СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В. Г. Микульский І Г. И. Горчаков В. В. Козлов В. Н. Куприянов Л. П. Орентлихер Р. З. Рахимов

Г. П. Сахаров В. М. Хрулев

В цикле общепрофессиональных дисциплин государствен­ного образовательного стандарта, по направлению подготовки дипломированных специалистов 653500 «Строительство», дисциплина «Материаловедение. Технология конструкцион­ных материалов» занимает особое место в профессиональной подготовке специалистов строительного профиля, имея в виду решающее влияние строительных материалов на технико­экономическую эффективность и безопасность строительства и эксплуатацию зданий и сооружений. Собственный вес и стои­мость строительных материалов в конструкциях составляет более 50 процентов.

Особенно актуальной оказывается роль строительных ма­териалов в связи с принятием в 2003 г. Закона «О техническом регулировании», поставившего на первое место во всех видах производственно-эксплуатационной деятельности обеспечение безопасности жизни и здоровья людей, охраны окружающей среды и имущества всех видов собственности, что находит от­ражение в разрабатываемых в соответствии с этим законом Технических регламентах, в виде обязательных требований к продукции, процессам производства, работам и услугам, пра­вилам эксплуатации, перевозки и хранения.

Все остальные нормативные документы, разрабатываемые в соответствии с указанным законом, - национальные и межго­сударственные стандарты, стандарты предприятий и общест­венных организаций, региональные нормы, имеют рекоменда­тельный и добровольный к применению характер, за исключе­нием случаев, когда они касаются вопросов безопасности, а также включены в договоры заказчика.

Применительно к строительным материалам концепция безопасности означает обеспечение служебных функциональ­ных свойств, экологической чистоты, пожаробезопасности и безвредности материалов в течение всего их жизненного цик­ла. Сам по себе материал не является исполнителем роли, при­надлежащей конечной строительной продукции, сделанной из этого материала (ограждающие и несущие конструкции, по­крытия и др.), как не выполняют этой роли приготовленная бе­тонная смесь, изготовленный цемент или кирпич. Упор поэто­му следует делать не исключительно на сам материал, а скорее на области его применения и выявление некоторой зоны, в ко­торой происходит взаимоналожение свойств материала и ко­нечной продукции. Это подчеркивает главенствующую роль конечной строительной продукции, ее функционального на­значения и условий эксплуатации при изучении, выборе и раз­работке материалов для ее изготовления, обеспечивающая го­меостат материалов и продукции в течение срока их службы.

В учебном плане подготовки специалистов строительного профиля дисциплина «Материаловедение. Технология конст­рукционных материалов» является первой инженерной дисци­плиной, создающей необходимую базу для изучения специаль­ных дисциплин — строительных конструкций, технологии строительного производства, экономики, управления и органи­зации строительства, городского хозяйства и строительства, архитектуры и др.

Поэтому роль и значение материалов рассматриваются в неразрывной связи с их работой и поведением в изделиях и конструкциях зданий и сооружений за длительный период экс­плуатации в реальных условиях.

Текст учебника составлен из трех разделов: I — Строи­тельное материаловедение, II — Технология строительных ма­териалов и изделий, III — Строительные материалы в конст­рукциях зданий и сооружений.

Строительные материалы в учебнике классифицированы по роду сырья, общности технологического процесса их изго­товления, функциональному назначению и областям примене­ния, т. е. по принципу того, что в той или иной степени объеди­няет строительные материалы.

По тексту дается информация о зарубежном опыте. Ввиду небольшого объема учебника после каждой главы рекоменду­ется дополнительная техническая литература для углубленного изучения отдельных положений. Поставлены основные вопро­сы для самоконтроля и осмысления проработанного материала.

В учебнике акцент делается не на те или иные направле­ния, выдвигаемые конъюнктурными соображениями, а на те, которые способствуют рентабельности и прогрессу строитель­ной техники.

С учетом развития частного предпринимательства, созда­ния малых предприятий в учебнике представлены местные строительные материалы, которые могут быть эффективно применены при малоэтажном строительстве жилья, городских и сельских предприятий, фермерских хозяйств.

Рассматриваются некоторые экологические аспекты произ­водства и применения строительных материалов.

Учебник создан коллективом профессоров: В. В. Козловым, Л. П. Орентлихер, Г. П. Сахаровым (МГСУ), Р. З. Рахимовым (КГАСА), В. М. Хрулевым (НГАСУ).

Авторы выражают большую благодарность и признатель­ность безвременно ушедшим из жизни профессорам Г. И. Гор­чакову и В. Г. Микульскому, внесшим большой вклад в созда­ние учебника, а также члену правления объединенной между­народной группы «Кнауф» д-ру Хайнеру Гамму за помощь в издании настоящего учебника.

Авторы признательны и благодарны чл.-корр. РАН д. т.н., проф. Б. В. Гусеву и проф. В. Е. Байеру (МАРХИ) за полезные замечания по содержанию учебника.

Строительные материалы и изделия составляют материальную основу строительства. Ни одно здание и сооружение нельзя пра­вильно спроектировать, построить и эксплуатировать без наличия соответствующих материалов и всестороннего знания их свойств и безопасности. В этом заключается конструктивная и жизнеобеспечи­вающая роль строительных материалов.

Промышленность строительных материалов является ресурсо­энергоемкой отраслью. Ежегодно в стране перерабатывается более миллиарда тонн различных веществ. Грузовой железнодорожный транспорт примерно на четверть загружен перевозкой строительных материалов, речной - более чем наполовину. Стоимость строитель­ных материалов зависит от затрат на их перевозку. При транспорти­ровании материалов на большие расстояния, учитывая размеры Рос­сии, стоимость может возрасти в несколько раз. Для снижения стои­мости строительства следует использовать материалы, производи­мые вблизи строящегося объекта. Целесообразно и промышленность строительных материалов организовывать как можно ближе к сырь­евой базе. Тем самым максимально используются местные строи­тельные материалы. Стоимость строительных материалов определя­ется различными факторами, главными из которых являются рента­бельность и конкурентоспособность. К ним относятся качество и долговечность изделий, теплоэнергетические затраты на производ­ство, возможность утилизации отходов, экологические аспекты, ко­торые в конечном итоге сказываются на экономике производства, региона, страны в целом. Пренебрежение этими факторами может со временем обернуться значительными расходами на ремонты, рекон­струкцию, восстановление окружающей среды и т. п.

Решение назревших проблем оптимизации всех аспектов жиз­ненного цикла строительных материалов и изделий находит отраже­ние в «Технических регламентах», национальных стандартах и стан­дартах организаций, разрабатываемых, как указывалось выше, в со­ответствии с Законом «О техническом регулировании».

Концептуально закрепляя в этих документах требование обеспе­чения безопасности жизни и здоровья людей, окружающей среды и имущества при любых видах производственно-строительной дея­тельности, закон предоставляет большую самостоятельность произ­водителям строительной продукции в выборе и разработке материа­лов и изделий, технологических и технических решений, лишь бы они не нарушали требований безопасности. С этих позиций все нор-

6

мативные документы, кроме «Технических регламентов», носят ре­комендательный, добровольный характер.

Россия активно идет по пути интеграции с европейской эконо­микой. Предстоит пересмотр и разработка новых стандартов на базе международных стандартов, в первую очередь стандартов Европей­ского комитета по стандартизации (CEN) и Международной органи­зации по стандартизации (ISO). По этому поводу имеется официаль­ное соглашение между CEN и «Ростехрегулированием».

Показательна эволюция развития производства строительных материалов в России.

Уже в глубокой древности наши предки умели изготавливать глиняный кирпич, воздушную и гидравлическую известь, широко использовали древесину и природный камень.

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

В последующие годы это производство развивалось медленными темпами, и только при Петре I в связи с закладкой новых городов и крепостей производство строительных материалов резко увеличи­лось.

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

В начале XX в. 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 3 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 сократилось, многие цементные заводы и другие предприятия были разрушены.

С середины 20-х годов развернулась реконструкция старых и постройка новых заводов строительных материалов. В 30-е 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, повсеместно строятся промыш­ленные предприятия, ведется строительство жилых и общественных зданий.

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

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

Большинство предприятий строительной индустрии пока еще не может конкурировать на мировом рынке с зарубежными фирмами в силу изношенности оборудования, устаревшей технологии, низкой культуры производства и качества продукции. Многие современные технологии, оборудование и материалы приходится закупать за гра­ницей. Лучшие здания стали возводить с помощью зарубежных фирм вплоть до привлечения иностранных рабочих. Отечественные архитекторы, выигрывая престижные международные конкурсы, приглашаются в другие страны, так как у нас нет возможности реа­лизовать их проекты. Строительный комплекс требует значительной модернизации и вовлечения в общемировую интеграцию.

Тем не менее за прошедшие десятилетия построены новые горо­да, возведены уникальные объекты, такие как гидротехнические со­оружения, промышленные предприятия, атомные электростанции, научные, учебные и общественно-культурные центры. В последние годы строительный комплекс в целом не теряет своих темпов разви­тия. 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.

Ниже кратко изложены сведения о достижениях российских ученых, заложивших научные основы в ведущих отраслях произвол -

ства строительных материалов и получивших международное при­знание.

Природные каменные материалы. Целенаправленная разведка каменных материалов и испытание их началось в России с 70-х го­дов XIX века в связи со строительством железных дорог и мостов. Исследования свойств матерйалов велись под руководством Н. А Бе- лелюбского (1845-1922) в Петербургском институте путей сообще­ния и Н. К. Лахтина (1861-1935) в Москве.

Благодаря исследованиям Д. С. Белянкина (1876-1953), В. А. Об­ручева (1863-1956), А. Е. Ферсмана (1883-1945), Ф. Ю. Левинсон - Лессинга (1861-1939) удалось выявить огромные запасы природных каменных материалов во многих районах страны для удовлетворения нужд строительства и полностью прекратить ввоз гранитов и мрамо­ра из-за границы.

Вяжущие - материалы. Основоположником теории и практики промышленного производства портландцемента в России является профессор Военно-инженерной академии А. Р. Шуляченко (1841— 1903), которого называют «отцом русского цементного производст­ва». Вначале в России применялись иностранные цементы, но благо­даря научным и практическим изысканиям А. Р. Шуляченко, отече­ственные цементы, достигшие высокого качества, вытеснили ино­странные цементы. Разработанная им теория твердения гидравличе­ской извести и цементов не потеряла актуальности в своей основе и до настоящего времени. Дальнейшее развитие этой теории принад­лежит А. А. Байкову (1870-1946), В. А. Кинду (1883-1938), В. Н. Юн­гу (1882-1956), П. А. Ребиндеру (1898-1972). Новым видам вяжущих материалов и изделиям из них посвящены работы П. П. Будникова (1885-1968), А. В. Волженского (1899-1993), П. И. Боженова (1904— 1999).

Бетоны. Выдающийся научный вклад в технологию бетона внес профессор Военно-инженерной академии И. Г. Малюга (1853-1933). Результаты его исследований дали возможность получить зависи­мость прочности бетона от содержания воды, уплотнения бетонной смеси при укладке, крупности песка, щебня и гравия.

Обширные исследования бетонов были проведены Н. М. Беляе­вым (1890-1944), И. П. Александровым (1888-1953). С 30-х годов XX века предложены новые способы расчета тяжелых бетонов Б. Г. Скрамтаевым (1905-1966) и легких бетонов Н. А. Поповым (1899-1964).

Железобетоны. Большая заслуга в развитии железобетона при­надлежит Н. А. Белелюбскому, под руководством которого были проведены первые в России испытания железобетонных конструк­ций и возведен ряд сооружений. В начале XX столетия железобетон­ные конструкции проектировали и строили С. И. Дружинин (1872- 1935), А. Ф. Лолейт (1868-1933) и др.

Современную школу расчета и проектирования железобетонных конструкций создали А. А. Гвоздев (1897-1986), П. Л. Пастернак (1885-1963), В. И. Мурашев (1904-1959), Н. В. Никитин (1907-1973) (автор Останкинской телевизионной башни в Москве) и др.

Металлы. Возникновение науки о металлах было обусловлено потребностями техники. П. П. Аносов (1799-1851) разработал техно­логию выплавки высококачественной стали, установил зависимость свойств металлов от их кристаллического строения. Впервые приме­нив микроскоп для изучения строения стали, Д. К. Чернов (1839-1921) научно объяснил изменения структуры металлов при их нагреве и охлаждении, указал способы управления этими процессами.

Н. С. Курнаков (1860-1941) и А. А. Байков разработали современную теорию образования сплавов и методы их физико-химических ис­следований.

Создателями металлических конструкций и сооружений являют­ся В. Г. Шухов (1853-1939), Н. С. Стрелецкий (1885-1967), Л. Д. Про­скуряков (1858-1926).

Пластмассы. Промышленность полимерных материалов опирается на исследования русских ученых-химиков. Огромное значение для развития синтеза полимеров сыграли исследования А. М. Бутлерова (1828-1886) — создателя теории строения органиче­ских веществ. Им осуществлен синтез изобутилена для производства полиизобутилена, применяемого в качестве каучуков, а также от­крыты основные полимерные формы формальдегида, являющегося основой многих пластмасс. Важное значение имели исследования М. Г. Кучерова (1850-1911) и А. Е. Фаворского (1860-1945), выяс­нивших механизм изомерных превращений непредельных соедине­ний, В. В. Солонина (1862-1934), впервые осуществившего реакцию сополимеризации, и С. В. Лебедева (1874—1934), внесшего большой вклад в теорию и практику полимеризации этиленовых соединений, пользующихся большим распространением в промышленности пла­стмасс.

Большой вклад в подготовку квалифицированных специалистов для индустриального производства строительных материалов и из­делий внесли отечественные ученые В. В. Эвальд, В. А. Кинд, Б. Г. Скрамтаев, Н. А. Попов, В. А. Воробьев, И. Я. Слободяник, А. Е. Шейкин, М. И. Хигерович, А. Г. Комар, Г. И. Горчаков,

Ю. М. Баженов, Д. П. Айрапетов, И. А. Рыбьев и др., создавшие учеб­ники по строительным материалам, широко использующиеся в учеб­ном процессе во всех строительных вузах бывшего СССР и нынеш­ней России.

Эти учебники написаны преподавателями кафедр строительных материалов, роль которых в становлении инженерного и научного потенциала России в области строительства чрезвычайно велика. Первая кафедра строительных материалов была образована в Санкт - Петербурге в 1900 г. в Институте гражданских инженеров императо­ра Николая I на базе механической лаборатории и испытательного центра. Основателем ее был Виктор Владимирович Эвальд (1860— 1935), он же является и автором первого учебника по строительным материалам.

***

Периодически задаются вопросы о будущем строительных мате­риалов. Бурное развитие науки и техники затрудняет прогнозирова­ние: еще четыре десятилетия назад не было широкого применения полимерных строительных материалов, а о современных «истин­ных» композитах было известно только узкому кругу специалистов. Тем не менее можно предположить, что основными строительными материалами также будут металл, бетон и железобетон, керамика, стекло, древесина, полимеры. Строительные материалы будут созда­ваться на той же сырьевой основе, с применением современных ин­формационных технологий, новых рецептур компонентов и техноло­гических приемов, реализующих конструктивные процессы на нано­уровне, что придаст материалам более высокое функциональное ка­чество, долговечность и надежность. Будет максимальное использо­вание отходов различных производств, отработавших изделий, мест­ного и домашнего мусора. Строительные материалы будут выби­раться по экологическим критериям, а их производство будет осно­вываться на безотходных технологиях.

Уже сейчас имеется обилие фирменных названий отделочных, изоляционных и других материалов, которые в принципе отличают­ся только составом и технологией. Этот поток новых материалов бу­дет увеличиваться, а их эксплуатационные свойства — совершенст­воваться с учетом суровых климатических условий и энергетических ресурсов России.