土木工程材料：第二章 無機膠凝材料－1n

1、第 二 章,無機膠凝材料 Inorganic Binders or Inorganic Cementitous materials,本 章 主 要 內(nèi) 容,石膏 石灰 水玻璃 硅酸鹽水泥 摻混合材的硅酸鹽水泥 其它品種水泥,教 學(xué) 大 綱,石膏：石膏的生產(chǎn)與品種。建筑石膏的凝結(jié)與硬化。建筑石膏的特性、質(zhì)量要求與應(yīng)用。 石灰：石灰的原料與生產(chǎn)。石灰的熟化與硬化。石灰的特性、質(zhì)量要求與應(yīng)用。 水玻璃：水玻璃的組成；水玻璃的硬化；水玻璃的性質(zhì)；水玻璃的應(yīng)用。 硅酸鹽水泥：硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過程與硅酸鹽水泥熟料的礦物組成。硅酸鹽水泥的凝結(jié)與硬化。硅酸鹽水泥的技術(shù)要求。水泥石的腐蝕與防止。硅酸鹽水泥的性質(zhì)

2、、應(yīng)用與存放。,摻混合材料的硅酸鹽水泥：混合材料。普通硅酸鹽水泥。礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥的特點與應(yīng)用。 其它品種水泥：快硬硅酸鹽水泥、白色及彩色硅酸鹽水泥、膨脹水泥、道路水泥、中低熱水泥和抗硫酸鹽水泥等的特點與應(yīng)用。 高鋁水泥：高鋁水泥的主要礦物成分與水化產(chǎn)物。高鋁水泥的技術(shù)要求。高鋁水泥的性質(zhì)與應(yīng)用。,基本概念：什么是膠凝材料？,定義： 經(jīng)過一系列物理、化學(xué)作用，能由漿體變成堅硬的固體，并能將散?；蚱?、塊狀材料膠結(jié)成整體的物質(zhì)。 特征： 嚴格意義上膠凝材料應(yīng)指漿體； 能在常溫下凝結(jié)硬化為固體； 有較強的膠結(jié)能力； 具有一定的使用性能。,膠凝材料的種

3、類？,按其化學(xué)組成： 有機膠凝材料：瀝青、樹脂等。 無機膠凝材料：水泥、石膏、石灰等。 復(fù)合膠凝材料：牙齒水泥、酸堿水泥。 按其硬化條件： 氣硬性膠凝材料 石膏、石灰等； 水硬性膠凝材料 各種水泥等。,氣硬性與水硬性膠凝材料的特點,氣硬性膠凝材料只能在空氣中硬化，并且在空氣中保持和發(fā)展其強度； 關(guān)鍵：干燥狀態(tài)下，其硬化體才有較好的性能！ 水硬性膠凝材料不僅能在空氣中，而且能更好地在水中硬化，保持并發(fā)展其強度。 關(guān)鍵：干燥或潮濕狀態(tài)下，其硬化體均有很好的性能！,學(xué)習(xí)要求三問？,膠凝材料凝結(jié)硬化機理及其影響因素是什么(What)？ 土木工程對膠凝材料有哪些性能要求(Which)？ 怎樣正確選擇和使

4、用膠凝材料(How)？,第一節(jié) 石 膏Plaster,石膏的組成與結(jié)構(gòu) Composition and Structure of Plaster 石膏的生產(chǎn) Plaster Production 建筑石膏的凝結(jié)與硬化 Setting and Hardening of Plastter 建筑石膏的性質(zhì) Properties of Plaster and its Articles 建筑石膏的應(yīng)用 Utilization of Plaster and its Articles,Summary,性質(zhì)石膏是氣硬性膠凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏CaSO40.5H2O; 生產(chǎn)方法建筑石膏可用天然二

5、水石膏或化學(xué)石膏在120180 C干燥下脫水制備； 凝結(jié)硬化機理“溶解沉淀”理論，即通過半水石膏在水中不斷溶解，二水石膏不斷結(jié)晶，晶體不斷生長、相互交錯與連生構(gòu)成晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而硬化； 性能漿體需水量較大，凝結(jié)硬化快、凝結(jié)時有微膨脹、表觀密度較小、孔隙率較大、強度低、耐水與抗凍性差、容易吸水和吸潮、導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱與吸聲性好、耐火、對人體和環(huán)境無害。 應(yīng)用各種板材、粉刷砂漿、雕飾等。,進一步研究開發(fā)的課題,先進纖維石膏基復(fù)合材料 高強石膏及其制品 提高石膏及其制品的耐水性 外墻保溫砂漿及其裝飾 鋼結(jié)構(gòu)防火涂層,非密閉煅燒脫水工藝及其產(chǎn)品,CaSO42H2O,120180C,可溶無水石膏,-半水石

6、膏,200360C,400500 C,難溶無水石膏,500750C,不溶無水石膏,隨著煅燒溫度升高： 二水石膏轉(zhuǎn)變?yōu)?型半水石膏 -型轉(zhuǎn)變可溶性無水石膏 可溶性轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性無水石膏 難溶性轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄詿o水石膏,密閉蒸練工藝及其產(chǎn)品：,125180C 水蒸氣,-型半水石膏,CaSO42H2O,200360C,可溶無水石膏,400800C,不溶無水石膏,1,不溶無水石膏 CaSO4(),8001180C,地板石膏 CaSO4與CaO,生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品的組成,CaSO42H2O,120180C 干燥空氣,125180C 水蒸氣,-CaSO40.5H2O,-CaSO40.5H2O,-CaSO4()可溶,

7、-CaSO4()可溶,200360C,200360C,400800C,400800C,CaSO4()不溶,8001180C,CaSO4()不溶CaO,非密閉煅燒工藝及其產(chǎn)品組成,密閉蒸煉工藝及其產(chǎn)品組成,三、建筑石膏的凝結(jié)硬化,凝結(jié)硬化過程中的水化反應(yīng)： CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反應(yīng)是由二水石膏制備半水石膏的逆反應(yīng) 凝結(jié)硬化機理“溶解沉淀理論” 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，前者在水中不斷溶解，生成Ca2+、SO42-離子的飽和溶液,半水石膏的飽和溶液，對于二水石膏是過飽和溶液，后者

8、不斷結(jié)晶沉淀。,二水石膏晶體不斷生長、連生、交錯，構(gòu)成晶體顆粒堆聚的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng),半水石膏在空氣中，也會吸收空氣中的水分子水化成二水石膏晶體。,石膏顆粒表面分子首先水化,顆粒表面二水石膏晶體不斷增多,半水石膏全部水化成二水石膏,所以，石膏膠凝材料運輸、儲存中，必須防潮、防水，以免失效！,石膏凝結(jié)硬化的影響因素,石膏的組成 石膏漿體的用水量 外加劑 細度,凝結(jié)硬化速度的排序： 可溶性無水石膏半水石膏難溶性無水石膏不溶性無水石膏,用水量越大，石膏晶體顆粒越大；凝結(jié)硬化所需時間增加,一些無機鹽(如硫酸鉀)可以促進凝結(jié)硬化，而一些有機酸(如檸檬酸)可以延緩凝結(jié)硬化,細度越細，凝結(jié)硬化越快。,加水量50的

9、硬化石膏的晶體較粗,加水量24的硬化石膏的晶體較細,硫酸鉀可以促進石膏漿體的凝結(jié)硬化(曲線a)，而檸檬酸可以使石膏漿體緩凝(曲線b),時間(s),四、建筑石膏的性質(zhì),建筑石膏的技術(shù)要求(GB977688)： 密度：2.502.70; 強度：抗折強度、抗壓強度; 細度：0.2mm方孔篩篩余; 凝結(jié)時間：初凝、終凝時間; 石膏硬化體及制品的特性： 表觀密度較小：1.0 孔隙率較大 強度較低 耐水性和抗凍性較差 防火性較好 隔熱性和吸聲性良好 裝飾性,學(xué)會分析、思考和回答問題！,1. 石膏硬化體的表觀密度小，孔隙率大，Why？ 答：半水石膏需加水6080，才能使?jié){體達到成型所需可塑性；而半水石膏全部

10、水化成二水石膏只需18.6的水量；即，有4060多的水不能參與反應(yīng)，硬化后多余水分的揮發(fā)留下大量孔隙。,2、孔隙率較大在應(yīng)用上，有哪些優(yōu)點和缺點Which？ 答：優(yōu)點保溫隔熱性、吸聲隔聲性好；質(zhì)輕。可作為墻板、天花板、墻面粉刷砂漿等。 缺點強度低、吸水率較大、耐水性差。不能用作結(jié)構(gòu)材料，不宜用于潮濕環(huán)境等。,3. 為什么石膏制品的耐水性差Why？ 答：石膏晶體是親水性很強的離子晶體，而且晶體內(nèi)有明顯的解理面，層間和晶體顆粒間是較弱的氫鍵結(jié)合，因此，水分子進入，降低了晶體層間和顆粒間的相互作用力，導(dǎo)致強度下降；其軟化系數(shù)只有0.300.45； 另一方面，二水石膏在水中的溶解度較大，石膏制品長期在

11、水中的強度將更低 。,學(xué)會分析、思考和回答問題！,4、如何改善石膏制品的耐水性 How? 答：降低孔隙率，改善孔隙結(jié)構(gòu)，對毛細縫隙進行憎水處理，以減小吸水率； 摻加其它礦物或有機物，以降低晶體水化物的溶解度，阻止水分子對晶體顆粒間的削弱作用。,5、為什么石膏制品的防火性好Why? 答：石膏制品的孔隙率大，隔熱性較好；二水石膏晶體含有兩個結(jié)晶水分子，在受熱后，二水石膏晶體脫去水分子，并蒸發(fā)吸收和帶走熱量；硫酸鈣分子的分解溫度很高，因此，在高溫下，主要發(fā)生脫水和燒結(jié)。,學(xué)會分析、思考和回答問題！,6、進一步思考的問題: 警察在勘察犯罪野外現(xiàn)場時，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？ 試驗證明石膏板有

12、調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的功能，為什么？ 如何在土木工程建設(shè)中正確地使用或選用石膏，為什么？,第二節(jié) 石 灰lime,建筑石灰的組成與品種 建筑石灰的制備 石灰的硬化 石灰的性質(zhì) 石灰的應(yīng)用,一、石灰的組成與品種,氣硬性石灰 粘土雜質(zhì)含量8%的石灰石熱分解物及其水化物： 生石灰粉：CaO； 熟(消)石灰粉：Ca(OH)2； 石灰膏(漿)：Ca(OH)2、H2O； 水硬性石灰 粘土雜質(zhì)含量8%的石灰石熱分解物： CaO、活性Si2O、Al2O3等,二、石灰的制備,原料： 以CaCO3為主要成分的天然巖石，如：石灰石、白堊等。 石灰的制備： 石灰石的熱分解反應(yīng)： CaCO3 CaOCO2 制備工藝： 巖石 破

13、碎 煅燒 粉磨(消解),制備工藝與產(chǎn)品,石灰石,10001200C,磨細,生石 灰粉,生石灰,水噴淋,熟石 灰粉,(水)化灰池,石灰漿,濃縮,石灰膏,陳伏,煅燒溫度較低，時間較短時， 欠火石灰 煅燒溫度較高，時間較長時， 過火石灰,減輕或消除過火石灰的危害,石灰漿體,氫氧化鈣晶體 碳酸鈣晶體,石灰凝膠體,石灰碳化體,水,孔隙,水分損失,碳化,三、石灰的硬化,結(jié)晶作用 生石灰或熟石灰水成為Ca(OH)2漿體； 漿體中游離水的不斷損失，導(dǎo)致Ca(OH)2結(jié)晶； 晶粒長大、交錯堆聚成晶粒結(jié)構(gòu)網(wǎng)硬化。 碳化作用 Ca(OH)2與空氣中的CO2氣體反應(yīng)，在表面形成CaCO3膜層。 提高耐久性。,四、石灰

14、的性質(zhì),建筑石灰的技術(shù)要求： CaO的含量 CO2的含量(欠火石灰) 細度 體積安定性(過火石灰) 建筑石灰的特性： 表觀密度較小 漿體的可塑性好 硬化后的強度較低 耐水性差 漿體硬化中容易開裂 過火石灰的危害 與水反應(yīng)很慢，石灰硬化后再與水反應(yīng)發(fā)生體積膨脹而引起開裂 。,問 題？,1. 過火石灰有什么危害？應(yīng)如何消除？ 答：過火石灰密度較大，且顆粒表面有玻璃釉狀物包裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸濕水化，產(chǎn)生體積膨脹，影響體積穩(wěn)定性?？刹捎醚娱L石灰的熟化和陳伏期，或過濾掉。 2.石灰硬化過程中，為什么容易開裂？使用時應(yīng)如何避免？ 答：石灰漿體的硬化是靠水分的大量揮發(fā)，體積顯著收縮，

15、因而容易導(dǎo)致開裂。在使用時，避免單獨使用，可摻加一些砂子、麻刀絲或紙筋等。,五、石灰的應(yīng)用,配制建筑砂漿和石灰乳 配制無熟料水泥 石灰火山灰活性材料 配制三合土 石灰粘土砂水 作為其它建材制品的原料 如：硅酸鹽制品、灰砂制品、碳化板等。 軟土地基加固,第三節(jié) 水玻璃,水玻璃的組成 水玻璃的制備 水玻璃的硬化 水玻璃的性質(zhì) 水玻璃的應(yīng)用,什么是水玻璃？ 堿金屬硅酸鹽的水溶液： R2O nSiO2 + H2O 其中R=Na、K 什么是水玻璃的模數(shù)？ n: 氧化硅SiO2與堿金屬氧化物R2O的摩爾比。 模數(shù)對水玻璃性能的影響 模數(shù)越大，粘度與粘結(jié)力越大，耐水性越好。 水玻璃的制備方法： 濕法： R2

16、OnSiO2 + H2O 水玻璃 干法： R2OnSiO2 R2O nSiO2 R2O nSiO2 + H2O 水玻璃,水玻璃硬化過程 水玻璃與空氣中的CO2反應(yīng)，生成無定型的硅酸凝膠，隨著水分揮發(fā)干燥，硅酸凝膠轉(zhuǎn)變成SiO2而硬化。 水玻璃的促硬劑：氟硅酸鈉 其原理是氟硅酸鈉加速水玻璃中硅酸凝膠的析出和SiO2的形成。 水玻璃的特性 良好的膠結(jié)能力 耐熱性好、不燃燒 較好的耐酸性能 耐水性和耐堿性差,水玻璃硬化過程,水玻璃溶液 硅酸凝膠 二氧化硅玻璃體,R,SiO4-4,R,R,SiO4-4,R,R,R,R,R,H4SiO4,H4SiO4,H4SiO4,H4SiO4,R,CO3,SiO2,S

17、iO2,SiO2,SiO2,R2CO3,酸 化,脫水交聯(lián),水玻璃在建筑上應(yīng)用 配制耐酸混凝土與砂漿 配制耐熱混凝土與砂漿 配制快凝防水劑 加固地基基礎(chǔ),問 題？,為什么水玻璃能配制耐酸混凝土和砂漿？ 答：水玻璃溶液的凝結(jié)硬化是在酸作用下，使硅酸根離子逐步縮聚交聯(lián)成二氧化硅玻璃體，因此，酸性條件只會使水玻璃中硅酸根離子的交聯(lián)度提高，更加密實和耐水。 為什么水玻璃模數(shù)n越大，粘結(jié)力越強，耐水性越好？ 答：n是SiO2/R2O的摩爾比，n越大，表明SiO2含量越大，硬化后的玻璃體中SiO2的交聯(lián)密度越大，所以，粘結(jié)力越強，耐水性越好。,教 學(xué) 要 求,基本概念： 膠凝材料及其分類； 石膏、石灰、水玻璃、硅酸鹽水泥的組成； 基本知識： 重點掌握建筑石膏的特性與石膏的水化、凝結(jié)、硬化過程，石膏的技術(shù)性質(zhì)與應(yīng)用，石膏的制備工藝和條件對石膏組成與性能的影響； 石灰的技術(shù)性質(zhì)與應(yīng)用，