土木工程材料气硬性无机胶凝材料

1、土木工程材料气硬性无机胶凝材料胶凝材料的定义与分类 在土木工程中，经过一系列的物理化学变化，可以将砂、石子等散状颗粒或砖等片、块材料粘结成一个整体，并具有机械强度的材料，统称为胶凝材料。有机胶凝材料无机胶凝材料气硬性（非水硬性）胶凝材料有机胶凝材料 有机胶凝材料是以高分子化合物为主要成分的胶凝材料。如：石油沥青；煤沥青；各种天然和人造树脂；气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，适合于地上或干燥环境，不宜用于潮湿环境，更不可用于水中。如：石灰、菱苦土、水玻璃、石膏水硬性胶凝材料不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化。既适用于地上，也适用于地下或水中。如：各种水泥无机胶凝材料3 气硬性胶凝材料 3.1石

2、膏 3.2建筑石膏 3.3水玻璃6 北京修复明长城遗址拒绝水泥 始建于明代的北京古城墙，正是用这种以石灰、石膏为主要原料的黏合剂配以巨大的城砖砌成。新修复的城墙在用料和工艺上都与老城墙相同。 确保“修旧如旧”效果沿用明代古方城砖、黏合剂选择灰白色的石灰膏。3.1 石膏 经过了600多年的风风雨雨，这些残墙岿然不倒，就是石灰膏耐久性的明证3.1 石灰(Lime)石灰用途用 途发达国家中国冶金、化工、环保、建材90%30%建 筑（房屋、道路、地下工程、各种土建项目）10%70%3.1 石灰(Lime) 能耗高； 年耗标煤2000多万吨，是建材第三大耗煤大户。（水泥、粘土砖） 生产水平低； 多为立窑

3、 产品结构单一。 多为块状产品中国石灰质量差的原因石灰石块进口CaCO3块状生石灰出口CaO1000-11003.1 石灰(Lime)石灰石生石灰（石灰）钙质石灰：石灰中MgO含量5%镁质石灰：石灰中MgO含量5%3.1.1 石灰的生产CaCO3 CaO + CO2 3.1.1 石灰的生产欠火石灰：烧成温度低，分解不完全，产浆量低，减少了石灰的利用率。过火石灰：烧成温度高，表面致密，延缓了产物熟化速度，其过烧成分可能在石灰应用后熟化，这时硬化的水泥浆中会产生膨胀而引起崩裂或隆起，直接影响工程质量。3.1.1 石灰的生产CaO + H2O Ca(OH)2 + 64.9kJ特点：体积增大12.5倍

4、，同时放出大量热，几个术语： 石灰乳 石灰膏 消石灰粉 生石灰粉 块状生石灰消化或熟化3.1.1 生石灰的熟化(消化)3.1.1 生石灰的熟化(消化)3.1.1 生石灰的熟化(消化)化浆池过筛储灰池石灰浆生石灰块 石灰浆在储灰池中需放置15天以上，消除过火石灰的危害，才能使用，这个过程叫陈伏。3.1.2 石灰浆的调制石灰浆的可塑性和保水性 生石灰熟化后形成的石灰浆，是球状细颗粒高度分散的胶体，具有很强的吸附力，表面附有较厚的水膜，降低了颗粒之间的磨擦力，具有良好的塑性，易铺成均匀的薄层。在水泥砂浆中加入石灰浆，可使可塑性和保水性显著提高。Ca(OH)2水膜3.1.2 石灰浆的调制 石灰水化后的

5、逐渐凝结硬化，主要包括下面两个同时进行的过程： 结晶过程： 石灰浆体在干燥过程中，游离水分蒸发，使Ca(OH)2从饱和溶液中结晶析出。 碳化过程：Ca(OH)2 + CO2 + nH2O = CaCO3 + (n+1)H2O 碳化过程极为缓慢3.1.3 石灰的硬化可塑性和保水性好生石灰水化时水化热大，体积增大；硬化缓慢；硬化时体积收缩大：硬化过程中， 蒸发大量的游离水而引起显著收缩，促使制品开裂。硬化后强度低；耐水性差：氢氧化钙晶体易溶于水。 。3.1.4 石灰的特性品种名称适用范围生石灰配制石灰膏；磨细成生石灰粉石灰膏用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆；稀释成石灰乳涂料，用于内墙和平顶刷白。生石

6、灰粉用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆；配制无熟料水泥（石灰矿渣水泥、石灰粉煤灰水泥等）；制作硅酸盐制品（如灰砂砖等）；制作碳化制品（如碳化石灰空心板）；用于石灰土（灰土）和三合土。 消石灰粉制作硅酸盐制品；用于石灰土（石灰+粘土）和三合土3.1.5 石灰在建筑上的应用工程案例分析某单位宿舍楼的内墙使用石灰砂浆抹面，数月后，墙面上出现了许多不规则的网状裂纹，同时在个别部位还发现了部分凸出的放射状裂纹，试分析上述现象产生的原因。石灰砂浆抹面的干墙面上出现不规则的网状裂纹，引发原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起体积收缩的结果。墙面上个别部位出现的呈放射状的裂纹，是由于

7、配制石灰砂浆时所用的石灰中存在没有熟化的过火石灰，以致于在砂浆硬中，过火石灰吸收空气中的水蒸汽继续熟化，造成体积膨胀，从而出现上述现象。3.1.5 石灰在建筑上的应用 221. 原料：天然生石膏和化工石膏建筑石膏的生产磷石膏磷酸盐矿与硫酸反应制造磷酸盐时的副产品氟石膏氟化物与硫酸反应制造HF时的副产品盐石膏由海水制造NaCl时钙化合物与硫酸盐反应而成乳石膏制造乳酸时的副产品黄石膏染化厂生产氧化剂、染化中间体、扩散剂等的副产品苏打石膏苏打石灰工业与人造丝工业中CaCl2与Na2SO4反应而成3.2 建筑石膏2. 生产：二水石膏的脱水过程二水石膏- CaSO4H2O：建筑石膏- CaSO4H2O：

8、高强石膏不熔性硬石膏、死烧石膏高温煅烧石膏CaSO42H2OCaSO4H2OCaSO4 CaSO4+ CaO + SO3 CaO + SO3 400-75080016003.2.1 建筑石膏的生产产品建筑石膏 建筑石膏为-CaSO4H2O，为二水石膏在常压下经过107-170脱水而形成。 -CaSO4H2O的需水量60-80%，为-型的1倍左右。 硬化后由于多余水分蒸发，内部具有很大的孔隙率（约占总体积的50-60%）。 强度低，如1级石膏7d强度8-12MPa。3.2.1 建筑石膏的生产产品高强石膏 高强石膏为-CaSO4H2O，为二水石膏在具有一定压力的密闭容器中在饱和蒸汽条件下蒸炼，或置

9、于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的-CaSO4H2O。 -CaSO4H2O晶体粗于-CaSO4H2O，比表面积相对要小，需水量35-45%，硬化后具有较高的密实度和强度。 3h抗压强度9-24MPa，7d强度15-40 MPa，初凝3min，终凝5-30min。 3.2.1 建筑石膏的生产 溶解度20时为8.16g/L，而的溶解度为2.05g/L，在此过程中产生较高过饱和度，导致了 迅速沉淀而析出。析出的颗粒细小，总表面积大，可吸附更多水分，同时浆体中的水分由于水化和蒸发逐渐增大，强度随之增加，一直发展致最大值，这就是硬化过程。（a）胶化（b）结晶（c）结晶长大与交错3.2.2 建筑

10、石膏的水化与硬化 建筑石膏与适当的水拌合，开始形成塑性浆体，但很快就失去塑性并产生强度，发展为坚硬的固体。 建筑石膏凝结硬化过程(a) 胶化(b) 结晶开始(C) 结晶长大与交错(D) 实际石膏制品显微结构半水石膏二水石膏胶体微粒二水石膏晶体交错的晶体二水石膏交错晶体3.2.2 建筑石膏的水化与硬化 半水石膏溶解于水，很快成为饱和溶液。溶液中的半水石膏与水化合，生成二水石膏； 二水石膏在水中的溶解度仅为半水石膏的1/5，形成高度过饱和度,故二水石膏胶体微粒很快从溶液中析出。并促使一批新的半水石膏溶解和水化，直至耗尽。3.2.2 建筑石膏的水化与硬化在这个过程中，浆体中的水分因水化和蒸发而逐渐减

11、少，浆体变稠而失去流动性，可塑性也开始下降，称为石膏的初凝。 随着水分蒸发和水化的继续进行，微粒间的摩擦力和粘结力逐渐增大，浆体完全失去可塑性，开始产生结构强度，则称为终凝。标准稠度石膏浆的初凝不早于4分钟，终凝不早于6分钟，不迟于30分钟。3.2.2 建筑石膏的水化与硬化石膏的初凝、终凝 建筑石膏硬化速度比水泥和石灰都快得多，对成型带来困难，但时可以加入缓凝剂，以降低半水石膏的溶解度和溶解速度。 硬化体孔隙率大，表观密度较小，强度低，导热性较低，吸音性较强。 硬化时，略有膨胀（膨胀率为0.050.15%），硬化时不出现裂缝，制品外表光滑细致，建筑石膏颜色洁白，如加入颜料可成各种色彩，装饰性好

12、。3.2.3 建筑石膏的特性 抗火性好，遇火灾时二水石膏中的结晶水蒸发，吸收热量，表面生成的无水物为良好的热绝缘体； 建筑石膏的热容量大，吸湿性大故能调节室内温度和湿度，保持室内“小气候”的均衡状态； 建筑石膏硬化后具有很强的吸湿性，其耐火性、抗冻性较差； 施工性好，可锯、可钉、可刨等。3.2.3 建筑石膏的特性 建筑石膏适用于室内装饰、绝热保温、吸音和防火等。建筑石膏制品不宜在超过65以上高温使用，二水石膏在此温度以上开始脱水分解。 建筑石膏一般做成石膏抹面灰浆、装饰制品和石膏板。加入颜料，硬化抛光，可成为人造大理石，用于内墙装饰。 3.2.4 建筑石膏的应用石膏板 多作平顶和内墙面装饰，可

13、直接粘贴在墙上，或钉在木龙骨两边而成隔墙。石膏板具有长期徐变的性质，不宜用于承受结构荷载。常见的石膏板有：纸面石膏板；空心石膏条板；纤维石膏板；装饰石膏板等。 石膏板龙 骨隔声材料3.2.4 建筑石膏的应用纸面石膏板 因质轻，而且隔音性能优越，与轻钢龙骨复合，特别适合于作为高层建筑的轻质隔断。 我国纸面石膏板的年生产能力已达2.6亿m2，但1998年的实际产量仅为生产能力的1/3左右，原因是价格较高。 但可用工业副产品化学石膏替代天然石膏，如上海博罗公司用安徽铜陵的磷石膏作原料生产纸面石膏板，获得较好的经济效益。 3.2.4 建筑石膏的应用3.2.4 建筑石膏的应用36空心石膏条板 生产方法与

14、普通混凝土空心板类似。常加入纤维材料和轻质填料。这种板不用纸和粘结剂，也不用龙骨，施工方便，是发展较快的一种轻板。3.2.4 建筑石膏的应用纤维石膏板和装饰石膏板 纤维石膏板用玻璃纤维、纸浆或矿棉作为纤维增强材料与石膏复合。纤维石膏板抗弯强度和弹性模量都高于纸面石膏板，除用于建筑外，还可代替木材作家具。 装饰石膏板可制成平板、多孔板、花纹板、浮雕板等。 3.2.4 建筑石膏的应用硅酸钠水玻璃：Na2OnSiO2(常用)；硅酸钾水玻璃：K2OnSiO2；n水玻璃模数，一般。n越大，固体水玻璃在水中溶解越难，但粘结能力增大。n=1时，能溶于常温中；n3，要在4atm下蒸汽中溶解。工程上常用的水玻璃

15、模数为。3.3 水玻璃（泡花碱）水玻璃溶液在空气中吸收CO2，发生如下反应： Na2OnSiO2+CO2+m H2O = Na2CO3 + nSiO2mH2O上述反应速度很慢，常加入促硬剂Na2SiF6 ：2Na2OnSiO2+Na2SiF6+mH2O = 6NaF+(2n+1)SiO2mH2ONa2SiF6加入量为水玻璃质量的12-15%3.3.1 水玻璃的硬化良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有填充毛细孔而防止液体渗透的作用，硬化后具有较高的粘结强度。水玻璃不燃烧，高温下强度不仅不会降低，甚至会有提高，因此具有良好的耐热性能。水玻璃具有较高的耐酸性能。3.3.2 水玻璃的性质 用水玻璃涂刷建材表面提高耐久性。 固结土壤。 配制耐酸砂浆、耐酸混凝土。 配制耐热砂浆、耐热混凝土。 以水玻璃为胶材，加珍珠岩、蛭石为骨料制备保温绝热材料。3.3.3