化学和建筑材料

建筑材料中的化学土木建筑工程学院张赫茨2009301550152建筑行业在国民生产建设中占有很重要的地位，属于支柱产业的范畴，而建筑材料是建筑行业中很重要的组成部分，所以建筑材料具有十分重要的意义。而建筑材料包括各种各样的化学物质，建筑材料的化学性质很大程度上决定了建筑的质量和寿命，下面来讨论一下建筑材料与化学之间的关系，建筑材料是土木工程和建筑工程中使用的材料的统称。可分为结构材料、装饰材料和某些专用材料。结构材料包括木材、竹材、石材、水泥、混凝土、金属、砖瓦、陶瓷、玻璃、工程塑料、复合材料等；装饰材料包括各种涂料、油漆、镀层、贴面、各色瓷砖、具有特殊效果的玻璃等；专用材料指用于防水、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔热、保温、密封等。建筑材料长期承受风吹、日晒、雨淋、磨损、腐蚀等，性能会逐渐变化，建筑材料的合理选用至关重要，首先应当安全、经久耐用。建筑材料用量很大，直接影响到工程的造价，通常建材费用占工程总造价的一半以上，因此在考虑技术性能时，必须兼顾经济性。一、.建筑材料的分类建筑材料按化学成分可分为三大类：无机材料、有机材料和复合材料。无机材料包括金属材料、非金属材料。有机材料包括植物材料、沥青材料、合成高分子材料。复合材料包括有机－无机、金属－非金属、金属－有机无机材料中的金属材料主要包括黑色金属（钢铁、不锈钢）和有色金属（铝、铜、铝合金），而非金属材料主要包括天然石材（花岗岩、大理石等）、烧土制品（粘土砖、瓦、陶瓷）、胶凝材料（石灰、石膏、水泥）玻璃（平板玻璃、玻璃砖）、无机纤维材料（玻璃、碳纤维）有机材料中植物材料包括木材、竹材、植物纤维等，沥青材料包括煤、石油沥青、各类卷材，合成高分子材料包括塑料、涂料、胶粘剂。复合材料分为有机－无机（树脂混凝土、纤维增强塑料等）、金属－非金属（钢筋混凝土、钢纤维混凝土）、金属－无机材料（涂覆钢板、涂覆铝合金板、塑铝管、塑钢门窗等）要合理地选用材料，就必须对不同材料进行比较，了解各种材料的特性，包括强度与破坏特性、变形性能、耐久性能等多方面二，建筑材料的发展建筑材料的发展主要分为三大阶段：远古时代——------“穴居巢处”、石器、铁器时代—“凿石成洞，伐木为棚”、筑土垒石阶段——烧制砖瓦、石灰------筑土垒石------烧砖烧瓦。发展到现代的建材有三大建材：木材、钢材、水泥，外加塑料统称为四大建材建筑材料的发展趋势有4个方面，传统上的基本功能是安全、适用。而发展到现在，轻质高强，抗震耐久，无毒，环保节能则成了建材的新趋势。三、各种建筑材料1、无机胶凝材料无机胶凝材料主要包括气硬性胶凝材料、硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥和其他水泥。这里只介绍前两种。（1）气硬性胶凝材料凡能在物理、化学作用下，从浆体变为坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。胶凝材料包括有机胶凝材料与无机胶凝材料。无机胶凝材料按硬化条件不同可分为气硬性和水硬性两类。水硬性胶凝材料又称水泥，拌和水后既可在空气中硬化亦可于水中硬化，并保持及发展强度。只能在空气中硬化，并保持和继续发展强度者称为气硬性胶凝材料。石膏、石灰、水玻璃就属于一种气硬性胶凝材料。石膏：石膏是以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料。石膏可分为两种。天然石膏。可分为天然二水石膏和天然硬石膏。天然二水石膏(CaS04•2H20)，属于以硫酸钙为主所形成的沉积岩，一般沉积在距地表800～1500m的深处。密度约为2.2～2.4g/cm3，难溶于水。天然硬石膏又称无水石膏，它是由无水硫酸钙(CaSO4)所组成的沉积岩石，其密度约为2.9～3.1g/cm3。硬石膏矿层一般位于二水石膏层以下的深处，其晶体结构比较稳定，化学活性较差。化学石膏。是指化工生产过程中所生成的以CaSO4•2H2O或CaSO4•0.5H2O为主要成分的副产品。天然二水石膏（CaSO4•2H2O）矿石是生产石膏胶凝材料的主要原料。石膏的生产石灰石灰的来源之一是某些工业副产品。如：CaC2＋2H2O＝C2H2↑＋Ca（OH）2将主要成分为碳酸钙的天然岩石，在900℃～1100℃下燃烧，排除分解出的二氧化碳后，所得以CaO为主要成分的产品即为生石灰。将煅烧成的块状生石灰经过不同加工，还可得到石灰的另外三种产品：生石灰粉消石灰粉石灰膏石灰的煅烧需要足够的温度和时间石灰石在600℃左右开始分解，并随着温度的提高其分解速度也逐渐加快；当温度达到900℃时，CO2分压达到1×105Pa,此时的分解就能达到较快的速度，因此，常将这个温度作为CaCO3的分解温度。在实际生产中，可采用更高的煅烧温度以进一步加快石灰石分解的速度，但不得采用过高的温度，通常控制在1000℃～1200℃。水玻璃产品名称：泡花碱化学名称：硅酸钠别名：水玻璃英文名称：waterglass；sodiumsilicate水玻璃的组成：水玻璃俗称泡花碱，是由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。水玻璃的生产有干法和湿法两种方法。干法用石英岩和纯碱为原料，磨细拌匀后，在熔炉内于1300-1400℃温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃，溶解于水而制得液体水玻璃。湿法生产以石英岩粉和烧碱为原料，在高压蒸锅内，2—3大气压下进行压蒸反应，直接生成液体水玻璃。（2）硅酸盐水泥水泥是能与水发生物理化学作用，使其由可塑性浆体硬化成坚硬的人造石材的一种粉末状水硬性胶凝材料。它是重要的建筑材料。硅酸盐水泥的生产概述石灰质原料主要提供ＣaＯ，粘土质原料主要提供Ａl２O３以及Ｆe２O３。校正原料补充两种原料中所缺少的铁。硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是“二磨一烧”，如下图所示：2、水泥混凝土混凝土定义：由胶凝材料、水和粗细骨料按适当比例配合、拌制成拌和物，经一定时间硬化而成的人造石材。分类：按胶结材料分类：水泥混凝土、硅酸盐混凝土、聚合物混凝土按密度分类：轻混凝土、普通混凝土、重混凝土按强度分类：低强度混凝土、中强度混凝土、高强度混凝土按施工工艺分类：泵送混凝土、喷射混凝土、真空脱水混凝土、碾压混凝土、压力灌浆混凝土、（预填骨料混凝土）等按用途分类：防水混凝土、防射线混凝土、耐酸混凝土、装饰混凝土、耐火混凝土、补偿收缩混凝土、水下浇筑混凝土等。普通混凝土的组成材料水泥+水+天然砂+石子+掺和料和外加剂水泥+水——水泥浆（Paste）水泥浆＋砂——水泥砂浆（Mortar）水泥砂浆＋石子——混凝土（Concrete)外加剂－Admixture掺和料－3、砌筑砂浆将砖、石及砌块粘结成为砌体的砂浆，称为砌筑砂浆。它起着粘结砖、石及砌块构成砌体，传递荷载，协调变形的作用。因此，砌筑砂浆是砌体的重要组成部分。土木工程中，要求砌筑砂浆具有如下性质：(1)新拌砂浆应具有良好的和易性。新拌砂浆应容易在砖、铺砌成均匀的薄层，以利于砌筑施工和砌筑材料的粘结。(2)硬化砂浆应具有一定的强度、良好的粘结力等力学性质。一定的强度可保证砌体强度等结构性能。良好的粘结力有利于砌块与砂浆之间的粘结。(3)硬化砂浆应具有良好的耐久性。通常，砂浆可起着保护工程结构的作用。耐久性良好的砂浆有利于保证其自身不发生破坏，并对工程结构起到应有的保护作用。4、砌筑材料砌筑材料有砌墙砖、砌块和砌筑石材。砌墙砖分为烧结砖、蒸养（压）砖、混凝土路面砖砌块分为普通混凝土小型空心砌块、加气混凝土砌块、石膏砌块石材的分类：——火成岩又称岩浆岩，它是因地壳变动，熔融的岩浆由地壳内部上升后冷却而成。岩浆岩是组成地壳的主要岩石，占地壳总质量的89％。岩浆岩根据岩浆冷却条件的不同，又分为深成岩、喷出岩和火山岩三种。A.深成岩深成岩是岩浆在地壳深处，在很大的覆盖压力下缓慢冷却而成的岩石，其特性是：构造致密，容重大，抗压强度高，吸水率小，抗冻性好，耐磨性好，耐久性很好。建筑上常用的深成岩有：花岗岩、闪长岩、辉长岩等。B.喷出岩喷出岩是熔融的岩浆喷出地表后，在压力降低、迅速冷却的条件下形成的岩石，如玄武岩。当喷出的岩浆层厚时，形成的岩石其特性近似深成岩，若喷出的岩浆层较薄时，则形成的岩石常呈多孔结构。建筑上常用的喷出岩有：玄武岩、辉绿岩、安山岩等。C.火山岩火山岩又称火山碎屑岩。火山岩是火山爆发时，岩浆被喷到空中，经急速冷却后落下而形成的碎屑岩石。火山岩都是轻质多孔结构的材料。建筑同常用的火山岩有：火山灰、浮石等。——沉积岩沉积岩也称水成岩，是各种岩石经风化、搬运、沉积和再造岩作用而形成的岩石。沉积岩呈层状构造，孔隙率和吸水率大，强度和耐久性较火成岩低。但因沉积岩分布广容易加工，在建筑上应用广泛。沉积岩按照生成条件分为三类：机械沉积岩、化学沉积岩和生物沉积岩。——变质岩变质岩是由原生的火成岩或沉积岩，经过地壳内部高温、高压等变化作用后而形成的岩石，其中沉积岩变质后，性能变好，结构变得致密，坚实耐久，如石灰岩（沉积岩）变质为大理石；而火成岩经变质后，性质反而变差，如花岗岩（深成岩）变质成的片麻岩，易产生分层剥落，使耐久性变差。5、沥青及沥青混合料沥青材料是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫，氮）的衍生物所组成的混合物。沥青中各组分的主要特性简述如下：（１）油分。(２)树脂（沥青脂胶）。（３）地沥青质（沥青质）。6、建筑钢材（1）钢材的化学组成钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06％的铁碳合金称为生铁。（2）钢材的分类：按化学成分分碳素钢:低碳钢（含碳量小于0.25％）、中碳钢（含碳量0.25％～0.6％）、高碳钢（含碳量大于0.6％）合金钢：低合金钢（合金元素小于5％）、中合金钢（合金元素5％～10）、高合金钢（合金元素大于10％）建筑工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，及低合金钢加工成的产品。合金钢亦有少量应用。按品质（杂质含量）分类普通钢：含硫量≤0.045％～0.050％；含磷量≤0.045％。优质钢：含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％。高级优质钢：含硫量≤0.025％，高级优质钢的钢号后加“高”字或“A”；含磷量≤0.025％。特级优质钢：含硫量≤0.015％，特级优质钢后加“E”；含磷量≤0.025％。按冶炼时脱氧程度分类钢按冶炼时脱氧程度可分为镇静钢、特殊镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。7、木材木材产自木本植物中的乔木，分为针叶树和阔叶树两大类。大部分针叶树理直、木质较软、易加工、变形小，建筑上广泛用作承重构件和装修材料，如杉树、松树等。大部分阔叶树质密、木质较硬、加工较难、易翘裂、纹理美观，适用于室内装修，如水曲柳、核桃木等。木材的防护与防火木材作为土木工程材料，最大缺点是容易腐朽、虫柱和燃烧，因此大大地缩短了木材的使用寿命，并限制了它的应用范围。采取措施来提高木材的耐久性，对木材的合理使用具有十分重要的意义。木材的腐朽与防腐⑴木材的腐朽木材的腐朽是真菌在木材中寄生引起的。真菌在木材中生存和繁殖，必须同时具备四个条件：①温度适宜；②木材含水率适当；③有足够的空气；④适当的养料。⑵木材的防腐根据木材产生腐朽的原因，木材防腐有两种方法：一种是创造条件，使木材不适于真菌的寄生和繁殖；另一种是把木材变成有毒的物质，使其不能作真菌的养料。木材的防虫木材除受真菌侵蚀而腐朽外，还会遭受昆虫的蛀蚀。常见的蛀虫有白蚁、天牛等。木材虫蛀的防护方法，主要是采用化学药剂处理。木材防腐剂也能防止昆虫的危害。木材的防火木材是可燃性建筑材料。在木材被加热过程中，析出可燃气体，随着温度不同，析出的可燃气浓度也不同，此时若遇火源，析出的可燃气也会出现闪燃、引燃。若无火源，只要加热温度足够高，也会发生自燃现象。对木材及其制品的防火保护有浸渍、添加阻燃剂和覆盖三种方法。8、建筑塑料高分子化合物又聚合物，或高聚物，指的是分子量很大的天然或合成的有机物质，由这些物质组成的材料又称为聚合物材料或高分子材料。塑料、橡胶和纤维等均属于高分子化合物。合成高分子材料在土木工程中的应用塑料按组成成份的多少，可分为单组分塑料和多组分塑料。单组分塑料仅含合成树脂，如“有机玻璃”