第二章 胶凝材料

1、第一节第一节 气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料一、石膏一、石膏（一）石膏的生产、品种（一）石膏的生产、品种 将生石膏在107170条件下煅烧脱去部分结晶水而制得的半水石膏，称为建筑石膏，又称为熟石膏。OHOHCaSOOHCaSOC224170107242112120 生产石膏的原料主要为含硫酸钙的天然石膏（又称生石膏）或含硫酸钙的化工副产品和磷石膏、氟石膏、硼石膏等废渣，其化学式为CaSO4.2H2O,也称二水石膏。将天然二水石膏在不同的温度下煅烧可得到不同的石膏品种（建筑石膏、模型石膏、高强度石膏、硬石膏）。如将天然二水石膏在107-170 的干燥条件下加热可得建筑石膏。 生石膏在加热过程中，随

2、着温度和压力不同，其产品的性能也随之变化。上述条件下生产的为半水石膏，也是最常用的建筑石膏。当煅烧温度升高到170300时，半水石膏继续脱水，生成可溶性硬石膏（CaSO4-），凝结速度比半水石膏快，但需水量大，强度低。温度继续升高到4001000，则生成慢溶性硬石膏（CaSO4-）。这种石膏难溶于水，只有当加入某些激发剂后，才具有水化硬化能力，但强度较高，耐磨性能较好。将CaSO4-与激发剂混磨后的产品称为硬石膏水泥。 （二）石膏的凝结与硬化（二）石膏的凝结与硬化 将建筑石膏加水后，它首先溶解于水，然后生成二水石膏析出。OHCaSOOHOHCaSO24224221121 随着水化的不断进行，生

3、成的二水石膏胶体微粒不断增多，这些微粒比原先更加细小，比表面积很大，吸附着很多的水分；同时浆体中的自由水分由于水化和蒸发而不断减少，浆体的稠度不断增加，胶体微粒间的黏结逐步增强，颗粒间产生摩擦力和黏结力，使浆体逐渐失去可塑性，即浆体逐渐产生凝结。继续水化，胶体转变成晶体。晶体颗粒逐渐长大，使浆体完全失去可塑性，产生强度，即浆体产生了硬化。这一过程不断进行，直至浆体完全干燥，强度不在增加，此时浆体已硬化人造成石材。建筑石膏凝结硬化过程最显著的特点建筑石膏凝结硬化过程最显著的特点1 1凝结硬化快凝结硬化快 水化过程一般为712min，整个凝结硬化过程只需2030min。 从加水开始拌合直到浆体开始

4、失去可塑性的过程称为浆体的初凝，对应的时间称为初凝时间；从加水拌合开始直到浆体完全失去可塑性，并开始产生强度的过程称为浆体的硬化，对应的时间称为终凝时间。 2 2体积微膨胀体积微膨胀 建筑石膏凝结硬化过程产生约0.05%-0.15%左右的体积膨胀。这是其它胶凝材料所不具有的特性。（三）建筑石膏的技术要求（三）建筑石膏的技术要求 建筑石膏为粉状胶凝材料，堆积密度8001000kg/m3，密度约为2.62.75g/cm3。根据GB977688规定，建筑石膏按照强度、细度和凝结时间划分为优等品、一等品和合格品。（四）石膏的性质与应用（四）石膏的性质与应用 石膏的性质石膏的性质（1 1）凝结硬化快）凝

5、结硬化快 建筑石膏加水拌合后10min内便失去塑性而初凝，30min内即终凝硬化，并产生强度。（2 2）强度较高）强度较高 建筑石膏的强度发展快，一般7h即可达最大值。抗压强度约为812MPa。（3 3）体积微膨胀）体积微膨胀 建筑石膏凝结硬化过程的体积微膨胀特性，使得石膏制品表面光滑、体形饱满，特别适用于刷面。（4 4）色白可加彩色）色白可加彩色 建筑石膏颜色洁白，杂质含量越少，颜色越白。可加入各种颜料调制成彩色石膏制品，且保色性好。（5 5）保温性能好）保温性能好 由于石膏制品生产时加入过量的水，蒸发后形成大量内部毛细孔，孔隙率达50%60%，表观密度小（8001000kg/m3），导热系

6、数小，故具有良好保温绝热性能，常作保温材料，并具有一定的吸声效果。 （6 6）耐水性差）耐水性差, ,但具有一定的调湿功能但具有一定的调湿功能 建筑石膏制品的软化系数只有0.20.3，不耐水。但由于毛细孔隙较多，比表面积大，当空气过于潮湿时能吸收水分；而当空气过于干燥时则能释放出水分，从而调节空气中的相对湿度。（7 7）防火性好）防火性好 建筑石膏制品的导热系数小，传热慢，比热又大，更重要的是二水石膏遇火脱水，产生的水蒸汽能有效阻止火势蔓延，起到防火作用。但脱水后制品强度要下降。 2. 2. 建筑石膏的应用建筑石膏的应用（1 1）室内抹灰及粉刷）室内抹灰及粉刷 抹灰指的是以建筑石膏为胶凝材料，

7、加入水和砂子配成石膏砂浆，作为内墙面抹平用。由于不耐水，故不宜在外墙使用。粉刷指的是建筑石膏加水和适量外加剂，调制成涂料，涂刷装修内墙面。（2 2）建筑装饰制品）建筑装饰制品 以杂质含量少的建筑石膏加入少量纤维增强材料和建筑胶水等制作成各种装饰制品。也可制成彩色制品。（3 3）石膏板）石膏板 这是土木工程中使用量最大的一类板材。包括石膏装饰板、空心石膏板、蜂窝板等，作为装饰吊顶、隔板或保温、隔声、防火等使用。（4 4）其他用途）其他用途 建筑石膏可作为生产某些硅酸盐制品时的增强剂，如粉煤灰砖、炉渣制品等；也可用作油漆或粘贴墙纸等的基层找平。建筑石膏在运输和储存时要注意防潮，储存期一般建筑石膏在

8、运输和储存时要注意防潮，储存期一般不宜超过不宜超过3 3个月，否则将使石膏制品的质量下降。个月，否则将使石膏制品的质量下降。二、石灰二、石灰 石灰的品种石灰的品种 生石灰、生石灰粉、熟石灰粉和石灰膏等生石灰、生石灰粉、熟石灰粉和石灰膏等 生产石灰的原料主要是含碳酸钙为主的天然岩石，如石灰石、白垩(方解石的变种)等。正常温度下煅烧得到的石灰具有多孔结构，内部孔隙率大，晶体粒小，体积密度小，与水作用快。2.2.石灰的生产石灰的生产 石灰的生产，实际上就是将石灰石在高温下煅烧，使碳酸钙分解成为CaO和CO2，CO2以气体逸出。 生产所得的CaO称为生石灰，是一种白色或灰色的块状物质。 生石灰的特性：

9、遇水快速产生水化反应，体积膨胀，并放出大量热。煅烧良好的生石灰能在几秒钟内与水反应完毕，体积膨胀两倍左右。212009003COCaOCaCO注意：注意： 生产时，由于火候或温度控制不均，常会含有欠火石灰或过火石灰。欠火石灰中含有未分解的碳酸钙内核，外部为正常煅烧的石灰，它只是降低了石灰的利用率，不会带来危害；过火石灰的结构致密，孔隙率小，体积密度大，并且晶粒粗大，表面常被熔融的黏土杂质形成的玻璃物质所包覆，与水作用的速度很慢，须数天甚至数年，对石灰的使用极为不利。 常采用的去除方法是在熟化过程中，利用筛网除掉较大尺寸过火石灰颗粒，而较小的过火石灰颗粒在储灰坑中至少存放二周以上，使其充分熟化，

10、此即所谓的“陈伏”。陈伏时为防止石灰炭化，石灰膏的表面须保存有一层水。 （二）石灰的熟化和硬化（二）石灰的熟化和硬化1. 1. 石灰的熟化石灰的熟化 生石灰CaO加水反应生成Ca（OH）2的过程称为熟化。生成物Ca（OH）2称为熟石灰。KJOHCaOHCaO9 .64)(22熟化过程的特点熟化过程的特点（1 1）速度快）速度快 煅烧良好的CaO与水接触时几秒钟内即反应完毕。（2 2）体积膨胀）体积膨胀 CaO与水反应生成Ca（OH）2时，体积增大1.52.0倍。（3 3）放出大量的热）放出大量的热 1克分子CaO熟化生成1克分子Ca（OH）2约产生64.9kJ热量。2. 2. 石灰的硬化石灰的

11、硬化 石灰在空气中硬化主要包括结晶和碳化两个过程。 结晶作用指的是石灰浆中多余水分蒸发或被砌体吸收，使Ca（OH）2以晶体形态析出，石灰浆体逐渐失去塑性，并凝结硬化产生强度的过程。 碳化作用指的是空气中的CO2遇水生成弱碳酸，再与Ca（OH）2发生化学反应生成CaCO3晶体的过程。生成的CaCO3自身强度较高，且填充孔隙使石灰固化体更加致密，强度进一步提高。即 OHnCaCOOnHCOOHCa23222) 1()(石灰凝结硬化过程的特点1. 1. 速度慢速度慢 水分从内部迁移到表层被蒸发或被吸收的过程本身较慢，若表层Ca（OH）2被碳化，生成的CaCO3在石灰表面形成更加致密的膜层，使水分子和

12、CO2的进出更加困难。因此，石灰的凝结硬化过程极其缓慢，通常需要几周的时间。加快硬化速度的简易方法有加强通风和提高空气中CO2的浓度。2. 2. 体积收缩大体积收缩大 容易产生收缩裂缝。思考：思考：一般纯石灰浆不能单独应用到工程中，为什么？ 石灰的硬化很缓慢，这是由于空气中二氧化碳气体非常稀薄，同时表面的石灰一旦碳化后，所生成的碳酸钙的坚硬外壳，又阻碍二氧化碳的进一步透入，而内部水分析出困难，结晶作用无法较快进行。所以纯石灰浆不能单独使用，必须掺入砂子等填充料使用，这样石灰浆内形成连通的毛细孔道，使内部水分蒸发并进一步碳化和结晶，以加速硬化，并可防止石灰在硬化过程中产生过大收缩或裂缝。 （三）

13、石灰的技术要求（三）石灰的技术要求1. 1. 建筑生石灰建筑生石灰 根据MgO含量分为钙质石灰和镁质石灰；又根据CaO和MgO总含量及残渣、CO2含量和产浆量分为优等、一等和合格三个等级。2.2.建筑生石灰粉建筑生石灰粉 与生石灰一样分为钙质和镁质生石灰粉；又根据CaO和MgO总含量、CO2含量和细度分为优等、一等和合格。3. 3. 建筑消石灰粉建筑消石灰粉 根据MgO含量分钙质（MgO4%）、镁质（4%MgO24%）和白云石消石灰粉（24%MgO30%），并根据CaO和MgO总含量、体积安定性和细度分优等、一等和合格。（四）石灰的技术性质和应用（四）石灰的技术性质和应用1. 1. 石灰的主要

14、技术性质石灰的主要技术性质（1 1）保水性与可塑性好）保水性与可塑性好 Ca（OH）2颗粒极细，比表面积很大，每一颗粒均吸附一层水膜，使石灰浆具有良好的保水性和塑性。工程中常用来改善水泥砂浆保水性和塑性差的缺陷。（2 2）凝结硬化慢、强度低）凝结硬化慢、强度低 石灰浆凝结硬化时间一般需要数周，硬化后的强度一般小于1MPa。如1:3的石灰砂浆强度仅为0.20.5MPa。但通过人工碳化，可使强度大幅度提高。（3 3）耐水性差）耐水性差 石灰浆在水中或潮湿环境中没有强度，在流水中还会溶解流失。但固化后的石灰制品经人工碳化处理后，耐水性大大提高。（4 4）干燥收缩大）干燥收缩大 石灰浆体中游离水，特别

15、是吸附水蒸发，引起硬化时体积收缩、开裂。碳化过程也引起体积收缩。因此，石灰一般不宜单独使用，通常掺入砂子、麻刀、纸筋等以减少收缩或提高抗裂能力。2. 2. 石灰的应用石灰的应用 1）石灰乳涂料和抹面 2）石灰混合砂浆 3）石灰土和三合土 4）用于生产硅酸盐制品（1 1）石灰乳涂料和抹面）石灰乳涂料和抹面 石灰乳通常采用石灰浆（膏）加入大量水调制 成稀浆，用于要求不高的室内粉刷。 石灰膏掺入麻刀或纸筋作为墙面抹面材料，也 称之为黄灰，过去较常用。目前主要采用石灰膏与 水泥、砂或直接与砂配制成混合砂浆或石灰砂浆抹 面。（2 2）石灰混合砂浆）石灰混合砂浆 石灰、水泥和砂按一定比例与水配制成混合砂

16、浆，用于砌筑和抹面。（质量比1：2：3）（3 3）石灰土和三合土）石灰土和三合土 消石灰粉和粘土拌合后称为石灰土。（体积比：三七、二八灰土) 石灰土中再加入砂和石屑、炉渣等即为三合土。 由于Ca（OH）2能和粘土中少量的活性SiO2和Al2O3反应生成具有水硬性的产物，使密实度、强度和耐水性得到改善。因此广泛用于建筑物的基础和道路垫层。如石灰桩加固地基等。 但是，目前更常用的方法是石灰、粉煤灰和石子混合成“三合土”作为道路垫层，其固结强度高于粘土（因粉煤灰中活性SiO2和Al2O3的含量高），且利用废渣。（4 4）用于生产硅酸盐制品）用于生产硅酸盐制品 硅酸盐制品主要包括粉煤灰混凝土、粉煤灰砖

17、、硅酸盐砌块、灰砂砖、加气混凝土等等。 硅酸盐制品主要以石英砂、粉煤灰、矿渣、炉渣等为原料，其中的SiO2、Al2O3与石灰在蒸汽养护或蒸压养护条件下生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水硬性产物，产生强度。若没有Ca（OH）2参与反应，则强度很低。 生石灰块和粉料在运输和储存过程中应注意密封防潮，否生石灰块和粉料在运输和储存过程中应注意密封防潮，否则吸水潮解后与空气中则吸水潮解后与空气中CO2CO2作用生成碳酸钙，使石灰胶结能作用生成碳酸钙，使石灰胶结能力下降。力下降。三、水玻璃三、水玻璃（一）水玻璃的组成（一）水玻璃的组成 水玻璃分为钠水玻璃和钾水玻璃两类，俗称泡花碱。钠水玻璃为硅酸钠水溶液；钾水

18、玻璃为硅酸钾水溶液。 土木工程中主要使用钠水玻璃。当工程技术要求较高时也可采用钾水玻璃。 优质纯净的水玻璃为无色透明的粘稠液体，溶于水。当含有杂质时呈淡黄色或青灰色。 钠水玻璃分子式中的n称为水玻璃的模数，代表Na2O和SiO2的分子数比，是非常重要的参数。n值越大，水玻璃的粘性和强度越高，但水中的溶解能力下降。n值越小，水玻璃的粘性和强度越低，越易溶于水。故土木工程中常用模数n为2.62.8，既易溶于水又有较高的强度。 我国生产的水玻璃模数一般在2.43.3之间。水玻璃在水溶液中的含量（或称浓度）常用密度或者波美度表示。土木工程中常用水玻璃的密度一般为1.361.50g/cm3，相当于波美度

19、38.448.3。密度越大，水玻璃含量越高，粘度越大。 （二）水玻璃的硬化（二）水玻璃的硬化 水玻璃在空气中的凝结固化与石灰的凝结固化非常相似，主要通过碳化和脱水结晶固结两个过程实现。 随着碳化反应的进行，硅胶含量增加，接着自由水分蒸发和硅胶脱水成固体SiO2而凝结硬化，其特点是：1 1速度慢速度慢 空气中CO2浓度低，故碳化反应及整个凝结固化过程缓慢。2 2体积收缩体积收缩3 3强度低强度低 OmHnSiOCONaCOOmHSiOONa22322222 为加速水玻璃的凝结固化速度和提高强度，水玻璃使用时一般要求加入固化剂氟硅酸钠。 氟硅酸钠的掺量一般为12%15%。掺量少，凝结固化慢，且强度

20、低；掺量太多，则凝结硬化过快，不便施工操作，而且硬化后的早期强度虽高，但后期强度明显降低。因此，使用时应严格控制固化剂掺量，并根据气温、湿度、水玻璃的模数、密度在上述范围内适当调整。NaFOmHSiOnSiFNaOmHnSiOONa6) 12()(22262222（三）水玻璃的性质（三）水玻璃的性质1 1 粘结力和强度较高粘结力和强度较高 水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶和固体，比表面积大，因而具有较高的粘结力。但水玻璃自身质量、配合料性能及施工养护对强度有显著影响。2 2 耐酸性好耐酸性好 可以抵抗除氢氟酸（HF）、热磷酸和高级脂肪酸以外的几乎所有无机和有机酸。3 3 耐热性好耐热性好 硬化后

21、形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降很小，当采用耐热耐火骨料配制水玻璃砂浆和混凝土时，耐热度可达1000。因此水玻璃混凝土的耐热度，也可以理解为主要取决于骨料的耐热度。4 4 耐碱性和耐水性差耐碱性和耐水性差 因和均溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。同样由于、NaF、Na2CO3均溶于水而不耐水，但可采用中等浓度的酸对已硬化水玻璃进行酸洗处理，提高耐水性。（四）水玻璃的应用（四）水玻璃的应用1 1 涂刷材料表面，提高抗风化能力涂刷材料表面，提高抗风化能力 水玻璃溶液涂刷或浸渍材料后，能渗入缝隙和孔隙中，固化的硅凝胶能堵塞毛细孔通道，提高材料的密度和强度，从而提高材料的抗风化能力。但水玻

22、璃不得用来涂刷或浸渍石膏制品。因为水玻璃与石膏反应生成硫酸钠（Na2SO4），在制品孔隙内结晶膨胀，导致石膏制品开裂破坏。2 2 加固土壤加固土壤 将水玻璃与氯化钙溶液交替注入土壤中，两种溶液迅速反应生成硅胶和硅酸钙凝胶，起到胶结和填充孔隙的作用，使土壤的强度和承载能力提高。常用于粉土、砂土和填土的地基加固，称为双液注浆。3 3 配制速凝防水剂配制速凝防水剂 水玻璃可与多种矾配制成速凝防水剂，用于堵漏、填缝等局部抢修。这种多矾防水剂的凝结速度很快，一般为几分钟，其中四矾防水剂不超过1min，故工地上使用时必须做到即配即用。 多矾防水剂常用胆矾（硫酸铜）、红矾（重铬酸钾，K2Cr2O7）、明矾（

23、也称白矾，硫酸铝钾）、紫矾等四种矾。4 4 配制耐酸胶凝、耐酸砂浆和耐酸混凝土配制耐酸胶凝、耐酸砂浆和耐酸混凝土 耐酸胶凝是用水玻璃和耐酸粉料（常用石英粉）配制而成。与耐酸砂浆和混凝土一样，主要用于有耐酸要求的工程。如硫酸池等。5 5 配制耐热胶凝、耐热砂浆和耐热混凝土配制耐热胶凝、耐热砂浆和耐热混凝土 水玻璃胶凝主要用于耐火材料的砌筑和修补。水玻璃耐热砂浆和混凝土主要用于高炉基础和其他有耐热要求的结构部位。 水泥水泥是粉末状固体，它与水混合经过一系列的物理化学反应，由可塑性浆体变成坚硬的石状体，能将散粒材料黏结成为一个整体。按成分不同分为硅酸盐水泥，铝酸盐水泥和硫硅酸盐水泥，铝酸盐水泥和硫铝

24、酸盐水泥铝酸盐水泥等硅硅酸酸盐盐类类水水泥泥通用通用水泥水泥专用专用水泥水泥特性特性水泥水泥硅酸盐水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥砌筑水泥砌筑水泥道路水泥道路水泥油井水泥油井水泥快硬硅酸盐水泥快硬硅酸盐水泥白色硅酸盐水泥白色硅酸盐水泥硅酸盐膨胀水泥硅酸盐膨胀水泥中热、低热矿渣硅酸盐水泥中热、低热矿渣硅酸盐水泥低碱水泥低碱水泥混合材料掺量混合材料掺量0 05 5混合材料掺量混合材料掺量6 61515混合材料掺量混合材料掺量 2020混合材料掺量混合材料掺量 1515， 5050石石 灰灰 石石黏黏 土土铁铁 矿矿 石石石石 膏膏混混 合合 材材 料料生生料料熟熟料料水水泥泥成成品品按比例按比例混合磨细混合磨细煅烧煅烧1450 1450 C C磨细磨细硅酸盐水泥生产流程示意图硅酸盐水泥生产流程示意图两磨两磨一烧一烧采集钙质原料采集硅质原料 煅烧水泥生产粉磨 1 1硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥的水化 2 2硅酸盐水泥的水化的凝结及硬化硅酸盐水泥的水化的凝结及硬化 3 3影响水泥凝结硬化的因素影