第_15_讲次课程名称：《矿物材料学基础》本讲课程内容第四节气硬性胶凝材料（或教材章节题目）【目的要求】使同学们了解石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的生产及特性，掌握石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化本讲课程目的机理。要求及重点、难点：[重点】石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理[难点】石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了硅酸盐水泥的技术使用性质、掺混合材料水泥以及其它品种水泥。这节课我们讲气硬性胶凝材料，包括石膏、石灰、水玻璃。第四节气硬性胶凝材料一、建筑石膏（CaSO4°H2O)半水石膏or熟石膏、原料：a、天然石膏（生石膏）;b、含硫酸钙的化工副产品和废渣（磷石膏、氟石膏、硼石膏）■建筑石膏为β型半水石膏，是将天然二水石膏经107一170℃的低温燃烧分解为半水石膏而成，故又称熟石膏。CasO, · 2H:) -107-170-CasO TH:O+1 H,)2、建筑石膏的水化、凝结、硬化建筑石膏与适量的水拌和当即水化，成为可塑的浆体，随即失去塑性而凝结，并迅速硬化成为坚硬固体产生强度。其化学反应为：1
1 课程名称：《矿物材料学基础》 第 15 讲次 本讲课程内容 （或教材章节题目） 第四节 气硬性胶凝材料 本讲课程目的 要求及重点、难点： 【目的要求】使同学们了解石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料 的生产及特性，掌握石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化 机理。 【重 点】石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理 【难 点】石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理 教 学 内 容 【本讲课程的引入】上节课我们讲了硅酸盐水泥的技术使用性质、掺混合材料水泥以及其它品种水 泥。这节课我们讲气硬性胶凝材料，包括石膏、石灰、水玻璃。 第四节 气硬性胶凝材料 一、建筑石膏（CaSO4• H2O)——半水石膏 or 熟石膏 1、原料： a、天然石膏（生石膏）； b、含硫酸钙的化工副产品和废渣（磷石膏、氟石膏、硼石膏） 建筑石膏为β型半水石膏，是将天然二水石膏经 107—170℃的低温燃烧分解 为半水石膏而成，故又称熟石膏。 2、建筑石膏的水化、凝结、硬化 建筑石膏与适量的水拌和当即水化．成为可塑的浆体，随即失去塑性而凝结，并 迅速硬化成为坚硬固体产生强度。其化学反应为：
CasO. ·TH.O+1H.O-CaSO. · 2H,O建筑石膏凝结硬化机理，可分作以下三个阶段■第一阶段为准备阶段，或称溶解期。半水石膏对水有较大的溶解度和很大的亲和力，当与适量的水拌和后，很快溶入水中生成饱和溶液。半水石膏在溶解的同时与水反应生成二水石膏。二水石膏的溶解度仅为半水石膏的1/5，当即生成二水石膏晶体自饱和溶液中析出。第二阶段为凝结阶段，或称胶化期。当溶解达到饱和后，尚未溶解的半水石膏一仍继续与水相作用，在颗粒表面生成高分散度的二水石膏微晶粒，并向饱和溶液中扩散形成不稳定的凝胶体，使膏浆具有可塑性，从而石膏浆体中水分逐渐减少、变稠，微晶粒互相靠近而凝聚。石膏浆体逐渐失去可塑性进入凝结阶段。第三阶段为硬化阶段，或称结晶期。不稳定的二水石膏徽晶粒凝聚后，转变成一稳定的二水石膏晶体。这些晶体与自饱和溶湾中析出的晶体互相交错成网状结构，从而产生强度，并不断增长，直至完全干燥，强度停止发展，石膏桨体己完全硬化。3、影响建筑石膏凝结硬化的因素（1）熳烧温度：T↑↑一不溶性无水石膏1TII一二水石膏1这两种情况均影响了建筑石膏的活性，不仅使凝结硬化缓慢，强度也随之降低，（2）颗粒细度：颗粒越细，水化越快，硬化越快；但颗粒过细，在凝聚过程的后期，很少吸水保持了颗粒间的水膜，当水分蒸发后，孔隙增多，降低了制品的强度2
2 建筑石膏凝结硬化机理，可分作以下三个阶段： 第一阶段为准备阶段，或称溶解期。半水石膏对水有较大的溶解度和很大的亲 和力，当与适量的水拌和后，很快溶入水中生成饱和溶液。半水石膏在溶解的 同时与水反应生成二水石膏。二水石膏的溶解度仅为半水石膏的 1／5，当即生 成二水石膏晶体自饱和溶液中析出。 第二阶段为凝结阶段，或称胶化期。当溶解达到饱和后，尚未溶解的半水石膏， 仍继续与水相作用，在颗粒表面生成高分散度的二水石膏微晶粒，并向饱和溶 液中扩散形成不稳定的凝胶体．使膏浆具有可塑性，从而石膏浆体中水分逐渐 减少、变稠，微晶粒互相靠近而凝聚。石膏浆体逐渐失去可塑性进入凝结阶段。 第三阶段为硬化阶段，或称结晶期。不稳定的二水石膏徽晶粒凝聚后，转变成 稳定的二水石膏晶体。这些晶体与自饱和溶湾中析出的晶体互相交错成网状结 构，从而产生强度，并不断增长，直至完全干燥，强度停止发展，石膏桨体己 完全硬化。 3、影响建筑石膏凝结硬化的因素 （1）煅烧温度： T↑↑→不溶性无水石膏↑ T↓↓→二水石膏↑ 这两种情况均影响了建筑石膏的活性，不仅使凝结硬化缓慢，强度也随之降低。 （2）颗粒细度： 颗粒越细，水化越快，硬化越快；但颗粒过细，在凝聚过程的后期，很少吸水保 持了颗粒间的水膜，当水分蒸发后，孔隙增多，降低了制品的强度
（3）杂质含量：建筑石膏常因原料不纯而夹入碳酸钙、粘土等杂质。这些杂质在建筑石膏的燃烧温度中不可能分解成活性物质，因而影响石膏的凝结硬化，并降低其强度。（4）用水量：建筑石膏的理论用水量为石膏重量的18.6%。由于其凝结速度很快及水化时放出热量丧失部分水分，所以一殷工艺用水虽约为石膏重量的60%~80%，因此，其制品硬化后有较多的孔隙，使强度降低。为了提高制品强度，应在保持建筑石膏充分水化的条件下，用水量应尽可能地降低。在施工中，常掺入塑化剂、缓凝剂等外加剂，适当地延缓石膏的凝结速度并增加其可塑性而减少用水量。（5）环境温度：建筑石膏最适直的温度一般为40~50℃，凝结速度最快，还能加速石膏制品中过剩的游离水的蒸发，超出此温度范围凝结速度逐渐变慢，甚至不能凝结。（6）缓凝剂和促凝剂：常用的缓凝剂有亚硫酸盐酒精废液、硼砂、酪素胶、蛋白胶和石膏专用缓凝剂等。其作用主要是降低建筑石膏的溶解速度和溶解度。常用的促凝剂有氯化钠、氯化铵和硫酸盐类。它们能使石膏溶解速度和溶解度增大，从而促使石膏加快凝结。4、建筑石膏主要性质和用途■建筑石膏的凝结速度很快。一般在5一15min内凝结，因此在使用时须将石膏粉撒入水中，以免石膏结成团块影响制品质量。■建筑石膏在凝结过程中体积约膨胀1%左右，浇注时可充满模板，因而造形正确、表面光滑、干燥时不易开裂，可不掺骨料单独使用。■制品的抗压强度约为抗拉强度的4一5倍。7天龄期的抗压强度可达100kg/cm2。制品长期承担荷载时易产生蠕变现象，尤其在较高温度或潮湿环境中强3
3 （3）杂质含量： 建筑石膏常因原料不纯而夹入碳酸钙、粘土等杂质。这些杂质在建筑石膏的燃 烧温度中不可能分解成活性物质，因而影响石膏的凝结硬化．并降低其强度。 （4）用水量： 建筑石膏的理论用水量为石膏重量的 18.6％。由于其凝结速度很快及水化时放 出热量丧失部分水分，所以一殷工艺用水虽约为石膏重量的 60％~80％，因此，其制 品硬化后有较多的孔隙，使强度降低。为了提高制品强度，应在保持建筑石膏充分水 化的条件下，用水量应尽可能地降低。在施工中，常掺入塑化剂、缓凝剂等外加剂， 适当地延缓石膏的凝结速度并增加其可塑性而减少用水量。 （5）环境温度： 建筑石膏最适宜的温度一般为 40~50℃，凝结速度最快，还能加速石膏制品中 过剩的游离水的蒸发，超出此温度范围凝结速度逐渐变慢，甚至不能凝结。 （6）缓凝剂和促凝剂： 常用的缓凝剂有亚硫酸盐酒精废液、硼砂、酪素胶、蛋白胶和石膏专用缓凝剂等。 其作用主要是降低建筑石膏的溶解速度和溶解度。 常用的促凝剂有氯化钠、氯 化铵和硫酸盐类。它们能使石膏溶解速度和溶解度增大，从而促使石膏加快凝结。 4、建筑石膏主要性质和用途 建筑石膏的凝结速度很快。一般在5—15min内凝结，因此在使用时须将石膏粉 撒入水中，以免石膏结成团块影响制品质量。 建筑石膏在凝结过程中体积约膨胀1％左右，浇注时可充满模板，因而造形正确、 表面光滑、干燥时不易开裂，可不掺骨料单独使用。 制品的抗压强度约为抗拉强度的4—5倍。7天龄期的抗压强度可达100kg／ cm2。制品长期承担荷载时易产生蠕变现象，尤其在较高温度或潮湿环境中强
度降低更甚。■建筑石膏对无机物的胶粘性差，使用时多不掺砂石等骨料。如必须掺骨料时，可掺用生石灰粉以提高其胶结性。石灰还能在制品表面上形成抗水的碳酸钙，增加制品的抗水性。同时，生石灰水化吸收了水分和发出热量，使制品更为密实，强度增高。石膏对有机物胶结性较好，而且没有腐蚀性，故常用木屑、刨花、芦苇、稻草及其它有机纤维材料骸骨料，以增强制品的强度和改善其吸湿性。■建筑石膏制品具有较多孔隙，有良好的抗火、隔热和隔音性能，但抗水性和抗冻性不良。其加工性能好，局部损坏可以修补。二、石灰1、石灰的生产：石灰的主要组成物为氧化钙，是以碳酸钙为主要成分的岩石燃烧成的。作为石灰的原料，有石灰岩、白垩、石灰质凝灰岩、贝壳石灰岩等。烧制石灰的原料在窑中熳烧到600℃左右，碳酸钙开始分解，生成caO。反应如下：CacO, 00-ca+CO. t2、石灰的熟化及熟石灰的硬化生石灰具有强烈的水化能力，遇水发生熟化反应(也称消解反应）生成熟石灰。并放出大量的热，同时体积膨胀1~2.5倍。Ca0+H20→Ca(0H)2+64.8K.随着游离水的减少，Ca(OH)2逐渐从饱和溶液中结晶出来，形成结晶网。空气中CO2的存在，又使不断与之发生碳化反应。Ca(OH)2+CO2+nH,O-CaCO3+ (n-1) H,0新生成的CaCO3晶体相互交叉连生与Ca(OH)2晶体共生，构成紧密交织的结晶网4
4 度降低更甚。 建筑石膏对无机物的胶粘性差，使用时多不掺砂石等骨料。如必须掺骨料时， 可掺用生石灰粉以提高其胶结性。石灰还能在制品表面上形成抗水的碳酸钙， 增加制品的抗水性。同时，生石灰水化吸收了水分和发出热量，使制品更为密 实，强度增高。石膏对有机物胶结性较好，而且没有腐蚀性，故常用木屑、刨 花、芦苇、稻草及其它有机纤维材料骸骨料，以增强制品的强度和改善其吸湿 性。 建筑石膏制品具有较多孔隙，有良好的抗火、隔热和隔音性能，但抗水性和抗 冻性不良。其加工性能好，局部损坏可以修补。 二、石灰 1、石灰的生产： 石灰的主要组成物为氧化钙，是以碳酸钙为主要成分的岩石燃烧成的。作为石灰的原 料，有石灰岩、白垩、石灰质凝灰岩、贝壳石灰岩等。烧制石灰的原料在窑中煅烧到 600℃左右，碳酸钙开始分解，生成caO。反应如下： 2、石灰的熟化及熟石灰的硬化 生石灰具有强烈的水化能力，遇水发生熟化反应(也称消解反应）生成熟石灰。 并放出大量的热，同时体积膨胀1~2.5倍。 CaO+H2O→Ca(OH)2+64.8KJ 随着游离水的减少，Ca(OH)2逐渐从饱和溶液中结晶出来，形成结晶网。空气中 CO2的存在，又使不断与之发生碳化反应。 Ca(OH)2 + CO2 +nH2O→CaCO3 + （n-1）H2O 新生成的CaCO3晶体相互交叉连生与Ca(OH)2晶体共生，构成紧密交织的结晶网
使强度进一步提高。三、水玻璃■水玻璃或称泡花碱，是一种透明的玻璃状熔合物，系由碱金属硅酸盐所组成。通式R20·nSiO2,(R为碱金属，n为水玻璃的模数），建筑上常用钠水玻璃水玻璃能溶解于水，以后又能在空气中硬化，因此是一种液体的无机胶凝材料■模数nT，水玻璃粘度1，较难溶于水，但易分解、硬化，建筑上常用水玻璃一般n=2.5~2.81、水玻璃的生产石英砂+碳酸钠（硫酸钠）一磨细混合→玻璃熔炉烧（1300~1400℃）→冷却NaCO3+nSiO2→ Na2O·nSiO2 + CO22、水玻璃的凝结硬化水玻璃在空气中吸收CO2，析出SiO2凝胶，凝胶因干燥逐渐硬化Na2O·nSiO2+CO2+mH20-NaCO3+nSiO02:mH20上述硬化过程很慢，加入氟硅酸钠等固化剂，加速SiO2凝胶的析出和硬化用途：配制耐热砂浆、耐热混凝土（耐热性好）涂刷于混凝土结构表面（耐酸性好）【本讲课程的小结】掌握下列问题1石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理2石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的使用特性？【本讲课程的作业请在课下复习今天所讲各种气硬性胶凝材料各自的硬化机理以及用途5
5 使强度进一步提高。 三、水玻璃 水玻璃或称泡花碱，是一种透明的玻璃状熔合物，系由碱金属硅酸盐所组成。 通式R2O•nSiO2,(R为碱金属，n为水玻璃的模数），建筑上常用钠水玻璃水玻璃 能溶解于水，以后又能在空气中硬化，因此是一种液体的无机胶凝材料。 模数n↑，水玻璃粘度↑，较难溶于水，但易分解、硬化，建筑上常用水玻璃一般 n=2.5~2.8 1、水玻璃的生产 石英砂+碳酸钠（硫酸钠）→磨细混合→玻璃熔炉煅烧（1300~1400℃）→冷却 NaCO3+nSiO2→ Na2O•nSiO2 + CO2 2、水玻璃的凝结硬化 水玻璃在空气中吸收CO2 ，析出SiO2凝胶，凝胶因干燥逐渐硬化。 Na2O•nSiO2 + CO2+m H2O→NaCO3+nSiO2• m H2O 上述硬化过程很慢，加入氟硅酸钠等固化剂，加速SiO2凝胶的析出和硬化。 用途：配制耐热砂浆、耐热混凝土（耐热性好） 涂刷于混凝土结构表面（耐酸性好） 【本讲课程的小结】 掌握下列问题 1 石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理 2 石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的使用特性？ 【本讲课程的作业】 请在课下复习今天所讲各种气硬性胶凝材料各自的硬化机理以及用途