第三章气硬性胶凝材料

第三章气硬性胶凝材料胶凝材料是指经过自身的物理化学作用后，在由可塑性浆体变成坚硬石状体的过程中，能把散粒或块状的物料胶结成一个整体的材料。胶凝材料分为无机胶凝材料(亦称矿物胶凝材料)和有机胶凝材料①两类。无机胶凝材料又分为气硬性与水硬性两种。气硬性胶凝材料，只能在空气中硬化，并保持或继续提高其强度；属于这类材料的有石灰、石膏、镁质胶凝材料及水玻璃等。水硬性胶凝材料，不仅能在空气中而且能更好地在水中硬化，保持并继续提高其强度；属于这类材料的有各种水泥。第一节石灰石灰是一种古老的建筑材料，由于其原料分布广，生产工艺简单，成本低，使用方便，因此被广泛用于建筑工程。用石灰岩、白垩、白云质石灰岩或其他含碳酸钙为主的天然原料，经煅烧而得的块状产品，称为生石灰。生石灰的主要成分是CaO，煅烧时的反应为900oC?CaCO+?CaO?↑→CO32为了加快煅烧过程，常使温度高达1000～1100℃。煅烧时温度的高低及分布情况，对石灰质量有很大影响。如温度太低或温度分布不均匀，碳酸钙不能完全分解，则产生欠火石灰；若温度太高，则产生过火石灰。煅烧良好的石灰，质轻色匀，密度为3.2g/cm3，堆积表观密度介于800kg/m33～1000kg/m之间。原料中常含有碳酸镁，故生石灰中尚含有一些MgO。按MgO的多少，生石灰又分为钙质石灰和镁质石灰。一、石灰的熟化(消解)石灰在使用前一般要加水进行熟化。经过熟化后的石灰，其主要成分是Ca(OH)2。石灰熟化的反应为CaO+H2O??→Ca(OH)2+64.9kJ石灰在熟化过程中，放出大量的热，体积膨胀约1.0～2.5倍。根据熟化时加水量的不同，熟石灰可呈粉状或浆状。生石灰熟化成消石灰粉的理论加水量，仅为CaO质量的32％。但由于一部分水分随放热过程而蒸发，故实际需水量为70％左右。消石灰粉的密度约为2.1g/cm3，松散状态①有机胶凝材料是指沥青材料及树脂等。下的堆积表观密度为400kg/m～450kg/m。消石灰粉的生产一般多在工厂中进行。在建筑工地上，多用石灰槽或石灰坑，将石灰熟化成石灰浆使用。通常加水量约为石灰量的2.5～3.0倍或更多。熟化时经充分搅拌，使之生成稀薄的石灰乳，再注入石灰33坑内，澄清后约含50%水分的石灰浆(石灰膏)，其堆积表观密度为1300kg/m～1400kg/m。欠火石灰的中心部分仍是碳酸钙硬块，不能熟化，形成渣子。过火石灰结构紧密，且表面有一层深褐色的玻璃状硬壳，故熟化很慢，当被用于建筑物后，能继续熟化产生体积膨胀，从而引起裂缝或局部脱落现象。为消除过火石灰的危害，石灰浆应在消解坑中存放两星期以上(称为“陈伏”)，使未熟化的颗粒充分熟化。“陈伏”期间，石灰浆表面应覆盖一层水膜，以免石灰浆碳化。二、石灰的硬化石灰浆体在空气中逐渐硬化，其硬化包括两个同时进行的过程：(1)石灰浆中水分逐渐蒸发，或被周围砌体所吸收，氢氧化钙从饱和溶液中析出结晶，即结晶过程。(2)氢氧化钙吸收空气中的二氧化碳，生成碳酸钙并放出水分，即碳化过程。其反应如下：Ca(OH)+CO+nHO〓〓222表3—1钙质、镁质石灰分类CaCo+(n+1)HO32（JC/T479，480，481—92）碳化作用主要发生在与空气接触氧化镁含量(％)的表面，当表层生成致密的碳酸钙薄壳品种钙质石灰镁质石灰白云石消石灰后，不但阻碍二氧化碳继续往深处透生石灰≤5＞5—入，同时也影响水分的蒸发，因此在砌生石灰粉≤5＞5—体的深处，氢氧化钙不能充分碳化，而消石灰粉44～2424～30是进行结晶，所以石灰浆的硬化是一个较缓慢的过程。由于石灰浆的硬化是由碳化作用及水分的蒸发而引起的，故必须在空气中进行。又由于氢氧化钙能溶于水，故石灰一般不用于与水接触或潮湿环境下的建筑物。纯石灰浆在硬化时收缩较大，易发生收缩裂缝，所以在工程上常配成石灰砂浆使用。掺入砂子除能构成坚固的骨架，以减少收缩并节约石灰外，还能形成一定的孔隙，使内部水分易于蒸发，二氧化碳易于透入，有利于硬化过程的进行。镁质石灰的熟化与硬化均较慢，产浆量较少，但硬化后孔隙率较小，强度较高。三、石灰的技术指标根据建筑石灰标准，建筑石灰分为钙质石灰、镁质石灰及白云石消石灰。其分类标准见表3—1，各类石灰技术指标见表3—2。表3—2石灰的技术指标（JC/T479,480,481—92）钙质镁质白云石消石灰品种项目优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO含量(％)不小于908580858075———未消化残渣含量(5mm圆5101551015———孔筛余,％)生石灰不大于CO(％)5796810———2产浆量(L/kg)不小于2.82.32.02.82.32.0———CaO+MgO含量(％)不小于858075807570———CO含量(％)791181012———生石2灰粉0.9mm筛筛余不大于0.20.51.50.20.51.5———(％)细度0.125mm筛筛7121871218———余(％)CaO+MgO含量(％)不小于706560656055656055游离水(％)0.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～2消石体积安全性合格合格—合格合格—合格合格—灰粉0.9mm筛筛余000.5000.5000.4(％)细度不大于0.125mm筛筛310153101531015余(％)四、石灰的应用石灰在建筑上应用很广，常用来配制石灰砂浆等，作为砌筑砖石及抹灰用。石灰乳常作为墙及天棚等的粉刷涂料使用。消石灰与粘土可配制成灰土，再加入砂子可配成三合土，经过夯实之后，具有一定的强度和耐水性，可用于建筑物的基础和垫层，也可用于小型水利工程。三合土或灰土可就地取材，施工技术简单，成本低，具有很大的使用价值。将生石灰磨成细粉，不经消解直接使用，称为磨细生石灰。常用于制作硅酸盐制品及无熟料水泥，也可用于拌制三合土或灰土等，其物理力学性能比消石灰好。用磨细生石灰掺加纤维状填料或轻质骨料，搅拌成型后，经人工碳化，可制成碳化石灰板，用作隔墙板、天花板等。第二节石膏石膏胶凝材料主要是由天然二水石膏(CaSO·2HO——生石膏)经煅烧脱水而制成42的。除天然二水石膏外，天然无水石膏(CaSO4——硬石膏)、工业副产品石膏(以硫酸钙为主要成分的工业副产品，如磷石膏、氟石膏)也可作为制造石膏胶凝材料的原料。生产石膏的主要工序是煅烧和磨细。在煅烧二水石膏时，由于加热温度不同，所得石膏的组成与结构也不同，其性质有很大差别。常压下，当加热温度在107～170℃之间时，二水石膏逐渐失去大量水分，生成β型半水石膏(熟石膏)。反应式为11CaSO·2HO=CaSO·HO+1HO4242222半水石膏加水拌和后，能很快凝结硬化。当锻烧温度在（170～200）℃时，石膏脱水变成可溶的硬石膏，它与水拌和后也能很快的凝结与硬化。当煅烧温度在(200～250)℃时，生成的石膏仅残留微量水分，凝结硬化异常缓慢。当煅烧温度高于400℃时，石膏完全失去水分，变成不溶解的硬石膏，不能凝结硬化。当温度高于800℃时，石膏将分解出部分CaO，称高温煅烧石膏，重新具有凝结和硬化的能力，虽凝结较慢，但强度及耐磨性较高。在建筑上应用最广的是半水石膏。一、建筑石膏将β型半水石膏磨成细粉，即得建筑石膏。其中，杂质较少、色泽较白、磨得较细的产品称模型石膏。建筑石膏密度为2.5g/cm333～2.8g/cm，其紧密堆积表观密度为1000kg/m～1200kg/m，疏松堆积表观密度为800kg/m～1000kg/m。建筑石膏遇水时，将重新水化成二水石膏，并逐渐凝结硬化，其反应如下：11CaSO·HO+1HO=CaSO·2HO4224222建筑石膏凝结硬化过程：半水石膏遇水即发生溶解，溶液很快达到饱和，溶液中的半水石膏水化成为二水石膏。由于二水石膏的溶解度远比半水石膏小，所以很快从过饱和溶液中沉淀析出二水石膏的胶体微粒并不断转化为晶体。由于二水石膏的析出破坏了原有半水石膏的平衡，这时半水石膏进一步溶解和水化。如此不断地进行半水石膏的溶解和二水石膏的析晶，直到半水石膏完全水化为止。随着浆体中的自由水分因水化和蒸发而逐渐减少，浆体逐渐变稠失去塑性，呈现石膏的凝结。此后，二水石膏的晶体继续大量形成、长大，晶体之间相互接触与连生，形成结晶结构网，浆体逐渐硬化成块体，并具有一定的强度。建筑石膏凝结硬化很快，一般终凝不超过半小时，硬化后体积稍有膨胀(膨胀量约为0.5％～1％)，故能填满模型，形成平滑饱满的表面，干燥时也不开裂，所以石膏可以不加填充料而单独使用。建筑石膏水化反应的理论需水量仅为石膏质量的18.6％，但使用时，为使浆体具有一定的可塑性，需水量常达60％～80％。多余水分蒸发后留下大量孔隙，故硬化后石膏具有多孔性，表观密度较小，导热性较小，强度也较低。建筑石膏硬化后具有很强的吸湿性。受潮后晶体间结合力减弱，强度急剧下降，软化系数为0.2～0.3，耐水性及抗冻性均较差。建筑石膏具有良好的防火性能。硬化的石膏为二水石膏，当其遇火时，二水石膏吸收大量的热而脱水蒸发，在制表3—3建筑石膏的技术指标(GB9776-88)品表面形成水蒸气隔层，使其技术指标优等品一等品合格品具有良好的防火性能。抗折强度(Mpa)2.52.11.8根据GB9776—88《建筑石抗压强度(MPa)4.93.92.9膏》，建筑石膏分为三个等级，细度(0.2mm方孔筛筛余,％)≤5≤10≤15各等级的技术指标见表3—3。凝结时间初凝不小于6建筑石膏适用于室内装（min）终凝不大于30饰、抹灰、粉刷，制作各种石注：表中强度为2h强度值膏制品及石膏板等。石膏板是一种新型轻质板材，它是以建筑石膏为主要原料，加入轻质多孔填料(如锯末、膨胀珍珠岩等)及纤维状填料(如石棉、纸筋等)而制成的。为了提高石膏板的耐水性，可加入适量的水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣等，或在石膏板表面粘贴纸板、塑料壁纸、铝箔等。石膏板具有质量轻、隔热保温、隔音、防火等性能，可锯、可钉，加工方便。适用于建筑物的内隔墙、墙体覆盖面、天花板及各种装饰板等。目前我国生产的石膏板主要有纸面石膏板、纤维石膏板、石膏空心板条、石膏装饰板及石膏吸音板等。二、高强度石膏将二水石膏在0.13MPa压力的蒸压锅内蒸炼(即在1.3大气压，125℃条件下进行脱α水)，所得的半水石膏为型半水石膏，其需水量（约为35％～45％）仅为建筑石膏的一半。故其制品密实度和强度较建筑石膏大，称为高强度石膏。它适用于强度较高的抹灰工程、石膏制品和石膏板等。三、无水石膏水泥将二水石膏在600～800℃温度下煅烧后所得的不溶性无水石膏，加入适量的催化剂，如石灰、页岩灰、粒化高炉矿渣、硫酸钠、硫酸氢钠等，共同磨细而制得的气硬性胶凝材料，称为无水石膏水泥。它具有较高的强度，可用于配制建筑砂浆、保温混凝土、抹灰、制造石膏制品和石膏板等。第三节水玻璃水玻璃俗称泡花碱，是一种水溶性的硅酸盐，由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成，如硅酸钠(NaO·nSiO)、硅酸钾(KO·nSiO)等。2222建筑上常使用的水玻璃是硅酸钠的水溶液，为无色、青绿色或棕色粘稠液体。其制造方法是将石英砂粉或石英岩粉加入NaCO或NaSO，在玻璃炉内以1300℃～1400℃2324温度熔化，冷却后即成固态水玻璃。然后在（0.3～0.8）MPa压力的蒸压锅内加热，将其溶解成液态水玻璃。它是一种胶质溶液，具有胶结能力。水玻璃中SiO和NaO的分子数比值n称为水玻璃硅酸盐模数。n值越大，水玻璃中胶22体组分愈多，水玻璃的粘性愈大，越难溶于水，但却容易分解硬化，粘结能力较强。建筑工程中常用水玻璃的n值一般在2.5～3.5之间。相同模数的液态水玻璃，其密度较大(即3浓度较稠)者，则粘性较大，粘结性能较好。工程中常用的水玻璃密度为1.3g/cm～31.48g/cm。水玻璃在空气中与二氧化碳作用，析出无定形二氧化硅凝胶，并逐渐干燥而硬化：NaO·nSiO+CO+mHO=NaCO+nSiO·mHO22222322由于空气中的CO2含量有限，上述硬化过程进行得很慢