CC BY
20УДК 519.7:691
И.А. ГАРЬКИНА1, д-р техн. наук (fmatem@pguas.ru),
А.М. ДАНИЛОВ1, д-р техн. наук, советник РААСН (fmatem@pguas.ru);
Е.В. КОРОЛЕВ2, д-р техн. наук (korolev@nocnt.ru)
1 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28)
2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Эволюция представлений о композиционных материалах с позиций смены парадигм
Приводятся базовые модельные представления композиционных материалов как неструктурированной среды, а также при использовании структурного подхода. Определяются содержательные части парадигм как набор концептуальных, методологических, теоретических и экспериментальных положений. Указываются подходы к разработке композитов с позиций смены парадигм на различных этапах развития строительного материаловедения. Композит рассматривается как сложная система с соответствующими системными атрибутами. Обобщенная модель состоит из совокупности частных моделей для каждого из элементов, входящих в иерархическую структуру композита, построенную в соответствии с иерархической структурой его критериев качества. Предполагается систематизация исследований по структурообразованию композитов, что позволит обеспечить фундаментализацию строительного материаловедения на основе использования аналитических методов.
Ключевые слова: композиционные материалы, разработка, методологические принципы, неструктурированная среда, структура, структурное материаловедение, парадигма, смена парадигм.
Для цитирования: Гарькина И.А., Данилов А.М. Королев Е.В. Эволюция представлений о композиционных материалах с позиций смены парадигм // Строительные материалы. 2018. № 1-2. С. 60-62.
I.A. GARKINA1, Doctor of Sciences (Engineering), (fmatem@pguas.ru),
A.M. DANILOV1, Doctor of Sciences (Engineering), (fmatem@pguas.ru), Adviser of RAACS:
E.V. KOROLEV2, Doctor of Sciences (Engineering) (korolev@nocnt.ru)
1 Penza State University of Architecture and Civil Engineering (28, Germana Titova Street, Penza, 440028, Russian Federation)
2 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, 129337, Moscow, Russian Federation)
Eevolution of Representations about Composite Materials from the Positions of Changing the Paradigm
Basic model representations of composite materials as an unstructured medium and using the structural approach are presented. The content of the paradigms is defined as a set of conceptual, methodological, theoretical and experimental positions. The approaches to the development of composites from the standpoint of changing paradigms at various stages of the development of building materials science are indicated. A composite is considered as a complex system with corresponding system attributes. The generalized model consists of a set of partial models for each of the elements that make up the hierarchical structure of the composite, constructed in accordance with the hierarchical structure of its quality criteria. It is planned to systematize research on the structure formation of composites, which will allow to ensure the fundamentalization of building materials science based on the use of analytical methods.
Keywords: composite materials, development, methodological principles, unstructured environment, structure, structural material science, paradigm, paradigm shift.
For citation: Garkina I.A., Danilov A.M., Korolev E.V. Eevolution of representations about composite materials from the positions of changing the paradigm. Stroite'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 1-2, pp. 60-62. (In Russian).
Развитию научных и прикладных основ строительного материаловедения, методологических принципов синтеза материалов в значительной степени способствовали накопление экспериментальных данных, их обобщение, прогресс в технологиях производства. Главным объединяющим началом в материаловедении является присущий материаловедам единый стиль мышления и признания ими определенных фундаментальных теорий и методов (парадигма [1] как совокупность знаний, методов, образцов решения задач материаловедения). Парадигма базируется на прошлых достижениях (теориях), считающихся образцом решения научных проблем; ее содержательную часть составляет система научных взглядов, основанных на базовых модельных представлениях, определяющих весь набор методологических, теоретических и экспериментальных положений. В настоящее время происходит формирование новой парадигмы для решения задач, связанных с архитектурно-строительным комплексом: увеличение полифункциональности и срока службы строительных материалов и конструкций, снижение затрат на создание комфортных условий проживания при снижении негативного влияния на окружающую среду и т. д.; предполагается широкое использование В1М-технологий и 3D-строительства.
Приведем некоторые результаты сопоставления эволюции взглядов на разработку композиционных материалов с точки зрения смены парадигм.
В [2, 3] в эволюции представлений о ряде материалов выделяются три этапа, различающихся методологией исследования и уровнем практических разработок. Первый этап — зарождение новой технологии (начальное накопление данных, опыта и навыков производства нового материала). В технологии доминирует рецептурный подход; в исследованиях — метод проб и ошибок; управление технологическим процессом имеет интуитивный характер, основанный только на опыте технолога. Второй этап — становление новой технологии (развитие технологии основывается на обобщении накопленных данных, выявлении закономерностей влияния различных факторов на свойства материала; исследования проводятся с привлечением фундаментальных наук). Здесь формируются представления о влиянии управляющих факторов на структуру материала и ее взаимосвязи со свойствами. Проводится классификация управляющих факторов, выделяются доминирующие, объединенные в систему рецептурно-технологические факторы. На этом этапе в материаловедении возникла теория искусственных строительных материалов, а также полиструктурная теория (изучение материала производится по схеме
As a matter for discussion
рецептурно-технологические факторы — состав, структура — свойства). Знание технологии имеет эмпирический характер, не содержит обобщающих закономерностей, основанных на фундаментальных законах природы. При промышленном выпуске продукции, организации полуавтоматизированного управления производством главную функцию в принятии решения имеет человек — оператор. Такая организация производства часто требует проведения корректирующих мероприятий, возникших вследствие отклонения качества продукции от установленного уровня (большие межпартийные колебания качества). Третий этап — разработка эффективной технологии при научном владении производством (получение строительного материала с заданным уровнем качеств). Понятие «качество» расширяется и включает не только требования по изготовлению материала (технологический процесс), но и его соответствие условиям эксплуатации изделия (эксплуатационные свойства и долговечность). Технология включает два взаимосвязанных цикла: технологический и эксплуатационный. На каждом из циклов проводится оценка влияния управляющих воздействий на качество материала; при их отклонении от заданных параметров принимается решение об изменении рецептуры и условий изготовления материала (условия структурообразования). Важно детально владеть знаниями как о технологическом процессе, так и о процессе структурообразования под действием эксплуатационных факторов. Должен реализовываться принцип корректировки рецептуры и режима изготовления продукции не только по результатам начального состояния продукции (качество после завершения технологического цикла), но и главным образом с учетом преобразований структурных параметров продукции под действием эксплуатационных факторов. Т. е. начинает учитываться не только потенциал стойкости материала (используется для прогнозирования долговечности), но и кинетика его расходования под воздействием отдельных или совокупности факторов эксплуатационной среды. Третий этап развития строительного материаловедения также можно назвать этапом производства материала (продукции, изделия) с учетом жизненного цикла его существования: от замысла до утилизации или рециклинга. Предполагаются идентификация технологического процесса и построение адекватной модели рецептурно-технологические факторы — структура — качество материала.
По Т. Куну развитие науки — скачкообразный, революционный процесс, состоящий в смене парадигм; однонаправленный и необратимый процесс. Научное познание после формирования парадигмы — научная теория; существующие в рамках различных парадигм теории несопоставимы. С ростом количества аномалий (принципиальная невозможность парадигмы решить проблему; накопление аномалий ведет к падению доверия к парадигме) в допарадигмальном периоде развития науки появляются новые альтернативные теории. Происходит соперничество научных школ при отсутствии общепринятых концепций исследований; споры о правомерности методов и проблем; наконец, происходит победа одной из школ с исчезновением расхождений. В дальнейшем формируется новая парадигма (в итоге — учебники, раскрывающие новую па-радигмальную теорию). На этапе нормальной науки работа осуществляется в жестких рамках парадигмы. Здесь:
— выделяются наиболее показательные с точки зрения парадигмы факты;
— уточняются теории;
— разрабатывается более сложная и тонкая аппаратура;
— осуществляется поиск факторов, подтверждающих новую парадигму;
— совершенствуется собственно парадигма (не является сразу совершенной);
— устанавливается необходимость новой парадигмы в связи с невозможностью объяснения ряда фактов в рамках действующей парадигмы.
Наконец, происходит кризис старой парадигмы, революция в науке, поиск и оформление новой парадигмы; происходит проверка и отсев конкурирующих теорий. Упраздняются принятые правила, кроме подходящих к новой парадигме (реконструкция предписаний: не просто отрицание правил, а сохранение положительного опыта, подходящего новой парадигме). Важно отметить: новая парадигма не включает старую. При смене парадигм нет преемственности теорий. Она предполагает формирование другой системы взглядов, основанных на принципиально новых базовых моделях и смене принципа управления начальным структурообразованием: не формирование структуры материала с параметрами, обеспечивающими начальное качество (после изготовления), а получение структуры (организация), обеспечивающей качество во времени (в период эксплуатации); допустимое снижение показателей качества. В частности, нано-технологии — лишь инструмент для управления параметрами структуры и/или придания дополнительных свойств. При использовании идеологии неструктурированной среды (оценивается усредненными показателями температуры, влажности, давления, в которой находятся предметы, имеющие разную плотность, прочность, теплопроводность, термическое расширение и др.) реальность растворяется в средних показателях качества). В моделях структурного материаловедения предполагается существование определенных иерархических структур объектов, рассматриваемых как системы [4—7], которые являются основой формирования новых идеологических научных установок. Выбор модели определяется целями структурного описания объекта, границами масштабного уровня, выделенного приоритетного ряда элементов структуры исходя из целевого назначения объекта анализа; процессы на каждом уровне подчиняются закономерностям именно данного уровня. Налицо сдвиг парадигм, основанных на базовых моделях сплошной саморазвивающейся среды в сторону парадигм, базирующихся на моделях структурированной саморазвивающейся среды, основанной на идеях и методах системного подхода и синергетики [8, 9]. Структурная организация материала предопределяет структурное оформление изделия или конструкции и в значительной степени определяет функциональные свойства всей системы. Проектирование системы в целом базируется на иерархической структуре ее критериев качества (каждое индивидуальное свойство можно получить при разных наборах структурных составляющих) [10].
На грани смены парадигм находится и колористика. Еще недавно окраска материалов осуществлялась на основе применения красителей, пигментов органического и неорганического происхождения (поглощение видимой или отражение непоглощенной части спектра). В связи с развитием нанотехнологий начали использоваться оптические принципы окрашивания: при взаимодействии света со структурами, наноэлементы которых соизмеримы с длиной волны света, происходят интерференция, дифракция и рассеивание света, в совокупности приводящие к тому, что объект виден окрашенным (оптический принцип окрашивания — беспигментная структурная окраска). Структурная окраска экологична (не требует синтеза красителей и очистки технологических стоков); наноструктура устойчива к действию света [11].
В заключение отметим, что происходящая в настоящее время смена парадигм в строительном материаловедении во многом сдерживается внешними условиями, ключевыми из которых являются: устанавливаемый заказчиком
j'^J ®
январь/февраль 2018
61
(проектировщиком) уровень требований к качеству материала, изделия (включая долговечность); фрагментарность результатов исследований, являющихся, в сущности, повторением базовых закономерностей на новой сырьевой смеси (вид/наименование компонента) без выявления количественных отклонений, так как часто модель, позволяющая производить прогноз, отсутствует.
Список литературы
1. Кун Т. Структура научных революций. М.: АСТ, 2009. 317 с.
2. Чернышов Е.М. Современное строительное материаловедение: эволюция методологий и фундаментальности научного знания. Материалы международной научно-практической конференции-семинара. Волгоград: ВГАСУ, 2004. C. 20-25.
3. Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. Л.: Стройиздат, 1978. 368 с.
4. Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Строительные материалы как системы // Строительные материалы. 2006. № 7. C. 55-58.
5. Garkina I., Danilov A. Mathematical methods of system analysis in construction materials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 245. doi:10.1088/1757-899X/245/6/062014.
6. Garkina I., Danilov A., Skachkov Y. Modeling ofbuilding materials as complex systems // Key Engineering Materials. 2017. Vol. 730, pp. 412-417.
7. Гарькина И.А., Данилов А.М. Управление качеством материалов со специальными свойствами // Проблемы управления. 2008. № 6. C. 67-73.
8. Выровой В.Н. Структура - основа строения и проявления свойств строительных материалов и конструкций // Вкник Одесько'1 державно'1 академи будiвництва та архтектури. 2015. Вип. 57. C. 42-52.
9. Суханов В. Г. Свойства материала и функции структурных элементов // Всник Одесько'1 державно'1 академи будiвництва та архтектури. 2013. Вип. 52. C. 248-254.
10. Budylina E., Danilov A., Garkina I. Control of multiobjective complex systems // Contemporary Engineering Sciences. Vol. 8. 2015. No. 10, pp. 441-445.
11. Кричевский Г.Е. Возрождение природных красителей. М.: АСТ, 2017. 565 с.
По мнению авторов, систематизация исследований, направленная на построение обобщенных моделей структурообразования строительных композитов, классифицированных по виду компонента, обеспечивающего формирование искусственного камня, обеспечит фундаментальное развитие строительного материаловедения и создание новых технологий.
References
1. Kun T. Struktura nauchnykh revolyutsii [Structure of scientific revolutions]. Moscow: AST. 2009. 317 p.
2. Chernyshov E.M. Modern building materials science: the evolution of methodologies and the fundamental nature of scientific knowledge. Materials of the International Scientific and Practical Conference-Seminar. Volgograd: VGASU. 2004, pp. 20-25. (In Russian).
3. Bozhenov P.I. Tekhnologiya avtoklavnykh materialov [Technology of autoclave materials]. Leningrad: Stroyizdat. 1978. 368 p.
4. Gar'kina I.A., Danilov A.M., Korolev E.V. Building materials as systems. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2006. No. 7, pp. 55-58. (In Russian).
5. Garkina I., Danilov A. Mathematical methods of system analysis in construction materials. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 245. doi:10.1088/1757-899X/245/6/062014.
6. Garkina I., Danilov A., Skachkov Y. Modeling of building materials as complex systems. Key Engineering Materials. 2017. Vol. 730, pp. 412-417.
7. Gar'kina I.A., Danilov A.M. Quality management of materials with special properties. Problemy upravleniya. 2008. No. 6, pp. 67-73. (In Russian).
8. Vyrovoy V.N. Structure - the basis of the structure and manifestation of the properties of building materials and structures. Visnyk Odes'koi' derzhavnoi' akademii' budi-vnyctva ta arhitektury. 2015. Vol. 57, pp. 42-52.
9. Suhanov V.G. Material properties and functions of structural elements. Visnyk Odes'koi' derzhavnoi' akademii' budivnyctva ta arhitektury. 2013. Vol. 52, pp. 248-254.
10. Budylina E., Danilov A., Garkina I. Control of multiobjective complex systems. Contemporary Engineering Sciences. Vol. 8. 2015. No. 10, pp. 441-445.
11. Krichevskiy G.E. Vozrozhdenie prirodnyh krasitelej [Revival of natural dyes]. Moscow: AST. 2017. 565 p.
г. Веймар (Германия) 12-14 сентября 2018 г.
20. ibausil
12--Т 4.09, 13 in Weimar
F.A. Fi tiger-Institut für Bausloffkunde | Bauhaus-Universität Weimar
Институт строительных материалов им. Ф.А. Фингера (FIB) университета Bauhaus-Universität г. Веймар (Германия) организует 20-й Международный конгресс по строительным материалам
Международный конгресс по строительным материалам IBAUSIL проводится в г. Веймаре с 1964 г. и за это время стал авторитетным форумом для научного обмена между исследователями университетов и промышленных предприятий с востока и запада.
Основные темы конгресса
• Неорганические вяжущие вещества; • Стеновые строительные материалы / содержание
• Бетоны и долговечность бетонов; сооружений / переработка материалов.
Официальные языки конференции - немецкий, английский Заявки об участии с докладами в конгресс принимаются до 1 ноября 2017 г. Подробности вы найдете на сайте: www.ibausil.de
www.ibausil.dewww.ibausil.dewww.ibausil.dewww.ibausil.de
