土木工材料 第4章 气硬性胶凝材料

第四章气硬性凝胶材料第一节石膏第二节石灰第三节水玻璃1.胶凝材料定义

在土木工程材料中，经过一系列的物理、化学作用，能将散粒状（如砂、石子）或块状材料（如砖、石块等）粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。第四章气硬性凝胶材料2.胶凝材料分类胶凝材料无机胶凝材料有机胶凝材料气硬性胶凝材料水硬性胶凝材料无机胶凝材料则以无机化合物为基本成分。以天然的或合成的有机高分子化合物为基本成分，常用的有沥青、各种合成树脂等。如石膏、石灰、水玻璃如水泥第四章气硬性凝胶材料气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，且只能在空气中保持或发展其强度。水硬性胶凝材料不仅在空气中，而且能更好的在水中硬化，并保持、发展其强度。石灰水泥第四章气硬性凝胶材料石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。1.建筑石膏的原料1)天然二水石膏：又称软石膏、生石膏，主要成分为含有两个结晶水的硫酸钙（CaSO4·2H2O），是生产石膏胶凝材料的主要原料。2)天然无水石膏:

又称硬石膏，主要成分是无水硫酸钙（CaSO4），只可用于生产无水石膏水泥和高温煅烧石膏。3)化工石膏：

含有二水石膏的化工副产品及废渣，

如氟石膏、磷石膏和排烟脱硫石膏等。一、石膏凝胶材料的原料、生产及品种第一节石膏2.建筑石膏的生产

（二水石膏）

（β型半水石膏）

（二水石膏）

（α型半水石膏）一、石膏凝胶材料的原料、生产及品种第一节石膏生石膏天然石膏熟石膏建筑石膏一、石膏凝胶材料的原料、生产及品种第一节石膏

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：因为二水石膏溶解度仅为半水石膏的溶解度1/5，故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。二、半水石膏的水化与凝结硬化第一节石膏

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。

水化→结晶→凝结→晶体长大与互生→硬化二、半水石膏的水化与凝结硬化第一节石膏1.建筑石膏的主要特性1）凝结硬化快

建筑石膏的初凝时间不小于6min，终凝时间不大于30min，一星期左右完全硬化。由于凝结快，在实际工程使用时往往需要掺加适量缓凝剂，如可掺0.1％-0.2％的动物胶或1％亚硫酸盐酒精废液，也可掺0.1％-0.5％的硼砂等。2）硬化时体积微膨胀，装饰性好

一般膨胀0.5％-1.5％，这种微膨胀性可使硬化体表面光滑饱满，干燥时不开裂，且能使制品造型棱角很清晰，有利于制造复杂图案花型的石膏装饰件。三、建筑石膏的主要特性、技术要求和应用第一节石膏3）硬化后孔隙率高

石膏浆体硬化后，多余的自由水蒸发，内部留下大量孔隙，孔隙率可达50%-60%，密度较小，却使石膏制品具有导热系数大、吸声性强、吸湿性大、可调节室内的温度和湿度的特点。三、建筑石膏的主要特性、技术要求和应用第一节石膏4）防火性好

建筑石膏硬化后的主要成分是带有两个结晶水分子的二水石膏，当其遇火时，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汽幕，有效地阻止火的蔓延。制品厚度越大、防火性能越好。可调节室内湿度。三、建筑石膏的主要特性、技术要求和应用第一节石膏5）耐水性和抗冻性差

建筑石膏吸湿、吸水性大，故在潮湿环境中，建筑石膏晶体粒子间粘合力会被削弱，故软化系数小，长期浸水还会因二水石膏晶体溶解而引起溃散破坏，故耐水性差。在建筑石膏中加入适量水泥、粉煤灰、磨细的粒化高炉矿渣以及各种有机防水剂，可提高制品的耐水性。

另外，建筑石膏中的水分受冻结冰后会产生崩裂，故抗冻性差。

1)建筑石膏的等级及质量标准根据国标《建筑石膏》的规定，按抗折、抗压强度和细度指标分为为优等品、一等品和合格品。技术要求等级优等品一等品合格品抗折强度2.52.11.8抗压强度4.93.92.9细度(以0.2mm方孔筛筛余百分数计，不大于）5.010.015.0建筑石膏的质量指标三、建筑石膏的主要特性、技术要求和应用第一节石膏2.建筑石膏的技术要求及应用1.原料：

以碳酸钙为主要成分的天然岩石，常用的有石灰石，白云石等，其主要成分为CaCO3，次要成分为MgCO3

。2.生产工艺：一、石灰的原料及生产第二节石灰煅烧石灰石温度在900℃-1000℃左右时温度过高时温度过低时正火石灰欠烧石灰过烧石灰欠烧石灰中碳酸钙未完全分解，影响石灰的质量和产浆量；过烧石灰内部结构致密，CaO晶粒粗大，表面被一层玻璃釉状物包裹，与水反应极慢，会引起已硬化的石灰发生鼓包开裂破坏。一、石灰的原料及生产第二节石灰3.石灰种类1)按氧化镁的含量分为：

钙质建筑石灰和镁质建筑石灰2)按照加工方法分为：生石灰：石灰石煅烧成的白色或浅灰色疏松结构块状物，主要成分为CaO生石灰粉：由块状生石灰磨细而成。消石灰粉：将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分是Ca(OH)2。石灰膏（浆）：将块状生石灰用过量水（约为生石灰体积的3到4倍）消化，或将消石灰粉和水拌和，得到一定稠度的膏状物，主成分是Ca(OH)2和水。一、石灰的原料及生产第二节石灰产品名称物理状态有效成分主要用途生石灰灰白色块状物CaO+MgO生产其它石灰产品生石灰粉白色或灰白色粉末CaO+MgO生产石灰膏或硅酸盐制品消石灰粉白色粉末Ca(OH)2+Mg(OH)2制作石灰土、三合土、硅酸盐制品石灰浆白色浆体Ca(OH)2+Mg(OH)2抹面、砌筑不同石灰产品的状态、成分与用途一、石灰的原料及生产第二节石灰石灰石熟石灰粉生石灰粉石灰膏石灰乳煅烧加适量水熟化磨细加水为石灰质量的2.5-3倍沉淀除去表层多余水分块状生石灰一、石灰的原料及生产第二节石灰将生石灰加水，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”：

生石灰水化反应特点：反应可逆水化热大，水化速率快水化过程中体积增大二、石灰的熟化与硬化第二节石灰工程中熟化的方法有两种1)熟化为熟石灰粉：将生石灰块分层淋适量的水，使石灰充分熟化，又不会过湿成团，此时得到的产品就是熟石灰粉。2)熟化为石灰膏：将生石灰放入化灰池中，加大量的水，熟化成石灰膏。

熟化过程中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”。石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。二、石灰的熟化与硬化第二节石灰熟化为石灰膏：将生石灰放入水中，注意水要过量池中透明液体为氢氧化钙饱和溶液，下部沉淀即为熟石灰二、石灰的熟化与硬化第二节石灰石灰浆的硬化

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）石灰浆的干燥硬化（结晶作用）滞流在孔隙中的自由水蒸发或被周围环境吸收，使Ca(OH)2溶液饱和，析出结晶。2）石灰浆的碳化（碳化作用）氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙晶体。只有在有水的条件下才能进行。二、石灰的熟化与硬化第二节石灰1.石灰的主要特性1）可塑性好2）硬化缓慢3）硬化后强度低4）硬化时体积收缩大5）耐水性差

石灰硬化收缩产生的裂缝石灰砂浆墙面因受潮而脱落三、石灰的主要特性、技术要求及应用第二节石灰3.石灰的应用1)建筑室内粉刷三、石灰的主要特性、技术要求及应用第二节石灰2)拌制建筑砂浆三、石灰的主要特性、技术要求及应用第二节石灰

建筑物或道路基础中使用的石灰土，三合土(石灰、粘土、细砂)，二灰土（石灰、粉煤灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰、级配碎石）3)配置三合土和灰土用作铺筑步道砖的垫层用作土路面的基层三、石灰的主要特性、技术要求及应用第二节石灰4)加固含水软土基础

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，从而达到提高地基承载力的目的。三合土桩灰土桩三、石灰的主要特性、技术要求及应用第二节石灰蒸压灰砂砖蒸压加气砼砌块5)生石灰硅酸盐制品6)磨制生石灰粉三、石灰的主要特性、技术要求及应用第二节石灰石灰石熟石灰粉石灰乳煅烧加适量水熟化磨细加过量水进行陈伏加水稀释多用来拌制灰土和三合土用来拌制砌筑砂浆或抹面砂浆粉刷墙壁生石灰块石灰膏使用时可以不进行陈伏生石灰粉三、石灰的主要特性、技术要求及应用第二节石灰问题：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？答：(1)

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酸钙或水化铝酸钙，所以灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高，适于在潮湿环境中使用。

(2)

再者，由于石灰的可塑性好，与粘土等拌合后经压实或夯实，使灰土或三合土的密实度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大为减少。因此灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位。三、石灰的主要特性、技术要求及应用第二节石灰水玻璃俗称泡花碱，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（Na