Неолита период период онных технологий

(с древних времен (с конца XIX в. (со 2-й половины XX в. (2015-2020 г.г.)

до конца XIX в.) до 2-й половины XX в.) до наших дней)

● I этап связан с периодом неолита – переходом (примерно 10 тыс. лет назад) к земледелию и от кочевого к оседлому образу жизни;

● II этап обусловлен индустриальной революцией в Западной Европе;

● III этап обусловлен научно-технической революцией XIX-XX вв.;

● IV этап обусловлен развитием информационных технологий.

Первый этапуходит в глубь тысячелетий и является наиболее продолжительным. Исходным моментом для начального становления науки о материалах является получение керамики путем сознательного изменения структуры глины при ее нагревании – обжиге. Результаты раскопок свидетельствуют, что первобытные люди улучшали свойства изделий вначале подбором глин с нужными свойствами, а затем обжигом на открытом огне, а со временем и в специальных примитивных печах.

Значительно позже человечество познало металлы, известные уже с VIII тысячелетия до н.э. Холоднокованая самородная медь впоследствии была вытеснена медью, выплавляемой из руд, которые встречались в недрах земли значительно чаще и в бóльших количествах. В дальнейшем к меди стали добавлять другие металлы и примерно в III тысячелетии до н.э. научились получать и использовать бронзу – сплав меди с оловом. Этот период в историческом развитии человечества относится к так называемому бронзовому веку.

С возрастанием масштабов использования металлов наступила новая веха в развитии цивилизации – железный век, когда железные руды оказались доступнее медных. В I тысячелетии до н.э. преобладало железо, которое научились соединять с углеродом при кузнечной обработке в присутствии древесного угля. Известно, что уже в IX-VIII веках до н.э. жители Луристана (территория западного Ирана) использовали термическую обработку стали.

Все вроде логично и основано на археологических раскопках. Но как быть с артефактами? Например, строительством египетских пирамид 5 тыс. лет назад по непонятной технологии, наличием столба в 70 т из чистого железа (Индия), да еще с орнаментами, когда по современным технологиям мы получаем железо с чистотой до 4-го знака после запятой?

Безусловно, осознание необходимости изменения потребительских свойств керамических и металлических материалов приходило с увеличением потребностей человека, связанных с прогрессом в его развитии и развитием мореплавания, строительством ирригационных и культовых сооружений. Как следствие этого появилась потребность в более глубоком понимании свойств материалов и причин, вызывающих их изменения.

Первые теоретические представления о материалах исторически связаны со становлением и развитием философии. Установлено, что наиболее правдоподобные, т.е. отвечающие современным представлениям, суждения о природе вещества принадлежат древнегреческим философам Демокриту (около 470 г. до н.э.) и Эпикуру (341-270 гг. до н.э.) с их материалистическим учением об атомизме вещества. К этому же времени относится и философия величайшего мыслителя древности – Аристотеля (384-322 гг. до н.э.). Он установил наличие 18 качеств и их противоположностей: плавкость - неплавкость, вязкость - хрупкость, горючесть - негорючесть и т.д. Выдающийся римский философ Лукреций (99-55 гг. до н.э.) в поэме “О природе вещей” изложил свое понимание природы свойств веществ, признавая, подобно Демокриту и Эпикуру, что в мире ничего нет, кроме вечно существующей материи – ее атомов. В своих трудах древние философы искали взаимосвязь между качеством материала и его атомистическим строением, что на том этапе становления науки было невозможно.

Важно: для становления науки древности о материалах характерна ее нерасчлененность по отдельным видам материалов.

Первый период охватывает и Средневековье с присущими для него изысканиями в области алхимии - превращению одних элементов в другие. Именно в этот период Парацельс заменяет четыре элемента Аристотеля – землю, воду, воздух и огонь, тремя другими элементами – солью, серой и ртутью, как бы интуитивно предсказывая роль межатомных связей в различии свойств веществ. К этому же периоду относится и учение Декарта (1596-1650 гг.), который утверждал:

а) природа представляет собой непрерывную совокупность материальных частиц;

б) движение материального мира вечно и протекает согласно законам механики, т.е. сводится к перемещению мельчайших частиц-атомов – корпускул.

Тем самым закладывались основы корпускулярной теории строения вещества, которой придерживались представители зарождавшейся науки – физики.

Усилия химиков в этот период были сосредоточены в основном на (аналитическом) определении состава соединений и еще долго они не интересовались свойствами вещества и его строением. Для этого периода важнее было найти способы обнаружения в рудах и получения (путем превращений) из других веществ золота и серебра.

Тем не менее, попытки обобщения сведений по свойствам материалов и способам их получения предпринимались. В первых книгах по материаловедению Бирингуччо (1480-1539 гг.) “О пиротехнике” и Агриколы (1494-1555 гг.) “О горном деле и металлургии” суммировались эмпирические сведения об операциях, выполняемых литейщиками и кузнецами, о разработке и плавлении руд, о характере металлургических процессов. Среди выдающихся работ Средневековья следует отметить и публикацию Ремюра (1683-1757 гг.) о структуре (точнее микроструктуре) железа и ее изменениях. Его опыты завершились получением нового материала – ковкого чугуна.

Может показаться странным, что первые обобщения по материаловедению сделаны в области металлургии, в то время как еще с древних времен человечество располагало сведениями и о вяжущих веществах. Так, одним из первых вяжущих материалов была необожженная глина. За 2500-3000 лет до н.э. использовались гипс и известь, полученные обжигом природного камня – гипса и известняка. Они применялись, в частности, при сооружении пирамид в Египте. Дело в том, что технологические операции по получению строительного камня, некоторых вяжущих веществ, керамики, обработке лесоматериалов были сравнительно простыми и это не способствовало развитию соответствующих наук.

Однако и в области строительства из древних источников можно почерпнуть интересные сведения. Так, более двух тысяч лет назад (в 160 г. до нашей эры) римский консул Марк Порций Катон Старший в своей книге по строительному искусству давал такой совет обжигальщику извести: “Камень в печь клади добрый, наибелейший без всякой пестрины”. Римский архитектор и инженер Марк Витрувий Поллион, живший в первом веке до н.э., писал в своих знаменитых “Десяти книгах об архитектуре”: “Встречается некоторый род порошка, который обладает чудесными свойствами. Его залежи находятся в окрестностях Байи на общественных полях близ Везувия. Если этот порошок смешать с известью и щебнем, то не только в обычных сооружениях получится большая прочность, но и сложенные на таком растворе морские дамбы приобретут настолько большую прочность, что вода их не разрушит”.

Изучение древнеримских трактатов спустя многие столетия, когда уже была создана соответствующая научная база, способствовало развитию ряда фундаментальных идей строительного материаловедения (СМ), например:

- идеи пуццоланизации цементов с целью увеличения их водо- и коррозионной стойкости растворов и бетонов;

- введения органических добавок в растворы и бетоны для увеличения их пластичности, долговечности и др.

Значительный вклад в науку о материалах был внесен великим российским естествоиспытателем Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765 гг.), который:

а) касаясь корпускулярной теории, отмечал, что корпускулы составлены из мельчайших частиц – атомов (элементов);

б) открыл закон сохранения материи и движения;

в) разработал основные положения новой науки – физической химии;

г) написал первую книгу на русском языке по металлургии;

д) создал первую в России химическую лабораторию, где проводилась интенсивная исследовательская работа по химии и технологии стекла.

Вдумайтесь только, за короткий период – с 1748 по 1752 гг. им было разработано более 2000 составов цветных стекол! В своем “Курсе истинной физической химии” он дал научное обоснование процессам спекания, стеклообразования, отжига и окраски стекол. Тем самым важен его вклад и в становление строительного материаловедения.

Важным толчком развития строительного материаловедения явилось формирование и распространение информации о материалах путем издания печатной продукции. Так, основы технологии и свойства вяжущего вещества, близкого портландцементу, были описаны нашим соотечественником Егором Г. Челиевым (1771-1839 гг.) – начальника военно-рабочей бригады, производившей строительные работы в разрушенной после Отечественной войны 1812 г. Москве – в книге: “Полное наставление как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент, весьма прочный для подводных строений, как-то: каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных строений”.

В 1818 г. французский ученый Луи Жозеф Викá опубликовал работу “Экспериментальные исследования строительных известей, бетонов и обычных растворов”. В ней предложена классификация гидравлических известей в зависимости от соотношения кремнезема и глинозема к оксиду кальция. Эта классификация применяется до настоящего времени.

Несколько позже (1822 г.) вышла работа профессора Петербургского института корпуса инженеров путей сообщения Антуана де Шарлевиль “Трактат об искусстве изготовлять хорошие строительные растворы”, в которой приводятся результаты исследований известковых пород Петербургской губернии с целью получения воздушной и гидравлической извести. В трактате излагаются основы технологии получения гидравлических добавок и способ подбора состава растворов.

Другой великий наш соотечественник – Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907 гг.), известен в первую очередь открытием важнейшего закона природы – периодического закона (5а), в соответствии с которым свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов.

Но он внес большой вклад и в развитие прикладной материаловедческой науки. Так, в своем фундаментальном труде “Стекольное производство”, вышедшем в 1864 г. (мы его представляем по известным картинам седовласым старцем, а ему тогда было всего каких-то 30 лет!), Д.И. Менделеев впервые изложил научную теорию стеклообразного состояния, указал на зависимость свойств стекла от свойств оксидов, входящих в его состав, и их количественного соотношения.

Он провел анализ полимеризуемости силикатов, высказал предположения о существовании силикатных соединений переменного состава, о возможности замещения в алюмосиликатах глинозема кремнеземом, что было подтверждено в последствии экспериментально (5б).

Мало того, в работе “Основы химии” Д.И. Менделеев еще в 70-е годы XIX ст. не только дает атомно-молекулярное описание строения вещества, но и приводит научное объяснение гидравлическим свойствам цементов (5в): “Гидравлические свойства цементов определяются тем, что в них находятся известковые кремнеземисто-глиноземистые соединения, могущие соединяться с водой и образовывать гидратные, водой неизменяющиеся соединения”.

Вообще, поражает многообразие научных и практических интересов Д.И. Менделеева, его глубокие провидческие (особенно в свете «банковского» кризиса 2008 г.) (см. Приложение 1).

Вывод.Отметим основные черты, присущие первому этапу развития науки о строительных материалах, длившемуся с древних времен до середины XIX века:

– ограниченное количество разновидностей строительных материалов и технологий, закрепленных в опыте;

– представления в виде гипотез и теорий о составах веществ, их строении и свойствах базировались в основном на интуиции и логике (только впоследствии многие из них получили научное подтверждение, например, выявленная Р. Гуком еще в 1665 г. кристаллическая структура вещества).

Второй этап развития науки о строительных материалах.

Развитию СМ на втором этапе в первую очередь способствовала индустриализация производства, что потребовало создание новых материалов и их выпуска в массовых количествах, необходимых для строительства промышленных и жилых зданий, возведения многочисленных инженерных сооружений.

Научной базой СМ в этот период явились новые открытия, сделанные в области исследования структуры веществ. Так, в 1912 г. было открыто явление дифракции рентгеновских лучей, ставшей фундаментальным физическим методом рентгеновской кристаллографии, занимающейся изучением структуры веществ.

С помощью рентгенографии были расшифрованы сложнейшие структуры органических и неорганических веществ, что позволило экспериментально подтвердить атомно-молекулярную теорию строения вещества, сделать вывод о взаимосвязи структуры – упорядоченной (кристаллические вещества) и неупорядоченной (аморфные вещества), со свойствами материалов.

В нашей стране достижения науки о строительных материалах на втором этапе ее развития связаны с именами основателей крупнейших научных школ – Е.С. Федорова, В.А. Обручева, Ф.Ю. Левинсон-Лесинга, А.Е. Ферсмана, Н.А. Белелюбского и других, занимавшихся изучением минералов, месторождений природных каменных материалов и их качеством.

К этому периоду относится бурное развитие геологии с выделением из нее многих новых отраслей – петрографии, минералогии, геохимии, инженерной геологии и др.

Ее развитие позволило:

- выявить много новых месторождений полезных ископаемых;

- дать оценку состава земной коры и сделать важный о том, что только на девять элементов приходится 98 % ее массы (50 % составляет кислород, несколько больше 25 % кремний, суммарное содержание алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия и водорода не превышает 23 %, а на все остальные приходится 1,8 %);

- установить, что бóльшая часть химических элементов образует в земной коре различные химические соединения – кристаллические или аморфные минералы, однородные по своим физико-химическим свойствам.

Почему именно геологические науки оказали первостепенное влияние на развитие СМ? Потому что строительные материалы представляют собой природные или искусственные минеральные тела!

СМ в этот период использует данные геологических наук для характеристики минерального сырья (в виде горных пород и породообразующих минералов) и его дальнейшего применения в промышленности строительных материалов в виде каменных изделий или для переработки в заводских условиях с получением минеральных вяжущих веществ, керамики, стекла и других материалов. Геологами разрабатываются методы определения физико-механических свойств горных пород – прочности, теплопроводности, морозостойкости и др., многие из которых послужили основой для создания методов испытаний строительных материалов.

Отечественными учеными были подробно изучены глины нашей страны. В первую очередь трудами по глинам В.И. Вернадского и Н.А. Земятчинского создается сырьевая база для производства строительной керамики:

- разработаны технологии круглогодичного высокомеханизированного производства кирпича;

- выпускаются новые виды керамических изделий – пустотелый и дырчатый кирпич, керамическая плитка, широко использующиеся при строительстве высотных зданий;

- получило развитие производство керамических огнеупоров – шамотного кирпича, идущего на изготовление доменных печей для выплавки чугуна.

Развитие геологической науки во многом способствовало и прогрессу в области теории и практики получения вяжущих веществ. После открытия Е. Челиевым в начале XIX века вяжущего, подобного портландцементу (9а) А.Р. Шуляченко были заложены основы теории и практики его производства в России. В 1881 г. он, а также Н.А. Белелюбский и И.Г. Малюга разработали первые Технические условия (ТУ) на производство такого цемента.

В дальнейшем трудами А.А. Байкова, В.А. Кинда, В.Н. Юнга и др. ученых были разработаны цементы с активными минеральными добавками, кислотоупорный, белый и цветной, сульфатостойкий, гидрофобный, пластифицированный, расширяющийся, безусадочный и др. Общий выпуск цемента в 1950 г. составил 10 млн. т.

Массовый выпуск цементов способствовал производству бетонов и бетонных изделий и появлению науки о бетонах – бетоноведению. В 1895 г. И.Г. Малюга издал первый фундаментальный труд по бетоноведению “Состав и способ приготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости” (9в).

В нем автор (во Франции это сделал Фере) впервые установил зависимость прочности отвердевшего цементного теста (цементного камня) и бетона на его основе от расхода воды и цемента. В 1918 г. аналогичная зависимость была выявлена Абрамсом (США). Дальнейшие работы Н.М. Беляева, И.П. Александрина, Б.Г. Скрамтаева и др. были направлены на совершенствование методов подбора составов бетона и повышению качества этого важнейшего материала. Получает практическое решение задача зимнего бетонирования, Н.А. Поповым закладываются теоретические основы получения легких бетонов и растворов с использованием пористых заполнителей природного и искусственного происхождения.

Одновременно с развитием технологии бетона и бетоноведения формируется технология изготовления железобетона и происходит становление науки о железобетоне.

Считается, что явление упрочнения бетона арматурой открыл садовник Ж. Моньė, запатентовавший его в 1867 г. Однако у него были предшественники. Так, в 1854 г. англичанину В.Б. Вилкинсону был выдан патент на конструкцию огнестойких перекрытий зданий, изготавливаемых из бетона, армированного (в растянутой зоне!) параллельно расположенными рядами проволочных (шахтных) тросов. В 1855 г. на Всемирной выставке в Париже другим французом Ж. Ламбó было продемонстрировано железобетонное гребное судно. Он же запатентовал применение нового комбинированного материала в строительстве [2].

В России А. Шиллер, а затем в 1881 г. Н.А. Белелюбский провели успешные испытания различных конструкций из железобетона (10а), а в 1911 г. были изданы первые ТУ и нормы для железобетонных сооружений (10б). Следующий шаг в развитии железобетона связан с появлением предварительно напряженного железобетона (Джексон, Деринг, Мандль, Фрейссине) (10в), что позволило в значительной степени сгладить противоречие между высокой прочностью бетона на сжатие и низкой прочностью на растяжение.

Уместно будет отметить, что именно широкое применение строительных материалов и развитие строительной индустрии позволили американскому народу реализовать в 30-х годах программу строительства индивидуального жилья, дать тем самым толчок для развития смежных отраслей, в том числе металлургической промышленности, и преодолеть период длительной депрессии. Аналогичный пример роли строительной индустрии в подъеме страны мы можем найти и в истории нашей родины в послевоенный период.

Значительную роль в систематизации знаний во второй период сыграло издание ставших классическими монографий по разделам строительной науки, учебно-методической литературы, появление специализированных научных организаций (НИИЖБ, ЦНИИСК – в Москве) и учебных строительных институтов, чтение курса “Строительные материалы” в ВУЗах. Так, в 1896 г. вышел учебник В.В. Эвальда под названием “Строительные материалы, их изготовление, свойства и испытания”, выдержавший 14 переизданий. В последствии на аналогичную тему были изданы учебники В.А. Киндом и С.Д. Окороковым (1934 г.), Б.Г. Скрамтаевым и Н.А. Поповым (1950 г.) и другими. Кстати, наша кафедра была основана в 1926 г. профессором П.В. Сахаровым в составе Московского института инженеров транспорта им. Ф.Э. Дзержинского.

Вывод. Отметим основные черты, присущие второму этапу развития науки о строительных материалах:

- переход от общих представлений о связи между атомно-молекулярным составом веществ и их свойствами, характерному для первого периода, к инструментальному их изучению и научному обоснованию закономерностей;

- максимальное использование научной информации для целенаправленного изучения сырья и способов его переработки (технологические режимы и оборудование) с целью получения конкретных строительных материалов;

- перевод производства строительных материалов на индустриальную основу;

- развитие методов оценки качества сырья и выпускаемой продукции, ее унификация и стандартизация;

- дифференциация строительной науки по отраслям промышленности строительных материалов – цементной, полимерной, стекольной и других.

Третий этапразвития науки о строительных материалах относится ко второй половине ХХ и началу ХХI века, т.е. мы с вами являемся его очевидцами (зачастую именно в смысле – да, я свидетель, а что случилось?).

Собственно говоря, достижения строительной науки этого периода и будут являться предметом изучения нашего материаловедческого курса. Поэтому мы не будем сейчас останавливаться на отдельных деталях развития строительной науки в этот период, а отметим лишь основные его особенности (В. 12):

- происходит интенсивное расширение номенклатуры и объемов производства строительных материалов;

- приоритетное направление в развитии строительных материалов занимает модификация их свойств (механическими, физическими и химическими методами), появляется новая учебная дисциплина “Строительная химия”;

- широко внедряются методы математического моделирования, в результате чего формируется новое научное направление – компьютерное (строительное) материаловедение;

- формируются новые подходы к описанию (методами синергетики) нелинейного поведения материалов в условиях, далеких от равновесного состояния;

- наряду с углублением и дифференциацией происходит обобщение (интеграция) научных знаний о материалах.

Последнее замечание имеет большое мировоззренческое значение, являясь “золотым ключиком” для понимания состояния и перспектив развития СМ. Становится очевидным, что в основе его развития лежит диалектическое взаимодействие двух тенденций – дифференциации (приводит к формированию новых научных дисциплин) и интеграции (приводит к формированию междисциплинарных подходов) научных знаний: первое направление решением частных задач добивается получения множества новых (разрозненных) фактов, а второе путем их обобщения в некоторую систему знаний выявляет новые закономерности и, при наличии противоречий, формулирует актуальные проблемы для их решения новыми науками. Далее цикл повторяется, но на более высоком уровне развития.

Таким образом, взаимодействие этих двух тенденций является движущей силой поступательного развития СМ и лежит в основе его саморазвития.

Все это верно, но, как учили нас классики, немаловажен и человеческий фактор, роль которого может быть и негативной. В истории развития отечественного строительного комплекса в 1957(?) г. было принято действительно ставшим судьбоносным решение о приоритетном – в ущерб другим материалам и технологиям – развитии сборного железобетона. Предполагалось, что это позволит повысить: а) производительность труда при строительстве – за счет сокращения объемов “мокрых процессов” на стройке (технология строительства пятиэтажного дома за сутки из изделий типа колпак!); б) производство самих изделий – выпекать их как “пирожки” на заводах сборного железобетона.

В последующие годы отмечалось, что это волюнтаристское решение позволило снизить остроту проблемы нехватки жилья. Однако реальная цена такого решения оказалась сомнительной и печальной для нашей страны – рыночные отношения вывели не первое место не строительство домов из сборных элементов – крупнопанельных и блочных, а строящиеся по компромиссному варианту – сборно-монолитных, когда несущие элементы выполняются в монолите, а стены – из штучных элементов заводского изготовления. В экономическом исчислении ущерб от такого политического (пролобированного, как мы сейчас скажем) шага оказался сопоставим с потерями нашей страны во Второй мировой войне! Только в последние годы с открытием границ для новых материалов, технологий и раскрепощением умов мы начали выходить на путь цивилизованного развития строительства.

Какое сейчас положение дел в строительстве? После затяжного кризиса начиная с 1999 г. в России наблюдается устойчивый рост инвестиций и соответствующее оживление в строительном комплексе. Это хорошо демонстрирует динамика производства продукции промышленности строительных материалов и отдельных отраслей в период 1991-2003 гг., представленная на рис. 1 и 2 [1].

Рис. 1 Динамика объемов промышленного производства по отраслям

промышленности строительных материалов (1990 г. - 100.%)

Рис. 2 Динамика объемов промышленного производства по отраслям

промышленности строительных материалов (1990 г. - 100.%)

Если же судить по мировому производству основного строительного материала – цемента, то Россия (тогда, правда, СССР) из лидеров 1965-1975 г.г. при ежегодном производстве цемента 120-123 млн. т скатилась на 9-е место с 1,7 % от его мирового производства (рис. 4). В 2010 г. мы планировали изготавливать 60-70 млн. т цемента (рис. 5) (фактически выпущено 50,4 млн. т, т.е на 19-39 % меньше – производители цемента в России см. в Приложении 2). Для сравнения, в СССР такие показатели были достигнуты соответственно в 1960-1965 годы. Вы можете сказать, что это же было при СССРе! Но Китай производил цемента в 60-е годы в разы меньше нас, а в 2000 г. вышел на 600 млн. т, в 2010 г. на 1881,9 млн. т, а в 2012 г уже на 2137 млн. т! Вот в какой яме мы сидим.

Рис. 3. Структура производства цемента по континентам и ведущим странам 2012 г.

(обещемировое производство цемента свыше 3200 млн. т) [6]

Рис. 4. Производство цемента по странам в млн. т [6]

Рис. 5. Планирование производства цемента в России

Поэтому понятны попытки, предпринимаемые в последнее время российским правительством по выводу страны из критического состояния – это задача удвоения ВВП к 2010 г., реализация Федеральной целевой программы “Жилище” и национального проекта “Доступное жилье”.

Для их успешного выполнения в промышленности строительных материалов планировалось решить целый ряд неотложных задач [1]: ● провести ускоренное обновление основных фондов предприятий; ● привлечь необходимые инвестиции (для модернизации действующих производств и введения новых мощностей); ● обеспечить выпуск высококачественных конкурентоспособных материалов и изделий; ● добиться снижения ресурсоемкости, энергетических и трудовых затрат на изготовление продукции; ● повысить производительность труда (за счет механизации и автоматизации производственных процессов); ● обеспечить рациональное использование минеральных природных ресурсов и вовлечение в производство техногенных отходов различных отраслей промышленности; ● организовать подготовку высококвалифицированных отраслевых специалистов всех уровней.