Повна версія

Головна arrow Техніка arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ІСТОРИЧНІ ЕТАПИ РОЗВИТКУ БУДІВЕЛЬНОГО МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

Наука про матеріали має найглибшу історію розвитку. Джерелом її служать перші справжні пізнання матеріалів в давнину.

Умовно можна виділити три основних за своєю тривалістю не дорівнює етапу в її історії. Виникнення науки і кожен етап її розвитку завжди були обумовлені виробництвом, практикою. У свою чергу, розвиток виробництва було наслідком зростаючих потреб в матеріалах у суспільства.

Перший етап охоплює найбільш тривалий період. При необхідності в ньому можна виділити більш дробові підперіоди, наприклад, найдавніші і давні часи, середні та пізні століття. Є достатньо підстав стверджувати, що вихідним моментом для становлення науки про матеріали стало отримання кераміки шляхом свідомого зміни структури глини при її нагріванні і випалюванні.

Дослідження розкопок показують, що предки покращували якість виробів спочатку підбором глин, потім за допомогою зміни режиму нагрівання і випалу на відкритому вогні, а пізніше - в спеціальних примітивних печах. Згодом надмірну пористість виробів навчилися зменшувати глазуруванням.

З плином значного часу людство зазнало самородні, а потім і рудні метали, фортеця і жорсткість яких були відомі вже з 8-го тисячоліття до н.е. Холоднокованая самородна мідь була витіснена міддю, виплавленої з руд, які зустрічалися в природі частіше і в більших кількостях. Надалі до міді стали додавати інші метали, так 'що в 3-му тисячолітті до н.е. навчилися виготовляти і використовувати бронзу як сплав міді з оловом, а також обробляти благородні метали, вже широко відомі на той час. Масштаби використання металів зростали, і людство вступило з бронзового століття в залізний, оскільки залізні руди виявилися доступнішими мідних. У 1-му тисячолітті до н.е. переважало залізо, яке навчилися поєднувати з вуглецем при ковальської обробки в присутності деревного вугілля. Поки точно не встановлено, коли почалося застосування термічної обробки стали, але все ж відомо, що в IX і VIII ст. до н.е. жителі Нурістану (територія західного Ірану) використовували її в побуті і техніці.

Свідоме створення нових керамічних і металевих матеріалів і виробів було обумовлено певним прогресом виробництва. Зростала необхідність в більш глибокому розумінні властивостей матеріалів, особливо міцності, ковкості та інших якісних характеристик, а також способів можливої ​​зміни їх. До цього часу розвинулися мореплавання, іригація, споруда пірамід, храмів, зміцнення ґрунтових доріг і т.д. Поповнилися новими відомостями і фактами теоретичні уявлення про матеріали.

Першими і найбільш правдоподібними судженнями про сутність якості матеріалів і про що складають частинках речовини були судження давньогрецьких філософів Демокрита (близько 460 або 470 до н.е.) і Епікура (341-270 до н.е.). Їх вчення про атомізму виникли під впливом спостережень за станом і властивостями природних каменів, кераміки, бронзи і сталі. Приблизно до того ж часу відноситься і філософія давньогрецького вченого Аристотеля, який встановив 18 якостей у матеріалів: плавкость-не- плавкость, в'язкість-крихкість, горючість-негорючість і т.п. Три відомих стану речовини (тверде, рідке і газоподібне) і відношення їх до енергії виражалося Аристотелем чотирма елементами: землею, водою, повітрям і вогнем, що з позицій фізики було певним досягненням. Римський філософ Тіт Лукрецій Кар (99-55 до н.е.) в дидактичній поемі "Про природу речей" викладав свої судження про природу властивостей матеріалів: "... що, нарешті, представляється нам затвердів і щільним, то складатися з почав гачкуватих має неодмінно, зчеплених між собою на зразок гілок сплетених. у цьому розряді речей, займаючи в ньому перше місце, будуть алмази стояти, що ударів зовсім не бояться, далі - твердий кремінь і заліза могутнього фортеця, так само як стійка мідь, що дзвенить при ударах в засуви ... " [1] .

Для стародавнього періоду науки вельми характерна нерозчленованість її за окремими видами будівельних матеріалів. Значною мірою в ній простежується загальна взаємозв'язок між якістю матеріалів і їх атомістичним складом, хоча, природно, до справжніх наукових хімічних знань про склад і властивості було ще досить далеко. Теорія будувалася в основному на здогадах, інтуїції, хоча були і дивовижні рішення, наприклад, в III в. до н.е. вже вміли надавати будівельних розчинів гідравлічні властивості, тобто здатність до їх твердненню у водному середовищі за допомогою природних добавок. Цим же фахівці займаються досі.

До першого періоду відноситься і середньовіччя з характерною для нього алхімією. Саме в цей період Парацельс замінює чотири елементи Аристотеля трьома своїми - сіллю, сірої і ртуттю, що можна розцінити як інтуїтивне передбачення ролі міжатомних зв'язків у формуванні властивостей речовин. До цього періоду відноситься і вчення Декарта (1596-1650) про те, що природа є безперервною сукупність матеріальних частинок, що рух матеріального світу вічно і зводиться до переміщення найдрібніших частинок - атомів. Переміщення атомів або, як їх тоді називали, корпускул, становило основу нової теорії будови речовини, що було значним досягненням в області пізнання складів, внутрішніх взаємодій і властивостей речовин. Дослідження, пов'язані з вивченням внутрішньої будови (структури) матеріалів, розвивалися повільніше, хоча у філософів античного періоду, як зазначалося вище, були і теорії, і деякі досвідчені дані. Серед найбільш видатних робіт слід назвати публікацію Реомюра (1683-1757) про структуру (в сучасній термінології - про мікроструктурі) заліза і її зміни. Досліди завершилися отриманням нового матеріалу - ковкого чавуну. У перших книгах з матеріалознавства Бірінгуччо (1480-1539) і Агріколи (1494-1555) підсумовувалися емпіричні відомості про сутність операцій, що виконуються в ливарному і ковальському виробництвах, про плавленні руд і характер металургійного виробництва. Слід зазначити, що до періоду середньовіччя відноситься також установа в Москві в 1584 р "Кам'яного наказу" про камені, цеглі та вапна в зв'язку із застосуванням їх в будівництві, який зіграв позитивну роль.

Великий внесок у розвиток науки про матеріали було внесено геніальними російськими вченими М.В. Ломоносовим і Д.І. Менделєєвим.

М.В. Ломоносов (1711-1765) заклав основи передової російської філософії і науки, особливо в галузі хімії, фізики, геології. Він став основоположником курсу фізичної хімії та хімічної атомістики, що обгрунтовує атомно-молекулярну будову речовини. У 1752 р їм було написано "Введення в справжню фізичну хімію". Торкаючись поширеною в той період нової теорії, М.В. Ломоносов зазначав, що корпускули - це найдрібніші частинки, ввів уявлення про молекулах і їх відмінності від атомів, а щодо ще більш поширеного тоді вчення про флогістон, що виділяється, нібито, при прожаренні металів і горінні речовин, то він не тільки відкинув таке вчення про таємниче "речовині вогню", але і дав наукове пояснення хімічних явищ, що протікають при таких впливах вогню. Крім того, М.В. Ломоносов вперше написав книгу російською мовою по металургії, розробив склади кольорових стекол і спосіб виготовлення мозаїчних панно з них, висловив гіпотезу про походження бурштину та ін.

Д.І. Менделєєв (1834-1907) відкрив найважливішу закономірність природи - періодичний закон, відповідно до якого властивості елементів перебувають у періодичній залежності від величини їх атомної маси. Він опублікував книгу "Основи хімії"; в ній описано, зокрема, атомно-молекулярну будову речовини. Д.І. Менделєєву належить і публікація з основ виробництва скла.

Для першого етапу становлення і розвитку будівельного матеріалознавства, який, як зазначалося, почався з глибокої давнини і тривав до початку другої половини XIX ст., Характерно порівняно обмежена кількість різновидів матеріалів і досвідчених даних по їх якісним характеристикам. Однак великі вчені і філософи тих часів за допомогою інтуїції, і логіки, гіпотез і теорій, а дещо пізніше - з залученням нових знань у фізиці і відкриттів в хімії і фізичної хімії (остання своє поступальний розвиток початку з робіт М. В. Ломоносова) зуміли дати досить повне уявлення про склад речовин, внутрішніх взаємодіях найдрібніших частинок і властивості. Були встановлені деякі загальні залежності властивостей речовин, особливо механічних, від їх складу. Менш вивченою залишалася залежність властивостей від структури, хоча ще в 1665 р англійський учений Роберт Гук виявив у металів типову кристалічну структуру, тобто за 200 років до відкриття мікроструктури стали під мікроскопом англійським вченим Генрі Сорби.

Другий етап розвитку будівельного матеріалознавства умовно почався з другої половини XIX ст. і закінчився в першій половині XX ст. Найважливішим показником цього етапу стало масове виробництво різних будівельних матеріалів і виробів, безпосередньо пов'язане з інтенсифікацією будівництва промислових і житлових будівель, загальним прогресом промислових галузей, електрифікацією, введенням нових гідротехнічних споруд і т.п. Характерним є також конкретне вивчення складів і якості вироблених матеріалів, вишукування найкращих видів сировини і технологічних способів його переробки, методів оцінки властивостей будівельних матеріалів зі стандартизацією необхідних критеріїв вдосконалення практики виготовлення продукції на всіх стадіях технології.

Другий етап відрізняється порівняно швидким зростанням виробництва нових матеріалів, ранішевідсутніх в номенклатурі. Досягнення науки про матеріали в нашій країні лунають із боку основоположників найбільших наукових шкіл Ф.Ю.Левінсона-Лессінга, Е.С. Федорова, В.А. Обручева, А.І.Ферсмана, Н.А. Белелюбського, що займалися дослідженням мінералів і родовищ природних кам'яних матеріалів (гірських порід). В результаті будівельне матеріалознавство збагатилося даними петрографії і мінералогії при характеристиці мінеральної сировини, що використовується після механічної переробки або в поєднанні з хімічною переробкою у вигляді готової продукції - природного каменю штучного і в пухкому стані, кераміки, в'яжучих речовин, скла та ін. З тією ж метою почали застосовувати побічні продукти виробництв - шлаки, золи, деревні відходи тощо.

У номенклатурі матеріалів, крім застосовувалися на першому етапі каменю немолотого або грубо близько того, міді, бронзи, заліза і сталі, кераміки, скла, окремих в'яжучих, наприклад, гіпсу, вапна, з'явилися нові цементи, і почався масовий випуск портландцементу, відкритого Е. Челиев на початку XIX ст. У розробці нових для того часу мінеральних в'яжучих речовин брали участь А.Р. Шуляченко, І.Г. Малюга, А.А. Байков, В.А. Кінд, В.Н. Юнг, М.М. Лямін і інші вчені. Покращилася якість і здавна відомих вапна і гіпсу. Так, І.В. Смирнов запропонував використовувати в будівництві мелене негашене вапно, в той час як протягом двох тисячоліть вапно застосовувалася після її гасіння водою; І.А. Передерій запропонував високоміцний гіпс; А.В. Волженський за участю А.В. Ферронской - гіпсоцементно пуцолановому в'яжучий; П.П. Будніков - ангідритовий цемент і ін.

Швидко розвивалося виробництво цементних бетонів різного призначення; сформувалася спеціальна наука про бетонах - бе тоноведеніе. У 1895 р І.Г. Малюга видав перший в нашій країні праця "Склад і способи приготування цементного розчину (бетону) для отримання найбільшої фортеці". Він вперше вивів формулу міцності бетону і сформулював так званий закон водоцементного відносини. Трохи раніше французький вчений Фере запропонував формулу міцності цементного каменю (і бетону). У 1918 р була встановлена ​​міцність бетону Абрамс (США), уточнена Н.М. Бєляєвим, що послужило вихідною позицією для розробки методу підбору (проектування) складу щільного і високоміцного бетону. З'явилася і формула міцності Боломея

(Швейцарія), уточнена Б.Г. Скрамтаєва стосовно до вітчизняних вихідним компонентам.

Аналогічний процес оновлення і інтенсифікації виробництва з одночасним розвитком відповідних наук на цьому етапі стався і у випадку багатьох інших матеріалів. Так, наприклад, на основі вапна і портландцементу здійснювався масовий випуск різновидів змішаних цементів та в'яжучих речовин. Подальші дослідження Н.М. Бєляєва, І.П. Александріна, Б.Г. Скрамтаєва, Н.С. Завріева та інших вчених сприяли суттєвому підвищенню якості бетону з уточненням раніше отриманих залежностей його міцності (Абрамс, Боломеем). До цього ж часу Н.А. Попов розробив наукові основи технології легких бетонів і будівельних розчинів, обсяги застосування яких швидко зростали, особливо в житловому будівництві. Були запропоновані нові різновиди штучних наповнювачів для легких бетонів - керамічні, шлакові та ін.

В кінці XIX в. формується технологія виготовлення залізобетону і отримує розвиток наука про залізобетон. Цей високоміцний матеріал був запропонований французькими вченими Ламбо і Ко- Вальє, садівником Моньє (1850-1870). У Росії А. Шиллер, а потім в 1881 р Н.А. Белелюбський провели успішні випробування конструкцій із залізобетону, а в 1911 р були видані перші технічні умови і норми для залізобетонних конструкцій і споруд. На особливу увагу заслужили безбалочні залізобетонні міжповерхові перекриття, розроблені в Москві А.Ф. Лолей- тому (1905). В кінці XIX ст., Після успішних досліджень, впроваджений в будівництво попередньо напружений залізобетон. У 1886 р П. Джексон, Дерінг, Мандель, Фрейсіне взяли патент на його застосування і розвинули цей метод. Масове виробництво попередньо напружених конструкцій почалося дещо пізніше, а в нашій країні - на третьому етапі розвитку будівельного матеріалознавства. До цього періоду відноситься впровадження та збірного залізобетону. Розвивалися наукові концепції виробництва багатьох інших будівельних матеріалів. Рівень пізнання піднявся так, що в цементній, полімерної, скляної та деяких інших галузях розрив у часі між закінченням наукової розробки та впровадженням її у виробництво ставав дуже малим, тобто наука перетворювалася в безпосередню продуктивну силу.

У нашій країні, як і в інших розвинених країнах, створювалися галузеві наукові інститути - НИИцемент, НІІЖелезобетона, НІІСтройполімер, НІІАсбестоцемент, НІІКераміка, НІІ- Мінерального сировини та ін. Періодично збиралися національні і міжнародні конгреси з проблем подальшого вдосконалення технологій і підвищення якості традиційних і нових матеріалів. У них гостро потребувала житлове, промислове,

цивільне, дорожнє, гідротехнічне, сільськогосподарське та інші види будівництва. Розвиток практики на цьому етапі в будівельному матеріалознавстві було певною мірою гіпертрофовано в порівнянні з теорією. Розкриття теоретичних принципів і загальних закономірностей стримувалося необхідністю якнайшвидшого вирішення проблеми інтенсифікації виробництва будівельних матеріалів і виробів для задоволення гострої потреби в них в цей важкий період часу.

Гипертрофирование практики виразилося, зокрема, в тому, що фундаментальна наука про матеріали іменувалася як "Будівельні матеріали" з досить докладним описом в них вироблених матеріалів і виробів, але, як правило, поза зв'язком між собою. Під цією назвою видавалися підручники для студентів вищих і середніх спеціальних навчальних закладів. Одним з перших масовим тиражем в 1896 вийшов у світ підручник В.В. Евальда, перевидавався потім 14 разів під назвою "Будівельні матеріали, їх виготовлення, властивості і випробування". Далі слідували аналогічні підручники "Будівельні матеріали", підготовлені В.А. Киндом і С.Д. Окорокова (1934 г.), Б.Г. Скрамтаєва, Н А. Поповим і ін. (1950 г.), В.А. Воробйовим (1952 г.), А.Г. Комаром (1967), а також іншими авторами з неодноразовим їх перевиданням. Безсумнівно, ця навчально-методична література відіграла і продовжує відігравати свою роль найголовніших систематизованих посібників у вивченні наукової практики виробництва будівельних матеріалів і виробів, наукових основ їх якості і широкого застосування в будівництві.

Третій етап охоплює період з другої половини XX ст. до теперішнього часу. Він характеризується, по-перше, процесом подальшого розширення виробництва будівельних матеріалів і поглибленням відповідних їм спеціалізованих наук і, по-друге, - інтеграцією наукових знань про будівельні матеріали і вироби в їх складній сукупності. Розширення виробництва матеріалів викликалося як і раніше необхідністю відновлення житлового та промислового фонду після другої світової війни. Будівництво було переведено на індустріальні способи, зокрема, шляхом заводського виготовлення виробів із залізобетону, конвейеризации виробництва збірного бетону та залізобетону. Якщо в 1950 р в нашій країні було виготовлено 1,3 млн. М 3 збірного залізобетону у вигляді панелей і блоків, то в 1960 р - 30,2 млн. М 3 , в 1970 р - 84,6 млн. М 3 , у 1980 році - 122 млн. м 3 , в 1985 р - 151,0 млн. м 3 , з яких майже 30 млн. м 3 - попередньо напружених збірних залізобетонних конструкцій. Збільшувалися обсяги випуску виробів і конструкцій з легких і пористих бетонів (в 1985 р - 25 млн. М 3 ).

Відповідно швидко зростала потужність цементної промисловості. Якщо в 1950 р випуск цементу склав 10,2 млн. Т, то в 1960 р - 45,5, в 1970 р - 96, у 1980 році - 125, а в 1985 р - 131 млн. Т. кількість різновидів цементів склало 30. Високий рівень розвитку цієї промисловості був також і в багатьох інших країнах.

Керамічне виробництво стало високомеханізованої і автоматизованої галуззю в промисловості будівельних матеріалів. У другій половині XX в. Річна продуктивність однієї технологічної лінії становила на заводах до 30 млн. шт. стандартного цегли. Були впроваджені поточно-конвеєрні лінії з річною продуктивністю до 1 млн. М 2 облицювальних керамічних плиток та до 800 тис. М 2 плиток для підлог.

У скляної промисловості випуск листового скла також швидко збільшувався: в 1950 р - 77, в 1960 р - 147, в 1970 р - 231, у 1980 році - 245 млн. М 2 . Діяли механізовані лінії по виготовленню стеклопрофилита.

Щорічно наростав обсяг випуску полімерних матеріалів підвищеної термостійкості, міцності і негорючості, довговічності і стабільності, багатьох інших будівельних матеріалів і виробів. Зростання виробництва супроводжувався розвитком і спеціалізованих наук, їх прогресом. Істотний внесок в розвиток спеціалізованих напрямків науки про будівельні матеріали і виробах, а також у вдосконалення їх виробництва і підвищення якості в нашій країні внесли П.П. Будніков, П.І. Боженов, Ю.М. Бутт, І.І. Вірніше, Ю.М. Баженов, А.В. Волженський, І.М. Ахвердов, В.А. Воробйов, Г.І.Горчаков, В.Д. Глухівський, І.А. Іванов, Г.І. Кнігіна, В.Г.Мікульскій, В.В. Михайлов, В.М. Москвін, Л.М. Перелигін, І.А. Рибьев, П.В. Сахаров, П.Н. Соколов, В.В.Тімашев, А.Я. Тихонов, І.М. Френкель, A. Є. Шейкин, С.В. Шестоперов, М.І. Хігеровіч, В.М. Хрулев,

B. І. Харчевников і ін. Великий науковий і практичний внесок на сучасному етапі будівельного матеріалознавства внесли багато зарубіжні фахівці.

Процес спеціалізації наук про будівельні матеріали тривав. Виникли стикові області пізнання комплексних матеріалів, наприклад, полімерцементних, сілікатополімерних, шлакокераміческіх і багатьох інших. Це істотно збагачувало практику будівельного матеріалознавства, галузі промисловості будівельних матеріалів і виробів.

Третій етап будівельного матеріалознавства характеризувався не тільки розвитком практики, а й теорії, систематизацією теоретичних знань про матеріали в їх складній сукупності і взаємозв'язку. Були встановлені загальні закономірності у властивостях штучних і природних матеріалів оптимальної структури, спільні наукові принципи в технологіях різних матеріалів, загальні методи оптимізації їх структури, узагальнені критерії (якісні і кількісні) прогресивних технологій і ін.

Перші узагальнення в науці про матеріали висловилися в розробці Д.С. Бєлянкіної (1876-1953) технічної петрографії з отриманням вогнетривів, абразивів і деяких інших штучних каменів. Новим імпульсом розвитку матеріалознавчої науки на третьому етапі стала фізико-хімічна механіка - прикордонна наука між фізичною хімією і механікою, розроблена П.А. Ребиндером за участю великої групи вчених (в тому числі вузів), зазначених АН СРСР, - Н.А. Попова, А.Н. Попова, Г.І. Логгінова, М.П. Воларовічем, М.М. Іванова, І.А. Рибьсва, К.Ф. Жигачев, Д.М. Толстого, Г. Д. Діброва, Б.В. Вєдєнєєва, Е.Е. Сігалова, Л.А. Казаровіцкого, Л.П. Орентліхер і ін. У цій області науки показані основи управління технологічними процесами отримання різних будівельних і конструкційних матеріалів із заданими властивостями, високою надійністю і довговічністю. Визначено умови ефективного дроблення і тонкого подрібнення, різання і механічної обробки твердих тіл з урахуванням впливу навколишнього середовища. Спрямованістю до узагальнень і інтеграції в науці про матеріали відрізняються дослідження О.П. Мчедлова-Петросяна, П.І. Боженова, А.В. Нехорошсва, П.Г. Комохова, В.І. Соломатова, В.І. Харчевнікова і ін.

З початку другої половини XX в. виникла і отримала подальший розвиток теорія штучних будівельних конгломератів як "найважливіший компонент сучасного будівельного матеріалознавства" [2] Вона була розроблена І.А. Рибьевим і його науковою школою. У ній викладені: сутність теоретичної технології; наукові принципи формування оптимальних структур, при яких матеріали стають подібними між собою екстремальними значеннями структурочувствітельних властивостей; загальні і притому об'єктивні (тобто зустрічаються в природі, наприклад у гірських порід, деревини) закономірності зміни властивостей (закон створу, закон конгруенції, закон міцності і деяких інших властивостей) в математичних виразах; основні аспекти довговічності матеріалів; теорія методів (методологія) наукового дослідження і технічного контролю якості тощо (див. нижче 1.3).

Третій компонент, присутній в науках у вигляді основ світогляду, є, природно, і в даній науці про матеріали. Тут він відрізняється від інших компонентів (практики і теорії) не тільки своєю філософською спрямованістю, що виражається в науково-абстрактних законах цієї фундаментальної будівельної науки, а й специфічними тенденціями її розвитку: поглиблення диференційованих знань про кожному будівельному матеріалі і синтез наукових знань про матеріали в їх складному і систематизованому єдності. У цій єдності обох тенденцій укладена одна з ефективних внутрішніх сил поступального розвитку будівельного матеріалознавства з розробкою і доказом нових гіпотез і закономірностей, з прогнозуванням майбутніх успіхів у практиці і теорії.

  • [1] Лукрецій Тіт Кар. Про природу речей / Пер. Ф.А. Петровського. М., 1958.
  • [2] Російська архітектурно-будівельна енциклопедія. М., 1995.
 
<<   ЗМІСТ   >>