第三章气硬性胶凝材料

第三章无机胶凝材料河南大学土木建筑学院一、气硬性胶凝材料本节教学内容与学习要求教学内容本章主要介绍下列几种气硬性胶凝材料的特性、技术性质要求和应用：石灰(Lime)石膏(Plaster)水玻璃(WaterGlass)氯氧镁水泥(Magnesite)学习要求通过学习要求了解这几种胶凝材料的特性与用途。河南大学土木建筑学院学习重点与难点重点：石灰和石膏的特性与用途。难点：①石灰的熟化和硬化特性；②建筑石膏硬化过程的物理化学变化。河南大学土木建筑学院胶凝材料的定义狭义定义：在建筑工程中，将散粒材料（如砂、石子）或块状材料（如砖、石块）粘结为整体的材料，统称为胶凝材料（或称胶结材料）。广义定义：凡能经过自身的在物理化学作用,在由可塑浆体变成坚硬石状体的过程中，能把散粒或块状物料胶结成一个整体，且有一定机械强度的材料，统称为胶凝材料(CementitiousMaterials)。河南大学土木建筑学院胶凝材料分类有机胶凝材料（如沥青和各种树脂）无机胶凝材料气硬性胶凝材料（Non-Hydraulic)（只能在空气中硬化,并保持或继续提高强度的胶凝材料。如石膏、石灰、水玻璃等）关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！水硬性胶凝材料（Hydraulic）（在拌水后不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化,保持并继续提高强度的胶凝材料。如各种水泥）关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！河南大学土木建筑学院3.1石灰人类在建筑中最早使用的胶凝材料之一原料（石灰石）分布广泛生产工艺简单使用方便成本低廉应用广泛河南大学土木建筑学院一、原料和生产天然碳酸岩类岩石——（石灰石、白云石）经高温煅烧，其主要成分CaCO3分解为以CaO为主要成分的生石灰，其化学反应可表示如下：生石灰（堆积密度为800~1000kg/m3)一般为白色或黄灰色块灰，块灰碾碎磨细即为生石灰粉。900100032CCCaCOCaOCO河南大学土木建筑学院二.石灰的消化和硬化1.石灰的熟化和“陈伏”工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为消（熟）石灰—氢氧化钙，这个过程称为石灰的“消化”，又称“熟化”：生石灰烧制过程中，往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不均匀等原因，生石灰中残留有未烧透的内核，这种石灰称为“欠火石灰”。molKJOHCaOHCaO/9.64)(22河南大学土木建筑学院第二种情况是由于烧制的温度过高或时间过长，使得石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，引起隆起鼓包和开裂。河南大学土木建筑学院为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，这一过程称为石灰的“陈伏”。“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。河南大学土木建筑学院.石灰的硬化石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的：（１）结晶作用：游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。（２）碳化作用：氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发：OHnCaCOOnHCOOHCa23222)1()(碳化河南大学土木建筑学院碳化作用实际是二氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙。所以这个作用不能在没有水分的全干状态下进行。河南大学土木建筑学院三.建筑石灰的技术指标建筑石灰的技术指标有细度、CaO+MgO含量、CO2含量和体积安定性等。并按技术指标分为优等品、一等品和合格品三个等级。具体技术要求见：土木工程材料JC/T479-1992建筑生石灰JC/T480-1992建筑生石灰粉JC/T481-1992建筑消石灰粉钙质生石灰MgO≤5%；钙质消石灰粉MgO≤4%镁质生石灰MgO﹥5%；镁质消石灰粉MgO﹥4%河南大学土木建筑学院四.石灰的技术性质（1）可塑性好生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径约为1μ）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好可塑性。在水泥砂浆中掺入石灰浆，可使可塑性显著提高。河南大学土木建筑学院(2)硬化慢、强度低从石灰浆体的硬化过程可以看出，由于空气中二氧化碳稀薄，碳化甚为缓慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于碳化作用的深入，也不利于内部水分的蒸发，因此石灰是硬化缓慢的材料。同时，石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后的强度也不高。受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会溃散。如石灰砂浆（1：3）28天强度仅为0.2-0.5MPa。所以，石灰不宜在潮湿的环境下作用，也不宜用于重要建筑物基础。河南大学土木建筑学院（3）硬化时体积收缩大石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩，所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩和节约石灰。河南大学土木建筑学院（4）耐水性差，不易贮存块状类石灰放置太久，会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中二氧化碳作用而还原为碳酸钙，失去胶结能力。所以贮存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜贮存过久。最好运到后即熟化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。由于生石灰受潮熟化时放出大量的热，而且体积膨胀，所以，储存和运输生石灰时，还要注意安全。河南大学土木建筑学院五.石灰的应用（1）石灰乳和石灰砂浆将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水搅拌稀释，成为石灰乳，是一种廉价的涂料，主要用于内墙和天棚刷白，增加室内美观和亮度。我国农村也用于外墙。石灰乳可加入各种耐碱颜料。调入少量水泥、粒化高炉矿渣或粉煤灰，可提高其耐水性，调入氯化钙或明矾，可减少涂层粉化现象。石灰砂浆是将石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途，分为砌筑砂浆和抹面砂浆。河南大学土木建筑学院（2）石灰土（灰土）和三合土石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用，制成石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，适于在潮湿环境中使用。如建筑物或道路基础中使用的石灰土，三合土，二灰土（石灰、粉煤灰或炉灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰或炉灰、级配碎石）等。河南大学土木建筑学院（3）灰砂砖和硅酸盐制品石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀，加水搅拌,经压振或压制，形成硅酸盐制品。为使其获早期强度，往往采用高温高压养护或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度显著加快，使制品产生较高的早期强度。如灰砂砖、硅酸盐砖、硅酸盐混凝土制品等。河南大学土木建筑学院各类石灰的用途品种名称适用范围生石灰配制石灰膏；磨细成生石灰粉石灰膏用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆稀释成石灰乳(石灰水)涂料，用于内墙和平顶刷白生石灰粉(磨细生石灰粉)用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆配制无熟料水泥(石灰矿渣水泥、石灰粉煤灰水泥、石灰火山灰水泥等)制作硅酸盐制品(如灰砂砖等)制作碳化制品(如碳化石灰空心板)用于石灰土(石灰+粘土)和三合土消石灰粉制作硅酸盐制品用于石灰土(灰土)和三合土河南大学土木建筑学院硅酸盐制品灰砂砖硅酸盐砌块河南大学土木建筑学院石灰砂浆的裂纹石灰砂浆A为凸出放射性裂纹，这是由于石灰浆的陈伏时间不足，制使其中部分过火石灰在石浆砂浆制作时尚未水化，导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成Ca(OH)2，产生体积膨胀，从而形成膨胀性裂纹。石灰砂浆B为网状干缩性裂纹，是因石灰砂浆在硬化过程中干燥收缩所致。尤其是水灰比过大，水过多，易产生此类裂纹。石灰砂浆A石灰砂浆B河南大学土木建筑学院第二节石膏石膏是以硫酸钙为主要成分的矿物，当石膏中含有结晶水不同时可形成多种性能不同的石膏。2.1石膏的原料、分类及生产根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为：（1）无水石膏（ＣaSO4）：也称硬石膏，它结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的原料。河南大学土木建筑学院（2）天然石膏（ＣaSO4·2H2O）：也称生石膏或二水石膏，大部分自然石膏矿为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。（３）建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）也称熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根据其内部结构不同可分为α型半水石膏和β型半水石膏：河南大学土木建筑学院建筑石膏通常是由天然石膏经压蒸或煅烧加热而成的。常压下煅烧加热到107℃～170℃，可产生β型建筑石膏：（二水石膏）（β型半水石膏）124℃条件下压蒸（1.3大气压）加热可产生α型建筑石膏：（二水石膏）（α型半水石膏）OHOHCaSOOHCaSOCC224170~10724211212常压OHOHCaSOOHCaSOC22412424211212压蒸河南大学土木建筑学院α型半水石膏与β型半水石膏相比，结晶颗粒较粗，比表面积较小，强度高，因此又称为高强石膏。当加热温度超过170℃时，可生成无水石膏，只要温度不超过200℃，此无水石膏就具有良好的凝结硬化性能。河南大学土木建筑学院我国石膏矿分布非常广泛河南大学土木建筑学院2.2建筑石膏的水化与硬化建筑石膏与适量水拌合后，能形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，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。河南大学土木建筑学院建筑石膏与水之间产生化学反应的反应式为：此反应实际上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反应，因为二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多，所以此反应总体表现为向右进行，二水石膏以胶体微粒自水中析出。OHCaSOOHOHCaSO24224221121河南大学土木建筑学院随着二水石膏沉淀的不断增加，就会产生结晶，结晶体的不断生成和长大，晶体颗粒之间便产生了磨擦力和粘结力，造成浆体的塑性开始下降，这一现象称为石膏的初凝；而后随着晶体颗粒间磨擦力和粘结力的增大，浆体的塑性很快下降，直至消失，这种现象为石膏的终凝。石膏终凝后，其晶体颗粒仍在不断长大和连生，形成相互交错且孔隙率逐渐减小的结构，其强度也会不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化后的石膏结构，这一过程称为石膏的硬化。石膏浆体的凝结和硬化，实际上是交叉进行的。河南大学土木建筑学院凝结硬化机理——“溶解－沉淀理论”溶解沉淀硬化半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不断溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网河南大学土木建筑学院凝结硬化的物理化学过程石膏浆体半水石膏颗粒二水石膏晶体石膏胶体石膏硬化体水孔隙河南大学土木建筑学院半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子水化成二水石膏晶体。所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！河南大学土木建筑学院石膏凝结硬化的影响因素石膏的组成石膏浆体的用水量外加剂细度凝结硬化速度的排序：可溶性无水石膏＞半水石膏＞难溶性无水石膏＞不溶性无水石膏用水量越大，石膏晶体颗粒越大；凝结硬化所需时间增加一些无机盐(如硫酸钾)可以促进凝结硬化，而一些有机酸(如柠檬酸)可以延缓凝结硬化细度越细，凝结硬化越快。河南大学土木建筑学院2.3建筑石膏的技术要求建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时间。并按强度和细度分为优等品、一等品和合格品。具体技术要求见GB9776-1988。河南大学土木建筑学院建筑石膏的技术指标（GB9776-88）技术指标优等品一等品合格品抗折强度/MPa,不小于2.52.11.8抗压强度/MPa,不小于4.93.92.9细度(0.2mm方孔筛筛余/％),不大于5.010.015.0凝结时间初凝时间不早于6min；终凝时间不迟于30min河南大学土木建筑学院2.4建筑石膏的技术性质（１）凝