 Материаловедение для строителей
Основные этапы развития строительного материаловедения
Строительные материалы, изделия и конструкции - это
материальная основа строительства. Затраты на них достигают 50 % общей стоимости
строительно-монтажных работ. Следовательно, грамотное и экономное
расходование материалов позволяет существенно сократить стоимость
строительства в целом.
Для того чтобы правильно использовать разнообразные
строительные материалы, надо знать их свойства и назначение. Изучением
свойств материалов занимается наука - материаловедение. Материаловедение
строительное - наука о строительных материалах, их составе, свойствах,
внутреннем строении технологиях изготовления и областях применения,
долговечности и надежности конструкций зданий и сооружений. Материаловедение
относится к числу основополагающих строительных наук, поскольку без знания
свойств строительных материалов невозможно проектировать, строить,
реконструировать и эксплуатировать объекты. Эта наука является
многоотраслевой, так как посвящена изучению и систематизации строительных
материалов, вырабатываемых в соответствующих отраслях промышленности в полной
номенклатуре.
Материаловедение для строителей может быть сведено к трем
основным взаимодействующим составляющим. Во-первых, в материаловедение входят
эмпирические знания в виде новых и ранее полученных данных на производстве, в
институтах в ходе экспериментальных и опытно-промышленных исследований,
наблюдений за работой материалов в конструкциях зданий и сооружений при
эксплуатации.
Во-вторых, строительное материаловедение - это область
теоретических знаний. Известно, что теория призвана объяснять факты,
наблюдаемые в производственных и лабораторных исследованиях; в эмпирическом
материале она открывает действие закономерностей, сводит их в единую систему,
что приводит к многим другим обобщениям и гипотезам, к созданию теории,
наличие которой переводит систему знаний в подлинную науку.
В-третьих, материаловедение как неотъемлемый компонент
всякой науки содержит ее мировоззренческие основы.
С развитием науки о строительных материалах изменились
представления о прогрессивных и передовых технологиях их производства на
уровне мировых достижений, закономерностях изменения свойств материалов,
долговечности при критическом уровне деструкции, экологии окружающей среды и
материалов как непременного критерия прогрессивной технологии, максимальном
использовании техногенного сырья при минимальном расходе природного и др.
Развитие материаловедения в строительстве происходит при
тесном взаимодействии практики и теории: производственные технологии дают
новые факты, а теоретические - принимают их, обогащая на их основе научные
знания новыми обобщениями, используемыми, в свою очередь, в развитии
производства.
Целенаправленное использование материалов для возведения
построек различного функционального назначения известно человечеству с
древнейших времен. На начальных этапах цивилизации применяли такие материалы,
которые не требовали значительных усилий и энергетических затрат для придания
им заданной формы: древесину и природные камни, необожженную глину.
Исходным моментом для становления науки о материалах
явилось получение керамики путем сознательного изменения структуры глины при
ее нагревании и обжиге. Со временем чрезмерную пористость изделий научились
уменьшать глазурованием.
С течением времени человечество познало самородные, а
затем и рудные металлы, крепость и жесткость которых были известны уже в VIII
тыс. до н. э. Холоднокованая самородная медь была вытеснена медью,
выплавленной из руд, которые встречались в природе чаще и в больших
количествах. В дальнейшем к меди стали добавлять другие металлы, и таким
образом в III тыс. до н. э. люди научились изготовлять и использовать бронзу
как сплав меди с оловом, а также обрабатывать благородные металлы, уже широко
известные к тому времени.
Получение новых керамических и металлических материалов и
изделий было обусловлено определенным прогрессом производства. Возрастала
необходимость в более глубоком понимании свойств материалов, особенно
прочности, ковкости и других качественных характеристик, а также способов их
возможного изменения.
Однако подлинных научных знаний о составе и свойствах
материалов не было. Теория строилась в основном на догадках, интуиции, хотя
были и удивительные решения, например в Ш в. до н. э. люди уже умели
придавать строительным растворам гидравлические свойства, т. е. способность к
твердению в водной среде с помощью природных добавок.
Источниками информации были личные контакты между
мастерами и передача ими опыта, впоследствии получившие организующее начало в
цеховых объединениях, естественная миграция и насильственное переселение
специалистов-мастеров завоевателями из порабощенных стран. Письменная
информация в области производства материалов и изделий в течение многих
столетий отсутствовала, ибо мастера и ремесленники были неграмотны, а
владевшая письменностью знать была бесконечно далека от непосредственного
производства
В средние века, когда процветала алхимия, Парацельс (1493-1541) заменяет четыре элемента
Аристотеля (земля, вода, воздух и огонь) тремя своими - солью, серой и
ртутью, что можно расценить как интуитивное предсказание роли межатомных
связей в формировании свойств веществ. К этому же периоду относится и учение
Декарта (1596-1650) о том, что природа представляет собой непрерывную
совокупность материальных частиц, что движение материального мира вечно и
сводится к перемещению мельчайших частиц - корпускул (атомов). Перемещение
атомов составляло основу корпускулярной теории строения вещества, что было
значительным достижением в области познания составов, внутренних
взаимодействий и свойств веществ.
Большой вклад в развитие науки о материалах внесли великие
русские ученые М. В. Ломоносов
(1711-1765) и Д. И. Менделеев (1834-1907). М. В. Ломоносов заложил основы
передовой русской философии и науки, особенно в области химии, физики и
геологии. Он явился основоположником курса физической химии и химической
атомистики, обосновывающей атомно-молекулярное строение вещества. Д. И.
Менделеев открыл важнейшую закономерность природы - периодический закон, в
соответствии с которым свойства элементов находятся в зависимости от величины
их атомной массы.
Для первого этапа становления и развития строительного
материаловедения характерно сравнительно ограниченное количество
разновидностей материалов и опытных данных по их качественным
характеристикам. Его можно характеризовать как становление науки о материалах
вообще, о составе веществ, внутренних взаимодействиях мельчайших частиц и их
свойствах.
Развитие строительной техники и технологии способствовало
совершенствованию качества материалов, расширению их номенклатуры, порождало
новые архитектурные формы. С открытием таких вяжущих, как строительный гипс и
воздушная известь, появилась возможность изготовлять материалы
конгломератного типа, т. е. путем соединения вяжущего с сыпучими компонентами
- песком и гравием. Получаемые таким образом бетоны и строительные растворы
были известны уже в эпоху Древнего Рима и цивилизации индейцев майя. Однако
применение этих бетонов ограничивалось недостаточной водостойкостью гипса и
извести.
Второй этап в развитии строительных материалов начался с
изобретения во второй половине XIX в. гидравлического вяжущего - портландцемента
- и закончился в первой половине XX в. Появилась возможность изготовлять
водостойкие бетоны и строительные растворы, что существенно расширило
технические возможности строительства. Важнейшим показателем этого этапа
явилось массовое производство различных строительных материалов и изделий,
непосредственно связанное с интенсификацией строительства промышленных и
жилых зданий, общим прогрессом промышленных отраслей, электрификацией и т. д.
Характерным является также конкретное изучение составов и качества
производимых материалов, изыскание наилучших видов сырья и способов
переработки, методов оценки свойств строительных материалов со
стандартизацией необходимых критериев совершенствования практики изготовления
продукции на всех стадиях технологии.
В номенклатуре материалов, кроме применявшихся на первом
этапе камня, меди, бронзы, железа и стали, керамики, стекла и отдельных
вяжущих, начался массовый выпуск портландцемента, появились новые цементы;
сформировалась специальная наука о бетонах - бетоноведение. Были предложены
новые разновидности искусственных заполнителей для легких бетонов
-керамические, шлаковые и др.
В конце XIX в. формируется технология изготовления
железобетона и получает развитие наука о железобетоне. В это же время в
строительстве внедряется предварительно напряженный железобетон. Массовое
производство преднапряженных конструкций началось несколько позже, а в нашей
стране - на третьем этапе развития строительного материаловедения. К этому
периоду относится внедрение и сборного железобетона. Развивались научные
концепции производства многих других строительных материалов. Уровень
познания поднялся так, что в цементной, полимерной, стекольной и некоторых
других отраслях разрыв во времени между окончанием научной разработки и
внедрением ее в производство становился весьма малым, т. е. наука
превращалась в непосредственную производительную силу. В то же время в других
областях раскрытие теоретических принципов и общих закономерностей
сдерживалось необходимостью быстрейшего решения проблемы интенсификации
производства строительных материалов и изделий для удовлетворения нужд
строительства.
Третий этап охватывает период со второй половины XX в. до
настоящего времени. Он характеризуется, во-первых, процессом дальнейшего
расширения производства строительных материалов и углублением знаний
соответствующих им специализированных наук и, во-вторых, интеграцией научных
знаний о строительных материалах и изделиях в их сложной совокупности.
Расширение производства материалов вызывалось по-прежнему необходимостью
восстановления жилищного и промышленного фонда после Второй мировой войны.
Строительство было переведено на индустриальные способы, в частности путем
заводского изготовления изделий из железобетона, конвейеризации производства
бетона и железобетона. Индустриализация строительного производства привела к
расширению номенклатуры и совершенствованию способов производства штучных
теплоизоляционных, гидроизоляционных и герметизирующих материалов, в
особенности материалов на полимерной основе или с их применением.
Керамическое производство стало высокомеханизированной и
автоматизированной отраслью в промышленности строительных материалов. Во
второй половине XX в. годовая производительность одной технологической линии
составляла на заводах до 30 млн шт. стандартного кирпича. Были внедрены
поточно-конвейерные линии с годовой производительностью до 1 млн м2
облицовочных керамических плиток и до 800 тыс. м2 плиток для полов.
Строительное материаловедение
Наше время характеризуется бурным развитием промышленности
строительных материалов. Наряду с традиционными возрастает применение новых
материалов. Механические способы переработки сырья все более вытесняются
физико-химическими методами, при которых свойства строительных материалов
формируются скрытой энергией вещества. Это позволяет сократить непроизводительные
затраты труда, топлива и электроэнергии.
Современный этап характеризуется быстрым развитием
производства и дальнейшей дифференциацией наук в различных отраслях
промышленности строительных материалов. Науки обогащаются новыми
практическими данными и переводят их в теоретические категории, раскрываются
новые специфические закономерности технологических процессов, что оказывает
помощь производству. Производство и наука обогащают друг друга, что особенно
характерно для стадии современного развития строительного материаловедения. В
результате появляются стыковые, пограничные области знаний о строительных
материалах, например полимерцементных, силикатополимерных, шлакоке-рамических
и др.
Для современного периода характерным является создание
материалов с наперед задаваемыми свойствами на основе достижений физики
твердого тела. Изучив природу межатомной связи твердого тела, строение
элементов его пространственной решетки с учетом всех видов его дефектности,
удается не только управлять его химическими, физическими и механическими
свойствами, но и прогнозировать потенциальные оптимальные характеристики,
заложенные в любом веществе его химической природой и структурными
особенностями строения.
Для обеспечения потребностей населения в жилье в
Республике Беларусь реализуется программа жилищного строительства, под
которую требуется соответствующая материально-техническая база. В этой связи
увеличивается выпуск цемента, кирпича, стеновых блоков, линолеума и других
материалов. Особое внимание обращается на монолитное и монолитно-каркасное
домостроение. В связи с интенсивным развитием индивидуального строительства
взят курс на увеличение выпуска газосиликатных блоков как наиболее
экономичного стенового материала.
В строительстве и отделке зданий широкое применение
находят сухие смеси, защитно-отделочные и клеевые композиции, эффективные
полимерные, металлополимерные, керамические и стеклянные материалы.
|