Статьи

ИННОВАЦИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ 28 июля 2015 10:02 / Просмотров: 24446 Строительные материалы

Современное строительство без современных материалов невозможно

Тысячелетиями человечество мечтало об идеальном материале – веществе масса, габариты и энергоемкость которого стремятся к нулю, а его надежность, прочность и эстетические качества не только сохраняются, но и приумножаются. Поэтому люди неразрывно связывали возможность и умение производить и перерабатывать материалы для удовлетворения существующих потребностей с развитием и успехами общественно-экономического строя. Ранние цивилизации даже определялись по названиям материалов, которые люди научились использовать – век «Каменный», век «Бронзовый» и «Железный» век.

Введение

Строительным материалом в научном сообществе называют вещество, обладающее необходимым комплексом свойств, для выполнения заданных функций строительства отдельно или в совокупности с другими веществами.

На ранних стадиях своего существования человечество использовало очень ограниченное количество материалов. Это были, конечно, материалы, имеющиеся «под рукой» – дерево, камни, глина, шкуры животных и иные, так называемые природные материалы.

В дальнейшем было обнаружено, что свойства материалов могут видоизменяться в результате термической обработки или добавления к ним различных субстанций. Это были такие новые материалы, как керамика и различные металлы. Так люди научились производить материалы, по свойствам превосходящие природные вещества.

Сравнительно недавно, ученые поняли – именно поняли, – а не выяснили, что существует соответствие между структурными элементами, составляющими материал, и им самим. Это случилось примерно 100 лет назад, и в значительной степени было обусловлено тем, что люди научились оценивать характеристики материала.

Все это привело к тому, что появились тысячи различных материалов с весьма специфическими свойствами, что позволило удовлетворять самые сложные потребности современного общества. К числу материалов, используемых в наши дни, относятся металлы, полимеры, стекла и волокна.

Современное материаловедение полностью сложилось как наука лишь во второй половине XX в., что было связано с быстрым возрастанием роли материалов в развитии техники, технологии и строительства.

Создание принципиально новых материалов, с заданными свойствами, и на их основе – сложнейших конструкций, позволило человечеству достичь за короткое время небывалых успехов в атомной и космической технике, электронике, информационных технологиях, в том числе и в строительстве.

Проследить становление отдельных или даже целых групп строительных материалов в обозначенном времени и пространстве, оценить вклад выдающихся ученых и научных школ в этот процесс – не простое дело даже для современных информационных технологий. В современном строительстве используются около 2 тыс. наименований строительных материалов – конструкционных, теплоизоляционных, гидроизоляционных, антикоррозионных, радиационно-стойких, акустических, отделочных, кровельных, декоративных и многих-многих других.

В настоящей работе предпринята попытка ознакомить читателей с некоторыми современными и инновационными строительными материалами, без которых в наши дни строительство невозможно.

1. Почему нужно изучать, а в идеале исследовать современные строительные материалы?

Многие проектировщики и практикующие строители рано или поздно вынуждены решать задачу выбора строительного материала для того или иного объекта работ. В 88 % из 100% она состоит в том, чтобы выбрать подходящий материал из многих сотен, имеющихся на строительном рынке. Существует несколько критериев, на основании которых следует сделать окончательный выбор.

Прежде всего, необходимо четко определить назначение объекта строительства, требования к его прочности, надежности и эксплуатационной долговечности, поскольку именно они определяют необходимые свойства материала. Лишь в очень редких случаях существует материал, который в максимальной степени или идеально отвечает предъявляемым требованиям. Поэтому зачастую приходится пренебрегать одними характеристиками материала, отдавая предпочтение другим, более важными.

Классический пример – это требования к прочности и пластичности. Обычно материал, обладающий очень высокой прочностью, оказывается недостаточно пластичным. Во всех таких случаях необходимо приходить к разумному компромиссу между двумя или большим количеством необходимых свойств.

Далее, необходимо основывать выбор на том, насколько могут ухудшаться свойства материала в процессе эксплуатации объекта. Например, весьма заметное снижение прочности может быть результатом действия колебаний температуры, развития коррозии в окружающей среде или связано с динамическими нагрузками.

И, наконец, решающий аргумент может быть связан с экономическими соображениями. Какова будет стоимость конечного изделия, конструкции и объекта в целом?

Зачастую можно найти материал, который идеально подходил бы по своим свойствам ко всем предъявляемым требованиям, но был бы чрезмерно дорог. Здесь, опять-таки, неизбежен определенный компромисс. Следует учесть, что в стоимость конечного продукта входят не только цена материала, но и затраты в процессе формообразования готового изделия.

Чем лучше проектировщик, заказчик и инженер-строитель будут знакомы с различными характеристиками материала и соотношением между его структурой и свойствами, равно как и с технологией получения изделий, тем более разумным и удачным будет выбор материала, основанный на перечисленных критериях.

2. Кратко об основах классификации строительных материалов

Основатель школы современного научного строительного материаловедения академик В.И.Саломатов с «допустимой вольностью» в общем массиве строительных материалов выделяет три группы:

металлические сплавы на основе железа, алюминия, меди, титана и других металлов;
природные минеральные (горные породы, минералы, элементарные вещества, например, сера) и органические, в основном древесные материалы и другие растительного происхождения, а также и такие, как, например, асфальты;
искусственные – как основную группу материалов (строительные композиты) на минеральных, органических, металлических и композиционных вяжущих (бетоны, растворы, мастики, клеи, герметики, шпатлевки и подобные материалы).

Композиционная природа характерна и для материалов первых двух групп (так, древесина – природный композит, ее 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 приобретенной ранее композитной структуры.

Еще одним типом материалов являются современные специальные (advanced) материалы, предназначенные для применения в высокотехнологичных (high-tech) областях, таких как полупроводники, материалы биологического назначения, «умные» (smart) материалы и вещества, используемые в нанотехнологиях. Но их современное применение в строительстве минимально, хотя очень и очень перспективно.

Ниже будет дано краткое описание различных типов материалов и приведены их сравнительные характеристики.

3. Металлы

Материалы, принадлежащие к этой группе, включают в себя один или несколько металлов (таких как железо, алюминий, медь, титан, золото, никель), а также часто те или иные неметаллические элементы (например, углерод, азот или кислород) в сравнительно небольших количествах.

Атомы в металлах и сплавах располагаются в весьма совершенном порядке. Кроме того, по сравнению с керамикой и полимерными материалами плотность металлов сравнительно высока.

Что касается механических свойств, то все эти материалы относительно жесткие и прочные. Кроме того, они обладают определенной пластичностью (т.е. способностью к значительным деформациям без разрушения), и сопротивляемостью разрушению, что обеспечило им широкое применение в разнообразных конструкциях.

В металлических материалах имеется множество делокализованных электронов, т. е. частиц, не связанных с определенными атомами. Именно присутствием таких электронов непосредственно объясняются многие свойства металлов. Например, металлы представляют собой исключительно хорошие проводники для электрического тока и тепла. Они непроницаемы для видимого света. Полированные поверхности металлов блестят. Кроме того, некоторые металлы (например, железо, кобальт и никель) обладают желательными для их применения магнитными свойствами.

4. Керамика

Керамика – это группа материалов, занимающих промежуточное положение между металлами и неметаллическими элементами.

Как общее правило, к классу керамики относятся оксиды, нитриды и карбиды. Так, например, некоторые из наиболее популярных видов керамики состоят из оксида алюминия (Al₂O₃), диоксида кремния (SiO₂), нитрида кремния (Si₃N₄). Кроме того, к числу тех веществ, которые многие называют традиционными керамическими материалами, относятся различные глины (в частности те, которые идут на изготовление фарфора), а также стекло.

Что касается механических свойств, то керамика – это относительно жесткие и прочные материалы, сопоставимые по этим характеристикам с металлами. При температурах выше 1000⁰С керамика оказывается прочнее любых металлов и сплавов, а сопротивление ползучести и ее жаропрочность – выше.

Достигнутый комплекс свойств обеспечил возможность применения керамических материалов в качестве режущих инструментов для механической обработки стали, изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей, получения броневых панелей и контейнеров для хранения радиоактивных отходов.

Однако керамика исключительно хрупкий материал (у него практически полностью отсутствует пластичность) и плохо сопротивляется разрушению. Все типичные виды керамики не проводят тепло и электрический ток (т.е. имеют очень низкую электропроводность).

Для керамики характерно более высокое сопротивление высоким температурам и вредным воздействиям окружающей среды. Что касается их оптических свойств, то керамика может быть прозрачным, полупрозрачным или совсем непрозрачным материалом, а некоторые оксиды, например, железа (Fe₂O₃) обладают магнитными свойствами.

Отечественная наука и практика в сфере исследований, разработки, совершенствования технологии производства стеновой керамики имеют вполне определенные достижения.

Для производства лицевых стеновых материалов разработаны способы объемного окрашивания формовочной 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 др.

Заложены начала разработок считающегося перспективным направления развития компьютерного материаловедения в части оценки свойств глинистого сырья для производства стеновых материалов и керамзита.

Вместе с тем, следует признать, что в нашей стране в развитии материаловедения строительной керамики и его влияния на качество изделий и эффективность их применения с 1960-х гг. до конца прошлого столетия имело место снижение внимания к развитию производства стеновой керамики.

В странах Запада до 70–80% керамических кирпичей и камней производятся номенклатурой, превышающей 200 наименований, 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 возведенных из них ограждающих конструкций.

В нашей стране производится преимущественно ресурсо- и энергозатратный полнотелый кирпич. Преодоление этого отставания является перспективным направлением отечественного строительного материаловедения.

5. Строительные композиты

Строительные композиты представляют собой комбинацию из двух (или большего числа) отдельных материалов, относящихся к различным классам веществ, перечисленным выше, т.е. металлам, керамике и полимерам.

Целью создания композитов было стремление достичь такого сочетания свойств различных материалов, которые не могут быть получены в индивидуальных компонентах, а также обеспечить оптимальное сочетание их характеристик.

Прогресс в создании и технологии композиционных строительных материалов (КСМ) поразителен и, по-видимому, еще не полностью осознается представителями строительной науки и практики.

Известно большое количество различных композитов, которые получены при совмещении металлов, керамики и полимеров. Более того, некоторые природные материалы также представляют собой композиты, например, это дерево и кость.

Однако большинство композитов получают из синтетических материалов.

Одним из наиболее популярных и знакомых всем композиционных материалов является стеклопластик.

Этот материал представляет собой короткие стеклянные волокна, помещенные в полимерную матрицу, обычно в эпоксидную или полиэфирную смолу. Стеклянные волокна обладают высокой прочностью и жесткостью, но они хрупкие. В то же время полимерная матрица пластична, но у нее низкая прочность. Комбинирование указанных веществ приводит к получению относительно жесткого и высокопрочного материала, который, тем не менее, обладает достаточной пластичностью и гибкостью.

Другим примером технологически широко применяемого композита являются углепластики – полимеры, армированные углеродными волокнами (CFRP).

В этих материалах в полимерную матрицу помещают углеродные волокна. Материалы этого типа более жесткие и более прочные по сравнению со стеклопластиками, но, в то же время, более дорогие.

6. Ренессанс бетона

Начало XXIстолетия 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.

6.1. 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 20-летие 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 более чем до 50%.

6.2. 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, позволяющих свести к минимуму противоречие между удобоукладываемостью смеси и прочностью бетона. Сочетание СП с различными химическими добавками дает возможность направленной модификации и управления технологией бетонов.

В 1950-е гг. возникло и триумфально развивалось новое направление – полимерцементные и полимерные бетоны, хотя успешные попытки введения в бетоны натурального и дивинилстирольного каучуков были сделаны еще в 30-е гг. XX в. 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.

XX в. 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.

7. Нанотехнологические материалы

Вплоть до самого недавнего времени общепринятая процедура работ в области химии и физики материалов состояла в том, что вначале изучались весьма крупные и сложные структуры, а затем исследования переходили в область анализа более мелких фундаментальных блоков, составляющих эти структуры. Этот подход иногда назывался «сверху – вниз».

Однако с развитием техники сканирующей микроскопии, которая позволила наблюдать отдельные атомы и молекулы, оказалось возможным манипулировать этими частицами с тем, чтобы создавать новые структуры, и тем самым получать новые материалы, которые строятся на основе элементов атомного размерного уровня (так называемый «дизайн материалов»).

Эта возможность аккуратно «собирать» атомы открыла перспективы создания материалов с механическими, электрическими, магнитными и другими свойствами, которые были бы недостижимы при использовании иных методов. Мы назовем этот подход «снизу – вверх», а изучением свойств таких новых материалов занимается нанотехнология, где приставка «нано» означает, что размеры структурных элементов составляют величины порядка нанометра (т.е. 10^–9 м). Как правило, речь идет о структурных элементах с размерами меньше 100 нм, что эквивалентно примерно 500 диаметрам атома,

Одним из примеров материала рассматриваемого типа являются углеродные нанотрубки. Уже сегодня можно найти все больше и больше областей, в их числе и строительство, в которых проявляются достоинства нанотехнологичных материалов. К сожалению, пока их применение – дорогое удовольствие.

8. Биоматериалы

Биоматериалы используют для создания имплантатов для тела человека, которые призваны заменить больные или разрушенные органы или ткани. Материалы этого типа не выделяют токсичных веществ и совместимыми с тканями человека (т.е. не вызывают реакции отторжения). Все перечисленные типы веществ – металлы, керамика, полимеры и полупроводники могут быть использованы в качестве биоматериалов.

В качестве примера можно привести некоторые биоматериалы, которые применяют для изготовления искусственных тазобедренных суставов.

9. Материалы будущего

«Умными» (или интеллектуальными) материалами называют группу новых искусственно разрабатываемых веществ, которые оказывают существенное влияние на многие современные технологии. Определение «умные» означает, что эти материалы способны чувствовать изменения в окружающей среде и «отзываться» на эти изменения заранее определенным образом – качество, присущее живым организмам. Концепция «умных» материалов также была распространена на сложные системы, построенные как из «умных», так и традиционных веществ.

В качестве компонентов умных материалов (или систем) могут применяться некоторые типы датчиков (распознающих входящие сигналы), а также исполнительные системы (активаторы), играющие роль отвечающих и адаптивных устройств. Последние могут использоваться для изменения формы, положения, собственных частот или механических характеристик, и, таким образом, реагировать на изменение температуры, интенсивности освещенности, напряженности электрического или магнитного полей.

В качестве активаторов обычно применяют материалы 4-х типов: сплавы с «памятью» к изменению формы, пьезоэлектрические виды керамики, магнитострикционные материалы и электрореологические/электромагнитные жидкости.

Сплавы с «памятью» – это металлы, которые после деформирования возвращаются в исходную форму, если изменилась температура.
Пьезоэлектрические виды керамики расширяются и сжимаются в ответ на изменение электрического поля (или напряжения); если же их размеры изменяются, то это приводит к возбуждению электрического сигнала. Поведение магнитострикционных материалов аналогично реакции пьезоэлектриков, но только как реакция на изменение магнитного поля. Что касается электро- и магнитореологических жидкостей, то это такие среды, которые претерпевают огромные изменения вязкости в ответ на преобразованиеэлектрического или магнитного поля, соответственно.

Материалы/устройства, используемые в качестве датчиков, могут быть оптическими волокнами, пьезоэлектриками (к их числу относятся некоторые полимеры) и микроэлектромеханическими устройствами – в аббревиатуре MEMS.

В качестве примера «умных» устройств можно привести систему, используемую в вертолетах для того, чтобы снизить шум в кабине, создаваемый при вращении лопастей винта. Пьезоэлектрические датчики, встроенные в лопасти, отслеживают напряжения и деформации; сигнал от этих датчиков передается к исполнительному механизму, который с помощью компьютера генерирует «антишум», гасящий звук от работы винтов вертолета.

10. Прогрессивные материалы

Материалы, которые предназначены для использования в высокотехнологичных изделиях («хай-тек»), иногда условно определяют термином «прогрессивные» материалы.

Прогрессивные материалы, по существу, представляют собой обычно типичные обсуждавшиеся выше вещества, но с улучшенными показателями свойств, а также и новые материалы, обладающие выдающимися характеристиками. Эти материалы могут быть металлами, керамикой или полимерами, однако их стоимость обычно очень высока.

К числу прогрессивных материалов также относятся полупроводники, биоматериалы и вещества, которые мы называем «материалами будущего». Это так называемые «умные» материалы и изделия нанотехнологии, которые предназначены, например, для изготовления лазеров, интегральных схем, магнитных хранителей информации, дисплеев.

О необходимости создания новых материалов

Несмотря на то, что за последние несколько лет был достигнут огромный прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, все же остается необходимость в создании еще более совершенных и специализированных материалов, а также в оценке взаимосвязей между производством таких материалов и его влиянием на окружающую среду.

По этому вопросу необходимо дать некоторые комментарии, чтобы обрисовать возможные перспективы в данной области.

Многие используемые нами материалы получают из невосполнимых ресурсов, т.е. источников, которые не могут быть регенерированы. Это относится, например, к полимерам, первичным сырьем для которых является нефть, и к некоторым металлам. Эти невосполнимые ресурсы постепенно исчерпываются.

Отсюда возникает необходимость:

обнаружения новых источников этих ресурсов;
создания новых материалов со свойствами, аналогичными существующим, но менее наносящих ущерб окружающей среде;
усиления роли процессов рециклинга и, в частности, разработки новых технологий, позволяющих осуществлять рециклы.

Существует общепризнанная необходимость в новых экономически обоснованных источниках энергии, а также в более эффективном использовании существующих источников. Несомненно, что материалы с нужными характеристиками играют огромную роль в развитии этого направления.

Так, например, была продемонстрирована возможность прямого преобразования солнечной энергии в электрический ток. В настоящее время солнечные батареи представляют собой довольно сложные и дорогостоящие устройства. Несомненно, что должны быть созданы новые относительно дешевые технологические материалы, которые должны быть более эффективными в использовании солнечной энергии.

Для поддержания качества окружающей среды на требуемом уровне нам необходимо осуществлять контроль состава воздуха и воды. Для контроля загрязнений используют различные материалы. Кроме того, необходимо усовершенствовать методы переработки и очистки материалов с тем, чтобы снизить загрязнение окружающей среды, т.е. стоит задача создавать меньше отходов и меньше вредить окружающей нас природе при добыче полезных ископаемых.

Следует также учесть, что при производстве некоторых материалов образуются токсичные вещества, поэтому следует учесть возможный ущерб экологической ситуации от сброса таких отходов.

Как следствие всего этого возникает необходимость экономической оценки не только производства, но и учета экологических факторов, так что оказывается необходимым проанализировать весь жизненный цикл материала – «от колыбели до могилы», и производственный процесс в целом.

XXI век может и должен стать эпохой расцвета строительства и следовательно, инновационных строительных материалов и технологий.