气硬性无机胶凝材料

第二章

气硬性无机胶凝材料

概述胶凝材料：是指通过自身的物理化学作用，从浆体变成坚硬的固体，并能把散粒材料或块状材料粘结成为一个整体的材料。胶凝材料分类：只能在空气中硬化、保持或继续发展强度的无机胶凝材料称为气硬性无机胶凝材料。不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化、保持或继续发展强度的无机胶凝材料称为水硬性无机胶凝材料。

土木工程中常用的气硬性无机胶凝材料主要有：石灰、石膏、菱苦土和水玻璃。概述建筑石灰是建筑中使用最早的矿物胶凝材料之一。建筑石灰常简称为石灰，实际上他是具有不同化学成分和物理形态的生石灰、消石灰、水硬性石灰的统称。第一节石灰原料：天然碳酸岩类岩石——（石灰石、白云石）生产：原料经高温煅烧，其主要成分CaCO3分解为以CaO为主要成分的生石灰，其化学反应可表示如下：生石灰（堆积密度为800~1000kg/m3)一般为白色或黄灰色块灰，块灰碾碎磨细即为生石灰粉。一.石灰的原料、生产煅烧石灰石(内含CaCO3)温度在900℃左右时温度过高时温度过低时正火石灰欠火石灰过火石灰根据成品的加工方法不同，石灰有以下四种成品：1、生石灰：由石灰石煅烧成为的白色疏松的块状物，主要成分CaO。2、生石灰粉：3、消石灰粉：4、石灰膏：石灰的另一来源为，生产乙炔的副产品，即用水和碳化钙反应得到。生产设备：1.石灰的熟化和“陈伏”熟化：工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为消（熟）石灰—氢氧化钙，这个过程称为石灰的“消化”，又称“熟化”：二.石灰的消化（水化）和硬化生石灰烧制过程中，往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不均匀等原因，生石灰中残留有未烧透的的内核，这种石灰称为“欠火石灰”。由于烧制的温度过高或时间过长，使得石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，引起隆起鼓包和开裂。

陈伏：为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，这一过程称为石灰的“陈伏”。“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。2.石灰的硬化石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的：结晶作用碳化作用游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发碳化作用实际是二氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙。所以这个作用不能在没有水分的全干状态下进行。细度CaO+MgO含量CO2含量产浆量残渣含量体积安定性游离水把其分成优等品、一等品、合格品三个等级。三、建筑石灰的技术要求技术标准

建筑石灰按现行标准《建筑生石灰》(JC／T479一92)、《建筑生石灰粉》(JC／T480—92)和《建筑消石灰粉》(JC／T481—92)规定，按其氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类。见下表。钙质石灰和镁质石灰中氧化镁含量(%)界限石灰种类生石灰生石灰粉消石灰粉钙质石灰≤5≤5<4镁质石灰>5>5≥41生石灰技术标准

《建筑生石灰》(JC／T479一92)

根据氧化镁含量按上表分为钙质生石灰和镁质生石灰两类，然后再按有效氧化钙和氧化镁含量、产浆量、未消解残渣和CO2含量等4个项目的指标分为优等品、一等品和合格品3个等级，如下表。

项目钙质生石灰镁质生石灰优等品一等品合格品优等品一等品合格品1.(CaO+Mg0)含量(％)不小于9085808580752.未消化残渣含量(5mm圆孔筛筛余量)(％)不大于51015510153.C02(％)不大于57968104.产浆量(L／kg)不小于2.82.32.02.82.32.0有效氧化钙和氧化镁含量石灰中产生粘结性的有效成分是活性氧化钙和氧化镁。它们的含量是评价石灰质量主要指标，其含量愈多，活性愈高，质量也愈好。按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057—2009)规定，有效氧化钙含量用中和滴定法测定，氧化镁含量用络合滴定法测定。生石灰产浆量和未消化残渣含量产浆量是单位质量(1Kg)的生石灰经消化后，所产石灰浆体的体积(L)。石灰产浆量愈高，则表示其质量越好。未消化残渣含量是生石灰消化后，未能消化而存留在5mm圆孔筛上的残渣占试样的百分率。其含量愈多，石灰质量愈差，须加以限制。二氧化碳(CO2)含量

CO2含量越高，即表示未分解完全的碳酸盐含量越高，则（CaO+MgO）含量相对降低，导致石灰的胶结性能的下降。生石灰试样1g放于坩埚内，在高温电炉中于580±20℃灼烧结晶水，再将试样950～1000℃高温1h，冷却至室温。以试验前后试样质量的差与原试样质量的百分比计算CO2含量。2生石灰粉的技术要求根据氧化镁含量分为钙质石灰和镁质石灰两类后，再按(CaO+MgO)含量、CO2含量和细度等项目的指标，分为优等品、一等品和合格品3个等级，如下表。《建筑生石灰粉》(JC／T480—92)

项目钙质生石灰粉镁质生石灰粉优等品一等品合格品优等品一等品合格品1.(CaO+Mg0)含量(％)不小于8580758075702.C02(％)不大于791181012细度0.9mm筛筛余(％)不大于0.20.51.50.20.51.50.125mm筛筛余(％)不大于7.012.018.07.012.018.0细度细度与石灰的质量有密切联系，过量的筛余物影响石灰的粘结性。现行标准《建筑生石灰粉》(JC／T480—92)和《建筑消石灰粉》(JC／T481—92)以0.9mm和0.125mm筛余百分率控制。试验方法是，称取试样50g，倒入0.9mm、0.125mm套筛内进行筛分，分别称量筛余物，按原试样计算其筛余百分率。

3消石灰粉技术要求消石灰粉按氧化镁含量<4％时称为钙质消石灰粉，4％≤氧化镁含量<24％时称为镁质消石灰粉，24％≤氧化镁含量<30％时称为白云石消石灰粉。按等级分为优等品、一等品和合格品等3个等级，如下表。《建筑消石灰粉》(JC／T481—92)项目钙质消石灰粉

镁质消石灰粉

白云石消石灰粉优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品1．(CaO+Mgo)含量(％)

不小于7065606560556560552．游离水(％)0.4—2.00.4—2.00.4—2.03．体积安定性合格合格--合格合格--合格合格--4.细度0.9mm筛筛余(％)不大于000.5000.5000.50.125mm筛余(％)不大于310153101531015消石灰粉游离水含量游离水含量，指化学结合水以外的含水量。生石灰消化时加入的水比理论需水量多很多，多加的水残留于青氢氧化钙中，残余水分蒸发后，留下孔隙会加剧消石灰粉碳化作用，因而影响其使用质量。取试样100g，在100～105℃烘箱中烘干至恒重，冷却至室温。以试验前后试样质量的差与原试样质量的百分比计算游离水含量。体积安定性消石灰粉的体积安定性是将一定稠度的消石灰浆体做成中间厚，边缘薄的一定直径的试饼，然后在100-105℃下烘干4h,若无溃散、裂纹、鼓包等现象则为体积安定性合格。1可塑性好

生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径约为1μ）的呈胶体分散状态的氢氧化钙粒子，表面吸附一层厚的水膜，使颗粒间的摩擦力较小，因而其可塑性好。用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好可塑性。

在水泥砂浆中掺入石灰浆，可使可塑性、保水性显著提高。四.石灰的特性2硬化慢从石灰浆体的硬化过程可以看出，由于空气中二氧化碳稀薄，碳化甚为缓慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于碳化作用的深入，也不利于内部水分的蒸发，因此石灰是硬化缓慢的材料。3硬化后强度低石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后的强度也不高。受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会溃散。如石灰砂浆（1：3）28天强度仅为0.2～0.5MPa。所以，石灰不宜在潮湿的环境下作用，也不宜用于重要建筑物基础。4硬化时体积收缩大石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩，所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩和节约石灰。5耐水性差

由于石灰浆硬化慢、强度低，当其受潮后，其中尚未碳化的易产生溶解，硬化石灰体遇水会产生溃散，所以石灰不宜用于潮湿环境。6不易贮存

块状类石灰放置太久，会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中二氧化碳作用而还原为碳酸钙，失去胶结能力。所以贮存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜贮存过久。最好运到后即熟化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。由于生石灰受潮熟化时放出大量的热，而且体积膨胀，所以，储存和运输生石灰时，还要注意安全。1石灰乳和石灰砂浆将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水搅拌稀释，成为石灰乳，是一种廉价的涂料，主要用于内墙和天棚刷白，增加室内美观和亮度。我国农村也用于外墙。石灰乳可加入各种耐碱颜料。调入少量水泥、粒化高炉矿渣或粉煤灰，可提高其耐水性，调入氯化钙或明矾，可减少涂层粉化现象。石灰砂浆是将石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途，分为砌筑砂浆和抹面砂浆。五.石灰的应用2石灰土（灰土）和三合土石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用，制成石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，适于在潮湿环境中使用。如建筑物或道路基础中使用的石灰土，三合土，二灰土（石灰、粉煤灰或炉灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰或炉灰、级配碎石）等。3灰砂砖和硅酸盐制品

石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀，加水搅拌,经压振或压制，形成硅酸盐制品。为使其获早期强度，往往采用高温高压养护或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度显著加快，使制品产生较高的早期强度。如灰砂砖、硅酸盐砖、硅酸盐混凝土制品等。第二节建筑石膏

石膏是以硫酸钙为主要成分的矿物，当石膏中含有结晶水不同时可形成多种性能不同的石膏。根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为：无水石膏（ＣaSO4）：也称硬石膏，它结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的原料。天然石膏（ＣaSO4·2H2O）：也称生石膏或二水石膏，大部分自然石膏矿为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）也称熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根据其内部结构不同可分为α型半水石膏和β型半水石膏：一、石膏的原料、分类及生产建筑石膏通常是由天然石膏经压蒸或煅烧加热而成的。常压下煅烧加热到107℃～170℃，可产生β型建筑石膏：

（二水石膏） （β型半水石膏）124℃条件下压蒸（1.3大气压）加热可产生α型建筑石膏：（二水石膏） （α型半水石膏）α型半水石膏与β型半水石膏相比，结晶颗粒较粗，比表面积较小，强度高，因此又称为高强石膏。当加热温度超过170℃时，可生成无水石膏，只要温度不超过200℃，此无水石膏就具有良好的凝结硬化性能。此反应实际上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反应，因为二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多，所以此反应总体表现为向右进行，二水石膏以胶体微粒自水中析出。二、建筑石膏的凝结硬化石膏的凝结硬化

凝结：可塑性浆体失去可塑性，开始产生强度的过程。初凝终凝硬化：失去可塑性浆体强度增加的过程。

强度细度凝结时间

三、建筑石膏的技术与等级按强度和细度分为优等品、一等品和合格品。具体技术要求见GB9776-2008。”建筑石膏等级标准（GB9776-2008）等级3.02.01.62h强度（MPa）抗折强度≥3.0≥2.0≥1.6抗压强度≥6.0≥4.0≥3.0细度20um方孔筛筛余（%）≤10.0凝结时间（min）初凝时间≥3终凝时间≥301凝结硬化速度快建筑石膏的浆体，凝结硬化速度很快。一般石膏的初凝时间仅为10min左右，终凝时间不超过30min，这对于普通工程施工操作十分方便。有时需要操作时间较长，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸盐酒精废液等。四、建筑石膏的技术性质2凝结硬化时的膨胀性

建筑石膏凝结硬化是石膏吸收结晶水后的结晶过程，其体积不仅不会收缩，而且还稍有膨胀（0.2%～

1.5%），这种膨胀不会对石膏造成危害，还能使石膏的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥时的开裂。3硬化后的多孔性，重量轻，但强度低建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，常加入的水分要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化过程中由于水分的蒸发，使原来的充水部分空间形成孔隙，造成石膏内部的大量微孔，使其重量减轻，但是抗压强度也因此下降。通常石膏硬化后的表观密度约为８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3，抗压强度约为３ＭPa～5ＭPa。4良好的隔热和吸音和“呼吸”功能

石膏硬化体中大量的微孔，使其传热性显著下降，因此具有良好的绝热能力；石膏的大量微孔，特别是表面微孔对声音传导或反射的能力也显著下降，使其具有较强的吸声能力。大热容量和大的孔隙率及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。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，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，具有良好的防火效果。由于硬化石膏的强度来自于晶体粒子间的粘结力，遇水后粒子间连接点的粘结力可能被削弱。部分二水石膏溶解而产生局部溃散，所以建筑石膏硬化体的耐水性较差。

6良好的装饰性和可加工性石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。微孔结构使其脆性有所改善，硬度也较低，所以硬化石膏可锯、可刨、可钉。具有良好的可加工性。1石膏砂浆及粉刷石膏2建筑石膏制品：石膏板、石膏砌块等3制作建筑雕塑和模型五、建筑石膏的应用第三节水玻璃

水玻璃俗称泡花碱，由碱金属氧化物和二氧化硅组成，属可溶性的硅酸盐类。根据碱金属氧化物的不同，水玻璃有硅酸钠水玻璃（Na2O·ｎSiO2）硅酸钾水玻璃Ｋ2Ｏ·ｎSiO2）硅酸锂水玻璃（Ｌi2O·ｎSiO最常用的是硅酸钠水玻璃。根据水玻璃模数的不同，又分为:

“碱性”水玻璃（ｎ＜３)“中性”水玻璃（ｎ≥3）实际上中性水玻璃和碱性水玻璃的溶液都呈明显的碱性反应。生产水玻璃的方法湿法:将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅内用蒸汽加热直接反应生液体水玻璃。干法:将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉中于1300~1400˚C温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃。固体水玻璃于水中加热溶解而生成液体水玻璃。其反应式为：一、水玻璃的生产二、水玻璃的硬化液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸凝胶，并逐渐干燥而硬化：由于空气中CO2浓度较低，这个过程进行的很慢，为了加速硬化和提高硬化后的防水性，常加入氟硅酸钠Na2SiF6作为促硬剂，促使硅酸凝胶加速析出。氟硅酸钠的适宜用量为水玻璃重量的12％～15％。粘结力强耐酸性好耐热性高三、水玻璃的技术性质1用作涂料，涂刷材料表面四、水玻璃的应用2配制防水剂3加固土壤4配制水玻璃砂浆5配制耐酸砂浆、耐酸混凝土、耐热混凝土菱苦土是一种镁质胶凝材料。其主要成分是ＭgO。第四节菱苦土（氯氧镁水泥）菱苦土的主要原料是天然菱镁矿。其主要成分是ＭgCO3。菱苦土材料一般是将菱镁矿经煅烧磨细而制成的。要求的细度为4900孔/cm2的筛余量不大于25％:其化学反应可表示如下：一原料及生产二、菱苦土的水化、硬化

试验证明，用水调拌菱苦土时将生成Mg(OH)2，浆体凝结很慢，硬化后强度很低。若以氯化镁水溶液来调制ＭgO时，可以加速其水化反应，并且能形成新的水化产物。这种新的水化产物硬化后的强度较高（40～60ＭPa）。水化反应如下：

水化产物中x、y、z的大小与煅烧温度、MgCl2溶液用量、初始配比、养护条件有关。水化产物是针状结晶，彼此机械咬合，并相互连生、长大，形成致密的结构，使浆体凝结硬化。菱苦土与植物纤维能很好粘接，而且碱性较弱，不会腐蚀纤维。建筑工程中常用来配制菱苦土木屑浆和菱苦土木屑砂浆。前者可胶结为菱苦土木屑板，用于内墙、天花板和地面。也可压制成各种零件用作窗台板、门窗框、楼梯扶手等。后者掺加砂子可作为地坪耐磨面层。用膨胀珍珠岩代替木屑可制成轻质、阻燃型的室内装饰板材。以菱苦土为胶结料，以玻璃纤维为增强材料，添加改性剂，可制成管材产品。三菱苦土的应用青海大学东校门菱苦土装饰板1997菱苦土的不足之处是硬化后易吸潮反卤、耐水性差，其原因是硬化产物具有较高的溶解度，遇水会溶解。为提高耐水性，可采用外加剂，或改用硫酸镁作为拌合水溶液，降低吸湿性、改进耐水性。例3-1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。

解：

石灰砂浆抹面的墙面上出现不规则的网状裂纹，引发的原因很多，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凸出的呈放射状的裂纹，是由于配制石灰砂浆时所用的石灰中混入了过火石灰。这部分过火石灰在消解、陈伏阶段中未完全熟化，以致于在砂浆硬化后，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。例3-2既然石灰不耐水，为什么由它配制的灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位？解：石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中石灰与粘土表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅