ВВЕДЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Три этапа развития науки о строительных материалах

Современное строительное материаловедение — прикладная наука, базирующаяся на положениях фундаментальных наук: химии, физики, реологии, математики и др. Ее роль в строительном производстве огромна. Без постоянно развивающихся знаний о материалах и изделиях из них невозможно спроектировать, построить и эксплуатировать любой качественный и долговечный инженерный объект (здание, дорогу, мост и т.п.).

Строительное материаловедение изучает огромный спектр различных природных и искусственных материалов, вырабатываемых в соответствующих специфических отраслях промышленности. Тем не менее, строительное материаловедение объединяет все многообразие материалов в единую систему с общими научными принципами, методами и закономерностями. Такой системный подход позволяет прогнозировать появление новых, пока еще не открытых материалов с оставлением «вакантных» мест в соответствующих их классификациях (подобно тому, как это происходит с Периодической системой Д.И. Менделеева).

История развития науки о строительных материалах уходит в далекое прошлое. Профессор И.А. Рыбьев выделяет три основных, не одинаковых по продолжительности этапа развития науки о строительных материалах, между которыми нет четких разделительных границ[1]. Главным критерием для их выделения во времени является состояние производства, поскольну его совершенствование во многом определялось потребностями общества в материалах.

Первый этап (до 1-й пол. XIX в.) является наиболее длительным по времени. Исходной точкой отсчета начала развития науки о материалах признан момент получения керамики путем осознанного изменения структуры глины при ее обжиге. Это подтверждено результатами археологических раскопок. Вначале свойства изделий улучшали правильным подбором глины, а затем — их обжигом на открытом огне в специальных примитивных печах. Однако первым этапом в этой технологии стали попытки использования глины как вяжущего воздушного твердения. Это объясняется тем, что глина очень проста в применении и не требует помола, а нуждается лишь в разминании и увлажнении. Для предотвращения усадки и растрескивания глины отощались песком, а для увеличения прочности в глиняное тесто (раствор) добавляли траву, рубленую солому, шерсть животных (это был первый опыт упрочнения изделий путем армирования).

Значительно позднее человечество начало широко использовать металлы, прочность и жесткость которых были известны еще в 8-м тыс. до н.э. Вначале была открыта холоднокованая самородная медь. Позже она была заменена медью, выплавляемой из руд, которые встречались в недрах земли чаще и в значительно больших объемах. В дальнейшем к меди стали добавлять другие металлы и примерно в 3-м тыс. до н.э. люди научились получать и использовать сплав меди с оловом — бронзу (бронзовый век). К этому же периоду относится время, когда люди научились обрабатывать благородные металлы (серебро, золото).

С течением времени объемы использования металлов возрастали и человечество вступило в железный век, поскольку железные руды оказались гораздо доступнее медных. Таким образом, в 1-м тыс. до н.э. в производстве орудий и инструментов стало преобладать железо.

Сознательное создание все более сложных керамических и металлических изделий было обусловлено потребностями развивающегося мореплавания, ирригации, строительства различных зданий и сооружений, укрепления дорог.

Крупный вклад в развитие науки о материалах внесли выдающиеся русские ученые М.В. Ломоносов и Д.И. Менделеев.

М.В. Ломоносов (1711 —1765) заложил основы науки в области химии и физики. Им был открыт закон сохранения материи и движения, разработаны важнейшие положения в области физической химии. Он написал первую книгу на русском языке по металлургии, получил составы цветных стекол и изготовил из них мозаичные панно. Вклад Ломоносова в различные отрасли знания неоценим и его роль в развитии материаловедения огромна.

Д.И. Менделеев (1834—1907) открыл важнейший закон природы — периодический закон, в соответствии с которым свойства химических элементов находятся «в периодической зависимости от величины их атомных весов». Менделеев получил важные результаты в исследовании растворов, опубликовал книгу «Основы химии», в которой описал атомно-молекулярное строение вещества. Ему также принадлежит первый труд по основам стекольного производства.

В качестве некоторого итога становления и развития науки о строительных материалах на первом этапе можно отметить сравнительно ограниченное количество разновидностей изучавшихся материалов и данных об их свойствах.

Однако несмотря на слабое развитие точных наук, великие ученые и философы прошлых столетий на основе интуиции, логики, гипотез и теорий сумели дать достаточно полное представление о структуре материалов, установить общие зависимости их свойств (в основном механических) от состава. Например, Р. Гук еще в 1665 г. выявил типичную кристаллическую структуру железа.

Второй этап (2-я пол. XIX в. — 1-я пол. XX в) характеризуется созданием новых материалов и их массовым производством. Это было вызвано бурным развитием промышленности, строительством многочисленных инженерных сооружений. Кроме того, развитию науки о материалах способствовали новые открытия в области исследования их составов, структуры и оценки свойств. Ярким примером является открытие в 1912 г. явления дифракции рентгеновских лучей, что позволило создать фундаментальный физический метод изучения структуры различных материалов. Достижения в физике, химии, минералогии и других науках явились фундаментом для дальнейшего развития строительного материаловедения.

Второй этап развития науки о материалах существенно отличается от первого. Действительно, если на первом этапе устанавливались лишь общие связи между атомно-молекулярным составом веществ и их свойствами, то на втором этапе главным стало всестороннее изучение конкретных материалов, создаваемых для возводимых строительных объектов, и обеспечение их высокого качества.

Наблюдается также начало четкой дифференциации исследований применительно к запросам отдельных производств материалов. На этом этапе каждая отрасль производства получала от науки максимум информации о необходимом для нее сырье, способах его переработки, объективных методах оценки свойств готовой продукции, ее стандартизации и путях дальнейшего улучшения качества.

Развитие наук о Земле: геологии и геохимии (академики В.А. Обручев, А.Е. Ферсман, В.И. Вернадский и др.) — способствовало выявлению новых месторождений полезных ископаемых. Было установлено, что на долю девяти химических элементов приходится 98 % земной коры, причем половину из этого количества составляет кислород и более одной четверти — кремний. Было также определено, что большая часть элементов образует в земной коре различные химические соединения — кристаллические и аморфные минералы. Эти данные о минеральном сырье интенсивно использовались для его переработки в заводских условиях с получением минеральных вяжущих веществ, керамики, стекла и других промышленно выпускаемых строительных материалов.

Особенно подробно были изучены глины. Труды В.И. Вернадского, Н.А. Земятченского и других исследователей по глинам способствовали созданию промышленно развитой отрасли производства керамики и керамического строительного кирпича. Исследования в этом направлении внесли неоценимый вклад в создание керамических огнеупоров, что было крайне необходимым для развития металлургии.

Следует особо отметить успехи в производстве вяжущих веществ (строительного гипса и гидравлической извести) в России в XVIII в. В начале XIX в. Е.Г. Челиевым было открыто новое вяжущее, получившее в дальнейшем название портландцемент. Особенно большой вклад в развитие цементной промышленности в России внес Н.А. Белелюбский и его специализированная лаборатория.

Массовый выпуск цементов способствовал производству бетонов и появлению науки о бетонах — бетоноведения. Большой объем исследований в этом направлении выполнили Н.М. Беляев, Б.Г. Скрамтаев и др. Это позволило создать расчет состава плотного бетона.

Одновременно формировалась технология изготовления железобетона и наука о железобетоне. Открыл явление упрочнения бетона с помощью железной арматуры парижский садовник Ж. Монье в 1867 г.

В 1881 г. профессор Н.А. Белелюбский провел успешные испытания различных конструкций из железобетона.

Следующим большим шагом в развитии железобетона явилось внедрение в начале XX в. предварительно напряженной арматуры.

Продолжались также научные исследования и совершенствовались технологии многих других строительных материалов безобжигового типа (асфальтобетон, полимерные материалы, ситаллы и др.).

В целом науку о строительных материалах на втором этапе можно рассматривать как сложную совокупность знаний о конкретном материале на базе фундаментальных наук — физики и химии.

На втором этапе были изданы монографии, посвященные отдельным материалам, а также учебники по строительным материалам. Так, например, в 1896 г. В.В. Эвальдом был написан учебник, выдержавший 14 переизданий: «Строительные материалы, их изготовление, свойства и испытания». Далее были подготовлены известные учебники В.А. Кинда и С.Д. Окорокова (1934), Б.Г. Скрамтаева, Н.А. Попова (1950) и др.

Общепризнанно, что учебно-методическая литература в различные периоды сыграла огромную роль в систематизации знаний о научных основах производства различных материалов, а также обучении кадров инженеров-строителей и технологов.

Третий этап развития науки о строительных материалах охватывает современный период, начавшийся со 2-й половины XX в.

Для него характерны следующие особенности:

  • 1) дальнейшее расширение объема производства традиционных и появление новых материалов; при этом наблюдается возросший уровень теоретических исследований применительно к конкретному виду материалов;
  • 2) интеграция научных знаний о строительных материалах (например, физико-химическая механика дисперсных материалов, «отцом» которой стал академик П.А. Ребиндер).

Эти два сложных процесса взаимосвязаны и обогащают друг друга. Они оказывают существенное влияние на эффективное решение проблем повышения качества и снижения стоимости материалов, изделий и конструкций на их основе.

Импульсом, стимулирующим указанные процессы, явились последствия Второй мировой войны, потребовавшие огромного объема работ по восстановлению разрушенных городов, промышленных зданий и транспортных коммуникаций во многих странах мира.

Строительство интенсивно переводилось на индустриальные способы, благодаря внедрению крупноразмерных изделий и конструкций из сборного железобетона.

Это, в свою очередь, потребовало реконструкции и расширения производства цемента и увеличения его ассортимента. Было разработано около 30 видов цемента, включая быстротвердеющие, высокомарочные расширяющиеся и безусадочные. Развитие металлургии способствовало созданию и выпуску в больших объемах шлакопортландцемента. Стала перспективной организация производства шлако-щелочных вяжущих веществ, характеризуемых высокой прочностью.

Большие успехи были достигнуты в стекольной промышленности: разработаны стеклохолст, стеклосетки, стеклопластики, стеклорубероид, ситаллы. Вместо металлической арматуры в бетонах стали использовать стеклополимерные стержни и сетки.

Совершенствовалось производство полимеров. В основе достижений в этой области материаловедения лежат открытия выдающихся ученых-химиков: труды А.М. Бутлерова (середина XIX в.) в области химических реакций получения органических полимеров; С.В. Лебедева (конец XIX — начало XX в.), исследовавшего процесс полимеризации ненасыщенных соединений и являющегося одним из создателей производства синтетического каучука; Н.Н. Семенова, разработавшего теорию цепных реакций и описавшего закономерности таких реакций при полимеризации. Большие заслуги в создании новых видов пластмасс принадлежат К. А. Андрианову, А.А. Берлину, В.А. Каргину и др.

В области строительного материаловедения значительный вклад внесли труды И.А. Рыбьева, Н.В. Горелышева (дорожный асфальтобетон), В.И. Соломатова (композиционные материалы), И.Н. Ахвердова (цементобетоны) и многих других.

На современном этапе наука о материалах представляет собой систему обобщенных взглядов и характеризуется коренным пересмотром критериев прогрессивных технологий с выходом их на оптимальные значения. При этом четко прослеживается действие законов развития материи в системах структура — состав — свойства с научной конкретизацией категории «оптимальная структура материала».

Философская направленность развития строительного материаловедения выражается в том, что в ней действуют две тенденции: 1) идет дальнейшая дифференциация научных знаний о материалах; 2) происходит одновременный синтез научных знаний о них.

Обе тенденции «подпитываются» применением новых видов сырья, вяжущих веществ, заполнителей, добавок и технологий, использующих известные физические эффекты (ультразвук, электрогидравлический эффект, трибоактивация и др.). В совокупности обе указанные тенденции обогащают друг друга и вскрывают новые закономерности (например, «закон створа» И.А. Рыбьева) или кардинально улучшают технологию получения традиционных материалов (например, активация компонентов асфальтобетона на основе известных физических эффектов)[2].

Таковы краткие теоретические и экспериментальные аспекты исторического развития строительного материаловедения как непрерывного движения. Суть этого динамического процесса состоит в постоянном совершенствовании и переходе от старого к новому, от простого к сложному, от низкого к более развитому уровню производительных сил общества.

  • [1] Рыбьев ИЛ. Основы строительного материаловедения в лекционном изложении. М.: Астраль, 2006. 604 с.
  • [2] См.: Ковалев Я.Н. Активационные технологии дорожных композиционных материалов. Минск, БелЭН, 2002. 336 с.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >