Успехи немецкой цементной промышленности. Применение новых типов печей для обжига клинкера. Первые попытки армирования
В то же самое время, когда Уильям Аспдин строил завод по производству портландцемента за пределами Гамбурга, другой цементный завод чуть более чем в 325 км к востоку, в прусском городе Штеттине (ныне Щецин, Польша), действовал в течение уже более двух лет. Благодаря усилиям химика и предпринимателя Германа Бляйбтреу, Штеттин станет пристанищем для крупнейших и наиболее успешных компаний по производству портландцемента в мире. К концу столетия немецкий портландцемент считался самым лучшим, а объём производства этого строительного материала превзошёл его производство в Великобритании.
Герман Бляйбтреу родился в 1821 году в рейнской деревне Путцхен-бей-Бонн, ныне пригород Бонна. Его отец, Леопольд, был успешным бизнесменом, который владел шахтой бурого угля и фабрикой. (бурый уголь - мягкая форма угля, что-то между торфом и обычным углем, который широко использовался в качестве промышленного топлива в Германии). Леопольд поощрял сына к изучению химии, области знаний, которая, очевидно, была бы полезна в угольной промышленности. В отличие от Джона Смитона и Марка Брюнеля, Герман Бляйбтреу считал, что карьера, выбранная ему отцом, отвечает его собственным интересам. Герман учился в университетах Бонна и Гиссена, затем поступил в Королевский химический колледж в Лондоне. Хотя Бляйбтреу внёс значительный вклад в промышленность и бурого угля и цемента, его помнят за его работу в последней. Находясь в Англии, Бляйбтреу был впечатлен ростом цементной промышленности. Вернувшись в Пруссию, Блейбтреу начал разведку местности, которая имела хорошие источники известняка и глины и была близка к основным транспортным путям. За пределами Штеттина на реке Одер он нашел глину, богатую алюмосиликатами. К северу от Штеттина Одер впадает в Стеттинскую лагуну (Stettiner Haff), где на большом острове Воллин находятся огромные залежи мела. Мел мог быть отправлен баржей в Штеттин, где он смешивался с местной глиной и обжигался для производства портландцемента. Затем готовая продукция могла быть отправлена на север в Балтийское море, а оттуда в скандинавский или русские порты, или отправлена на юг в город Кустрин на Одере, где ее можно было погрузить на товарные вагоны и перевезти по железной дороге в близлежащий Берлин. В 1852 году Бляйбтреу, при содействии консула Пауля Гутике, сформировал партнерство с местной фирмой Gruben und Fabrikanlagen, чтобы построить экспериментальную фабрику недалеко от Штеттина, которая служила в качестве испытательного стенда для проекта. Результаты были отличные. Бляйбтреу и его партнеры в 1855 году быстро построили полноразмерный завод, который произвел двадцать пять тысяч баррелей портландцемента в первый же год работы. Бляйбтреу основал в Прусии несколько цементных заводов, а в 1862 году он представил в свою продукцию на международной промышленной выставке в Лондоне, где он выиграл первый приз за качество. Немецкие цементные компании, особенно в Штеттине, продолжат завоевывать золотые медали на промышленных выставках и шоу по всему миру.
Судьи международной выставке в Лондоне 1862 года не могли понять, что эта награда представляет собой переломный момент в истории портландцемента. Немцы, как только их внимание было сосредоточено на определенной отрасли, быстро захватывали в ней лидирующие позиции. Начиная с работ Германа Бляйбтреу, немцы вложили колоссальное время и исследования, в процесс выяснения химического взаимодействия ингредиентов входящих в состав портландцемента, и неуклонно улучшали смесь. В отличие от своих британских коллег, практически каждая крупная немецкая цементная компания имела в своем штате хотя бы одного химика. Были проведены эксперименты с различными смесями, и были проведены тестовые испытания их схватывания и результирующей прочности на сжатие. Был проведен подробный анализ различных глин, особенно глинозема и силиката. В цементную смесь, в различных количествах добавлялись другие различные минералы, такие как оксид железа и гипс, с целью выяснения их влияния на качество и свойства полученного затвердевшего бетона. Тем временем у директоров различных британских цементных компаний появилось чувство самодовольства, которое замедлило разработку технических инновации до черепашьей скорости.
Многие предупреждали о последствиях такого самоуспокоения. Главный лидер отрасли, Гилберт Редгрейв, в 1895 году писал:
Я считаю нынешнее время во многих отношениях очень критическим периодом в истории цементной торговли. Наша собственная страна, страна возникновения этого производства, была отодвинута назад в определенных направлениях, вследствие превосходного научного мастерства и энергии иностранных конкурентов. Превосходство, которым мы долгое время наслаждались, несомненно, было в некоторой степени отнято у нас производителями континентальной промышленности и предприятиями, а в отсутствие каких-либо объединенных действий и интеллектуального лидерства, нашим изготовителям угрожают конкуренцией, к которой они не в достаточной степени готовы.
Крупные британские цементные фирмы предприняли согласованные действия, но иного рода. Их больше интересовали низкие цены, предлагаемые небольшими британскими цементными компаниями, владельцы которых отчаянно хотели остаться в бизнесе. Если бы крупные британские производители цемента, как и немцы, сосредоточились на улучшении качества своей продукции и повышении эффективности производства, то более конкуренция за более дешёвый товар ушла бы на второй план. Вместо этого начался период слияний, а крупные фирмы, которые вышли из этого объединения, вскоре сформировали коммерческий трест: Ассоциация Производителей Портландцемента (APCM) в 1900 году. Первоначально АРСМ представлял фирмы, на долю которых приходилось всего около 35 процентов общего производства цемента в Великобритании, но он быстро рос, и вскоре его члены увеличили долю на рынке до 75 процентов от общего объема производства в Соединенном Королевстве.
К этому времени доля АРСМ на мировом рынке резко сократилась, а некогда богатые зарубежные рынки, такие как Соединенные Штаты, практически перестали покупать британский портландцемент. Помимо Германии, основными игроками цементной промышленности стали Бельгия и Франция. Соседи Германии уделяли большое внимание ее успехам в цементной промышленности, поэтому они также начали вкладывать значительные средства в исследования и разработки. Немецкие технические журналы переводились на французский язык и жадно читались.
Британские консульства, разбросанные по всему миру, обязаны представлять коммерческие отчеты об импорте и экспорте стран в которых они расположены. Эти отчеты собирались и публиковались каждый год, и они показывают медленный спад британского экспорта портландцемента в последней четверти девятнадцатого века. К 1905 году один британский консул в Соединенных Штатах написал, что британский цемент в этой стране практически исчез, и, хотя большая его часть была вытеснена внутренним производством, американцы все еще импортировали огромные количества портландцемента из Бельгии и Германии. Это было правдой в большинстве стран мира. Если кто-то хотел лучший портландцемент, предпочитали немецкий продукт. Если стоял вопрос в соотношении качества и цены предпочтение отдавалось бельгийскому цементу, качество которого было достаточным, хотя не таким как у германского. Для остальных целей использовался цемент отечественного производства.
То, что британские компании не сразу обратили внимание на эту ситуацию, можно объяснить тем фактом, что за тот же период значительно возросло использование бетона в строительной промышленности. В Великобритании производилось и использовалось всё больше цемента, и страна продолжала поставлять излишки в те свои колонии, где проводилась протекционистская торговая политика, как в Индии. В другом месте это была другая история. Многие страны Содружества, такие как Австралия, начали производить свой собственный цемент и дополнять остальную часть своих потребностей продукцией, импортируемой из-за рубежа. Когда в 1914 году разразилась Первая Мировая война, Австралия разорвала торговые связи с Германией, из которой импортировала почти 40% портландцемента. К неудовольствию метрополии, австралийцы перешли на импорт цемента из Дании, а не из Великобритании. Чиновники британского правительства, подозревая, что цемент, предназначенный для Австралии, фактически производится в Германии и просто перенаправляется через Данию, начали расследование. Они обнаружили, что цемент, отправляемый людям "с той стороны земли", действительно датского происхождения. По-видимому, почти каждая промышленно развитая страна, включая крошечную Данию, производила цемент более высокого качества, чем могли производить англичане.
Что спасло британскую цементную промышленность от краха, так это две мировые войны, которые фактически убрали их основных конкурентов с мирового рынка. После 1945 года в Западной Европе установился длительный период мира, и конкуренция в цементной промышленности постепенно вернулась. Сегодня подавляющее большинство отечественного производства цемента в Великобритании идёт на заводах, принадлежащих иностранным компаниям, в основном французским или немецким. Единственная оставшаяся британская цементная компания крупного масштаба, Tarmac, в настоящее время производит в Соединенном Королевстве своей продукции меньше, чем ее мексиканский конкурент CEMEX. История британской цементной промышленности является поучительным примером того, как промышленное превосходство может быть утрачено из-за самодовольства и одержимости от получения прибыли за счет отказа от исследований и разработок.
Новшества в производстве
Однако коммерческие спады редко проявляются с самого начала, особенно когда страна пользуется таким впечатляющим отрывом, как британская цементная промышленность в середине XIX века. И хотя инновации замедлились, в Великобритании они не прекратились.
Британские цементные компании понимали, что простое увеличение размера их неподвижных бутылкообразных печей для обжига при одновременном повышении производительности по-прежнему неэффективно, особенно с точки зрения затрат топлива и рабочей силы. Возможным решением было применение вращающихся печей. Они использовались в щелочной индустрии с 1850х, для того чтобы отделить соль от рассола. Проблема заключалась в том, что вращающиеся печи для производства щелочи эксплуатируются при гораздо более низких температурах, чем те, которые необходимы для спекания известково-глинистой смеси при производстве цемента. Первые вращающиеся печи, разработанные для британской цементной промышленности, были более прочными, давали более высокие температуры, и, хотя между ними были технические различия, они имели общие черты с щелочными печами. Печи состояли из длинной толстой железной трубы, поднятой на одном конце и опирающейся на железные ролики. Шестерни на поверхности трубы, обычно цилиндрические или червячные, приводились в движение паровым двигателем, который медленно вращал печь. Сырье, подлежащее обжигу, загружалось в приподнятый конец трубы и медленно перекатывалось к другому концу печи, где оно опускалось в охлаждающую яму перед измельчением. Нагрев осуществлялся пламенем от сгорающего масла или газа подающимся в центр трубы с её нижнего открытого конца. Иногда в печь впрыскивали угольную пыль, которая самовоспламенялась от нагрева.
Первая вращающаяся печь, разработанная для цементной промышленности, была запатентована в 1877 году Томасом Крэмптоном, известным британским инженером, которого теперь, в основном, помнят как "отца" подводного телеграфного кабеля. Вращающаяся печь Крэмптона была слишком сложной и неэффективной, и она никогда не выходила за рамки экспериментальной стадии. Несколько лет спустя другой англичанин, Фредерик Рэнсом, представил несколько лучшую вращающуюся печь. Печь Рэнсома, запатентованная в 1885 году, состояла из железного цилиндра 6,4 метра длинной и около 1 метра в диаметре. Проблема с патентом Рэнсома заключалась в том, что в печи требовался обжига несмешанного известняка и глинистого порошка. Это не было преднамеренной уловкой, чтобы защитить свой патент: Рэнсом не знал о необходимости тщательно смешивать два этих ингредиента перед обжигом. Короче говоря, в эту позднюю дату -1880-е годы он не понимал важности клинкера. Неудивительно, что Рэнсом столкнулся с большими проблемами в своих попытках заставить свою печь работать должным образом. После нескольких лет усилий, Рэнсом признал свою ошибку, но он все еще не мог заставить работать свою печь с эффективностью производства клинкера, необходимой, чтобы принятия цементными заводами новой технологии. Дальнейшие попытки других британских изобретателей создать реально работающую цементную вращающуюся печь в течение следующих двух десятилетий также провалились. Хотя эти неудачные попытки многому научили, первая коммерчески жизнеспособная цементная вращающаяся печь была изобретена в другой стране.
Возможно, обескураженные плохими результатами, полученными с вращающимися печами в Великобритании, немцы попробовали другой подход. Их ответом была вертикальная шахтная печь. Небольшие комки смешанной глины / известняка сбрасывались в или около верхней части круглого вала, где, после этого, смесь нагревалась снизу. Использовались различные варианты нагрева шахтной печи. В некоторых пламя было подводилось струёй сбоку от шахты, в то время как в других смешивали топливо с сырьём, чтобы ускорить процесс обжига. Использовались отсеки или заслонки внутри для того чтобы контролировать количество материала спекаемого в одно время. После обжига цементный клинкер сбрасывался в охлаждающую камеру у основания шахты или в яму под ней для последующего измельчения. Шахтная печь уменьшила количество топлива и рабочей силы, необходимых для производства цемента, и помогла Германии получить еще одно конкурентное преимущество в отрасли. Шахтные печи до сих пор изредка используются для мелкосерийного производства цемента и иногда используются на крупных строительных площадках.
Армирование
Использование бетона в качестве монолитного строительного материала и его армирование железом или сталью было постепенным и сложным процессом. Это может показаться нам удивительным, но некоторые успехи армированного бетона становятся заметны только спустя годы. Каменная кладка использовалась в течение тысяч лет, и для людей девятнадцатого века эта строительная техника была испытанной и проверенной. Как же не отдавать ей должное если все великие здания, от пирамид до Собора Святого Павла, были построены таким образом? Долговечность этой строительной техники и уважение к ней накладывали своего рода субъективную слепоту. К восьмому десятилетию девятнадцатого века немногочисленные бетонные здания были выставлены на всеобщее обозрение, но большинство людей воспринимали их лишь как новинки строительства - если вообще обращали на них внимание. Мы страдаем от той же невнимательности, потому что, без сомнения, будущие поколения будут качать головами и удивляться, как же мы так строили в наши дни.
До очень недавнего времени, различные историки бетона называли француза Жака Монье изобретателем армированного бетона. Садовник и художник-пейзажист Монье пробовал строить вазы и кадки для рассады из бетона армированного железной проволокой. Монье запатентовал свой метод в 1867 году и позже продал права на свое изобретение в Германию, Вальтеру и Баухингеру. В 1887 году Вейсс опубликовал книгу под названием "Система Монье", в которой он уделил много внимания "открытию" Монье и возможностям, которые открывала строителям железная арматура. На самом деле, Вейсс и его австрийские и немецкие коллеги значительно развили и улучшили примитивные идеи Монье относительно бетонной арматуры, но название закрепилось: в течение следующих трех десятилетий концепция железобетона часто упоминалась в Европе и Соединенных Штатах как система Монье или строительство Монье.
Однако, Монье вряд ли был пионером в области железобетона. Недавние исследования выявили более ранние случаи использования этой технологии. В 1861 году другой француз, Франсуа Куанье, опубликовал трактат о бетоне, армированном железными прутьями, который он запатентовал шесть лет спустя. Более чем за десять лет до работы Куанье была выполнена конструкция Жан-Луи Ламбота, фермера с юга Франции. В 1848 году Ламбот построил бетонную лодку, усиленную железными прутьями и сеткой. Он часто использовал её, чтобы переплывать через пруд в своем поместье недалеко от Мираваля в Провансе. Лодка была 3,6 м длиной, 1.35 м шириной, а её корпус был 30-40 мм толщиной. В один прекрасный день лодка дала течь, и Ламбот был вынужден поплыть обратно к берегу. Хорошо защищённая от природного воздействия илом на дне пруда и довольно хорошо сохранившаяся лодка Ламбота была восстановлена спустя более чем через век. Если не появится доказательств работ какого-нибудь более раннего изобретателя, то Ламбота по праву можно назвать "отцом железобетонной конструкции".
Самый ранний пример железобетонного строительства в строительной отрасли - заслуга англичанина из Ньюкасла Уильяма Бутленда Уилкинсона. Уилкинсон был штукатуром, который основал фирму, которая процветала, используя портландцемент для производства бетонной брусчатки. В 1854 году Уилкинсону был выдан патент на "улучшение в строительстве противопожарных жилищ, складов и других зданий". Патент содержит четкое описание того, как использовать сеть плоских железных полос или выработавших свой ресурс железных кабелей для укрепления бетонных стен или потолков. Он построил приятный коттедж из железобетона в 1865 году, чтобы продемонстрировать свою технологию. Патент Уилкинсона показывает, что он много думал о процессах, и о проблемах напряжений в конструкции. Тем не менее, Уилкинсон не смог заинтересовать заказчиков железобетонным строительством, поэтому он переключил свое внимание обратно на изготовление литой брусчатки, которой он и продал много тысяч штук.
В то время как описанные события происходили в Европе, ряд американских архитекторов и инженеров также экспериментировали с железобетоном. Широкомасштабное использование бетона в Соединенных Штатах началось десятилетиями ранее, вскоре после новаторской работы британских и французских первопроходцев. Наиболее примечательным примером является строительство канала Эри (1817-1825). Масштабы такого строительного проекта были выше возможностей большинства инженеров-американцев, поэтому губернатор Нью-Йорка Девитт Клинтон отправил американского инженера и коллегу по выборам Уайта в Великобританию для изучения каналов, акведуков и водопропускных труб Северной Англии и Южной Шотландии. Уайт не терял времени зря и вернулся в Соединенные Штаты с сотнями страниц заметок и рисунков. Уайт осознал, что гидравлические свойства природного цемента будут ключом к обеспечению прочности и долговечности канала, поэтому он начал поиски выходов известняка, загрязнённого глиной в штате Нью-Йорк. В округе Мэдисон он обнаружил богатые залежи. Его приверженность природному цементу сначала встретила сопротивление, но в последствие эти сомнения были сметены, когда Уайт продемонстрировал твердость и гидравлическую стойкость материала. Уайт запатентовал свой цемент в 1820 году и будет использовать его для строительства величайшего инженерного сооружения Америки начала девятнадцатого века.
Первые эксперименты с железобетонным армированием в США начались пятьдесят лет спустя. В 1871 году, всего через шесть лет после того, как Уилкинсон построил свой коттедж в Англии, Уильям Уорд построил для себя большой дом на Комли-Авеню в Порт-Честере, Нью-Йорк. Он до сих пор существует и в народе известен как "замок Уорда". Замок Уорда является не только самым ранним примером железобетонного строительства в Соединенных Штатах, но и самым большим железобетонным сооружением, построенным в то время в мире. Дом Уорда оказал огромное влияние на американских и европейских архитекторов и инженеров.
Одним из американцев, воодушевленных работой Уорда, был Таддеус Хайятт. Хайятт решил провести тщательные испытания прочности железобетона. Поскольку оборудование, необходимое для проведения таких испытаний, в Соединенных Штатах отсутствовало, в 1877 году Хаятт отправился в Лондон, чтобы совместно поработать с Дэвидом Киркалди, пионером в области разработки промышленного испытательного оборудования. Работа Хаятта была весьма важна в определении относительных прочностей железобетонных плит, балок и колонн; Хаятт также обнаружил, что характеристики теплового расширения бетона и железа, а также их свойства удлинения при определенной нагрузке, были практически одинаковыми для обоих материалов. Это убедительно продемонстрировало пригодность железобетона для строительных целей. Другим важным вкладом в определение прочностных характеристик железобетона стала работа Франсуа Хеннебика, француза, который в течение нескольких лет проводил эксперименты над материалом, независимо от Монье и немцев. В 1879 году, Хеннебиком была показана эффективность использования железной ленты для улучшения малопрочных бетонов.
Несмотря на все эти работы, доказавшие полезность железобетонного строительства, европейцы и американцы оставались скептически настроены по отношению к новому строительному материалу. Это ограничивало использование армированного бетона немногими предприимчивыми индивидуалами, такими как Джеймс Уорд и Франсуа Хеннебик, которые имели возможность строить или проводить эксперименты с этим материалом. По-видимому, большинство подрядчиков и архитекторов еще не доверяли железобетону. Ключевой фигурой, изменившей эти представления и обеспечившей уважение и признание строительства железобетонных конструкций в Соединенных Штатах и во всем мире, был Эрнест Л. Рэнсом, подрядчик в Сан-Франциско, Калифорния.