Архит._материал._-_Шеина_Ч1

С железом работать труднее, чем с бронзой, которую они по-прежнему использовали. Для извлечения чистого металла из руды нужна высокая температура – 1539 оС.

Производство железа потребовало более совершенных технологий, чем обработка меди и бронзы, но железная руда гораздо шире распространена, чем олово и медь. Изделия из железа были впервые изготовлены в Египте, Месопотамии и Малой Азии примерно в то же время, что и бронзовый сплав, но использование железа ограничивалось кусками минерала, приготовленного для обработки, либо редкими самородками чистого железа. Извлечение руды было осуществлено хеттами около 1400 г. до н.э. В Китае научились выплавлять железо из руды лишь в 700 г. до н.э., а чугун – в 500 г. до н.э. В X в. в Китае из железа была построена 13-этажная пагода. В период между XII и XVII вв. металл использовался в виде затяжек кирпичных сводов – арок, а также скреп для каменной кладки. В качестве примера можно назвать Успенский собор во Владимире, построенный в 1158 – 1160 гг. В отдельных сооружениях начиная с XVII в. появляются металлические стропила и металлические купольные конструкции – «корзинки» глав церквей. Такие конструкции сохранились до настоящего времени. Это перекрытие коридора между притворами храма Василия Блаженного в Москве (1555 – 1560 гг.), колокольни «Иван Великий» (1600 г.) и перекрытие трапезной Троице-Сергиева монастыря пролетом 18 м в Загорске (1686 – 1692 гг.). Все изделия из железа изготавливались только кузнецами вплоть до XVI в. К этому времени в Европе по-

явились первые плавильные печи.

В строительстве чугун начали использовать лишь в XVIII в. Первые конструкции из чугуна в России были применены на Урале в 1725 г. при строительстве перекрытия дозорной башни Невьянского завода. В Европе первый чугунный мост был сооружен в Силезии в 1794 г. через реку Стригай. В 1850 г. по проекту выдающегося инженера С. В. Кербедза в Петербурге был построен чугунный мост через Неву, имевший семь пролетов размером от 32 до 48 м, перекрываемых пологими чугунными арками двутаврового сечения, с надсводным строением из чугунных блоков. В Петербурге покрытие зрительного зала и сцены Александрийского театра (ныне Ленинградский академический театр драмы им. А. С. Пушкина) было выполнено из чугунных отливок и железных поковок по проекту архитектора К. И. Росси. Уникальным сооружением является купол Исаакиевского собора (архитектор О. Монферран), сооруженный в Петербурге в 1842 г. Этот купол диаметром 21,83 м состоит из 24 чугунных ребер, соединенных горизонтальными чугунными кольцами из отдельных плит.

За рубежом одним из замечательных сооружений, выполненных из чугуна, железа в стекла, был Хрустальный Дворец, построенный в Лондоне в 1851 г. для всемирной выставки. Длина здания составляла 563 м, ширина 124,5 м. В этом сооружении, по-видимому, впервые была принята модульная система планировки и унифицированы отдельные элементы конструкций.

302

До начала XVIII столетия люди знали о существовании только семи металлов – железа, золота, серебра, ртути, свинца, олова и меди.

Древние греки, включая Пифагора, а за ними и немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571 – 1630 гг.) считали, что 7 известных тогда металлов космически связаны с планетами, это символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов (рисунок 230).

К 1798 г. их список пополнился еще тринадцатью элементами: кобальт (Брандт, 1735 г.), барий (К. Шееле и Ю. Ганн, 1774 г.), платина (Хосе Антонио де Мендоса, 1748 г.), никель (А. Кронстедт, 1751 г.), молибден (К. Шееле, 1778 г.), вольфрам (К. Шееле, 1781 г.), теллур (Ф. Мюллер фон Рейхенштейн, 1782 г.), цирконий (М. Г. Клапрот, 1789г.), стронций (А. Кроуфорд, М. Г. Клапрот, 1790 г.), иттрий (Ю. Гадолин, 1794 г.), титан (М. Г. Клапрот, 1795 г.), хром (Л. Воклен, 1797 г.) и бериллий (Л. Воклен, 1798 г.).

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят: 6 элементов в группе щелочных металлов, 6 – в группе щёлочноземельных металлов, 38 – в группе переходных металлов, 11 – в группе лёгких металлов, 7 – в группе полуметаллов, 14 – в группе лантаноиды + лантан и 14 – в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний, вне определённых

303

групп бериллий и магний. Таким образом, к металлам, возможно, относится 98 элементов из всех открытых.

Применению металла в строительстве способствовало развитие металлургической промышленности. Производство стали началось с 1865 г., когда Генри Бессемер разработал промышленный метод удаления различных примесей из металла (рисунок 231).

Рисунок 231 – Эйфелева башня – самое значительное железное сооружение XIX в. В процессе возведения Эйфелевой башни было использовано рекордное по тем временам количество деталей – 2,5 млн. металлических заклепок. По уникальным чертежам

было изготовлено более 12 000 деталей.

В конце XIX в. мировая выплавка стали резко возросла с 0,5 млн. т в 1870 г. до

28 млн. т в 1900 г. (рисунок 232).

Рисунок 232 – Мост «Золотые ворота» - чудо инженерного искусства у входа в залив СанФранциско (1937 г., США). Это сооружение представляет собой два массивных стальных пилона и прикрепленный к ним стальными тросами висячий мост. При строительстве моста был использован кабель диаметром 91см, сплетенный из 27000 отдельных проволок.

Еще в большем объеме выросла металлургическая промышленность в XX сто-

летии. Наряду с увеличением выплавки стали появилась необходимость организовать в больших масштабах получение меди, цинка, вольфрама, молибдена, алюминия, магния, титана, бериллия, лития и других металлов.

Несмотря на то, что количество известных человечеству металлов увеличивалось все более, те из них, что были известны человечеству еще со средних веков, продолжают использоваться в ювелирном ремесле, декора- тивно-прикладном искусстве, а также в некоторых отраслях промышленности.

Сингапур, несмотря на постоянные наводнения, испытывает острую нехватку в питьевой воде, которую городу приходится закупать в Малайзии. С помощью 400-метровых гигантов архитекторы проекта Альберто Фернандес и Сусанна Ортега думают собирать влагу, которую морской бриз "сдувает" с океана, как это делает «умное» растение – орхидея, которая способна добывать воду прямо из воздуха (рисунок 233).

304

Рисунок 233 – Coastal Fog Tower. По подсчётам авторов проекта с одной башни можно будет собрать как минимум 20 тыс. л и как максимум 100 тыс. л пресной воды в сутки, что немало для жителей Уаско, проживающих по соседству с пустыней.

Для этого была разработана особая структура башни, состоящая из четырех компонентов со специфическими функциями. Четырехсторонние сети высокой плотности будут служить для сбора воды. Следующий компонент – медные сети низкой плотности, которые соединяют четыре спиральные рукоятки, транспортирующие собранную воду в расположенный в основании башни резервуар. Он снабжен аккумуляторами воды, фильтрующей мембраной и циркуляционной системой, распределяющей очищенную с использованием системы обратного осмоса воду.

Создание сплавов позволило получать вещества, имеющие те свойства, которые наиболее необходимы в промышленности и строительстве, что вывело применение металлов на качественно новый уровень.

В настоящее время жизнь человечества без использования металлов представить очень сложно. Металлы используются в промышленности, в строительстве, из них изготавливается множество предметов, без которых невозможно представить быт человека. В организме человека находится 81 химический элемент, из них 3 % составляют металлы. Больше всего в наших клетках кальция и натрия, сконцентрированного в лимфатических системах. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь – в печени, железо – в крови, алюминий – легких, печени, костях и головном мозге. Микроскопические дозы металлов используются в лечебных целях только в гомеопатии.

Литий – мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета, он был открыт в 1817 г. шведским химиком А. Арфведсоном в минерале петалите (греч. lithos – камень). Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1825 г.

305

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см³, почти в два раза меньше плотности воды). В черной металлургии литий, его соединения и сплавы широко применяют для раскисления, легирования и модифицирования многих марок сплавов.

В цветной металлургии литием обрабатывают сплавы для получения хорошей структуры, пластичности и высокого предела прочности. Хорошо известны алюминиевые сплавы, содержащие всего 0,1% лития, – аэрон и склерон; помимо легкости, они обладают высокой прочностью, пластичностью и стойкостью против коррозии. Термостойкое стекло ROBAX является прозрачной стеклянной керамикой. Отличается хорошей проводимостью тепла и низким тепловым расширением, а также выдерживает высокие температуры (до 760 оС). Это позволяет его использовать в закрытых каминах, сохраняя видимость движения огня и ощущение тепла, одновременно защищая комнату от открытого огня и искр.

Карбонат лития Li2CO3 используется как компонент в составах керамики, ситаллов, электроизоляционного фарфора и термостойких керамических покрытий (в том числе для камер сгорания и сопел реактивных двигателей); как составное вещество глазурей, эмалей, кислотоупорных покрытий, грунтовок для алюминия, чугуна и листовой стали; как компонент стекол для придания прочности и сопротивляемости к коррозии. Стекла с добавкой карбоната лития обладают повышенной проницаемостью для ультрафиолетового излучения. В алюминиевой промышленности его применяют в качестве флюса. В цементной промышленности – как добавку, ускоряющую твердение цементных растворов.

Осмий – самый тяжелый металл на Земле. Осмий имеет рекордную плотность среди всех элементов периодической системы – 22,5 г/см3, т. е. он

вдва раза тяжелее свинца и почти в три раза тяжелее железа. Одно из главных достоинств осмия – его очень высокая твердость; в этом с ним могут

конкурировать немногие металлы. Наряду с твердостью, известно ещё одно достоинство осмия – тугоплавкость. По температуре плавления (3000 оС) он превзошел не только другие платиноиды, но и большинство остальных металлов.

Каталитическая деятельность осмия: применение его в реакциях гидрогенизации органических веществ дает оптимальные результаты. В роли катализатора осмий используется и при синтезе некоторых лекарственных препаратов. На химические нужды расходуется почти половина его мировой добычи.

Радиогенный изотоп осмия совершенно стабилен и никакой опасности

всмысле радиоактивности не представляет.

Таким образом, вышеперечисленные свойства определяют осмий как базу разработки и развития высоких технологий по производству современ-

306

ных новых материалов на основе металлов и сплавов, как металлы будущего в области металлургии четвертого и пятого переделов, материаловедении. Это является основанием того, что изотоп осмия может выступать как совершенный залоговый материал, наряду с золотом и алмазами.

Иридий добавляют не только к платине. Небольшие добавки элемента 77 к вольфраму и молибдену увеличивают прочность этих металлов при высокой температуре. Мизерная добавка иридия к титану (0,1 %) резко повышает его и без того значительную стойкость к действию кислот. То же относится и к хрому. Термопары, состоящие из иридия и сплава иридия с родием (40 % родия), надежно работают при высокой температуре в окислительной атмосфере. Из сплава иридия с осмием делают напайки для перьев авторучек

икомпасные иглы. Металлический иридий применяют главным образом изза его постоянства – постоянны размеры изделий из металла, его физические

ихимические свойства, причем, если можно так выразиться, постоянны на высшем уровне.

Можно наносить иридиевые покрытия на металлы и керамику химическим способом. Для этого получают раствор комплексной соли иридия, например с фенолом или каким-либо другим органическим веществом. Такой раствор наносят на поверхность изделия, которое затем нагревают до 350...400 °C в контролируемой атмосфере, т.е. в атмосфере с регулируемым окислительно-восстановительным потенциалом. Органика в этих условиях улетучивается или выгорает, а слой иридия остается на изделии. То, что осмий и иридий часто "выступают дуэтом" – в виде природного сплава, объясняется не только ценными свойствами осмия и иридия, но и волею судьбы, пожелавшей, чтобы в земной коре эти элементы были связаны необыкновенно прочными узами. В виде самородков ни тот, ни другой металл в природе не обнаружен, зато осмистый иридий и иридистый осмий – хорошо известные минералы (называются они соответственно невьянскит и сысертскит): в первом преобладает иридий, во втором – осмий.

Но покрытия – не главное применение иридия. Этот металл улучшает механические и физико-химические свойства других металлов. Обычно его используют, чтобы повысить их прочность и твердость. Добавка 10 % иридия к относительно мягкой платине повышает ее твердость и предел прочности почти втрое. Если же количество иридия в сплаве увеличить до 30 %, твер-

дость сплава возрастет ненамного, но зато предел прочности увеличится еще вдвое – до 99 кг/мм2. Поскольку такие сплавы обладают исключительной коррозионной стойкостью, из них делают жаростойкие тигли, выдерживающие сильный нагрев в агрессивных средах. В таких тиглях выращивают, в частности, кристаллы для лазерной техники. Платино-иридиевые сплавы привлекают и ювелиров – украшения из этих сплавов красивы и почти не изнашиваются. Из платино-иридиевого сплава делают также эталоны, иногда – хирургический инструмент.

307

В будущем сплавы иридия с платиной могут приобрести особое значение в так называемой слаботочной технике как идеальный материал для контактов. Каждый раз, когда происходит замыкание и размыкание обычного медного контакта, возникает искра; в результате поверхность меди довольно быстро окисляется. В контакторах чистый осмий – синевато-серый, тугоплавкий (2700 °С) и твердый, но хрупкий металл. Хрупкость осмия так велика, что его можно истолочь в порошок в железной ступке, причем порошок имеет сине-черный цвет, а не серовато-светлый, как у большинства металлов. Необычные свойства порошка осмия состоят также в том, что на воздухе он, хотя и медленно, но уже при обычной температуре соединяется с кислородом, причем один атом осмия пpисоединяет четыре атома кислорода, т. е. осмий проявляет самую высокую валентность, равную восьми, образуя четырехоксид осмия.

Исключительная твердость, хорошая коррозийная стойкость, высокое сопротивление износу и отсутствие магнитных свойств делают осмий в составе сплава с иридием прекрасным материалом для острия компасной стрелки, осей и опор точнейших измерительных приборов и часовых механизмов. Из него изготавливают режущие кромки хирургических инструментов, резцов для художественной обработки слоновой кости.

Еще в большем объеме выросла металлургическая промышленность в XX столетии. Наряду с увеличением выплавки стали появилась необходимость организовать в больших масштабах получение меди, цинка, вольфрама, молибдена, алюминия, магния, титана, бериллия, лития и других металлов.

Несмотря на то, что количество известных человечеству металлов увеличивалось все более, те из них, что были известны человечеству еще со средних веков, продолжают использоваться в ювелирном ремесле, декора- тивно-прикладном искусстве, а также в современной архитектуре.

Небоскреб архитектора Фрэнка Ллойд Райта, получивший имя X-Seed 4000, самый высокий из всех (высота здания 4 км), спроектированных на сегодняшний день, если не учитывать тот факт, что создан он пока лишь на бумаге. Согласно проекту, небоскреб будет опираться на основании в 6 км2 и превышать гору Фудзи (на которую он и походит) более чем на 200 м и способен будет разместить от 500 тыс. до 1 млн. человек. Металлические конструкции здания запроектированы из оцинкованной стали.

Это одно из самых «зеленых» зданий в мире: большую часть энергии для обеспечения работы систем внутреннего микроклимата он будет получать из солнечного света. Кроме того, здание будет способно защитить своих обитателей как от перепадов давления, так и от капризов атмосферы. Лифты здания, рассчитанные на 200 человек, будут подниматься на самый высокий этаж за 30 мин (рисунок 234).

308

Рисунок 234 – Небоскреб архитектора Фрэнка Ллойд Райта, получивший имя X-Seed 4000

Рисунок 235 – К летним олимпийским играм 2012 года, которые пройдут в столице Великобритании, Лондон обзаведется башней ArcelorMittal Orbit. Она, по мнению авторов проекта, должна стать таким же символом Лондона, каким для Парижа является Эйфелева башня.

У победившего проекта несколько рабочих названий, одно из них – Колосс Стратфордский (Colossus of Stratford). Башня будет установлена на площади между олимпийским стадионом и акватик-центром. Сооружение высотой 115 м и весом около 1400 т будет представлять собой переплетение стальных конструкций красного цвета, которые образуют замысловатую форму пересекающихся орбит. Новая башня представляет собой «писк» последних технологий (рисунок 235).

Норман Фостер, глава архитектурного бюро Foster+Partners, недавно провёл презентацию «Острова-кристалла». Это гигантский – больше 400 м в

309

диаметре – шатер, висящий на одной 450-метровой оси-мачте. Конструкция сооружения – вантовая, закручивается по двум разнонаправленным спиралям, образующим ромбическую и чешуйчатую структуру. Это уникальная хайтековская структура, не только в смысле инженерных конструкций, но и в смысле функционирования здания, использующего солнечную энергию, естественную вентиляцию и т. д. Внутри располагаются гостиницы, спортивные помещения, выставочные залы, торговые помещения, кафе, рестораны, дискотеки, детские центры и вообще все, что можно себе представить, за исключением жилья и офисов.

В создаваемой Фостером жилой среде возрастает внешняя роль металла: объемы формируются сочетанием и наслоением нескольких металлических и металлостеклянных оболочек. Несущая конструкция – легкий каркас – заполняется слоистыми панелями и также облицовывается металлом. Пространство внутренних объемов четко структурируется с помощью железобетонных конструкций. Часто постройки Фостера отмечены присутствием гигантской кровли, образуемой параллельными стальными сводами, венчающими визуально легкий каркас, или сферическим гигантским куполом. Строго подчиненные принципу контекстуализма, они четко «вписаны» в окружающую среду. «Хрустальный остров» в Нагатинской пойме на юге Москвы будет иметь площадь около 2,5 млн. м2. Архитектурной доминантой «Хрустального острова» станет ажурная башня высотой примерно 457 м, 300 из которых придется на шпиль. Комплекс включит в себя 900 квартир, где могут жить 30 тысяч человек, 3000 гостиничных номеров, кинотеатр, развлекательный центр, торговый центр, центр здоровья, а также школу на 500 учеников. Кроме того, в проекте предусматривается строительство специальной смотровой площадки на высоте 300 м (рисунок 236).

Рисунок 236 – Фостеровский "Хрустальный остров" в Нагатинской пойме в Москве по проекту должен быть покрыт сетчатой гиперболоидной оболочкой

310

13.2 Общие сведения и классификация

Металлы и их сплавы – одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется, прежде всего, их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Металлы (от греческого металлон – копи, рудники, а не буквально добытое из земли) представляют собой вещества неорганического происхождения, многие из которых обладают характерным блеском, высокой плотностью

итвердостью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Кметаллам относят и их сплавы, имеющие по свойствам много общего с металлами.

Сплавы – системы, образованные сплавлением нескольких металлов (например, меди с цинком) или металлов с неметаллами (например, железо с углеродом).

Наиболее распространенные металлы: алюминий (содержание в земной коре 8,8 %), железо (5,1 %), кальций (3,62 %), натрий, калий, магний и титан

(по 2 %).

Металлы и сплавы металлов подразделяют на две основные группы: черные (железные) и цветные (не железные). Среди железных сплавов различают сталь (до 2 % углерода в сплаве), чугун (более 2 % углерода)

иферросплавы – сплавы

железа с кремнием, хромом, марганцем, никелем и некоторыми другими элементами (рисунок 227).

Рисунок 227 – Чугунный мост

(Англия, 1979 г.)

Не железные металлы и сплавы подразделяют:

по плотности – на тяжелые, ρ = 5…22,6 г/см³ (свинец, медь, олово, осмий, иридий и их сплавы) и легкие, ρ = 0,53…5 г/см³ (литий, алюминий, магний, титан и их сплавы) (рисунки 228, 229);

по температуре плавления – на легкоплавкие (ртуть – 39 оС, свинец,

олово, цинк) и тугоплавкие (вольфрам – 3410 оС, молибден, хром);

311