第三章 气硬性胶凝材料

第三章气硬性胶凝材料序

2、胶凝材料按化学成分分类：有机胶凝材料

水硬性胶凝材料无机胶凝材料气硬性胶凝材料。胶凝材料1、胶凝材料：又称胶结材料，是指通过一系列的物理、化学作用后，由液体或膏状体变为坚硬的固体，同时将砂、石、砖、砌块等散粒或块状材料胶接成整体并具有一定机械强度的材料。3、气硬性胶凝材料：只能在空气中凝结、硬化、保持和发展强度的胶凝材料，如石灰、石膏、水玻璃及镁质胶凝材料（如菱苦土等）。4、水硬性胶凝材料：不仅能在空气中硬化，而且能更好的在水中凝结、硬化、保持和发展强度的胶凝材料，如硅酸盐水泥等。第一节石灰

石灰是建筑上使用最早的矿物胶凝材料之一。优点：①原料来源广泛，②生产工艺简单，③成本低廉，④胶接性能较好，至今仍广泛应用于建筑中。

缺点：①其生产过程中排出大量的二氧化碳气体，造成空气污染（每生产1吨建筑石灰，要排放出1.18吨CO2），②矿产资源的浪费和生态环境的破坏，所以从改善人文生存环境的角度及可持续发展的战略考虑，要给与科学管理和宏观调控。一、石灰的品种和生产

1、石灰的品种石灰是以碳酸钙为主要成分的岩石如石灰岩、贝壳石灰岩等，经适当煅烧而制得的块状材料，主要成分为氧化钙，其次为氧化镁。

石灰的分类加工方法生石灰（块灰）

生石灰粉（块灰粉碎、磨细生成）熟石灰粉（建筑消石灰粉）石灰膏钙质生石灰镁质生石灰氧化镁含量

石灰岩也称青石、灰石，因可烧制成石灰，故俗称石灰石

2.石灰的生产（1）化学反应式：高温煅烧碳酸钙时应尽可能分解并排出二氧化碳而主要得到氧化钙。其化学反应为：古诗为证

由于石灰石致密程度、杂质含量及块度大小的不同，以及煅烧中有热损失，实际煅烧温度在1000～1200℃，或者更高。700℃时，碳酸镁开始分解，反应如下（2）温度控制

a.煅烧温度是影响石灰品质的关键因素之一。煅烧温度应控制在1000度左右；

b.温度较低时，CaCO3尚未分解，表观密度大，产生不熟化的欠火石灰；石灰产量降低。

c.温度过高时，分解出来的CaO与原料中的SiO2和Al2O3等杂质熔结，产生熟化很慢的过火石灰。过火石灰如用于工程上，其细小颗粒会在已经硬化的砂浆中吸收水分，发生水化反应而体积膨胀，引起局部鼓泡或脱落，影响工程质量。品质好的石灰，煅烧均匀，易熟化，石灰膏产量高。二、石灰的熟化与硬化

1、石灰的熟化生石灰加水生成氢氧化钙的过程，称为石灰的熟化或消解过程。其反应式如下：石灰熟化时放出大量的热，其体积膨胀1~2.5倍，熟化后的产物氢氧化钙称为熟石灰或消石灰。生石灰熟化的方法有淋灰法和化灰法。

淋灰法：生石灰中均匀加入70%左右的水（理论值31.2%）便可得到颗粒细小、分散的熟石灰粉。工地上调制熟石灰粉时，每堆放半米高的生石灰块，淋60%-80%的水，再堆放再淋，使之成粉且不结块为止。化灰法：生石灰中加入适量的水（约为块灰质量的2.5～3倍），得到石灰乳浆体，石灰乳沉淀后除去表层多余水分后得到石灰膏。生石灰熟化：淋灰法石灰膏化灰池储灰池滤网排水口化灰法生石灰熟化流程图

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半个月以上，这一过程称为石灰的“陈伏”。“陈伏”期间，石灰浆表面应覆盖一层水，与空气隔绝，以免石灰浆表面碳化。

石灰砂浆的膨胀性裂缝该石灰的陈伏时间不够。数日后部分过火石灰在已硬化的石灰砂浆中熟化，体积膨胀，以致产生膨胀性裂纹。

2、石灰的硬化石灰的硬化包括三个同时进行的过程：（1）干燥硬化石灰浆体中形成有大量彼此相通的孔隙网，孔隙内自由水产生的毛细管压力使石灰粒子紧密连接，获得强度。强度值不高，遇水强度丧失。（2）结晶硬化石灰膏中的游离水分一部分蒸发掉，一部分被砌体吸收。由于饱和溶液中水分的减少，微溶于水的氢氧化钙以胶体析出，随着时间的增长，胶体逐渐变浓，部分氢氧化钙结晶，这样，晶体胶体逐渐结合成固体。遇水会引起强度降低。

（3）碳酸化硬化石灰膏体表面的氢氧化钙与空气中的二氧化碳作用，反应生成碳酸钙，不溶于水的碳酸钙由于水分的蒸发而逐渐结晶。反应式如下：

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状态下进行。上述硬化过程是同时进行的。在内部，对强度增长起主导作用的是结晶硬化。干燥硬化也起到一定的附加作用。碳化硬化进行的非常慢且放出较多的水，不利于干燥和结晶硬化。由于石灰的这种硬化机理，故它不宜用于长期处于潮湿或反复受潮的地方。掺入填充材料，如掺入砂子配成石灰砂浆，可减少收缩并加速硬化。加入纤维材料，麻刀或纸筋配成石灰麻刀灰或石灰纸筋灰可避免收缩裂缝。麻刀三、石灰的技术要求

生石灰（CaO）的质量以石灰中活性氧化钙和氧化镁含量高低、过火石灰和欠火石灰及其它杂质含量的多少作为主要指标来评价质量优劣。根据建材行业标准，建筑生石灰和建筑生石灰粉划分为三个等级，具体指标见表3-1和表3-2。建筑消石灰粉即熟石灰（氢氧化钙）按MgO的含量分为钙质消石灰粉(MgO含量不大于4%)、镁质消石灰粉(MgO含量在4%～24%)和白云石消石灰粉(MgO含量在25%～

30%)。熟化石灰粉的品质与有效物质和水分的相对含量及细度有关，颗粒越细，有效成分越多，品质越好。并按其技术要求分为优等品、一等品和合格品。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CaO+MgO含量(%，不小于)908580858075未消化残渣含量(5mm圆孔筛筛余)(%，不大于)5101551015CO2(%，不大于)5796810产浆量(L/kg，不小于）2.82.32.02.82.32.0表3-1生石灰主要技术指标(JC/T479—92)

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CaO+MgO含量(%，不小于）908580858075CO2含量(%，不大于）5796810细度0.90mm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表3-2建筑生石灰粉技术指标(JC/T480—92)四、石灰的技术性质和应用1.石灰的主要技术性质（1）良好的保水性：生石灰熟化为石灰浆时，氢氧化钙粒子呈胶体分散状态，颗粒极细，表面吸附较厚的水膜。数量很多，总表面积很大，这是它保水性良好的主要原因。将其掺入水泥砂浆中，配合成混合砂浆，客服了水泥砂浆容易泌水的缺点。（2）凝结硬化慢、强度低：由于空气中二氧化碳稀薄，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。同时，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。（3）吸湿性强：生石灰吸湿性强，保水性好，是传统的干燥剂。（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：石灰浆体未硬化前处于潮湿环境中会阻碍硬化；已硬化的石灰中Ca（OH）2易溶于水，可导致硬化的石灰溃散。（6）化学稳定性差：石灰为碱性材料，容易遭受酸性物质的腐蚀，长期处于潮湿空气中易“碳化”。2.石灰的应用（1）石灰膏可用来粉刷墙壁和配制石灰砂浆或水泥混合砂浆。石灰膏稀释为石灰乳可作内、外墙及顶棚的涂料；石灰膏掺入砂和水拌合成石灰砂浆，可用于墙面、顶棚的抹灰层，也可用作要求不高的砌筑砂浆；石灰膏掺入水泥砂浆中配成水泥混合砂浆，可提高水泥砂浆的保水性和砌筑、抹灰质量，节省水泥。（2）熟石灰粉用来配制灰土（熟石灰+黏土）和三合土（熟石灰+黏土+砂、石或炉渣等填料），常用的有三七灰土和四六灰土。（3）磨细生石灰粉：生产无熟料水泥、硅酸盐制品和碳化石灰板。(4)加固软土地基

在软土地基中打入生石灰桩，可以利用生石灰吸水产生膨胀对桩周土壤起挤密作用，利用生石灰和粘土矿物间产生的胶凝反应使周围的土固结，从而达到地基承载力的目的

石灰应在干燥的环境下储存和保管，防止石灰受潮或遇水后水化，甚至由于熟化热量集中放出而发生火灾。石灰的存放期一般不超过一个月，最好是随生产随用。石灰砂浆抹灰灰土筑路第二节石膏

我国的石膏资源极其丰富，分布很广。有自然界存在的天然二水石膏(CaSO4·2H2O，又称软石膏或生石膏)、天然无水石膏(CaSO4，又称硬石膏)和各种工业副产品或废料——化学石膏。它们都可作为生产石膏胶凝材料的原料。石膏及石膏制品的优点：轻质、高强、隔热、吸声、易于加工。特别是近年来框架轻板结构在建筑中得到广泛应用，作为轻质板材主要品种之一的石膏板受到了普遍重视，生产和应用都得到迅速发展。第二节石膏一、石膏的生产和品种石膏胶凝材料的生产，通常是用天然二水石膏经低温煅烧、脱水、磨细而成。天然二水石膏出自天然石膏矿，主要成分为CaSO4·2H2O，质地较软，也称为软石膏。二水石膏在不同的压力和温度下煅烧，可以得到结构和性质不同的石膏产品。

1.建筑石膏和模型石膏将天然的二水石膏（生石膏）加热，温度为：65-75℃时，开始脱水，至110-170℃时，脱去部分结晶水，生成半水石膏（熟石膏），其反应式如下：

上述常压下的建筑石膏称为β型石膏，其中杂质含量少、颜色洁白、磨得更细的称模型石膏。

是建筑装饰制品的主要原料。

建筑石膏的性质和用途：建筑石膏呈白色粉末状，主要用于装修、砌筑，如石膏板，砌砖等。

2.高强度石膏

二水石膏在0.13MPa压力的蒸压锅内蒸炼(温度124℃)脱水，可制得α型半水石膏：（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，结晶颗粒粗大，比表面积较小，调成可塑浆体时需水量（35%～45%）只有建筑石膏的一半，硬化后密实度和强度较高，因此又称为高强度石膏。高强度石膏的应用：室内抹灰，制作装饰品和石膏板。

3.硬石膏当加热温度超过170℃时，可生成无水石膏（硬石膏），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。石膏品种很多，在建筑中均有应用，用量最多、用途最广的是建筑石膏。二、石膏的凝结和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：

凝结硬化过程的机理：半水石膏遇水生成不稳定的过饱和溶液，溶液中的半水石膏经过水化成为二水石膏。因为二水石膏溶解度（20℃为2.05g/L）比半水石膏的溶解度（20℃为8.16g/L）小得多，二水石膏溶液很快达到过饱和以胶体微粒自水中析出并转化为晶体。二水石膏的析出破坏了原来半水石膏溶解的平衡状态，以补偿二水石膏析出在液相中减少的硫酸钙含量。

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。石膏终凝后，其晶体颗粒仍在不断长大和连生，形成相互交错且孔隙率逐渐减小的结构，其强度也会不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化后的石膏结构，这一过程称为石膏的硬化。石膏浆体的凝结和硬化，实际上是交叉进行的。三、石膏的技术要求

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。具体技术要求如下。指标优等品一等品合格品细度（孔径0.2mm的筛，筛余量不超过）%5.010.015.0抗折强度（烘干至质量恒定后不小于）MPa

2.52.11.8抗压强度（烘干至质量恒定后不小于）MPa

4.93.92.9凝结时间min.初凝不早于6终凝不迟于30四、石膏的性质与石灰等胶凝材料相比，石膏有以下性质特点：

1.凝结硬化快：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6min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.孔隙率大，表观密度小，保温、吸声性能好：在施工中，为了使石膏具有必要的可塑性，通常加入比理论值较多（3～4倍）的水，硬化后，由于多余水分蒸发，使原来的充水部分空间形成孔隙，内部孔隙率很大，强度低，而保温、隔热、吸声性能较好，可以作为轻质隔板。吸声、调节室内湿度、温度，创造良好的工作生活环境。

3.具有一定的调湿调温性：由于多孔结构的特点，石膏制品的热容量大、吸湿性强，当室内温湿度变化时，由于制品的“呼吸”作用，使环境温度、湿度得到一定的调节。

4.耐水性、抗冻性差：由于建筑石膏硬化后孔隙大，二水石膏又微融于水，具有很强的吸湿和吸水性，如果处在潮湿环境中，晶体间的粘结力削弱，强度显著降低，遇水溶解而破坏。所以石膏及其制品的耐水性和抗冻性较差，不宜用于潮湿环境中。

5.凝固时体积微膨胀：大多数胶凝材料硬化后体积收缩，但是石膏硬化后体积膨胀。其膨胀率约为0.05%～0.15%。这一特性使得石膏制品在硬化过程中不会产生裂缝，造型棱角清晰饱满，宜作为建筑装饰件建筑艺术配件。石膏的“呼吸”功能，是对它的吸湿解潮行为的一种形象描述。由于纸面石膏板是一种存在大量微孔结构的板材，放在自然环境中，其多孔体的不断吸湿与解潮的变化，即“呼吸”作用，维持着动态平衡。它的质量随环境温湿度的变化而变化。温度越高，湿度越小，纸面石膏板的质量变轻；温度低，湿度大，纸面石膏板质量增加。这种“呼吸”功能的最大特点，是能够调节居住及工作环境的湿度，创造一个舒适的气候环境

6.防火性好，耐火性差：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。但建筑石膏不宜长期在65℃以上的高温部位使用，以免二水石膏缓慢脱水分解而降低强度。五、石膏的应用不同品种的石膏性质各异，用途也不一样。二水石膏可以作为石膏工业的原料，水泥的调节剂等；煅烧的硬石膏可用来浇注地板和制造人造大理石，也可做水泥的原料。建筑石膏的应用:1.室内抹灰及粉刷建筑石膏加砂、缓凝剂和水拌和成石膏砂浆，用于室内抹灰和粉刷，其表面光滑、细腻、洁白、美观。这种抹灰墙具有绝热、阻火、吸声及施工方便、凝结硬化快、粘结牢固等特点，为室内高级粉刷和抹灰材料。石膏砂浆也作为腻子，填平墙面的凹凸不平。2.石膏板以模型石膏为主要原料，掺加少量纤维增强材料和胶料，加水搅拌成石膏浆体，浆体注入各种模具中，可获得花样、形状不同的石膏装饰制品。主要指各种石膏装饰板，具有色彩鲜艳、品种多样、造型美观、轻质、隔热保温、吸声、不燃以及施工方便等优点，是公共建筑物和顶棚常用的装饰制品。（1）普通纸面石膏板

组成：芯材（建筑石膏为主+纤维和外加剂）+护面纸（护面纸板主要起提高板材抗弯、抗冲击的作用。）

特点：普通纸面石膏板具有质轻、保温、防火、吸声、抗冲击，调节室内温度湿度等性能，可锯、可钉、可钻，并可以用钉子、螺栓和石膏为基材的粘结剂粘结。应用：普通纸面石膏板主要适用于室内隔断和吊顶，而且要求环境干燥。不适用于厨房、卫生间以及空气相对湿度大于70%的潮湿环境。（2）装饰石膏板

组成：建筑石膏为主+适量的纤维增强材料和外加剂，经过搅拌、浇注、干燥而成的不带护面纸的板材。应用：装饰石膏板不需作饰面处理。可以用于宾馆、商场、音乐厅、会议室、幼儿园、住宅等建筑的墙面和吊顶装饰。

（3）石膏空心条板组成：建筑石膏为主+适量的纤维材料（如无碱玻璃纤维）和轻质填料以及外加剂，以提高板的抗折强度和减轻重量。规格：（2400-3000）mmx600mmx60mm,(2400-3000)mmx600mmx90mm,孔间距离大于21mm,孔与板面见间的厚度大于11mm，孔洞率30%-40%，孔数7-9个。特点及应用：这种板不用纸和粘结剂，也不用龙骨，是一种有发展前景的轻板，对室内温度和湿度有一定的调节作用。主要用于隔墙。

（4）吸声用穿孔石膏板组成：是以穿孔的装饰石膏板或者纸面石膏板为基板，与吸声材料组和而成的石膏板。用途：吸声用穿孔石膏板主要用于音乐厅、会议室以及对音质要求高的或对噪音限制较严的场所，作为吊顶、墙面等等吸声装饰材料。饰面不再处理的，其基板应选装饰石膏板，需要处理的可其基板可以选用纸面石膏板。

（5）耐水纸面石膏板组成：芯材（建筑石膏板为主+耐水外加剂）+与耐水的护面纸牢固粘接在一起的轻质建筑材料。用途：厨房、卫生间等潮湿环境的装饰，其表面需要护面处理。

（6）耐火纸面石膏板组成：芯材（建筑石膏+适量的无机耐火纤维增强材料）+与护面纸（牢固粘结在一起的耐火轻质建筑材料。）用途：防火等级要求高的建筑物的装饰材料，如电影院、体育馆、幼儿园、商场、娱乐场所及其通道、楼梯间、电梯等的吊顶、墙面、隔断等。

石膏还可用来生产各种浮雕和装饰品。如浮雕饰线、艺术灯圈、角花等等。六、石膏的验收和储运包装：建筑石膏一般采用纸袋，可用具有防潮、不易破损的纸袋和其它符合包装袋包装，包装袋上应清楚标明产品标记、制造厂名、生产批号、日期、质量等级、商标、防潮标志；运输和储存：防潮、不得混入杂物，不同等级的应分别储运，不得混杂；储存期为三个月。三个月后，重新进行质量检查，以确定等级。

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如何区分生石灰粉、熟石灰粉、白水泥、建筑石膏粉？

生石灰加水后大量发热,会把水烧开,生成熟石灰(氢氧化钙),熟石灰加水会放出少量热,不明显,干燥后仍然是粉末,或是很疏松的块状,白水泥加水后没有什么现象,但干后会凝固成坚硬的块状物.建筑石膏加水后也没有什么现象,但干后会凝固,但不是很硬第三节水玻璃

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。一、水玻璃的生产

生产水玻璃的方法分为湿法和干法两种。（1）湿法生产硅酸水玻璃是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。其反应式如下：

（2）干法生产硅酸钠水玻璃是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉中于1400～1500˚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：

通常水玻璃成品分三类：固体水玻璃、液体水玻璃、含化合水的水玻璃。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％。

如果掺量少于12%，凝结硬化慢，强度低，存在未硬化的水玻璃，遇水后残余水玻璃溶解；掺量超过15%，凝结硬化过快，影响施工，水泥早期强度高而后期强度降低。影响水玻璃凝结硬化的因素：模数、密度、温度和湿度。模数高，密度小，温度高，密度小时，水玻璃凝结硬化较快。三、水玻璃的性质水玻璃硬化后，变为以SiO2为主要成分的人造石材，具有SiO2的许多优良的性质。

1.强度高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