Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Институт компьютерных наук и технологий Высшая школа Киберфизических систем и управления РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА Эволюция строительных материалов по дисциплине «Технологии современных материалов» Выполнил студент гр.13539/1 Е.О. Алчинова Руководитель доцент, к.т.н. Т.А. Итс «__»_______2016г. Санкт-Петербург 2016 СОДЕРЖАНИЕ Введение ........................................................................................................................ 4 1. Материаловедение.................................................................................................... 5 1.1 Общие сведения ........................................................................................... 5 1.2 История развития материаловедения ......................................................... 8 1.2.1 Первые познания о материалах .................................................... 8 1.2.2 Зарождение материаловедения как науки ................................. 11 1.2.3 Крупнейшие достижения в теории и практике материаловедения ........................................................................ 15 2. Строительные материалы ...................................................................................... 18 2.1 Классификация ........................................................................................... 18 2.2 Свойства ...................................................................................................... 21 2.3 Эволюция строительных материалов ...................................................... 24 2.4 Перспективы развития ............................................................................... 28 Заключение ................................................................................................................. 32 Список использованных источников ....................................................................... 34 Приложение 1. Сравнительная таблица строительных материалов ..................... 35 Приложение 2. График эволюции строительных материалов............................... 36 2 Введение Материаловедение существует с древнейших времен, когда люди использовали только природные материалы во всем в своей жизни и даже не задумывались о создании новых, более качественных. Однако человечество развивается, вместе с ним развивается и наука, и техника. Прогресс касается абсолютно всех сфер жизни человека: дома, работы, быта. Различные отрасли индустрии, строительство для своего роста постоянно требуют создания новых машин, изделий, которые были бы быстрее, мощнее своих предшественников, создания более долговечных материалов. Поиском новых материалов, изучением их свойств, строения как раз и занимается материаловедение. Я хотела бы рассмотреть, как эволюционировали материалы, используемые человеком в строительстве. Я считаю, что эта тема актуальна, так как производство строительных материалов в современных условиях является одной из самых развивающихся отраслей экономики. Бум жилищного строительства, а также активное возведение офисных и складских помещений вызывают высокий спрос на новые материалы. В результате производство строительных материалов неуклонно растет. А появление новых материалов всегда основано на глубоком изучении истории их возникновения и развития. В своей курсовой работе я прослежу процесс развития материаловедения, процесс эволюции строительных материалов, рассмотрю свойства различных материалов и сравню их между собой. В результате своего исследования я постараюсь убедиться, что развитие происходит экспоненциально, и попробую предсказать, что ждет человечество в будущем в сфере строительства. 3 1. Материаловедение 1.1 Общие сведения Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и поведение материалов в зависимости от воздействия окружающей среды. Воздействие бывает тепловым, электрическим, магнитным и т. д. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоемких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и нано- размеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука – материаловедение. Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы. Металлические материалы подразделяются на группы в соответствии с тем компонентом, который лежит в их основе. Материалы черной металлургии: сталь, чугуны, ферросплавы, сплавы, в которых основной компонент – железо. Материалы цветной металлургии: алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово. Металлы и металлические сплавы составляют основу современной техники. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов. Для того чтобы повысить качество и надежность изделий, требуются новые материалы. Для решения этих проблем применяются композиционные, полимерные, порошковые материалы. 4 Неметаллические материалы: резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы. Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материала (например, стеклопластики). Существует классификация материалов в зависимости от вида полуфабрикатов: листы, порошки, гранулы, волокна, профили и т. д. [1] Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учеными- материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Методы, используемые материаловедением: металлографический анализ, электронная микроскопия, зондовая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, механические свойства, калориметрия, ядерный магнитный резонанс, термография и т.д. Направления исследований материаловедения: 1. Нанотехнология – создание и изучение материалов и конструкций размерами порядка нескольких нанометров. 2. Кристаллография – изучение физики кристаллов, включает: дефекты кристаллов – изучение нарушений структуры кристаллов, включения посторонних частиц и их влияние на свойства основного материала кристалла; технологии дифракции, такие как рентгеноструктурный анализ, используемые для изучения фазового состояния вещества. 3. Металлургия (металловедение) – изучение свойств различных металлов. 5 4. Керамика, включает: создание и изучение материалов для электроники, например, полупроводники; структурная керамика, занимающаяся композитными материалами, напряжѐнными веществами и их трансформациями. 5. Биоматериалы – исследование материалов, которые можно использовать в качестве имплантатов в человеческое тело. [2] 6 1.2 История развития материаловедения Наука о материалах имеет глубочайшую историю развития. 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. В свою очередь, развитие производства являлось следствием возрастающих потребностей в материалах у общества. 1.2.1 Первые познания о материалах 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. На следующем этапе развития человек стал использовать металлы. 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 3-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 7 обработки, стали, но все же известно, что в 9 и 8 вв. до н.э. жители Луристана 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 их возможного изменения. 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 гг. до н.э.) и Эпикура (341 – 270 гг. до н.э.). Их учения 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 – неплавкость, 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. Римский философ Тит Лукреций Кар (99 – 55 гг. до н.э.) в дидактической поэме «О природе вещей» излагал свои суждения о природе свойств материалов: «...что, наконец, представляется нам затверделым и плотным, то состоять из начал крючковатых должно непременно, сцепленных между собой наподобие веток сплетенных. В этом разряде вещей, занимая в нем первое место, будут алмазы стоять, что ударов совсем не боятся, далее – твердый камень и железа могучего крепость, так же как стойкая медь, что звенит при ударах в засовы...» 8 Для древнего периода науки весьма характерна нерасчлененность ее по отдельным видам материалов. В значительной мере в ней прослеживается общая взаимосвязь между качеством материалов и их атомистическим составом, хотя, естественно, до подлинных научных химических знаний о составе и свойствах было еще весьма далеко. Теория строилась в основном на догадках, интуициях. К первому этапу относится и средневековье. 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 гг.) о том, что природа представляет собой непрерывную совокупность материальных частиц, что движение материального мира вечно и сводится к перемещению мельчайших частиц – атомов. Перемещение атомов или, как их тогда называли, корпускул, составляло основу корпускулярной теории строения вещества, что было значительным достижением в области познания составов, внутренних взаимодействий и свойств веществ. Исследования, связанные с изучением внутреннего строения материалов, развивались медленнее, хотя у философов античного периода, как отмечалось выше, были и теории, и некоторые опытные данные. Среди наиболее выдающихся работ следует назвать публикацию Реомюра (1683 – 1757 гг.) о структуре железа и ее изменениях. Опыты завершились получением нового материала – ковкого чугуна. В первых книгах по материаловедению Бирингуччо (1480 – 1539 гг.) и Агриколы (1494 – 1555 гг.) суммировались эмпирические сведения о сущности операций, выполняемых в литейном и кузнечном производствах, о плавлении руд и характере металлургического производства. 9 1.2.2 Зарождение материаловедения как науки Первые шаги на пути к реальному пониманию свойств материалов были сделаны с наступлением XIX века. Материаловедение является поистине интернациональной наукой, ее теоретические основы были заложены трудами разных стран. Начало этому положила химия, затем физика. Большой вклад в развитие науки о материалах был внесен гениальными русскими учеными М. В. Ломоносовым и Д. И. Менделеевым. М. В. Ломоносов (1711 – 1765 гг.) 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. Кроме того, в 1763 г. вышла книга «Первые основания металлургии или рудных дел» М. В. Ломоносова, которая является выдающимся трудом по металлургии (в частности чугуна, и горному делу), разработал составы цветных стекол и способ изготовления мозаичных панно из них, высказал гипотезу о происхождении янтаря и др. Д. И. Менделеев (1834 – 1907 гг.) 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, атомномолекулярное строение вещества. Д. И. Менделеев также немалое внимание уделял проблеме производства стекла. 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 исследова10 нием минералов и месторождений природных каменных материалов (горных пород). Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д. В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения. Известный физик Майкл Фаррадей (1791 – 1867 гг.) использовал химический анализ при изучении свойств булатной стали. Из последующих работ по материаловедению особо следует отметить труды выдающегося русского металлурга горного инженера генерал-майора П. П. Аносова (1799 – 1839 гг.). Он в 1831 г. впервые использовал микроскоп для изучения структуры металлов при исследовании строения высококачественной стали – булата, проблему изготовления которой П. П. Аносов блестяще разрешил на Златоустовском заводе (1837 г.). Им была установлена связь между строением стали и ее свойствами. Аносов, по существу, явился зачинателем производства высококачественных сталей, играющих важнейшую роль в современной технике. В своих работах П. П. Аносов изучил также влияние углерода на структуру и свойства стали, оценил роль ряда других элементов. Анализ структуры металлов и различных минералов с помощью оптического микроскопа в дальнейшем нашел широкое распространение в трудах английского геолога Генри Сорби (1826 – 1908 гг.). Он впервые применил методы петрографии к исследованию стали, рассматривая под микроскопом травленые шлифы и фотографируя структуры. В дальнейших исследованиях Сорби использовал большое увеличение, что позволило ему впервые наблюдать перлит. Сорби открыл, что перлит образуется при распаде гомогенной высокотемпературной фазы, причем его образование может подавляться при закалке. Таким образом, он установил существование структурных превращений в стали. 11 Серьезного внимания заслуживают работы А. С. Лаврова и Н. В. Калакуцкого, открывших в 1867 г. явление ликвации стали. Важную роль сыграли работы Н. В. Калакуцкого по изучению внутренних напряжений. Он разработал меры по их устранению. Эти первые наблюдения изменений, происходящих с внутренней структурой металла, а также новые сведения о составе вещества, полученные с помощью химии, существенно изменили представления о возможности проникновения в природу материалов. В последней четверти XIX века химия и физика уже играли ключевую роль в развитии многих сложившихся к тому времени отраслей, связанных с производством материалов. Здесь уместно отметить роль выдающегося русского ученого-металлурга Д. К. Чернова (1839 – 1921 гг.). В 1868 г. он сделал крупнейшее и исключительное по своим последствиям открытие. Он установил критические точки – температуры, при которых происходит изменение структуры и свойств охлажденной стали. Этим открытием Чернов разрешил основной вопрос об условиях термообработки и ковки стали. А в 1878 г. изложил основы современной теории кристаллизации металлов. Эти и последующие работы Чернова послужили фундаментом для создания современного материаловедения и термической обработки стали. За свои работы Чернов Д. К. в литературе был назван «отцом металлографии». Современные русские металлурги и металловеды являются последователями Д. К. Чернова. Они создали советские школы металлургии, занявшие выдающееся место в советской и мировой науке. В области металлургии чугуна – это школа академика М. А. Павлова, который разработал стройную теорию доменной плавки чугуна и методику металл расчетов, на которых сейчас базируется вся теория и практика доменного дела; в области металлургии стали – школа академика А. А. Байкова, разработавшего теорию металлургических процес12 сов стали. Его идеи получили дальнейшее развитие в работах школы академика Н.С. Курнакова. 13 1.2.3 Крупнейшие достижения в теории и практике материаловедения В XX столетии химикам и физикам удалось сделать ряд фундаментальных открытий, на которые опираются все современные разработки новых материалов и технологические методы их получения и обработки. В начале XX в. большую роль в развитии материаловедения сыграли работы Н. С. Курнакова (1860 – 1941 гг.), который применил для исследования металлов методы физико-химического анализа (электрический, магнитный, дилатометрический и др.). Н. С. Курнаков и его ученики изучили большое количество металлических сплавов, построили диаграммы состояния и установили зависимость изменения свойств сплавов от их состава в связи типом диаграммы состояния. Как выяснилось, материалам свойственна определенная внутренняя архитектура, иными словами – иерархическая последовательность структурных уровней, что объясняло многообразие проявляемых материалами свойств. Это предполагало, что поведение того или иного материала можно предсказать заранее, если тщательно изучить его внутреннюю архитектуру. Раскрытие внутренней структуры материалов создало основу для понимания твердого состояния вещества вообще и конкретных материалов в частности. Объединение знаний, полученных теоретическим и опытным путем, позволило не только разработать более эффективные методы обработки природных материалов, но и создать огромное количество новых искусственных материалов. Например, синтетические волокна и пластмассы; высоконапряженные и жаропрочные металлические сплавы; стеклянные волокна, используемые в качестве оптических волноводов; магниты, изготовленные из редкоземельных элементов; различные виды высоконапряженной керамики; композиты и полупроводники, составляющие основу современной микроэлектроники. 14 Использование рентгеновского анализа в начале 20-х годов XX века позволило установить кристаллическое строение металлов и сплавов. Эти исследования выполнили такие крупнейшие ученые, как М. Лауэ и П. Дебай (Германия), Г. В. Вульф (СССР), У. Г. Брегг и У. Л. Брегг и др. Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А. Ле-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), Ф. Осмонд (Франция) и др. Широко известны работы Э. Бейна, Р. Мейла (США) и Велера (Германия) в области теории фазовых превращений в сплавах. Работы крупнейшего русского химика А. М. Бутлерова (1828 – 1886 гг.), создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С. В. Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели структурные исследования В. А. Каргина и его учеников. Над созданием полимерных материалов работали К. Циглер (ФРГ) и Д. Натта (Италия). Начиная с 1928 – 1930 гг. большое внимание было уделено изучению теории фазовых превращений в сплавах. Это позволило разработать теорию и практику термической обработки стали, дуралюмина и ряда других технически важных сплавов. В числе работ, выполнявшихся в этом направлении, следует, прежде всего, отметить исследования С. С. Штейнберга, Г. В. Курдюмова, А. А. Бочвара, В. Д. Садовского, С. Т. Конобеевского и др. В создании новой технологии термической и химико-термической обработки стали следует выделить работы советских ученых Н. А. Минкевича, И. И. Сидорина, Ю. М. Лахтина, А. П. Гуляева и др. 15 Создателями металлических конструкций и сооружений являются В. Г. Шухов (1853 – 1939 гг.), Н. С. Стрелецкий (1885 – 1967 гг.), Л. Д. Проскуряков (1858 – 1926 гг.). Таким образом, в XX веке были достигнуты крупные достижения в теории и практике материаловедения, созданы высокопрочные материалы для инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой. Все эти результаты достигнуты наукой, сформировавшейся на основе интеграции различных дисциплин и получившей название материаловедение. А к началу XXI века многолетними трудами ученых установлены основные характеристики материалов. [1] 16 2. Строительные материалы Строительные материалы — материалы для возведения и ремонта зданий и сооружений. Наряду со «старыми» материалами, такими как древесина, камень и кирпич, с началом промышленной революции появились новые стройматериалы — бетон, сталь, стекло и пластмасса. В настоящее время широко используют предварительно напряжѐнный железобетон и металлопластик. 2.1 Классификация строительных материалов В процессе строительства, эксплуатации и ремонта зданий и сооружений строительные изделия и конструкции, из которых они возводятся, подвергаются различным физико-механическим, физическим и технологическим воздействиям. От инженера-строителя требуется со знанием дела правильно выбрать материал, изделия или конструкцию которая обладает достаточной стойкостью, надѐжностью и долговечностью для конкретных условий. Строительные материалы и изделия, в соответствии с теорией ИСК, делятся на: I. Природные (естественные) — без изменения состава и внутреннего строения: 1. неорганические (каменные материалы и изделия); 2. органические (древесные материалы, солома, костра, камыш, лузга, шерсть, коллаген). II. Искусственные: 17 1. Безобжиговые (твердение при нормальных условиях) и автоклавные (твердение при температуре 175—200 °C и давлении водяного пара 0,9-1,6 МПа): 1) неорганические (клинкерные и клинкеросодержащие цементы, гипсовые, магнезиальные и др.); 2) органические (битумные и дектевые вяжущие вещества, эмульсии, пасты); 3) полимерные (термопластичные и термореактивные); 4) комплексные: a) смешанные (смешения нескольких видов минеральных веществ); b) компаундированные (смеси и сплавы органических материалов); c) комбинированные (объединение минерального с органическим или полимерным). 2. Обжиговые — твердение из огненных расплавов: 1) шлаковые (по химической основности шлака); 2) керамические (по характеру и разновидности глины и др. компонентов); 3) стекломассовых (по показателю щелочности шихты); 4) каменное литье (по виду горной породы); 5) комплексное (по виду соединяемых компонентов, например: шлакокерамические, стеклошлаковые). По применению классифицируются на две основные категории. К первой категории относят — конструкционные: кирпич, бетон, цемент, лесоматериалы и др. Их применяют при возведении различных элементов зданий (стен, пере- 18 крытий, покрытий, полов). Ко второй категории — специального назначения: гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические, отделочные и др. Основные виды строительных материалов и изделий: 1. каменные природные строительные материалы и изделия из них 2. вяжущие материалы неорганические и органические 3. лесные материалы и изделия из них 4. металлические изделия В зависимости от назначения, условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие строительные материалы, которые обладают определѐнными качествами и защитными свойствами от воздействия на них различной внешней среды. Учитывая эти особенности, любой строительный материал должен обладать определѐнными строительно- техническими свойствами. Например, материал для наружных стен зданий должен обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защищать помещение от потерь тепла; материал сооружения гидромелиоративного назначения — водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному увлажнению и высыханию; материал для покрытия дорог (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта. [2] 19 2.2 Свойства строительных материалов Применяя тот или иной материал в строительстве, нужно знать его физико-механические свойства и учитывать те условия, в которых этот материал будет работать в строительной конструкции. Основные свойства строительных материалов можно разделить на несколько групп. К первой группе свойств относят физические свойства материалов: удельный вес, объѐмный вес, плотность и пористость. От них в большой степени зависят другие важные в строительном отношении свойства строительных материалов. Вторую группу составляют свойства, характеризующие отношение строительного материала к действию воды и связанному с нею действию мороза: водопоглощение, влажность и отдача влаги, гигроскопичность, водопроницаемость, водо- и морозостойкость. К третьей группе относятся механические свойства материалов: прочность, твѐрдость, истираемость и др. В четвѐртую группу объединены свойства, характеризующие отношение материалов к действию тепла: теплопроводность, теплоѐмкость, огнестойкость и огнеупорность. Помимо основных, различают ещѐ специальные свойства, присущие лишь отдельным видам строительных материалов. Способность некоторых материалов сопротивляться разрушающему действию кислот, щелочей, солей и газов носит общее название химической (или коррозионной) стойкости. Особую группу составляют так называемые технологические свойства, которые характеризуют способность материала подвергаться механической об20 работке. Например, древесина является материалом, легко поддающимся обработке. Строителю приходится считаться с этим свойством при выборе того или иного материала. Наиболее важными для своей работы я выделила следующие свойства: плотность - степень заполнения объѐма материала твѐрдым веществом, из которого он состоит. теплопроводность способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разновидности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Степень теплопроводности очень важно знать для материалов. используемых при устройстве так называемых ограждающих конструкций зданий ( т.е. наружных стен, верхних перекрытий, полов в нижнем этаже ) и в особенности для теплоизоляционных материалов, назначение которых — способствовать сохранению тепла в помещениях и тепловых установках. [4] морозостойкость - способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения плотности. Разрушение происходит в связи с тем, что вода, находящаяся в порах, при замерзании увеличивается в объеме на 9%. Наибольшее расширение воды при переходе в лед возникает при температуре 4°С, дальнейшее понижение температуры не вызывает увеличение объема льда. Морозостойкость строительных материалов определяется величиной и характером пористости и условиями их эксплуатации. Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -15, -17°С и оттаивания при температуре 20°С. Число циклов - это марка изделия по морозостойкости. 21 Один-два цикла замораживания в холодильной камере дают эффект, близкий к 3-5-годичному действию атмосферы. [9] прочность - способность материалов сопротивляться разрушению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т.п. Оценивается она пределом прочности. Так называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение. [8] Также я учла, постройку во сколько этажей выдержит тот или иной материал, и назвала это свойство этажностью. 22 2.3 Эволюция производства строительных материалов Виды строительных материалов и их технология изменялись в связи с развитием производительных сил и сменой производственных отношений в человеческом обществе. Простейшие материалы и примитивная технология заменялись более совершенными. Ручное изготовление строительных материалов сменялось машинным. Расширялся и видоизменялся ассортимент строительных материалов. Но некоторые виды материалов (например, кирпич, известь, лес, стекло и др.) применяются на протяжении многих эпох. Для первобытных построек применялись простейшие материалы: глина, лоза, тростник, дерево и природный камень. При постройке крупных сооружений в рабовладельческом обществе (крепостей, дворцов, храмов, военных дорог и мостов) широко использовались горные породы; их обрабатывали в виде камней и плит правильной формы (Урарту, Хорезм и др.). В тех районах, где природного камня было мало, употребляли высушенный (необожженный) кирпич из глины или речного ила. Для облицовки стен, сложенных из необожженного кирпича-сырца, позднее стали применять обожженные изделия из глины (кирпич и облицовочные плиты). Обжиг глиняных изделий, придающий им прочность и водонепроницаемость, применялся в глубокой древности; это одно из крупнейших изобретений человека. Вначале этот способ применялся для изготовления посуды (ее формовали с помощью каркаса, сплетенного из лозы, а после появления формовочного круга и без каркаса, а после этого обжигали). Уже в 7-6 веках до нашей эры получила распространение в качестве материала для кровель глиняная обожженная черепица, а в дальнейшем - терракота (облицовочные плиты) и кирпич - для стен. Вообще же керамические изделия известны не менее 12 тысяч лет. Для скрепления камней при возведении по23 строек были необходимы вяжущие вещества. Первыми вяжущими веществами, появившимися в древности, были: глина, гипс, известь, а также асфальт. Все они, кроме асфальта, способны твердеть только на воздухе. Затем для строительства фундаментов, водопроводов, портов и других гидротехнических сооружений, потребовались вяжущие вещества, способные твердеть в воде. Таким простейшим вяжущим применявшимся еще в древности на юге и в центре нашей страны, была смесь извести с толченым (молотым) слабообожженным кирпичом (так называемой цемянкой), а в древнеримском строительстве - кроме того, смесь извести с вулканическим пеплом (пуццоланой). Вяжущие вещества применялись в древнем строительстве не только для каменной кладки, но и для получения простейшего бетона. Из других строительных материалов в рабовладельческом обществе были известны стекло и краски. В средние века раздробленность феодальных владений и удорожание рабочей силы заставляли отказываться от использования природного камня, на обработку которого затрачивалось много труда, и применять более дешевые и прогрессивные материалы, большое распространение получило производство кирпича и черепицы. Развитие капитализма вызвало широкое промышленно железнодорожное и военное строительство материалы высокой прочности появились строительные и броневые стали, был изобретен в 70-х годах ХIХ века железобетон. Изобретению железобетона предшествовало создание ряда вяжущих веществ (гидравлическая известь, романцемент), твердеющих в воде и обладающих более высокой прочностью (старое вяжущее известь). В начале ХIХ века в России был изобретен и изготовлен цемент хорошего качества. Начиная с 60-х годов ХIХ века, после усовершенствования технологии и повышения прочности цемента, он становится основным вяжущими для изготовления бетона и железобетона. 24 В конце ХIХ и в начале ХХ веков получило развитие производство искусственных каменных материалов (силикатного кирпича, асбестоцемента, шлакобетона и др.), а также различных тепло- и гидроизоляционных материалов. Грандиозное строительство, развернувшееся в нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции, потребовало реконструкции старых и постройки новых заводов строительных материалов. В годы пятилеток были введены в строй сотни заводов строительных материалов, оснащенных новейшим, высокопроизводительным оборудованием. Созданы и применяются в строительстве новые, более экономичные материалы (пустотелый кирпич, шлаковые цементы, цементы с активными добавками, легкие бетоны и др.), значительно расширено производство местных материалов, не требующих дальних перевозок и удешевляющих домов. Производство строительных материалов в СССР по сравнению с дореволюционной Россией возросло во много раз. Так, в 1952 г. было произведено по сравнению с 1913 г. стали в 8,3 раза больше, цемента в 9, раз и т. д. Для индустриального и скоростного строительства начали широко применять готовые строительные детали (железобетонные, металлические, деревянные, гипсовые, крупные шлакобетонные блоки), получаемые со специальных заводов. В связи с этим коренным образом меняется характер строительства: здания или сооружения целиком или частично возводятся из готовых деталей путем их сборки кранами. Это намного повышает производительность труда, удешевляет строительство и ускоряет его темпы. Создана новая отрасль промышленности - фабрично-заводское производство сборных жилых домов и стандартных деталей из дерева, гипса, асбестоцемента и других материалов; развернуто производство новых теплоизоляционных материалов - минеральной ваты и древесноволокнистых плит. В последние годы получило развитие производство новых видов цемента, пустотелой облицовочной керамики, крупных 25 панелей для перекрытий и стен зданий, а также других высококачественных и эффективных строительных деталей и изделий. В стандартах устанавливаются форма, размеры, сорта, технические условия, правила приемки, методы испытания, а иногда и области применения данного материала. [5] В своей курсовой работе я выделила следующую цепочку эволюции строительных материалов: глина (в том числе, как связующее) → дерево → природный камень → кирпич (обыкновенный и пористый) → бетон → железобетон Свойства этих материалов подробно рассматриваются в составленной мной таблице. (см. Приложение 1) 26 2.4 Перспективы развития На сегодняшний день известно множество новых инновационных материалов, которые будут особенно популярны в строительстве в будущем. И именно о них я расскажу далее. Полупрозрачный бетон. Бетонные здания лучше известны за свою прочность, чем за хорошее освещение. Все это было актуально до изобретения полупрозрачного бетона, который обещает вскоре поступить в продажу. Полупрозрачный бетон смешан со стеклянными нитями оптоволокна, создающего крепкий, но при этом легкий блок. LitraCon, именно под таким названием и будет выпускаться материал, может быть использован в напольном покрытии и мощении пола. По данным производителей бетона, оптоволокно составляет лишь 4% от общей массы смеси. А это означает, что из данного материала можно делать даже несущие стены. SensiTile. Бетон, используемый в производстве плиток, совмещен с акриловыми трубками оптоволокна, которые передают свет от точки к точке. По мере движения, плитки зажигаются одна за другой, сопровождая вас до места назначения. Данные плитки можно применять для облицовки кухни, ванной, даже подвала. Электризованное дерево. Два слоя металла внедрены в дерево фурнитуры, что позволяет ему передавать электричество по всей поверхности предмета. Напряжение в 12В позволяет беспроводным способом подключить к столу, к примеру, лампу. Пока не ясно, как фурнитура будет работать с другими электрическими устройствами, однако, многие будут благодарны, если инженеры-ученые лишат нас необходимости связывать провода. 27 Гибкие соты. Название «Гибкие соты» отлично описывает данный материал. Материал, созданный выпускником Йельского университета, Дэном Готтлейбом, представляет собой гибкую матрицу сот, которые могут быть использованы для создания легких конструкций, фурнитуры и скульптурных инсталляций. Материал сделан из тысяч близко расположенных полипропиленовых трубочек, легко гнущихся, однако при этом остающихся одним целым. Flexicomb многофункционален, его можно использовать практически для любой цели. Кинетическое (живое) стекло. «Живое» стекло, разработанное архитекторами Су-ин Янг и Дэвидом Бенжамином, это «умный» материал, представляющий собой прозрачную поверхность, которая автоматически открывает и закрывает похожие на жалюзи прорези, для контроля качества воздуха в комнате. Поверхность пронизана проводами, которые контролируются электрическим импульсом. Это позволяет «жалюзи» регулировать качества воздуха, «вдыхая и выдыхая» его. Ричлит. 70% материала сделано из переработанной бумаги. Переработанную бумагу прорезинивают, а затем высушивают для создания твердого слоя. Впервые, ричлит был использован в аэрокосмической области, судостроении, спортивной индустрии, в качестве упрочняющего покрытия наподобие стеклопластика, однако сегодня он доступен и для строительных целей. Самовосстанавливающийся цемент. Может показаться, что большинство из вышеперечисленных материалов создавались в качестве альтернативы бетона, однако развивается и сам цемент. Сегодня идет разработка самовосстанавливающегося цемента, который будет способен сам «заделывать» собственные трещины. Этот цемент перемешан с микрокапсулами, выделяющими прорезиненный эпоксидный клей, автоматически заделывающий любые трещины, которыми покрывается асфальт. Также, инновационный цемент будет обладать способностью регулировать температуру. Меняющие фазу материалы, содер28 жащиеся в цементе, смогут поглощать большое количество тепла. При помощи данного материала, мы будем сохранять энергию, создавая здания, которые смогут сами регулировать собственную температуру. Углеродное волокно. Углеродное волокно это очень прочный, при этом легкий материал. Он в 5 раз прочнее, в 2 раза жестче, и при этом весит на 2-3 порядка меньше стали. Углеродное волокно производится из полосок углерода, которые тоньше чем человеческий волос. Полоски можно связать между собой, как одежду, и придать им необходимую форму. Помимо того, что оно крепче, углеродное волокно также и более гибкий материал, что делает его незаменимым ингредиентом любого строительства, особенно в тех регионах, кто существует опасность ураганов и торнадо. Жидкий гранит. По словам его создателей, жидкий гранит обладает способностью полностью заменить цемент в бетоне. Материал легок и обладает той же силовой нагрузкой, как и цемент, при этом, он сделан из вторичного сырья. Жидкий гранит не обладает ни одним из тех негативных влияний, которые оказывают на окружающую среду цемент и бетон. Он состоит из переработанного материала на 30-70%, и в бетоне его нужно всего треть от обычного цемента. Наконец, жидкий гранит очень жароустойчив. Он выдерживает температуры до 1’100 градусов Цельсия, при этом сохраняя свои основные структурные особенности. Гнущийся бетон. Обычный бетон является очень ломким материалом; любой излом или изгиб приводит к трещине. Новый тип бетона, усиленного оптоволокном, поможет решить эту проблему. Новый бетон примерно в 500 раз более устойчив к трещинам, чем обычный бетон, и все благодаря небольшим вкраплениям оптоволокна, по весу составляющего лишь 2% от массы материала. Когда происходит изгиб материала, оптоволокно скользит внутри бетона, что позволяет ему избежать трещин. Но дело не только в оптоволокне; сам ма29 териал бетона приспособлен к максимальной гибкости. И благодаря всем принятым мерам, этот бетон обладает намного большим сроком службы, что означает его перспективную эффективность в строительстве. [1] 30 Заключение Итак, подводя итоги своей работы, я могу сказать, что достигла поставленной цели. Рассмотрев эволюцию материалов, используемых для строительства, я убедилась, что со временем материалы становились только лучше, то есть их свойства росли экспоненциально. (см. Приложение 2) Строительство началось еще в глубокой древности, как только появился человек. Ему необходимо было обустраивать свое жилище. Тогда для возведения построек применялись самые простые строительные материалы – ветви, глина, кости и шкуры животных. С развитием общества появились первые строения в более близком для нас смысле. Старые материалы заменялись более совершенными по прочностным характеристикам – начали использовать каменные блоки, плиты, для срубов - дерево. Далее появились простейшие кирпич и бетон, первые вяжущие вещества. Затем производство кирпичей и черепицы стало массовым, т.к. материалы были достаточно просты в производстве и оказались гораздо легче в применении, нежели природные камни. Промышленная революция привела к широкому развитию строительных материалов. В середине ХIХ века произошел резкий эволюционный скачок – в строительстве стали применяться металлические конструкции, после простейших бетонов появился железобетон. В дальнейшем материалы только совершенствовались, стали использовать искусственные. После периода революций и войн стали строиться заводы по производству стройматериалов. Изобретались новые виды уже известных. Это 31 привело к удешевлению строительных работ, их высокой скорости. Причем надо заметить, что этот процесс длиться и до сих пор. Наука не стоит на месте, и стройка XXI века скоро будет выглядеть просто фантастически. Например, в настоящий момент мировое ученое сообщество близко подошло к открытию материалов, основанных на свойствах биологических систем. Предполагается, что новые вещества будут работать по принципу живого организма – синтезировать и регулировать сами себя. На сегодняшний день существуют опытные образцы «умных» систем. К таким относятся металлы с жесткой памятью; пьезоэлектрические сенсоры, реагирующие на прикосновение или тепло; растворы, распознающие изъяны материалов и др. Дело недалекого будущего – создание интеллектуальных материалов, которыми можно будет управлять. Здания, созданные на их основе, будут реагировать на внутренние и внешние изменения, подстраиваясь под них. 32 Список использованных источников 1. http://www.material.osngrad.info 2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Материаловедение 3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Строительные_материалы 4. http://cultyura.narod.ru/svoystva.htm 5. http://www.genstroy.info/production/379istoriya_razvitiya_proizvodstva_stroitelnih_materialov 6. http://ostroymaterialah.ru/izolyaciya/klassifikaciya-stroitelnyx-materialov.html 7. http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/strojmaterialy/teploprovodnoststroitelnyh-materialov-ih-plotnost-i-teploemkost 8. http://www.stroy-tip.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=5:201006-29-19-54-40&catid=1:2010-06-26-18-16-02&Itemid=2 9. http://www.pspbeton.narod.ru/svoistva.htm 33 Приложение 1 Материалы Свойства Плотность, кг/м3 средняя ТеплопроМорозоПредел водность, стойкость, прочноистин Вт/(м·град) циклы сти, кг/см2 ная Этажность, кол-во Глина, как связующее 1700 2600 0,8 - 150 2 Дерево 500 1600 0,17 70 500 3 Природный камень 2200 2500 1,4 50 3500 2 Кирпич обыкновенный 1800 2600 0,67 200 150 9 Кирпич пористый 1000 2600 0,44 100 100 9 Бетон 2200 2500 1,75 200 500 20 34 Железобетон 2600 1,7 250 3500 20 Сравнительная таблица строительных материалов 35 Приложение 2 График эволюции строительных материалов Для построения этого графика я использовала эмпирически выведенную формулу: , где Ã – показатель эволюции материала, δ – предел прочности материала, ε – количество этажей, µ - коэффициент теплопроводности. 36