Прежде чем приступить к обзору методов производства и применения основных строительных материалов XXI века, хочу отметить, что сотни миллионов людей — Берге (Berge, 2009) заявляет, что речь идет о более чем 30% всего человечества — продолжают жить в строениях из материала (добытой на месте глины), не прошедшего какой-либо тщательной обработки; такое жилище можно построить без использования современных энергоресурсов. Хотя для строительства землянки достаточно нескольких примитивных инструментов, сам процесс очень трудоемок. Стены строятся путем утрамбовки вырытой вручную земли между элементами опалубки или путем прессования землеблоков и их сушки на солнце перед укладыванием в стены. Такие сырцовые кирпичи изготавливаются посредством добавления волокнистых растительных материалов. Обычно используют солому, но нередко в ход идут стебли диких растений или даже навоз скота. Здания из сырцового кирпича до сих пор повсеместно встречаются в засушливых регионах; хотя некоторые из массивных строений такого рода оказались на удивление прочными, чаще всего землянки не отличаются структурной прочностью, и их разрушение стало одной из основных причин невероятно высокой смертности в сейсмоопасных районах. Для получения действительно прочных материалов на основе земли и почвы требуется обжиг в печах при температурах от менее 500°C (позволяет получать кирпичи низкого качества) до 1100°C для изготовления керамической плитки, 1300°C — для глазурованного кирпича, 1400°C — для стекла, а для термообработки портландцемента и вовсе требуется 1400–1450°C (Berge, 2009). Влажная глина, из которой делают каменную плитку и терракоту, также идет на производство кирпичей; при обжиге в печах происходит ее спекание. Сухая прессованная глина, зачастую с добавлением каолина и измельченного до порошкообразного состояния стекла, применяется в изготовлении глазурованной керамической плитки, а обжиг позволяет получать более гладкую и тонкую плитку. Основная проблема с глазурованием заключается в том, что многие из используемых красителей — оксиды кадмия, меди, хрома, никеля, ванадия — токсичны и требуют осторожности при обращении и утилизации. Классификация заполнителей — сыпучих строительных материалов, составляющих большую часть массы ежегодно добываемых минералов — основывается не на химическом составе, а на одной из базовых физических характеристик – крупности (Reeves и соавт., 2006). Глина содержит частицы менее 0,002 мм в диаметре, возникающие в результате механического разрушения камней; в составе преобладают два наиболее распространенных в земной коре оксида — оксид кремния SiO2 и оксид алюминия Al2 O3 . Путем обжига из глины получают прочные и долговечные материалы: от строительного кирпича (первоначальная смесь на 20–30% состоит из глины и 50–60% из песка) до плитки с высокой термостойкостью. Ил — как из огромных эоловых отложений в Лёссовом плато Китая, так и речной, остающийся после наводнений, — отличается более крупной фракцией, чем глина, диаметр его частиц варьируется от 0,004 до 0,06 мм. К строительным заполнителям относятся песок, гравий и щебень. Песчинки имеют диаметр до 2 мм, диаметр частиц гравия, обладающих неправильной формой, варьируется от 2 до 6 см, а более крупные уже относят к щебню. Песок и гравий являются рыхлым продуктом механического разрушения камней, состоящих преимущественно из кремнистых и известняковых минералов. Они широко распространены в аллювиальных отложениях и осадочных слоях, поэтому их обычно добывают из ближайших месторождений в том же регионе, где собираются использовать; однако в отдельных случаях эти материалы транспортируются на большие расстояния и даже идут на экспорт. В наши дни их добыча производится либо из карьеров, либо выемкой из рек, озер или береговых зон. Таким образом получают сырой и влажный материал, который может использоваться в качестве насыпного грунта или под фундамент, однако большая часть выкопанного песка и гравия обрабатывается под определенные требования. Последующая промывка, просев, дробление и обезвоживание позволяют удалить всю органику и глину с получением определенной дисперсности и низкой влажности. Согласно наиболее точным и достоверным оценкам, в США 41% строительного песка и гравия используется в качестве заполнителя для бетона, четверть от общего количества уходит на дорожное строительство, 13% — на строительную насыпь, 12% — на асфальтобетон и аналогичные смеси (USGS, 2012). Оставшуюся часть используют в фильтрах, в качестве посыпки для заснеженных или обледенелых дорог (в некоторых регионах используют соль), балласта железных дорог и гольф-кортов, а также для поддержания подвергшихся эрозии пляжей. Самым лучшим примером последнего является, пожалуй, пляж Вайкики, Гавайи, куда в ходе 20-х и 30-х гг. завозили песок с Манхэттэн-Бич, Калифорния; теперь песок для этого пляжа добывают в местных прибрежных отложениях. Производство песка и гравия четко коррелирует с капиталовложениями в строительной отрасли и резко снижается в периоды кризиса. Так, в США в 2007 году было добыто 1,25 миллиарда тонн песка и гравия, а в 2010 — всего 760 миллионов тонн; то есть всего за три года объемы добычи упали на 40% (USGS, 2013). Используемый в строительстве щебень (в основном применяется в строительстве и обслуживании дорог, а также производстве цемента) в основном получают из осадочных пород (прежде всего известняка и доломита); самой распространенной магматической породой является гранит. Блочный камень используется в строительстве как в природном виде, так и после отеса. Тесаный камень идет на кладку и бордюры, более тонкие камни — на мощение и облицовку; так как долговечность играет большую роль, предпочтение отдается граниту, твердым разновидностям известняка (включая различные виды мрамора) и шиферу (помимо половых настилов и облицовки из него делают кровлю). Некогда весьма трудоемкий процесс резки камня сейчас полностью механизирован и осуществляется с помощью алмазных кромок циркулярных или рамных пил, а также водных или пламенных струй. Отделка (шлифовка и полировка) производится по заданным техническим условиям. Производство кирпича — одна из старейших отраслей в мире — бьет новые рекорды благодаря строительному буму в Китае. Так, в 2010 году в этой стране было произведено не менее 900 миллиардов кирпичей (возможно, что и триллион), при этом половина кирпичей были сплошными, четверть — полыми, а доля Китая в общемировом производстве составила 60% (Li, 2012a). По самой скромной оценке, средняя масса кирпича составляет 2,8 кг, следовательно, общая масса кирпичей, произведенных во всем мире в 2010 году, приблизилась к 4,5 миллиарда тонн, по сравнению с 3,3 миллиарда тонн цемента. С точки зрения массы основными компонентами бетона являются песок, природный гравий и щебень: на них приходится от 60 до 75% массы первоначальной смеси. Для специальных смесей требуются разные виды заполнителей. При использовании более мелкодисперсных заполнителей получают более прочный бетон, однако в такую смесь приходится добавлять больше воды; если заполнитель крупнодисперсный, то воды уходит меньше. При обычных размерных параметрах фракция заполнителя не так важна, как его прочие качества. Вода составляет от 15 до 20% первоначальной смеси, еще 10–15% — цемент, порошковый минеральный вяжущий компонент, гидратация которого позволяет смеси затвердевать даже под водой. Используются также различные добавки: некоторые позволяют ускорить застывание или, наоборот, замедлить его, чтобы смесь можно было перевозить в бетоновозе, другие смеси обеспечивают «захват» небольших порций воздуха или оказывают обезвоживающее действие. В конечном счете, получают материал плотностью от 2,2 до 2,4 тонны на м3 , с низкой прочностью на растяжение (всего 2–5 МПа), но отличной прочностью на сжатие, которую в ходе истории разработки и совершенствования материала удавалось постепенно увеличивать. В 1900 году прочность на сжатие лучших смесей равнялась примерно 25 МПа, к 70-м годам значение 40 МПа стало стандартным, а последующая разработка высокопрочных смесей для небоскребов и иных специальных строительных категорий повысила этот показатель до 150, а в некоторых случаях он достигает даже 200 (Ulm, 2012). От страны к стране также разнится конечное использование цемента: в США порядка 75% этого материала идет на производство товарного бетона и менее 15% — на бетонные блоки и сборный бетон; в Германии те же показатели составляют 55% и 30% соответственно (Sika, 2005). Производство и расход цемента полностью зависят от строительной отрасли и потому колеблются в соответствии с периодами экономического бума и спада. Строительство дорог, плотин, фабрик и домов на порядок увеличило расход цемента в США всего за 28 лет: в 1900 году всего 3 миллиона тонн цемента, 87% которого было внутреннего производства, было смешано с заполнителями, в 1928 году — уже 30 миллионов тонн (Kelly and Matos, 2013). Из-за Великой депрессии этот показатель был немногим меньше 11 миллионов тонн в 1933 году, но затем вырос до 31 миллиона тонн к 1942, на пике строительства заводов в военное время. После войны наблюдался кратковременный спад, после чего внутреннее производство и импорт нарастали практически непрерывно до 1973 года, когда расход цемента составил почти 82 миллиона тонн. Одним из ключевых факторов роста спроса стало строительство системы межштатных магистралей США (USGS, 2006). Покрытием примерно 60% этих многополосных дорог является бетон стандартной толщиной 28 см, то есть на 1 км четырехполосной магистрали при ширине полосы 3,7 м уходит 4150 м3 . Таким образом, каждый километр дорог содержит примерно 10 тысяч тонн бетона, а для покрытия 73 тысяч км проезжей части потребовалось 730 миллионов тонн (еще какое-то количество ушло на обочины, разделительные полосы, подъезды и путепроводы). Побить рекорды 1973 года удалось только в 1986 году; очередного максимума рассматриваемый показатель достиг в 2005 году, когда было израсходовано 128,25 миллиона тонн цемента, однако пять лет спустя совокупный расход снизился на 45% и составил всего 71,2 миллиона тонн — уровень 1968 года. До середины 80-х гг. доля импортного цемента в общей структуре американских расходов цемента составляла всего 10%, а в 2010-м — 22%. С 1986 года лидером в производстве цемента остается Китай: в течение 80-х он увеличил этот показатель на 20%, в течение 90-х — более чем в 2 раза, в течение нулевых — более чем в три раза; в 2010 году Китай произвел почти 1,88 миллиарда тонн цемента — примерно 55% от общемирового уровня (USGS, 2013). 240 миллионов тонн было произведено в Индии, по этому показателю она более чем в три раза опередила США; Бразилия заняла четвертое место. Когда-то производство цемента отличалось значительными неконтролируемыми выбросами твердых частиц (до 1 кг на тонну продукта), однако современные тканевые фильтры захватывают 99,6% таких частиц, отправляющихся затем обратно в печь. Таким образом, наиболее серьезным фактором влияния этой отрасли на окружающую среду являются выбросы углекислого газа. С точки зрения массы при производстве цемента на каждую единицу материала выделяется примерно одна единица газа, при этом половина всего объема газа образуется в результате разложения CaCO3 , остальной газ — в результате выработки тепла и электричества для работы ротационной печи. Если пересчитать выбросы на единицу стандартной бетонной смеси (без шлака и летучей золы), то получится примерно 480 кг CO2 /м3 , или 200 кг CO2 /т бетона. Анализ доли цементопроизводства в мировой статистике по выбросам CO2 показывает, что эта доля составляла 1% от углерода, выделившегося из ископаемых видов топлива, в 1950 году, 2% в 1975-м и почти 5% в 2010-м (CDIAC, 2013). В 2011 году объем выбросов углекислого газа, источником которых стало китайское цементопроизводство, оказался всего лишь на 12% меньше объема всех выбросов этого газа в Японии. Исследователи проявляли большой интерес к повышению энергоэффективности и сокращению выбросов углекислого газа в этой отрасли (USEPA, 2007; Worrell and Galitsky, 2008; Madlool и соавт., 2011; Hasanbeigi и соавт., 2012). К возможным вариантам достижения и того, и другого относят использование цемента и строительных материалов на основе оксида магния, геополимерный цемент, а также цемент со шлаком и летучей золой. Последняя кажется особенно привлекательной: она не только снижает энергозатраты на производство клинкера, но также помогает предотвращать возникновение свалок золы, снизить расход новых сырьевых минералов. Кроме того, именно зола эффективнее всего способствует уменьшению выбросов углекислого газа. В 2010 году китайскими производителями цемента был израсходован весь доступный шлак (223 миллиона тонн), а также 66,3% из 395 миллионов тонн имевшейся летучей золы (Lei, 2011). Компания Ceratech, базирующаяся в Вирджинии, США, производит смеси, состоящие на 95% из летучей золы и на 5% из жидких ингредиентов (в стандартных смесях доля золы составляет всего 15%). Такой бетон получается более прочным, а для его армирования требуется меньше стали (в массовом выражении) (Amato, 2013). Бетон, оставшийся от снесенных зданий или разрушившихся дорог и взлетно-посадочных полос, дробят и просеивают, чтобы извлечь заполнители, которые затем могут использоваться в качестве сыпучих наполнителей (более дешевый вариант) или добавляться в новый бетон (Wilburn and Goonan, 2013). Энергию можно также сэкономить путем оптимизации транспортировки и заливки бетона, в том числе посредством совершенствования технологий пневматической доставки, бетонирования на холоде, отверждения и повторного использования излишков (Kermeli и соавт., 2011). Доступность бетона и его повсеместность в современном мире не проходят без последствий в долгосрочной перспективе, даже если не учитывать связанные с этим материалом выбросы углекислого газа. С 1945 по 2010 год во всем мире было произведено примерно 60 миллиардов тонн цемента. Таким образом, за все это время на строительство ушло 500 миллиардов тонн бетона, 60% из которых было залито за два десятилетия с 1990 по 2010 г., 35% — с 2000 по 2010 г. Бетон, в особенности железобетон, является самым важным искусственным материалом с точки зрения как годового производства, так и совокупной заложенной массы. В то время как этот материал обеспечивает человека жильем, транспортной, энергетической и промышленной инфраструктурой, его накопление несет в себе значительные риски и огромное бремя для будущих поколений. Проблемы возникают в связи с уязвимостью материала к преждевременному износу, который приводит к ухудшению внешнего вида, потере прочности, а также разного рода трагичным последствиям, для предотвращения которых приходится периодически тратить значительные средства на ремонт, а спустя некоторое время — проводить дорогостоящие работы по сносу. Бетон ни снаружи, ни под землей не отличается долговечностью и разрушается по целому ряду причин (AWWS, 2004; Cwalina, 2008; Stuart, 2012). Открытые поверхности подвергаются воздействию влаги и низких температур в холодном климате, роста бактерий и водорослей в теплой и влажной местности (биообрастание можно определить по чернеющим поверхностям), а также отложения кислот в загрязненных городских районах (то есть почти везде) и вибраций. Подземные бетонные сооружения (водопроводные и канализационные трубы, резервуары, ракетные шахты) подвергаются постепенным или быстрым перегрузкам, из-за которых возникают трещины; кроме того, бетон в таких условиях вступает в реакцию с карбонатами, хлоридами и сульфатами, просачивающимися сверху. Некачественный бетон быстро изнашивается, покрывается трещинами и пятнами из-за выцветания за считаные месяцы. Чередование замерзания и таяния повреждает как горизонтальные поверхности (дороги и парковки), на которых собирается застойная вода, так и вертикальные, накапливающие влагу в порах и трещинах. Хотя высокая щелочность бетона (pH около 12,5) замедляет коррозию арматурной стали, когда бетонное покрытие разрушается, то есть внешние слои покрываются трещинами или подвергаются дефолиации, начинается обширный и постоянно ускоряющийся процесс ржавления арматуры. К факторам, вызывающим разрушение бетонных поверхностей, также относятся воздействие хлоридов (которому подвергаются морские подводные сооружения, покрытые противообледенительными реагентами дороги, а также бетонные конструкции в береговых зонах, где содержание хлорида натрия в воздухе гораздо выше, чем в отдаленных от моря районах) и воздействие кислотных отложений (воздействие сульфатов в загрязненных регионах). Кроме того, в некоторых видах бетона происходят щелочно-кремниевые и щелочно-карбонатные реакции (между бетоном и заполнителем), также приводящие к появлению трещин. Во влажной местности, особенно в теплом климате, нередко наблюдается потемнение бетона из-за роста водорослей в порах. С учетом беспрецедентных масштабов бетонного строительства, наблюдавшихся в 90-х гг. и позднее, человечество обречено столкнуться со значительными трудностями, вызванными разрушением бетона, после 2030 года. Особенно острыми будут проблемы в Китае — стране, опережающей весь остальной мир с точки зрения темпов бетонного строительства. Сочетание некачественного бетона, агрессивной природной среды, высокой концентрации промышленных загрязнителей, а также чрезмерно интенсивной эксплуатации бетонных сооружений ведет к преждевременному повреждению десятков миллиардов тонн этого материала, залитого за последние годы при строительстве зданий, дорог, мостов, плотин, портов и других инфраструктурных объектов. Так как не проводится надлежащих работ по обслуживанию и ремонту бетонных строений, в будущем на замену бетона придется потратить триллионы долларов. К этому стоит прибавить стоимость утилизации старого бетона: некоторые сооружения возможно переработать, однако процесс отделения арматуры от бетона достаточно затратен. В последнем отчете по качеству американской инфраструктуры состояние всех инфраструктурных объектов, где основным материалом выступает бетон, было оценено как плохое или очень плохое. Мосты получили относительно высокую оценку С+, плотины, школы, дороги, авиационные объекты, инфраструктура общественного транспорта и водоочистные сооружения были оценены на D, дамбы и внутренние судоходные пути — на D- (где С соответствует оценке «3» по российской пятибалльной шкале, D соответствует оценке «2». — Прим. пер.). Таким образом, средняя оценка составила D+, и к 2020 году придется вложить как минимум 3,6 триллиона долларов, чтобы предотвратить дальнейшее разрушение (ASCE, 2013). Если же рассматривать ситуацию в Китае, опираясь на те же исходные посылки, то китайцам придется восстанавливать или заменять почти 100 миллиардов тонн бетона, залитого в нулевых, что обойдется в десятки триллионов долларов. Наконец, приведу еще один интересный и необычный анализ бетона с точки зрения площади и объема. Элвидж и соавт. (Elvidge и соавт., 2007), основываясь на спутниковых изображениях, где видно ночное освещение населенных пунктов, и данных о численности населения, произвели некоторые расчеты и пришли к выводу, что общемировая площадь непроницаемых поверхностей (строений и мостовых) составляет примерно 580 тысяч км2 . Это чуть меньше 0,5% всей площади, не покрытой льдами, и равняется площади Кении. Если говорить о подушном расчете, то наибольшие показатели отмечены у богатых стран в северных широтах (350 м2 в Канаде, 300 м2 в США, 220 м2 в Швеции), в то время как в странах с низким уровнем дохода это значение не достигает 100, порой даже 50 м2 . Большей частью непроницаемые поверхности являются бетонными, хоть и не все; и есть веские причины бетонировать все большую и большую площадь. Так, если заменить земляные полы на бетонные в сотнях миллионов домов беднейших жителей Земли, то заболеваемость паразитарными болезнями снизится почти на 80%. Мощение улиц повышает ценность и арендную стоимость земли, посещаемость школ, стимулирует экономическую деятельность в целом, а также обеспечивает более доступное кредитование (Kenny, 2012). Таким образом, аргументация в пользу большего бетонирования вполне убедительна, как и доводы, предложенные Дж.Р. Андервудом в начале 70-х, согласно которым огромную массу бетона, кирпича, плитки и стекла следует выделить в новую категорию так называемых «антропных пород», которая дополнит стандартное деление на магматические, осадочные и метаморфические материалы (Cathcart, 2011). Три десятилетия спустя он опубликовал свою идею (Underwood, 2001), а спустя еще десяток лет значительный рост производства бетона стал дополнительным аргументом в поддержку его доводов. В то же время необходимо следить за массой «антропных пород». В 2010 году человечеством было использовано почти 40 миллиардов тонн таких пород (из них 33 миллиарда тонн бетона и 4,5 миллиарда тонн кирпича), что соответствует как минимум 17 км3 . Для сравнения, объем одной из самых известных в мире гор — Фудзи, Япония — равен примерно 400 км3 с аппроксимацией по конусу радиусом около 13 км, возвышающимся примерно на 2800 метров над окружающей гору сельской местностью (высота самой горы 3776 м, озеро Яманка располагается на высоте 980 м над уровнем моря). Примерно каждые два десятилетия объем антропной породы в мире увеличивается приблизительно на одну гору Фудзи (если считать по массе, то речь будет идти уже о трех десятилетиях, так как базальт, из которого состоит вулкан, имеет плотность около 3 г/см3 ). Достижение, с одной стороны, впечатляющее, с другой — весьма скромное, ведь объем самого массивного в мире вулкана — Мауна-Лоа, включая всю его высоту от прессованного подводного основания до пика, возвышающегося на 4170 м над уровнем моря, — составляет примерно 75 000 км3 , что на два порядка больше (Kaye, 2002).
Источник: Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 3.