Новый компонент для раствора. Открытие Джоном Смитоном природного цемента. Эдистонский маяк
В нескольких милях к северу от Кобленца в Германии, вдоль живописного участка реки Рейн, который извивается через невысокие холмы низины Ньювид есть город Андернах. Этот безобидный городок, известный сегодня главным образом своим гейзером с холодной водой и кое-где сохранившимися руинами средневекового укрепления, на самом деле является одним из старейших европейских поселений к северу от Италии. Когда римляне основали здесь город Антуннакум в 17 году до н.э., он уже был кельтским поселением под названием Антуннуак, что означает “Деревня Антунноса". Уникальность Антунноса была утрачена с течением времени и из-за смены культурных пристрастий и языков.
В течение сотен тысяч лет земли вокруг Андернаха находились в зоне вулканической активности, а многие окружающие город холмы, на самом деле, являются эродированными остатками насыпей из золы. Римляне обнаружили что местный магматический камень идеально подходит для строительных целей а, в измельчённом виде, является идеальной пуццоланой для изготовления бетона. Местные жители в последствии называли камень трассом, вероятно, что это слово взяло свое начало от слова "терра", латинское слово для Земли. Особые свойства трасса были утрачены с годами в потрясениях, последовавших за падением Римской Империи.
Где-то в шестнадцатом веке жители Андернаха обнаружили, что трасс идеально подходит для вырезания жерновов. Он был достаточно мягким, чтобы легко резаться, но достаточно твердым, чтобы измельчать зерно, не подвергаясь очень сильному износу. Вскоре жернова стали одним из главных экспортных товаров Андернаха. Остатки стружки и порошка от производства жерновов, вероятно, сбрасывались в овраг или Рейн - прежде, чем кто-то понял как их можно использовать с пользой. Какой-то каменщик, очевидно, попытался заменить песок в известковом растворе порошкообразным трассом и обнаружил, что после затвердевания он тверже и прочнее обычного раствора. Он также затвердевал и набирал прочность под водой. Этот забытый экспериментатор заново открыл секрет римского бетона. Где-то в семнадцатом веке слухи о замечательных свойствах трасса дошли до голландцев.
Голландские торговцы бороздили Рейн на протяжении многих веков. Конец семнадцатого века был "золотым веком" голландской Республики: голландцы недавно сбросили ярмо испанского правления и основали республику, которую многие экономисты считают первым настоящим капиталистическим обществом. Их превосходный флот, укомплектованный первоклассными моряками, позволил голландцам основать колонии по всему миру, включая прибыльные острова со специями в Индонезии и ее архипелаге. Одной из причин успеха голландской Республики был ее яростный меркантильный характер, так как ее граждане всегда были в поиске интересных возможностей для бизнеса. Трасс вызывал деловой интерес.
Голландцы попробовали смешать трасс с известью и увидели, что это работает. Поскольку они строили дамбы, каналы и причалы в течение многих лет, они сразу же распознали коммерческий потенциал этого гидравлического строительного материала. Некогда бесполезные остатки от вырезания жерновов были быстро растащены равнинными торговцами. Как только эти припасы закончились они принялись за камни, которые были слишком малы чтобы стать жерновами. Я предполагаю, что они на самом деле предпочли горную породу. Камни были самой распространенной формой балласта в то время, и, наполняя камнями трюмы своих кораблей, они могли провезти их мимо таможни, такой трюк нельзя было проделать с бочонком порошка. Вернувшись в Голландию, торговцы размельчали трасс в порошок.
Почти сразу же после того, как голландцы удовлетворили внутренний спрос на трасс, они начали продавать его французам и англичанам. Они продавали трасс, но не много: его рассматривали как специализированный продукт, использование которого было в основном ограничено морским строительством. Британский инженер Джон Гранди и его сын Джон Гранди-младший использовали трасс для работ по строительству шлюзов на реке Витам в середине восемнадцатого века. Французский инженер Бернар Форест де Белидор упоминает его в своей книге "Архитектура и гидравлика", опубликованной в 1748. !!!Если бы голландцы имели больше маркетинговой смекалки, они назвали бы продукт "Римский цемент" вместо "трасс", который звучит слишком похоже на английское слово trash (мусор) или французское слово travers (провал). Позднее голландцы сменили название на” terras", которое имело лучшее звучание—и по совпадению было связано с его этимологическим происхождением—но к тому времени французы и англичане уже пытались создать свои собственные версии гидравлических вяжущих. Конечным результатом будет открытие природного цемента, а позже и чего-то еще лучшего: портландцемента.
Открытие Джоном Смитоном природного цемента
Во второй половине восемнадцатого века один британский инженер выделялся среди всех остальных: Джон Смитон. Он родился в 1724 году в Аусторпе, небольшом городке, который в настоящее время является приходом Лидса в Англии, и с раннего детства он проявил не по летам выраженный интерес к механическим устройствам и архитектуре. Несмотря на эти ранние признаки его естественный наклонностей, Смитон послушно последовал желанию отца и начал изучать право (профессия старшего Смитона).
Смитон провел пару лет в юридической фирме своего отца, но не смог вынести работу, к которой у него не было врожденных способностей. Он покинул фирму с неохотными благословениями отца и стал изготовителем научных инструментов. Усовершенствованный им морской компас и другие современные приборы были отмечены Королевским обществом, которое сделало его своим членом. Смитон продолжал повышать эффективность паровых двигателей и ввел термин "Лошадиная сила" для расчета их относительной грузоподъемности, что часто ошибочно приписывают Джеймсу Ватту. (Теперь мы знаем, что Ватт, изобретатель значительно улучшенного парового двигателя, использующего отдельный конденсатор, был чрезмерно оптимистичен в отношении измерения силы лошади, в то время как оценка Смитона ближе к ее истинному значению.) Смитон, также, улучшил эффективность водяных и ветряных мельниц. Для последних он разработал формулу, учитывающую влияние давления воздуха на скорость объектов, в частности поверхности лопасти ветряной мельницы. Эта формула позже была уточнена и названа коэффициентом Смитона и использовалась братьями Райт при постройке их первого самолета. Смитон также известен тем, что впервые придумал термин инженер-строитель, который он применил к себе, чтобы отличить свою профессию от военных инженеров.
Смитон во многом был похож на своего древнего предшественника Витрувия. Оба были очарованы архитектурным и механическим проектированием, и оба были честными, консервативными и осторожными людьми, которые сначала вникали в детали определённой области исследования, прежде чем пытались применять знания на практике или вводить какие-либо улучшения. Из двух, Смитон определенно был более передовым, и вряд ли существует область знаний, которая не привлекла бы его внимание, и в которую он не внес ценного вклада.
Однако именно многие строительные проекты Смитона сделали его известным. Смитон, похоже, не имел жизни вне работы. Он женился в возрасте двадцати двух лет и имел двух дочерей, но его семья, вероятно, не пользовалась его присутствием столько времени, как им бы хотелось. К тридцати годам он проектировал и курировал строительство ряда крупных инженерных проектов в Шотландии и Северной Англии, причём некоторые он вёл одновременно. В какой-то момент Смитон одновременно наблюдал за строительством мостов Перт и Колдстрим, канала Рипон (спроектированного Уильямом Джессопом), канала Форт и Клайд, а также за канализацией реки Ли. Когда Смитон проводил время в тишине за пределами кареты или вдали от работы, он писал научные статьи или переписывался со своими работодателями или друзьями. Интересно, требовалось ли Смитону, как и Томасу Эдисону, всего несколько часов для сна, ведь список его достижений довольно обширный. Большинство его главных архитектурных произведений все еще с нами, так как он строил с той же прочностью, с какой строили римляне, особенно его арочные мосты, которые были построены таким же образом как и в древние времена. Тем не менее, Смитона помнят сегодня в основном за его маяк. Это также веха в летописи бетона, на совсем не по той причине, на которую обычно ссылаются - использование им гидравлического раствора. Смитон открыл что-то о бетоне, что в конечном счете изменит мир.
Эдистонский маяк
В устье входа в Плимутскую гавань на юго-западе Англии лежат скалы Эддистон. Скалы представляют собой коварные каменистые обнажения, стремительно поднимающиеся из моря, о которые разбивались корабли и из-за которых гибли моряки еще со времен Бронзового века. Очевидно, что нужен был маяк. Первый маяк был разработан в 1695 году Генри Уинстенли, который он и начал строить в следующем году. Во время строительства маяка, французский капер (владелец гражданского судна, имеющий право нападать на суда противника в военное время) захватил Уинстенли во время одного из многочисленных конфликтов между двумя королевствами. Король - Солнце, Людовик XIV, благородным жестом, приказал освободить Уинстенли, что и было подтверждением его знаменитого заявления: "Франция воюет с Англией, а не с человечеством". Как только Уинстенли был освобожден, он немедленно вернулся к завершению строительства своего маяка, который был впервые зажжен 14 ноября 1698 года. Это была восьмиугольная (восьмигранная) деревянная конструкция, которая едва пережила свою первую зиму, поэтому Уинстенли перестроил ее. Результат был двенадцатиугольное (двенадцатигранное) каменное здание, построенное на деревянном каркасе. Новая башня держалась гораздо лучше против штормов, и Уинстенли хвастался, что он может спокойно находится в здании маяка во время “самого свирепого шторма". 27 ноября 1703 года, через несколько дней после того, как Уинстенли отпраздновал пятилетие маяка, ужасный ураган под названием "Великий Шторм 1703 года" обрушился на юго-восточное побережье Британии. Уинстенли исполнил свое обещание, так как он был на Маяке с пятью строителями, которые делали ремонт, в то время когда ударил шторм. Маяк выдерживал яростный натиск шторма в течение дня, но к вечеру каменные блоки начали смещаться, они были положены на обычный, негидравлический раствор, и это создало давление на внутренние деревянные конструкции. В конце концов маяк рухнул, придавив Уинстенли и нескольких рабочих.
Еще один маяк был построен несколько лет спустя и был зажжён в 1709 году. Это было прочно построенное деревянное строение, которое казалось невосприимчивым к самым свирепым штормам. Тем не менее, как и во всех маяках того времени, огонь в маяке должен был поддерживаться постоянно, а поскольку огонь не очень дружит с деревом, неизбежное произошло. В 1755 году возле фонаря вспыхнуло пламя и быстро поглотило строение, убив одного из трех смотрителей маяка.
Всего через несколько недель после того как сгорел второй маяк, Королевское общество поручило Смитону построить новый на его замену. Очевидно, общество считало, что если кто-то и может построить долговечный маяк на скалах Эддистона, то это Джон Смитон.
Смитон, которому была предоставлена значительная свобода в проектировании, решил, что его маяк будет лучшим в мире. Перед тем как начинать работы над сооружением он начал проводить опыты с камнями и растворами. Он быстро пришел к выводу, что гранит, самый прочный из строительных камней, будет идеальным для постройки. И чтобы убедиться, что ни один шторм никогда не сдвинет гранитные блоки, Смитон решил, что на их концах нужно сделать соединения ласточкин хвост, чтобы зафиксировать их на месте, требование которое, должно быть, раздосадовало камнерезов, которым, вероятно, приходилось затачивать свои стамески по несколько раз в день. В качестве дополнительной меры предосторожности против воздействий, разрушающих кладку из гранитных блоков, Смитон начал испытывать свойства различных гидравлических растворов, и именно с помощью этих экспериментов он и помог нам вступить в новую эру технологии строительства.
Со времен Римской Империи о качестве известняка судили по его твердости и белизне (явный показатель высокого содержания карбоната кальция). Смитон решил проигнорировать общепризнанные знания и провести собственные эксперименты. Он испытывал известь, взятую из различных месторождений известняка в Англии. Смитон начал с того, что делал шарики из смеси извести и других материалов (таких как трасс или штукатурка) размером в два дюйма (около 50 мм) толщиной и после этого оставлял их твердеть перед тем как поместить в кипящую воду, для того, чтобы испытать их гидравлические свойства. Как и ожидалось, он обнаружил, что чистая известь, являясь довольно твердой, постепенно растворяется в воде. Путем добавления трасса к извести, Смитон подтвердил что такой раствор становился гидравлическим. Однако Смитон также обнаружил, что известь, добываемая из известняка, вблизи небольшого городка Абертоу на южном побережье Уэльса, обладает очень хорошими гидравлическими свойствами, даже без добавления трасса. Чтобы распознать его составные части, он погрузил куски известняка из Абертоу в воду и раствор азотной кислоты под названием aqua fortis (в переводе с латыни “сильная вода”), используемый для разделения минералов в горнодобывающей промышленности. Он показал, что примерно 11 процентов известняка из Абертоу является глиной. Смитон заново открыл природный цемент, который использовался время от времени со времен неолита, особенно культурой Майя в доколумбовой Америке. Римляне признавали, что обожженная глина глиняных черепков или кирпичей, в измельчённом виде, обеспечивала caementis гидравлические свойства, но они предпочитали использовать чистый известняк, поскольку он позволял им контролировать примеси пуццоланы, вне зависимости от того была ли это керамическая пыль или вулканическая почва. Благодаря открытию Смеатона, основным вяжущим для растворов и бетонов, который будет использоваться в течение следующего столетия, будет натуральный цемент, полученный из известняка, с примесями глины.
Смитон добавил трасс к естественному цементу и обнаружил что гидравлические свойства раствора увеличились ещё больше. Затем он заменил итальянскую пуццолану трассом и обнаружил, что эта комбинация была немного лучше. Поскольку итальянскую пуццолану было трудно получить, Смитон, наверное, остановился бы на трассе, если бы не счастливая случайность. Несколькими годами ранее британский торговец заказал большую партию этой самой итальянской пуццоланы для перепродажи, надеясь продать ее застройщикам, которые собирались строить Вестминстерский мост. Но строители моста не проявляли никакого интереса к использованию этого материала, и торговец остался с грузом пуццоланы. Смитон скупил ненужную никому "пуццолану" —что, несомненно, обрадовало торговца, и вскоре начал строительство нового Эдистонского Маяка.
Гранитные камни добывались в небольшом городке Миллуэй, близ Плимута, а затем транспортировались на лодке к скалам Эддистона, где их собирали и укладывали на раствор. Маяк был закончен в 1759 году в октябре. Благодаря гидравлическому раствору и соединениям "ласточкин хвост" у гранитных блоков, маяк можно причислить к самым прочным примерам каменной кладки в мире. Он по праву считается одной из жемчужин британской инженерии восемнадцатого века. Смитон будет продолжать строить мосты и каналы по всей Британии, большинство из которых служат нам и по сей день, предоставляя средство передвижения для лодок, людей, автомобилей, автобусов и грузовиков в те места куда они едут.
К концу 1780-х годов Смитон начал чувствовать растущую усталость и снижение остроты зрения, симптомы, приходящие ко многим из тех, кто вступает в седьмое десятилетие. Его жена Анна недавно умерла, дочери вышли замуж, и, возможно, он решил, что пора начать вести осёдлый образ жизни. Он удалился в свой дом в Аусторпе, где начал собирать и редактировать огромный объем статей которые он опубликовал ранее. В один из погожих сентябрьских дней 1792 года, прогуливаясь по саду, Смитон перенес инсульт, и несколько слуг внесли его в дом. Хотя в основном он был парализован, говорили, что он "все еще сохранил свои способности". Он умер спустя шесть недель, 28 октября 1792 года.
История, опубликованная после смерти Смитона, служит, пожалуй, лучшей эпитафией этому инженеру. Мужчина подслушал, как несколько детей обсуждали, какой исторической фигурой они хотели бы стать. Один мальчик сказал, что хотел бы быть Юлием Цезарем, а другой выбрал Александра Македонского. Третий мальчик, проявляя мудрость не по годам, сказал, что он хотел бы быть Джоном Смитоном, объяснив, что Смитон улучшил жизнь людей, в то время как другие искали славы ценой жизней других. Это достойная дань уважения человеку, который никогда не брал патентов на свои открытия, предпочитая делиться своими знаниями с миром.
Маяк Смитона простоял до 1877 г., до тех пор пока скала под маяком была настолько подточена волнами, что маяк дрожал во время штормовой погоды. По сути, маяк был намного прочнее камня, на котором он был построен. Когда распространились слухи, что маяк Смитона собираются разрушить, поднялся общественный протест, с требованием, чтобы маяк был спасен. Маяк был тщательно разобран и воссоздан на площади Плимута. Сегодня он так же красив и прочен, как и более четверти столетия назад. Тем не менее, Маяк Смитона мог бы остаться там, где он был, если бы не ложное представление о влиянии морской воды на бетон, которое разделял сам Смитон. Смитон, заметил, что известковая штукатурка, затворённая морской водой, была не такой прочной, как штукатурка, затворённая пресной водой, и разумно предположил, что то же самое верно и для гидравлических растворов. Тем не менее, римляне обнаружили, что бетон для строительства монолитных конструкций затворённый морской водой, ведёт себя так же хорошо, как показали военные укрепления гавани которую они построили в Кесарии и в других местах Средиземного моря. Если бы вокруг размываемой морской водой скалы была сооружена перемычка, заполненная бетоном и каменными плитами, маяк Смитона мог бы оставаться на скалах Эдистона и по сей день. Проблема заключалась не только в отношении взаимодействия морской воды и бетона, но и в том, что монолитное бетонное строительство, в то время, еще находилось на экспериментальной стадии. Несмотря на несколько заметных исключений, бетон по-прежнему в основном использовался в качестве гидравлического раствора или штукатурки в течение первых трех четвертей девятнадцатого века. Тем не менее, открытия, сделанные Смитоном его экспериментами на известковых растворах, ознаменовали поворотный момент в истории строительства, и люди по всей Великобритании будут продолжать экспериментировать с различными смесями и технологиями производства с целью создания цемента лучшего качества.