Исторические этапы открытия и развития вяжущих веществ и бетонов

Вопрос 1

 

Наука о материалах имеет глубочайшую историю развития. Истоком ее служат первые истинные познания материалов в древно­сти.

Условно можно выделить три основных по своей продолжитель­ности не равных этапа в ее истории. Возникновение науки и каждый этап ее развития всегда были обусловлены производством, практи­кой. В свою очередь, развитие производства являлось следствием возрастающих потребностей в материалах у общества.

Первый этап охватывает наиболее длительный период.

При не­обходимости в нем можно выделить более дробные подпериоды, на­пример древнейшие и древние времена, средние и поздние века. Имеется достаточно оснований утверждать, что исходным момен­том для становления науки о материалах явилось получение керами­ки путем сознательного изменения структуры глины при ее нагрева­нии и обжиге.

Исследования раскопок показывают, что предки улучшали каче­ство изделий вначале подбором глин, затем с помощью изменения режима нагревания и обжига на открытом огне, а позже — в специ­альных примитивных печах. Со временем чрезмерную пористость изделий научились уменьшать глазурованием.

С течением значительного времени человечество познало само­родные, а затем и рудные металлы, крепость и жесткость которых были известны уже с 8-го тысячелетия 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, так что в 3-м тысячелетии до н.э. научились изготовлять и использовать бронзу, как сплав меди с оловом, а также обрабатывать благородные метал­лы, уже широко известные к тому времени. Масштабы использова­ния металлов возрастали, и человечество вступило из бронзового века в железный, поскольку железные руды оказались доступнее медных. В 1-м тысячелетии до н.э. преобладало железо, которое нау­чились соединять с углеродом при кузнечной обработке в присутст­вии древесного угля. Пока точно не установлено, когда началось применение термической обработки стали, но все же известно, что в IX и VIII вв. до н.э. жители Луристана (территория западного Ира­на) использовали ее в быту и технике.

Сознательное создание 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 возможного измене­ния их. К этому времени развились мореплавание, ирригация, по­стройка пирамид, храмов, укрепление грунтовых дорог и т.д. Пополнились новыми сведениями и фактами теоретические пред­ставления о материалах.

Первыми и наиболее правдоподобными суждениями о сущности качества материалов и о слагающих частицах вещества были суждения древнегреческих философов Демокрита (около 460 или 470 до н.э.) и Эпикура (341—270 до н.э.). Их учения об атомизме воз­никли под влиянием наблюдений за состоянием и свойствами при­родных камней, керамики, бронзы и стали. Примерно к тому же времени относится и философия древнегреческого ученого Аристо­теля, который установил 18 качеств у материалов:

плавкость—не­плавкость,

вязкость—хрупкость,

горючесть—негорючесть и т.п.

Три известных состояния вещества (твердое, жидкое и газообраз­ное) и отношение их к энергии выражалось Аристотелем четырьмя элементами: землей, водой, воздухом и огнем, что с позиций физики являлось определенным достижением.

Римский философ Тит Лукре­ций Кар (99—55 до н.э.) в дидактической поэме «О природе вещей» излагал свои суждения о природе свойств материалов:

«...что, нако­нец, представляется нам затверделым и плотным, то состоять из на­чал крючковатых должно непременно, сцепленных между собой на­подобие веток сплетенных. В этом разряде вещей, занимая в нем первое место, будут алмазы стоять, что ударов совсем не боятся, далее — твердый камень и железа могучего крепость, так же как стой­кая медь, что звенит при ударах в засовы...»¹.

· ¹ Лукреций Тит Кар. О природе вещей / Пер. Ф.А. Петровского. М., 1958.

Для древнего периода науки весьма характерна нерасчлененность ее по отдельным видам строительных материалов. В значительной мере в ней прослеживается общая взаимосвязь между качеством материалов и их атомистическим составом, хотя, естественно, до подлинных научных химических знаний о составе и свойствах было еще весьма далеко.

Теория строилась в основном на догадках, интуициях, хотя были и удивительные решения, например в III в. до н.э. уже умели придавать строительным растворам гидравлические свойства, т.е. способность к их твердению в водной среде с помощью природных добавок. Этим же специалисты занимаются до сих пор.

К первому периоду относится и средневековье с характерной для него алхимией. Именно в этот период Парацельс заменяет четыре элемента Аристотеля тремя своими — солью, серой и ртутью, что можно расценить как интуитивное предсказание роли межатомных связей в формировании свойств веществ.

К этому 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 — атомов.

Перемещение атомов или, как их тогда называли, корпускул, составляло основу корпускулярной теории строения вещества, что было значительным достижением в области познания составов, внутренних взаимодействий и свойств веществ.

Исследования, связанные с изучением внутреннего строения (струк­туры) материалов, развивались медленнее, хотя у философов античного периода, как отмечалось выше, были и теории, и некоторые опытные данные.

Среди наиболее выдающихся работ следует назвать публикацию Реомюра (1683—1757) о структуре (в современной терминологии — о микроструктуре) железа и ее изменениях. Опыты завершились получением нового материала — ковкого чугуна.

В первых книгах по материаловедению Бирингуччо (1480—1539) и Агриколы (1494—1555) суммировались эмпирические сведения о сущности операций, выполняемых в литейном и кузнечном производствах, о плавлении руд и характере металлургического производства. Следует отметить, что к периоду средневековья относится также учреждение в Москве в 1584 г. «Каменного приказа» о камне, кирпиче и извести в связи с применением их в строительстве, который сыграл положительную роль.

Большой вклад в развитие науки о материалах был внесен гениаль­ными русскими учеными М.В. Ломоносовым и Д.И. Менделеевым.

М.В. Ломоносов (1711—1765) заложил основы передовой русской философии и науки, особенно в области химии, физики, геологии. Он явился основоположником курса физической химии и химической атомистики, обосновывающей атомно-молекулярное строение вещества.

В 1752 г. им было написано «Введение в истинную физическую химию». Касаясь распространенной в тот период корпускулярной теории, М.В. Ломоносов отмечал, что корпускулы — это мельчайшие частицы, ввел представление о молекулах и их отличии атомов, а относительно еще более распространенного тогда учения о флогистоне, выделяющемся, якобы, при прокаливании металлов и горении веществ, то он не только отверг такое учение о таинстмвенной «веществе огня», но и дал научное объяснение химическим явлениям, протекающим при таких воздействиях огня.

Кроме того, М.В. Ломоносов впервые написал книгу на русском языке по металлургии, разработал составы цветных стекол и способ изготовления мозаичных панно из них, высказал гипотезу о происхождении янтаря и др.

Д.И. Менделеев (1834—1907) открыл важнейшую закономерность природы — периодический закон, в соответствии с которым свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомной массы. Он опубликовал книгу «Основы химии»; в ней описано, в частности, атомно-молекулярное строение вещества. Д.И. Менделееву принадлежит и публикация по основам стекольного производства.

Для первого этапа становления и развития строительного материаловедения, который, как отмечалось, начался с глубокой древности и продолжался до начала второй половины XIX в., характерно сравнительно ограниченное количество разновидностей материалов и опытных данных по их качественным характеристикам.

Однако великие ученые и философы тех времен с помощью интуиции и логики, гипотез и теорий, а несколько позже — с привлечением новых знаний в физике и открытий в химии и физической химии (последняя свое поступательное развитие начала с работ М.В. Ломоносова) сумели дать достаточно полное представление о составе веществ, внутренних взаимодействиях мельчайших частиц и свойствах.

Были установлены некоторые общие зависимости свойств веществ, особенно механических, от их состава. Менее изученной оставалась зависимость свойств от структуры, хотя еще в 1665 г. английский ученый Роберт Гук выявил у металлов типичную кристаллическую структуру, т.е. за 200 лет до открытия микроструктуры стали под микроскопом английским ученым Генри Сорби.

Второй этап развития строительного материаловедения условно начался со второй половины XIX в. и закончился в первой половине XX в.

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, электрофикацией, введением новых гидротехнических сооружений и т п.

Характерным является также конкретное изучение составов и качества производимых материалов, изыскание наилучших видов сырья и технологических способов его переработки, методов оценки свойств строительных материалов со стандартизацией необходимых критериев совершенствования практики изготовления продукции на всех стадиях технологии.

Второй этап отличается сравнительно быстрым ростом производства новых материалов, ранее отсутствовавших в номенклатуре. Достижения науки о материалах в нашей стране исходят от основоположников крупнейших научных школ Ф.Ю.Левинсона-Лессинга, Е.С. Федорова, В.А. Обручева, А.И.Ферсмана, НА. Белелюбского, занимавшихся исследованием минералов и месторождений природных каменных материалов (горных пород).

В результате строительное материаловедение обогатилось данными петрографии и минералогии при характеристике минерального сырья, используемого после механической переработки либо в сочетании с химической переработкой в виде готовой продукции — природного камня штучного и в рыхлом состоянии, керамики, вяжущих веществ, стекла и др. С той же целью начали применять побочные продукты производств — шлаки, золы, древесные отходы и пр.

В номенклатуре материалов, кроме применявшихся на первом этапе камня немолотого или грубо околотого, меди, бронзы, железа и стали, керамики, стекла, отдельных вяжущих, например гипса, извести, появились новые цементы, и начался массовый выпуск портландцемента, открытого Е. Челиевым в начале XIX в. В разработке новых для того времени минеральных вяжущих веществ участвовали А.Р. Шуляченко, И.Г. Малюга, А.А. Байков, В.А. Кинд, В.Н. Юнг, Н.Н. Лямин и другие ученые.

Улучшилось качество и издревле известных извести и гипса.

Так, И.В. Смирнов предложил использовать в строительстве молотую негашеную известь, в то время как в течение двух тысячелетий известь применялась после ее гашения водой; И.А. Передерний предложил высокопрочный гипс; А.В. Волженский при участии А.В. Ферронской — гипсоцементное пуццолановое вяжущее; ПЛ. Будников — ангидритовый цемент и др.

Быстро развивалось производство цементных бетонов различного назначения; сформировалась специальная наука о бетонах — бетоноведение.

В 1895 г. И.Г. Малюга издал первый в нашей стране труд «Состав и способы приготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости». Он впервые вывел формулу прочности бетона и сформулировал так называемый закон водоцементного отношения.

Несколько раньше французский ученый Фере предложил формулу прочности цементного камня (и бетона). В 1918 г. была установлена прочность бетона Абрамсом (США), уточненная Н.М. Беляевым, что послужило исходной позицией для разработки метода подбора (проектирования) состава плотного и высокопрочного бетона. Появилась и формула прочности Боломея (Швейцария), уточненная Б.Г. Скрамтаевым применительно к отечественным исходным компонентам.

Аналогичный процесс обновления и интенсификации производства с одновременным развитием соответствующих наук на этом этапе произошел и в отношении многих других материалов. Так, например, на основе извести и портландцемента осуществлялся массовый выпуск разновидностей смешанных цементов и вяжущих веществ. Последующие исследования Н.М. Беляева, И.П. Александрина, Б.Г. Скрамтаева, Н.С. Завриева и других ученых способствовали (существенному повышению качества бетона с уточнением ранее полученных зависимостей его прочности (Абрамсом, Боломеем).

К этому же времени Н.А. Попов разработал научные основы технологии легких бетонов и строительных растворов, объемы применения которых быстро возрастали, особенно в жилищном строительстве. Были предложены новые разновидности искусственных заполнителей для легких бетонов — керамические, шлаковые и др.

И конце XIX в. формируется технология изготовления железобетона и получает развитие наука о железобетоне. Этот высокопрочный материал был предложен французскими учеными Ламбо и Ковалье, садовником Монье (1850—1870). В России А. Шиллер, а затем в 1881 г. Н.А. Белелюбский провели успешные испытания конструкций из железобетона, а в 1911 г. были изданы первые технические условия и нормы для железобетонных конструкций и сооружении. Особого внимания заслужили безбалочные железобетонные междуэтажные перекрытия, разработанные в Москве А.Ф. Лолейтом (1905).

В конце XIX в., после успешных исследований, внедрен в строительство предварительно напряженный железобетон. В 1886 г. П. Джексон, Деринг, Мандель, Фрейсине взяли патент на его применение и развили этот метод.

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 нашей стране, как и в других развитых странах, создавались отраслевые научные институты:

НИИЦемент,

НИИЖелезобетон,

НИИСтройполимер,

НИИАсбестоцемент,

НИИКерамика,

НИИ-Минерального сырья и др.

Периодически собирались национальные и международные конгрессы по проблемам дальнейшего совершенствования технологий и повышения качества традиционных и новых материалов. В них остро нуждалось жилищное, промышленное, гражданское, дорожное, гидротехническое, сельскохозяйственное и другие виды строительства.

Развитие практики на этом этапе в строительном материаловедении было в известной мере гипертрофировано по сравнению с теорией.

Раскрытие теоретических принципов и общих закономерностей сдерживалось необходимостью быстрейшего решения проблемы интенсификации производства строительных материалов и изделий для удовлетворения острой нужды в них в этот трудный период времени.

Гипертрофирование практики выразилось, в частности, в том, что фундаментальная наука о материалах именовалась как «Строительные материалы» с достаточно подробным описанием в них производимых материалов и изделий, но, как правило, вне связи между собой. Под этим названием издавались учебники для студентов высших и средних специальных учебных заведений. Одним из первых массовым тиражом в 1896 г. вышел в свет учебник В.В. Эвальда, переиздававшийся затем 14 раз под названием «Строительные материалы, их изготовление, свойства и испытания». Далее следовали аналогичные учебники «Строительные материалы», подготовленные В.А. Киндом и С.Д. Окороковым (1934 г.), Б.Г. Скрамтаевым, НА. Поповым и др. (1950 г.), В.А. Воробьевым (1952 г.), А.Г. Комаром (1967 г.), а также другими авторами с неоднократным их переизда­нием. Несомненно, эта учебно-методическая литература сыграла и продолжает играть свою роль главнейших систематизированных пособий в изучении научной практики производства строительных материалов и изделий, научных основ их качества и широкого применения в строительстве.

Третий этап охватывает период со второй половины XX в. до настоящего времени.

Он характеризуется,

во-первых, процессом дальнейшего расширения производства строительных материалов и углублением соответствующих им специализированных наук,

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 сборного бетона и железобетона.

Если в 1950 г. в нашей стране было изготовлено 1,3 млн. м³ сборного железобетона в виде панелей и блоков, то в 1960 г. — 30,2 млн. м³, в 1970 г. — 84,6 млн. м³, в 1980 г. — 122 млн. м³, в 1985 г. — 151,0 млн. м³, из которых почти 30 млн. м³ — предварительно напряженных сборных железобетонных конструкций. Увеличивались объемы выпуска изделий и конструкций из легких и ячеистых бетонов (в 1985 г. — 25 млн. м³).

Керамическое производство стало высокомеханизированной и автоматизированной отраслью в промышленности строительных материалов.

Ежегодно нарастал объем выпуска полимерных материалов повышенной термостойкости, прочности и негорючести, долговечности и стабильности, многих других строительных материалов и изделий.

Рост производства сопровождался развитием и специализированных наук, их прогрессом. Процесс специализации наук о строительных материалах продолжался.

Возникли стыковые области познания комплексных материлов, например полимерцементных, силикатополимерных, шлакокерамических и многих других. Это существенно обогащало практику строительного материаловедения, отрасли промышленности строительных материалов и изделий.

Третий этап строительного материаловедения характеризовался не только развитием практики, но и теории, систематизацией теоретических знаний о материалах в их сложной совокупности и взаимосвязи. Были установлены общие закономерности в свойствах искусственных и природных материалов оптимальной структуры, общие научные принципы в технологиях различных материалов, общие методы оптимизации их структуры, обобщенные критерии (качественные и количественные) прогрессивных технологий и др.

Первые обобщения в науке о материалах выразились в разработке Д.С. Белянкиным (1876—1953) технической петрографии с получением огнеупоров, абразивов и некоторых других искусственных камней.

Новым импульсом развития материаловедческой науки на третьем этапе стала физико-химическая механика — пограничная наука между физической химией и механикой, разработанная П.А. Ребиндером при участии большой группы ученых (в том числе вузов), отмеченных АН СССР, — Н.А. Попова, А.Н. Попова, Г.И. Логгинова, М.П. Воларовича, Н.Н. Иванова, И.А. Рыбьева, К.Ф. Жигача, Д.М. Толстого, Г. Д. Диброва, Б.В. Веденеева, Е.Е. Сигаловой, Л.А. Казаровицкого, Л.П. Орентлихер и др.

В этой области науки показаны основы управления технологическими процессами получения различных строительных и конструкционных материалов с заданными свойствами, высокой надежностью и дол­говечностью. Определены условия эффективного дробления и тонкого измельчения, резания и механической обработки твердых тел с учетом воздействия окружающей среды. Направленностью к обобщениям и интеграции в науке о материалах отличаются исследования О.П. Мчедлова-Петросяна, П.И. Боженова, А.В. Нехорошева, П.Г. Комохова, В.И. Соломатова, В.И. Харчевникова и др.

С начала второй половины XX в. возникла и получила последующее развитие теория искусственных строительных конгломератов как «важнейший компонент современного строительного материаловедения»¹.

Она была разработана И.А. Рыбьевым и его научной школой.

В ней изложены: сущность теоретической технологии; научные принципы формирования оптимальных структур, при которых материалы становятся подобными между собой экстремальными значениями структурочувствительных свойств; общие и притом объективные (т.е. встречающиеся в природе, например у горных пород, древесины) закономерности изменения свойств (закон створа, закон конгруэнции, закон прочности и некоторых других свойств) в математических выражениях; основные аспекты долговечности материалов; теория методов (методология) научного исследования и технического контроля качества и т.п.

Третий компонент, присутствующий в науках в виде основ ми­ровоззрения, имеется, естественно, и в данной науке о материалах. Здесь он отличается от других компонентов (практики и теории) не только своей философской направленностью, выражающейся в научно-абстрактных законах этой фундаментальной строительной науки, но и специфическими тенденциями ее развития: углубление дифференцированных знаний о каждом строительном материале и синтез научных знаний о материалах в их сложном и систематизированном единстве. В этом единстве обеих тенденций заключена одна из эффективных внутренних сил поступательного развития строительного материаловедения с разработкой и доказательством новых гипотез и закономерностей, с прогнозированием будущих успехов в практике и теории.

 

Вопрос 2