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钙与办公室设计中建筑材料

2019-4-24

 钙元素 Ca )在自然界中的分布十分广泛,地壳中钙的质量分数高达3% ,是仅次于氧、硅、铝、铁的第5位元素。与钠、镁、钾一样,钙元素的化
学性质相当活泼,通常都以离子或者化合物的形式而存在。因此在19世纪以前,由于科学和技术发展的限制, 众多科学家因为从未成功地将其从石灰中
提取出来,石灰一度被认为是不可再分的
“元素”而收录于拉瓦锡的元素周期表当中。 直到电池被发明之后, 化学家们利用电解技术得到了分解活泼金属化
合物的新途径,许多活泼金属得以从化合物中脱离,华丽地进入人们的视野之中,钙元素的提取也出现了可喜的转机。1807年,英国化学家汉弗里·戴
维 (1778 — 1829 )首先利用电解方法离析出了金属钾 ( K )和钠 ( Na ),然而当他试图从碱土和生石灰 CaO )中分离钙元素时 ,
数次实验均以失败而告终,原因在于金属钙的高度活泼性以及高分解温度下的可燃性。
1808年5月, 戴维收到了瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯
(1779 — 1848 )的一封信,信中提到他和瑞典国王的皇家医生蓬丁曾通过电解石灰与水银混合物的方法 ,成功地分解了石灰, 他们还用这种方
法电解重土 (钡长石)制得了钡汞齐。戴维读后醍醐灌顶,他把潮湿的石灰和氧化汞按照3∶1 的质量比进行混合, 放到铂板上 ,利用水银作电极,在混
合物的中间掘出一个小洞滴入水银,从而电解制备了大量的钙汞齐。 随后他小心翼翼地加热蒸去汞,自此化学史上第一次制备出了银白色的金属钙 ,成为
活泼金属制备史上的重要里程碑。人们在拉丁文生石灰“ Calx ”后面加上通常用于金属的后缀 “- ium ”,命名这种新元素为Calcium ,
元素符号 Ca ,意为 “从石灰中得到的金属”。 2个月后,戴维无比兴奋且充满感激地写信给贝采里乌齐,并提及用同样的方法制备出了新的金属元素
(Mg)、钡 Ba )和锶 Sr )。

钙元素与建筑材料的结合与发展

戴维的发现让人们第一次直观地认识了钙元素,却不是人类史上第一次接触和利用钙元素。钙的许多矿物,如石膏 CaSO )和石灰石 CaCO
很早便为人们所熟知。古罗马盖乌斯
·普林尼·塞孔都斯(公元23 —公元79年)的 《自然史》中记录了人类早早便掌握了煅烧石灰石、白云石或白垩等原
材料,从而得到以氧化钙为主要成分的石灰的制备方法。事实上,远在古埃及第三王朝时期(公元前2686 —公元前2613年),古埃及人伊姆霍太普
便已设计将石灰作为外包浆液涂覆于 “阶梯金字塔”石砖的表面,从而达到装饰、坚固的目的。据记载,公元前8世纪,古希腊人也将石灰用于建筑材料当中,
而我国同样在公元前7世纪开始广泛使用石灰作为重要的房屋建筑材料。在被奉为建筑界圭臬著作的  《建筑十书》 中,古罗马建筑学家马克·维特鲁威首次
系统且详尽地介绍了以石灰、火山灰、砂砾、碎石为原料的 “能使墙体耐久坚固”的混合胶凝建材,成为现代混凝土的雏形。虽然书中对于材料反应机理的解
释存在诸多谬误,但这种由实践经验而推演出来的建筑配方的确经历了时间的考验,让古罗马神庙屹立 2000多年而不倒。

然而,究竟钙元素在古罗马 “混凝土”及现代混凝土技术中发挥着怎样举足轻重的作用呢?古罗马 “混凝土”配方里的石灰 ( CaO )遇水会形成氢氧
化钙 ( Ca ( OH )

),这种产物在有水条件下将与火山灰的主要成分———活性二氧化硅、活性氧化铝

继续发生反应,最终凝固形成提供墙体强度及界面胶结性的硅铝酸钙 (式(1))。然而这种反应过程十分缓慢,导致古罗马 “混凝土”的凝固周期高达18
0天。随着科学技术和高温工艺的发展,现代人研制出了硅酸盐水泥,以代替低效率的石灰和火山灰。经过生料的配制与粉碎、熟料的煅烧和细磨,最终制
备成以硅酸三钙为主要矿物组成的水泥熟料(图1)。其水化产物———水化硅酸钙便是决定水泥强度等级的主要物质 (式 (2))。这种水硬性凝胶材料
虽然不及古罗马配方耐蚀持久,但其水化速度较快,凝固周期只有28天。现代建筑为了增强水泥的力学性能,设计了搭配钢筋的钢筋混凝土,其总体性能
远超古罗马 “混凝土”的7倍之多,与此同时也实现了古罗马人未敢觊觎的大跨度、超高度、结构复杂、空间通透的建筑体系。

SiO +Al +CaO+H → 硅铝酸钙(1)

硅酸三钙+H → 水化硅酸钙(2)

 

 

2  钙元素建筑材料谱写现代技术新篇章

钙与现代社会的建筑材料息息相关。随着社会工业化的不断发展,作为工程建筑中的主体结构,无机凝胶材料例如混凝土每年的消耗量与日俱增。过去几年,
我国平均每年每人消耗的混凝土就高达6000kg
。而 (如 灰CaO ,石膏CaSO )还是水硬性凝胶材料 (如混
凝土的主要成分水泥),钙元素都是必不可少的组成成分。
2年前,笔者以水泥这种使用范围最广的钙元素建筑材料为原料,将之放入冰水中,成功制取出
大量分散均匀的氢氧化钙纳米颗粒
CNS 。这种含钙的纳米颗粒直径只有 5nm ,却能把质软易碎的普通高分子凝胶复合增强成一种超弹性的材料。
例如,仅含万分之二该纳米颗粒的高分子凝胶,可以在承受100
MPa压力,被压缩到99%形变后,瞬间回复原状 (图2 ))。不仅如此, CN
S还可用于复合制备一系列具备高吸附性、高导电性、高生物相容性的多功能弹性体,极大地拓展了钙元素建筑材料在纳米复合材料领域的应用。


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