《土木工程材料》课程教学资源（教材讲义）第3章气硬性胶凝材料.pdf_大学文库

第3章气硬性胶凝材料教学提示：气硬性胶凝材料的特点是只能在空气中凝结硬化，产生和发展强度，一般仅适用于地上和干燥环境中。本章可根据“原材料—生产—水化硬化—硬化体结构—性质 —应用”这一主线来学习。教学要求：掌握石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理、性质和主要用途，了解它们的原材料和生产。在土木工程中，将散粒状材料（如砂和石子）或块状材料（如砖块和石块）粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。胶凝材料按其化学组成成分的不同，可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类，无机胶凝材料按硬化条件不同又分为气硬性和水硬性两种。相比较而言，无机胶凝材料在土木工程中的应用更加广泛。气硬性胶凝材料只能在空气中凝结硬化和增长强度，所以只适用于地上和干燥环境中，不能用于潮湿环境，更不能用于水中。如建筑石膏、石灰和水玻璃等。而水硬性胶凝材料不但能在空气中凝结硬化和增长强度，在潮湿环境甚至水中能更好地凝结硬化和增长强度，因此它既适用于地上，也能适用于潮湿环境或水中。如各种水泥。本章主要论述气硬性胶凝材料。有机胶凝材料是以天然或人工合成高分子化合物为主要成分的胶凝材料。常用的有机胶凝材料主要有石油沥青、煤沥青和各种天然或人造树脂。胶凝材料分类如下：气硬性胶凝材料：如石灰、石膏、水玻璃无机胶凝材料水硬性胶凝材料：如各种水泥胶凝材料有机胶凝材料：如沥青、树脂 3.1石膏石膏胶凝材料是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。石膏胶凝材料及其制品是一种理想的高效节能材料，在建筑中已得到广泛应用。其制品具有质量轻、抗火、隔音、绝热效果好等优点，同时生产工艺简单，资源丰富。它不仅是一种有悠久历史的胶凝材料，而且是一种有发展前途的新型建筑材料。如美国目前80%的住宅用石膏板作内墙和吊顶，在日本、欧洲，石膏板的应用也很普遍。我国石膏板的应用正越来越多

第3章气硬性胶凝材料· 33 *3.1.1石膏的种类和建筑石膏的生产1.石膏的种类根据硫酸钙所含结晶水数量的不同，石宫分为二水石膏（CaSO42H2O)、半水石膏一H,O)和无水石膏(CaSO4)。(CaSO,*二水石膏有两个来源，是天然石膏矿，这种石膏义称为软石膏或生石膏：二是化工石膏，这种石膏是含有较大量CaSO4-2H2O的化学T业副品，是种废渣或废液，如磷化）的废渣为磷石膏，氟化1厂的废渣为氟石膏。此外，还有脱硫排烟石膏、硼石膏、盐石膏、钛石膏等。无水石膏办有两个求源，一是人然石膏矿，这种石膏又称为硬石膏：二是来源丁二水石膏高温缎烧后的产物，这种石膏有三个形态(如图3.1所示)。半水石膏是水石膏加热后生成的产物（见图3.1)。2.建筑石膏的生产生产建筑石膏的原材料主要是天然二水石膏，也可采用化工石膏。纯净的天然二水石膏矿石品无色透明或白色，但在含杂质时可呈灰色、褐色、黄色、红色等。根据CaSO42HO的含量，天然二水石育量分为五个等级（JC16一82），如表3-1所示采用化工石育时作为生产原料时应注意，如废渣（液）中含有酸性成分时，须预先用水洗涤或用石灰中和后才能使用。用化工石膏生产建筑石膏，可扩大石膏原料的来源，变废为宝，达到综合利用的目的。表3-1天然二水石膏的等级级-二三四五等≥9584~75CaSO42H,O含量(%)94~8574~6564~55将CaSO4-2H2O在不同缎烧条件下、不同压力和温度下加热，可制得晶体结构和性质各异的多种石膏胶凝材料，如图3.1所示。107℃~170℃β-CaSO4-1/2H,Oβ-CasO,IlI320℃~360℃（β型可溶硬石膏）在T燥条件下（β型半水石齐）(炒锅、回转窑）补400C-750 CasO,II125℃0.13MPa230℃α-CasO.ll（不溶硬石膏）Lα-CaSO-1/2H,O有液态水存在（α型半水石膏）（α型可溶硬石膏）A（蒸压锅）Cas041≥800'℃（殿烧石膏）图3.1二水石膏的加热变种从上图可知，CaSO4·2H2O在干燥条件下经过低温熳烧，可得到β型半水石膏(β-CaSO4-1/2HzO)，这种石膏磨纵加工即为建筑石膏。建筑石膏为白色粉末，密度约为2.60g/cm2~2.75g/cm2，堆积密度约为800kg/m~1000kg/m2。:33-

第3章气硬性胶凝材料· 35 .建筑石膏产品的标记顺序为产品名称、抗折强度、标准号。例如，抗折强度为2.5MPa的建筑石育标记为建筑石膏2.5GB9776。2.建筑石膏的特性1）凝结硬化快建筑石膏凝结硬化过程很快，初凝时问不小于6min，终凝时问不超过30min，在室内自然干燥条件下，一星期左右完全硬化。所以在施工时往往要根据实际需要掺加适量的缓凝剂，如0.1%~0.2%的动物胶、0.1%~0.5%的硼砂等。2）硬化时体积微膨胀建筑石育硬化时体积微膨胀(胀率为0.05%～0.15%)，这使石膏制品表而光滑饱满、棱角清晰，干燥时不开裂。3）硬化后空隙率大、表观密度和强度较低建筑石育在使用时为获得良好的流动性，加入的水量往往比水化所需水分多。石育凝结后，多余水分蒸发，在石旁硬化体内留下人量孔隙（孔隙率高达50%～60%)，故表观密度小，强度低，其硬化后的强度仅为3MPa～5MPa，但这已能满足用作隔墙和饰面的要求。不同品种的石宫胶凝材料硬化后的强度差别很大。高强石宫硬化后的强度通常比建筑音要高2倍~7倍。建筑石膏粉易吸潮，长期储存会降低强度，因此建筑石膏粉在贮存及运输期问必须防潮，储存时间一般不得超过三个月。4）绝热、吸声性良建筑石育制品的导热系数较小，一般为0.121W/(mK)～0.205W/(mK)，几有良好的绝热能力；5）防火性能良好建筑石膏硬化后生成二水石膏，遇火时，出于石膏中结晶水吸收热量蒸发，在制品表面形成蒸汽幕，有效阻山火的蔓延。制品厚度越大，防火性能越好。6）有一定的调温调湿性建筑石膏热容量大、吸湿性强，所以能对室内温度和湿度起到一定的调节作用。7）耐水性、抗冻性差因建筑石音硬化后具有很强的吸湿性，在潮湿环境巾会削弱晶体间结合力，使强度显著下降。调水时晶体溶解而引起破坏，吸水后再受冻，孔隙内水分结冰而制品崩裂。因此，建筑石膏不耐水，不抗冻。8）加工性和装饰性好石膏硬化体可锯、可钉、可刨、可打眼，便丁施工；其制品表而细腻平整，色洁白，极富装饰性。3.1.4建筑石膏的应用石膏在建筑中的应用于分厂泛，可用来制作各种石音板、各种建筑艺术配件及建筑装饰、彩色石音制品、石膏砖、空心石音砌块、石音混凝工、粉刷石音和人造大理石等。另外，石膏也作为重要的外加剂，用于水泥及硅酸盐制品中。·35

土木工程村料*36 ·1.粉刷石膏粉刷石膏是由建筑石膏或由建筑石右膏和CaSO4II一者混合后再加入外加剂、细骨料等而制成的气硬性胶凝材料。其按用途可分为面层粉刷石膏(M)、底层粉刷石膏(D)和保温层粉刷石膏（W)二类粉刷石膏产品标记的顺序为产品名称、代号、等级和标准号。例如优等品而层粉刷石膏的标记为：粉刷石膏MA一JC/T517。2.建筑石膏制品建筑石膏制品的种类很多，如纸面石膏板、空心石膏条板、石膏砌块和装饰石膏制品等。主要用作分室墙、内隔墙、吊顶和装饰。纸面石膏板是以建筑石膏为主要原料，掺入纤维、外加剂和适量的轻质填料等，加水拌成料浆，浇注在行进中的纸面上，成型后再覆以上层面纸。料浆经过凝固形成芯材，经切断、烘十，使芯材与护面纸宋固地结合在一起空心石宫条板生产方法与普通混凝上空心板类似。生产时常加入纤维材料或轻质填料，以提高板的抗折强度和减轻自重。多用丁民用住宅的分室墙建筑石膏配以纤维增强材料、胶粘剂等可制成石膏角线、线板、角花、灯圈、罗马柱和雕塑等艺术装饰石育制品。灰3.2石仁灰是以氧化钙或氢氧化钙为主要成分的气硬性胶凝材料，是一种传统而义古老的建筑材料。石灰的原料米源广泛，生产工艺简单，使用方便，成本低廉，并具有良好的建筑性能，所以目前仍然是一种使用十分广泛的建筑材料3.2.1石灰的种类和建筑石灰的生产1.石灰的种类根据石灰成品的加工方法不同，石灰有以下四种成品。(1）生石灰。由石灰石殿烧成的白色或浅灰色疏松结构块状物，主要成分为CaO。(2）牛石灰粉。由块状牛石灰磨细而成。(3）消石灰粉。将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉，主要成分为Ca(OH)2，亦称熟石灰。(4）石灰膏。将块状生石灰用过量水(约为生石灰体积的3倍～4倍)消化，或将消石灰粉和水拌和，所得达定稠度的膏状物，主要成分是Ca(OH2和水。2.建筑石灰的原材料与生产用于制备石灰的原料有石灰石、白垩、口云石和贝壳等，它们的主要成分都是碳酸钙，在低于烧结温度下缎烧所得到的块状物质即生石灰。反应式如下：CacO, —00-1 0->CaO+Co, 1· 36

第3章气硬性胶凝材料· 37 .缎烧良好的生石灰，质轻色匀，密度约为3.2g/cm2，表观密度约为800kg/m2~1000kg/m2烧温度的高低及分布情况，对仁灰质量有很大影响。温度过低或烧时间不足，使得CaCO，不能完全分解，将生成“欠火石灰”，如果殿烧温度过高或时间过长，将生成颜色较深的“过火石灰”。欠火石灰中含有较多的未消化残渣，影响成品的出材率：过火石灰内部结构致密，CaO晶粒粗大，表面被层玻璃釉状物包裹，与水反应极慢，会引起制品的隆起或开裂。《建筑生石灰》JC/T479—92中规定，按氧化镁含量的多少，建筑石灰分为钙质石灰和镁质石灰两类，前者氧化镁含量小于5%。3.2.2石灰的水化与凝结硬化1.石灰的水化工地上在使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为膏状或粉木状的消石灰，这个过程称为石灰的水化，又称消化或熟化。其反应式如下：CaO+H,0→Ca(OH), +64.9kJ上述化学反应有两个特点：：是水化热大、水化速率快；二是水化过程中固相体积增大1.5倍～2倍。后一个特点易在工程中造成事故，应予高度重视。如前所述，过火石灰水化极慢，它要在占绝人多数的止常石灰凝结硬化后才川始慢慢熟化，并产生体积膨胀，从而引起凹硬化的石灰体发生鼓包开裂破坏。为了消除过火石灰的危害，通常将生石灰放在消化池中“陈伏”2周～3周以上才予使用。陈伏时，石灰浆表面应保持一层水来隔绝空气，防止碳化。2.石灰浆的凝结硬化石灰的硬化是指石灰浆体由塑性状态逐步转化为具有一定强度的固体的过程。石灰浆体在空（中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成。1）结晶作用石灰浆体在丁燥过程中由丁水分蒸发或被周围气体吸收，各个颗粒间形成网状孔隙结构，在毛细管压力的作用下，颗粒间距逐渐减小，因而产生一定强度。同时氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶析出，并形成定的结晶强度。2）氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合牛成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发，Ca(OH),+CO,+nH,O→CaCO,+(n+1)H,0因为碳化作用实际是一氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙，所以这个过程不能在没有水分的全干状态下进行。而且在长时问内，碳化作用只在衣面进行，所以只有当孔壁完全湿润而孔中不充满水时，碳化作用才能进行较快。随若时间延长，表面形成的碳酸钙层达到一定厚度时，将阻碍CO2向内渗透，同时也使浆体内部的水分不易脱出，使氢氧化钙结晶速度减慢。所以，石灰浆体的硬化过程只能是很缓慢的硬化后的石灰体表面为碳酸钙层，它会随着时间延长而厚度逐渐增加，里层足氢氧化钙品体。·37 -

*38 .土木工程材料3.2.3石灰及其制品的技术性质1.石灰的特性1）可塑性和保水性好生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细的呈胶体状态的氢氧化钙，表面吸附层厚水膜，因而颗粒间的摩擦力减小，可塑性好。在水泥砂浆中加入石灰浆，可使可塑性和保水性显著提高。2）硬化缓慢，硬化后强度低石灰的硬化只能在空气中进行，空气中CO2含量少，使碳化作用进行缓慢。已硬化的表层对内部的硬化又有阻得作用，所以石灰浆的破化很缓慢。熟化时的大量多余水分在硬化后蒸发，在石灰体内留下大量孔隙，所以硬化后的石灰体密实度小，强度也不高。石灰砂浆28d抗压强度通常只有0.2MPa～0.5MPa，受潮后石灰溶解，强度更低。3）硬化时体积收缩大由丁石灰浆中存在大量游离水，硬化时大量水分蒸发，导致内部毛细管失水紧缩，引起显著的体积收缩变形，使硬化石灰体产生裂纹。故除调成石灰乳作薄层粉刷外，石灰浆不宜单独使用。通常1程施1时常掺入定量的骨料(如砂子)或纤维材料(如麻刀、纸筋等)。4)耐水性差石灰浆硬化慢、强度低，所以在石灰硬化休中，人部分仍是尚未碳化的Ca(OH)2,易溶于水，这会使硬化石灰体遇水后产生溃散。所以石灰不宜在潮湿的环境下使用，也不宜单独用丁建筑物基础。2.石灰的技术要求1）建筑生石灰和建筑生石灰粉的技术要求根据我国建材行业标准《建筑生石灰》（JC/T479一1992)与《建筑生石灰粉》（JC/T480一1992)的规定，钙质生石灰、镁质生石灰可分为优等品、：-等品和合格品三个等级，生石灰和生石灰粉的技术指标见表3-3和表3-4。表3-3建筑生石灰技术指标钙质生石灰镁质生石灰项目优等品品一等品」合格品一等品合格品优等品≥908580858075(CaO+MgO)含量(%)151015510未消化残渣含量（5mm圆孔筛筛余）%）≤15≤7596810CO2含量(%)M2.82.32.02.82.3产浆量(L/kg)2.0· 38

土木工程材料· 40 .2.拌制三合土和灰土三合上按生石灰粉（或消石灰粉）：粘上：砂子（或碎石、炉渣）-1：2：3的比例来配制。灰十按石灰粉（或消石灰粉）：粘十=1：2～4的比例来配制。它们主要用于建筑物的基础、路面或地面的垫层，也就是说用于与水接触的环境，这与其气硬性相矛盾。这可能是三合上和灰上在强力夯打之下，密实度大大提高，粘上中的少量性SiO2和活性AlO，与石灰粉水化产物作用，生成了水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，从而有定耐水性之放。3.制作石灰乳涂料将消石灰粉或熟化好的石灰音加入适量的水搅拌稀释，成为石灰乳，是一种廉价易得得涂料，主要用丁内墙和大棚刷白，增加室内美观和亮度，我国农村也用丁外墙。石灰乳可加入各种颜色的耐碱材料，以获得更好的装饰效果。4.生产硅酸盐制品以石灰和硅质材料（如粉煤灰、石英砂、炉渣等）为原料，加水拌合，经成型，蒸养或蒸压处理等工序而成的建筑材料，统称为硅酸盐制品。如蒸压灰砂砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等，主要用作墙体材料。生石灰的水化产物Ca(OH)2能激发粉煤灰、炉渣等硅质1业废渣的活性，起碱性激发作用，Ca(OH)2能与废渣中的活性SiO2、Al2O3反应，生成有胶凝性、耐水性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，这一原理在利用工业废渣来生产建筑材料时广泛采用。5.磨制生石灰粉建筑工程中大量用磨细生石灰来代替石灰膏和消石灰粉配制灰土或砂浆，或直接用于生产硅酸盐制品。磨细生石灰可不经预先消化和陈伏直接应用。因为这种石灰具有很高的细度，水化反应速度快，水化时体积膨胀均勾，避免了产生局部膨胀过大现象。另外，石灰中的过火石灰和欠火石灰被磨细，提高了石灰的质量和利用率。6.加固软土地基块状生石灰可用米加固含水的软土地基(称为石灰桩)。它是在桩孔内灌入生石灰块，利用生石灰吸水熟化产生体积膨胀的特性来加固地基。7.制造静态破碎剂和膨胀剂将含有定量Ca0晶体、粒径为10～100μm，的过火石灰粉，与5%～70%的水硬性胶凝材料及0.1%～0.5%的调凝剂混合，可制得静态破碎剂。使用时将它与适量的水混合调成浆体，注入到欲破碎物的钻孔中。由水硬性胶凝材料硬化后，过火石灰才水化，水化时体积胀，从而产生很大的膨胀压力，使物体破碎。该破碎剂可用于拆除建筑物和破碎分割岩石。用石灰制膨胀剂详见5.1.5“膨胀剂”。3.3水玻璃水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，由不同比例的碱金属氧化物和二氧化· 40

第3章气硬性胶凝材料· 41 :硅所组成。目前最常用的是硅酸钠水玻璃Na2O-nSiO2，还有硅酸钾水玻璃K2O-nSiO23.3.1水玻璃的种类与生产水玻璃按其形态可分为液体水玻璃和固体水玻璃两种。液体水玻璃无色透明，当含有不同杂质时可呈青灰色、绿色或微黄色等，可以与水按任意比例混合而成不同浓度的溶液，浓度越稠粘结力越强：固体水玻璃的形状呈块状、粒状或粉状。水玻璃的生产方法有湿法生产和干法生两种。湿法生是将石英砂和氢氧化钠水溶液在压蒸锅（0.2MPa0.3MPa)内用蒸汽加热溶解而制成水玻璃溶液。T法是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉巾于1300℃～1400℃温度下熔融，其反应式如下：Naco,+nsio,Na,o·nsio,+Co,1熔融的水玻璃冷却后得到固态水玻璃，然后在0.3～0.8MPa的蒸压釜内加热溶解成胶状玻璃溶液。水玻璃分子式中SiO,与NaO分子数比值n称为水玻璃硅酸盐模数，一般在1.5～3.5之间。n值越大，水玻璃中胶体组分越多，水玻璃粘性越大，越难溶于水。3.3.2水玻璃的硬化与特性水玻璃济液在空气中吸收CO2形成无定形硅胶，并逐渐T燥而硬化，其反应为：Na2O-nSiO2+CO2+mH2ONa2CO,+nSiO2mH20上述反应过程近行缓慢。为加速硬化，常在水玻璃中加入促硬剂氟硅酸销，促使硅酸凝胶加速析出，其反应式如下：2[Na2OnSiO2]+Na2SiF6+mH20-→6NaF+(2n+1)SiO2mH20氟硅酸钠的适宜掺量为水玻璃质量的12%~15%。用量太少，硬化速度慢、强度低，且未反应的水玻璃易溶于水，导致耐水性差：用量过多，则凝结过快，造成施工困难，且渗透性大，强度也低，水玻璃有以下特性：(1）良好的粘结性。(2）很强的耐酸性。水玻璃能抵抗多数酸的作用(氢氟酸除外)。（3）较好的耐高温性。水玻璃可耐1200℃的高温，在高温下不燃烧，不分解，强度不降低，甚至有所增加。3.3.3水玻璃的应用利用水玻璃的上述性能，在建筑工程中可有下列用途。（1）涂刷建筑材料表面，提高密实度和抗风化能力。用水将水玻璃稀释，多次涂刷或浸渍材料表面，可提高材料的抗风化能力或使其密实度和强度提高。如果在液体水玻璃中加入适量尿素，在不改变H粘度情况卜可提高粘结力25%左右。此方法对粘上砖、硅酸盐制品、水泥混凝等含Ca（OH)的材料效果良好。不能用于涂刷或浸渍石营制品，因为Na,OnSiO,与CaSO4反应生成NazSO4，NazSO4在制品孔隙中结晶，结晶时体积膨胀，引起制品开裂破坏。·41

《土木工程材料》课程教学资源（教材讲义）第3章 气硬性胶凝材料

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