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 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, 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 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.

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.