材料——氣硬性膠凝材料.ppt

1、第3章 氣硬性膠凝材料,膠凝材料(cements,binding materials) 膠凝材料概念：在土木工程材料中，凡是經(jīng)過(guò)一系列的物理、化學(xué)作用，能將散粒狀或塊狀材料粘結(jié)成整體的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料。,氣硬性膠凝材料只能在空氣中硬化，且只能在空氣中保材或發(fā)展其強(qiáng)度。而水硬性不僅在空氣中，而且能更好的在水中硬化，并保持、發(fā)展其強(qiáng)度。,第一節(jié)、 石膏(gypsum) 膏plaster 一、 原材料 二、生產(chǎn)及產(chǎn)品 三、水化硬化過(guò)程 四、應(yīng)用,石膏是以硫酸鈣為主要成分的氣硬性膠凝材料，其原料來(lái)源有： (1)天然二水石膏，又稱軟石膏或生石膏。 (2)天然硬石膏無(wú)水硫酸鈣。 (3)化工廢石膏(含有

2、二水石膏(CaSO42H2O) 或含有CaSO42H2O與CaSO4的混合物的化工副產(chǎn)品及廢渣) 脫硫石膏、磷石膏、氟石膏、硼石膏等。,一、石膏原料,二、石膏的生產(chǎn)及品種,石膏膠凝材料的主要生產(chǎn)原料是天然的二水石膏。在將原料加熱時(shí)，不同的溫度和不同的壓力下所得CaSO42H2O，石膏產(chǎn)品的結(jié)晶類型、結(jié)晶水含量不同，因而有不同的性能指標(biāo)。,品種,(1)建筑石膏(calcined gypsum) (2)高強(qiáng)石膏(high strength gypsum/plaster) (3)硬石膏：無(wú)水石膏(anhydrite,anhydrous gypsum),1. 高強(qiáng)石膏 型半水石膏的晶粒較粗，也比較密，

3、因此比表面積較小，將此種石膏加水硬化后，具有較高的密實(shí)度和強(qiáng)度，3小時(shí)的抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到924MPa，7天抗壓強(qiáng)度可達(dá)15-40MPa，因此，將之稱為高強(qiáng)石膏。 高強(qiáng)石膏在應(yīng)用中，一般用于強(qiáng)度要求較高的抹灰工程，裝飾制品和石膏板，加入防水劑后，還可用于溫度較高的環(huán)境中，加入有機(jī)物如聚乙烯醇水溶液等可配制成粘結(jié)劑，其特點(diǎn)是無(wú)收縮。,2. 建筑石膏 型半水石膏的晶體較細(xì)，所以調(diào)制成一定稠度的漿體時(shí)，需水量也比型半水石膏的需水量大，導(dǎo)致建筑石膏的孔隙率也大，因而強(qiáng)度較低。 在實(shí)際生產(chǎn)與工程中，建筑石膏的應(yīng)用更廣泛一些。,建筑石膏的技術(shù)性質(zhì),凝結(jié)迅速：可以考慮加入緩凝劑(retarder)來(lái)緩凝 水化

4、反應(yīng)理論需水量為18.6，但為了使石膏漿體具有可塑性，通常實(shí)際加水為6080% 石膏制品堆密度小，保溫絕熱性能好，吸音性強(qiáng)，吸水率大，抗?jié)B性、抗凍性和耐水性差(石膏硬化體的軟化系數(shù)在0.20.3之間 )。 建筑石膏硬化后體積略有膨脹不會(huì)出現(xiàn)裂紋。 顏色潔白，質(zhì)感飽和。,3. 可溶性硬石膏 4. 不溶性硬石膏 5. 高溫煅燒石膏,1. 膠凝理論 2. 結(jié)晶理論,三、石膏水化硬化過(guò)程,（1）半水石膏晶體結(jié)構(gòu)中內(nèi)在的殘余力將水吸附在顆粒的表面； （2）水進(jìn)入半水石膏的細(xì)孔內(nèi)，并保持物理吸附狀態(tài)，形成膠凝結(jié)構(gòu)，這就是初凝； （3）水進(jìn)入分子間或離子間間隙內(nèi)，膠凝體發(fā)生膨脹； （4）水由物理吸附狀態(tài)過(guò)渡

5、到化學(xué)吸附狀態(tài)，產(chǎn)生水化作用，溫度升高，形成二水石膏晶體，晶體逐漸長(zhǎng)大，互相交錯(cuò)形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，這就是終凝。,在各種化學(xué)變形體中，無(wú)水石膏先要生成半水石膏，然后在形成二水石膏。 可溶性硬石膏相對(duì)來(lái)講反應(yīng)活性最強(qiáng)。不溶性硬石膏單獨(dú)存在時(shí)不具有水化硬化能力，必須加入激發(fā)劑。而高溫煅燒石膏由于含有少量石膏分解后的石灰，具有自激發(fā)性。,四. 石膏的應(yīng)用,1. 石膏的特點(diǎn)： （1）抗水性差：原因、軟化系數(shù)、解決途徑； （2）強(qiáng)度較低； （3）孔隙率高； （4）顏色潔白、質(zhì)感好； （5）一定的防火性,2. 應(yīng)用,（1）水泥的緩凝； （2）石膏制品 建筑石膏：裝飾板材、雕塑、裝飾型材、抹灰工程、砌塊等； 高強(qiáng)

6、石膏：抹灰工程、裝飾板材、砌塊等； 可溶性硬石膏一般不用，避免出現(xiàn)；,不溶性硬石膏：加入激發(fā)劑后配制成硬石膏水泥； 激發(fā)劑：硫酸鹽激發(fā)、堿激發(fā) 高溫煅燒石膏：此時(shí)其中的石灰作為激發(fā)劑，耐磨性和抗水性提高，又稱為地板石膏。,作為石膏制品時(shí)，因?yàn)槭嗄Y(jié)速度很快，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)可以加入促凝劑和緩凝劑。,3.2.4 建筑石膏的應(yīng)用 (1)紙面石膏板：兩面用堅(jiān)韌的紙做護(hù)面 (2)纖維石膏板：含纖維材料 (3)裝飾石膏板：造型美觀，品種多樣 (4)空心石膏條板：空心 (5)石膏蜂窩板、石膏礦棉復(fù)合板、防潮石膏板等,（1）石膏漿體強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程,3. 強(qiáng)度發(fā)展,時(shí)間,強(qiáng)度,（2）影響強(qiáng)度發(fā)展的因素,溫度

7、； 水灰比,（4）陳化,由于新燒制的熟石膏為多相體的混合物，如建筑石膏在120-140下也只是形成以（CaSO41/2 H2O）為主，還有很多未燒的石膏及其他化合物，因此，性能很不穩(wěn)定，將其靜放一段時(shí)間后，待性能穩(wěn)定以后在應(yīng)用，這一過(guò)程即為“陳化”。,(,),(,),(,),半水石膏,少量,二水石膏,少量,型石膏,主要的,半水石膏,二水石膏,變化,礦物,保溫,吸濕,再結(jié)晶,-,-,b,b,III,性能穩(wěn)定,性能不穩(wěn)定,強(qiáng)度增加,強(qiáng)度較低,凝結(jié)時(shí)間正常,凝結(jié)時(shí)間不正常,減少,標(biāo)準(zhǔn)稠度,標(biāo)準(zhǔn)稠度較大,變化,性能,第二節(jié) 石灰(lime,CaO),一、石灰分類 二、生石灰的原料與生產(chǎn) 三、生石灰的性

8、質(zhì) 四、熟石灰的制造（石灰的熟化）(slake) 五、熟石灰的性質(zhì) 六、生石灰和熟石灰的應(yīng)用,一、石灰的分類,根據(jù)石灰加工方法：塊狀生石灰、磨細(xì)生石灰、石灰漿、石灰乳、石灰水等； 石灰石中含有雜質(zhì)氧化鎂（MgO），根據(jù)MgO的多少，將生石灰中MgO含量5%的稱為鈣質(zhì)石灰（低鎂石灰），5%20%的稱為中鎂石灰。20%40%為高鎂石灰；,根據(jù)消化速度：快速消化石灰、中速消化石灰和滿素消化石灰，消化速度分別：小于10min、1030min、30min以上。 根據(jù)消化時(shí)所達(dá)到的溫度指標(biāo)，又有高熱石灰（ 高于70C）和低熱石灰（70C）,二、生石灰的原材料和生產(chǎn),原料： 以含碳酸鈣為主的天然巖石和化工副

9、產(chǎn)品。 天然巖石主要有石灰石、大理石、白云石、方解石、白堊、石灰華等； 化工副產(chǎn)品主要有電石渣（消化電石而得）等:,CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2,制造： CaCO3+178103J/molCaO+CO2,最佳煅燒溫度過(guò)火石灰和欠火石灰 碳酸鈣的分解取決于溫度、壓力、介質(zhì)和石灰石原料的致密度及塊度的形狀和均勻度。 原料中含有的MgO雜質(zhì)對(duì)生石灰的制造也有影響，MgCO3比CaCO3煅燒溫度低，因而先分解，等CaCO3分解時(shí)，MgO的致密度大增，消化性能降低，影響了生石灰的性能。 所以生石灰的最佳煅燒溫度不是一成不變的。,三、 生石灰的性質(zhì),（一）物理性能 1. 晶形和晶格結(jié)構(gòu) C

10、aO具有面心立方晶格，晶格常數(shù)a=0.48nm，MgO也是面心立方晶格，a=0.4203nm，所以白云石（CaCO3:MgCO3=1:1）密度比石灰石（主要是CaCO3 ）高。 2. 煅燒度石灰被煅燒的程度 輕燒石灰、中燒石灰和硬燒石灰及死燒石灰,3. 體積密度隨煅燒度的增加而增大。 4. 氣孔率 開(kāi)口（連通、半連通）及全封閉孔 5. 顏色與比表面積和雜質(zhì)含量有關(guān)。,（二）化學(xué)性質(zhì),1. 與水的作用消化、熟化 CaO+H2OCa(OH)2+6.49104J 消化與煅燒度、顆粒大小、外加劑、溫度有關(guān) 石灰的消化特點(diǎn)： （1）大量放熱； （2）比表面積急劇增加，以及塊狀生石灰變?yōu)榉勰钕遥?（

11、3）石灰粒子在水中形成石灰膠團(tuán)結(jié)構(gòu)。,2. 與CO2作用碳化,Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O CO2與H2O先形成H2CO3，然后與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，因此只有在半潮濕、升壓和升溫狀態(tài)下的CaO或CO2濃度大的條件下，碳化作用才明顯。 碳化與石灰乳的形成及硬化有關(guān)。,3. 與SiO2的作用在高溫下（10001200），與SiO2反應(yīng)形成C2S。 4. 其他反應(yīng),四、熟石灰的制造,1. 濕消化：在消化槽中，給石灰塊和石灰粉不停的澆水，并不斷攪拌，直至放熱結(jié)束。 2. 干消化：石灰工業(yè)企業(yè)中，常用到。見(jiàn)圖1-17 3. 加壓消化：常見(jiàn)于難消化的石灰，如硬燒石灰、

12、鎂質(zhì)石灰等。 4. 工業(yè)副產(chǎn)品：生產(chǎn)乙炔工業(yè)中： CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2,五、熟石灰的性質(zhì),（一）物理性質(zhì) 1. 晶形和晶體結(jié)構(gòu) 2. 密度和堆積密度 3. 硬度 4. 粒度和比表面積 5. 溶解度 6. 熱性能 7. 顏色,（二）化學(xué)性質(zhì),（三） 其他性質(zhì),1. 流動(dòng)性 2. 可塑性及和易性 3. 產(chǎn)漿量 4. 沉降體積 5. 均勻性,六、應(yīng)用,石灰的技術(shù)性質(zhì) (1)良好的保水性：直徑約為1m的呈膠體分散狀態(tài)的氫氧化鈣，其表面吸附一層較厚的水膜。 (2)凝結(jié)硬化慢、強(qiáng)度低：碳酸鈣和氫氧化鈣結(jié)晶體 (3)耐水性差：氫氧化鈣結(jié)晶易溶于水 (4)體積收縮大：蒸發(fā)大量的游離水,

13、1石灰乳涂料 將熱化好的消石灰加入水稀釋，直接用于室內(nèi)墻壁和天棚的涂料。 加入各種耐堿顏料，可變成彩色涂料。 加入少量磨細(xì)slag或flyash ，提高其耐水性。 加入明礬，氯化鈣，聚乙烯醇等減少涂層粉化。,（一）建筑業(yè),2石灰砂漿 石灰膏+砂+水+拌制，既可用作砌筑砂漿又可用作抹面。 石灰膏+纖維+水拌制，多用于抹面。 3石灰土和三合土 石灰土（石灰+粘土）和三合土（石灰+粘土+砂堿炸渣等填料），多用于加固地面、密實(shí)地面，穩(wěn)定地基。,4制作硅酸鹽制品 將石灰與硅質(zhì)材料磨細(xì)后，一起加壓成型，再經(jīng)過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)，生成以水化硅酸鈣為主要產(chǎn)物的砼。 反應(yīng)式如下： Ca(OH)2+SiO2+aqCaOSi

14、O2aq 硅酸鹽砼制品有：灰砂磚、灰砂構(gòu)件、加氣砼等。,5碳化石灰板 將磨細(xì)生石灰、纖維狀填料或輕質(zhì)骨料攪拌成型，然后用CO2進(jìn)行人碳化，而成的一種輕質(zhì)板材。 6將生石灰用于惰性膠凝材料的激發(fā)劑，如FA，slay等。 7接觸硬化膠凝材料。,四、關(guān)于石灰用于建筑中的一些注意事項(xiàng)：,1陳伏：生石灰中，一些石灰石在燒制過(guò)程中由于礦石品質(zhì)的不均勻及溫度的不均勻，生成的生石灰中即有可能含有欠火石灰和過(guò)水石灰。對(duì)于欠火石灰，降低了石灰的利用率，而對(duì)于過(guò)火石灰，由于其表面常被粘土類雜質(zhì)融化形成的玻璃釉狀物包裹，熟化很慢，就有可能在實(shí)際工程應(yīng)用中，石灰已經(jīng)硬化，而過(guò)火石灰才開(kāi)始熱化，熱石灰體積比生石灰體積大1

15、2.5倍，引起隆起和開(kāi)裂。為了消除這一危害，就有必要將石灰漿，在儲(chǔ)存坑中“陳伏”兩星期以上，等待過(guò)火石灰的完全“熱化”。 “陳伏”期間，石灰漿表面應(yīng)保有一層水分，與空氣隔絕，以免碳化。,2消化時(shí)的溫度與石灰粒度 石灰在消化期間的溫度應(yīng)注意石灰的粒度大小，研究結(jié)論指出，粒度較大的生石灰應(yīng)在較低的溫度下消化，而粒度小的應(yīng)在較高溫度下進(jìn)行消化。這主要是與形成的石灰漿達(dá)到最好的塑性有關(guān)。 3石灰制品受潮后易溶解，致使強(qiáng)度下降所以不宜在潮濕環(huán)境中使用，若必須要用，就必須進(jìn)行處理。,（二）鋼鐵工業(yè),（三）化學(xué)工業(yè),第三節(jié) 鎂質(zhì)膠凝材料（菱苦土）,菱苦土是一種白色或淺黃色的粉末，其主要成分是氧化鎂（MgO）

16、，菱苦土作為膠凝材料與石灰的原理不同，石灰的最終反應(yīng)化學(xué)原理是Ca(OH)2CaCO3生成物要求是CaCO3,而菱苦土的反應(yīng)生成物是Mg(OH)2。,一、菱苦土原料,（一）菱鎂礦 （二）白云石 （三）蛇紋石 （四）化工副產(chǎn)品,二、菱苦土的生產(chǎn),MgCO3MgO+CO2 在原材料煅燒過(guò)程中，應(yīng)使MgCO3充分分解，而其中的CaCO3避免分解，這樣所得到的菱苦土材料就是活性MgO和惰性的CaCO3，這主要是因?yàn)槿羯蒀O2，會(huì)對(duì)菱苦土性能產(chǎn)生負(fù)面影響。 煅燒最適宜溫度與原材料中的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)。 煅燒溫度也直接影響菱苦土的水化速度，煅燒溫度低，則燒結(jié)速度快，但可能MgCO3又不能充分分解。

17、,三、菱苦土的硬化與調(diào)和,MgO+H2O=Mg(OH)2 在純水中，這個(gè)反應(yīng)很慢，且硬化后的強(qiáng)度很低，因此，一般不用水來(lái)調(diào)配菱苦土漿體，而是用某些鹽水。最常用的就是MgCl2，其次還有MgSO4、FeSO4等。,用MgCl2作為調(diào)凝劑，硬化后強(qiáng)度最高，但吸濕性較大，抗水性差；而用MgSO4作為調(diào)凝劑，制品吸濕小，但強(qiáng)度較低；用FeSO4 ,吸濕性強(qiáng)度都還可以，但時(shí)間一長(zhǎng)，制品表面容易出現(xiàn)銹斑。,在實(shí)際中，多采用MgCl2（此時(shí)又叫氯鎂水泥）作為調(diào)凝劑，同時(shí)輔以采取抗水措施： 1加入H3PO4，加入H3PO4后，可與MgCl2生成不溶于水的2MgHPO43H2O的結(jié)構(gòu)物。（摻量1%左右） 2有機(jī)

18、外加劑，有水溶性和水乳性的高聚物和有機(jī)硅，如丙烯酸聚合乳液，磚酸乙酯等。它們自力交聯(lián)聚合，可以包裹Mg(OH)2晶體，形成良好的防水保護(hù)層。,3. 加入FeCl3，可以增加硬化體強(qiáng)度，并堵塞毛細(xì)管，增加抗?jié)B性。 4摻入某些水硬性膠凝混合材如浮石粉，紅磚等。混合材中的SiO2、Al2O3可與Mg(OH)2作用生成耐水性強(qiáng)的物質(zhì)。,四、應(yīng)用,菱苦土硬化后與植物纖維的粘結(jié)性很好，且堿性較弱，對(duì)植物纖維腐蝕性也小，可以用做：（1）制作構(gòu)件。常將菱苦土與木纖維，如木屑、刨花、蘆葦、竹筋等制成一些板材及其他構(gòu)件。這些板材及構(gòu)件包括：刨花板、人造大理石、隔熱材料等。,（2）制作菱苦土木屑地面，此時(shí)可以再加入

19、石棉、硅藻土、石英和顏料等。特點(diǎn)是強(qiáng)度較高，彈性好，不起灰，放火、碰撞不起火花，但不常用于潮濕環(huán)境。 （3）加入氣泡或泡沫后，制成保溫隔熱材料。 （4）耐水性處理好的話，還可以用于浴缸等生活用具。 （5）其他,菱苦土一些注意事項(xiàng)：,（1）仍是保存與運(yùn)輸中的防潮以及其制品不宜用于室外和多水的地方，要么耐水性處理的很好。 （2）調(diào)和劑的摻量。MgCl2：MgO：46之間。 （3）與玻璃制品隔開(kāi)，因?yàn)榱饪嗤恋娜鯄A性對(duì)玻璃有腐蝕性，所以若用到玻璃纖維，耐久性要注意。,第四節(jié) 水玻璃(water glass),一、組成及分類 二、水玻璃的生產(chǎn) 三、水玻璃的凝結(jié)硬化 四、水玻璃的性質(zhì) 五、水玻璃的應(yīng)用,一

20、、水玻璃組成及分類,水玻璃俗稱為泡花堿，是一種易溶于水的堿金屬硅酸鹽，最常用的是硅酸鈉和硅酸鉀兩種R2OnSiO2。(又稱鈉水玻璃、鉀水玻璃)也可將二者按比例混合，又叫混合水玻璃。 n：氧化硅與氧化鈉的分子比，它被稱為水玻璃的模數(shù)。,水玻璃分類,1. 按模數(shù)大?。焊吣?shù)水玻璃和低模數(shù)水玻璃 2. 按堿金屬氧化物：鉀水玻璃、鈉水玻璃和混合水玻璃； 3. 按融制時(shí)的原料，特別是堿金屬氧化物原料：純堿（碳酸鹽）水玻璃和硫酸鈉水玻璃； 4. 改性水玻璃：摻有外加劑的水玻璃； 5. 按水玻璃中二氧化硅含量多少，有中性和堿性水玻璃水解后都為堿性。,工業(yè)上水玻璃形態(tài)有三種： 塊狀或粉狀水玻璃，溶解慢，且易潮

21、解。 含有化合水的固體水玻璃，稱之為水合水玻璃溶解度大。 由而得的液體水玻璃，可與水按任意比例混合。,二、水玻璃的生產(chǎn),（一）原料： 1. SiO2 原料：石英砂、砂巖、燧石、硅藻土等； 2. Na2O原料：純堿(Na2CO3)、硫酸鈉(Na2SO4)、苛性鈉(NaOH)、小蘇打(NaHCO3)等； 3. 其他原料：炭，在用硫酸鹽生產(chǎn)時(shí)采用。,（二）生產(chǎn),1. 干法 （1）碳酸鹽熔融法 Na2CO3+nSiO2CO2+Na2OnSIO2 （2）硫酸鹽法 4Na2SO4+2C+4SiO2=4NaOSiO+4SO2+2CO2 2. 濕法蒸壓法 國(guó)內(nèi)多用碳酸鹽法,三、水玻璃的凝結(jié)硬化,Na2nSiO2+CO2+mH2O=Na2CO3+nSiO2 mH2O 這個(gè)反應(yīng)在空氣中進(jìn)行，反應(yīng)速度偏慢，一般加入硅氟酸鈉（Na2SiF6）作為促硬劑。 但Na2SiF6有毒，使用要注意安全。摻量12-15%。摻量過(guò)多或過(guò)少的都有弊端。,水玻璃的模數(shù)和相對(duì)密度，對(duì)于凝結(jié)和硬化影響也很大。當(dāng)模數(shù)高時(shí)，硅膠容易析出，水玻璃凝結(jié)硬化快。當(dāng)水玻璃相對(duì)密度小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散速度快，水玻璃凝結(jié)硬化速度也快。而模數(shù)又低且相對(duì)密度又大時(shí)，凝結(jié)硬化就很慢。 環(huán)境溫度和濕度對(duì)凝結(jié)硬化影響也大