气硬性胶凝材料10

第2章

气硬性胶凝材料AirSetInorganicBinders湖北工业大学土木工程与建筑学院CivilEngineering&Architecture-HBUT※什么是胶凝材料定义：

经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的材料。特征：能在常温下凝结硬化为固体；有较强的胶结能力；具有一定的使用性能。※胶凝材料的种类有哪些按其化学组成：有机胶凝材料：沥青、树脂等。无机胶凝材料：水泥、石膏、石灰等。复合胶凝材料：牙齿水泥、酸－碱水泥。无机胶凝材料按其硬化条件：

气硬性胶凝材料石膏、石灰等；水硬性胶凝材料各种水泥等。※何谓气硬性胶凝材料、何特点气硬性胶凝材料

只能在空气中硬化且在空气中保持和发展其强度。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，保持并发展其强度。本章主要内容建筑石灰(Lime)建筑石膏(Calcinedgypsum)水玻璃(Waterglass)2.1石灰(lime)

石灰是使用最早的矿物胶凝材料之一。由于原料分布广泛，生产工艺简单，成本低廉，所以在建筑上历来应用很广。石灰要点化学组成与品种制备工艺熟化与陈伏凝结与硬化技术要求特性应用咏石灰【明】于谦千锤万击出深山，烈火焚烧若等闲。碎骨粉身全不怕，要留清白在人间。

---这时候还是石灰石。

---CaCO3=（高温）=CaO+CO2↑

---CaO+H2O=Ca(OH)2

---Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

一、石灰的化学组成与品种生产石灰的原料：

CaCO3为主要成分的天然岩石。如：石灰石、白垩等。石灰的化学组成及品种：生石灰：CaO；生石灰粉：CaO；熟(消)石灰粉：Ca(OH)2；石灰膏(浆)：Ca(OH)2＋H2O。二、石灰的制备工艺900-1000℃石灰石的热分解反应：

CaCO3

CaO＋CO2制备工艺流程：岩石粉磨消解生石灰块煅烧破碎生石灰粉消石灰制备工艺与产品石灰石900～1000C磨细生石灰粉生石灰水喷淋熟石灰粉(水)化灰池石灰浆浓缩石灰膏陈伏煅烧温度较低，时间较短时，

欠火石灰煅烧温度较高，时间较长时，过火石灰减轻或消除过火石灰的危害三、石灰的熟化与陈伏1、石灰的熟化生石灰与水反应生成Ca(OH)2的过程称为石灰的熟化或消化。生成物Ca(OH)2称为熟石灰或消石灰。CaO+H2O→Ca(OH)2+64.9KJ

石灰熟化反应的特点：水化速率快（煅烧良好的生石灰数秒完成水化）；水化热大；水化过程中体积膨胀（块状生石灰熟化时体积增大1.5～2倍。磨细生石灰或掺加石膏可减小其膨胀）。生石灰水化理论需水量32.1％，但为充分水化，实际加水量为70～100％。

煅烧过程中，由于块度、受热状态及煅烧时间的差异，不可避免地存在过火石灰和欠火石灰。欠火石灰煅烧温度不足或时间不足时，碳酸钙不能完全分解，即生石灰中含有石灰石。欠火石灰不能完全熟化，产浆量低。石灰利用率低。过火石灰煅烧温度过高或时间过长，部分块状石灰表层会被煅烧成十分致密的釉状物。过火石灰颜色较深，与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨胀而引起开裂。2、欠火石灰和过火石灰3、石灰的陈伏

为了避免过火石灰吸水熟化产生膨胀，造成已硬化的砂浆或制品隆起、开裂等质量事故，生石灰在使用前必须进行彻底的熟化（水化）。陈伏：为了消除过火石灰的危害，保持石灰膏表面有水（防碳化）的情况下，在贮灰池中放置2周以上，使过火石灰充分熟化这一过程。生石灰磨细后使用，则不需要“陈伏”。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：

(1)结晶作用：游离水分蒸发，Ca(OH)2逐渐从饱和溶液中结晶。

(2)碳化作用：

Ca(OH)2与空气中的CO2气体化合生成碳酸钙结晶，释出水分井被蒸发。

Ca(OH)2+CO2+nH2O＝CaCO3+(n+1)H2O碳化作用实际是CO2与水形成碳酸，然后与Ca(OH)2反应生成CaCO3。所以碳化作用不能在没有水分的全干状态下进行。

四、石灰的凝结与硬化石灰浆体氢氧化钙晶体碳酸钙晶体石灰凝胶体石灰碳化体水孔隙水分损失碳化结晶与碳化过程示意图五、建筑石灰的技术要求建筑石灰的技术指标有：CaO+MgO的含量：产生胶结性的主要成分。体积安定性：过火石灰细度：以0.9mm和0.125mm筛余百分率表示。CO2的含量生石灰产浆量未消化残渣量（未能消化留在５mm圆孔筛上的残渣百分率）。并按技术指标分为优等品、一等品和合格品。摘自：JC/T479-92建筑生石灰摘自JC480-1992建筑生石灰粉摘自JC/T481-92建筑消石灰粉六、建筑石灰的特性浆体的保水性和可塑性好

氢氧化钙粒子颗粒极细(粒径约为1μm)，比表面积大（达10～30m2/g），可吸附大量水，表面形成厚的水膜，使颗粒的摩擦减小。配成混合砂浆，可显著提高砂浆和易性。表观密度较小硬化时体积收缩大，浆体硬化过程中容易收缩开裂

硬化时大量水分蒸发，导致显著的体积收缩，使硬化石灰体产生裂纹。石灰浆不宜单独使用，施工时常掺入一定量的骨料(砂子)或纤维材料(麻刀、纸筋等)。凝结硬化慢（几周），强度较低（＜1MPa）

耐水性差，不宜用于潮湿环境

硬化石灰体中的Ca(OH)2

遇水溶解，会产生溃散。七、石灰的应用配制建筑砂浆和石灰乳配制三合土（石灰＋粘土＋砂）、石灰土（石灰＋粘土）作为其它建材制品的原料

如：硅酸盐制品、灰砂砖、碳化板等。配制无熟料水泥

石灰＋火山灰活性材料软土地基加固（石灰桩）制造静态破碎剂和膨胀剂※石灰的储存和运输块状生石灰：封闭严密的仓库内，存期不宜太长。熟石灰膏：可长期存放，表面用砂子或水覆盖与空气隔离。块状石灰运输：用带篷车或帆布盖好，防水淋熟化升温引起火灾。小结性质——石灰是气硬性胶凝材料，生石灰成分是CaO，熟(消)石灰成分是Ca(OH)2。生产方法——石灰石CaCO3在900～1000C下热分解得到生石灰，生石灰经水喷淋或“陈伏”得到熟(消)石灰。欠火石灰与过火石灰——欠火石灰：石灰煅烧温度不足或时间不足时，碳酸钙不能完全分解，即生石灰中含有石灰石；过火石灰：煅烧温度过高或时间过长，部分块状石灰表层会被煅烧成十分致密的釉状物，与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨胀而引起开裂。

陈伏——为了消除过火石灰的危害，保持石灰膏表面有水（防碳化）的情况下，在贮灰池中放置2周以上，使过火石灰充分熟化这一过程。凝结硬化机理——(1)结晶作用；(2)碳化作用。后者需在有水分的条件下才能进行。性能——浆体的保水性和可塑性好，表观密度较小，硬化时体积收缩大、容易收缩开裂，凝结硬化慢，强度较低，耐水性差。应用——配制建筑砂浆、石灰乳、三合土、石灰土，作为硅酸盐制品的原料，配制无熟料水泥，软土地基加固。2.2石膏(calcinedgypsum)石膏是一种传统的气硬性胶凝材料，公认的生态建材。石膏制品性能优良（洁白、细腻、质轻、耐火、隔音、绝热等），得到很快发展，其中发展最快的是纸面石膏板、纤维石膏板、建筑饰面板及隔音板等新型建筑材料。美国80%住宅用石膏板作内墙和吊顶。如芝加哥西尔斯大厦，总建筑面积10万m2，石膏板达73.3万m2，全部材料总质量60000吨。平均600kg/m2，为一般砖混结构的1/4。※历史碎片……9000年前，叙利亚和土耳其的安那托力亚就有石膏古迹；5000年前，埃及人就在敞开的火炉中煅烧石膏，然后破碎磨成粉末，再与水拌和制得用于金字塔建造中石块粘结材料——灰浆；372-287BC，古希腊人采用天然透明石膏（亚硒酸石膏）做神庙的窗户；古罗马人用石膏浇注了成千上万座古希腊的雕塑。十七世纪，法国巴黎的木质房的所有墙壁均用石膏灰浆（plaster）覆盖，以提高防火性能，因而，法国巴黎有“石膏的首都（capitalofplaster）之称。石膏灰浆又称为“PlasterofParis”它是半水硫酸钙(CaSO4½H2O)，二水硫酸钙(CaSO42H2O)称为gypsum

。我国石膏矿分布非常广泛石膏要点石膏的组成与结构石膏的生产建筑石膏的凝结与硬化建筑石膏的技术要求建筑石膏的特性建筑石膏的应用一、石膏的组成与结构石膏的矿物组成：

CaSO4·xH2OX为结晶水H2Ox＝0，硬石膏(无水石膏)x＝0.5，熟石膏(半水石膏)x＝2，生石膏(二水石膏)石膏胶凝材料(Gypsumbinder

)的组成：

CaSO4·0.5H2O或CaSO4

。石膏是晶体结构二水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌二、石膏的生产原料：天然二水石膏；天然无水石膏；工业副产物——磷石膏、氟石膏等。生产工序：

原料(破碎)脱水磨细生产(脱水)的工艺：非密闭煅烧(干燥空气中)：

密闭蒸练(湿的水蒸气)：不同工艺得到不同矿物组成的石膏胶凝材料天然石膏矿纤维状晶体★非密闭煅烧脱水工艺及其产品CaSO42H2O120~180C可溶无水石膏-半水石膏200~360C400~500

C难溶无水石膏500~750C不溶无水石膏★密闭蒸练工艺及其产品125~180C水蒸气-型半水石膏CaSO42H2O200~360C可溶无水石膏400~800C不溶无水石膏不溶无水石膏CaSO4(Ⅱ)800~1180C地板石膏CaSO4与CaO★生产工艺与产品的组成CaSO42H2O

120~180C干燥空气125~180C水蒸气-CaSO40.5H2O-CaSO40.5H2O-CaSO4(Ⅲ)可溶-CaSO4(Ⅲ)可溶200~360C200~360C400~800C400~800CCaSO4(Ⅱ)不溶800~1180CCaSO4(Ⅰ)不溶＋CaO非密闭煅烧工艺及其产品组成密闭蒸炼工艺及其产品组成三、建筑石膏的凝结硬化凝结硬化过程中的水化反应：

CaSO4·0.5H2O＋1.5H2OCaSO4·2H2O＋Q

即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应凝结硬化机理——“溶解－沉淀理论”

溶解

沉淀

硬化半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不断溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网※凝结硬化的物理化学过程

石膏浆体半水石膏颗粒二水石膏晶体石膏胶体石膏硬化体水孔隙半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子水化成二水石膏晶体。石膏胶凝材料储期不宜超过３月，石膏运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！

石膏的凝结硬化

※石膏凝结硬化的影响因素石膏的组成石膏浆体的用水量外加剂细度凝结硬化速度的排序：可溶性无水石膏＞半水石膏＞难溶性无水石膏＞不溶性无水石膏用水量越大，石膏晶体颗粒越大；凝结硬化所需时间增加一些无机盐(如硫酸钾)可以促进凝结硬化，而一些有机酸(如柠檬酸)可以延缓凝结硬化细度越细，凝结硬化越快。四、建筑石膏的技术要求■摘自GB9776－2008建筑石膏，2009-04-01实施6技术要求6.1组成建筑石膏组成中β半水硫酸钙（β-CaSO4·1/2H2O）的含量（质量分数）应不小于60.0%。6.2物理化学性能建筑石膏的物理力学性能应符合表2的要求。表2物理力学性能等级细度(0.2mm方孔筛筛余)/%凝结时间/min2h强度/MPa初凝终凝抗折抗压3.0≤10≥3≤30≥3.0≥6.02.0≥2.0≥4.01.6≥1.6≥3.06.3放射性核素限量工业副产建筑石膏的放射性核素限量应符合GB6566的要求。6.4限制成分工业副产建筑石膏中限制成分氧化钾(K2O)、氧化钠(Na2O)、氧化镁(MgO)、五氧化二磷(P2O5)和氟(F)的含量由供需双方商定。五、建筑石膏的特性孔隙率较大，强度较低，表观密度较小

半水石膏理论需水量18.6％，通常加水60～80％。硬化后，多余的水分蒸发，孔隙率约50～60％，故其表观密度较小（400～900kg/m3），质量轻，强度低（7d抗压约10MP，掺入纤维可增强）。凝结硬化快

常温完全水化仅需7～12min，数分钟初凝,30分钟内终凝,1周内完全硬化。掺适量缓凝剂可延长凝结时间，如0.1~0.5%硼砂、0.1~0.2%经石灰处理过的动物胶、1％亚硫酸废液等。体积微膨胀，可加工及装饰性好

建筑石膏硬化时膨胀率0.05~0.15%，使硬化体表面光滑饱满，棱角清晰（可作模具）；硬化体可锯、可钉、可刨，便于施工；制品细腻平整，色洁白，具有雅静感；有利于制造复杂图案花型石膏装饰件。隔热、吸声、可调节室内温湿度

建筑石膏制品孔隙率高，导热系数较小（0.121~0.205），热容量大，绝热能力好；吸声能力好，内部大量毛细孔隙对水分吸附性强，吸湿性强，干燥时放出水分。防火性良好

建筑石膏本身不燃，具有抵抗火焰靠近能力。当其遇火，二水石膏脱出结晶水，结晶水吸收热量蒸发时，在制品表面形成水蒸气幕，有效地阻止火的蔓延。制品厚度越大，防火性能越好。耐水性和抗冻性较差

软化系数为0.3~0.45，长期浸水还会因二水石膏晶体溶解而引起溃散破坏。吸水受冻会因孔中水结冰膨胀而崩裂。加入适量水泥、粉煤灰、磨细粒化高炉矿渣以及各种有机防水剂，可提高石膏制品的耐水性、抗冻性和强度。六、建筑石膏的应用建筑石膏是一种很好的绿色建材！应用中扬长避短，正确应用！建筑上的主要应用有：建筑石膏制品：各种板材：墙板、天花板等艺术装饰品粉刷石膏：墙面粉刷雕饰各种墙板德国一所教堂的外墙面雕饰室内墙面和天花板的雕饰纸面石膏板生产线小结性质——石膏是气硬性胶凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏CaSO40.5H2O;

生产方法——建筑石膏可用天然二水石膏或化学石膏在120~180C干燥下脱水制备；凝结硬化机理——“溶解—沉淀”理论，即通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化；性能——浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人体和环境无害。应用——各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。2.3水玻璃一、水玻璃简介

水玻璃俗称泡花碱，是碱金属硅酸盐的水溶液：

R2O·nSiO2+H2O其中R=Na＋、K＋水玻璃的模数

n:氧化硅SiO2与碱金属氧化物R2O的摩尔比。模数对水玻璃性能的影响模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好。二、水玻璃的分类按波美度和n分

水玻璃在溶液中的含量（或称浓度）常用密度或波美度（查表可得质量百分比）表示。土木工程常用水玻璃密度1.36~15g/cm3，相当于波美度38.4~48.30B/e。密度越大，水玻璃含量高，粘度越大。n愈大，水玻璃粘度愈大，愈难溶于水，但易硬化。同一模数的水玻璃，其浓度愈大，则粘结力愈强。按形状分（1）液体水玻璃建筑上常用的水玻璃是硅酸钠的水溶液，无色透明最好，含有杂质时呈淡黄色、青灰色、绿色粘稠液体。可稀释或加热。（2）固体水玻璃：块、粒状，或去除水的粉料。三、水玻璃的制备方法湿法

苛性钠R2O＋石英砂nSiO2+H2O（2～3atm压蒸）液体水玻璃干法纯碱Na2CO3＋石英砂nSiO21300～1400℃固体水玻璃

R2O＋nSiO2R2O·nSiO2

R2O·nSiO2+H2O液体水玻璃四、水玻璃的凝结硬化1、水玻璃硬化过程

水玻璃与空气中的CO2反应，生成无定型的硅酸凝胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成SiO2而硬化。2、硬化过程特点

硬化非常缓慢（由于空气中的CO2浓度低，故碳化和固化过程十分缓慢），强度低，体积收缩。可将水玻璃加热或常加入适量氟硅酸钠促硬剂加速硬化。※水玻璃硬化过程水玻璃溶液硅酸凝胶二氧化硅玻璃体R＋SiO4-4R＋R＋SiO4-4R＋R＋R＋R＋R＋H4SiO4H4SiO4H4SiO4H4SiO4R＋CO3＋SiO2SiO2SiO2SiO2R2CO3酸化脱水交联3、固化促硬剂——氟硅酸钠