Тетмайер

Людвиг фон Тетмайер (Ludwig von Tetmajer); 14 июля 1850 — 1 февраля 1905) — австро-венгерский и швейцарский инженер-строитель, учёный в области строительной механики и материаловедения. Профессор Цюрихского политехникума (ныне ETH Zurich) и Венского технического университета, основатель и первый директор Швейцарского федерального института испытаний материалов (Empa), один из создателей Международной ассоциации по испытаниям материалов и её первый президент.

Тетмайер - один из участников разработки научных основ технологии бетона, наряду с Фере и Малюгой.

Биография

Ранние годы и образование

Людвиг Тетмайер родился 14 июля 1850 года в Кромпахе (комитат Ципс, Верхняя Венгрия, Австрийская империя; ныне Кромпахи, Словакия) в семье Владислава Тетмайера, директора металлургического завода, и Луизы Эльснер. Семья принадлежала к австро-швейцарской ветви рода Тетмайеров; его двоюродными братьями были польский писатель Казимеж Пшерва-Тетмайер и художник Влодзимеж Тетмайер.

Детство, проведённое вблизи металлургического производства, сформировало его интерес к металлургии и экспериментам: уже в пятнадцать лет Тетмайер успешно ставил химические и физические опыты. В 1861 году поступил в гимназию в Розенау, в 1862 году — в реальное училище в Кашау (ныне Кошице), которое окончил с отличием в 1867 году. В 1868 году поступил на инженерный факультет Цюрихского политехникума.

В политехникуме Тетмайер учился у известных профессоров: Цойнера — изобретателя диаграммы парораспределения; Кульмана — основоположника графической статики; Земпера — архитектора; Шерра — немецкого писателя; Кундта — преемника Клаузиуса. В 1872 году он окончил обучение с высшими отметками по специальности «инженер-строитель».

Научно-педагогическая карьера

По окончании политехникума Тетмайер поступил на службу в Швейцарскую северо-восточную железнодорожную компанию, где работал мостовым конструктором. В 1873 году по приглашению профессора Кульмана он стал его ассистентом, оставаясь в этой должности до смерти Кульмана в 1881 году. В 1875 году Тетмайер получил звание приват-доцента по строительной механике. В 1875–1876 годах проходил военную службу в австро-венгерской армии; в 1877 году, приняв швейцарское гражданство, вышел в отставку в звании резервного офицера.

В 1878 году избран экстраординарным профессором, а в 1880 году возглавил только что учреждённый Институт испытаний строительных материалов (Festigkeitsprüfungsanstalt). С 1 февраля 1881 года — ординарный профессор строительной механики и технологии строительных материалов, постоянный директор института.

В 1893 году после смерти профессора Баушингера ему было предложено занять кафедру в Мюнхене, однако он отклонил предложение. В 1901 году принял приглашение Венского технического университета, где занял кафедру технической механики и материаловедения и приступил к созданию испытательной станции материалов по образцу цюрихской. В 1904 году избран ректором университета.

Скончался 1 февраля 1905 года в Вене от инсульта. Был похоронен в Цюрихе; позднее перезахоронен на Венском центральном кладбище, где ему установлена почётная могила.

Научная деятельность

Институт испытаний материалов (Empa)

Под руководством Тетмайера институт в Цюрихе стал международно признанным центром в области испытаний строительных материалов. К 1890-м годам объём работы института настолько возрос, что правительство выделило средства на строительство нового здания, завершённого в 1891 году. В этом здании были предусмотрены подземные лаборатории с постоянной температурой и защитой от магнитных помех — новаторское инженерное решение, реализованное с использованием шлакобетона по инициативе и под научным руководством Тетмайера.

С 1884 по 1894 год институт издал семь томов «Сообщений» (Mittheilungen der Anstalt zur Prüfung von Baumaterialien am eidg. Polytechnikum in Zürich), в которых публиковались результаты исследований. В этих трудах Тетмайер разработал методы испытаний природного и искусственного камня, древесины, металлов и цементов.

Классификация строительных материалов

Тетмайер ввёл коэффициент, позже названный его именем — отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности в сухом состоянии. Этот показатель, ныне известный как коэффициент размягчения, служил мерой пористости материала, его способности поглощать воду и морозостойкости. Горные породы он разделял на три класса с коэффициентами не менее 0,75, 0,6 и 0,5; для известняков — на два класса с коэффициентами не менее 0,75 и 0,6. Для кирпича первого сорта требовалась прочность на сжатие не менее 200 кг/см² при коэффициенте выше 0,9.

Для древесины Тетмайер разработал детальную методику отбора образцов, учитывавшую экспозицию склона, высоту над уровнем моря, тип почвы, время рубки и место взятия образцов. Главным критерием качества древесины он считал предел прочности при поперечном изгибе.

Испытания металлов. «Число качества»

Для оценки качества металлов Тетмайер предложил «число качества» — произведение предела прочности на растяжение на коэффициент упругости. Этот критерий вызвал острую дискуссию в научных кругах. Американский инженер Уильям Кент в 1896 году указывал, что произведение прочности на удлинение не позволяет различить материалы с принципиально разными свойствами. Тем не менее, критерий Тетмайера был принят швейцарским и австрийским правительствами и использовался в Германии.

Формула Тетмайера для сжатых стержней

В ходе испытаний колонн Тетмайер установил, что формула Эйлера для продольного изгиба, применимая к длинным стержням, непригодна для стержней средней гибкости. Он показал, что коэффициент в формуле Шварца–Ренкина не является постоянной величиной, а зависит от отношения длины стержня к радиусу инерции сечения. Для чугуна и кованого железа он вывел эмпирические линейные зависимости критического напряжения от гибкости, которые вошли в историю как формулы Тетмайера.

Томасовское железо как строительный материал

По заказу германской металлургической промышленности Тетмайер провёл испытания томасовской стали. Результаты показали, что при определённых условиях томасовское железо не уступает сварочному. Он установил, что при пробивке отверстий в листовом железе кромки становятся хрупкими, но это устраняется отжигом или рассверливанием отверстия.

В 1894 году Тетмайер подготовил доклад о поведении томасовских рельсов в эксплуатации, что привело к отмене правительственного указа, запрещавшего использование томасовской стали на государственных железных дорогах.

Международная деятельность

Тетмайер был инициатором создания Международной ассоциации по испытаниям материалов и в 1895 году стал её первым президентом, занимая этот пост до 1901 года. Его такт и дипломатичность сыграли решающую роль в привлечении французских учёных к участию в конгрессе в Цюрихе.

Исследования цементов

В шестом и седьмом томах «Сообщений» (1893–1894) Тетмайер опубликовал фундаментальные исследования гидравлических цементов.

Шлакоцемент

Особое внимание Тетмайер уделил шлакоцементу — продукту переработки доменного шлака, который до 1870-х годов считался отходом. В 1880 году металлургический завод Людвига фон Ролля в Шуэнде начал исследовать возможность использования цемента, состоящего исключительно из шлака. Директор завода Карл Гуглер обратился к Тетмайеру с просьбой провести систематическое научное исследование этого материала. Тетмайер, оценив потенциал нового гидравлического вяжущего, лично посетил завод, изучил существующие здания, возведённые с применением шлакоцемента, и ознакомился с процессом двойного помола шлака и извести, обеспечивающим наилучшие характеристики твердения. В течение следующего года под руководством Тетмайера в институте были испытаны многочисленные образцы гранулированного шлака и шлакоцемента из Шуэнде.

Тетмайер экспериментально доказал решающее значение грануляции шлака для проявления его гидравлических свойств. Он установил, что шлак должен выходить из домны под большим давлением и подвергаться воздействию сильной холодной струи воды — это приводит к изменению молекулярной структуры, аналогичному образованию вулканического пепла (пуццолана). Согласно теории Тетмайера, именно быстрое охлаждение обеспечивает гидравлические свойства, хотя мнения современников о правильности этого предположения разделились.

Тетмайер показал, что при увеличении соотношения глины и кремния в шлаке возрастает склонность к растрескиванию; то же происходит при избытке извести. Смеси шлаковой муки с минералами, бедными известью, менее склонны к растрескиванию, чем смеси с минералами, богатыми известью. Он также установил, что тяжёлые разновидности шлака более пригодны для производства цемента.

Результаты испытаний в Физическом корпусе Цюрихского политехникума оказались столь успешными, что Тетмайер рекомендовал использовать шлакоцемент даже при температурах ниже точки замерзания. В 1890 году при строительстве Цюрихского городского театра (ныне Оперный театр) он предложил использовать шлакоцемент с добавлением двух процентов соли, чтобы обеспечить твердение в условиях низких температур и строго ограниченных сроков. Анализ конструкции в 1893 году не выявил существенных дефектов ни в материале, ни в его применении. В 1894 году шлакоцемент использовался при строительстве Национального музея в Цюрихе для фундаментов, стен подвала и сводов, хотя результаты оказались неоднозначными.

Благодаря посреднической работе Тетмайера между металлургическим заводом, институтом и научной сферой шлакоцемент был утверждён в строительной практике. Его публикации широко цитировались в международных журналах, что установило его как эксперта по шлаку как гидравлическому вяжущему на международной арене. Цемент из Шуэнде стал торговой маркой высококачественного шлакоцемента.

Тепловые испытания цементов

Тетмайер провёл масштабные испытания цементов на долговечность с использованием ускоренных тепловых методов. Всего было испытано 139 портландцементов, 46 шлакоцементов, 45 натуральных цементов и 104 гидравлических извести.

Тетмайер сравнил пять методов тепловых испытаний:

1. Испытание в холодной воде — образцы в виде лепёшек толщиной 1 см в центре и сходящих на нет к краям, диаметром 1 дм, выдерживались в течение трёх лет.
2. Испытание на воздухе — аналогичные лепёшки выдерживались в умеренно влажной атмосфере при постоянной температуре в течение трёх лет.
3. Испытание в сушильной печи — лепёшки помещались на опоры в сосуд с небольшим количеством воды на дне; нагрев производился постепенно так, чтобы вода испарилась за 3–6 часов. После испарения воды нагрев продолжался полчаса до температуры 120 °C. Внутренняя часть лепёшек при этом не нагревалась выше 100 °C.
4. Испытание нагреванием докрасна — шарик диаметром несколько сантиметров помещался на подставку и подвергался воздействию газового пламени; нагрев регулировался так, чтобы через полчаса температура шарика достигала температуры руки, ещё через полчаса — 90 °C, и затем с той же скоростью до красного каления.
5. Испытание кипячением — шарик помещался в сосуд с водой, воду доводили до кипения за полтора часа и кипятили в течение шести часов.

Французский химик Анри Ле Шателье, комментируя эксперименты Тетмайера, указывал на методические недостатки: неравные условия для образцов с разным временем схватывания, невозможность точного воспроизведения нагрева в печи. Тем не менее, он признавал, что испытание кипячением — единственный из предложенных методов, в котором можно обеспечить одинаковые условия во всех случаях.

Результаты испытаний:

• Портландцементы (139 образцов): в холодной воде за три года признаки разрушения показали только два цемента. На воздухе 18 цементов разрушились полностью и 7 — частично. Испытание кипячением разрушило 17 цементов полностью и вызвало трещины ещё в 11. Все цементы, разрушавшиеся на воздухе, разрушались и при кипячении; при этом время до разрушения в воздухе коррелировало с временем до разрушения в кипящей воде: цементы, разрушавшиеся на воздухе менее чем за шесть месяцев, не выдерживали кипячения более четырёх часов; те, что разрушались за несколько дней, разрушались в кипящей воде менее чем за два часа. Тетмайер заключил, что для портландцементов испытание кипячением даёт в шесть часов те же результаты, что и годовая выдержка на воздухе.

• Шлакоцементы (46 образцов): в холодной воде все показали стабильность. На воздухе пять образцов разрушились значительно и 15 — в меньшей степени; результаты варьировались в зависимости от степени влажности. Испытание кипячением не дало ни одного случая полного разрушения, но пять цементов, которые не прошли испытание на воздухе, дали трещины. Испытания в печи и нагреванием докрасна дали менее выраженные результаты. Тетмайер заключил, что кипячение выявляет заведомо некачественные шлакоцементы, но не даёт однозначных результатов для сомнительных.

• Натуральные цементы (45 образцов): все оказались стабильными в холодной воде и на воздухе. При кипячении 13 разрушились полностью и 8 дали трещины. Тетмайер заключил, что ни один из трёх тепловых методов не подходит для натуральных цементов, и предложил для них испытание в горячей воде при 50 °C. Ле Шателье, однако, счёл результаты слишком необычными, чтобы принимать их без проверки, отметив, что натуральные цементы всегда более нерегулярны в своём поведении, чем искусственные, и что трудно поверить, будто из 45 случайно отобранных цементов ни один не был некачественным.

• Гидравлические извести (104 образца): 10 % показали более или менее выраженное разрушение в холодной воде и на воздухе. В кипящей воде 30 разрушились полностью и 20 дали трещины. Тетмайер заключил, что тепловые испытания непригодны для гидравлических известий, и предложил, как и для натуральных цементов, испытание в горячей воде при 50 °C. Ле Шателье не считал этот вывод абсолютно оправданным, указывая, что разрушение известий в кипящей воде всегда происходило с медленно твердеющими образцами, которые были погружены в воду до наступления истинного схватывания.

Ле Шателье подвёл итог: «Ни одна гидравлическая известь или цемент, заведомо некачественные, не могут избежать испытания кипячением. Остаётся доказать, что все цементы, не выдержавшие это испытание, действительно плохи».

Влияние агрессивных сред

Тетмайер исследовал влияние различных сред на прочность цементов. Он пришёл к выводу, что в концентрированном состоянии сточные воды не оказывают вредного влияния на процесс твердения. Он также изучал воздействие на цемент воды, углекислоты, нефти и глицерина.

Стандартизация

Тетмайер был одним из инициаторов создания Ассоциации швейцарских производителей цемента в сентябре 1881 года. На учредительном собрании были представлены первые швейцарские нормы для номенклатуры, поставки, испытаний и классификации гидравлических вяжущих, подготовленные Тетмайером в диалоге с производителями. В швейцарских нормах 1883 года термин «шлакоцемент» ещё не упоминался; однако в редакции 1887 года был перечислен «шлакоцемент (ciment de laitier), как единственный на тот момент заводской вид пуццолановых цементов».

Тетмайер также исследовал влияние большего или меньшего давления при производстве испытательных образцов (для Комиссии № 5) и более полно описал испытание горячей водой с целью сокращения времени испытаний (для Комиссии № 7), но пришёл к выводу, что этот метод не даёт желаемых результатов.

В множестве источников, описывающих лабораторное оборудование, в частности, прибор Вика, упоминается, что пестик этого прибора называется пестик Тетмайера.

Испытания растворов

Известен прибор Тетмайера для испытания растворов на водонепроницаемость. Сущность прибора заключается в том, что пластинка достаточной толщины, изготовленная из испытуемого раствора подвергается с одной стороны гидравлическому давлению. Просачивающаяся по другую сторону пластинки вода, отнесенная к единице площади и единицы времени, служит мерой водонепроницаемости раствора

Основные труды

• Methoden und Resultate der Prüfung natürlicher und künstlicher Bausteine. — 1884.
• Methoden und Resultate der Prüfung der schweizerischen Bauhölzer. — 1884.
• Methoden und Resultate der Prüfung von Eisen und Stahl und anderer Metalle. — 1886.
• Die angewandte Elastizitäts- und Festigkeitslehre. — 2-е изд., 1905. — 1889.
• Bericht über Methoden und Resultate der Prüfung von Draht und Drahtseilen. — 1890.
• Bericht über den Neubau, die Einrichtung und die Betriebsverhältnisse der schweizerischen Materialprüfungs-Anstalt. — 1893.
• Methoden und Resultate der Prüfung hydraulischer Cemente. — 1893.
• Die Gesetze der Knickungs- und der zusammengesetzten Druckfestigkeit der technisch wichtigsten Baustoffe. — 3-е изд., 1903. — 1901.

Память

В честь Людвига фон Тетмайера названа улица в Вене (район Хитцинг). Его могила на Венском центральном кладбище является почётной. Созданный им институт (ныне Empa — Швейцарская федеральная лаборатория материаловедения и технологий) продолжает оставаться одним из ведущих исследовательских центров в области материаловедения.

Литература

• Schlachetzki S. M. Slag, Norms, and Patents. Circulating Knowledge and Experimental Laboratory Construction at the Swiss Federal Polytechnic School 1880–1900 // 8th International Congress on Construction History. — Zurich, 2024.
• Professor L. V. Tetmajer // Digest of Physical Tests. — 1896. — Т. I, № 4. — С. 249–262.
• Recent Experiments with Heat Tests for Cement // Digest of Physical Tests. — 1896. — Т. I, № 4. — С. 40–44.
• Heat Tests for Cement // Digest of Physical Tests. — 1896. — Т. I, № 4. — С. 65.
• Kent W. Product of Strength by Elongation as a Criterion for the Acceptance or Rejection of Steel // Digest of Physical Tests. — 1896. — Т. I, № 1.
• Mangold F. Die Zement-, Kalk- und Gips-Industrie in der Schweiz. — Basel: Böhm, 1931.

Ссылки

• Ludwig von Tetmajer-Przerwa на сайте Венского технического университета
• Tetmajer, Ludwig von в Австрийском биографическом словаре
• Das Polytechnikum als Bauplatz на сайте ETH Zurich
• Tetmajer formula в энциклопедии JSME
• Книги Тетмайера в Internet Archive