土木工程材料(第5章 气硬性胶凝材料)

土木工程材料

朱凯(上海应用技术学院城建学院)第五章无机气硬性胶凝材料建筑上用来将散粒材料（如砂、石子）或块状材料（如砖、石块）粘结成为整体的材料，统称为胶凝材料。胶凝材料按其化学成分可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类，前者如水泥、石灰、石膏、菱苦土、水玻璃等，后者如沥青、有机高分子聚合物等。其中无机胶凝材料在建筑工程上应用更加广泛，用量也较大。无机胶凝材料按其硬化条件的不同又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料两大类。所谓气硬性胶凝材料是只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续提高强度的胶凝材料。如石灰、石膏。水玻璃、菱苦土等。所谓水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化保持并继续提高其强度的胶凝材料。如各种水泥。第一节建筑石膏建筑石膏及其制品具有轻质，高强，隔热，吸声，美观及易于加工等优点，因此用途广泛，是一种有发展前途的新型建筑材料之一。自然界中存在有天然的无水石膏CaSO4和二水石膏CaSO4·2H2O。在建筑工程中所使用的石膏是由天然二水石膏经过加工而成的半水石膏CaSO4·1/2H2O，又成熟石膏。天然二水石膏在加工时随温度和压力等条件的不同，会得到结构和性能不同的产物。

高强度石膏硬化后，密实度大，强度高，可用语建筑抹灰或者制成石膏制品，但成本高，建筑石膏生产方便，成本低，可在建筑工程中广泛大量使用。一石膏胶凝材料的生产生产方法：将原料（二水石膏）在不同压力和温度下煅烧、脱水，再经磨细而成的。在不同的煅烧条件下，所得产品的结构、性质、用途也各不相同。CaSO4·2H2O二水石膏β-CaSO4·1/2H2O（β型半水石膏）建筑石膏α-CaSO4·1/2H2O（α型半水石膏）高强石膏CaSO4Ⅲ

可溶性石膏CaSO4Ⅱ

不可溶性石膏CaSO4Ⅰ

高温煅烧石膏107~170℃125℃170~360℃400~750℃800℃加热、脱水0.13MP蒸压条件加热、脱水二

建筑石膏的水化与硬化

建筑石膏与适量水拌合后，能形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体的可塑性很快消失而发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。建筑石膏与水之间产生化学反应的反应式为：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。随着二水石膏沉淀的不断增加，就会产生结晶，结晶体的不断生成和长大，晶体颗粒之间便产生了磨擦力和粘结力，造成浆体的塑性开始下降，这一现象称为石膏的初凝；而后随着晶体颗粒间磨擦力和粘结力的增大，浆体的塑性很快下降，直至消失，这种现象为石膏的终凝。三建筑石膏的技术性质建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时间。并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GB9776-1988。（1）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。（2）硬化后的孔隙率大，重量轻，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。（3）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。（4）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）有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。（5）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。四建筑石膏的应用（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第二节建筑石灰一石灰的生产过程

天然碳酸岩类岩石——（石灰石、白云石）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。二石灰的消化石灰的熟化和“陈伏”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”：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”。第二种情况是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。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。三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：１.干燥作用：游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。２.碳化作用：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。四.建筑石灰的技术指标

建筑石灰的技术指标有细度、CaO+MgO含量、CO2含量和体积安定性等。并按技术指标分为优等品、一等品和合格品三个等级。具体技术要求见：

JC/T479-1992建筑生石灰(P67表4－4）、

JC/T480-1992建筑生石灰粉(P68表4－6）

JC/T481-1992建筑消石灰粉(P68表4－5）

钙质生石灰MgO≤5%；钙质消石灰粉MgO≤4%

镁质生石灰MgO﹥5%；镁质消石灰粉MgO﹥4%五

石灰的性质与应用1.性质(1)石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后的强度也不高。(2)受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会溃散。(3)硬化时体积收缩大(4)耐水性差，不易贮存2.应用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。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。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·ｎSiO2）等品种，最常用的是硅酸钠水玻璃。（ 称为水玻璃模数）根据水玻璃模数的不同，又分为“碱性”水玻璃（ｎ＜３和“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。一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％。26二

水玻璃的技术性质（１）粘结力强。水玻璃硬化后具有较高的粘结强度、抗拉强度和抗压强度。另外，水玻璃硬化析出的硅酸凝胶还有堵塞毛细孔隙而防止水分渗透的作用。（２）耐酸性好。硬化后的水玻璃，其主要成分是ＳiO2，具有高度的耐酸性能，能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用。但其不耐碱性介质侵蚀。（３）耐热性高水玻璃不燃烧，硬化后形成ＳiO2空间网状骨架，在高温下硅酸凝胶干燥得更加强烈，强度并不降低，甚至有所增加。27三水玻璃的应用（1）用作涂料，涂刷材料表面直接将液体水玻璃涂刷在建筑物表面，或涂刷粘土砖、硅酸盐制品、水泥混凝土等多孔材料，可使材料的密实度、强度、抗渗性、耐水性均得到提高。这是因为水玻璃与材料中的Ｃa（OH)2反应生成硅酸钙凝胶，填充了材料间孔隙。28同时硅酸钠本身硬化所析出的硅酸凝胶也有利于材料保护。选用不同的耐火填料，还可配制不同耐热度的水玻璃耐热涂料。反应式为：29（2）配制防水剂以水玻璃为基料，配制防水剂。例如：四矾防水剂是以蓝矾(硫酸铜)、明矾（钾铝矾）、红矾（重铬酸钾）和紫矾（铬矾）各１份，溶于60份的沸水中，降温至５０℃，投入400份水玻璃溶液中，搅拌均匀而成的。这种防水剂可以在1min内凝结,适用于堵塞漏洞、缝隙等局部抢修。（3）加固土壤将模数为２.５～３的液体水玻璃和氯化钙溶液通过金属管交替向地层压入，两种溶液发生化学反应，可析出吸水膨胀的硅酸胶体，包裹土壤颗粒并填充其空隙，阻止水分渗透并使土壤固结。用这种方法加固的砂土，抗压强度可达３～６ＭＰａ。（4）配制水玻璃砂浆。将水玻璃、矿渣粉、砂和氟硅酸钠按一定比例配合成砂浆,可用于修补墙体裂缝。（５）配制耐酸砂浆、耐酸混凝土、耐热混凝土用水玻璃作为胶凝材料，选择耐酸骨料，可配制满足耐酸工程要求的耐酸砂浆、耐酸混凝土。选择不同的耐热骨料，可配制不同耐热度的水玻璃耐热混凝土。例2-1根据石灰浆体的凝结硬化过程，试分析硬化石灰浆体有哪些特性？解石灰浆体在空气中凝结硬化过程，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，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。（２）碳化作用：氢化氧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：由于氢氧化钙结晶速度慢且结晶量少，空气中二氧化碳稀薄，碳化速度慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于二氧化碳的渗透和碳化作用的深入。因而硬化石灰浆体具有以下特性：（1）凝结硬化慢；（2）硬化后强度低；（3）硬化时体积收缩大；（4）耐水性差，因为硬化石灰浆体的主要成分是氢氧化钙，而氢氧化钙可微溶解于水。[评注]石灰浆体在空气中凝结硬化过程主要是依赖于浆体中Ca(OH)2的结晶析出和Ca(OH)2与空气中的二氧化碳的碳化作用。例2-2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