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李大帅
学院:土木工程学院专业:土木工程,
摘要:土木工程是一门历史悠久的学科,在其漫长历史中,它的发展与化学材料的发现密不可分;工程材料的品种、质量直接影响其所建造工程的使用功能、耐久年限、经济成本等方面,并且制约着工程设计和施工方法;本文将介绍化学材料与土木工程的历史关系、当前常见工程材料的现状、近年出现的新型材料,以及对化学材料未来前景的展望;
关键词:土木工程;联系;化学材料;前景
一·引言
土木工程是一门历史悠久的学科,在过去,它包括一切非军事用途的民用工程项目1;如今,它包含的不少内容已经单独成科,所以它与很多学科相交叉,而在所有交叉的学科中,又以材料学有关,纵观历史,我们会发现,土木工程的发展几乎是随着不同的建筑材料的出现进行的,土木工程与化学密切相关;
二·历史关系
·石器时期
由当今的考古调查可知,在石器时期,由于化学工艺基本上没有发展,人们只能选择居于天然山穴和树巢中从而抵御雨雪风寒和野兽袭击;
·青铜器时期
进入青铜器时代,化学工艺的发展,人们开始搭建简单的房屋开凿石材建造简易的房屋以及纪念性构筑物,从而使建筑材料发生变化,推动了古代土木工程的发展;
·铁器时期
随着化学工艺的进一步发展,人类进入铁器时代,铁器开始得到广泛应用,出现了木结构及“版筑建筑”2即墙体用木板或木棍做边框,然后在框内浇注黏土,用木杵夯实之后将木板拆除的建筑物,此时已经能够建造出舒适性较好的建筑物,所使用的主要是天然石材,木材,黏土,茅草等天然材料;这些材料的获取简单方便,符合当时的社会环境,但是也具有一定的缺陷,如,这些材料的性能不强,不耐腐蚀,使用时间不长等;化学工艺不断地发展,人类已经能够用黏土烧制砖、瓦,用石灰岩烧制石灰,土木工程材料由天然材料进入了人工材料阶段,使用的结构材料主要是砖,石和木材;砖是用粘土烧制成的,是一种常用的砌筑材料;瓷砖的生产和使用在我国历史悠久,有秦砖汉瓦之称;制砖的原料容易取得,生产工艺比较简单,价格低、体积小便于组合,粘土砖还有防火、隔热、隔声、吸潮等优点;所以至今仍然广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中;
·近现代时期
进入近代后,随着工业革命的进展,科学技术发展迅速,化工技术也得到了极大的发展,土木工程材料也是发展迅猛,出现了很多以水泥、钢材、混凝土为代表的复杂的人工材料;这些材料与原来的材料相比,无论是在使用寿命,还是在性能上都具有很大的优势;而这些材料的出现,必然是伴随着化学的迅猛发展的过程;
三·工程材料现状
·常用工程材料
水泥
水泥,粉状水硬性无机胶凝材料;加水搅拌后成浆体,能在空气中硬化或者在水中更好的硬化,并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起;水泥按其用途及性能可以分为普通水泥,专用水泥和特殊水泥;普通水泥用于一般建筑的使用;专用水泥就是有专门用途的水泥,如G级油井水泥;特性水泥是某种性能比较突出水泥,如磷铝酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥和磷酸盐水泥;
水泥的生产一般包括可分生料制备、熟料煅烧和水泥制成等工序;在水泥中主要包含以下化学成分以硅酸盐水泥为例:
氧化钙CaO,二氧化硅SiO2,二氧化二铁Fe2O3,三氧化二铝Al2O3;水泥的凝结和硬化发生的化学反应为3:
、3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O凝胶+CaOH2;
2、2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O凝胶+CaOH2;
3、3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O水化铝酸钙,不稳定;
3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O钙矾石,三硫型水化铝酸钙;
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2〔3CaO·Al2O3〕+4H2O→3〔3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O〕单硫型水化铝酸钙;
4、4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O;
混凝土
混凝土4是当代主要的土木工程材料之一,它是有胶结材料,骨料和水按一定的比例配制,经搅拌振捣成型,在一定情况下养护成型的人造石材;
它具有很多优点:首先,在硬化前具有良好的可塑性;其次,混凝土和钢筋具有良好的粘结力;最后,可就地取材,生产工艺简单,价格低廉;
混凝土种类很多,可根据按材料可分为水泥混凝土,沥青混凝土,石膏混凝土及聚合物混凝土等;为了克服混凝土抗压强度低的缺陷,将混凝土与其他材料复合出现了钢筋混凝土,预应力混凝土,各种纤维增强混凝土等;
·装饰材料
装饰材料5一般指主体结构工程完成后,进行室内外墙面、顶棚、地面的装饰等所需的材料,主要起装饰作用,同时可以满足一定的功能需求;建筑装饰材料是集材料性能、生产、施工、造型、色彩于一体的材料,装饰工程的总体效果及功能的实现无一不是通过装饰材料体现出来的;装饰材料在整个建筑材料中占有重要的地位;
根据装饰材料的化学性质不同,可以分为无机装饰材料和有机装饰材料两大类;其中,无机装饰材料包括金属和非金属如大理石、玻璃等两大类;
玻璃
玻璃在土木工程中是一种重要的建筑材料,是由石英砂、纯碱、长石、石灰石等融制而成的一种透明的无定形硅酸盐固体物质;玻璃制品主要分为普通平板玻璃、安全玻璃、保温绝热玻璃等;
金属装饰材料
金属材料是指一种或两种以上的金属元素或金属与某些非金属元素组成的合金总称,金属材料一般分为黑色金属和有色金属两大类;金属材料主要包括铝及铝合金、彩色涂层钢板和不锈钢包柱;
四·新型工程材料
·新型工程材料发展概况
当今通过工程技术人员及材料生产企业对新型建筑材料的研制、应用及推广的努力,从人类最初的“穴居巢处”到目前日益发达的钢材、水泥、混凝土、等材料的普及及应用,建筑材料特别是新型材料已经进入了一个新的发展阶段;
·新型工程材料
新品种水泥
随着我国现代化建设的高速发展,在一些特殊工程中,需要使用高铝水泥、膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、和耐硫酸盐水泥等;由于科学技术及生产不断发展,满足各种特殊性能要求的新品种水泥正在逐渐增多,例如膨胀硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和膨胀硫酸盐水泥等;
由于混凝土的原材料丰富,能源消耗与成本较低,具有适用性强、强度高、耐久性好、施工方便,并能耗用大量工业废料等优点,因此被广泛应用于工业与民用建筑等工程中,成为不可缺少的重要工程材料;当前混凝土的品种日益增多,它们的性能和应用也各不相同;混凝土按其胶凝材料可分为无机胶凝材料混凝土和有机胶凝材料混凝土两大类;
随着现代科学技术的发展和建筑对玻璃使用功能要求的提高;建筑用玻璃已不仅仅满足于采光和装饰功能,而是向控制光线、调节温度、保温隔音等各种特殊放向发展;兼具装饰性与功能性的新品种玻璃不断问世,从而为现代建筑设计提供了更大的选择性;现代建筑的趋势之一是愈来愈多地采用大面积的玻璃窗墙即玻璃幕墙;它不仅能挡住大量的太阳热能进入室内,还能最大限度地减少室内的温度急剧变化6;
五·工程材料发展展望
·“绿色建材”的研制
建筑材料将大力开展“绿色建材”的研制;传统混凝土的使用将受到限制,会采用污染少、能重复利用的材料,采用工业废料制作绿色高性能混凝土将受到广泛研究和应用;在结构的使用功能上,智能化建筑、仿生建筑将比当今的普通建筑会得到更大的发展空间;作为对建筑能耗影响巨大的维护墙体材料,也将出现节能、环保、高效的墙体材料,对于金属材料一方面将向高强度发展并提高耐腐蚀的耐火性能,另一方面将已在航空、航天、军工中广泛应用的智能材料将应用于土木工程,使工程结构由不变的、无智能和无生命的,向可变的、有智能的和有生命的方向发展;
·化学合成材料的应用
目前的化学合成材料主要用于门窗、管材、装饰材料、今后的发展方向是向大面积围护材料及结构骨架材料发展;一些化工制品具有耐高温、高湿、隔声、耐磨、耐压等优良性能,用于制造隔板等非称重功能构件很理想;目前碳纤维以其轻质、高强、耐腐蚀等优点而用于结构补强,在其成本降低后可望用作混凝土的加筋材料7;
参考文献:
:P1
,02期
3黄政宇、:P52-P53
:P25-P26
5黄政宇、:P264-P265
:P163
:P7
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