Цемент, бетон и железобетонные конструкции

Среди вяжущих строительных материалов главное место в середине XIX в. занимали цементы. Романцемент стал известен в 1776 г. в Англии. В России романцемент впервые получил в 1825 г. Е. Г. Челиев [37, с. 43]. Первый завод романцемента был построен П. Е. Роше в 1848 г. под Петербургом.

Во второй половине XIX в. производство романцемента в России увеличилось. На романцементе завода П. Е. Роше был возведен ряд важных зданий, портовых сооружений, дамб, военных укреплений и т. п.

Портландский цемент впервые был получен англичанином Джонсоном в 1844 г. Его применение в растворах показало высокую прочность изделий. Портландцемент стал быстро распространяться, однако строительство заводов для его производства началось позднее. Так, первый завод портландцемента во Франции был построен в 1852 г., в Германии - в 1854 г., в России - в 1857 г.

До 1863 г. новые цементные заводы в России не строились. После отмены крепостного права до промышленного кризиса 1870-1873 гг. было построено пять новых заводов романцемента и портландцемента. Медленное развитие производства цемента в России продолжалось до 90-х годов, когда в русской промышленности начался подъем. За короткое время, с 1897 до 1900 г., было построено более 20 цементных заводов. Всего к концу XIX в. выпускали цемент 34 завода. Кризис промышленного производства 1900-1903 гг., а затем революционные события 1905-1907 гг. задержали строительство цементных заводов. В течение первых шести - семи лет XX в. было построено всего несколько цементных заводов. Но уже за время с 1908 по 1913 г. производство цемента резко возросло: к 1914 г. в стране работало 57 цементных заводов.

Таким образом, русская цементная промышленность развивалась скачкообразно и неравномерно. Это, однако, способствовало тому, что рост цементной промышленности сопровождался непрерывным улучшением технологии производства и увеличением мощности оборудования. Так, если на первом заводе портландцемента обжиг сырья производился в простых шахтных печах высотой до 5 м, то завод портландцемента И. И. Цехановского смешивал сырье в пяти смесительных механических установках, а обжиг велся в 12 шахтных печах периодического действия.

В 1916 г. из 58 заводов портландцемента шахтные печи имелись на 25 предприятиях. Эти печи были уже достаточно сложными сооружениями. Каждая обеспечивала выпуск цемента от 20 до 30 т в сутки. 22 завода имели цилиндрические вращающиеся печи с суточным выпуском клинкера до 40-60 т каждая. И заводов были оборудованы печами обоих типов [38, с. 134]. Всего в России в 1914 г. имелось 160 шахтных печей и 50 цилиндрических вращающихся.

Имея новейшую технику цементного производства конца XIX и начала XX в., а также совершенную технологию выработки цемента, Россия в 1898-1900 и 1913-1914 гг. занимала третье место в Европе по производству цемента.

К концу XIX в. русская цементная промышленность полностью удовлетворяла потребности строительства в цементе. Постепенно ввоз заграничного цемента стал сокращаться. Этому отчасти способствовало распоряжение директора департамента железных дорог Д. И. Журавского о том, чтобы для железнодорожных работ принимался цемент только русского производства.

В 1913 г. 41 заводом было произведено 2 млн. т цемента [38, с. 135].

Качество русского портландцемента было высокое. Каждый завод имел лабораторию и контролировал продукцию. Кроме того, заводы предоставляли образцы цементов для испытания хорошо оборудованным лабораториям ведомств. Так, химический состав цемента завода П. Е. Роше был проверен в 1862 г. лабораторией горного ведомства в Петербурге. Цемент этого же завода испытывал и А. Р. Шуляченко в 1869 г.

По инициативе владельцев цементных заводов в 1885 г. были организованы съезды цементной промышленности. Работами съездов руководил вначале А. Р. Шуляченко, а затем Н. А. Белелюбский. На съездах решались основные научные, технические и организационные вопросы цементного производства. На одном из съездов, в 90-х годах, А. Р. Шуляченко говорил: "Русский портландцемент по своим качествам нисколько не уступает заграничному лучших марок. Будем стараться удешевить производство его, и мы окончательно вытесним с нашего рынка заграничный товар" [38, с. 129].

Первые технические условия на приемку и поставку портландских цементов были составлены Н. А. Белелюбским и А. Р. Шуляченко. В 1881 г. эти условия были утверждены.

В середине XIX в. в строительстве широко применялся бетон. Из него строились массивные сооружения: фундаменты, подпорные стены, крупные детали портовых и военных объектов и т. п.

Составы бетонов устанавливались в зависимости от рода сооружения. Чаще всего это были смеси цементов с песком и щебнем в соотношении 1:2, 5:4, с прочностью на сжатие 150 кг/см². Но распространен был бетон и с прочностью 90 кг/см².

Бетон применялся и для стен жилых зданий. Бетонные стены копировали формы кирпичных, толщина их назначалась такой же, как и для стен из кирпича. В бетонные стены по образцу кирпичных закладывались железные связи. В конце XIX в. в строительстве зданий, в кладке стен стали применять бетонные камни вместо кирпича.

В 1916 г. И. А. Киреенко начал бетонирование сооружений в зимнее время. Это был первый опыт строительства зимой. Чтобы бетон не замерзал до окончания схватывания в течение 36 час., применялись подогретые компоненты бетона, а уложенный бетон укрывался теплыми материалами [39].

В строительстве нашли большое применение цементные растворы: цемент с песком, цемент - известь - песок. Растворы шли на штукатурку стен, кладку кирпича, на устройство карнизов и т. п. Составы этих растворов были различные - 1:2 или 1:3, но отощателем всегда был песок.

Из цементных растворов изготовлялись черепица для кровли, плитка для полов и другие детали. В мокрых помещениях жирными цементными растворами затирали полы по бетонному основанию и штукатурили стены.

Приготовление бетона чаще всего осуществлялось на месте производства работ. Бетон "гарцевался на бойке", т. е. смешивались на деревянном щите лопатами цемент, песок, вода и щебень. К месту укладки бетон подносили на носилках или подвозили на тачках. Опалубка, резка и гнутье арматуры выполнялись вручную. Бетон укладывался в опалубку и трамбовался ручными трамбовками.

На крупных строительствах имелись бетонные заводы, но все операции приготовления бетона были ручными. В конце XIX в. в России появились механизированные бетонные заводы. Они были оборудованы бетономешалками заграничного производства. Материалы к ним подавались вагонетками. В вагонетках отвозился и готовый бетон. Бетономешалки приводились в действие паровой машиной. Воду к бетономешалкам подавал паровой насос.

Долгое время вопрос о прочности бетонов не имел практического значения. Но с появлением более ответственных сооружений инженеры-строители и кафедры учебных заведений, имевшие отношение к строительству, начали изучать прочностные свойства бетонов. Так, в 1890 г, инженер И. Г. Самович обнародовал свои исследования бетонов и цементных растворов. Он установил, что количество воды существенно влияет на прочность бетона: чем меньше воды употребляется на изготовление определенного количества бетона, тем последний становится прочнее [40]. В Военно-инженерной академии в Петербурге профессор И. Г. Малюга экспериментально исследовал жесткие бетоны. Он обратил внимание на их прочность в зависимости от трамбования. Результаты исследований были опубликованы в 1895 г. в книге "Состав и способ приготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей прочности" [41, с. 183-184].

В 1900 г. была издана "Инструкция для производства бетонных работ", написанная на основании опыта возведения крепостных сооружений в Кронштадте.

В 1912 г. была опубликована работа Н. А. Житкевича "Бетон и бетонные работы", а в 1913 г. - работа И. П. Александрина "Строительный контроль качества бетона". Обе книги способствовали научному решению технологии производства бетонов.

Официальных нормативов по изготовлению бетона и производству бетонных работ до 1917 г. в России издано не было.

Строительные конструкции из бетона с железом появились во второй половине XIX в., хотя соединение этих материалов в частях зданий было известно еще в начале века.

В 1898-1899 гг. в Киеве А. С. Кудашев испытал восемь моделей железобетонных метровых балок и арку, чтобы узнать, можно ли при расчете железобетонных конструкций опираться на гипотезу плоских сечений. Опыты показали, что применение этой гипотезы в расчетах железобетонных конструкций возможно.

О соединении бетона с железом в России стало известно в 1859 г., когда "Инженерный журнал" (в № 4) опубликовал сообщение "О постройках из цемента и железа". В этом сообщении описывалась лодка Ламбо. Однако практическое применение железобетона в России началось много позднее. Лишь в 80-х годах в Москве были построены первые железобетонные сооружения. Это были своды фабричного здания, трубопровод длиной 500 м, железобетонные перекрытия, стены в бане и др. Построенная военным инженером Д. Жаринцевым в 1879 г. в Батуме бетонная стена, армированная прокатным железом, осталась незамеченной, пока об этом не сообщили на VIII съезде русских цементных техников и заводчиков в 1902 г.

В 1890-х годах строительство из железобетона в России значительно расширилось. Этому немало помогло образование в 1890 г. Акционерного общества для производства бетонных и других строительных работ, которое имело отделения в ряде городов. Обществом были построены железобетонные здания на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде в 1896 г. Среди железобетонных сооружений выделялся конструкционной легкостью пешеходный железобетонный арочный мост пролетом 45 м.

Строительство зданий и сооружений в конце XIX в. уже не обходилось без железобетона. Испытания железобетонных конструкций в Москве в 1886 г. и в Петербурге в 1891 г. окончательно рассеяли сомнения в надежности железобетона. В Москве на бойнях были испытаны две железобетонные плиты и два железобетонных свода. В Петербурге под руководством Н. А. Белелюбского испытывались железобетонные конструкции в натуральную величину: три типа плит, свод, труба в двух положениях (на сплошном основании и на двух опорах), резервуар, шестигранный закром элеватора и мост под обыкновенную дорогу пролетом 17 м. Все конструкции выдержали испытания. Было доказано, что железобетон вполне надежен и что его можно применять во всех видах инженерных сооружений.

В железнодорожном строительстве в конце XIX в. уже могли в широком объеме применять железобетонные конструкции. Но для этого нужно было согласие инженерного совета министерства путей сообщения. А такого согласия не было. Железобетонные конструкции на железных дорогах начали применять после петербургских и других испытаний. Так, в 1892 г. в Варшаве был испытан железобетонный мост, а на Московско-Казанской железной дороге были построены две пропускные железобетонные трубы. Фирма С. И. Рудницкого и Г. Н. Оришевского на трех железных дорогах приступила к постройке железобетонных резервуаров. Лишь в 1898 г. Н. А. Белелюбскому удалось убедить инженерный совет министерства путей сообщения принять постановление "О допущении железобетонных сооружений на железных и шоссейных дорогах ведомства путей сообщения".

Получив права гражданства, железобетон стал быстро внедряться на железных дорогах. Строились железобетонные мосты, путевые переходы, трубы, резервуары и другие конструкции. Строительство железобетонных железнодорожных мостов в начале XX в. быстро расширялось. Так, Г. П. Передерни сообщает, что если в 1899 г. в России был построен один железобетонный мост, то в 1901 г. построили шесть мостов, в 1904 г. - 26, в 1908 г. - 23 моста [42]. Железобетон решительно входил в строительную практику по всей стране. Многие города и земства строили железобетонные мосты и водопропускные трубы на шоссейных дорогах. Так, в Тамбовской губернии в 1905 г. построили первый железобетонный мост, а в 1912 г. в этой губернии уже было 50 таких мостов [43, с. 149].

В начале XX в. железобетон занял ведущее место в строительстве многоэтажных промышленных зданий. Их основными конструкциями являлись двухпролетные железобетонные рамы пролетами 18 и 26 м (рис. 76). Стойки и ригели этих рам имели переменное сечение и опирались шарнирно на продольные железобетонные ленточные фундаменты. На ленты были поставлены отдельные железобетонные подколенники с верхней круговой цилиндрической поверхностью выпуклостью вниз.

76. Схема двухпролетной рамы промышленного здания

Внедрению железобетона в промышленное строительство способствовали труды русских инженеров. Так, в 1897 г. вышла книга С. И. Рудницкого "Железоцементные конструкции"; в 1900 г. Н. А. Жидкевич опубликовал работу "Плоские междуэтажные перекрытия", в 1902 г. вышла книга Н. X. Пятницкого "Железобетонные сооружения системы Геннебика", в 1903 г. Б. Н. Акимов издал книгу "Железобетон".

В 1904 г. Н. А. Белелюбский в журнале "Цемент, его производство и применение" опубликовал статью "К составлению Технических условий для железобетонных конструкций". Это было первое предложение по изданию технических условий и норм по железобетону в России. Однако первые технические условия на строительство железобетонных сооружений были утверждены министерством путей сообщения только в 1908 г. Скоро эти условия были заменены другими, более полными и содержавшими нормы для расчета железобетонных сооружений на прочность (1911). Допускаемое напряжение на арматуру из литого железа в 1908 г. принималось в 800 кг/см², а в 1911 г. - в 1 тыс. кг/см². Такие же технические условия по железобетону выпускались рядом других ведомств. Все эти публикации вооружали строителей научными данными для принятия смелых решений при сооружении железобетонных конструкций.

А. Ф. Лолейт в 1908 г. построил в Москве производственное четырехэтажное здание, в котором впервые были применены безбалочные междуэтажные перекрытия. Это была новая конструктивная форма железобетона. Некоторые заграничные авторы писали, что родиной таких перекрытий была Америка, где их называли "грибовидными", так как верх колонны под плитой расширялся наподобие гриба. В конструкции А. Ф. Лолейта плита рассматривалась как упругая пластинка, опирающаяся на колонны. В этой конструкции небольшое утолщение плиты над колонной требуется для восприятия скалывающих усилий.

Под руководством А. Ф. Лолейта в 1908-1912 гг. было построено более 20 тыс. м² таких перекрытий.

Позже выяснилось, что расчет американских грибовидных перекрытий был весьма приближенным, так как автор расчета Г. Элли опирался на неверные исходные данные. В защиту своего приоритета А. Ф. Лолейт выступал в печати в 1916 и 1926 гг.

Железобетон внедрялся и в большие инженерные сооружения. Например, в 1904 г. в Николаеве был построен железобетонный маяк высотой 36 м. Толщина стенок башни маяка колебалась от 20 см внизу до 10 см вверху. Маяк проектировали русские инженеры Н. X. Пятницкий и А. Н. Барышников при экспертизе Н. А. Белелюбского.

В одноэтажном промышленном строительстве железобетонные конструкции иногда копировали формы деревянных и железных конструкций. Например, железобетонное покрытие над мастерскими Северной железной дороги в Ярославле было в 1909 г. сделано по раскосным железобетонным фермам с параллельными поясами в форме деревянных брусчатых конструкций [43, с. 157].

В начале XX в. в России железобетоном занимались русские и иностранные фирмы. Последние работали изолированно от русских, охраняя секреты расчетов и способов производства работ. Разнобой в практике строительства иногда приводил к авариям на стройках. Технологические условия и нормы 1911 г. навели некоторый порядок в производстве железобетонных работ. Но иностранное засилье оставалось. Русские инженеры продолжали развивать теорию железобетона. Так, на XII съезде русских цементных техников и заводчиков в 1908 г. в Москве инженер А. Н. Барышников докладывал "О несоответствии между опытами над железобетонными балками и принятыми немецкими способами расчета". Он доказал, что немецкая теория о влиянии сжатой арматуры на несущую способность балок не подтверждается экспериментально и что принятый в России немецкий метод расчета балок необходимо изменить.

Продолжались экспериментальные работы. В 1911 г. в Москве испытывались пятипролетные неразрезные железобетонные балки. Испытания показали возможность перераспределения моментов с опор в пролеты.

Исследованиями безбалочных перекрытий занимались в 1910-1912 г. А. Ф. Лолейт, В. М. Келдыш и И. С. Подольский. Они испытали безбалочное перекрытие, доведя его до разрушения, и получили исчерпывающие данные о работе, этой новой формы железобетонной конструкции.

К 1917 г. в нашей стране имелось вполне сложившееся производство железобетонных зданий и инженерных сооружений. Россия не отставала от других стран как по качеству сооружений из железобетона, так и в области применения этого нового материала, а в разработке теории железобетона и образовании новых конструктивных решений шла впереди других стран. Однако в производстве железобетонных работ имелось значительное отставание, поскольку почти все рабочие операции выполнялись вручную.