化學(xué)和建筑材料

1、建筑材料中的化學(xué)土木建筑工程學(xué)院 張赫茨 2009301550152建筑行業(yè)在國民生產(chǎn)建設(shè)中占有很重要的地位，屬于支柱產(chǎn)業(yè)的范疇，而建筑材料是建筑行業(yè)中很重要的組成部分，所以建筑材料具有十分重要的意義。而建筑材料包括各種各樣的化學(xué)物質(zhì)，建筑材料的化學(xué)性質(zhì)很大程度上決定了建筑的質(zhì)量和壽命，下面來討論一下建筑材料與化學(xué)之間的關(guān)系，建筑材料是土木工程和建筑工程中使用的材料的統(tǒng)稱。 可分為結(jié)構(gòu)材料、裝飾材料和某些專用材料。 結(jié)構(gòu)材料包括木材、竹材、石材、水泥、混凝土、金屬、磚瓦、陶瓷、玻璃、工程塑料、復(fù)合材料等；裝飾材料包括各種涂料、油漆、鍍層、貼面、各色瓷磚、具有特殊效果的玻璃等；專用材料指用于防水

2、、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔熱、保溫、密封等。 建筑材料長期承受風(fēng)吹、日曬、雨淋、磨損、腐蝕等，性能會逐漸變化，建筑材料的合理選用至關(guān)重要，首先應(yīng)當(dāng)安全、經(jīng)久耐用。建筑材料用量很大，直接影響到工程的造價，通常建材費用占工程總造價的一半以上，因此在考慮技術(shù)性能時，必須兼顧經(jīng)濟(jì)性。一、.建筑材料的分類建筑材料按化學(xué)成分可分為三大類：無機材料、有機材料和復(fù)合材料。無機材料包括金屬材料、非金屬材料。有機材料包括植物材料、瀝青材料、合成高分子材料。復(fù)合材料包括有機無機、金屬非金屬、金屬有機無機材料中的金屬材料主要包括黑色金屬（鋼鐵、不銹鋼）和有色金屬（鋁、銅、鋁合金），而非金屬材料主要包括天然石材

3、（花崗巖、大理石等）、燒土制品（粘土磚、瓦、陶瓷）、膠凝材料（石灰、石膏、水泥）玻璃（平板玻璃、玻璃磚）、無機纖維材料（玻璃、碳纖維）有機材料中植物材料包括木材、竹材、植物纖維等，瀝青材料包括煤、石油瀝青、各類卷材，合成高分子材料包括塑料、涂料、膠粘劑。復(fù) 合 材 料分為有機無機（樹脂混凝土、纖維增強塑料等）、金屬非金屬（鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土 ）、金屬無機材料（涂覆鋼板、涂覆鋁合金板、塑鋁管、塑鋼門窗等 ） 要合理地選用材料，就必須對不同材料進(jìn)行比較，了解各種材料的特性，包括強度與破壞特性、變形性能、耐久性能等多方面二，建筑材料的發(fā)展建筑材料的發(fā)展主要分為三大階段：遠(yuǎn)古時代-“穴居巢處”、

4、石器、鐵器時代“鑿石成洞，伐木為棚”、筑土壘石階段 燒制磚瓦、石灰 -筑土壘石-燒磚燒瓦。發(fā)展到現(xiàn)代的建材有三大建材：木材、鋼材、水泥，外 加塑料統(tǒng)稱為四大建材建筑材料的發(fā)展趨勢有4 個方面， 傳統(tǒng)上的基本功能是安全、適用。而發(fā)展到現(xiàn)在，輕質(zhì)高強，抗震耐久，無毒，環(huán)保節(jié)能則成了建材的新趨勢。三、各種建筑材料1、無機膠凝材料無機膠凝材料主要包括氣硬性膠凝材料、硅酸鹽水泥、摻混合材料的硅酸鹽水泥和其他水泥。這里只介紹前兩種。 （1）氣硬性膠凝材料 凡能在物理、化學(xué)作用下，從漿體變?yōu)閳怨痰氖癄铙w，并能膠結(jié)其他物料而具有一定機械強度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠凝材料。膠凝材料包括有機膠凝材料與無機膠凝材料。無機膠

5、凝材料按硬化條件不同可分為氣硬性和水硬性兩類。水硬性膠凝材料又稱水泥，拌和水后既可在空氣中硬化亦可于水中硬化，并保持及發(fā)展強度。只能在空氣中硬化，并保持和繼續(xù)發(fā)展強度者稱為氣硬性膠凝材料。石膏、石灰、水玻璃就屬于一種氣硬性膠凝材料。 石膏：石膏是以CaSO4為主要成分的氣硬性膠凝材料。石膏可分為兩種。天然石膏。可分為天然二水石膏和天然硬石膏。天然二水石膏 (CaS042H20)，屬于以硫酸鈣為主所形成的沉積巖，一般沉積在距地表8001500m的深處。密度約為2.22.4g/cm3，難溶于水。天然硬石膏又稱無水石膏，它是由無水硫酸鈣(CaSO4)所組成的沉積巖石，其密度約為2.93.1g/cm3

6、。硬石膏礦層一般位于二水石膏層以下的深處，其晶體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，化學(xué)活性較差?；瘜W(xué)石膏。是指化工生產(chǎn)過程中所生成的以CaSO42H2O或CaSO40.5H2O為主要成分的副產(chǎn)品。天然二水石膏（CaSO42H2O）礦石是生產(chǎn)石膏膠凝材料的主要原料。石膏的生產(chǎn)石灰石灰的來源之一是某些工業(yè)副產(chǎn)品。如：CaC22H2OC2H2Ca（OH）2將主要成分為碳酸鈣的天然巖石，在900 1100 下燃燒，排除分解出的二氧化碳后，所得以CaO為主要成分的產(chǎn)品即為生石灰。將煅燒成的塊狀生石灰經(jīng)過不同加工，還可得到石灰的另外三種產(chǎn)品：生石灰粉消石灰粉石灰膏 石灰的煅燒需要足夠的溫度和時間石灰石在600左右開始分解，并

7、隨著溫度的提高其分解速度也逐漸加快；當(dāng)溫度達(dá)到900時，CO2分壓達(dá)到1105Pa,此時的分解就能達(dá)到較快的速度，因此，常將這個溫度作為CaCO3的分解溫度。在實際生產(chǎn)中，可采用更高的煅燒溫度以進(jìn)一步加快石灰石分解的速度，但不得采用過高的溫度，通常控制在10001200。 水玻璃產(chǎn)品名稱：泡花堿化學(xué)名稱：硅酸鈉 別 名 ：水玻璃 英文名稱： water glass；sodium silicate 水玻璃的組成：水玻璃俗稱泡花堿，是由不同比例的堿金屬氧化物和二氧化硅化合而成的一種可溶于水的硅酸鹽。水玻璃的生產(chǎn)有干法和濕法兩種方法。干法用石英巖和純堿為原料，磨細(xì)拌勻后，在熔爐內(nèi)于1300-1400

8、溫度下熔化，按下式反應(yīng)生成固體水玻璃，溶解于水而制得液體水玻璃。 濕法生產(chǎn)以石英巖粉和燒堿為原料，在高壓蒸鍋內(nèi)，23大氣壓下進(jìn)行壓蒸反應(yīng)，直接生成液體水玻璃。（2）硅酸鹽水泥水泥是能與水發(fā)生物理化學(xué)作用，使其由可塑性漿體硬化成堅硬的人造石材的一種粉末狀水硬性膠凝材料。它是重要的建筑材料。硅酸鹽水泥的生產(chǎn)概述原料： 石灰質(zhì)原料主要提供a，粘土質(zhì)原料主要提供lO 以及eO。校正原料補充兩種原料中所缺少的鐵。 硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝概括起來就是“二磨一燒”，如下圖所示：2、水泥混凝土混凝土定義：由膠凝材料、水和粗細(xì)骨料按適當(dāng)比例配合、拌制成拌和物，經(jīng)一定時間硬化而成的人造石材。分類：按膠結(jié)材料分類：水

9、泥混凝土、硅酸鹽混凝土、聚合物混凝土按密度分類：輕混凝土、普通混凝土、重混凝土 按強度分類：低強度混凝土、中強度混凝土、高強度混凝土按施工工藝分類：泵送混凝土、噴射混凝土、真空脫水混凝土、碾壓混凝土、壓力灌漿混凝土、（預(yù)填骨料混凝土）等按用途分類：防水混凝土、防射線混凝土、耐酸混凝土、裝飾混凝土、耐火混凝土、補償收縮混凝土、水下澆筑混凝土等。普通混凝土的組成材料水泥+水+天然砂+石子+摻和料和外加劑 水泥+水水泥漿（Paste）水泥漿砂水泥砂漿（Mortar） 水泥砂漿石子混凝土（Concrete)外加劑Admixture 摻和料3、砌筑砂漿將磚、石及砌塊粘結(jié)成為砌體的砂漿，稱為砌筑砂漿。它起

10、著粘結(jié)磚、石及砌塊構(gòu)成砌體，傳遞荷載，協(xié)調(diào)變形的作用。因此，砌筑砂漿是砌體的重要組成部分。土木工程中，要求砌筑砂漿具有如下性質(zhì)： (1)新拌砂漿應(yīng)具有良好的和易性。新拌砂漿應(yīng)容易在磚、鋪砌成均勻的薄層，以利于砌筑施工和砌筑材料的粘結(jié)。(2)硬化砂漿應(yīng)具有一定的強度、良好的粘結(jié)力等力學(xué)性質(zhì)。一定的強度可保證砌體強度等結(jié)構(gòu)性能。良好的粘結(jié)力有利于砌塊與砂漿之間的粘結(jié)。(3)硬化砂漿應(yīng)具有良好的耐久性。通常，砂漿可起著保護(hù)工程結(jié)構(gòu)的作用。耐久性良好的砂漿有利于保證其自身不發(fā)生破壞，并對工程結(jié)構(gòu)起到應(yīng)有的保護(hù)作用。4、砌筑材料砌筑材料有砌墻磚、砌塊和砌筑石材。砌墻磚分為燒結(jié)磚、蒸養(yǎng)（壓）磚、混凝土路面

11、磚砌塊分為普通混凝土小型空心砌塊、加氣混凝土砌塊、石膏砌塊石材的分類：火成巖又稱巖漿巖，它是因地殼變動，熔融的巖漿由地殼內(nèi)部上升后冷卻而成。巖漿巖是組成地殼的主要巖石，占地殼總質(zhì)量的89。巖漿巖根據(jù)巖漿冷卻條件的不同，又分為深成巖、噴出巖和火山巖三種。 A. 深成巖 深成巖是巖漿在地殼深處，在很大的覆蓋壓力下緩慢冷卻而成的巖石，其特性是：構(gòu)造致密，容重大，抗壓強度高，吸水率小，抗凍性好，耐磨性好，耐久性很好。建筑上常用的深成巖有：花崗巖、閃長巖、輝長巖等。B. 噴出巖 噴出巖是熔融的巖漿噴出地表后，在壓力降低、迅速冷卻的條件下形成的巖石，如玄武巖。當(dāng)噴出的巖漿層厚時，形成的巖石其特性近似深成巖

12、，若噴出的巖漿層較薄時，則形成的巖石常呈多孔結(jié)構(gòu)。建筑上常用的噴出巖有：玄武巖、輝綠巖、安山巖等。C. 火山巖 火山巖又稱火山碎屑巖。火山巖是火山爆發(fā)時，巖漿被噴到空中，經(jīng)急速冷卻后落下而形成的碎屑巖石?；鹕綆r都是輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)的材料。建筑同常用的火山巖有：火山灰、浮石等。 沉積巖沉積巖也稱水成巖，是各種巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運、沉積和再造巖作用而形成的巖石。沉積巖呈層狀構(gòu)造，孔隙率和吸水率大，強度和耐久性較火成巖低。但因沉積巖分布廣容易加工，在建筑上應(yīng)用廣泛。沉積巖按照生成條件分為三類：機械沉積巖、化學(xué)沉積巖和生物沉積巖。變質(zhì)巖變質(zhì)巖是由原生的火成巖或沉積巖，經(jīng)過地殼內(nèi)部高溫、高壓等變化作用后而形成的

13、巖石，其中沉積巖變質(zhì)后，性能變好，結(jié)構(gòu)變得致密，堅實耐久，如石灰?guī)r（沉積巖）變質(zhì)為大理石；而火成巖經(jīng)變質(zhì)后，性質(zhì)反而變差，如花崗巖（深成巖）變質(zhì)成的片麻巖，易產(chǎn)生分層剝落，使耐久性變差。 建筑上常用的變質(zhì)巖有：大理巖、片麻巖、石英巖、板巖等。5、瀝青及瀝青混合料瀝青材料是由一些極其復(fù)雜的高分子的碳?xì)浠衔锖瓦@些碳?xì)浠衔锏姆墙饘伲ㄑ酢⒘?，氮）的衍生物所組成的混合物。瀝青中各組分的主要特性簡述如下：（）油分。()樹脂（瀝青脂膠）。（）地瀝青質(zhì)（瀝青質(zhì)）。 6、建筑鋼材（1）鋼材的化學(xué)組成 鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.06的鐵碳合金稱為生鐵。

14、（2）鋼材的分類： 按化學(xué)成分分 碳素鋼:低碳鋼（含碳量小于0.25）、中碳鋼（含碳量0.250.6）、高碳鋼（含碳量大于0.6） 合金鋼：低合金鋼（合金元素小于5）、中合金鋼（合金元素510）、高合金鋼（合金元素大于10）建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼，主要使用非合金鋼中的低碳鋼，及低合金鋼加工成的產(chǎn)品。合金鋼亦有少量應(yīng)用。 按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類 普通鋼：含硫量0.0450.050；含磷量0.045。優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.035；含磷量0.035。高級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.025，高級優(yōu)質(zhì)鋼的鋼號后加“高”字或“A”；含磷量0.025。 特級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.015，特級優(yōu)質(zhì)鋼后加“E

15、”；含磷量0.025。按冶煉時脫氧程度分類鋼按冶煉時脫氧程度可分為鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。 7、木材木材產(chǎn)自木本植物中的喬木，分為針葉樹和闊葉樹兩大類。大部分針葉樹理直、木質(zhì)較軟、易加工、變形小，建筑上廣泛用作承重構(gòu)件和裝修材料，如杉樹、松樹等。大部分闊葉樹質(zhì)密、木質(zhì)較硬、加工較難、易翹裂、紋理美觀，適用于室內(nèi)裝修，如水曲柳、核桃木等。 木材的防護(hù)與防火木材作為土木工程材料，最大缺點是容易腐朽、蟲柱和燃燒，因此大大地縮短了木材的使用壽命，并限制了它的應(yīng)用范圍。采取措施來提高木材的耐久性，對木材的合理使用具有十分重要的意義。 木材的腐朽與防腐 木材的腐朽木材的腐朽是真菌在木材中寄生

16、引起的。真菌在木材中生存和繁殖，必須同時具備四個條件： 溫度適宜；木材含水率適當(dāng)；有足夠的空氣；適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)料。 木材的防腐根據(jù)木材產(chǎn)生腐朽的原因，木材防腐有兩種方法：一種是創(chuàng)造條件，使木材不適于真菌的寄生和繁殖；另一種是把木材變成有毒的物質(zhì)，使其不能作真菌的養(yǎng)料。木材的防蟲木材除受真菌侵蝕而腐朽外，還會遭受昆蟲的蛀蝕。常見的蛀蟲有白蟻、天牛等。木材蟲蛀的防護(hù)方法，主要是采用化學(xué)藥劑處理。木材防腐劑也能防止昆蟲的危害。 木材的防火木材是可燃性建筑材料。在木材被加熱過程中，析出可燃?xì)怏w，隨著溫度不同，析出的可燃?xì)鉂舛纫膊煌?，此時若遇火源，析出的可燃?xì)庖矔霈F(xiàn)閃燃、引燃。若無火源，只要加熱溫度足夠高，

17、也會發(fā)生自燃現(xiàn)象。對木材及其制品的防火保護(hù)有浸漬、添加阻燃劑和覆蓋三種方法。 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機物質(zhì)，由這些物質(zhì)組成的材料又稱為聚合物材料或高分子材料。塑料、橡膠和纖維等均屬于高分子化合物。合成高分子材料在土木工程中的應(yīng)用塑料按組成成份的多少，可分為單組分塑料和多組分塑料。單組分塑料僅含合成樹脂，如“有機玻璃”就是由一種被稱為聚甲基丙烯酸甲酯的合成樹脂組成。多組分塑料除含有合成樹脂外，還含有填充料、增塑劑、固化劑、著色劑、穩(wěn)定劑及其他添加劑。建筑裝飾上常用的塑料制品一般都屬于多組分塑料。 （一）樹脂 樹脂是塑料的基本組成材料，在多組分

18、塑料中約占30%-70%，單組分的塑料中含有樹脂幾乎達(dá)100%。樹脂在塑料中主要起膠結(jié)作用，把填充料等其他組分膠結(jié)成一個整體。因此，樹脂是決定塑料性質(zhì)的最主要因素。 （二）填充料又稱填充劑或填料。是為了改善塑料制品某些性質(zhì)如提高塑料制品的強度、硬度和耐熱性以及降低成本等而在塑料制品中加入的一些材料。填料在塑料組成材料中約占40%-70%，常用的填料有木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、鋁粉、炭黑、云母、二硫化鉬、石棉、玻璃纖維等。其中纖維填料可提高塑料的結(jié)構(gòu)強度；石棉填料可改善塑料的耐熱性；云母填料能增強塑料的電絕緣性；石墨、二硫化鉬填料可改善塑料的磨擦和耐磨性能等。此外，由于填料一般都比合成樹脂便宜，故填料的加入能降低塑料的成本。（三）增塑劑為了提高塑料在加工時的可塑性和制品的柔韌性、彈性等，在塑料制品的生產(chǎn)、加工時要加入少量的增塑劑。增塑劑通常是具有低蒸氣壓、不易揮發(fā)的分子量較低的固體或液體有機化合物。主要為酯類和酮類。常用的有鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、磷酸二辛酯、磷酸二甲苯酯、己二酸酯、二苯甲酮等。 （四）固化劑固化劑又稱硬化劑或熟化劑