Лекция 5 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ МЕТОДОВ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

Теория методов научного исследования и технического контроля качества является четвертой частью общей теории искусственных строительных конгломератов. Она выражает совокупность приемов и операций в теоретическом познании качественных характеристик ИСК, закономерностей, лежащих в основе методов испытания материалов при оценке их свойств в лабораторных и производственных условиях разрушающими и адеструктивными способами, приборами, аппаратами и автоматизированными средствами.

Первичным познавательным процессом служит наблюдение, проводимое в необходимых случаях с применением измерительных средств. Получаемых сведений обычно достаточно, чтобы судить о качестве материала при сравнении их со стандартными или проектными требованиями. Этот познавательный процесс как первая ступень экспериментального исследования по своему существу адекватен техническому контролю качества.

Высокой ступенью познания структуры и свойств ИСК является эксперимент. Научная глубина эксперимента зависит в первую очередь от состояния теории. Получаемые новые экспериментальные данные как дополнительные факты используются при дальнейшем развитии теории или служат объективным критерием достоверности теоретических положений, средством доказательства правильности научных предположений (вероятных гипотез). "Науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений" (Леонардо да Винчи).

Экспериментальные исследования ИСК производятся в основном с привлечением конкретных независимых методов ^[1]. Для получения надежных и объективных результатов одновременно может применяться несколько независимых методов, соединяемых в комплексы. Выбор методов научного познания, объединения их при необходимости в комплексы и обобщение методов исследования составляют главное звено методологии в общей теории ИСК. Для разных конгломератов могут использоваться одинаковые или близкие между собой независимые методы и их комплексы, особенно когда экспериментальные исследования проводятся на одном уровне дисперсности частиц материалов или на одном масштабном или структурном уровне.

В теории методов научного исследования ИСК установлено пять масштабных уровней и соответственно пять классов комплексов независимых методов научного познания (табл. 5.1). В них сосредоточены объективные комплексы независимых методов научного познания и отдельные независимые методы (табл. 5.2), что составляет основу согласованного, или гармонического, применения качественных и количественных методов научного исследования. Другая закономерность в этой теории устанавливает взаимосвязанный и взаимообусловленный характер классов, комплексов, независимых методов научного познания и получаемой с их помощью научной информации о структурных уровнях и объектах исследования в целом. Реальные возможности этой закономерности в методологическом отношении наглядно показаны на рис. 5.1.

Таблица 5.1. Классы комплексов и масштабные уровни исследований

Классы комплексов независимых методов	Масштабные уровни объекта изучения	Масштабы наблюдений	Пределы измерений, см	Объекты изучения
I	Субмикроско пический (атомно-моле кулярный)	Электрон но-микро скопический	До 10"7	Ядра, атомы, ионы, молекулы
II	Микроскопический (коллоидно-дисперсный)	Электронно-микроскопический и оптический	10 7-Ю-5	Макромолекулы, кристаллиты, кристаллы, сферолиты, фазы и фазовые контакты, микропо- ры, микротрещины
III	Мезоскопический (пылевидные фракции)	Оптический	10-5—0,014	Глобулы цементного вещества, наполнители (пылевидные зерна), мезопо- ры, контактные зоны
IV	Макроскопический (песчаная фракция)	Оптический и визуальный	0,014—0,5	Прослойки, межпоровые перегородки, заполнители (песок), макропоры
V	Мегаскопический (гравийно-щебенистая фракция)	Визуальный	Свыше 0,5	Растворная часть, заполнители (гравий, щебень, мегапоры, трещины)

Таблица 5.2. Комплексы и независимые методы

Классы комплексов независимых методов
I	II	III	IV	V
Радиометрические, электронной микроскопии, рентгеновские, термические, оптические, химические и др.	Электронной микроскопии, рентгеновски, термические, оптические, химические, электрические и электрохимические, планиметрии и порометрии, реологические, дилатометрические, дефектоскопии и др.	Рентгеновские, термические, оптические, химические, электрические и электрохимические, планиметрии и порометрии, реологические, дилатометрические, дефектоскопии, седиментационного и гранулометрического, анализов, физико-механических испытаний, тензорометрии и др.	Оптические, химические, электрические и электрохимические, планиметрии и порометрии, реологические, дилатометрические, дефектоскопии, седиментационного и гранулометрического, анализов, физико-механических испытаний, тензорометрии, испытание стойкости, визуальных наблюдений и др.	Планиметрии и порометрии, реологические, дилатометрические, дефектоскопии, седиментационного и гранулометрического, анализов, физико-механических испытаний, тензорометрии, испытание стойкости, визуальных наблюдений, длительных испытаний под нагрузкой, мегаскопия и др.

Выбор независимых методов, объединение их в классы и отбор в комплексы согласовывается с определением масштабного уровня объекта изучения. Выделяют его существенные структурные характеристики и их влияние на ключевые свойства конгломерата. Устанавливают взаимосвязь и взаимозависимость между объектом, целью исследования и методами научного познания.

Рис. 5.1. Схема взаимосвязи и взаимозависимости:

а — между объектом изучения и методами научного познания (объект структурный уровень -" класс -> комплексы); б — между целью исследования и методами научного познания (цель -► комплекс -" независимые методы)

Независимые методы познания могут быть прямые (например, оптические, микроскопические, электронно-микроскопические, рентгеновские) и косвенные (например, адсорбционные —для газов, пара, растворов, ртутной порометрии, капиллярной конденсации, проницаемости и др.). Из всех методов структурного исследования предпочтительнее, когда это возможно, пользоваться прямыми, хотя и встречаются трудности на некоторых уровнях исследования.

Для каждого структурного уровня выбирают свои классы, комплексы независимых методов, соответствующие явлениям и процессам, характерным для данного уровня, что обеспечивает наибольшую достоверность получаемых результатов исследования.

При разработке новых или совершенствовании традиционных методов и комплексов важно исходить не только из факторов, которые разделяют методы (цель исследования), но также из факторов, которые объединяют методы (объект и уровни исследования). На стадии экспериментальных работ предпочтение отдают комплексным методам, которые позволяют изучать как изменение свойств конгломерата, так и структурообразующие и деструкционные явления и процессы. При анализе результатов экспериментального изучения свойств ИСК устанавливают степень их соответствия закону створа и другим законам оптимальных структур. Последнее дополнительно позволяет убедиться в надежности и объективности принятых методов научного познания и их комплексов, а также в оптимальности структур ИСК.

Практическая значимость отмеченных выше закономерностей и правил применения объективных методов научного познания и их комплексов состоит еще и в том, что они позволяют совершенствовать известные и прогнозировать, разрабатывать новые методы исследования и технического контроля качества. Последнее составляет важную задачу общей теории ИСК и в целом строительного материаловедения. Теория методов научного исследования и технического контроля качества продолжает развиваться и совершенствоваться в направлении увеличения количества независимых методов и их комплексов, базирующихся не на условных, а на инвариантных характеристиках качества, находить более точные выражения в физическом и математическом моделировании технологий в лабораторных условиях и конгломератов со сходными (подобными) оптимальными структурами. Некоторые новые физические и физико-химические методы исследования служат и для технического контроля как в процессе изготовления, так и при оценке качества готовой продукции. Особенно полезными в технологиях материалов являются методы определения: удельной поверхности измельченных твердых материалов — порошков как наполнителей, цементов как вяжущих и др.; влияния поверхностно-активных веществ на величину поверхностного натяжения на границе двух фаз, вводимых в систему с целью гидрофобизации, гидрофилизации, воздухововлечения, пластификации и т. п.; количества выделяемой теплоты при различных процессах (смачивания, адсорбции, твердения цемента, кристаллизации и других) с помощью микрокалоримстров или других методов (термосного, адиабатического, изотермического и пр.); структурно-механических свойств пластично-вязких систем с помощью пластометров, вискозиметров, сдвиговых приборов; кинетики схватывания и отвердевания материалов с использованием электрических и ультразвуковых методов и соответствующих им приборов; характеристик пористости строительных материалов различными методами — сорбционными, микроскопическими, ртутной поромет- рии, основанными на взаимодействии материала с жидкостями и газами, рентгенографическими, механическими. Каждый из этих методов имеет свои пределы измерения радиусов пор, как правило, в пределах 10"⁷ — 10-* см.

Особым вниманием пользуются в строительном материаловедении адеструктивные методы измерений количественных показателей свойств изделий или образцов. Испытания не сопровождаются разрушением или нарушением структуры материала. Наиболее распространены акустические, комплексные, магнитные и электромагнитные, механические, радиометрические, рентгеновские и электрические методы. Они основаны на прямых и обратных зависимостях между физическими значениями, получаемыми при испытании неразрушающим прибором, и традиционными показателями свойств. Зависимости выражаются в виде формул, графиков, таблиц. С помощью этих методов определяют прочностные и деформативные показатели, модули упругости, среднюю плотность, влажность, фазовый состав; производят контроль качества и дефектоскопию. Измерения становятся более эффективными при комплексном использовании адеструктивных методов исследования с получением двух или нескольких физических характеристик.

В технологический и, особенно, в эксплуатационные периоды возникает необходимость в измерениях деформаций, вызываемых влиянием набухания, силовых, усадочных, температурных и других внешних и внутренних факторов с помощью оптических компараторов, индикаторов часового типа, дилатометров, тензометрических приборов, а также путем комбинирования различных методов и приборов; коррозионной стойкости к действию агрессивных сред в напряженном и свободном от напряжений состояниях. В целях сокращения сроков практикуются ускоренные физико-химические методы испытания морозостойкости, микротрещинообразования, определения тепловых и акустических характеристик и др.