Будівельне матеріалознавство

Основні етапи розвитку будівельного матеріалознавства

Будівельні матеріали, вироби і конструкції - це матеріальна основа будівництва. Витрати на них досягають 50% загальної вартості будівельно-монтажних робіт. Отже, грамотне і економне витрачання матеріалів дозволяє істотно скоротити вартість будівництва в цілому.

Для того щоб правильно використовувати різноманітні будівельні матеріали, треба знати їх властивості і призначення. Вивченням властивостей матеріалів займається наука - матеріалознавство. Матеріалознавство будівельне - наука про будівельні матеріали, їх склад, властивості, внутрішню будову технологіях виготовлення і областях застосування, довговічності і надійності конструкцій будівель і споруд. Матеріалознавство відноситься до числа основоположних будівельних наук, оскільки без знання властивостей будівельних матеріалів неможливо проектувати, будувати, реконструювати та експлуатувати об'єкти. Ця наука є багатогалузевий, так як присвячена вивченню та систематизації будівельних матеріалів, що виробляються в відповідних галузях промисловості в повній номенклатурі.

Матеріалознавство може бути зведене до трьох основних взаємодіє складовим. По-перше, в матеріалознавство входять емпіричні знання у вигляді нових і раніше отриманих даних на виробництві, в інститутах в ході експериментальних і дослідно-промислових досліджень, спостережень за роботою матеріалів в конструкціях будівель і споруд при експлуатації.

По-друге, матеріалознавство - це область теоретичних знань. Відомо, що теорія покликана пояснювати факти, які спостерігаються в виробничих і лабораторних дослідженнях; в емпіричному матеріалі вона відкриває дію закономірностей, зводить їх в єдину систему, що призводить до багатьох інших узагальнень і гіпотез, до створення теорії, наявність якої переводить систему знань в справжню науку.

По-третє, матеріалознавство як невід'ємний компонент будь-якої науки містить її світоглядні основи.

З розвитком науки про будівельні матеріали змінилися уявлення про прогресивних і передових технологіях їх виробництва на рівні світових досягнень, закономірності зміни властивостей матеріалів, довговічності при критичному рівні деструкції, екології навколишнього середовища і матеріалів як неодмінного критерію прогресивної технології, максимальному використанні техногенної сировини при мінімальних витратах природного та ін.

Розвиток матеріалознавства відбувається при тісній взаємодії практики і теорії: виробничі технології дають нові факти, а теоретичні - приймають їх, збагачуючи на їх основі наукові знання новими узагальненнями, використовуваними, в свою чергу, в розвитку виробництва.

Цілеспрямоване використання матеріалів для зведення будівель різного функціонального призначення відомо людству з найдавніших часів. На початкових етапах цивілізації застосовували такі матеріали, які не вимагали значних зусиль і енергетичних витрат для додання їм заданої форми: деревину і природні камені, необпалену глину.

Вихідним моментом для становлення науки про матеріали стало отримання кераміки шляхом свідомого зміни структури глини при її нагріванні і випалюванні. Згодом надмірну пористість виробів навчилися зменшувати глазуруванням.

З плином часу людство пізнало самородні, а потім і рудні метали, фортеця і жорсткість яких були відомі вже в VIII тис. До н. е. Холоднокованая самородна мідь була витіснена міддю, виплавленої з руд, які зустрічалися в природі частіше і в більших кількостях. Надалі до міді стали додавати інші метали, і таким чином в III тис. До н. е. люди навчилися виготовляти і використовувати бронзу як сплав міді з оловом, а також обробляти благородні метали, вже широко відомі на той час.

Отримання нових керамічних і металевих матеріалів і виробів було обумовлено певним прогресом виробництва. Зростала необхідність в більш глибокому розумінні властивостей матеріалів, особливо міцності, ковкості та інших якісних характеристик, а також способів їх можливої ​​зміни.

Однак справжніх наукових знань про склад і властивості матеріалів не було. Теорія будувалася в основному на здогадах, інтуїції, хоча були і дивовижні рішення, наприклад в Ш ст. до н. е. люди вже вміли надавати будівельних розчинів гідравлічні властивості, т. е. здатність до твердненню у водному середовищі за допомогою природних добавок.

Джерелами інформації були особисті контакти між майстрами і передача ними досвіду, що згодом отримали організуючий початок в цехових об'єднаннях, природна міграція і насильницьке переселення фахівців-майстрів завойовниками з поневолених країн. Письмова інформація в області виробництва матеріалів і виробів протягом багатьох століть була відсутня, бо майстри і ремісники були неграмотні, а володіла писемністю знати була нескінченно далека від безпосереднього виробництва

У середні століття, коли процвітала алхімія, Парацельс (1493-1541) замінює чотири елементи Аристотеля (земля, вода, повітря і вогонь) трьома своїми - сіллю, сірої і ртуттю, що можна розцінити як інтуїтивне передбачення ролі міжатомних зв'язків у формуванні властивостей речовин. До цього ж періоду відноситься і вчення Декарта (1596-1650) про те, що природа являє собою безперервну сукупність матеріальних частинок, що рух матеріального світу вічно і зводиться до переміщення найдрібніших частинок - корпускул (атомів). Переміщення атомів становило основу нової теорії будови речовини, що було значним досягненням в області пізнання складів, внутрішніх взаємодій і властивостей речовин.

Великий внесок у розвиток науки про матеріали внесли великі українські вчені М. В. Ломоносов (1711-1765) і Д. І. Менделєєв (1834-1907). М. В. Ломоносов заклав основи передової російської філософії і науки, особливо в галузі хімії, фізики та геології. Він став основоположником курсу фізичної хімії та хімічної атомістики, що обгрунтовує атомно-молекулярну будову речовини. Д. І. Менделєєв відкрив найважливішу закономірність природи - періодичний закон, відповідно до якого властивості елементів перебувають в залежності від величини їх атомної маси.

Для першого етапу становлення і розвитку будівельного матеріалознавства характерно порівняно обмежена кількість різновидів матеріалів і досвідчених даних по їх якісним характеристикам. Його можна характеризувати як становлення науки про матеріали взагалі, про склад речовин, внутрішніх взаємодіях найдрібніших частинок і їх властивості.

Другий етап у розвитку будівельних матеріалів почався з винаходу в другій половині XIX ст. гідравлічного в'яжучого - портландцементу - і закінчився в першій половині XX в. З'явилася можливість виготовляти водостійкі бетони і будівельні розчини, що істотно розширило технічні можливості будівництва. Найважливішим показником цього етапу стало масове виробництво різних будівельних матеріалів і виробів, безпосередньо пов'язане з інтенсифікацією будівництва промислових і житлових будівель, загальним прогресом промислових галузей, електрифікацією і т. Д. Характерним є також конкретне вивчення складів і якості вироблених матеріалів, вишукування найкращих видів сировини і способів переробки, методів оцінки властивостей будівельних матеріалів зі стандартизацією необхідних критеріїв вдосконалення практики изготовле ня продукції на всіх стадіях технології.

У номенклатурі матеріалів, крім застосовувалися на першому етапі каменю, міді, бронзи, заліза і сталі, кераміки, скла і окремих в'яжучих, почався масовий випуск портландцементу, з'явилися нові цементи; сформувалася спеціальна наука про бетонах - бетоноведенія. Були запропоновані нові різновиди штучних наповнювачів для легких бетонів -кераміческіе, шлакові та ін.

В кінці XIX ст. формується технологія виготовлення залізобетону і отримує розвиток наука про залізобетон. В цей же час в будівництві впроваджується попередньо напружений залізобетон. Масове виробництво попередньо напружених конструкцій почалося дещо пізніше, а в нашій країні - на третьому етапі розвитку будівельного матеріалознавства. До цього періоду відноситься впровадження та збірного залізобетону. Розвивалися наукові концепції виробництва багатьох інших будівельних матеріалів. Рівень пізнання піднявся так, що в цементній, полімерної, скляної та деяких інших галузях розрив у часі між закінченням наукової розробки та впровадженням її у виробництво ставав дуже малим, т. Е. Наука перетворювалася в безпосередню продуктивну силу. У той же час в інших областях розкриття теоретичних принципів і загальних закономірностей стримувалося необхідністю якнайшвидшого вирішення проблеми інтенсифікації виробництва будівельних матеріалів і виробів для задоволення потреб будівництва.

Третій етап охоплює період з другої половини XX ст. до теперішнього часу. Він характеризується, по-перше, процесом подальшого розширення виробництва будівельних матеріалів і поглибленням знань відповідних їм спеціалізованих наук і, по-друге, інтеграцією наукових знань про будівельні матеріали і вироби в їх складній сукупності. Розширення виробництва матеріалів викликалося як і раніше необхідністю відновлення житлового та промислового фонду після Другої світової війни. Будівництво було переведено на індустріальні способи, зокрема шляхом заводського виготовлення виробів із залізобетону, конвейеризации виробництва бетону та залізобетону. Індустріалізація будівельного виробництва привела до розширення номенклатури і вдосконалення способів виробництва штучних теплоізоляційних, гідроізоляційних і герметизуючих матеріалів, особливо матеріалів на полімерній основі або з їх застосуванням.

Керамічне виробництво стало високомеханізованої і автоматизованої галуззю в промисловості будівельних матеріалів. У другій половині XX в. Річна продуктивність однієї технологічної лінії становила на заводах до 30 млн шт. стандартного цегли. Були впроваджені поточно-конвеєрні лінії з річною продуктивністю до 1 млн м2 облицювальних керамічних плиток та до 800 тис. М2 плиток для підлог.

Наш час характеризується бурхливим розвитком промисловості будівельних матеріалів. Поряд з традиційними зростає застосування нових матеріалів. Механічні способи переробки сировини все більш витісняються фізико-хімічними методами, при яких властивості будівельних матеріалів формуються прихованої енергією речовини. Це дозволяє скоротити непродуктивні витрати праці, палива та електроенергії.

Для сучасного періоду характерним є створення матеріалів з наперед задаються властивостями на основі досягнень фізики твердого тіла. Вивчивши природу межатомной зв'язку твердого тіла, будова елементів його просторової решітки з урахуванням всіх видів його дефектності, вдається не тільки управляти його хімічними, фізичними і механічними властивостями, а й прогнозувати потенційні оптимальні характеристики, закладені в будь-якій речовині його хімічною природою і структурними особливостями будови.

Для забезпечення потреб населення в житлі в Республіці Білорусь реалізується програма житлового будівництва, під яку потрібно відповідна матеріально-технічна база. У зв'язку з цим збільшується випуск цементу, цегли, стінових блоків, лінолеуму та інших матеріалів. Особлива увага звертається на монолітне і монолітно-каркасне домобудівництво. У зв'язку з інтенсивним розвитком індивідуального будівництва узятий курс на збільшення випуску газосилікатних блоків як найбільш економічного стінового матеріалу.

У будівництві і обробці будівель широке застосування знаходять сухі суміші, захисно-оздоблювальні і клейові композиції, ефективні полімерні, металополімерні, керамічні і скляні матеріали.