土木工程材料(第5章 氣硬性膠凝材料)

土木工程材料

朱凱(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城建學(xué)院)第五章無(wú)機(jī)氣硬性膠凝材料建筑上用來(lái)將散粒材料（如砂、石子）或塊狀材料（如磚、石塊）粘結(jié)成為整體的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料。膠凝材料按其化學(xué)成分可分為無(wú)機(jī)膠凝材料和有機(jī)膠凝材料兩大類，前者如水泥、石灰、石膏、菱苦土、水玻璃等，后者如瀝青、有機(jī)高分子聚合物等。其中無(wú)機(jī)膠凝材料在建筑工程上應(yīng)用更加廣泛，用量也較大。無(wú)機(jī)膠凝材料按其硬化條件的不同又分為氣硬性膠凝材料和水硬性膠凝材料兩大類。所謂氣硬性膠凝材料是只能在空氣中硬化，也只能在空氣中保持或繼續(xù)提高強(qiáng)度的膠凝材料。如石灰、石膏。水玻璃、菱苦土等。所謂水硬性膠凝材料是指不僅能在空氣中硬化，而且能更好地在水中硬化保持并繼續(xù)提高其強(qiáng)度的膠凝材料。如各種水泥。第一節(jié)建筑石膏建筑石膏及其制品具有輕質(zhì)，高強(qiáng)，隔熱，吸聲，美觀及易于加工等優(yōu)點(diǎn)，因此用途廣泛，是一種有發(fā)展前途的新型建筑材料之一。自然界中存在有天然的無(wú)水石膏CaSO4和二水石膏CaSO4·2H2O。在建筑工程中所使用的石膏是由天然二水石膏經(jīng)過(guò)加工而成的半水石膏CaSO4·1/2H2O，又成熟石膏。天然二水石膏在加工時(shí)隨溫度和壓力等條件的不同，會(huì)得到結(jié)構(gòu)和性能不同的產(chǎn)物。

高強(qiáng)度石膏硬化后，密實(shí)度大，強(qiáng)度高，可用語(yǔ)建筑抹灰或者制成石膏制品，但成本高，建筑石膏生產(chǎn)方便，成本低，可在建筑工程中廣泛大量使用。一石膏膠凝材料的生產(chǎn)生產(chǎn)方法：將原料（二水石膏）在不同壓力和溫度下煅燒、脫水，再經(jīng)磨細(xì)而成的。在不同的煅燒條件下，所得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途也各不相同。CaSO4·2H2O二水石膏β-CaSO4·1/2H2O（β型半水石膏）建筑石膏α-CaSO4·1/2H2O（α型半水石膏）高強(qiáng)石膏CaSO4Ⅲ

可溶性石膏CaSO4Ⅱ

不可溶性石膏CaSO4Ⅰ

高溫煅燒石膏107~170℃125℃170~360℃400~750℃800℃加熱、脫水0.13MP蒸壓條件加熱、脫水二

建筑石膏的水化與硬化

建筑石膏與適量水拌合后，能形成可塑性良好的漿體，隨著石膏與水的反應(yīng)，漿體的可塑性很快消失而發(fā)生凝結(jié)，此后進(jìn)一步產(chǎn)生和發(fā)展強(qiáng)度而硬化。建筑石膏與水之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)式為：此反應(yīng)實(shí)際上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反應(yīng)，因?yàn)槎嗳芙舛缺劝胨嗟娜芙舛刃〉枚?，所以此反?yīng)總體表現(xiàn)為向右進(jìn)行，二水石膏以膠體微粒自水中析出。隨著二水石膏沉淀的不斷增加，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶，結(jié)晶體的不斷生成和長(zhǎng)大，晶體顆粒之間便產(chǎn)生了磨擦力和粘結(jié)力，造成漿體的塑性開(kāi)始下降，這一現(xiàn)象稱為石膏的初凝；而后隨著晶體顆粒間磨擦力和粘結(jié)力的增大，漿體的塑性很快下降，直至消失，這種現(xiàn)象為石膏的終凝。三建筑石膏的技術(shù)性質(zhì)建筑石膏的技術(shù)要求有強(qiáng)度、細(xì)度和凝結(jié)時(shí)間。并按強(qiáng)度和細(xì)度分為優(yōu)等品、一等品和合格品。具體技術(shù)要求見(jiàn)GB9776-1988。（1）凝結(jié)硬化速度快建筑石膏的漿體，凝結(jié)硬化速度很快。一般石膏的初凝時(shí)間僅為10min左右，終凝時(shí)間不超過(guò)30min，這對(duì)于普通工程施工操作十分方便。有時(shí)需要操作時(shí)間較長(zhǎng)，可加入適量的緩凝劑，如硼砂、動(dòng)物膠、亞硫酸鹽酒精廢液等。（2）硬化后的孔隙率大，重量輕，強(qiáng)度低建筑石膏在使用時(shí)，為獲得良好的流動(dòng)性，常加入的水分要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化過(guò)程中由于水分的蒸發(fā)，使原來(lái)的充水部分空間形成孔隙，造成石膏內(nèi)部的大量微孔，使其重量減輕，但是抗壓強(qiáng)度也因此下降。通常石膏硬化后的表觀密度約為８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3，抗壓強(qiáng)度約為３ＭPa～5ＭPa。（3）良好的隔熱和吸音和“呼吸”功能石膏硬化體中大量的微孔，使其傳熱性顯著下降，因此具有良好的絕熱能力；石膏的大量微孔，特別是表面微孔對(duì)聲音傳導(dǎo)或反射的能力也顯著下降，使其具有較強(qiáng)的吸聲能力。大熱容量和大的孔隙率及開(kāi)口孔結(jié)構(gòu)，使石膏具有呼吸水蒸氣的功能。（4）防火性好，但耐水性差硬化后石膏的主要成分是二水石膏，當(dāng)受到高溫作用時(shí)或遇火后會(huì)脫出21%左右的結(jié)晶水，并能在表面蒸發(fā)形成水蒸氣幕，可有效地阻止火勢(shì)的蔓延，具有良好的防火效果。由于硬化石膏的強(qiáng)度來(lái)自于晶體粒子間的粘結(jié)力，遇水后粒子間連接點(diǎn)的粘結(jié)力可能被削弱。部分二水石膏溶解而產(chǎn)生局部潰散，所以建筑石膏硬化體的耐水性較差。（6）有良好的裝飾性和可加工性石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的裝飾性。微孔結(jié)構(gòu)使其脆性有所改善，硬度也較低，所以硬化石膏可鋸、可刨、可釘。具有良好的可加工性。（5）凝結(jié)硬化時(shí)的膨脹性建筑石膏凝結(jié)硬化是石膏吸收結(jié)晶水后的結(jié)晶過(guò)程，其體積不僅不會(huì)收縮，而且還稍有膨脹（0.2%~1.5%），這種膨脹不會(huì)對(duì)石膏造成危害，還能使石膏的表面較為光滑飽滿，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥時(shí)的開(kāi)裂。四建筑石膏的應(yīng)用（1）

石膏砂漿及粉刷石膏（2）

建筑石膏制品：石膏板、石膏砌塊等

(3）制作建筑雕塑和模型第二節(jié)建筑石灰一石灰的生產(chǎn)過(guò)程

天然碳酸巖類巖石——（石灰石、白云石）經(jīng)高溫煅燒，其主要成分CaCO3分解為以CaO為主要成分的生石灰，其化學(xué)反應(yīng)可表示如下：生石灰（堆積密度為800~1000kg/m3)一般為白色或黃灰色塊灰，塊灰碾碎磨細(xì)即為生石灰粉。二石灰的消化石灰的熟化和“陳伏”工地上使用石灰時(shí)，通常將生石灰加水，使之消解為消（熟）石灰—?dú)溲趸}，這個(gè)過(guò)程稱為石灰的“消化”，又稱“熟化”：生石灰燒制過(guò)程中，往往由于石灰石原料的尺寸過(guò)大或窯中溫度不均勻等原因，生石灰中殘留有未燒透的的內(nèi)核，這種石灰稱為“欠火石灰”。第二種情況是由于燒制的溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得石灰表面出現(xiàn)裂縫或玻璃狀的外殼，體積收縮明顯，顏色呈灰黑色，這種石灰稱為“過(guò)火石灰”。過(guò)火石灰表面常被粘土雜質(zhì)融化形成的玻璃釉狀物包覆，熟化很慢。當(dāng)石灰已經(jīng)硬化后，過(guò)火石灰才開(kāi)始熟化，并產(chǎn)生體積膨漲，引起隆起鼓包和開(kāi)裂。為了消除過(guò)火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰漿應(yīng)在儲(chǔ)灰坑中放置兩周以上，這一過(guò)程稱為石灰的“陳伏”?！瓣惙逼陂g，石灰漿表面應(yīng)保有一層水分，與空氣隔絕，以免碳化。三石灰的硬化石灰漿體在空氣中逐漸硬化，是由下面兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程來(lái)完成的：１.干燥作用：游離水分蒸發(fā)，氫氧化鈣逐漸從飽和溶液中結(jié)晶。２.碳化作用：氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳化合生成碳酸鈣結(jié)晶，釋出水分并被蒸發(fā)：碳化作用實(shí)際是二氧化碳與水形成碳酸，然后與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣。所以這個(gè)作用不能在沒(méi)有水分的全干狀態(tài)下進(jìn)行。四.建筑石灰的技術(shù)指標(biāo)

建筑石灰的技術(shù)指標(biāo)有細(xì)度、CaO+MgO含量、CO2含量和體積安定性等。并按技術(shù)指標(biāo)分為優(yōu)等品、一等品和合格品三個(gè)等級(jí)。具體技術(shù)要求見(jiàn)：

JC/T479-1992建筑生石灰(P67表4－4）、

JC/T480-1992建筑生石灰粉(P68表4－6）

JC/T481-1992建筑消石灰粉(P68表4－5）

鈣質(zhì)生石灰MgO≤5%；鈣質(zhì)消石灰粉MgO≤4%

鎂質(zhì)生石灰MgO﹥5%；鎂質(zhì)消石灰粉MgO﹥4%五

石灰的性質(zhì)與應(yīng)用1.性質(zhì)(1)石灰的硬化只能在空氣中進(jìn)行，硬化后的強(qiáng)度也不高。(2)受潮后石灰溶解，強(qiáng)度更低，在水中還會(huì)潰散。(3)硬化時(shí)體積收縮大(4)耐水性差，不易貯存2.應(yīng)用將消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水?dāng)嚢柘♂?，成為石灰乳，是一種廉價(jià)的涂料，主要用于內(nèi)墻和天棚刷白，增加室內(nèi)美觀和亮度。我國(guó)農(nóng)村也用于外墻。石灰乳可加入各種耐堿顏料。調(diào)入少量水泥、?；郀t礦渣或粉煤灰，可提高其耐水性，調(diào)入氯化鈣或明礬，可減少涂層粉化現(xiàn)象。石灰砂漿是將石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途，分為砌筑砂漿和抹面砂漿。石灰土（灰土）和三合土石灰與粘土或硅鋁質(zhì)工業(yè)廢料混合使用，制成石灰土或石灰與工業(yè)廢料的混合料，加適量的水充分拌合后，經(jīng)碾壓或夯實(shí)，在潮濕環(huán)境中使石灰與粘土或硅鋁質(zhì)工業(yè)廢料表面的活性氧化硅或氧化鋁反應(yīng)，生成具有水硬性的水化硅酸鈣或水化鋁酸鈣，適于在潮濕環(huán)境中使用。如建筑物或道路基礎(chǔ)中使用的石灰土，三合土，二灰土（石灰、粉煤灰或爐灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰或爐灰、級(jí)配碎石）等。灰砂磚和硅酸鹽制品石灰與天然砂或硅鋁質(zhì)工業(yè)廢料混合均勻，加水?dāng)嚢?經(jīng)壓振或壓制，形成硅酸鹽制品。為使其獲早期強(qiáng)度，往往采用高溫高壓養(yǎng)護(hù)或蒸壓，使石灰與硅鋁質(zhì)材料反應(yīng)速度顯著加快，使制品產(chǎn)生較高的早期強(qiáng)度。如灰砂磚、硅酸鹽磚、硅酸鹽混凝土制品等第三節(jié)水玻璃水玻璃俗稱泡花堿，由堿金屬氧化物和二氧化硅組成，屬可溶性的硅酸鹽類。根據(jù)堿金屬氧化物的不同，水玻璃有:硅酸鈉水玻璃（Na2O·ｎSiO2）、硅酸鉀水玻璃Ｋ2Ｏ·ｎSiO2）、硅酸鋰水玻璃（Ｌi2O·ｎSiO2）等品種，最常用的是硅酸鈉水玻璃。（ 稱為水玻璃模數(shù)）根據(jù)水玻璃模數(shù)的不同，又分為“堿性”水玻璃（ｎ＜３和“中性”水玻璃（ｎ≥3）。實(shí)際上中性水玻璃和堿性水玻璃的溶液都呈明顯的堿性反應(yīng)。一水玻璃的硬化液體水玻璃在空氣中吸收二氧化碳，形成無(wú)定形硅酸凝膠，并逐漸干燥而硬化由于空氣中CO2濃度較低，這個(gè)過(guò)程進(jìn)行的很慢，為了加速硬化和提高硬化后的防水性，常加入氟硅酸鈉Na2SiF6作為促硬劑，促使硅酸凝膠加速析出。氟硅酸鈉的適宜用量為水玻璃重量的12％～１５％。26二

水玻璃的技術(shù)性質(zhì)（１）粘結(jié)力強(qiáng)。水玻璃硬化后具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。另外，水玻璃硬化析出的硅酸凝膠還有堵塞毛細(xì)孔隙而防止水分滲透的作用。（２）耐酸性好。硬化后的水玻璃，其主要成分是ＳiO2，具有高度的耐酸性能，能抵抗大多數(shù)無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸的作用。但其不耐堿性介質(zhì)侵蝕。（３）耐熱性高水玻璃不燃燒，硬化后形成ＳiO2空間網(wǎng)狀骨架，在高溫下硅酸凝膠干燥得更加強(qiáng)烈，強(qiáng)度并不降低，甚至有所增加。27三水玻璃的應(yīng)用（1）用作涂料，涂刷材料表面直接將液體水玻璃涂刷在建筑物表面，或涂刷粘土磚、硅酸鹽制品、水泥混凝土等多孔材料，可使材料的密實(shí)度、強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐水性均得到提高。這是因?yàn)樗Ａc材料中的Ｃa（OH)2反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，填充了材料間孔隙。28同時(shí)硅酸鈉本身硬化所析出的硅酸凝膠也有利于材料保護(hù)。選用不同的耐火填料，還可配制不同耐熱度的水玻璃耐熱涂料。反應(yīng)式為：29（2）配制防水劑以水玻璃為基料，配制防水劑。例如：四礬防水劑是以藍(lán)礬(硫酸銅)、明礬（鉀鋁礬）、紅礬（重鉻酸鉀）和紫礬（鉻礬）各１份，溶于60份的沸水中，降溫至５０℃，投入400份水玻璃溶液中，攪拌均勻而成的。這種防水劑可以在1min內(nèi)凝結(jié),適用于堵塞漏洞、縫隙等局部搶修。（3）加固土壤將模數(shù)為２.５～３的液體水玻璃和氯化鈣溶液通過(guò)金屬管交替向地層壓入，兩種溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可析出吸水膨脹的硅酸膠體，包裹土壤顆粒并填充其空隙，阻止水分滲透并使土壤固結(jié)。用這種方法加固的砂土，抗壓強(qiáng)度可達(dá)３～６ＭＰａ。（4）配制水玻璃砂漿。將水玻璃、礦渣粉、砂和氟硅酸鈉按一定比例配合成砂漿,可用于修補(bǔ)墻體裂縫。（５）配制耐酸砂漿、耐酸混凝土、耐熱混凝土用水玻璃作為膠凝材料，選擇耐酸骨料，可配制滿足耐酸工程要求的耐酸砂漿、耐酸混凝土。選擇不同的耐熱骨料，可配制不同耐熱度的水玻璃耐熱混凝土。例2-1根據(jù)石灰漿體的凝結(jié)硬化過(guò)程，試分析硬化石灰漿體有哪些特性？解石灰漿體在空氣中凝結(jié)硬化過(guò)程，是由下面兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程來(lái)完成的：（１）結(jié)晶作用：游離水分蒸發(fā)，氫氧化鈣逐漸從飽和溶液中結(jié)晶。（２）碳化作用：氫化氧鈣與空氣中的二氧化碳化合生成碳酸鈣結(jié)晶，釋出水分并被蒸發(fā)：由于氫氧化鈣結(jié)晶速度慢且結(jié)晶量少，空氣中二氧化碳稀薄，碳化速度慢。而且表面碳化后，形成緊密外殼，不利于二氧化碳的滲透和碳化作用的深入。因而硬化石灰漿體具有以下特性：（1）凝結(jié)硬化慢；（2）硬化后強(qiáng)度低；（3）硬化時(shí)體積收縮大；（4）耐水性差，因?yàn)橛不覞{體的主要成分是氫氧化鈣，而氫氧化鈣可微溶解于水。[評(píng)注]石灰漿體在空氣中凝結(jié)硬化過(guò)程主要是依賴于漿體中Ca(OH)2的結(jié)晶析出和Ca(OH)2與空氣中的二氧化碳的碳化作用。例2-2某單位宿舍樓的內(nèi)墻使用石灰砂漿抹面。數(shù)月后，墻面上出現(xiàn)了許多不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋。同時(shí)在個(gè)別部位還發(fā)現(xiàn)了部分凸出的放射狀裂紋。試分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。解:石灰砂漿抹面的墻面上出現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋，引發(fā)的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化過(guò)程中，蒸發(fā)大量的游離水而引起體積收縮的結(jié)果。墻面上個(gè)別部位出現(xiàn)凸出的呈放射狀的裂紋，是由于配制石灰砂漿時(shí)所用的石灰中混入了過(guò)火石灰。這部分過(guò)火石灰在消解、陳伏階段中未完全熟化，以致于在砂漿硬化后，過(guò)火石灰吸收空氣中