第二章气硬性无机胶凝材料

第二章气硬性无机胶凝材料第二章气硬性无机胶凝材料•经过自身的一系列物理、化学作用，能由液体、固体（或半固体泥膏状）变为坚硬的固体，并能将松散物质粘结成整体的材料统称为胶凝材料。•根据胶凝材料的化学组成，一般可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。•有机胶凝材料以天然的或合成的有机高分子化合物为基本成分，常用的有沥青、各种合成树脂等。•无机胶凝材料则以无机化合物为基本成分，常用的有石膏、石灰、各种水泥。•无机胶凝材料按照硬化条件的不同，又可分为气硬性无机胶凝材料和水硬性无机胶凝材料。•气硬性无机胶凝材料：只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料。常见如，石灰、石膏、菱苦土和水玻璃。这类材料一般只适用在地上或干燥环境中，而不宜用于潮湿环境中，更不能用于水中。•水硬性无机胶凝材料：则不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持和继续发展其强度，如各品种水泥。既适用于地上，也适用于地下或水中工程。胶凝材料分类示意图第一节石膏•石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。•由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优良的性质，原料来源丰富、生产能耗低，因而在建筑工程中得到广泛应用。•目前，常用的石膏胶凝材料有：建筑石膏、高强石膏、无水石膏水泥、高温煅烧石膏等。一、石膏来源•生产石膏胶凝材料的原料主要是：•天然二水石膏（CaSO4·2H2O），又称为软石膏或生石膏；•天然无水石膏（CaSO4），又称天然硬石膏；•含有二水石膏，或二水石膏与天然无水石膏混合物的化工副产品，称为化工石膏。•天然二水石膏，是以CaSO4·2H2O为主要成分的矿石。纯净的石膏呈无色透明或白色，但天然石膏常含有杂质而呈灰色、褐色、黄色、红色、黑色等颜色。•天然无水石膏（CaSO4）质地较天然二水石膏硬，一般是白色，若有杂质则呈灰红色等颜色。只可用于生产无水石膏水泥。•国家标准GB/T5483-1996中规定，天然二水石膏和无水石膏按矿物成分含量分级，分为特级、一级、二级、三级、四级，见表2-1所示。•除天然原料之外，也可用一些含有二水石膏（CaSO4·2H2O）或二水石膏与天然无水石膏（CaSO4）混合物的化工副产品用作生产石膏胶凝材料的原料，常称之为化工石膏。如：•磷石膏是制造磷酸和磷肥时的废料，•硼石膏是生产硼酸时得到的废料，•氟石膏是制造氟化氢时的副产品。•此外，还有盐石膏、芒石膏、钛石膏等等。二、石膏胶凝材料的制备二、建筑石膏的凝结硬化•建筑石膏加水后，与水发生的化学反应如下：（动画）CaSO4·0.5H2O+1.5H2O=CaSO4·2H2O•建筑石膏的凝结硬化过程可以表示如下：•建筑石膏与适量的水拌和后，最初成为可塑的浆体，经过一段时间反应后，将很快失去塑性，这个过程称为凝结；•以后迅速产生强度，并发展成为坚硬的固体，这个过程称为硬化。建筑石膏凝结过程，是一个溶解、反应、沉淀、结晶的过程；–硬化过程则是在二水石膏晶体之间，晶体结构网的形成过程。晶体之间互相交叉连生，形成网状结构；随着反应的继续进行，结晶结构网逐渐密实，从而使石膏晶体逐渐硬化。四、建筑石膏的技术性质•凝结硬化速度•硬化时体积变化•硬化后表观密度与强度；•防火性能；•隔热、吸声和“呼吸”作用•耐水性、抗冻性和耐热性•储存及保质期•良好的可装饰性和可加工性•技术标准1、凝结硬化速度快。•建筑石膏的凝结时间随煅烧温度、磨细程度和杂质含量等情况的不同而不同。•一般与水拌合后，在常温下数分钟即可初凝，30分钟以内即可达到终凝。•有时需要操作时间较长，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸盐酒精废液等，以降低半水石膏的溶解度和溶解速度。•若要加速建筑石膏的凝结，则可掺入促凝剂，如：氯化钠、氯化镁、硫酸钠、硫酸镁和硅氟酸钠等。•在室内自然干燥状态下，达到完全硬化约需一周时间。2、凝结硬化时体积产生微膨胀•建筑石膏凝结硬化是石膏吸收结晶水后的结晶过程，其体积不仅不会收缩，而且还稍有膨胀（0.2%-1.5%），•这种膨胀不会对石膏造成危害，还能使石膏的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥时的开裂。3、硬化后的表观密度与强度•建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，常加入的水分要比水化所需的水量多。•建筑石膏的水化，理论需水量只占半水石膏重量的18.6%，但是实际上为使石膏浆体具有一定的可塑性，往往需要加水60—80%，多余的水分在硬化过程中逐渐蒸发，是硬化后的石膏留有大量的微孔，一般的孔隙率约为50—60%。•因此，建筑石膏硬化后，强度较低，表观密度较小。•通常石膏硬化后的表观密度约为８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3，抗压强度约为３ＭPa～5ＭPa。4、防火性能好•硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，•在表面蒸发形成水蒸气幕和脱水物隔热层，可有效地阻止火势蔓延和温度升高，并且无有害气体产生，所以石膏具有良好的防火效果。5、良好的隔热、吸声和“呼吸”功能•石膏硬化体中大量的微孔，使其传热性显著下降，因此具有良好的隔热能力；•石膏的大量微孔，特别是表面微孔，使其对声音传导或反射的能力也显著下降，因此具有较强的吸声能力。•大热容量和大的孔隙率及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。6、耐水性、抗冻性和耐热性均较差•建筑石膏硬化后，具有很强的吸湿性和吸水性，•在潮湿环境中，晶体间的粘结力消弱，强度明显降低，在水中晶体还会溶解而引起破坏，在流动的水中破坏更快，硬化石膏的软化系数约为0.2-0.3；•若石膏吸水后受冻，则孔隙中的水分结冰，产生体积膨胀，使硬化后的石膏体破坏。•此外，若在温度过高的环境中使用（超过65℃），二水石膏会脱水分解，造成强度降低。•建筑石膏不宜用于潮湿和温度过高的环境中。7、储存及保质期•建筑石膏在贮存运输的过程中，应防止受潮及混入杂物，不同等级的建筑石膏应分别贮运，不得混杂；•一般贮存期为3个月，超过3个月，强度将降低30%左右。超过贮存期限的石膏要重新进行质量检验，以确定其等级。8、有良好的装饰性和可加工性•石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。•微孔结构使其脆性有所改善，硬度也较低，所以硬化石膏可锯、可刨、可钉。具有良好的可加工性。9、技术标准•根据GB9776-1988的规定，建筑石膏按强度、细度和凝结时间指标分为优等品、一等品和合格品。•表2-2建筑石膏的技术性能五、建筑石膏的应用•室内抹灰与粉刷•生产建筑石膏制品•生产水泥时作为缓凝剂加入水泥中•1、制备粉刷石膏•建筑石膏硬化时不收缩，故使用时可以不掺入填料，直接做成抹面砂浆，也可以与石灰、砂等填料混合使用，制成内墙抹面灰浆或砂浆。•2、石膏板材•目前，应用较多的是在建筑石膏中掺入填料，加工后制成具有不同功能的复合石膏板材。•石膏板具有轻质、保温绝热、吸声、不燃和可锯可钉等性能，还可调解室内温湿度；•并且原料来源广泛、工艺简单、成本低。•是一种良好的建筑功能材料，也是目前着重发展的轻质板材之一。•为了减轻自重、降低导热性，生产石膏板时，常掺加锯末、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、陶粒、煤渣等轻质多孔填料，或者掺加泡沫剂、加气剂等外加剂；•若掺入纸筋、麻丝、芦苇、石棉及玻璃纤维等纤维状填料，或在石膏板表面粘贴纸板等材料，可提高石膏板的抗折强度和减少脆性；•若加入无机耐火纤维，还可同时提高石膏板的耐火性能。•石膏耐水性较差，为了改善其板材的耐水性能，可如前述掺入水泥、粒化高炉矿渣、石灰、粉煤灰或有机防水剂，也可同时在石膏板表面采用耐水护面纸或防水高分子材料面层，这样的石膏板就可用于厨房、卫生间等潮湿场所。•另外，通过调整石膏板的厚度、孔眼大小、孔距、空气层厚度，可制成适应不同频率的吸声板。•在石膏板表面贴上不同的贴面，如木纹纸、铝箔等，可起到一定的装饰等作用。•石膏板具有长期徐变的性质，在潮湿的环境中更严重，所以不宜用于承重结构。•目前，我国生产的石膏板类型主要有纸面石膏板、空心石膏板、纤维石膏板和装饰石膏板。•主要用作室内墙体、墙面装饰和吊顶。六、其他品种石膏胶凝材料•1、高强度石膏•高强度石膏的主要成分是α型半水石膏，因将其调成可塑性浆体的需水量比建筑石膏（β型半水石膏）少一半左右，所以硬化后具有较高的密实度和强度。•一般情况下，3h抗压强度可达9-24MPa，7d可达15-40MPa•高强度石膏主要适用于强度要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。•掺入防水剂可制成高强度耐水石膏，可用于较潮湿环境中•2、硬石膏水泥•天然硬石膏或天然二水石膏加热至400-750℃，石膏将完全失去水分，成为不可溶性硬石膏，失去凝结硬化能力。•此时加入适量的激发剂---硫酸盐激发剂，如5%硫酸钠或硫酸氢钠与1%铁帆或铜矾的混合物；或加入适量的碱性激发剂，如1%-5%石灰或石灰与少量半水石膏混合物、煅烧白云石、碱性粒化高炉矿渣等，可使其又恢复胶凝性。•2、硬石膏水泥•硬石膏水泥属于气硬性胶凝材料，与建筑石膏相比，凝结速度较慢，调成一定稠度的浆体，需水量较少，硬化后孔隙率较小。•它宜用于室内，主要用作石膏板和建筑石膏制品，也可作抹面灰浆，具有良好的耐火性和抵抗酸碱侵蚀的能力。•思考题2-1普通石膏浮雕板用于厕所、浴室为何易出现发霉变形?如何改善其耐水性?•厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，普通石膏制品具有较强的吸湿性和吸水性，在潮湿的环境中，石膏晶体间的粘结力削弱，强度下降、变形，且还会发霉。•建筑石膏一般不宜在潮湿和温度过高的环境中使用。欲改善其耐水性，可于建筑石膏中掺入一定量的水泥或其他含活性SiO2、A1203及CaO的材料，如粉煤灰、石灰。掺入有机防水剂亦可改善石膏制品的耐水性。•思考题2-2建筑石膏及其制品为什么适用于室内，而不适用于室外使用？•解：建筑石膏及其制品适用于室内装修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝结硬化后具有以下的优良性质：•（1）石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。加入颜料后，可具有各种色彩。建筑石膏在凝结硬化时产生微膨胀，故其制品的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，形状、尺寸准确、细致，装饰性好；•（2）硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保温性、吸声性好。•（3）硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，具有一定的防火性。并且无有害气体产生。•（4）建筑石膏制品还具有较高的热容量和一定的吸湿性，故可调节室内的温度和湿度，改变室内的小气候。•在室外使用建筑石膏制品时，必然要受到雨水冰冻等的作用，而建筑石膏制品的耐水性差，且其吸水率高，抗渗性差、抗冻性差,所以不适用于室外使用。第二节石灰•石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。•石灰的原料分布很广，生产工艺简单、成本低廉，在土木工程中应用也非常广泛。•工程中常用的石灰制品有磨细生石灰粉（CaO）、消石灰粉Ca(OH)2和石灰膏Ca(OH)2。一、石灰的原材料•生产石灰的天然原材料是以碳酸钙为主要成分的天然岩石，最常用的原材料是石灰石，另外还有白云石、白垩、贝壳等。石灰的原材料中常含有部分粘土杂质，一般要求原材料中的粘土杂质不超过8%。•石灰的另一来源是化工副产品。如：用碳化钙制取乙炔时产生的电石渣，其主要成分是氢氧化钙，既消石灰（或称熟石灰）；或者用氨碱法制碱所得到的残渣，其主要成分是碳酸钙。等等。二、石灰的制备(生产工艺—煅烧)•石灰石在适当的温度下经过煅烧，碳酸钙将分解，释放出二氧化碳，得到以氧化钙CaO为主要成分的生石灰。•在生产石灰的原料中，常含有碳酸镁，经煅烧，分解为氧化镁；按照氧化镁的含量多少，石灰分为钙质石灰和镁质石灰两类。•《建筑生石灰》（JC/T479-92）规定，生石灰中氧化镁含量≤5%时，称为钙质石灰；•氧化镁含量大于5%时，称为镁质石灰。•将煅烧成的块状石灰经过不同的加工，可得到工程中常用的生石灰粉、消石灰粉和石灰膏。•其中，生石灰粉是将块状石灰磨细而成的；•消石灰粉和石灰膏则是生石灰加水消解而成的。三、生石灰的熟化•工地上在使用石灰前，要