История и методология строительной науки и производства

ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ 
СТРОИТЕЛЬНОЙ НАУКИ  
И ПРОИЗВОДСТВА 

Учебное пособие

Под редакцией доктора технических наук,  
профессора В. С. Грызлова

2-е издание, пересмотренное

Москва    Вологда
«Инфра-Инженерия»
2019

УДК 691
ББК 38.3я2
          И90                                                 

Авторы:
Грызлов В. С.; Каптюшина А. Г.; Петровская А. А.; Поварова О. А.

Рецензенты:
Белановская Е. В. – канд. техн. наук, доцент  
(ФБГОУ ВО «Череповецкий государственный университет»;
Красновский Ю. И. – генеральный директор ООО «Управление капитального 
строительства» г. Череповца

Научный редактор:
В. С. Грызлов – д-р техн. наук, проф. (ФГБОУ ВО ЧГУ)

И90       История и методология строительной науки и производ- 
ства : учебное пособие / [Грызлов В. С. и др.] ; под ред. В. С. Грыз- 
лова. – 2-е изд., пересм. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2019.  – 200 с. : ил., табл. 
 
ISBN 978-5-9729-0372-6

Рассмотрены исторические аспекты строительного материаловедения и развития технологий изготовления и применения основных 
строительных материалов и изделий. Большое внимание уделено научному вкладу выдающихся ученых мирового уровня в развитие и 
создание материаловедческой основы, освещены крупные открытия 
строительной науки. Приводятся конкретные примеры и иллюстрации мировых шедевров и памятников архитектурного наследия.
Для студентов, обучающихся по направлению «Строительство», 
а также специалистов в области производства и применения строительных материалов и изделий.

УДК 691
ББК 38.3я2

ISBN 978-5-9729-0372-6 Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

Одобрено учебно-методическим  
советом ФГБОУ ВО «Череповецкий 
государственный университет»

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................4

ГЛАВА 1. Становление и развитие
строительного материаловедения ....................................5

ГЛАВА 2. Природные материалы.......................................................27

ГЛАВА 3. Развитие технологии 
строительной керамики .....................................................54

ГЛАВА 4. Минеральные вяжущие вещества ..................................86

ГЛАВА 5. Строительные растворы ....................................................92

ГЛАВА 6. Тяжелый бетон и железобетон ..................................... 100

ГЛАВА 7. Развитие технологий легких 
и ячеистых бетонов .......................................................... 125

ГЛАВА 8. Стекло ................................................................................... 137

ГЛАВА 9. История создания 
органических веществ ..................................................... 155

ГЛАВА 10. Полимеры .......................................................................... 162

ГЛАВА 11. Теплоизоляционные материалы ............................... 174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................... 185

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ......................................... 186

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................ 196

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем учебном пособии изложены исторические 
этапы становления и развития строительного материаловедения – фундаментальной науки прикладного характера, а также 
технологии производства основных природных и искусственных строительных материалов и изделий.
Цель учебного пособия – обобщение и углубление знаний 
студентов по вопросам истории строительства и строительного 
материаловедения, представление известных ученых и направлений их научной деятельности.
Наиболее подробно рассматриваемые вопросы систематизированы в трудах И. А. Рыбьева по истории и методологии 
строительного материаловедения, однако в широком научном 
мире монографии, учебники и учебные пособия, отражающие 
исторические аспекты развития строительных материалов, 
практически отсутствуют.
В современных условиях подготовка специалистов с высшим образованием в области строительства невозможна без 
знания исторических этапов зарождения науки о материалах, 
их развития, а также процессов дальнейшего расширения производства и интеграции научных знаний о строительных материалах и изделиях в их сложной совокупности.
В подготовке учебного пособия принимали участие студенты Череповецкого государственного университета, обучающиеся по направлению 08.00.00 «Техника и технологии строительства». Авторы признательны им за активное участие в подготовке материалов.
Пособие предназначено для студентов строительного направления высших учебных заведений, работников строительной отрасли, интересующихся историей строительства и производства.

ГЛАВА 1 
Становление и развитие
строительного материаловедения

Строительное материаловедение – наука о строи тельных 
материалах, их составе, свойствах, внутреннем строении, технологиях изготовления и области применения, долговечности и 
надёжности конструкций зданий и сооруже ний. Строительное 
материаловедение относится к числу основопола гающих среди 
строительных наук, поскольку без знания строительных материалов невозможно проектировать, строить, реконструировать, 
эксплуатировать объекты. Эта наука является многоотраслевой, 
т. к. посвящена изучению и систематизации строительных материалов, вырабатываемых в соответствующих отраслях промышленности в полной номенклатуре. Но кроме изучения и 
систематизации строительных материалов или групп (классов), сходных ме жду собой по определённым признакам (сырью, производ ственному назначению, генезису, и т. п.) в строительном ма териаловедении развивается направление, которое 
всесто ронне характеризует многообразные материалы – природные и искусственные, органические и неорганические, гомогенные и гетерогенные, твёрдые и жидкие, кристаллические и 
аморфные со всеми возможными промежуточными их разновидностями – в состоянии их сложнейшей совокупно сти как 
единой материальной системы. Эта часть науки представлена 
в виде законов, методов и научных принци пов, распространяющихся даже на те материалы, которые пока отсутствуют в 
общей номенклатуре и являются новыми или ещё не открытыми, сохраняя «вакантные» места в со ответствующих классификациях строительных материалов. Примером служит широко 
разветвлённая классификация искусственных строительных 
конгломератов (композицион ных материалов). Она объединяет 

ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ НАУКИ  
И ПРОИЗВОДСТВА 

6

в определённую систему подавляющее количество известных, 
а также пока неиз вестных строительных материалов, изделий 
и веществ (в основном вяжущих), участвующих в их образовании. В этой классификации все материалы условно разделены на без обжиговые и обжиговые. Основным признаком 
разделения служит характер отвердевания: безобжиговые при 
обычных температурах с кристаллизацией новообразований 
или вы делением аморфных частиц из растворов; обжиговые –  
с кристаллизацией или аморфизацией из огненно-жидких расплавов. Иногда в той же классификации выделяются ма териалы 
автоклавного твердения с синтезом новообразова ний при повышенных температуре и давлении пара в авто клаве.
В конгломератах безобжигового типа цементирующую 
часть составляют неорганические, органические и ком плексные 
вяжущие вещества. В конгломератах обжигового типа по разновидности цементов «высоких температур» вы деляют расплавы 
керамические, стекломассы, шлаковые, каменного литья и комплексные. В конгломератах автоклав ного типа наиболее типичными являются вяжущие, синтези рованные из исходных сырьевых компонентов в условиях гидротермической обработки. Вяжущая часть составляет микроконгломерат и служит матрицей 
при формировании макроструктуры.
От вяжущих веществ отходит большая сеть ответвлений 
грубодисперсных конгломератов, образованных с примене нием 
различных заполняющих компонентов и технологий. Классификация, объединяемая общей теорией, расширяет ся с появлением новых вяжущих веществ и заполнителей по мере разработки новых или модернизации существующих технологий и 
формирования структур. Новые конгломераты заполняют в ней 
вакантные клетки. Примечательно для этой классификации и то, 
что независимо от местоположения конгломерата при определённых условиях все они подобны и подчиняются общим законам оптимальных структур, являясь сопоставимыми между собой по физико-техническим свойствам.
Строительное материаловедение может быть сведено к 
трём основным взаимодействующим составляющим. Во-первых, в строительное материаловедение входят эмпирические 
знания, получаемые в виде новых и ранее полученных данных 
на производстве, в институтах в ходе экспериментов и опытно- 

ГЛАВА 1 
СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 

7

промышленных исследований, наблюдений за эксплуатацией 
материалов в конструкциях и т. п. Во-вторых, строительное материаловедение – это область теоретических знаний. Известно, 
что теория призвана объяснять фак ты, наблюдаемые в производственных, опытно-промышленных и лабораторных исследованиях; в эмпири ческом материале она открывает действие 
закономерностей, сводит их в единую систему, что приводит ко 
многим другим обобщениям и гипотезам, к созданию теории, 
нали чие которой переводит систему знаний в подлинную науку. В-третьих, строительное материаловедение содержит как 
неотъемлемый компонент вся кой науки её мировоззренческие 
основы. С развитием науки о строительных материалах изменились представления о прогрессивных и передовых технологиях 
их производства на уровне мировых достижений, о структурах, 
свойствах при оптимальных структурах, о закономерностях изменения свойств материалов, о долговечности при критическом 
уровне деструкции, об экологии окружающей среды и материалов как непременного критерия 
прогрессивной технологии, о максимальном использовании техногенного сырья при минимальном 
расходе природного и др.
На современном уровне развития строительного материало- 
ведения широко развиты три рассмотренные компонента. Но этому 
уровню, являю щемуся показателем третьего исторического этапа, пред шествовали ещё два этапа 
становления и совершенствования 
науки о строительных материалах.
Первый этап развития строительного материаловедения 
наиболее продолжителен во времени. Его можно разделить на 
подпериоды. Исходным моментом для начального становления 
науки о материалах явились получение керамики (рис. 1) сознательным изменением структуры глины (грунта) при нагревании 
(обжиге) на открытом огне и в примитивных специальных печах. Значительно позже научились снижать пористость керамики глазурова нием. Такое изобретение относится к IV тыс. до н. э.  

Рис. 1. Обломки керамики

ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ НАУКИ  
И ПРОИЗВОДСТВА 

8

и из вестно как египетский голубой 
фаянс (рис. 2). Ещё позже человечество познало металлы, о прочности и 
жёсткости которых было известно уже 
с VIII тыс. до н. э. Холоднокованая медь 
самородная была постепенно вытеснена медью, выплав ляемой из руд, встречавшихся в природе чаще и в больших 
количествах. На Среднем Востоке ис- 
пользование руды для получения ме- 
ди было примерно в IV тыс. до н. э.  
В дальней шем к меди стали добавлять 
другие металлы и около III тыс. до н. э.  
научились использовать бронзу, а также обрабаты вать благородные металлы. Масштабы применения метал лов возрастали, а поскольку железные руды оказались доступнее медных, то человечество вступило в железный век. Во II тыс. до н. э. преобладало 
железо, которое научились соединять с углеродом при кузнечной 
обработке в присутст вии древесного угля. Важная роль углерода в образовании стали и легкоплавкого чугуна была установлена лишь в 1774 году. Пока точно не установлено, когда начали 
применять термическую обработку стали, но известно, что в IX  
и VIII вв. до н. э. жители Луристана использовали её, хотя и без 
средств определения качества термической обработки.
С древних времён строительное материаловедение располагало сведениями о вя жущих веществах. Производство и применение минераль ных вяжущих веществ началось ещё в глубокой древности. Однако в античный период их изготовляли в небольших ко личествах для конкретных объектов, причём одним 
из пер вых вяжущих материалов была необожжённая глина. 
За 2500–3000 лет до н. э. использовались гипс и известь, полученные обжигом природного камня гипса и известняков. Их применяли, в частности, при сооружении пирамид в Египте. Позднее 
научились придавать известковым вяжущим гид равлические 
свойства, обжигать мергели с последующим помолом продукта. 
В 1825 году была опубликована книга Е. Челиева об изготовлении цемента (мертеля), что свидетельст вовало о высоком уровне науки о вяжущих веществах, которого она достигла к концу 
XVIII и началу XIX вв. Практически Е. Челиев и англичанин  

Рис. 2. Египетский голубой
фаянс

ГЛАВА 1 
СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 

9

Д. Аспдин получили прототип порт ландцемента в современном 
понимании.
Сознательное создание керамических вяжущих и металлических материалов и изделий было обусловлено оп ределённым 
прогрессом производства и связанным с ним увеличением производственных потребностей человека. Затем возросла потребность в более глубоком познании свойств материалов (особенно прочности, ковкости и др., а также причин их изменения) в 
связи с развитием море плавания, ирригации, постройки храмов 
и пирамид, укре плением дорог и других крупных сооружений. 
Первые теоретические представления о материалах исторически 
связаны с развитием философии, а затем и физики. Наи более 
правдоподобные суждения о веществе, слагаемом материалы, 
высказаны древнегреческими философами Демокритом (около 470 г. до н. э.) и Эпикуром (341–270 гг. до н. э.) в их учениях 
об атомизме, возникших под влияни ем наблюдений за строением и свойствами камней, кера мики, бронзы и стали. Примерно 
к тому же периоду отно сится философия величайшего мыслителя древности Аристотеля (384–322 гг. до н. э.). Он установил 
наличие у веществ 18 качеств и их противоположностей: плавкость – неплавкость, вязкость – хрупкость, горючесть – негорючесть и т. д., а также выразил агрегативные состояния вещества 
через четыре элемента: землю, воду, 
воздух и огонь, что с позиции физики 
явилось 
определённым 
достижением. Выдающийся философ Лукреций  
(99–55 гг. до н. э.) (рис. 3) в дидактической поэме «О природе вещей» изложил понимание прочности (крепости) 
материалов, признавая, что в мире вечно существует материя, её атомы. Эти 
и другие философы искали взаимосвязь между качеством материала и его 
атомистическим составом, хотя, естественно, до подлинно научных химических знаний о составе и свойствах было 
еще весьма далеко. Для науки древности характерна ее нерасчлененность  
по отдельным видам ма териалов.
Рис. 3. Философ Лукреций

ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ НАУКИ  
И ПРОИЗВОДСТВА 

10

Первый период развития строительного материаловедения 
охватывает и средневековье с характерными для него изысканиями в алхимии по превращению одних элементов в другие 
путём изменения качества природных веществ. В этот период 
Парацельс заменяет четыре элемента Аристотеля тремя своими – солью, серой и ртутью, что можно расценить как интуитивное предсказание роли межатомных связей при установлении причин различия в свойствах веществ. К этому же периоду 
относится и учение Декарта (1596–1650), утверждающего, что 
природа пред ставляет собой непрерывную совокупность материальных частиц. Движение материального мира вечно и заключается в перемещении мельчайших частиц – атомов, или, 
как их тогда называли, корпускул. Это учение было основой 
корпускулярной теории, являясь значительным шагом вперёд в 
по знании составов, внутренних взаимодействий и структур веществ. Однако физики с трудом объясняли сущность прочности 
и пластичности глинистых масс, ковкости металлов, а в молодой 
химии основное внимание сосредотачивалось на аналитическом 
определении состава соединений и способах обнаружения примесей золота и серебра в рудах и сплавах. Исследования, связанные с изучением структуры материалов, развивались медленно. 
Среди наиболее выдающихся работ этого периода следует выделить теорию Реомюра (1683–1757) о структуре (в современной терминологии – о микроструктуре) железа и её изменениях. 
Его опыты завер шились получением нового материала – ковкого чугуна. В первых книгах по материаловедению Бирингуччо 
(1480–1539) и Аргиколы (1494–1555) суммированы эмпирические сведения о литейном и кузнечном деле, о разработке и 
плавлении руд, об основах металлургического производства. 
Другие предприятия, например, по изготовлению строительного камня, лесоматериалов, некоторых вяжущих веществ, керамики, были менее крупными, что мало способствовало развитию соответствующих направлений строительного материало- 
ведения.
Краткое изложение первого этапа развития строительного 
материаловедения будет неполным без сведений о гениальных 
работах М. В. Ломоно сова и Д. И. Менделеева. 
М. В. Ломоносов (1711–1765) (рис. 4) явился основоположником химической атомистики, обосновывающей атомно- 
молекулярное строение материи. Касаясь корпускулярной