Истории развития современных материалов

Введение

Строительное материаловедение – наука, изучающая закономерности, определяющие свойства материалов, влияние на них состава и структуру, технологических и эксплуатационных факторов. Наука о строительных материалах позволяет прогнозировать свойства материалов и активно управлять ими, она предоставляет теоретическую базу для получения новых материалов с заданными свойствами.
Строительное материаловедение является неотъемлемой составной частью строительной науки, на которой базируется современная строительная технология. В свою очередь фундаментом науки о строительных материалах является комплекс физико-химических, геолого-минералогических и других наук, изучающих строение и свойства материальных объектов.
Строительное материаловедение – прикладная наука, предметом которой является изучение основных закономерностей, определяющих свойства материалов при их получении и эксплуатации [1].
Как единую научную дисциплину строительное материаловедение начали рассматривать по мере накопления обширного фактического материала, обуславливающего возможность перехода от частных закономерностей, характеризующих технологию, структуру, свойства отдельных видов материалов к общим закономерностям, справедливым для всей совокупности строительных материалов или больших их групп.
Строительное материаловедение начало развиваться при возникновении у строителей потребности обобщения знаний, накопленных при производстве и применении отдельных видов материалов, используемых при возведении зданий и сооружений. В последние десятилетие значительные успехи строительного материаловедения связаны с развитием структурной теории, связывающей основные свойства материалов с особенностями их строения как на микро-, так и на макроуровне.
В связи с этим, тема исследовательской работы «История развития минеральных вяжущих используемых для возведения строительных объектов», подразумевающая изучение истории создания (получения) вяжущих, технологии, формирование структуры и свойств и анализ перспективы применения в современном строительстве является актуальной.
Цель работы – систематизация, закрепление и расширение теоретических знаний и практических умений в области строительного материаловедения.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
-изучить минеральные вяжущие применяемые в строительстве, основные понятия, классификацию, свойства;
-изучить историю создания и применения минеральных вяжущих веществ и дальнейшие перспективы развития;
-проанализировать и выбрать основные свойства, которые были усовершенствованы во времени развития, выполнить обработку данных в виде построения таблицы «материал-свойство»;
-систематизировать результаты исследований, и выполнить проверку гипотезы о законе развития материалов по S-образной кривой, выполнить построение характерного графика.


ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Основные понятия. Классификация
Вяжущие материалы – это вещества, предназначенные для связывания (склеивания) разных компонентов в композиционные материалы (бетоны, растворы, мастики и др.). Строительные вяжущие материалы классифицируются по различным признакам:
-по происхождению – на органические и неорганические (минеральные);
-по механизму твердения – на гидратационные, негидратационные, коагуляционные, полимеризационные и поликонденсационные;
-по отношению к условиям твердения – на воздушные и гидравлические. Гидравлические вяжущие, способные твердеть и сохранять прочность как на воздухе, так и в воде, в свою очередь подразделяются на портландцементы, глиноземистые цементы, расширяющиеся цементы, шлаковые цементы, известково-пуццолановые цементы, известь гидравлическую. Воздушные вяжущие способны твердеть и сохранять прочность только на воздухе. К ним относятся: известь воздушная, гипсовые, ангидритовые, магнезиальные вяжущие и растворимое стекло.
Неорганические вяжущие – материалы, которые состоя из различных минералов (оксидов, гидроксидов, силикатов, гидросиликатов), преимущественно соединений щелочно-земельных и щелочных металлов, а также алюминия и железа. К ним принадлежат гипсовые, известковые, магнезиальные, шлаковые вяжущие, портландцементы, глиноземистые цементы др.
Почти все минеральные вяжущие вещества получают путем грубого и тонкого измельчения исходных материалов и полупродуктов с последующей термической обработкой при разных температурах. В этих условиях протекают разнообразные физико-химические процессы, обеспечивающие получение продукта с требуемыми свойствами [2].
Развитие представлений о природе вяжущих свойств происходило в соответствии с общим прогрессом химической науки, появлением новых, более совершенных приборов и методов исследований, а также в связи с необходимостью решения актуальных задач их производства и применения.


Развитие вяжущих веществ и их роль в строительстве
Необожжённые глиняные вяжущие и изделия на их основе
Одним из первых вяжущих, которым пользовался человек, была необожженная глина. За счет ее очень высокой дисперсности как осадочных пород и пластичности при добавлении воды достигается эффективное склеивание разных веществ в искусственный камнеподобный строительный материал. В течение огромного исторического периода (начиная с V тысячелетия до н.э.) именно глина являлась важнейшим строительным материалом [3].
Представленные соединениями стабильной кристаллической структуры, то есть менее энергоемкими соединениями, глины неспособны обеспечить водостойкость материалам на их основе без обжига.
Материал не обладает высокой прочностью, а также имеет малую стойкость во влажных условиях. Этот материал применяется и до сих пор для возведения простейших сооружений, когда от изделий и конструкций не требуется высокой прочности. [3].
Ярчайшим примером строительства с использованием такого материала является город Шибам в Йемене. Шибам славится своей ни с чем не сравнимой архитектурой, благодаря которой включён в список Всемирного наследия Юнеско [4, 5]. Шибам часто называют «старейшим городом небоскрёбов в мире». Это также древнейший пример городского планирования, основанного на принципе вертикального строительства.
Этот древний город появился около 2 тыс. лет назад в долине высохшей реки Хадрамаут. Зажатый в крепостных стенах город мог расти только вверх. Дома Шибама, обнесённые по периметру стеной XVI века, представляют собой башни, расположенные очень близко друг к другу. Некоторые дома города даже соединены между собою небольшими балкончиками, которые давали возможность во время нападений перемещаться из одного дома в другой. Шибам – чуть ли не единственный город в Йемене такого фортификационного типа, берущего своё начало ещё с преисламских царств V в. до н. э.- V в. н. э.

Рис. 1. Шиба́м – город в Йемене

В Шибаме находятся самые высокие глиняные здания в мире, некоторые из них возвышаются на 30 м и более. Все дома в Шибаме построены из глиняных кирпичей, примерно 500 домов можно считать многоэтажными, так как они имеют 5-11 этажей, каждый этаж представляет собой квартиру, занимаемую одной семьёй. Средняя высота стен домов – 20-25 м. Стены постепенно сужаются кверху. Самый высокий дом в Шибаме 11-этажный, но чаще встречаются 5-7-этажные.
Материалом для строительства послужил мадар – глиняно-соломенный кирпич-сырец, высушенный прямо на солнце, все дома построены из него. В крайне сухом климате Йемена средний срок службы такого дома составляет 2-3 столетия. Старейший дом Шибама датируется 1609 годом, большая же часть домов построена с 1880 по 1915 годы.
Город неоднократно разрушался наводнениямии. В октябре 2008 года в Хадрамауте и, в частности, в Шибаме было сильное наводнение, унесшее несколько десятков жизней и разрушившее часть домов города.
Вследствие слабых вяжущих свойств, а главное, вследствие малой стойкости во влажных условиях необожженная глина со временем перестала соответствовать возросшим требованиям строительной техники.


Термическая обработка сырья, получение искусственных вяжущих
С широким применением огня возникло изготовление искусственных вяжущих веществ за счет термической обработки сырья. Такой процесс сначала осуществлялся, когда природный камень попадал в огонь, превращался в порошкоподобное вещество, а потом снова становился камнем под действием дождя (гипсовое вещество) или образовывал еще более дисперсный порошок при взаимодействии с водой (гашеная известь). Постепенно огонь превратился в печь для обжига гипса и извести [3].
Среди наистарейших археологических находок на территории Египта, Месопотамии и Индии были найдены изделия из обожжённого гипса, что доказывает использование гипса в качестве вяжущего вещества. Для получения данного вяжущего не нужны очень высокие температуры, а использование в сухом жарком климате обеспечивало долговечность. Древние здания с использованием гипсовых вяжущих: храм Карнака (2475-2160 гг. до н.э.) крепление пилонов осуществлялось при помощи гипсового раствора; полы в колонном зале храма в Луксоре (1350-1200 гг. до н.э.) сделаны из строительного гипса [3].
Когда, где и как впервые люди осознанно обожгли известняк, чтобы затем погасить его водой и применять в качестве раствора, неизвестно. Можно предположить, что известняк обжигается человеком уже примерно 10000 лет. Достаточно длительное использование обожженного известняка подтверждено археологическими раскопками на берегах Дуная, где обнаружены остатки поселения, относимые к 7000…5500 годам до нашей эры. В жилищах найдены бесшовные полы, которые представляют собой полы, изготовленные из смеси обожженного известняка, песка и глины с добавлением воды.
Известковые растворы и растворы с добавлением обожженного известняка, наряду с прочим, применялись также при строительстве пирамиды Гизы (2500 лет до нашей эры), дворца Пергамона (около 1700 лет до нашей эры), минойских дворцов на Кипре (около 1700 лет до нашей эры) [6].
Значительные объемы извести впервые были использованы финикийскими мастерами примерно в 1000 году до нашей эры при строительстве цистерн

. При этом для изготовления водонепроницаемого раствора в качестве гидравлической добавки применялся измельченный обожженный кирпич [6].
Во втором веке до нашей эры греки создали новую технологию изготовления кладок, которая явилась истоком современного бетона. Между двумя оболочками стены из природного камня засыпался мелкий и крупный каменный лом, который уплотнялся с помощью штыкованием, а затем заливался известковым раствором. От греков технологию использования извести для изготовления раствора переняли римляне, при этом римляне доработали и усовершенствовали эту технологию до получения «Opus Cementitium», известного как римский бетон. Существует подробное описание изготовления растворов римлянами. При этом описываются первые предписания по особенностям обжига и гашения кальциевой белой извести (извести-пушонки). Например, согласно законодательному предписанию, известь необходимо было гасить задолго до употребления. За этим должны были следить специальные служащие. Нельзя было использовать известь, которая не пролежала в карьере 3 года. Подготовка и использование раствора также контролировалась специальными служащими [6]
Римский архитектор и инженер Марк Витрувий Поллион, живший в первом веке до нашей эры, писал в своих знаменитых «Десяти книгах об архитектуре»: «Встречается некоторый род порошка, который обладает чудесным свойствами. Его залежи находятся в окрестностях Байи на общественных полях близ Визувия. 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» [1].
После крушения Римской империи и объемы строительства сильно сократились. Только в XII и XIII веках масштабы строительства увеличились, и снова начали возводиться такие сооружения, как крепости, городские стены и ратуши. Многие из этих сооружений строились из природных камней, скрепленных с помощью раствора. В регионах, где были залежи известняка, применялись известковые растворы. Обжиг известняка осуществляли в простых земляных или полевых печах. В отличие от римского периода, крестьяне или сельские жители были главными производителями извести, которую они изготавливали, главным образом, для собственных нужд. Монастыри испытывали повышенную потребность в извести и часто имели собственные печи для обжига извести или же арендовали карьеры с печами. Вскоре в монастырях появились монахи, которые хорошо владели технологией обжига известняка, и составили первое описание процесса получения извести, пригодное для применения.
В XVII…XVIII вв. началось научное исследование известкового раствора. Англичанин Дж. Смитон (1697…1761 гг.) установил, что известняки, содержащие глину, в противоположность чистым известнякам, после обжига позволят получить водостойкий строительный раствор. Так он открыл принцип гидравличности. Известная постройка Эдистонский маяк, пролив Ла-Манш, 1759 г.
Когда в конце XVIII века в химической промышленности, металлургии и строительстве возникла большая потребность в негашеной извести, домна служила образцом печи для более эффективного обжига извести. На смену обжиговым печам периодического действия пришли печи непрерывного действия, а шахтная печь, оснащенная современным оборудованием, и сегодня является доминирующим агрегатом для обжига извести [6].
Вяжущие вещества на Руси применялись уже в глубокой древности. При сооружении Десятинной церкви в Киеве в 900 г., использовали известь. Стены Софийского собора в Киеве, построенного в XI в., сложены на извести с добавкой такого количества измельченного кирпича, при котором достигается наибольшая долговечность растворов. В XI – XV вв. в России применяли как жирную кальциевую, так тощую магнезиальную известь [2].
В 1584 г. в Москве был учрежден Каменный приказ, который наряду с заготовкой строительного камня и выпуском кирпича ведал также изготовлением извести [2].
Применение тощей извести еще в постройках XV в., например, при сооружении Ивангородской крепости, свидетельствовало об умении использовать вяжущие, полученные из известняков с примесью глины, т.е. так называемую гидравлическую известь [2].
В связи с большим промышленным, военным и гражданским строительством потребовались более эффективные, чем известь и гипс, вяжущие вещества. Во второй половине XVIII в. в России разрабатываются и осваиваются способы изготовления вяжущих веществ из мергелей и искусственных смесей, по составу подобных мергелям. В 1807 г. акад. В.М. Севергин дает полное описание свойств вяжущего вещества, получаемого обжигом мергеля с последующим размолом полученного продукта, который по современной терминологии был типичным романцементом.
Профессор Петербургского института корпуса инженеров путей сообщения французский ученый Антуан де Шарлевиль опубликовал в 1822 г. обширный труд «Тракт об искусстве изготовлять хорошие строительные растворы», в котором приводит результаты исследований известковых пород Петербургской губернии с целью получения воздушной и гидравлической извести, описаны способы изготовления гидравлических вяжущих веществ (цементов) как из природных мергелей и искусственных смесей извести с глиной. [1, 2, 7].
В 1825 г. в Москве была опубликована книга Егора Челиева – начальника военно-рабочей бригады, производившей строительные работы в разрушенной после Отечественной войны 1812 г. Москве «Полное наставление, как изготовлять 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». [1, 2, 3, 7]. Егор Челиев описывает способ производства вяжущего из смеси извести или известковой штукатурки с глиной. Он считает необходимым обжиг смесей при белом калении до частичного расплавления компонентов в стекло, а также последующее измельчение полученного продукта и рекомендует при затворении вяжущего водой вводить небольшое количество гипса.
21 октября 1824 г. в Англии Дж. Аспдин зарегистрировал патент под номером 5022 «Усовершенствование в изготовлении искусственных камней» объект изобретения был назван «портландцементом» в честь популярного тогда среди английских строителей известняка, добываемого на острове Порланд [6]. Он описал изготовление вяжущего вещества из смеси извести с глиной обжигом ее до полного удаления углекислоты. Это вяжущее хотя и было названо «портландцементом», но по свойствам являлось фактически разновидностью романцемента, тогда как обжиг смесей Е.Г. Челиева при белом калении до частичного расплавления компонентов в стекло и последующим измельчением можно считать более совершенным, что стало основополагающим в создании современного портландцемента.
Таким образом, гидравлический цемент из искусственно приготовленных сырьевых смесей производился в России еще в начале XIX в.. Первые цементные заводы основанные под Москвой и Петербургом в 1848-1850 гг. вырабатывали романцемент, начало производства которого исторически предшествовало появлению портландцемента [7].
Первый портландцементный завод на территории б. Российской империи был основан в 1856 г. около г. Гроздец, Петроковской губ. Второй завод выстроен в1865-1866 гг. близ г. Риги фирмой Шмидта. В 70-х годах возникли еще три завода – Щуровский, Пунане-Кунда (оба в 1870 г.) и Подольский (1875 г.). В следующем десятилетии было положено начало освоению новороссийских мергелей (1882 г.), выстроен еще один завод в Польше и завод Глухозерского общества под Петербургом (1887 г.). [7].
Дореволюционная цементная промышленность была сосредоточена в подавляющей своей части в 4-5 экономических районах – Северо-Западном, Центральном, Волжском, Северо-Кавказском и Донецком. В этих районах находилось до 90 % всей цементной промышленности [7].


Совершенствование свойств вяжущий, использование нанотехнологии
На протяжении прошлого столетия развитие вяжущих проходило по нескольким направлениям, это развитие и совершенствование технологии получения, создание основного оборудования которое позволяло получить выпуск продукции со стабильными свойствами, и собственно улучшение свойств, прежде всего повышение прочности, т.к. цемент стал основным вяжущим в бетонах.
Создание высокоплотных и высокопрочных бетонов началось примерно в 1963 году в Скандинавии. При этом в качестве корректирующих добавок использовали кремнийсодержащие побочные продукты, которые образуются при производстве ферросилиция и осаждаются на электрофильтрах. Эти продукты содержат 85-98% аморфного диоксида кремния с размером частиц 0,1-1 мкм, которые способны заполнять мельчайшие пустоты между реагирующими компонентами и определять ход протекания пуццолановой реакции.[6]. Улучшение качества цемента за счет добавления разного рода компонентов позволило получать быстротвердеющие и высокопрочные бетоны.
Бетон на основе высокопрочных быстротвердеющих цементов применяется, наряду с прочим, для ремонта автодорог, взлетных и посадочных полос аэродромов, там где приостановление движения транспорта возможно только на 6 часов. В связи с этим такие бетоны для ремонта, которые доставляются на строительную площадку в виде смешанных на заводе готовых сухих бетонных смесей, должны иметь через 4 часа прочность 15…20 МПа; прочность при изгибе через 2 часа достигает 2МПа.
Революцией в дальнейшем развитии явилось появление нанонауки