Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный строительный университет

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения

Баженов Ю.М., д-р техн. наук,

профессор, академик РААСН

Рахимов Р.З., д-р техн. наук,

профессор, чл.-корр. РААСН

Перестройка экономических отношений в нашей стране, интеграция в мировой строительный рынок привели к необходимости совершенствования отечественной строительной индустрии с целью привести ее в соответствие с мировыми мерками по номенклатуре, качеству и конкурентоспособности ее продукции и строительного комплекса России в целом. Это может быть обеспечено в значительной мере только при соответствующем сопровождении и дальнейшем развитии строительного материаловедения - науки, включающей фундаментальные исследования взаимосвязи состава, структуры, свойств и технологии материалов и прикладные исследования по совершенствованию свойств традиционных и разработке эффективных новых материалов и технологий их производства.

Строительное материаловедение включает в круг исследований природное и техногенное сырье, природные и искусственные конструкционные, теплоизоляционные, отделочные, гидроизоляционные, антикоррозионные, акустические, радиационностойкие и другие материалы, применяемые во всех отраслях промышленности и хозяйства. В связи с этим состояние и развитие строительного материаловедения определяет в значительной мере состояние и развитие не только строительного комплекса, но и всей экономики страны в целом.

Современное строительное материаловедение должно развиваться с учетом:

изменившейся в последние десятилетия стратегии развития земной цивилизации, в том числе и строительной отрасли, от «безграничного научно-технического прогресса» к «устойчивому развитию», основные критерии которой - ограничение потребления природных ресурсов, ресурсо- и энергосбережение, охрана окружающей среды, повышение объемов использования в производстве строительных материалов попутных продуктов и отходов промышленности;

повышающихся требований к надежности и долговечности строительных материалов и изделий в условиях воздействия различных сред эксплуатации и механических нагрузок;

мировых и отечественных достижений фундаментальных и прикладных исследований.

Двадцатый век явился эпохой становления строительного материаловедения как науки, в области теоретических основ которой утвердились тенденции перехода от описательного исследования к аналитическому и развития ее как части общей теории композиционных материалов с использованием ее достижений по теоретическому обоснованию преобразования вещества и энергии, методологии моделирования на законах фундаментальных наук - химии, физики, физической и коллоидной химии, физико-химической механики и механики. Достижением и перспективным направлением строительного материаловедения является развитие компьютерного материаловедения в части оптимизации составов строительных материалов и технологических режимов и процессов их производства. Перспективным направлением строительного материаловедения в повышении надежности и долговечности строительных материалов и изделий являются дальнейшее развитие разработок теории их химической, биологической деградации в нормальных условиях и при воздействии производственных и эксплуатационных сред и температурных факторов.

Развиты аспекты методологии исследования проблем строительного материаловедения и технологии и учета неоднородности строения в задачах оптимизации структуры строительных композитов.

Перспективным направлением в строительном материаловедении и разработке строительных материалов с уникальными свойствами представляют получившие в последнее десятилетие развитие нанотехнологии. строительный материаловедение композит неоднородность

Двадцатый век явился также эпохой несравненного с предшествующим ему периодом существования земной цивилизации совершенствованием свойств традиционных и объемами разработки новых искусственных строительных материалов и технологий их производства.

Рассмотрим достижения, проблемы и направления развития исследований и разработок отдельных их разновидностей.

Минеральные вяжущие вещества

Прогресс в области строительства в значительной мере определяется свойствами и количеством производимых вяжущих, главным из которых по объемам производства и применения является портландцемент.

Портландцемент в нашей стране производится марок 400-600. Создание и применение новых физических методов в химии цемента, позволивших проводить углубленное изучение механизма явлений в технологии цемента позволили обеспечить прогресс в повышении качества цемента и освоение производства более 30-ти его разновидностей, отличающихся минералогическим и вещественным составом и соответственно техническими свойствами и областью применения. Российские ученые еще в 30-е годы прошлого столетия внесли существенный вклад в разработку цементов с различными видами минеральных добавок, что позволяет не только повысить эффективность использования цементного клинкера, но и энергосбережение в производстве цемента и утилизацию техногенных отходов. К пониманию эффективности и реализации этого направления в других технически развитых странах пришли только в последние десятилетия. Во второй половине отечественными учеными последовательно разработаны принципиально новые виды цементов: пластифицированные, гидрофобные, расширяющиеся, напрягающие, быстро-, особо- и сверхбыстротвердеющие, высокопрочные марок 600-700, с добавками крентов, низкой водопотребности (ЦНВ) прочностью до 120 МПА с максимумом до 170 МПа.

Важным является установление возможности хранения ЦНВ в условиях защиты от доступа влаги в течении неограниченно долгого времени. Вместе с тем в производстве и рациональном потреблении цемента существуют и проблемы, в решении которых важную роль имеет строительное материаловедение. Современное состояние отечественной цементной промышленности не в состоянии наращивать темпы выпуска цемента и не сможет обеспечить уже в ближайшие годы растущие потребности в нем строительного комплекса. Ограничена номенклатура выпускаемых цементов. Не осваивается производство многих из упомянутых выше и других эффективных видов цементов, разработанных отечественными материаловедами. Решение этих проблем возможно в нескольких направлениях. Прежде всего обновлением и техническим перевооружением существующих заводов с переводом их преимущественно на «сухой» способ производства цемента. Цементноемкость национального дохода в стране в 3 раза, а капитального строительства в 2 раза выше, чем в США. В решении этой проблемы важную роль должно играть строительное материаловедение.

Обеспечение растущих потребностей цемента может реализовываться в значительной мере расширением применения известных и разработок новых видов бесклинкерных и малоклинкерных вяжущих.

Производство и применение гипсовых вяжущих в нашей стране от общего объема минеральных вяжущих составляет около 5%, в то время как в других технически развитых странах этот показатель достигает 20-27%. Отечественная гипсовая промышленность производит преимущественно строительный гипс, а в других технически развитых странах производится в значительных объемах ангидритовые и гипсоангидритовые вяжущие, позволяющие значительно расширить области применения гипсовых вяжущих. Значительные исследования и разработки эффективных повышенной водостойкости смешанных и композиционных гипсовых вяжущих - гипсоцементнопуццолановых, гипсо-шлако-цементно-пуццолановых, известково-гипсо-зольных, известково-гипсо-цементно-зольных, известково-гипсо-пуццолановых, известково-гипсо-шлаковых, известково-гипсо-цементно-зольных, низкой водопотребности - в последние 50 лет выполнены в МИСИ-МГСУ и в последнее десятилетие композиционных гипсовых, гипсоангидритовых и ангидритовых вяжущих в Казанском ГАСУ. Продвижение их к освоению промышленным производством и разработке новых и эффективных разновидностей является перспективным направлением строительного материаловедения. Перспективным направлением развития строительного материаловедения является и продвижение к освоению известных разработок шлакощелочных вяжущих и расширение исследований и разработок новых их разновидностей, что позволит в значительной мере одновременно решать задачи снижения цементоемкости строительства, ресурсо- и энергосбережения и охраны окружающей среды.

Перспективным направлением является и разработка модифицированных композиционных магнезиальных вяжущих, гидравлической извести и романцемента с повышенными показателями физико-технических свойств и освоение их производства на основе местного сырья.

Одной из особенностей вяжущих ближайших десятилетий будут, очевидно, являться их многокомпонентность за счет содержания минеральных и других добавок различного происхождения и назначения и, в первую очередь, техногенных отходов.

Бетоны

Получив название «материал XX века» бетон остается основным конструкционным строительным материалом в XXI веке, определяя на обозримое будущее технический уровень развития общества и внося существенный, если не решающий вклад в создание материальной основы современной цивилизации.

Этим определяется и значимость раздела строительного материаловедения - бетоноведения. Последние десятилетия в бетоноведении достигнуты значительные успехи. Широкое применение различных физико-химических методов исследований процессов твердения и структурообразования цемента позволило расширить представления о структуре и свойствах, связи строительно-технических свойств его между фазовым составом, структурой и составом гидратных новообразований, поровой и капиллярной структурой цементного камня и бетона, содержанием и свойствами заполнителей и добавок различного назначения.

Крупнейшим достижением бетоноведения является применение пластификаторов, а позднее суперпластификаторов и разработка теории модифицирования бетонов химическими добавками моно- и полифункционального действия. Благодаря этому определены способы целенаправленного регулирования реологических свойств бетонных смесей, кинетики твердения и физико-технических свойств бетонов в широчайших пределах. Значительные успехи достигнуты в исследованиях коррозионной стойкости и повышения долговечности бетонов в условиях воздействия агрессивных сред и температуры различного уровня, механики разрушения цементного камня и бетонов на микро- и макроструктурном уровнях.

Все это позволило создать и освоить производство сотен разновидностей бетонов различных по виду вяжущих, заполнителей, добавок, свойствам и назначению от суперглегких теплоизоляционных с объемной массой менее 100 кг/м³ до высокопрочных конструкционных с прочностью на сжатие свыше 200 МПа.

Современные достижения мирового бетоноведения выявили возможности создания и производства:

высокофункциональных самоуплотняющихся бетонов (НРС) с прочностью на сжатие в возрасте 2-х суток 30-50 МПа, в возрасте 28-х суток 60-150 МПа, морозостойкостью 600 и выше и с прогнозируемым сроком службы от 200 до 500 лет;

цементных композитов (DSP-композиты) с прочностью на сжатие в зависимости от вида специально подготовленных вяжущих, заполнителей и добавок и специальных технологических приемов от 250 до 650 МПа;

цементных композитов, свободных от микродефектов (MDF-цементы)с прочностью на изгиб до 150 МПа и на сжатие до 300 МПа;

цементных материалов с пониженным содержанием пор (PRC) с прочностью на сжатие свыше 250 МПа и на растяжение при изгибе до 35 МПа;

реактивных порошковых композитов (RPC) с прочностью на сжатие 200-800 МПа.

Разработаны бетоны на основе других вяжущих: гипсовых, известково-кремнеземистых, магнезиальных, фосфатных, серных, растворимом стекле, шлакощелочных, серных, полимерных.

Значительные успехи бетоноведения определяют соответствующие по объемам проблемы и направления дальнейшего развития его теории и практики.

Одной из важнейших проблем является практическая реализация всех достижений бетоноведения в производственной технологии бетонов.

Основными направлениями развития бетоноведения являются:

разработка и внедрение в строительство прогрессивных видов изделий и конструкций с использованием разнообразных бетонов и совместного использования бетона и других материалов, в том числе гибридных и композиционных изделий и конструкций;

развитие методов прогнозирования свойств, надежности и долговечности и проектирования многокомпонентных бетонов, в том числе методов компьютерного проектирования, с целью обеспечения их высокого качества;

разработка технологий производства конструкционно-теплоизоляционных ячеистых бетонов и бетонов на легких заполнителях со средней плотностью до 400 кг/м³ при прочности при сжатии не ниже 2,5 МПа;

развитие работ по созданию и математическому описанию ультра- и мелкодисперсной структуры цементных композиций для обеспечения высокой прочности, водо- и газонепроницаемости;

развитие исследований и математического описания напряженно-деформированного состояния и механики разрушения в макроструктуре бетона, пористой структуре цементного камня, а также на границе раздела «вяжущее-заполнитель»;

развитие исследований по созданию заданной поровой структуры цементных композиций и выявлению теоретических аспектов влияния пористости на прочность, поромеханическому изучению цементных систем на нанометрическом уровне.

Керамические материалы и изделия

Керамические изделия являются, пожалуй, первыми искусственными материалами, полученным человечеством переработкой нерудного минерального сырья. Старейший предмет из обожженной глины в виде лепной фигурки, обнаруженный в Моравии, относится к 23 тысячелетию до нашей эры. В настоящее время керамические материалы - вторые после бетонов и бетонных изделий по объемам применения в строительстве. Вместе с тем, благодаря достижениям материаловедческой науки и практики они не уступают на по численности номенклатуры и назначению и включают материалы и изделия: стеновые, теплоизоляционные, кислотоупорные, огнеупорные до 2000⁰С и выше, отделочные, санитарно-технические, кровельные, элементы перекрытий и др. При температурах выше 1000⁰С керамика прочнее любых металлов и сплавов, а сопротивление ползучести и жаропрочность их выше. Достигнутый комплекс свойств обеспечил возможность применения керамических материалов в качестве режущих инструментов для механической обработки стали, изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей, изготовления броневых панелей и контейнеров для хранения радиоактивных отходов. Получили развитие и перспективными являются исследования по созданию заданной пористости керамических материалов и разработке теоретических аспектов влияния пористости на прочность и теплофизические их свойства.

Рассмотрим ниже достижения, проблемы и направления развития строительного материаловедения в этой области по отношению к стеновой керамике.

Отечественная наука и практика по исследованиям, разработке, совершенствованию технологии производства стеновой керамики имеет вполне определенные достижения.

Для производства лицевых стеновых материалов разработаны способы объемного окрашивания массы красножгущихся глин добавками тонкомолотых карбонатных пород и пигментов, декоративной отделки изделий плазменной обработкой и электродуговым оплавлением. Установлена эффективность в совершенствовании свойств стеновых материалов и технологии их производства:

механической, химической и механо-химической активации глинистого сырья и корректирующих добавок, активации воды затворения электрохимической и магнитной обработкой;

введением поризующих и отощающих добавок - отходов углеобогащения, лигнина, битуминозных пород, лузги подсолнуха и гречихи, горючих сланцев, бисерного пенополистирола, отходов обогащения асбестовой руды, отходов производства базальтового волокна, металлургических шлаков, зол ТЭС, перлита, вермикулита, керамзита, сапропеля, отходов крупяного производства и других.

Заложены начала разработок и является перспективным направление развития компьютерного материаловедения в части оценки глинистого сырья для производства стеновых материалов и керамзита.

В определенной мере упомянутые и другие разработки строительного материаловедения привели в целом к повышению качества стеновой керамики. Расширилась номенклатура керамических стеновых материалов, освоенных промышленным производством.

Вместе с тем, следует признать, что в развитии материаловедения строительной керамики и его влияния на качество и эффективность с 60-х годов до конца прошлого столетия имело место снижение внимания в стране к развитию производства стеновой керамики. В связи с этим эта подотрасль промышленности строительных материалов в настоящее время уступает ее развитию в других технически развитых странах по номенклатуре изделий и теплотехническим показателям. В странах Запада до 70-80% производятся керамические кирпичи и камни номенклатурой, превышающей 200 разновидностей, высокопустотелые и пористопустотелые со средней плотностью до 600 кг/м³ и теплопроводностью от 0,14 Вт/м^.0С, что обеспечивает сбережение сырьевых и энергетических затрат на их производство и теплоэффективность ограждающих конструкций из них. В нашей стране производится преимущественно ресурсо- и энергозатратный полнотелый кирпич. Преодоление этого отставания является перспективным направлением отечественного строительного материаловедения.

В настоящем докладе рассмотрены отдельные достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения. Очевидно, что эти вопросы будут рассмотрены и в других докладах проходящих десятых Академических чтений по отношению и к другим строительным материалам и изделиям.

И, наконец, завершая анализ достижений, проблем и направлений развития строительного материаловедения, нельзя не отметить проблемы, которые должны решаться не столько учеными материаловедения, сколько технической и инвестиционной политикой федеральных и региональных правительств, ассоциациями предприятий промышленности АО по подотраслям и строительных холдингов:

финансирование развития промышленности строительных материалов и научных исследований в области строительного материаловедения в стране уступает от 3-х до 8-ми раз по сравнению с другими технически развитыми странами;

недостаточное развитие специализированной машиностроительной базы промышленности строительных материалов;

недостаточный уровень обеспечения лабораторий и экспериментальных баз научно-исследовательских организаций и учебных заведений современной аналитической и испытательной техникой и технологическим оборудованием.

Вместе с тем, динамика развития экономики страны, растущая инициатива предпринимательского корпуса и плодотворное творчество ученых позволяет выразить уверенность, что все проблемы, связанные с дальнейшим развитием теории и практики строительного материаловедения, будут решены и отечественные промышленность строительных материалов и строительный комплекс в целом станут в ряд передовых в мире.

Список литературы

1. Композиционные материалы: В 8-ми т. Пер. с англ. Под ред. Л.Брадтмана, Р.Крока. М.: Машиностроение, 1978.

2. Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы пятых академических чтений РААСН/Воронеж. гос. арх.-строит. акад. Воронеж, 1999.

3. Технология бетона. Учебник. Ю.М.Баженов. М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.

4. Бетоны на рубеже третьего тысячелетия: Материалы 1-ой Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона. 9-4 сентября 2001., Москва: В 3 кн. М.: Ассоциация «Железобетон», 2001.

5. Малинина Л.А. Вяжущие. В кн. Железобетон в XXI веке: Состояние и перспективы развития бетона и железобетона в России/Госстрой России: НИИЖБ. М.: Готика, 2001. 684 с. (Сер. «Structural concrete science and practice»).

6. Бетон и железобетон - пути развития. Научные труды 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону, 5-9 сентября 2005 г. Москва: В 5-ти томах. М.: Дипак, 2005 г.

7. Комохов П.Г., Грызлов В.С. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. Вологда: Изд-во Вологодского НЦ. 1992. 321 с.

8. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика 2-е изд. М.: Стройиздат, 1998. 768 с.

9. Брандштетр И. Некоторые перспективные неорганические композиционные материалы. Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, №6, 2001.

10. Денисов Г. Возможности увеличения производства вяжущих. Строительная газета. №5, 3 февраля 2006 г.

11. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы, М.: Физматлит, 2001 г.

12. Современные методы оптимизации композиционных материалов/ Вознесенский В.А., Выровой В.Н., Корш В.Я. и др.; Под ред. Вознесенского В.А. Киев, Будiвельник, 1983. 144 с.

13. Рекитар М.А. Долговременные тенденции развития производства строительных материалов и инвестиционная политика в этой области. Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, №6, 2001.

14. Рахимов Р.З. Проблемы отечественного производства строительных материалов и строительного материаловедения. Материалы пятых академических чтений РААСН, Воронеж. госуд. арх.-стр. акад. Воронеж, 1999.

Размещено на Allbest.ru