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探讨在建筑材料中化学的作用

2019-12-28 905 上传者：管理员

摘要：化学是一门基础学科，在环境，生物，材料科学等领域都发挥着至关重要的作用。本文结合教学过程中的实际案例，分析了化学在常用建筑材料中的合理利用、传统建筑材料的改进方面的指导作用，以及对绿色建筑材料开发领域的影响，为建筑材料行业的发展添砖加瓦。

关键词：
化学
应用
建筑材料
开发
改进
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建筑材料作为构筑建筑物的物质基础，其每一次发展都促使建筑物具备更鲜明的时代特征和风格，而建筑材料的开发利用又离不开化学的发展。化学在充分合理利用常用建筑材料、改进传统建筑材料以及开发绿色建筑材料方面都起到举足轻重的作用。

1、常用建筑材料的合理利用

1.1 气硬性胶凝材料各项特性分析

以气硬性胶凝材料石灰为例，分析石灰生产，水化硬化过程中涉及的化学知识，从原理上分析石灰的各项特性。

以石灰石（其主要成分为CaCO₃）为原料，在1000~1100℃进行煅烧即可获得生石灰（CaO）。

将生石灰加适量水后，首先发生的是溶解这一物理过程，同时伴随有化学反应，即CaO+H₂O→Ca(OH)₂，此过程即为生石灰与水的反应，又称为水化过程。随着水化的不断进行，生成的氢氧化钙不断增多，逐渐从液相中析出，形成细小的颗粒，并吸附很多水分。Ca(OH)在潮湿状态下会与空气中的二氧化碳（CO₂）反应生成碳酸钙（CaCO₃），即发生碳化^[1]。同时，水化过程释放出大量的热（64.9kJ/mol），促使水分蒸发，同时水作为反应物参与水化反应，也不断的被消耗，使浆体的稠度不断增加，逐渐失去可塑性，进而凝结硬化，直至浆体完全干燥，形成足够强度的人造石材。

此外，作为气硬性胶凝材料的生石灰，之所以只能在空气中凝结硬化，而不能在水中凝结硬化^[2]，主要是因为其硬化后的化学组成为Ca(OH)₂和Ca-CO₃，其中Ca(OH)₂微溶于水（20℃时，100mL水溶解0.17gCa(OH)₂），如果在大量水存在条件下，人造石材中的Ca(OH)₂会被水溶解，并不能形成足够坚硬的结构。因此，对于水下工程，气硬性胶凝材料是不得使用的，而必须使用水硬性胶凝材料，即各种水泥。

1.2 利用建筑材料的物理、化学性质，进行简单鉴别

例如，如何用简单的方法鉴别建筑石膏（CaSO₄·1/2H₂O），生石灰粉（CaO），石灰石粉（CaCO₃）和白色硅酸盐水泥这四种白色粉末。解决方案为，分别取相同质量的四种粉末，加入相同体积的水拌合得到浆体。放热量最大且有大量蒸气逸出的为生石灰粉。在5~30min内凝结硬化并形成一定强度的为建筑石膏。在45min到6.5h内凝结硬化的为白色水泥。加水后没有任何变化的为白色石灰石粉。

生石灰加水，发生水化反应生成熟石灰（Ca(OH)₂），同时放出大量的热。建筑石膏与适量水拌合后，先溶解形成可塑性的浆体，伴随着水化反应，浆体的可塑性很快消失而发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。石膏在10min左右初凝，而终凝时间不超过30min。白色硅酸盐水泥的性能和硅酸盐水泥基本相同，其初凝时间不早于45min，终凝时间不超过390min。而石灰石粉不溶于水，且与水不发生反应，因此无任何变化。

利用简单的化学原理，可以分析建筑材料生产，使用及其他的特性，在充分合理利用常用建筑材料方面具有积极的指导作用。

2、传统建筑材料的改进

混凝土外加剂，作为组成混凝土不可或缺的第五大组分，得到越来越多的应用。其中，减水剂是应用最广泛的外加剂，其常用的品种有木质素磺酸盐类，萘系以及聚羧酸系^[3]。聚羧酸系减水剂具有减水率高，坍落度经时损失小的优点^[4]，同时提高混凝土密实度，强度和耐久性，促使混凝土向高强，高耐久性和多功能的方向发展。

聚羧酸系减水剂分子结构中含有羧基(-COO-)，磺酸基(—SO₃)等亲水基团，吸附在水泥颗粒表面形成双电子层结构而产生静电斥力，聚氧乙烯侧链为疏水基团，其结构中的电负性强的氧原子与拌合用水通过氢键形成立体拉伸结构，产生较大的空间位阻，在亲水基团和疏水基团的共同作用下，使水泥颗粒的分散，坍落度保持性能均优异。这实际反映了结构决定性质的化学思想^[5]。

此外，在聚羧酸系减水剂的合成过程中，研究控制反应条件，如反应温度，反应时间，反应物浓度，反应物的配比等因素对产品性能的影响，从而找到最佳的合成路线。

3、绿色建筑材料的开发

建筑材料的生产需要消耗大量的天然资源及能源，同时会对环境带来极大的挑战，因此，发展绿色建材刻不容缓。绿色建材不仅可以通过利用低品位的矿石，还可以利用矿渣，粉煤灰等工业废渣，甚至生活废弃物为原材料，从而解决了对天然资源的大量消耗问题。此外，因为减少了煅烧天然矿物所需的大量能源，从而避免使用煤炭等非清洁能源所产生的大量的CO₂和SO₂对大气环境的污染，对人类社会的可持续发展起到积极的推进作用。绿色建材的开发离不开化学学科的指导。

4、结语

综上，在我国建筑材料行业飞速发展的今天，建筑材料的合理利用，改进以及绿色建材的开发等领域，应用化学知识做指导，更能推动建筑材料行业的发展。同时建筑材料产业的发展，也促使化学学科的应用领域得到更大的扩展。

参考文献：

[1]方晓青.浅析建筑工程中石灰的性能及应用[J].中国房地产业,2016,(14):159.

[2]卢经扬.建筑材料与检测[M].北京:中国建筑工业出版社,2010:5.

[3]齐怿.聚羧酸系高性能减水剂对铝酸盐水泥作用研究[D].天津:河北工业大学,2011:3.

[4]梅锦岗,杨建军,吴庆云,等.聚羧酸类高效减水剂的研究现状与展望[J].商品混凝土,2010,(03):27-29.

[5]朱立峰.论中学化学的学科思想[J].中小学教师培训,2012,(04):53-55.

李雯.浅谈化学在建筑材料中的应用[J].居业,2019,(10):2,6.DOI:10.3969/j.issn.2095-4085.2019.10.003.