土木工程材料：第二章 無機膠凝材料

1、土木工程材料第二章 無機膠凝材料Inorganic Binding Materials膠 凝 材 料膠凝材料定義凡能經(jīng)過一系列物理、化學作用由漿體變成堅硬固體，并能將散粒狀或塊、片狀材料膠結成整體的物質，統(tǒng)稱為膠凝材料 膠凝材料既有天然材料，還有人工合成材料；既有無機材料，還有有機材料；既有古老材料，還有新型材料膠凝材料在日常生活中應用非常廣泛，如粘土、石灰、石膏、水泥、瀝青、樹脂等等膠凝材料有機膠凝材料（樹脂、瀝青等）無機膠凝材料水硬性膠凝材料（各種水泥）氣硬性膠凝材料（石灰、石膏）膠 凝 材 料有機-無機復合膠凝材料流變性：膠凝性：穩(wěn)定性：在工程施工條件下是液態(tài)流體或可塑漿體在一定條件下能

2、凝結硬化成具有膠結能力和強度的固體在工程使用條件下能長久保持其組成、體積和性能膠凝材料性能 無機膠凝材料 無機膠凝材料氣硬性水硬性石灰、石膏、水玻璃硅酸鹽水泥，鋁酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥本 章 知 識 架 構品種，組成：化學與礦物，凝結與硬化機理技術性能，用途與選擇學習掌握要點無機膠凝材料教學要求基本概念：膠凝材料的定義與特性氣硬性與水硬性膠凝材料石膏、石灰、水玻璃硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥混合材料、活性與非活性混合材特種水泥水灰比膠凝材料漿體的凝結與硬化水泥石無機膠凝材料基本原理：氣硬性與水硬性膠凝材料漿體的凝結硬化機理重點：石膏與石灰的硬化機理、水泥的水化、凝結與硬化機理硬化膠凝材

3、料漿體的強度產(chǎn)生機理基本知識：石膏的制備工藝、組成、技術性質與應用石灰的組成、技術性質與應用，過火或欠火石灰的危害及消除 水玻璃的濃度，模數(shù)對水玻璃性質的影響，水玻璃硬化的原因硅酸鹽、硫鋁酸鹽和鋁酸鹽水泥的組成、水泥石的結構、技術性質、應用水泥主要技術性質的測試，各種水泥的正確選用教學要求石膏石 膏石膏的組成與結構(種類） Composition and Structure of Plaster石膏的生產(chǎn) Plaster Production建筑石膏的凝結與硬化 Setting and Hardening of Plaster建筑石膏的性質 Properties of Plaster and

4、its Articles建筑石膏的應用 Utilization of Plaster and its Articles石膏石 膏石膏是以硫酸鈣(calcium sulphate)為主要成分的氣硬性膠凝材料。石膏與石灰、水泥并稱三大膠凝材料。石膏使用歷史悠久。石膏有很好的防火、隔音、調(diào)濕效果石膏的煅燒溫度160200，石灰10001200，水泥1450。其生產(chǎn)能耗比水泥低78%、比石灰低65%，是一種低能耗膠凝材料。1.石膏的種類石 膏天然二水石膏(CaSO42H2O):也稱生石膏，是生產(chǎn)建筑石膏的主要原料。天然無水石膏：質地緊密，難溶于水，用于生產(chǎn)水泥化學石膏：含有CaSO42H2O和CaSO

5、4的工業(yè)副產(chǎn)品高強石膏（-aSO40.5H2O ）：晶體顆粒較粗（0.1mm），調(diào)制成一定稠度的漿體時，需水量較少，硬化后空隙率較低，強度較高，故稱高強石膏。建筑石膏（-aSO41/2 H2O） 晶體顆粒較細（0.001mm)，調(diào)制成一定稠度的漿體時，需水量較多，硬化后空隙率大，強度較低，又稱熟石膏。天然石膏礦纖維狀晶體2.石膏的生產(chǎn)石 膏原料：天然二水石膏；天然無水石膏；工業(yè)副產(chǎn)物磷石膏、氟石膏等。生產(chǎn)工序： 原料(破碎) 脫水 磨細生產(chǎn)(脫水)的工藝：非密閉煅燒(干燥空氣中)： 密閉蒸練(濕的水蒸氣)：不同工藝得到不同組成的石膏膠凝材料生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品的組成CaSO42H2O 120180C

6、干燥空氣125180C水蒸氣-CaSO40.5H2O-CaSO40.5H2O-CaSO4()可溶-CaSO4()可溶200360C 200360C 400800C400800CCaSO4()不溶 8001180CCaSO4()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)品組成石 膏流程圖3.建筑石膏的凝結硬化石 膏凝結硬化過程中的水化反應： CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反應是由二水石膏制備半水石膏的逆反應凝結硬化機理“溶解沉淀理論” 溶解：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C

7、a2+、SO42-離子的飽和溶液 沉淀：半水石膏的飽和溶液，對于二水石膏是過飽和溶液，后者不斷結晶沉淀。 硬化：二水石膏晶體不斷生長、連生、交錯，構成晶體顆粒堆聚的結晶結構網(wǎng)凝結硬化的物理化學過程 半水石膏顆粒 二水石膏晶體石膏漿體石膏膠體石膏硬化體水孔隙水化初期：二水石膏晶體較少隨著水化反應進行二水石膏晶體量石膏硬化體中晶體堆積體石 膏半水石膏在空氣中，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 膏第一階段：5min以前，漿體的塑性強度很低，且增長很慢；第

8、二階段：5min30min，強度迅速增大，并發(fā)展到最大值；最后：如果硬化漿體在潮濕條件下養(yǎng)護，則強度逐漸有所下降。石 膏石膏凝結硬化強度發(fā)展過程參加一些緩凝成分石膏凝結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；凝結硬化所需時間增加 一些無機鹽(如硫酸鉀)可以促進凝結硬化，而一些有機酸(如檸檬酸)可以延緩凝結硬化細度越細，凝結硬化越快。加水量50的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硬化(曲線a)，而檸檬酸可以使石膏漿體緩凝(曲線c)時間(s)

9、石 膏石 膏石膏凝結硬化的特點CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ理論需水量：18%實際需水量：60-80% What is the effect on properties of plaster? 石膏硬化體的孔隙率50%60%產(chǎn)生什么現(xiàn)象？表觀密度較?。?.0防火性較好隔熱性和吸聲性良好自動調(diào)劑室內(nèi)濕度耐水性和抗凍性較差強度低裝飾性 （微膨脹性） 問題！1.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

10、水和燒結。2.試驗證明石膏板有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的功能，Why？答：石膏制品中含有5060%的孔隙，當空氣潮濕時，孔隙中吸附水汽，降低孔隙中的濕度；當空氣變得干燥時，孔隙中的水分由釋放到空氣中，提高空氣濕度。紅線條表示室內(nèi)濕度變化藍線條表示室外濕度變化調(diào)濕作用石 膏問題！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，石膏制品長期在水中的強度將更低 。 不能用作結構材料，不

11、宜用于潮濕環(huán)境等4、如何改善石膏制品的耐水性 How? 答：降低孔隙率，改善孔隙結構，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。石 膏二水石膏晶體解理面4.建筑石膏的特性與技術性質建筑石膏的技術要求(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;凝結時間：初凝、終凝時間; P35：表2-2石 膏建筑石膏是一種很好的綠色建材！應用中揚長避短，正確應用！建筑上的主要應用有：建筑石膏制品：各種板材：墻板、天花板等藝術裝飾品粉刷石膏：墻面粉刷雕飾5.建筑石膏的應用石 膏德

12、國一所教堂的外墻面雕飾室內(nèi)墻面和天花板的雕飾Summary 石膏種類 由組成、晶體結構區(qū)分石膏凝結硬化 溶解沉淀理論， 影響因素 晶體組成、細度、用水量硬化石膏性能 結構特點決定 施工工藝石膏的應用 性能決定 石 膏建筑石灰 石 灰建筑石灰的組成與品種建筑石灰的生產(chǎn)石灰的硬化石灰的性質石灰的應用1.建筑石灰的組成與品種石 灰氣硬性石灰 粘土雜質含量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 粘土雜質含量8%的石灰石熱分解物： CaO、活性Si2O、Al2O3等2.建筑石灰的生產(chǎn)石 灰原料： 以CaCO3為主

13、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： CaCO3 CaOCO2制備工藝： 巖石 破碎 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3. 石灰的硬化石 灰結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，導致Ca(OH)2結晶；晶粒長大、交錯堆聚成晶粒結構網(wǎng)硬化。碳化作用Ca(OH)2與空氣中的CO2氣體反應，在表面形成CaCO3膜層提高耐久性石 灰石灰硬化過程中，容易開裂？現(xiàn)象！石膏硬化過程中，沒有開裂？答：石灰砂漿為網(wǎng)狀干縮性裂紋，是因為石灰漿體的硬化是靠水分的大量揮發(fā)，體積顯著收縮，因而容易導致開裂。 在使用時，避免單獨使用，可摻加一些砂子、麻刀絲或紙筋等。 石膏凝結硬化機理是“溶解沉淀”，凝結前，建筑石膏漿體會出現(xiàn)體積收縮，但石膏漿體凝結后，水化物 二水石膏微粒會發(fā)生腫脹。4.石灰的性質建筑石灰的技術要求： 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