复合材料概论-无机胶凝材.ppt

3.2 镁质胶凝材料,镁质胶凝材料,优点：制造简单、强度高、凝结硬化快，粘结力 强、耐磨、成型方便等； 缺点：由于硬化产物溶解于水，耐水性差,以MgO为主要成分的无机气硬性胶凝材料，有时称为菱苦土。一般是指苛性苦土(MgO)和苛性白云石(主要成分是MgO和CaCO3),3.2.1 原料,菱镁矿的化学成分,1. 苛性苦土(MgCO3)：菱镁矿,晶质菱镁矿石,纯净的晶质菱镁矿石为白色 非晶质的为白色瓷土状，常含有SiO2和CaCO3等杂质。,2. 苛性白云石(主要成分MgO和CaCO3)：白云石 碳酸镁与碳酸钙的复盐，CaCO3MgCO3 理论摩尔组成：CaCO3 : MgCO3=1 : 1; 质量组成： CaCO3 54.2%；MgCO3 45.8% 石灰石：MgCO3 05% 镁质石灰石： MgCO3 510% 白云质石灰石：MgCO3 1025% 白云石： MgCO3 25%,天然白云石呈晶质和非晶质两种,3. 蛇纹石(含水硅酸镁，3MgO2SiO22H2O),4. 冶炼镁合金的熔渣(MgO含量25%),3.2.2 煅烧,图3-2 白云石加热过程 1失重曲线；2温度曲线,煅烧温度650760,3.2.3 镁质胶凝材料的凝结硬化,凝结硬化特点,氯化镁溶液，硫酸镁(MgSO47H2O)、氯化铁(FeCl3)或硫酸亚铁(FeSO4H2O)等盐类的溶液。,速度慢、体积收缩大、而且强度很低,常用固化剂,反应生成的氧氯化镁结晶速度比氢氧化镁快，因而加速了镁质胶凝材料的凝结硬化速度，制品强度显著提高。,氯化镁溶液,氯化镁溶液（密度为1.2g/cm3）的掺量一般为菱苦土的55%60%。掺量太大则凝结速度过快，且收缩大、强度低。掺量过少，则硬化太慢、强度也低。此外，温度对凝结硬化很敏感，氯化镁掺量可作适当调整。,3.2.4 镁质胶凝材料硬化强度与抗水性,图3-3 氯镁水泥1与硅酸盐水泥2强度发展对比,（一）硬化强度 在干燥条件下具有硬化快、 强度高的特点,1,2,图3-4 苛性白云石配制的氯镁水泥的强度发展,MgO/MgCl2： 5.4(曲线1)； 5.9(曲线2)；6.38(曲线3)；6.85(曲线4),结构强度降低,（二）抗水性,抗水性差，在潮湿条件下其强度很快降低：,氯盐的吸湿性大，结晶接触点的溶解度高，水化物具有高的溶解度。,图3-5 氯镁水泥掺1%H3PO4与不掺时强度的发展,掺入外加剂： 少量磷酸或磷酸盐 水溶性树脂,解决措施：,曲线1：MgO/MgCl2=5.7 H2O/MgO=3.3 曲线2： 掺1%H3PO4,不采用氯化镁做调和剂，采用硫酸镁(MgSO47H2O)、铁矾(FeSO4),改用硫酸镁和铁矾做调和剂后，可以降低吸湿性，提高抗水性，但强度较用氯化镁低。,3.2.5 镁质胶凝材料的应用,（一）菱苦土木屑地面,以菱苦土、木屑、氯化钙及其他混合材料（滑石粉、砂、石屑、粉煤灰、颜料等）等制作地坪，具有一定弹性，且防火、防爆、导热性小、表面光洁、不起灰。主要用于室内车间地坪。,加入刨花、木丝、玻纤、聚酯纤维等，制作各种板材，如防火装饰板、防火风管、刨花板、木屑板等。加入发泡剂时，还可制作保温板。,（二）板材,防火装饰板,防火风管,刨花板,木屑板,保温板,将玻璃纤维或玻璃纤维布，用镁质胶凝材料胶接起来后，表面经装饰而成,玻璃纤维 (或其织物) 增强镁质胶凝材料，空调通风，断面为矩型或圆型，具有不然性。,用氯化镁调制的苛性苦土或白云石中加入发泡剂或泡沫，经成型硬化后成为轻质多孔的隔热制品。,1. 什么是无机胶凝材料？简述其分类 2. 镁质胶凝材料抗水化差的原因是什么？解决措施有哪些？,作业,我国石膏资源：我国石膏矿储存量居于世界首位，有： （1）南京石膏矿 （2）大汶口石膏矿山东 （3）平邑石膏矿山东 （4）大量的化学（副产品）石膏，如磷石膏、脱硫石膏。 据统计我国化学副产品石膏已经达到4000万吨，燃煤电厂烟气脱硫也迫在眉睫。,3.3 石 膏,从建设需要来看，目前墙体材料使用最多的仍然是粘土砖，年产量近4000亿块，平均每年毁坏农田达五万亩。无论从生态平衡、环境保护、资源合理利用，还是走持续发展之路、发展绿色建材来看，综合利用，变废为宝，势在必行。,石膏胶凝材料特点： 生产工艺简单 单位燃料消耗和电量消耗低 可取代粘土砖,目前墙体材料使用最多的仍然是粘土砖，年产量近4000亿块，平均每年毁坏农田达五万亩。,石膏胶凝材料及其制品由于生产工艺简单，单位燃料消耗和电量消耗低，近代随着工业的发展又迅速发展起来。除用作建筑装饰外，还制作各种板材、砌块、高层建筑用的隔墙板、饰面板、地坪板、天花板及隔热防火隔音板等。并逐步由单一用途向复合过渡，由非承重向承重构件过渡，用途愈来愈广，产量也愈来愈高。,石膏立柱,石膏吊顶,化学反应式：,天然二水石膏在加热过程中，随着加热温度 和加热方式的不同，可以得到不同性质的石膏产品。,二水石膏,1071700,煅烧,（建筑石膏）,1250C，0.13MPa,（高强石膏）,石膏制品工业主要包括两个方面：,石膏的脱水与再水化是整个石膏工业的理论基础,石膏胶凝材料的制备,石膏制品的制备,将二水石膏加热使之部分或全部脱出水分，以制备不同的脱水石膏相,将脱水石膏再水化，使之再生成二水石膏并形成所需的硬化体。,3.3.1 石膏原料,天然二水石膏,天然无水石膏,原料,CaSO42H2O，常简称石膏，也称为原生二水石膏或软石膏等。化学组成理论质量()：CaO 32.57，SO3 46.50，H2O 20.93。常含粘土、细砂等机械混入物。,石膏矿石,化工生产的废石膏,二水石膏属于单斜晶系,图3-6 二水石膏的结晶结构,图3-7 二水石膏晶形,天然二水石膏,天然无水石膏,原料,石膏矿石,化工生产的废石膏,CaSO4，又称硬石膏。化学组成理论质量（）：CaO 41.19，SO3 58.81。 属斜方晶系。,除石膏外，还含不同的杂质，主要为粘土物质和碳酸盐类(粘土石膏，渣膏等)。,天然二水石膏的等级,根据石膏产品的形状,石膏,透明石膏,纤维石膏,雪花石膏,片状石膏,土石膏,透明无色，有时略带淡红色，呈玻璃光泽,具有纤维状集合体，呈层状、脉状、网状结构，乳白色，有时带蜡黄色、淡红色,呈细粒晶体集合块、星状、团状及壳状，半透明,致密块状集合体，叶片状，玻璃光泽,土状光泽，呈层状、团块状、脉状等,3.3.2 石膏的脱水转变及脱水石膏的形成过程,CaSO4H2O系统中公认石膏相有五种形态、七个变种。,二水石膏（CaSO42H2O）； 型与型半水石膏(、CaSO41/2H2O) ； 型与型硬石膏(、CaSO4)； 硬石膏(CaSO4)； 硬石膏I(CaSO4I)。,半水石膏(熟石膏)和半水石膏(高强石膏)在宏观性能上的差别，主要是由于亚微观上即晶粒的型态、大小以及聚集状态等方面的差别。,型与型半水石膏区别,半水石膏水化速度较快，水化热高，需水量大，胶化体的强度较低。,结晶度较差，常为细小的纤维状或片状聚集体，内比表面积较大。,结晶比较完整，常呈短柱状，晶粒较粗大，聚集体的内比表面积较小，致密，有一定的结晶形状。,难溶的或不溶的硬石膏。二水石膏、半水石膏和硬石膏经高温脱水后在常温下稳定的最终产物。,只有在温度高于1180时才存在，如果低于此温度，会转化为硬石膏，所以在常温下是不存在的。,硬石膏,硬石膏I,石膏胶凝材料的制备过程，主要是二水石膏加热脱水转变为不同脱水石膏相的过程。,图3-8 石膏的变种,二水石膏既是脱水物的原始材料，又是脱水石膏再水化的最终产物,半水石膏有型与型两个变种。当二水石膏在加压水蒸气条件下，或在酸和盐的溶液中加热时，可以形成型半水石膏。如果二水石膏的脱水过程是处于缺少水蒸汽的干燥环境中进行，则可以形成型半水石膏。,硬石膏也称为可溶性硬石膏。一般它也存在型与型两个变种，它们分别由型与型半水石膏加热脱水而成。如果二水石膏脱水时，水蒸汽分压过低，二水石膏也可以不经过半水石膏直接转变为型硬石膏。,图3-9 二水石膏的差热曲线,140吸热峰， 二水石膏失去3/2H2O 190吸热峰，失去1/2H2O 360放热峰， III型无水石膏转变为II型无水石膏,半水石膏加水后化学反应：,CaSO41/2H2O + 3/2 H2O = CaSO42H2O + Q(19.2J/gSO3),石膏胶凝材料的价值在于半水石膏或者脱水石膏能够水化硬化,3.3.3 石膏浆体的硬化及其强度发展过程,实践证明：石膏胶凝材料在水化过程中，仅形成水化产物，浆体并不一定能形成具有强度的人造石，而只有当水化物晶体互相连生形成结晶结构网时，才能硬化并形成具有强度的人造石。,石膏浆体的硬化过程就是结晶结构网的形成过程,图3-10 型半水石膏浆体强度的发展过程,第一阶段 5min以前，浆体的塑性强度很低，且增长很慢； 第二阶段 5min30min，强度迅速增大，并发展到最大值； 最后如果硬化浆体在潮湿条件下养护，则强度逐渐有所下降。,6.010.0MPa,3.3.4 提高石膏硬化浆体抗水性的途径,抗水性差,强度损失可达70甚至更大,干燥状况,饱和水状态,石膏制品共同的弱点:,抗压强度,半水石膏的水化产物与其它水硬性胶凝材料的水化物相比，具有大得多的溶解度。,原因,溶解度,二水石膏的溶解度：610-3mol/L,石膏硬化浆体中结晶接触点具有重大的溶解度,结晶接触点的性质与数量,水化硅酸钙(托贝莫来石)的溶解度：1.8l0-4mol/L,提高石膏硬化浆体抗水性的途径：,保证石膏硬化浆体结晶结构的形成； 在保证一定强度的前提下，减少接触点的数量； 保证石膏硬化浆体有较高的密实度，即减少孔隙率和孔径的大小以及结构裂缝； 加入一定数量的硅酸盐水泥或其他含有活性二氧化硅、三氧化二铝的氧化钙。,建筑石膏的技术性质和特性,（1）技术性质,颜色：白色 密度：2.62.75g/cm3 孔隙率大：50%60%,（2）石膏产品的标记：,（3）特性,1）凝结硬化快,2）微膨胀性,3）孔隙率大,在常温下一般几分钟（35分钟）即可初凝，30分钟内终凝,轻质、隔热、吸声性好，但是强度低、吸水率大,石膏硬化过程中体积略有膨胀，因此，浇注成型时可以得到尺寸精确、表面光滑致密的构件，或装饰图案,4）耐水性、抗冻性差,石膏制品不仅表面光滑，且质地细腻，颜色洁白，装饰性好；此外，硬化石膏可锯、可刨，具有良好的可加工性,5）抗火性好,6）装饰性和加工性好,软化系数为0.30.5，不宜用于室外,建筑石膏硬化后的主要成分为CaSO4.2H2O，遇火时，其中的结晶水脱出能吸收热量，而且生成的无水石膏是良好的热绝缘体。,建筑石膏及其制品为什么适用于室内，而不适用于室外使用？,解：建筑石膏及其制品适用于室内装修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝结硬化后具有以下的优良性质：,2） 硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保温性、吸声性好。,1） 石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。加入颜料后，可具有各种色彩。建筑石膏在凝结硬化时产生微膨胀，故其制品的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，形状、尺寸准确、细致，装饰性好。,(3) 硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，具有一定的防火性。,(4) 建筑石膏制品还具有较高的热容量和一定的吸湿性，故可调节室内的温度和湿度，改变室内的小气候。,在室外使用建筑石膏制品时，必然要受到雨水冰冻等的作用，而建筑石膏制品的耐水性差，且其吸水率高，抗渗性差、抗冻性差, 所以不适用于室外使用。,不适用于室外使用？,分析讨论：其原因有两个方面，可有针对性地解决。 建筑石膏拌水后一般于数分钟至半小时左右凝结，后来粘贴石膏饰条的石膏浆已初凝，粘结性能差。可掺入缓凝剂，延长凝结时间；或者分多次配制石膏浆，即配即用。 在光滑的天花板上直接贴石膏条，粘贴难以牢固，宜对表面予以打刮，以利粘贴。或者在粘结的石膏浆中掺入部分粘结性强的粘结剂,工程实例分析 石膏饰条粘贴失效,现象：石膏粉拌水为一桶石膏浆，用以在光滑的天花板上直接粘贴，石膏饰条前后半小时完工。几天后最后粘贴的两条石膏饰条突然坠落，请分析原因。,3.3.5 石膏的应用,石膏在建材和建筑中的应用：,石膏和石灰同为最古老的建筑材料之一，公元前2000年就被应用在埃及金字塔的石材缝隙和灰浆抹面等装饰上。西南亚于公元前35002500年就广泛应用石膏灰浆进行内装修和底涂上。 随着工业和建筑业的发展，石膏灰泥和石膏制品得到了迅速发展，如，美国目前80%的新住宅均用石膏作内墙和吊顶，在日本、欧洲，石膏板应用得也很普遍，我国近几年来，已投产了多条石膏板的生产线。,有一定的隔音隔热性能，加工性能好，原料广泛，加工设备简单，燃料消耗低等。,性能优点,质轻,强度较高,防火,尺寸稳定，装饰美观,耐水性差,1、质轻,制造石膏板通常掺有锯末、膨胀珍珠岩、蛭石等填料或发泡剂发泡，一般密度只有900 kg/m3，并且可以做得很薄，如制作9mm厚的板材，其质量约为8.1kg/m3。当厚度为10mm时，其质量只有79kg/m3。,2、强度较高,石膏制品的抗弯强度取决于石膏和纸(或增强纤维)，特别是纸的强度及其粘结力。纸面石膏板的抗弯强度一般为8MPa左右，能满足做隔墙和饰面的需要。,3、防火,石膏板基本上是不可燃的，因为石膏是一种不燃烧的材料，与石膏紧贴在一起的纸板即使点燃也只是烧焦而不可能燃烧。因此，石膏板成了一种良好的防火介质。,4、尺寸稳定，装饰美观,由于石膏制品的伸缩比很小，达到最大的吸水率57时，其伸长也只有0.09左右，其干燥收缩则更小，因此，制品的尺寸稳定，变形小。加之石膏制品的加工性能好，石膏板可切割，可锯，可钉，且在石膏板上可贴各种颜色，各种图案的面纸。,5、耐水性差,石膏本身是气硬性胶凝材料，不耐水，若以纸为面层，则两者的耐水性均差。,石膏的用途,塑制工艺品 制作牙科 陶瓷 机械模型 生产普通硅酸盐水泥时，作为缓凝剂 硅酸盐建筑制品的生产中，石膏作为外加剂提高产品的性能 纸面石膏板、纤维石膏板、小型石膏砌块、中型石膏条板以及建筑饰面板、隔声板,与普通水泥砂浆比较，粉刷石膏的特点: 一、黏结力强，不易脱落，克服了传统的水泥砂浆经常出现的空鼓、开裂现象； 二是具有呼吸功能，可调节室内空气湿度。,石膏用途1：室内抹灰及粉刷 特别适用于混凝土顶板、加气混凝土墙面各种保温材料的表面抹灰,建筑石膏的应用,三、无毒无味，其配料注重健康环保； 四、凝结度快，体质轻，减少了楼层重量； 五、为新型的绿色生态建材，防火性能良好； 六、施工工序简便，落地灰少，操作快捷。,用途2：装饰制品如石膏像等；,用途3：建筑石膏制品：石膏板、石膏砌块等.如上图的石膏板造型天花 主要有纸面石膏板、石膏空心条板、石膏装饰板、纤维石膏板等；,石膏板的生产,石膏板是以半水石