Начиная с 2007 г. большинство населения Земли живет в городах, построенных преимущественно из бетона. Естественно, в городском строительстве используется множество других материалов: небоскребы имеют стальной каркас, покрытый стеклом и металлом; индивидуальные дома в пригородах американских городов строят из дерева (бруса, фанеры, досок) и гипсовых перегородок (и часто облицовывают кирпичом или камнем); в настоящее время для строительства многоэтажных жилых домов также применяется композитная древесина[249]. Но небоскребы и высотные дома стоят на бетонных сваях, и бетон используется не только для фундамента, но и для стен и потолков, и он присутствует во всей городской инфраструктуре — от подземных инженерных сетей (трубы большого диаметра, кабельные каналы, водостоки, тоннели метро) до наземной транспортной инфраструктуры (тротуары, дороги, мосты, причалы, взлетные полосы аэропортов). Современные города — от Сан-Паулу и Гонконга (с многоэтажными жилыми башнями) до Лос-Анджелеса и Пекина (с разветвленной сетью дорог) — являются олицетворением бетона.
В Древнем Риме бетон изготавливали из гипса, негашеной извести и вулканического песка, и этот превосходный и долговечный материал позволял строить грандиозные сооружения, в том числе огромные купола. Пантеон стоит в Риме почти 2 тысячи лет (строительство завершили в 126 г.), но до сих пор остается крупнейшим в мире купольным сооружением из неармированного бетона[250]. Процесс изготовления современного бетона был запатентован только в 1824 г. английским каменщиком Джозефом Аспдином. Его гидравлический раствор получался обжигом известняка и глины при высоких температурах: известь, кремний и алюминий, содержащиеся в этих материалах, спекались в стеклоподобное вещество, которое затем измельчалось, превращаясь в портландцемент[251]. Аспдин выбрал это название (его часто используют и сегодня), потому что после застывания и реакции с водой похожий на стекло клинкер приобретал цвет как у известняка с острова Портленд в проливе Ла-Манш.
Как уже отмечалось выше, новый материал отличался высокой прочностью на сжатие; современный бетон может выдержать давление более 100 мегапаскалей — такое давление оказывает африканский слон, стоящий на мелкой монетке[252]. Другое дело — прочность на разрыв. Бетон разрушается уже при нагрузках от 2 до 5 мегапаскалей (человеческая кожа и то прочнее). Вот почему масштабное применение бетона в строительстве началось только после успешного армирования сталью, что сделало этот материал пригодным для изготовления деталей конструкций, испытывающих серьезные нагрузки на разрыв.
В 1860-х и 1870-х гг. французы Франсуа Куанье и Жозеф Монье получили первые патенты на армирование бетона (Монье был садовником и начал использовать железную сетку для армирования своих декоративных кадок), но настоящий прорыв случился в 1884 г., когда Эрнст Рэнсом предложил использовать стальные стержни[253]. Конструкция современных вращающихся печей для производства цемента, где минералы спекались при температуре 1500 °C, была предложена в 1890-х гг., и ее появление позволило использовать бетон в масштабных проектах. Первым небоскребом из железобетона стало шестнадцатиэтажное знание Ingalls Building, построенное в Цинциннати в 1903 г.[254]. Всего три года спустя Томас Эдисон выразил убеждение, что в Америке бетон должен заменить дерево при строительстве индивидуальных домов, и начал конструировать и строить такие дома в Нью-Джерси; в 1911 г. он предпринял неудачную попытку создать бетонную мебель, в том числе спальные гарнитуры, и даже отлил из бетона копию своего самого любимого изобретения, фонографа[255].
Одновременно с неудавшимся проектом Эдисона швейцарский инженер Роберт Майар заложил основы нового способа применения этого материала, который используется по сей день: мосты из железобетона. Начал он с относительно небольших мостов в Цуоце в 1901 г. и в Тавансе в 1906 г. Самое знаменитое его сооружение, арочный мост Салгинатобель через альпийское ущелье, был закончен в 1930 г. и в настоящее время внесен в швейцарский реестр объектов культурного наследия[256]. Сооружениями из железобетона также увлекались архитекторы Огюст Перре во Франции (элегантные жилые дома и Театр Елисейских Полей) и Фрэнк Ллойд Райт в США. Самые известные проекты Райта в период между двумя мировыми войнами — это отель «Империал» в Токио, законченный незадолго до землетрясения 1923 г., которое сровняло город с землей и повредило новое здание, и «Дом над водопадом» в Пенсильвании, построенный в 1939 г. Его последним знаменитым проектом из железобетона стал Музей Гуггенхайма в Нью-Йорке, сооружение которого завершилось в 1959 г.[257].
Прочность железобетона на разрыв увеличилась еще больше после того, как изобрели способ предварительного напряжения упрочняющей сетки или стержней перед заливкой бетоном (предварительное напряжение арматуры достигается с помощью концевых анкеров, к которым прикладывается усилие, снимающееся после затвердения раствора). Применяют также постнапряжение, когда предварительно уложенные в конструкции арматурные канаты натягиваются и закрепляются анкерами на торцах конструкции с помощью специальных устройств. Первым сооружением, где применялся преднапряженный железобетон, был мост в Плугастеле близ Бреста, построенный Эженом Фрейсине в 1930 г.[258]. Но самое известное сооружение из предварительно напряженного бетона — это необычное, похожее на парус белое здание Сиднейской оперы по проекту архитектора Йорна Утзона (строилось с 1959 по 1973 г.)[259]. Мировой рекорд среди мостов принадлежит Даньян-Куньшаньскому виадуку длиной 164,8 километра (строительство закончено в 2010 г.), по которому проложены пути скоростной железнодорожной магистрали, соединяющей Пекин и Шанхай[260].
В настоящее время армированный бетон используется при строительстве всех современных зданий и объектов транспортной инфраструктуры, от причалов до сегментных колец, которые устанавливают современные машины для прокладки туннелей (под Ла-Маншем и в Альпах). Стандартное скоростное шоссе в Америке представляет собой 28-сантиметровый слой неармированного бетона, уложенный поверх слоя (толщиной в два раза больше) из натуральных заполнителей (камней, гравия, песка). Вся система американских скоростных магистралей содержит около 50 миллионов тонн цемента, 1,5 миллиарда тонн заполнителей и всего лишь около 6 миллионов тонн стали (опорные конструкции и дренажные трубы)[261]. Взлетно-посадочные полосы аэропортов (длиной до 3,5 километра) имеют основу из армированного бетона, толщиной до 1,5 метра в зонах приземления, чтобы выдержать сотни тысяч ударов в год при посадке самолетов весом до 380 тонн (Airbus 380). Например, для самой длинной взлетно-посадочной полосы в Канаде (4,27 километра, аэропорт Калгари) потребовалось более 85 000 кубометров бетона и 16 000 тонн стали[262].
Но самые масштабные сооружения из железобетона — это плотины. Эпоха этих гигантов началась в 1930-х гг. с сооружения дамбы Гувера на реке Колорадо и дамбы Гранд-Кули на реке Колумбия. На уникальную дамбу Гувера в ущелье к юго-востоку от Лас-Вегаса пошло около 3,4 миллиона кубометров бетона и 20 000 тонн арматурной стали, в два раза большее количество стали для обшивки и труб, а также 8000 тонн конструкционной стали[263]. Во второй половине XX в. были построены сотни подобных гигантских сооружений, а для самой большой из них, китайской плотины «Три ущелья» на реке Янцзы, вырабатывающей электричество с 2011 г., потребовалось 28 миллионов кубометров бетона, армированного 256 500 тоннами стали[264].
С 1900 по 1928 г. годовое потребление цемента в США выросло в три раза, достигнув 30 миллионов тонн, а послевоенный строительный бум — в том числе прокладка системы скоростных автострад и расширение аэропортов — увеличил его еще втрое к концу столетия. Максимум в размере 128 миллионов тонн был достигнут в 2005 г., а в настоящее время этот показатель составляет около 100 миллионов тонн в год[265]. Но это лишь малая доля от ежегодного спроса в крупнейшем в мире потребителе цемента, Китае. В 1980 г. в начале процесса модернизации в стране производилось меньше 80 миллионов тонн цемента. В 1985 г. Китай обогнал США и стал крупнейшим в мире производителем, а в 2019 г. объем выпуска цемента в стране составил около 2,2 миллиарда тонн, чуть больше половины мирового производства[266].
Вот наиболее яркий показатель такого резкого роста — всего за два года, 2018 и 2019 гг., Китай произвел почти столько же цемента (около 4,4 миллиарда тонн), сколько США за весь XX в. (4,56 миллиарда тонн). Неудивительно, что сегодня Китай может похвастаться самыми крупными в мире системами автострад, скоростных поездов и аэропортов, а также самым большим количеством гигантских гидроэлектростанций и новых городов с населением в несколько миллионов человек. Еще одна удивительная цифра: сегодня за один год в мире используется больше цемента, чем за всю первую половину XX века. И (одновременно к счастью и к сожалению) эти огромные массы современного бетона не проживут так долго, как кессонный купол Пантеона.