土木工程材料講稿第二章

第三章氣硬性膠凝材料

定義：只能在空氣中硬化、保持或繼續(xù)發(fā)展強度的無機膠凝材料稱為氣硬性無機膠凝材料。不僅能在空氣中，而且能更好地在水中硬化、保持或繼續(xù)發(fā)展強度的無機膠凝材料稱為水硬性無機膠凝材料。

土木工程中常用的氣硬性無機膠凝材料主要有：石灰、石膏和水玻璃。《石灰吟》于謙千錘百擊出深山，烈火焚燒若等閑；粉骨碎身全不惜，要留清白在人間。

明代愛國將領于謙寫的千古名篇，生動地描述了石灰的身世:第一節(jié)石灰 天然碳酸巖類巖石——（石灰石、白云石）經高溫煅燒，其主要成分CaCO3分解為以CaO為主要成分的生石灰，其化學反應可表示如下:生石灰（堆積密度為800~1000kg/m3)一般為白色或黃灰色塊灰,塊灰碾碎磨細即為生石灰粉。一.石灰的消化和硬化1.石灰的熟化和“陳伏”工地上使用石灰時，通常將生石灰加水，使之消解為消（熟）石灰—氫氧化鈣，這個過程稱為石灰的“消化”，又稱“熟化”:

生石灰燒制過程中,往往由于石灰石原料的尺寸過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高或時間過長,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“過火石灰”。過火石灰表面常被粘土雜質融化形成的玻璃釉狀物包覆,熟化很慢。當石灰已經硬化后,過火石灰才開始熟化,并產生體積膨漲,引起隆起鼓包和開裂。為了消除過火石灰的危害,生石灰熟化形成的石灰漿應在儲灰坑中放置兩周以上,這一過程稱為石灰的“陳伏”。“陳伏”期間,石灰漿表面應保有一層水分,與空氣隔絕,以免碳化。2.石灰的硬化石灰漿體在空氣中逐漸硬化，是由下面兩個同時進行的過程來完成的:（１）結晶作用:游離水分蒸發(fā)，氫氧化鈣逐漸從飽和溶液中結晶。（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晶，釋出水分并被蒸發(fā):碳化作用實際是二氧化碳與水形成碳酸，然后與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣。所以這個作用不能在沒有水分的全干狀態(tài)下進行。二.建筑石灰的技術指標建筑石灰的技術指標有細度、CaO+MgO含量、CO2含量和體積安定性等。并按技術指標分為優(yōu)等品、一等品和合格品三個等級。具體技術要求見:<土木工程材料>JC/T479-1992建筑生石灰（P12表2-1）、JC/T480-1992建筑生石灰粉(P12表2-2）JC/T481-1992建筑消石灰粉(P12表2-4）鈣質生石灰MgO≤5%；鈣質消石灰粉MgO≤4%鎂質生石灰MgO﹥5%；鎂質消石灰粉MgO﹥4%三.石灰的技術性質（1）可塑性好生石灰熟化為石灰漿時,能自動形成顆粒極細（直徑約為1μ）的呈膠體分散狀態(tài)的氫氧化鈣,表面吸附一層厚的水膜。因此用石灰調成的石灰砂漿其突出的優(yōu)點是具有良好可塑性。在水泥砂漿中摻入石灰漿,可使可塑性顯著提高。（2）硬化慢、強度低從石灰漿體的硬化過程可以看出,由于空氣中二氧化碳稀薄,碳化甚為緩慢。而且表面碳化后,形成緊密外殼,不利于碳化作用的深入,也不利于內部水分的蒸發(fā),因此石灰是硬化緩慢的材料。同時，石灰的硬化只能在空氣中進行，硬化后的強度也不高。受潮后石灰溶解，強度更低，在水中還會潰散。如石灰砂漿（1:3）28天強度僅為0.2-0.5MPa。所以，石灰不宜在潮濕的環(huán)境下作用，也不宜用于重要建筑物基礎。

（3）硬化時體積收縮大石灰在硬化過程中,蒸發(fā)大量的游離水而引起顯著的收縮,所以除調成石灰乳作薄層涂刷外,不宜單獨使用。常在其中摻入砂、紙筋等以減少收縮和節(jié)約石灰。（4）耐水性差,不易貯存塊狀類石灰放置太久,會吸收空氣中的水分而自動熟化成消石灰粉,再與空氣中二氧化碳作用而還原為碳酸鈣,失去膠結能力。所以貯存生石灰,不但要防止受潮,而且不宜貯存過久。最好運到后即熟化成石灰漿,將貯存期變?yōu)殛惙?。由于生石灰受潮熟化時放出大量的熱,而且體積膨脹,所以,儲存和運輸生石灰時,還要注意安全。四.石灰的應用（1）石灰乳和石灰砂漿將消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水攪拌稀釋,成為石灰乳,是一種廉價的涂料,主要用于內墻和天棚刷白,增加室內美觀和亮度。我國農村也用于外墻。石灰乳可加入各種耐堿顏料。調入少量水泥、?；郀t礦渣或粉煤灰,可提高其耐水性,調入氯化鈣或明礬,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。（2）石灰土（灰土）和三合土石灰與粘土或硅鋁質工業(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,經碾壓或夯實,在潮濕環(huán)境中使石灰與粘土或硅鋁質工業(yè)廢料表面的活性氧化硅或氧化鋁反應,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、級配碎石）等。（3）灰砂磚和硅酸鹽制品石灰與天然砂或硅鋁質工業(yè)廢料混合均勻,加水攪拌,經壓振或壓制,形成硅酸鹽制品。為使其獲早期強度,往往采用高溫高壓養(yǎng)護或蒸壓,使石灰與硅鋁質材料反應速度顯著加快,使制品產生較高的早期強度。如灰砂磚、硅酸鹽磚、硅酸鹽混凝土制品等。第二節(jié)建筑石膏石膏是以硫酸鈣為主要成分的礦物，當石膏中含有結晶水不同時可形成多種性能不同的石膏。2.1石膏的原料、分類及生產根據(jù)石膏中含有結晶水的多少不同可分為:（1）無水石膏（ＣaSO4）:也稱硬石膏，它結晶緊密，質地較硬，是生產硬石膏水泥的原料。（2）天然石膏（ＣaSO4·2H2O）:也稱生石膏或二水石膏，大部分自然石膏礦為生石膏，是生產建筑石膏的主要原料。（３）建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）也稱熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根據(jù)其內部結構不同可分為α型半水石膏和β型半水石膏:建筑石膏通常是由天然石膏經壓蒸或煅燒加熱而成的。常壓下煅燒加熱到107℃～170℃，可產生β型建筑石膏:

（二水石膏） （β型半水石膏）124℃條件下壓蒸（1.3大氣壓）加熱可產生α型建筑石膏:

（二水石膏） （α型半水石膏）α型半水石膏與β型半水石膏相比,結晶顆粒較粗,比表面積較小,強度高,因此又稱為高強石膏。當加熱溫度超過170℃時,可生成無水石膏,只要溫度不超過200℃,此無水石膏就具有良好的凝結硬化性能。2.2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，漿體的可塑性很快消失而發(fā)生凝結，此后進一步產生和發(fā)展強度而硬化。建筑石膏與水之間產生化學反應的反應式為:此反應實際上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反應,因為二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多,所以此反應總體表現(xiàn)為向右進行,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,就會產生結晶,結晶體的不斷生成和長大,晶體顆粒之間便產生了磨擦力和粘結力,造成漿體的塑性開始下降,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。

石膏終凝后,其晶體顆粒仍在不斷長大和連生,形成相互交錯且孔隙率逐漸減小的結構,其強度也會不斷增大,直至水分完全蒸發(fā),形成硬化后的石膏結構,這一過程稱為石膏的硬化。石膏漿體的凝結和硬化,實際上是交叉進行的。2.3建筑石膏的技術要求建筑石膏的技術要求有強度、細度和凝結時間。并按強度和細度分為優(yōu)等品、一等品和合格品。具體技術要求見GB9776-1988?！蓖聊竟こ滩牧螾14表2-6）2.4建筑石膏的技術性質（１）凝結硬化速度快建筑石膏的漿體,凝結硬化速度很快。一般石膏的初凝時間僅為10min左右,終凝時間不超過30min,這對于普通工程施工操作十分方便。有時需要操作時間較長,可加入適量的緩凝劑,如硼砂、動物膠、亞硫酸鹽酒精廢液等。（２）凝結硬化時的膨脹性建筑石膏凝結硬化是石膏吸收結晶水后的結晶過程,其體積不僅不會收縮,而且還稍有膨脹（0.2%~1.5%）,這種膨脹不會對石膏造成危害,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的開裂。（３）硬化后的多孔性,重量輕,但強度低建筑石膏在使用時,為獲得良好的流動性,常加入的水分要比水化所需的水量多,因此,石膏在硬化過程中由于水分的蒸發(fā),使原來的充水部分空間形成孔隙,造成石膏內部的大量微孔,使其重量減輕,但是抗壓強度也因此下降。通常石膏硬化后的表觀密度約為８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3,抗壓強度約為３ＭPa～5ＭPa。（４）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,特別是表面微孔對聲音傳導或反射的能力也顯著下降,使其具有較強的吸聲能力。大熱容量和大的孔隙率及開口孔結構,使石膏具有呼吸水蒸氣的功能。（５）防火性好,但耐水性差硬化后石膏的主要成分是二水石膏,當受到高溫作用時或遇火后會脫出21%左右的結晶水,并能在表面蒸發(fā)形成水蒸氣幕,可有效地阻止火勢的蔓延,具有良好的防火效果。由于硬化石膏的強度來自于晶體粒子間的粘結力,遇水后粒子間連接點的粘結力可能被削弱。部分二水石膏溶解而產生局部潰散,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，質地細膩，具有良好的裝飾性。微孔結構使其脆性有所改善，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。2.5建筑石膏的應用（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）品種，最常用的是硅酸鈉水玻璃。3.1水玻璃的生產生產水玻璃的方法分為濕法和干法兩種。濕法生產硅酸水玻璃是將石英砂和苛性鈉溶液在壓蒸鍋內用蒸汽加熱。直接反應生液體水玻璃。干法生產硅酸鈉水玻璃是將石英砂和碳酸鈉磨細拌勻，在熔爐中于1300~1400?C溫度下熔化，按下式反應生成固體水玻璃。固體水玻璃于水中加熱溶解而生成液體水玻璃。其反應式為:3.3水玻璃的技術性質（１）粘結力強。水玻璃硬化后具有較高的粘結強度、抗拉強度和抗壓強度。另外,水玻璃硬化析出