, и конструкция используется более полноценно. Разумеется, поскольку это связано с пластическими деформациями, существует и оборотная сторона. Однако важнее другое — отсутствует опасность хрупкого, внезапного разрушения при работе бетона на сжатие.

Низкая цена и недефицитность бетона несколько омрачаются его исключительно малой прочностью на растяжение. Не трудно себе представить, где именно сильнее всего скажется это пренеприятное обстоятельство — в работе бетона на изгиб. Задолго до того, как будет полностью включена в работу зона сжатия и появятся описанные выше пластические явления, растягиваемая зона окажется на пороге разрушения.

А теперь несколько слов о «партнере» бетона — стали. Сталь — один из самых прочных материалов, известных человеку. Но и один из самых дорогих. В железобетоне используется почти исключительно прочность стали на растяжение, благодаря чему получается новый, сверходнородный композиционный материал. Замечательно в этом симбиозе то, что по сравнению со стальными конструкциями расход стали значительно снижается. Роль стали в железобетонных конструкциях подобна роли, которую играет в химических реакциях катализатор: относительно небольшие количества его превращают слабые или даже невозможные в иных условиях реакции в бурно протекающий процесс большого практического значения. Только в случае железобетона речь идет не о химических, а о механических свойствах. Минимальный расход такого дорогого материала, как сталь, не оказывает большого влияния на стоимость нового продукта. Железобетон несколько дороже бетона, но намного дешевле стали.

Причем сталь в данном случае попадает в «хорошие руки». Она защищена от коррозии, не нуждается в специальном уходе, а следовательно, и не требует дополнительных затрат. Более того, если даже в железобетонные конструкции закладывается арматура, которая находится в начальной стадии коррозии, то с течением времени она полностью очищается от ржавчины. Сталь хорошо защищена и от воздействия высоких температур, которые могли бы возникнуть во время пожара и самым неприятным образом отразиться на незащищенном металле. Кроме того, бетон и сталь, к счастью, имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. В противном случае при изменении температуры возникали бы значительные внутренние напряжения, что сделало бы невозможным сосуществование этих двух материалов. Подобный иммунный барьер у живых организмов обычно ведет к гибели одного из «партнеров». Между сталью и бетоном такой «иммунной несовместимости» нет.

В железобетоне, как в математике, минусы взаимно нейтрализуются, а плюсы складываются. В результате получается исключительно удачная композиция из двух совершенно противоположных материалов. Сталь сообщает бетону столь необходимую ему прочность на растяжение, а бетон надежно защищает ее от внешних воздействий. Но в чем же «общая идея» этого материала?

Впервые с ее описанием мы встречаемся в американском патенте № 206112, выданном 16 июля 1878 г. на имя Тадеуша Хайата, коренного американца польского происхождения. Там мы можем прочесть: «Цементобетон — это бетон, изготовленный из цемента … в таком сочетании со сталью круглого сечения, что сталь помещается в областях, где есть растягивающие усилия». В 1885 г, та же идея была высказана немцем Кёненом.

Рис. 32. Принцип армирования: сталь концентрируется в областях, где возникают растягивающие напряжения