New technologies

PROSPECTS FOR THE USE OF SYNTHETIC MINERAL ALLOYS IN CONTEMPORARY ARCHITECTURE, LANDSCAPE DESIGN AND IMPROVEMENTS

УДК: 69
Шифр научной специальности: 38.3

Abstract

Чего не хватает жителям современных городов? Разумеется, пространства зеленых островков и чистого воздуха. Многие исследования в области медицины и психологии подтверждают, что подобный дефицит негативным образом сказывается не только на физическом самочувствие, но и на психологическом комфорте обитателей современных городов. Чем меньше доля натурального и естественного в ландшафте и архитектуре мегаполиса, тем выше вероятность развития стресса у его жителей. К сожалению, экономические условия не позволяют создавать сады и парки на территории городов в необходимом количестве. Поэтому популярность приобретают более гибкие решения по гуманизации городской среды [1-4], в том числе активно разрабатываются проекты по организации миниатюрных зеленых площадок и возведению «экосооружений».

К материалам, используемым при реализации современных архитектурных проектов, направленных на гуманизацию среды, предъявляются определенные требования. Прежде всего, они должны быть экологически чистыми и безопасными, долговечными, обладать высокой степенью декоративности, способствовать энерго- и ресурсосбережению, быть легко утилизируемыми и недорогими.

Традиционными материалами для архитектуры являются стекло, металл, бетон, кирпич, а для малоэтажного строительство дерево, так же активно используются некоторые разновидности полимеров и вяжущих смесей различного состава. Существующий спектр материалов удовлетворяет лишь ряду предъявляемых требований. Чаще всего для воплощения замыслов архитекторов по созданию энергоэффективных зданий и экологических зон в городах свойств этих материалов недостаточно, а существующие современные материалы оказываются слишком дороги.

Разрешить сложившуюся ситуацию можно не только за счет создания новых материалов, но и благодаря переосмыслению уже существующих разновидностей или редко используемых. Тому есть исторические примеры – появившаяся в XVII веке технология производства листового стекла позволила полностью переосмыслить отношение к его привычным свойствам [5]. Среди существующих материалов, обладающих подобным потенциалом, можно назвать синтетические минеральные сплавы (симиналы).

Целью настоящей работы является изучение симиналов как архитектурных материалов.

Симиналы – это группа материалов, полученных в результате плавления при высоких температурах (1200-1500^о) натурального каменного сырья (горные породы основного и ультраосновного характера) или техногенных отходов подобных по составу, например, доменного шлака. Технология получения симиналов также известна как технология каменного литья [6].

Технология каменного литья подразумевает принципиально иной подход к обработке каменного сырья, поскольку основана на переработке его в жидком (расплавленном) состоянии, а не при механической обработке. Перевод техногенного или природного каменного сырья в жидкое состояние (плавка) может производиться в различных плавильных агрегатах – топливных или электрических. Наиболее современными и эффективными являются электродуговые установки. Температура плавления обычно находится в интервале 1300-1400^оС.

Формообразование изделий из расплава производится путем его заливки в литейные формы, аналогично художественному литью из металлов. Так же как и в металлическом литье, формы могут быть песчано-глинистыми, керамическими и металлическими. Наиболее дешевыми и простыми в изготовлении являются песчано-глинистые формы. После заливки расплава в форму отливки должны быть подвергнуты ступенчатой термической обработке, которая обеспечивает формирование структуры с оптимальным соотношением кристаллических и аморфных составляющих [7]. Без проведения термической обработки, материал переходит в твердое, аморфно-стекловатое напряженное состояние, такие отливки имеют повышенную хрупкость и склонны к образованию трещин. Ступенчатая термическая обработка обычно проходит в два этапа: выдержка при температуре 800-900^оС в течение 120-180 мин. и дальнейшее охлаждение до комнатной температуры со скоростью 30^оС/мин. Продолжительность второго этапа зависит от массы отливки, обычно для отливок массой от 1 до 20 кг занимает примерно 10-18 часов.

Исследования, проведенные ранее [8], доказывают, что в результате обработки сырья по технологии каменного литья образуется материал близкий по минеральному составу к изначальному. То есть, по сути, отливка представляет собой литое изделие из натурального камня, которое ничуть не уступает ему по свойствам, но при этом не образуется отходов резания, структура материала выравнивается, и межфазные напряжения в нем сводятся к минимуму.

Симиналы являются уникальными материалами, сочетая в себе твердость и долговечность природного камня, легкость формообразования металла, экологически чисты, безопасны, не способствуют росту плесени, способны аккумулировать тепло и медленно его проводить, но при этом они востребованы исключительно как конструкционный материал. Из симиналов обычно делают футеровочные плиты, трубы, гидроциклоны и прочие детали промышленных коммуникаций и конструкций. До сегодняшнего дня использование симиналов в строительстве и архитектуре сдерживалось только явно скудными эстетическими качествами. «Технические» симиналы обладают однотонным цветом, оттенок которого изменяется в диапазоне от черного до темно-зеленого, они хорошо полируются. Но для, того чтобы воплотить все замыслы художников и архитекторов, этого недостаточно.

Исследования, проведенные авторами, позволили добиться получения симиналов с расширенной цветовой гаммой, а именно – коричневого, зеленого, голубого и синего оттенков. Причем, без использования пигментов, а методом применения в качестве сырья для получения симиналов техногенных отходов (доменный шлак и шликеры эмалевого производства) с низким содержанием оксидов железа и содержащих фтористые, фосфорные и титанистые соединения, которые и выполняли роль хромофоров [9]. Кроме того, изучение поведения расплава позволило использовать явление его расслоения на две жидкие фазы для получения контрастной текстуры, подобной натуральному камню [10]. На рис. 1 представлена палитра достигаемых авторами цветов при синтезе симиналов, а на рис. 2 – образцы симиналов с текстурой.

Рис. 1. Палитра достигнутых оттенков симиналов

Рис. 2. Образцы текстурированных симиналов (фото автора)

Симиналы, обладающие эстетическими свойствами, уже могут применятся для изготовления облицовочных изделий и элементов мощения (рис. 3), архитектурных элементов (рис. 4) и скульптурных произведений (рис. 5) и т.д. Однако доступность сырья и более низкая стоимость, чем у изделий из натуральных камней, позволяет рассматривать симиналы как материал для благоустройства в более широком смысле.

Ландшафтный дизайн мы рассматриваем в данном контексте как элемент гуманизации среды, то есть прежде всего имеем в виду создание таких зон в городе, которые могли бы способствовать психологической разгрузке. Традиционно это парки и сады, в которых симиналы могут использоваться для организации покрытия дорожек. Однако помимо традиционных форм сада существуют альтернативные, например, набирающие популярность в последнее время японские «сады камней».

а – шестигранная плитка (300х300 мм)	б – секторная плитка (250х150 мм)	в – фасонная плитка (250х150 мм)

Рис. 3. Облицовочные изделия из симиналов

Рис. 4. Архитектурные и интерьерные изделия из симиналов (фото автора)

Рис. 5. Скульптурные произведения из каменного литья

Использование в ландшафтном дизайне

Обычно «сад камней» представляет собой ровную площадку, большая часть которой засыпана песком или мелкой галькой (рис. 6). Но главным элементом являются, на первый взгляд, хаотично расположенные на ней группы неотесанных камней. Однако беспорядочность только кажущаяся, на самом деле расположение и композиция камней в группах подчиняются определенным правилам, исходящим из мировоззренческих концепций автора. На поверхности сада с помощью граблей делаются бороздки, идущие вдоль длинной стороны сада и образующие кольцевые окружности вокруг камней. Традиционно считается, что поверхность сада символизирует океан, а камни – острова, но посетитель сада может представить на его месте что-то своё. «Сад камней» продолжает архитектуру дома и зависит от его интерьера.

Неотесанные камни для организации японского сада тщательно подбираются по цвету, форме и размерам, однако, их вполне могут заменить отливки из симиналов. Достичь формы неотесанного камня можно используя натуральные камни в качестве модели. Отливки из симиналов, имитирующие неотесанный камень, могут использоваться для организации популярных «альпийских горок» (рис. 7) и организации многоуровневых насаждений (рис. 8).

Рис. 6. Традиционный японский сад камней.
Источник: http://leit.ru/modules.php?name=Pages&pa=showpage&pid=1447

Укрепление откосов

Казалось бы, проблем в данной сфере нет, откосы давно укрепляют щебнем и брикетами «щебень + проволока», однако, внешний вид подобных конструкций оставляет желать лучшего. Если в укреплении нуждаются откосы в городах, для обеспечения их гармонизации с окружающей предметно-пространственной средой необходимо добиться их эстетической привлекательности. В некоторых случаях улучшение внешнего вида откосов достигается использованием изделий из бетона, соединенных между собой (рис. 9). Однако, если сравнивать бетон и симиналы, то он им явно проигрывает. Ведь у симиналов и водопоглощение практически отсутствует, и морозостойкость значительно выше (табл. 1), а значит и долговечность укрепеления из симиналов будет выше в несколько раз.

Таблица 1.

В совокупности высоких свойств с полной свободой в размерах изделий и низкой стоимостью (табл. 2) симиналы могут применятся для укрепления различных объектов – от железнодорожных откосов до небольших искусственных водоемов (рис. 10).

Рис. 9. Соединение бетонных изделий для укрепления откосов. 
Источник: http://gabions.com.ua/cat.php?divid=7&lang=ru

Рис. 10. Использование бетонных изделий для укрепления различных наклонных поверхностей.
Источник: http://gabions.com.ua/cat.php?divid=7&lang=ru

Таблица 2. 

Цветные дорожные покрытия

Согласно исследованиям европейских и американских ученых [11], значительный положительный эффект зафиксирован при использование дорожных покрытий светлых оттенков. Данный вид покрытий позволяет улучшать видимость в темное время суток и при погодных условиях ухудшающих видимость. В сравнение с обычными асфальтобетонами серого и темно-серого цветов, светлые дорожные покрытия обладают лучшей отражательной способностью.

Повлиять на психологический комфорт водителя могут дорожные покрытия, окрашенные в различные яркие цвета. Исследования, проведенные совместно европейскими и азиатскими учеными в начале 80-х годов XX в. [12], доказали, что изменение цвета последовательных участков дорожного покрытия с чередованием раскраски уменьшает утомляемость водителя на участках с однообразным ландшафтом, повышает его внимание и помогает лучше ориентироваться в сложных развязках.

С помощью ярко окрашенных покрытий возможно осуществлять зонирование проезжей части. Например, остановки общественного транспорта выделять красным или желтым цветом, обычно. Чтобы не нарушать сплошности, эти участки дорожного полотна окрашиваются специальными износостойкими покрытиями (рис. 11). С этой же целью с помощью ярких цветов выделяют пешеходные переходы (рис. 12) и организуют специализированные барьеры («лежачие полицейские»), обозначают зоны, расположенные вблизи от железнодорожных переездов.

Рис. 11. Использование цветного асфальта для зонирования проезжих частей.
Источники: http://hikar.ru/article.php?id=26; http://www.idh.ru/jornal/archive/article329.html

Цветные дорожные покрытия позволяют в значительной мере снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Не так давно в рамках исследований Нобелевского лауреата Стивена Чу [13] по борьбы с глобальным потеплением было установлено, что приостановить этот негативный экологический процесс может окрашивание всех ровных поверхностей зданий и дорог в белый или светло-серый цвет. Увеличением площади светлых поверхностей можно бороться с глобальным потеплением за счет отражения солнечной радиации.

Рис. 12. Использование цветного и фактурированого асфальта для разметки пешеходных зон (заимствовано из проекта В. Злоказова) 

Светлые дорожные покрытия, благодаря окрасу, становятся более долговечными, поскольку меньше нагреваются в дневное время; с наступлением ночи, при остывание, температурный перепад, который испытывает на себе дорожное покрытие, не так велик, как у темного покрытия – в результате снижается интенсивность его износа и увеличивается срок службы.

Эстетические концепции применения симиналов в строительстве и архитектуре

Понятие «камень» вызывает ассоциации, связанные с надежностью, уверенностью и долговечностью. Симинал способен заменить камень без утраты этих ассоциаций. Естественность симиналов в сочетание с их технологичностью является олицетворением рационального отношения к ресурсам, экологии, пространству и форме. Разумеется, симиналы – это специфичное средство архитектурного освоения пространства, но свобода формообразования позволяет им быть востребованными в качестве яркого выразительного средства.

Особая специфика в применении симиналов заключается в том, что они станут заменой наиболее архаичного и в тоже наиболее востребованного строительного материала – камня.

Современный подход к симиналам, который мы используем, подразумевает не просто развитие технологии их синтеза, а изменение его первейшего назначения с технического на эстетическое. Камень в современной архитектуре востребован, это означает, что и наиболее совершенная его замена будет иметь успех на рынке. Другие существующие замены камня не сочетаются с натуральным камнем, это значительно ограничивает их применение. Симиналы сочетаются с натуральным камнем хорошо, это показано на примере комбинированных сувенирных изделий (рис. 13) [14]. Сочетание симиналов и натуральных камней создает оригинальный интерьер и экстерьер построек, в основе которых часто лежит достаточно тривиальная объёмная форма.

Рис. 13. Комбинированные изделия из симиналов и натурального камня (выполнено авторами)

Симиналы обладают огромным техническим и эстетическим потенциалом, в силу ряда причин используются пока ограниченно, а в архитектуре особенно. Дело не только в малой известности материала, но и в недостаточном уровне его эстетических свойств, который устраним путем приданиям симиналам цветности и текстурности. Применение новых специфичных материалов всегда воспринимается с определенным скепсисом, однако, он легко может быть опровергнут теми результатами, которые уже получены нами [9,10].

References

1. Нефедов В.А. Современный ландшафт Франции: гармоничный шарм с очевидной гуманизацией среды / В.А. Нефедов // Ландшафтная архитектура. Дизайн, 2008. – №1. – С. 24-33.

2. Нефедов В.А. Средства архитектурно-ландшафтной реконструкции города / В.А. Нефедов // АСД. архитектура. Строительство. Дизайн.– 2005. – №1. – С. 60-61.

3. Конева Е.В. К вопросу об исследовании смыслового и образного потенциала архитектурно-пространственной среды города [Электронный ресурс] / Е.В. Конева // Архитектон: известия вузов. – 2006. – №14. – Режим доступа: http://archvuz.ru/en/magazine/Numbers/2006_02/template_article?ar=TA/ta22 

4. Беккер А. Ю. Современная городская среда и архитектурное наследие / А. Ю. Беккер. – М.: Стройиздат, 1986. – 204 с.: ил.

5. Чикота М.Ю. Стекло и архитектура [Электронный ресурс] / М.Ю.Чикота //Архитектон: известия вузов. – 2005. – №4(12).– Режим доступа: http://archvuz.ru/en/numbers/2005_4/ta7 

6. Игнатова А.М. Многотоннажная технология переработки металлургических шлаков и отходов горно-обогатительных комбинатов (ГОК) в литые силикатные материалы для различных сфер промышленности, промышленного, гражданского и дорожного строительства / А.М. Игнатова, В.П. Чернов //Ползуновский альманах. – 2009. – № 3 т. 2. – С. 129-131.

7. Игнатова А.М. Правила управления структурой и свойствами каменного литья / А.М. Игнатова // Вестник Пермского государственного технического университета (сер. Машиностроение. Материаловедение). – 2010. – №3. – т.14

8. Игнатова А.М., Черных М.М. Каменное литье в изготовление декоративных изделий и архитектурно-художественных элементов / А.М. Игнатова, М.М. Черных // V междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики: сб. тр. – Тула, 2009. – С. 19-27.

9. Игнатова А.М. Разработка шихты для шлаколитых изделий на основе техногенных отходов доменного производства Чусовского металлургического завода / А.М. Игнатова, В.Г. Камерцель, В.П. Чернов // Перспективы технологии материалы: мат. междунар. науч.-тех. конф. – Пермь: ПГТУ, 2008. – С. 183.

10. Игнатова А.М. Природа ликвационных явлений в синтетических расплавах каменного литья / А.М. Игнатова // Успехи современного естествознания. – 2010.– №8. – С. 22-23.

11. Гезенцвей Л.Б. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей. – М. : Транспорт, 1976. – 334 с.

12. Горелышев Н.В. Технология и организация строительства автомобильных дорог : учебник / Н.В. Горелышев. – М. : Транспорт, 1991. – 551 с.

13. The Study of Individual Biolomecules with Fluorescence Microscopy / Hazen Babcock, Taekjip Ha, Harold D. Kim, Doug Smith, Xiaowei Zhuang, Steven Chu, Jeffrey W. Orr, and James R. Williamson //Proc.of the Int. Conf. on Laser Spectroscopy, World Scientific, 1999.

14. Игнатова А.М. Дизайн сувенирных изделий из каменного литья и природных материалов / А.М. Игнатова, М.М. Черных, М.Н. Игнатов // Дизайн. Материалы. Технологии. – 2011. – №2

Citation link

Ignatova A.M.? Ignatov M.N. PROSPECTS FOR THE USE OF SYNTHETIC MINERAL ALLOYS IN CONTEMPORARY ARCHITECTURE, LANDSCAPE DESIGN AND IMPROVEMENTS [Online] //Architecton: Proceedings of Higher Education. – 2011. – №3(35). – URL: http://archvuz.ru/en/2011_3/18 

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная