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[22]. 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	Субмикроско­пический (атомно-молекулярный)	Электрон­но-микро­скопический	До 10-7	Ядра, атомы, ионы, мо­лекулы
п	Микроскопиче­ский (коллоид­но-дисперсный)	Электрон­но-микро­скопический и оптический	10-7 — 10-5	Макромолекулы, крис­таллиты, кристаллы, сферолиты; фазы и фазо­вые контакты, микропо­ры, микротрещины
III	Мезоскопический (пылевид­ные фракции)	Оптический	10-5 — 0,014	Глобулы цементного ве­щества, наполнители (пы­левидные зерна), мезопоры, 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, рентгеновские, 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, дилато- метрии, дефектоскопии, седиментационного и гранулометрического анализов, физико-механических испытаний, тензометрии и др.	Оптические, химические, электрические и электрохимические, планиметрии и порометрии, реологические, дилатометрии, дефектоскопии, седиментационного и гранулометрического анализов, физико-механических испытаний, тензометрии, испытание стойкости, визуальных наблюдений, и др.	Планиметрии и порометрии, реологические, дилатометрии, дефектоскопии, седиментационного и гранулометрического анализов, физико-механических испытаний, тензометрии, испытания 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:

a — 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 приразличных процессах (смачивания, адсорбции, твердения цемента, кристаллизации и других) с помощью микрокалориметров 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 порометрии, 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^{-3 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 эксплуатационный 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.