Наука о материалах, история развития

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.
            Первый этап охватывает наиболее длительный период. 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 примитивных специальных 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 З-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 9 и 8 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 учёния 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--не плавкость, 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.
В 3 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. 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. 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 от атомов, а относительно еще более распространённого тогда учения о флогистоне, выделяющемся, якобы, при прокаливании металлов и горении веществ, то он не только отверг такое учение о таинственном «веществе огня», но и дал научное объяснение химическим явлениям, протекающим при таких воздействиях огня. Кроме того, МВ. 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.

            Второй этап развития строительного материаловедения условно начался со второй половины 19 в. и закончился в первой половине 20 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, электрификацией, 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, Н.А. 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, эолы, 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 19 в. В разработке новых для того времени минеральных вяжущих участвовали А.Р. Шуляченко, И.Г. Малюга, А.А. Байков, В.А. Китщ, В.Н. Юнг, Н.Н. Лямкн 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. Передерий предложил высокопрочный гипс; А.В. Волженский при участии А.В. Ферронской -- гипсоцементное пуццолановое вяжущее; П.П. 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 установлёна 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, БГ. 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, на пример, 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.

            В конце 19 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 сооружений. В конце ХIХ в., послё успешных исследований, внедрен в строительство предварительно напряженный железобетон. В 1886 г. П. джексон, деринг, Фрейсине взяли патент на его применение и развили этот метод. Массовое производство преднапряжённых 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 производстве 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.

            Третий этап охватывает период со второй половины ХХ в. до настоящего времени. Он характеризуется, во-первых, процессом дальнейшего расширения производства строительных материалов и углублением соответствующих им специализированных наук и, 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.

            Керамическое производство стало высокомеханизированной и автоматизированной отраслью в промышленности строительных материалов. Во второй половине ХХ в. годовая производительность одной технологической линии составляла на заводах до ЗО млн. шт. стандартного кирпича. Были внедрены поточно-конвейерные линии с годовой производительностью до 1 млн. м облицовочных керамических плиток и до 800 тыс, м плиток для полов.

            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 материалов, 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.

            В России производство строительных материалов возникло в далеком прошлом. Уже в глубокой древности наши предки умели изготавливать глиняный кирпич, воздушную и гидравлическую известь, широко использовали древесины и природный камень.

            В царствовании Ивана Грозного для систематизации накопившегося за столетия опыта. был создан “Приказ каменных дел', который руководил государственным производством строительных материалов и строительством. главным образом, крепостных сооружений.

            В последующие годы это производство развивалось не быстрыми темпами и подъем наблюдается при Петре 1, который в связи с закладкой новых городов и крепостей поощрял производство строительных материалов.

            Отмена крепостного права и начало развития капитализма в России послужили мощным толчком для роста промышленности и в том числе производства строительных материалов. Со второй половины ХIХ в. стали строиться заводы портландцемента, механизированные печи для обжига известняка, заводы для выпуска кирпича, облицовочной плитки, начинает применяться железобетон.

            В начале ХХ века Россия становится не только богатой аграрной, но и довольно мощной индустриальной державой. Построены крупные металлургические и машиностроительные предприятия, шахты, железные дороги, порты, мосты и т.п.

            Нарастает жилищный бум, только в Москве к 1913 г. ежегодно строилось до З тыс. 5-7 этажных кирпичных, так называемых доходных домов, что требовало весьма развитой строительной базы. Однако эволюционное развитие страны было на подъеме остановлено первой мировой войной, затем революциями и гражданской войной.

            Производство строительных материалов резко снизилось, многие цементные заводы и другие предприятия были разрушены.

с середины 20-х годов развернулась реконструкция старых и постройка новых заводов строительных материалов. В 30-ые годы были созданы новые материалы - пустотелый и высокопрочный кирпич, шлаковые цементы, цементы с активными минеральными добавками, легкие бетоны, сборные железобетонные конструкции и пр. Потребность в материалах растет, так как повсеместно строятся промышленные предприятия.

            Война с Германией 1941-1945 гг. привела к опустошительному разрушению западной части страны, после чего длится долгий восстановительный период. Задача стоит не в создании архитектурных шедевров, а в строительстве самого необходимого и в сжатые сроки.

            Начиная с 50-годов, в стране постоянно увеличивается выпуск строительных материалов. К 80ым годам по производству цемента, металла, сборного железобетона, асбоцемента, листового стекла мы намного опередили другие страны. Однако существовавшая эконо- чическая и политическая система жесткого государственного монополизма стала тормозом и в строительной индустрии.

            Тем не менее за последние десятилетия 20го века построены новые города, возведены уникальные объекты такие, как гидротехнические сооружения, промышленные предприятия, атомные электростанции, научные, учебные и общественно центры. Все это потребовало усилий нашей научно-инженерной общественности. Отечественная наука играла и играет важную роль в развитии строительных материалов. Созданные нашими учеными технологии производства цемента, металла, бетона, керамики, теплоизоляционных материалов, заводского домостроения используют многие страны.