Строительное материаловедение на рубеже веков
В.И.Соломатов, академик РААСН
XX
век - век небывалого технического прогресса и дерзких научных открытий
глобального значения, изменивших образ жизни и мышления общества. На фоне и под
влиянием этих технических и социальных факторов и основополагающих достижений
фундаментальных наук родилось и сформировалось научное строительное
материаловедение. В результате в современном строительстве используются сотни
(тысячи?!) наименований строительных материалов - конструкционных,
теплоизоляционных, гидроизоляционных, антикоррозионных, радиационно-стойких,
акустических, отделочных, кровельных, декоративных и других. Проследить
становление отдельных или даже групп материалов в обозначенном времени и
пространстве, оценить вклад выдающихся ученых и научных школ в этот процесс -
не простое дело даже для современных информационных технологий.
С
допустимой вольностью в общем массиве строительных материалов можно выделить
три группы:
-
металлические сплавы на основе железа, алюминия, меди, титана и других
металлов;
-
природные минеральные (горные породы, минералы, элементарные продукты - сера) и
органические, в основном древесные материалы и другие растительного
происхождения, а также и такие, как, например, асфальты;
-
искусственные - основная группа материалов (строительных композитов) на
минеральных, органических, металлических и композиционных вяжущих (бетоны,
растворы, мастики, клеи, герметики, шпаклевки и подобные материалы).
Композиционная
природа характерна и для материалов первых двух групп (так, древесина -
природный композит, компоненты - лигнин, целлюлоза, полисахариды, а
строительные стали можно рассматривать как ферритно-цементитные композиты).
Однако использование этих материалов строителями сводится, в основном, к
обработке и изготовлению изделий без коренной трансформации (за некоторым
исключением, например, в биотехнологии) приобретенной ранее композитной
структуры. Поэтому история их развития не столь ярка и показательна для
двадцатого столетия по сравнению с композиционными материалами третьей группы.
Прогресс же в создании и технологии композиционных строительных материалов
(КСМ) поразителен и, по-видимому, еще не полностью осознается строительной
наукой и практикой.
Начало
столетия отмечено полным вытеснением романцементов и гидравлической извести и
впечатляющими успехами в исследованиях и промышленном производстве на их основе
высокообжиговых портландцементов и бетонов разнообразных видов, модификаций и
назначения. Бурному развитию технологии бетона и железобетона в СССР
способствовали программы индустриализации и электрификации, особенно
гидроэнергетического строительства. В этот период были установлены
закономерности получения, гидратации и структурообразования минеральных вяжущих
веществ, рационализированы их составы, режимы и технологии получения,
предложены методы модификации и соответствующие добавки различной природы.
Несколько десятилетий потребовалось для разработки и определения рациональных
методов подбора составов бетона (выявленная еще в конце XIX века зависимость
свойств бетона от взаимного содержания воды и цемента представлена
количественно в виде ЗВЦ - закона водоцементного отношения).
XX
век в строительной отрасли по праву можно назвать веком железобетона.
Преимущественное применение монолитного железобетона в первой половине столетия
(гидроэнергетическое и промышленное строительство) в результате известных
решений Правительства СССР сменилось приоритетом технологии сборного железобетона
и широким использованием его в жилищном строительстве. Но в последние годы
рыночные отношения способствовали восстановлению позиций монолитного
железобетона.
Новое
звучание получили наполненные цементные системы. Представление о цементном
камне как материале, составленном из отвердевшей гидратированной части и
сохранившихся ядер цементных частиц ("микробетон Юнга"), не вышло за
пределы красивой идеи. Введение минеральных добавок, как правило, приводило к
снижению активности цемента и прочности бетона.
Прорыв
в этой области в последнее двадцатилетие обеспечили термодинамический подход к
проблеме, представление цементных (и иных!) дисперсий как открытых
диссипативных систем и, как следствие, предложение интенсивной раздельной
технологии, обеспечивающей в соединении с разжижителями смеси экономию цемента
до 50% и более. Наполненные бетоны стали нормой, ненаполненные - исключением.
На этой научной основе позднее возникли вяжущие низкой водопотребности и так
называемые смешанные цементы. Современные бетоны невозможно представить без
интенсивных разжижителей - суперпластификаторов (СП) смесей, позволивших до
минимума ослабить противоречие между удобоукладываемостью смеси и прочностью
бетона. Сочетание СП с различными химическими добавками дает возможность направленной
модификации и управления технологией бетонов.
В
50-е годы возникло и триумфально развивалось новое направление -
полимерцементные и полимерные бетоны, хотя успешные попытки введения в бетоны
натурального и дивинилстирольного каучуков сделаны еще в 30-е годы. Применение
дисперсий термопластов и латексов каучуков обеспечило создание широкого
ассортимента товарных продуктов и изделий для строительства - полимерцементов,
мастик, замазок, клеев, герметиков. Разработана технология полимербетонов и создана
сеть заводских производств конструкций и изделий из армополимербетонов на
термореактивных вяжущих для металлургической, химической и других отраслей
промышленности, связанных с агрессивными средами.
Знаковым
в XX веке в области строительных материалов является рождение и становление
научного строительного материаловедения (НСМ), переход от описательности и
эмпиризма к фундаментальности, построение количественных теорий на базе
последних достижений физики, химии, математики и других фундаментальных наук
(полиструктурная теория, теория химического и биологического сопротивления).
Уходящий век дал ключи к НСМ, но решение многих актуальных задач в этой области
переносится в новое тысячелетие. Обозначим некоторые из них как доминирующие
направления прогресса теории и практики НСМ в XXI веке.
В
теории необходима новая классификация строительных материалов, основанная не на
товарных, а на научных принципах, которая объединяет отдельные материалы в
группы, виды и классы. Нужны углубленные и расширенные исследования наполненных
систем на микроуровне. Необходимо определить влияние природы, размера, формы,
физико-химической активности частиц с выходом на количественные зависимости.
Следует настойчиво проникать в механизмы и кинетику твердения вяжущих различной
природы, особенно секунды и микросекунды, поскольку на этом этапе происходит
зачатие твердой фазы новообразований. Надо проследить процесс возникновения и
формирования гелеобразных и иных твердеющих структур в начальный период (на наш
взгляд, такие структуры формируются по спиральному механизму). Не обозначены в
должной мере автоколебательные явления в кинетических процессах твердения (да и
деструкции под действием внешних сред) материалов.
Твердение
вяжущих до сих пор преимущественно изучается в статических условиях и в
стабильных средах. Необходимо интенсифицировать исследования процессов
твердения под действием динамических возмущений полей различной природы,
физических, химических и биологических факторов. В ближайшее время должны стать
более продуктивными подходы к формированию макроструктуры (включая
армирование!) материалов, к получению структур различной упаковки и плотности,
к установлению количественных зависимостей свойств заполнителей, связующих и
конечных композитов. А методы подбора и оптимизации составов бетонов и других
материалов следует обновить на основе представлений об их композиционном
строении.
Сейчас
уже несомненна взаимозависимость материалов и технологий их получения, развитие
материалов через технологии. И поэтому исследования в области ИРТ, каркасных,
литьевых технологий, монолитного бетонирования требуется углубить и создавать
новые неординарные технологии на базе последних достижений науки. Особый
интерес и перспективу представляют строительные биотехнологии, обеспечивающие
получение экологически чистых КСМ без применения традиционных вяжущих и с
существенной экономией ресурсов, порой на базе техногенных продуктов.
В
практической технологии исключительно актуальны разработка действенных методов
безобогревного бетонирования и общие проблемы энергосбережения и создания
эффективных и экономичных материалов на магнезиальных и гипсовых вяжущих из
местных сырьевых ресурсов и техногенного сырья. Надо сконцентрировать усилия на
создании высокоэффективных теплоизоляционных материалов, в первую очередь на
технологии пенобетонов и композитов на полых заполнителях. Современным
технологиям и составам керамических материалов, прежде всего безобжиговых,
вибропоглощающих, радиационно-стойких, химически стойких и других специальных
материалов, до сих пор уделяется мало внимания.
В
последние годы в Москве и других мегаполисах обострилась проблема строительства
на виброзагрязненных территориях. В связи с этим актуально создание класса
вибропоглощающих материалов. Безусловно, интенсифицируются исследования и в
области создания и технологии экологически чистых материалов. Не имеет пока
удовлетворительного решения проблема утилизации вышедших из эксплуатации
материалов и конструкций.
В
начальной стадии находятся информационные технологии в НСМ, в частности компьютерное
материаловедение. Очевиден прогноз ускоренных разработок методов физического,
физико-химического и математического методов моделирования структуры,
технологии и свойств материалов, компьютерного синтеза композитов различного
назначения. На очереди создание методов конструирования структуры композитов,
постепенное стирание грани между КСМ и композиционными строительными
конструкциями (КСК) и разработка универсальных программ создания строительных
композитов.
Не
должна остаться без внимания проблема создания единой теории деградации и
сопротивления материалов химическим, физическим, биологическим и силовым
воздействиям, разработки на этой основе надежных методов расчета конструкций,
оценки и прогноза их долговечности.
Очевидно,
оживятся маркетинговые исследования, а также изучение общего влияния рыночных
отношений и государства в области КСМ и их технологий. XXI век должен стать
веком расцвета древнейшей сферы человеческой деятельности - строительства, а
следовательно - строительных материалов и технологий.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://asm.rusk.ru/