无机胶凝材料项目化教程-石灰及其他气硬性胶凝材料

《无机胶凝材料项目化教程》主讲：李子成模块二气硬性胶凝材料

项目二石灰1概述2石灰的原料3石灰石的锻烧及石灰的结构特性4石灰的水化反应5石灰在水作用下的分散与浆体结构形成过程6石灰浆体的硬化7石灰的应用1石灰概述石灰（CaO）的分类根据使用性质分为（主要由粘土杂质造成）：

气硬性石灰水硬性石灰（含水硬性活性物质）根据成品加工方法分为（注意成分不同）：

块状生石灰生石灰粉消石灰粉石灰浆根据消化速度的快慢：（1）快速消化石灰：消化速度在l0min以内；（2）中速消化石灰：消化速度在10~30min之间；（3）慢速消化石灰：消化速度在30min以上。

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石灰的原料制造石灰的原料是含碳酸钙(CaCO3)为主的天然岩石，即石灰石等。

2石灰的原料天然原料:石灰石,方解石、大理石（纯度高）、贝壳、珍珠、蛋壳、白垩等工业副产品：电石渣、制碱残渣生石灰的生产生石灰也称建筑石灰。原料有天然原料（石灰岩和白云岩）和化工副产品（电石渣，CaCO3）根据煅烧程度可分为欠火石灰、正火石灰、过火石灰。900℃CaCO3==CaO+CO2生石灰正火石灰：正常温度和煅烧时间所煅烧的石灰具有多孔结构，内部孔隙率大，表观密度较小，晶粒细小，与水反应迅速，这种石灰称为正火石灰。欠火石灰：若煅烧温度低或时间短时，石灰石的表层部分可能为正火石灰，而内部会有未分解的石灰石核心；其石灰石核不能水化。过火石灰：若煅烧温度过高或高温持续时间过长，则会因高温烧结收缩而使石灰内部孔隙率减少，体积收缩，晶粒变得粗大，这种石灰称为过火石灰；其结构较致密，与水反应时速度很慢，往往需要很长时间才能产生明显的水化效果。石灰石中常含有一定量的碳酸镁（MgCO3）：MgO：结构致密和水化速度很慢。按氧化镁含量的多少，建筑石灰可分为钙质和镁质两类。当石灰中MgO含量小于或等于5％时，称钙质石灰；当MgO含量大于5％时，称为镁质石灰。3

石灰石的锻烧及石灰的结构特性石灰是石灰石在锻烧过程中，由碳酸钙分解而成。其反应式如下：CaCO3+178kJ/mol→CaO+CO2一、碳酸钙的分解反应一、碳酸钙的分解反应表2-2得出：碳酸钙在550oC时已开始分解，此时，由于分解压力很低，反应很容易达到平衡，因此碳酸钙的分解速度很小。800-850oC时分解加快，到898oC时，分解压力达到0.1Mpa，该温度为分解温度。续提高温度，分解速率继续加快。

分解反应是可逆的二、碳酸钙的分解设备立窑二、碳酸钙的分解温度工业上为提高效率，提高石灰石产量，往往采用高于理论分解温度的温度进行煅烧。一般石灰石的煅烧温度波动在1000-1200oC之间。影响碳酸钙煅烧温度的因素：致密程度：石灰石越致密，煅烧温度越高；料块大小：小块的石灰石煅烧得快；料块形状：球状、立方形、柱状、片状依次分解速率减慢；杂质：粘土杂质中的二氧化硅与CaO反应生成C2S、CA、C2F，这些化合物可使石灰石分解温度下降（主动降低）。

菱镁矿（MgCO3）杂质：在保证CaCO3分解完全前提下，降低煅烧温度（被动降低）。四、氧化钙的活性和结构的关系（重点）碳酸钙加热分解的三个阶段（D.R.格拉森试验）碳酸钙的分解，形成具有碳酸钙晶格形态的氧化钙，称为亚稳氧化钙，内比表面积逐渐增加；亚稳的氧化钙再结晶，形成面心立方体氧化钙晶体，这时内比表面积达到最高点，CaO具有最高活性；再结晶的氧化钙烧结，烧结过程伴随晶体长大，这时内比表面积降低，CaO活性降低。

由内比表面积分析碳酸钙加热分解的三个阶段真空下煅烧碳酸钙，内比表面积开始快速增大，5h后达到最大内比表面积，继续煅烧内比表面积减小。空气中煅烧碳酸钙，内比表面积的变化具有类似的规律，煅烧温度越高，内比表面积越小，得到的CaO活性越小。由晶格结构分析碳酸钙加热分解的三个阶段CaCO3中CO32-分解出CO2，Ca2+和O2-仍停留在CaCO3原来位置上，形成假晶氧化钙；Ca2+和O2-化合形成面心立方体结构的CaO，即假晶氧化钙再结晶；CaO晶体的烧结，晶粒长大。4石灰的水化反应（重点）一、石灰的水化反应过程及影响因素石灰的水化反应（可逆反应）

石灰与水作用后，迅速发生化学反应而生成氢氧化钙的过程，即石灰的水化反应，亦称为“消化”、“熟化”。CaO+H2OCa(OH)2+64.9kJ

石灰水化反应的条件

石灰水化是可逆反应，反应的方向取决于温度及周围介质中水蒸气压力。

生石灰消化后产物尚不明确。生石灰用过量的水形成石灰膏。石灰、生石灰消石灰、熟石灰、石灰膏、石灰浆影响石灰水化反应的因素煅烧条件对石灰水化反应能力的影响含有一定量"欠烧"的石灰，具有较大的内比表面积，CaO晶粒较小，其水化反应能力比含有一定量"过烧"石灰的水化反应能力大。正常煅烧过烧CaCO32.水化温度对石灰水化反应能力的影响石灰水化反应速度随着水化温度的提高而显著增加3.外加剂对石灰水化反应能力的影响

加快水化的外加剂：氯盐(NaCl、CaCl2等)延缓水化的外加剂：磷酸盐、草酸盐、硫酸盐和碳酸盐等

控制石灰水化时体积变化的措施：石灰细度水灰比介质温度石膏掺合料为什么？三、石灰的消化方法消石灰粉：人工、机械石灰浆：陈伏2周以上陈伏：为保证石灰完全熟化，石灰必须放入坑中以水覆盖保存两星期以上，这个过程称为“陈伏”。否则，未水化的石灰颗粒将混砂浆中，在砂浆应用之后熟化，体积膨胀，致使已硬化的砂浆产生“崩裂”或“鼓包”现象，影响工程质量。石灰主要产品生石灰粉：由块状生石灰磨细生成。消石灰粉：将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为Ca(OH)2。石灰膏：将块状石灰石用过量水（约为生石灰体积的3～4倍）消化所得的膏状物即为石灰膏，其主要成分为Ca(OH)2和水。石灰膏中的水分约占50%，容重为1300～1400kg/m3。lkg生石灰可熟化成1.5kg～3kg石灰膏。重点内容回顾石灰水化特点控制石灰水化时体积变化的措施石灰的硬化干燥：石灰浆内多余水分蒸发或被砌体吸收；结晶：Ca（OH）2从饱和溶液中析出，晶体互相交叉连生，从而提高强度。（结晶硬化）碳化：Ca（OH）2空气中的CO2发生化学反应，形成CaCO3使石灰的强度逐渐提高。（碳化硬化）

Ca（OH）2+CO2+nH2O

CaCO3+(n+1)H2O

由于空气中的二氧化碳量少，碳化不充分，且缓慢。石灰的特性1.可塑性和保水性较好。高度分散的Ca(OH)2胶体表面吸附较厚水膜。2.生石灰水化时水化热大，体积增大（增大1.0～2.5倍）。石灰的“熟化”或“消化”

过火石灰：硬化后慢慢水化膨胀→局部隆起和开裂→需“预水化”（陈状）二周左右。

陈伏：为保证石灰完全熟化，石灰必须放入坑中以水覆盖保存两星期以上，这个过程称为“陈伏”。否则，未水化的石灰颗粒将混砂浆中，在砂浆应用之后熟化，体积膨胀，致使已硬化的砂浆产生“崩裂”或“鼓包”现象，影响工程质量。3.硬化缓慢。石灰浆的硬化过程：结晶作用，干燥作用。水分蒸发，Ca(OH)2逐渐结晶析出。碳化作用。表层以CaCO3为主，内层以Ca(OH)2晶体为主，内部水分脱出缓慢，因而石灰凝结硬化缓慢。4.硬化时体积收缩大。

游离水分蒸发所致。除调成石灰乳做薄层粉刷外，不宜单独使用。施工时常加入骨料或纤维材料（如麻刀、纸筋）。6.耐水性差。大部分尚未碳化的Ca(OH)2易溶于水所制。石灰不宜用于潮湿环境。7.吸湿性强，是传统的干燥剂。5.硬化后强度低。生石灰消化理论需水量32.13%，实际消化用水量很大，多余水分在硬化后蒸发留下大量孔隙。1:3石灰砂浆28d抗压强度只有0.2~0.5MPa。5石灰在水作用下的分散与浆体结构形成过程（自学）6石灰浆体的硬化（自学）7石灰的技术指标及应用（重点）石灰检测及应用的技术标准JC/T479-92《建筑生石灰》JC/T480-92《建筑生石灰粉》JC/T481-92《建筑消石灰粉》JC/T620-2009《石灰取样方法》蒸压灰砂砖，蒸压加气混凝土，粉煤灰砖，砌块等用生石灰还应满足JC/T621-2009《硅酸盐建筑制品用生石灰》；桥涵用石灰技术标准应满足建筑石灰技术要求；路面基层用石灰技术标准应满足JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范要求》。石灰的技术要求1.建筑生石灰产品标准：《建筑生石灰》（JC/T479-92）钙质生石灰（MgO≤5%），镁质生石灰（MgO＞5%）。建筑生石灰的技术指标项目钙质生石灰

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≥，（%）908580858075CO2含量≤，（%）5796810未消解残渣含量（5mm圆孔筛余）≤，（%）5101551015产浆量≥，（L/kg）2.82.32.02.82.32.02.建筑生石灰粉

产品标准：《建筑生石灰粉》（JC/T480-92）；分类：钙质生石灰粉（MgO≤5%），镁质生石灰粉（MgO＞5%）。建筑生石灰粉的技术指标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CaO+MgO含量≥,（%）

858070807570CO2含量≤,（%）791181012细度0.90mm筛的筛余≤,（%）0.20.51.50.20.51.50.125mm筛的筛余≤,（%）7.012.018.07.012.018.03.建筑消石灰粉

产品标准：《建筑消石灰粉》（JC/T481-92）；分类：钙质消石灰粉（MgO＜4%），镁质消石灰粉（4%≤MgO＜24%），白云石消石灰粉（24%≤MgO＜30%）。建筑消石灰粉的技术指标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CaO+MgO含量≥,（%）706560656055656055游离水（%）0.4~2体积安定性合格合格—合格合格—合格合格—细度0.90mm筛的筛余≤,(%)000.5000.5000.50.125mm筛的筛余≤,(%)3101531015310154.石灰取样

产品标准：《石灰取样方法》（

JC/T

620-2009）；取样工具：取样管，取样铲，普通尖头钢锹。取样地点：生产厂内，或供需双方协定地点。取样部位：出料口，仓库，其他部位。取样量

生石灰或消石灰粉取样：散装（或袋装）用取样管取样，随机抽取10袋（或10个点）；输送口及包装机口用取样铲取样，每袋（或每个点）取样量不少于500g；总量不少于5kg。

生石灰块取样：堆场、仓库、车船等用普通尖头钢锹取样；输送口及包装机口用取样铲取样，随机抽取12份，每份不少于2kg，总量不少于24kg。5.硅酸盐建筑制品用生石灰

产品标准：《硅酸盐建筑制品用生石灰》JC/T621-2009本标准主要适用于蒸压加气混凝土(以下简称加气混凝土)、蒸压灰砂砖(以下简称灰砂砖)、粉煤灰砖及粉煤灰砌块等硅酸盐建筑制品用的生石灰。硅酸盐建筑制品用生石灰技术指标6.公路路面基层施工技术规范要求产品标准：《公路路面基层施工技术规范要求》JTJ034-2000公路路面基层施工技术规范要求石灰的应用石灰的应用品种适用范围生石灰配置石灰膏；磨细成生石灰粉。生石灰粉（磨细生石灰粉）调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆；配置无熟料水泥（石灰矿渣水泥、石灰粉煤灰水泥、石灰火山灰水泥等）；制作硅酸盐制品（如灰砂砖等）；制作碳化制品（如碳化石灰空心板）；石灰土（灰土）和三合土。消石灰粉制作硅酸盐制品；石灰土和三合土。石灰膏调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆；稀释成石灰乳（石灰水）涂料。石灰乳用于内墙和平顶刷白抹面砂浆。（1）

灰土＝石灰(消石灰粉)＋粘土（2）三合土＝石灰＋粘土＋砂（3）四合土＝石灰＋粘土＋砂＋石（4）二灰结石

＝

石灰＋粉煤灰＋砂＋石1.制作石灰乳涂料石灰乳由消石灰粉或消石灰浆掺大量水调制而成。可用于建筑室内墙面和顶棚粉刷。掺入107胶或少量水泥粒化高炉矿渣(或粉煤灰)，可提高粉刷层的防水性；掺入各种色彩的耐碱材料，可获得更好的装饰效果。2.配制砂浆

石灰浆和消石灰粉可以单独或与水泥一起配制成砂浆，前者称石灰砂浆，后者称混合砂浆，用于墙体的砌筑和抹面。为了克服石灰浆收缩性大的缺点，配制时常要加入纸筋等纤维质材料。项目三镁质胶凝材料菱苦土是一种白色或浅黄色的粉末，其主要成分是氧化镁（MgO）菱苦土作为胶凝材料与石灰的原理不同，石灰的最终反应化学原理是Ca(OH)2→CaCO3生成物要求是CaCO3,而菱苦土的反应生成物是Mg(OH)2。镁质胶凝材料——菱苦土菱苦土的生产原料苛性苦土(MgCO3)：菱镁矿苛性白云石CaMg(CO3)2

蛇纹石(含水硅酸镁)冶炼镁合金的熔渣(MgO含量>25%)菱苦土的生产镁质胶凝材料是将菱镁矿或白云石经煅烧、磨细而制成。煅烧的菱苦土为白色或浅黄色粉末。苛性白云石为白色粉末。联系石灰理解菱苦土过烧MgO的危害？菱苦土的水化硬化一般与MgCl2溶液按一定比例混合，硬化快，强度高。但吸湿性强，耐水性差。形成的水化产物主要为氯氧化镁和氢氧化镁。特点氯化镁溶液（密度为1.2g/cm3）的掺量一般为菱苦土的55%～60%。掺量太大则凝结速度过快，且收缩大、强度低。掺量过少，则硬化太慢、强度也低。此外，温度对凝结硬化很敏感，氯化镁掺量可作适当调整。使用菱苦土用水拌和时，将生成Mg(OH)2，它疏松而无胶凝性，硬化慢且强度低。故常用MgCl2等盐类水溶液拌和，配成氯氧镁水泥，它硬化较快，强度较高，应用最广。菱苦土的应用生产木屑地板、木丝板、刨花板等。菱苦土板材用于机械包装材料，可以节约大量木材。与木屑制备菱镁混凝土，配入竹筋等制成混凝土构件，作包装箱板、建筑门窗、活动房等。只能用于干燥状态下，而不能受潮、遇水或酸性介质侵蚀的部位。玻璃纤维增强氯氧镁水泥，作瓦和板材等。项目四水玻璃水玻璃俗称为泡花碱，是一种易溶于水的碱金属硅酸盐，最常用的是硅酸钠和硅酸钾两种——R2O•nSiO2。也可将二者按比例混合，又叫混合水玻璃。硅酸盐大多不溶于水，但是水玻璃除外。水玻璃分类1.按模数大小：高模数水玻璃和低模数水玻璃2.按碱金属氧化物：钾水玻璃、钠水玻璃和混合水玻璃；3.按融制时的原料，特别是碱金属氧化物原料：纯碱（碳酸盐）水玻璃和硫酸钠水玻璃；4.改性水玻璃：掺有外加剂的水玻璃；5.按水玻璃中二氧化硅含量多少，有中性和碱性水玻璃——水解后都为碱性。水玻璃

水玻璃的组成水玻璃是由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。

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。水玻璃模数水玻璃的生产生产水玻璃的方法分为湿法和干法两种。

湿法：R2O＋nSiO2+H2O水玻璃干法：R2O＋nSiO2R2O·nSiO2

R2O·nSiO2+H2O水玻璃水玻璃的硬化水玻璃与空气中的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。为了加速水玻璃的硬化，可加热或掺入12%~15%的促硬剂氟硅酸钠。水玻璃的性质水玻璃在凝结硬化后，具有以下特性：

A.黏结力强、强度较高------水玻璃在硬化后，其主要成分为二氧化硅凝胶和氧化硅，因而具有较高的黏结力和强度。B.耐酸性好------由于水玻璃硬化后的主要成分为二氧化硅，它可以抵抗除氢氟酸、过热磷酸以外的几乎所有的无机和有机酸。C.耐热性好------硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降不大。D.耐碱性和耐水性差------水玻璃在加入氟硅酸钠后仍不能完全硬化，仍然有一定量的水玻璃Na2O·nSiO2。由于SiO2和Na2O·nSiO2均可以溶于碱，且Na2O·nSiO2可溶于水，所以水玻璃硬化后不耐碱、不耐水。（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。但水玻璃不得用来涂刷或浸渍石膏制品。因为水玻璃与石膏反应生成硫酸钠（Na2SO4），在制品孔隙内结晶膨胀，导致石膏制品开裂破坏。（