Три этапа развития науки о строительных материалах

 

Наука о строительных материалах имеет большую историю развития, уходящую в далекую древность.

Профессор И.А.Рыбьев1) выделяет три основных, не одинаковых по продолжительности, этапа развития науки о строительных материалах, между которыми нет четких разделительных границ. Главным критерием для их выделения во времени является состояние производства, поскольку его совершенствование во многом определялось потребностями общества в материалах.

Первый этап 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 – путем их обжига на открытом огне в специальных примитивных печах. Однако первым этапом в этой технологии были попытки использования глины, как вяжущего воздушного твердения. Это объясняется тем, что глина очень проста в применении, 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, волос животных (это был первый опыт упрочнения изделий путем армирования).

Значительно позднее человечеством были познаны металлы, прочность и жесткость которых были известны уже с VIII тысячелетия до н. э. Вначале была открыта и использовалась холоднокованая самородная медь. Позже она была заменена медью, выплавляемой из руд, которые встречались в недрах Земли чаще и в значительно бόльших объемах. В дальнейшем к меди стали добавлять другие металлы и примерно в III тысячелетии до н. э. 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 I тысячелетии до н. э. стало преобладать железо.

Сознательное создание новых керамических и металлических изделий было обусловлено возросшей необходимостью в них для развивающегося мореплавания, ирригации, постройки пирамид, храмов, укрепления дорог, создания других крупных сооружений.

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

М.В.Ломоносов (1711 – 1765 гг.) 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. Неоценим вклад М.В.Ломоносова в различные отрасли знания и его роль в развитии материаловедения огромна.

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

В качестве некоторого итога становления и развития науки о строительных материалах в первом этапе (период от глубокой древности до первой половины XIX века) можно отметить сравнительно ограниченное количество разновидностей изучавшихся материалов и данных об их свойствах.

Однако, не смотря 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 их состава. Например, Р.Гук еще в 1665 году выявил типичную кристаллическую структуру железа.

Второй этап развития науки о строительных материалах начинается со второй половины XIX века и заканчивается в первой половине XX века. Он характеризуется созданием новых материалов и производством их в массовом количестве. Это было вызвано бурным развитием промышленности, строительством многочисленных инженерных сооружений. Кроме этого, развитию науки о материалах способствовали новые открытия в области исследования их составов, структуры и оценки свойств. Ярким примером является открытие в 1912 году 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 отличался 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.

На втором этапе развития строительного материаловедения наблюдается 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 выпускаемой готовой продукции, ее стандартизации и путях дальнейшего улучшения качества.

В России получили развитие науки о Земле: геология и геохимия (академики В.А.Обручев, А.Е.Ферсман, В.И.Вернадский и др.), что способствовало выявлению многих новых месторождений полезных ископаемых. Было установлено, что на долю 9 химических элементов приходится 98 % земной коры, причем половину из этого количества составляет кислород и больше 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 оказались неоценимым вкладом в создание керамических огнеупоров, что было крайне необходимым для развития металлургии.

Следует особо отметить успехи в производстве вяжущих веществ в России в XVIII веке (строительного гипса и гидравлической извести). В начале XIX века 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 (бетоноведение). Большой объем исследований в этом направлении выполнили Н.М.Беляев, Б.Г.Скрамтаев, и другие, что позволило создать плотный бетон с расчетом его состава.

Одновременно с развитием технологии бетона и бетоноведения формировалась технология изготовления железобетона и наука о железобетоне. Считается, что основателями этой науки являются французские ученые Ламбо и Коанье. Открыл же явление упрочнения бетона с помощью железной арматуры парижский садовник Монье.

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

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

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

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 отдельные монографии, посвященные отдельным материалам, а также учебники по строительным материалам. Так, например, в 1896 году В.В.Эвальдом был написан учебный курс, выдержавший 14 переизданий: «Строительные материалы, их изготовление, свойства и испытания». Далее были подготовлены известные учебники В.А.Кинда и С.Д.Окорокова (1934 г.), Б.Г.Скраматева, Н.А.Попова (1950 г.) 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 (начиная с окончания Второй мировой войны) и продолжающийся в ХХI веке. Каковы же его отличия от предыдущих этапов?

Во-первых, он характеризуется процессом дальнейшего расширения объема производства традиционных и появления новых материалов. При этом наблюдается возросший уровень теоретических исследований, применительно к конкретному виду материалов.

Во-вторых, отмечается 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 во многих странах мира разрушенных городов, промышленных зданий и транспортных коммуникаций.

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 его ассортимента. Было разработано около 30 видов, включающих быстротвердеющие, высокомарочные расширяющиеся и безусадочные. Развитие металлургии способствовало созданию и выпуску в больших объемах шлакопортланцемента. Стала перспективной организация производства шлако-щелочных вяжущих веществ, характеризуемых высокой прочностью. Появились новые виды цементов.

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

На втором этапе началось, а на третьем этапе развития науки о материалах быстро совершенствовалось производство полимеров.

В основе достижений в этой области материаловедения лежат открытия выдающихся ученых-химиков. Прежде всего, труды А.М.Бутлерова (середина ХIХ века) в области химических реакций получения органических полимеров, С.В.Лебедева (конец ХIХ – начало ХХ века), 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 развитие новых видов пластмасс принадлежат К.А.Андрианову, А.А.Берлину, В.А.Каргину и другим ученым.

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 ученых.

На современном этапе наука о материалах представлена как система обобщенных взглядов и характеризуется коренным пересмотром критериев прогрессивных технологий с выходом их на оптимальные экстремальные 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)1).

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