氣硬性無機膠凝材料

第二章

氣硬性無機膠凝材料

概述膠凝材料：是指通過自身的物理化學作用，從漿體變成堅硬的固體，并能把散粒材料或塊狀材料粘結成為一個整體的材料。膠凝材料分類：只能在空氣中硬化、保持或繼續(xù)發(fā)展強度的無機膠凝材料稱為氣硬性無機膠凝材料。不僅能在空氣中，而且能更好地在水中硬化、保持或繼續(xù)發(fā)展強度的無機膠凝材料稱為水硬性無機膠凝材料。

土木工程中常用的氣硬性無機膠凝材料主要有：石灰、石膏、菱苦土和水玻璃。概述建筑石灰是建筑中使用最早的礦物膠凝材料之一。建筑石灰常簡稱為石灰，實際上他是具有不同化學成分和物理形態(tài)的生石灰、消石灰、水硬性石灰的統(tǒng)稱。第一節(jié)石灰原料：天然碳酸巖類巖石——（石灰石、白云石）生產(chǎn)：原料經(jīng)高溫煅燒，其主要成分CaCO3分解為以CaO為主要成分的生石灰，其化學反應可表示如下：生石灰（堆積密度為800~1000kg/m3)一般為白色或黃灰色塊灰，塊灰碾碎磨細即為生石灰粉。一.石灰的原料、生產(chǎn)煅燒石灰石(內含CaCO3)溫度在900℃左右時溫度過高時溫度過低時正火石灰欠火石灰過火石灰根據(jù)成品的加工方法不同，石灰有以下四種成品：1、生石灰：由石灰石煅燒成為的白色疏松的塊狀物，主要成分CaO。2、生石灰粉：3、消石灰粉：4、石灰膏：石灰的另一來源為，生產(chǎn)乙炔的副產(chǎn)品，即用水和碳化鈣反應得到。生產(chǎn)設備：1.石灰的熟化和“陳伏”熟化：工地上使用石灰時，通常將生石灰加水，使之消解為消（熟）石灰—氫氧化鈣，這個過程稱為石灰的“消化”，又稱“熟化”：二.石灰的消化（水化）和硬化生石灰燒制過程中，往往由于石灰石原料的尺寸過大或窯中溫度不均勻等原因，生石灰中殘留有未燒透的的內核，這種石灰稱為“欠火石灰”。由于燒制的溫度過高或時間過長，使得石灰表面出現(xiàn)裂縫或玻璃狀的外殼，體積收縮明顯，顏色呈灰黑色，這種石灰稱為“過火石灰”。過火石灰表面常被粘土雜質融化形成的玻璃釉狀物包覆，熟化很慢。當石灰已經(jīng)硬化后，過火石灰才開始熟化，并產(chǎn)生體積膨漲，引起隆起鼓包和開裂。

陳伏：為了消除過火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰漿應在儲灰坑中放置兩周以上，這一過程稱為石灰的“陳伏”?！瓣惙逼陂g，石灰漿表面應保有一層水分，與空氣隔絕，以免碳化。2.石灰的硬化石灰漿體在空氣中逐漸硬化，是由下面兩個同時進行的過程來完成的：結晶作用碳化作用游離水分蒸發(fā)，氫氧化鈣逐漸從飽和溶液中結晶氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳化合生成碳酸鈣結晶，釋出水分并被蒸發(fā)碳化作用實際是二氧化碳與水形成碳酸，然后與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣。所以這個作用不能在沒有水分的全干狀態(tài)下進行。細度CaO+MgO含量CO2含量產(chǎn)漿量殘渣含量體積安定性游離水把其分成優(yōu)等品、一等品、合格品三個等級。三、建筑石灰的技術要求技術標準

建筑石灰按現(xiàn)行標準《建筑生石灰》(JC／T479一92)、《建筑生石灰粉》(JC／T480—92)和《建筑消石灰粉》(JC／T481—92)規(guī)定，按其氧化鎂含量劃分為鈣質石灰和鎂質石灰兩類。見下表。鈣質石灰和鎂質石灰中氧化鎂含量(%)界限石灰種類生石灰生石灰粉消石灰粉鈣質石灰≤5≤5<4鎂質石灰>5>5≥41生石灰技術標準

《建筑生石灰》(JC／T479一92)

根據(jù)氧化鎂含量按上表分為鈣質生石灰和鎂質生石灰兩類，然后再按有效氧化鈣和氧化鎂含量、產(chǎn)漿量、未消解殘渣和CO2含量等4個項目的指標分為優(yōu)等品、一等品和合格品3個等級，如下表。

項目鈣質生石灰鎂質生石灰優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品1.(CaO+Mg0)含量(％)不小于9085808580752.未消化殘渣含量(5mm圓孔篩篩余量)(％)不大于51015510153.C02(％)不大于57968104.產(chǎn)漿量(L／kg)不小于2.82.32.02.82.32.0有效氧化鈣和氧化鎂含量石灰中產(chǎn)生粘結性的有效成分是活性氧化鈣和氧化鎂。它們的含量是評價石灰質量主要指標，其含量愈多，活性愈高，質量也愈好。按《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTJ057—2009)規(guī)定，有效氧化鈣含量用中和滴定法測定，氧化鎂含量用絡合滴定法測定。生石灰產(chǎn)漿量和未消化殘渣含量產(chǎn)漿量是單位質量(1Kg)的生石灰經(jīng)消化后，所產(chǎn)石灰漿體的體積(L)。石灰產(chǎn)漿量愈高，則表示其質量越好。未消化殘渣含量是生石灰消化后，未能消化而存留在5mm圓孔篩上的殘渣占試樣的百分率。其含量愈多，石灰質量愈差，須加以限制。二氧化碳(CO2)含量

CO2含量越高，即表示未分解完全的碳酸鹽含量越高，則（CaO+MgO）含量相對降低，導致石灰的膠結性能的下降。生石灰試樣1g放于坩堝內，在高溫電爐中于580±20℃灼燒結晶水，再將試樣950～1000℃高溫1h，冷卻至室溫。以試驗前后試樣質量的差與原試樣質量的百分比計算CO2含量。2生石灰粉的技術要求根據(jù)氧化鎂含量分為鈣質石灰和鎂質石灰兩類后，再按(CaO+MgO)含量、CO2含量和細度等項目的指標，分為優(yōu)等品、一等品和合格品3個等級，如下表?！督ㄖ曳邸?JC／T480—92)

項目鈣質生石灰粉鎂質生石灰粉優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品1.(CaO+Mg0)含量(％)不小于8580758075702.C02(％)不大于791181012細度0.9mm篩篩余(％)不大于0.20.51.50.20.51.50.125mm篩篩余(％)不大于7.012.018.07.012.018.0細度細度與石灰的質量有密切聯(lián)系，過量的篩余物影響石灰的粘結性?，F(xiàn)行標準《建筑生石灰粉》(JC／T480—92)和《建筑消石灰粉》(JC／T481—92)以0.9mm和0.125mm篩余百分率控制。試驗方法是，稱取試樣50g，倒入0.9mm、0.125mm套篩內進行篩分，分別稱量篩余物，按原試樣計算其篩余百分率。

3消石灰粉技術要求消石灰粉按氧化鎂含量<4％時稱為鈣質消石灰粉，4％≤氧化鎂含量<24％時稱為鎂質消石灰粉，24％≤氧化鎂含量<30％時稱為白云石消石灰粉。按等級分為優(yōu)等品、一等品和合格品等3個等級，如下表?！督ㄖ曳邸?JC／T481—92)項目鈣質消石灰粉

鎂質消石灰粉

白云石消石灰粉優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品1．(CaO+Mgo)含量(％)

不小于7065606560556560552．游離水(％)0.4—2.00.4—2.00.4—2.03．體積安定性合格合格--合格合格--合格合格--4.細度0.9mm篩篩余(％)不大于000.5000.5000.50.125mm篩余(％)不大于310153101531015消石灰粉游離水含量游離水含量，指化學結合水以外的含水量。生石灰消化時加入的水比理論需水量多很多，多加的水殘留于青氫氧化鈣中，殘余水分蒸發(fā)后，留下孔隙會加劇消石灰粉碳化作用，因而影響其使用質量。取試樣100g，在100～105℃烘箱中烘干至恒重，冷卻至室溫。以試驗前后試樣質量的差與原試樣質量的百分比計算游離水含量。體積安定性消石灰粉的體積安定性是將一定稠度的消石灰漿體做成中間厚，邊緣薄的一定直徑的試餅，然后在100-105℃下烘干4h,若無潰散、裂紋、鼓包等現(xiàn)象則為體積安定性合格。1可塑性好

生石灰熟化為石灰漿時，能自動形成顆粒極細（直徑約為1μ）的呈膠體分散狀態(tài)的氫氧化鈣粒子，表面吸附一層厚的水膜，使顆粒間的摩擦力較小，因而其可塑性好。用石灰調成的石灰砂漿其突出的優(yōu)點是具有良好可塑性。

在水泥砂漿中摻入石灰漿，可使可塑性、保水性顯著提高。四.石灰的特性2硬化慢從石灰漿體的硬化過程可以看出，由于空氣中二氧化碳稀薄，碳化甚為緩慢。而且表面碳化后，形成緊密外殼，不利于碳化作用的深入，也不利于內部水分的蒸發(fā)，因此石灰是硬化緩慢的材料。3硬化后強度低石灰的硬化只能在空氣中進行，硬化后的強度也不高。受潮后石灰溶解，強度更低，在水中還會潰散。如石灰砂漿（1：3）28天強度僅為0.2～0.5MPa。所以，石灰不宜在潮濕的環(huán)境下作用，也不宜用于重要建筑物基礎。4硬化時體積收縮大石灰在硬化過程中，蒸發(fā)大量的游離水而引起顯著的收縮，所以除調成石灰乳作薄層涂刷外，不宜單獨使用。常在其中摻入砂、紙筋等以減少收縮和節(jié)約石灰。5耐水性差

由于石灰漿硬化慢、強度低，當其受潮后，其中尚未碳化的易產(chǎn)生溶解，硬化石灰體遇水會產(chǎn)生潰散，所以石灰不宜用于潮濕環(huán)境。6不易貯存

塊狀類石灰放置太久，會吸收空氣中的水分而自動熟化成消石灰粉，再與空氣中二氧化碳作用而還原為碳酸鈣，失去膠結能力。所以貯存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜貯存過久。最好運到后即熟化成石灰漿，將貯存期變?yōu)殛惙凇Ｓ捎谏沂艹笔旎瘯r放出大量的熱，而且體積膨脹，所以，儲存和運輸生石灰時，還要注意安全。1石灰乳和石灰砂漿將消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水攪拌稀釋，成為石灰乳，是一種廉價的涂料，主要用于內墻和天棚刷白，增加室內美觀和亮度。我國農(nóng)村也用于外墻。石灰乳可加入各種耐堿顏料。調入少量水泥、?；郀t礦渣或粉煤灰，可提高其耐水性，調入氯化鈣或明礬，可減少涂層粉化現(xiàn)象。石灰砂漿是將石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途，分為砌筑砂漿和抹面砂漿。五.石灰的應用2石灰土（灰土）和三合土石灰與粘土或硅鋁質工業(yè)廢料混合使用，制成石灰土或石灰與工業(yè)廢料的混合料，加適量的水充分拌合后，經(jīng)碾壓或夯實，在潮濕環(huán)境中使石灰與粘土或硅鋁質工業(yè)廢料表面的活性氧化硅或氧化鋁反應，生成具有水硬性的水化硅酸鈣或水化鋁酸鈣，適于在潮濕環(huán)境中使用。如建筑物或道路基礎中使用的石灰土，三合土，二灰土（石灰、粉煤灰或爐灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰或爐灰、級配碎石）等。3灰砂磚和硅酸鹽制品

石灰與天然砂或硅鋁質工業(yè)廢料混合均勻，加水攪拌,經(jīng)壓振或壓制，形成硅酸鹽制品。為使其獲早期強度，往往采用高溫高壓養(yǎng)護或蒸壓，使石灰與硅鋁質材料反應速度顯著加快，使制品產(chǎn)生較高的早期強度。如灰砂磚、硅酸鹽磚、硅酸鹽混凝土制品等。第二節(jié)建筑石膏

石膏是以硫酸鈣為主要成分的礦物，當石膏中含有結晶水不同時可形成多種性能不同的石膏。根據(jù)石膏中含有結晶水的多少不同可分為：無水石膏（ＣaSO4）：也稱硬石膏，它結晶緊密，質地較硬，是生產(chǎn)硬石膏水泥的原料。天然石膏（ＣaSO4·2H2O）：也稱生石膏或二水石膏，大部分自然石膏礦為生石膏，是生產(chǎn)建筑石膏的主要原料。建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）也稱熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根據(jù)其內部結構不同可分為α型半水石膏和β型半水石膏：一、石膏的原料、分類及生產(chǎn)建筑石膏通常是由天然石膏經(jīng)壓蒸或煅燒加熱而成的。常壓下煅燒加熱到107℃～170℃，可產(chǎn)生β型建筑石膏：

（二水石膏） （β型半水石膏）124℃條件下壓蒸（1.3大氣壓）加熱可產(chǎn)生α型建筑石膏：（二水石膏） （α型半水石膏）α型半水石膏與β型半水石膏相比，結晶顆粒較粗，比表面積較小，強度高，因此又稱為高強石膏。當加熱溫度超過170℃時，可生成無水石膏，只要溫度不超過200℃，此無水石膏就具有良好的凝結硬化性能。此反應實際上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反應，因為二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多，所以此反應總體表現(xiàn)為向右進行，二水石膏以膠體微粒自水中析出。二、建筑石膏的凝結硬化石膏的凝結硬化

凝結：可塑性漿體失去可塑性，開始產(chǎn)生強度的過程。初凝終凝硬化：失去可塑性漿體強度增加的過程。

強度細度凝結時間

三、建筑石膏的技術與等級按強度和細度分為優(yōu)等品、一等品和合格品。具體技術要求見GB9776-2008?！苯ㄖ嗟燃墭藴剩℅B9776-2008）等級3.02.01.62h強度（MPa）抗折強度≥3.0≥2.0≥1.6抗壓強度≥6.0≥4.0≥3.0細度20um方孔篩篩余（%）≤10.0凝結時間（min）初凝時間≥3終凝時間≥301凝結硬化速度快建筑石膏的漿體，凝結硬化速度很快。一般石膏的初凝時間僅為10min左右，終凝時間不超過30min，這對于普通工程施工操作十分方便。有時需要操作時間較長，可加入適量的緩凝劑，如硼砂、動物膠、亞硫酸鹽酒精廢液等。四、建筑石膏的技術性質2凝結硬化時的膨脹性

建筑石膏凝結硬化是石膏吸收結晶水后的結晶過程，其體積不僅不會收縮，而且還稍有膨脹（0.2%～

1.5%），這種膨脹不會對石膏造成危害，還能使石膏的表面較為光滑飽滿，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥時的開裂。3硬化后的多孔性，重量輕，但強度低建筑石膏在使用時，為獲得良好的流動性，常加入的水分要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化過程中由于水分的蒸發(fā)，使原來的充水部分空間形成孔隙，造成石膏內部的大量微孔，使其重量減輕，但是抗壓強度也因此下降。通常石膏硬化后的表觀密度約為８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3，抗壓強度約為３ＭPa～5ＭPa。4良好的隔熱和吸音和“呼吸”功能

石膏硬化體中大量的微孔，使其傳熱性顯著下降，因此具有良好的絕熱能力；石膏的大量微孔，特別是表面微孔對聲音傳導或反射的能力也顯著下降，使其具有較強的吸聲能力。大熱容量和大的孔隙率及開口孔結構，使石膏具有呼吸水蒸氣的功能。5防火性好，但耐水性差硬化后石膏的主要成分是二水石膏，當受到高溫作用時或遇火后會脫出21%左右的結晶水，并能在表面蒸發(fā)形成水蒸氣幕，可有效地阻止火勢的蔓延，具有良好的防火效果。由于硬化石膏的強度來自于晶體粒子間的粘結力，遇水后粒子間連接點的粘結力可能被削弱。部分二水石膏溶解而產(chǎn)生局部潰散，所以建筑石膏硬化體的耐水性較差。

6良好的裝飾性和可加工性石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質地細膩，具有良好的裝飾性。微孔結構使其脆性有所改善，硬度也較低，所以硬化石膏可鋸、可刨、可釘。具有良好的可加工性。1石膏砂漿及粉刷石膏2建筑石膏制品：石膏板、石膏砌塊等3制作建筑雕塑和模型五、建筑石膏的應用第三節(jié)水玻璃

水玻璃俗稱泡花堿，由堿金屬氧化物和二氧化硅組成，屬可溶性的硅酸鹽類。根據(jù)堿金屬氧化物的不同，水玻璃有硅酸鈉水玻璃（Na2O·ｎSiO2）硅酸鉀水玻璃Ｋ2Ｏ·ｎSiO2）硅酸鋰水玻璃（Ｌi2O·ｎSiO最常用的是硅酸鈉水玻璃。根據(jù)水玻璃模數(shù)的不同，又分為:

“堿性”水玻璃（ｎ＜３)“中性”水玻璃（ｎ≥3）實際上中性水玻璃和堿性水玻璃的溶液都呈明顯的堿性反應。生產(chǎn)水玻璃的方法濕法:將石英砂和苛性鈉溶液在壓蒸鍋內用蒸汽加熱直接反應生液體水玻璃。干法:將石英砂和碳酸鈉磨細拌勻，在熔爐中于1300~1400?C溫度下熔化，按下式反應生成固體水玻璃。固體水玻璃于水中加熱溶解而生成液體水玻璃。其反應式為：一、水玻璃的生產(chǎn)二、水玻璃的硬化液體水玻璃在空氣中吸收二氧化碳，形成無定形硅酸凝膠，并逐漸干燥而硬化：由于空氣中CO2濃度較低，這個過程進行的很慢，為了加速硬化和提高硬化后的防水性，常加入氟硅酸鈉Na2SiF6作為促硬劑，促使硅酸凝膠加速析出。氟硅酸鈉的適宜用量為水玻璃重量的12％～15％。粘結力強耐酸性好耐熱性高三、水玻璃的技術性質1用作涂料，涂刷材料表面四、水玻璃的應用2配制防水劑3加固土壤4配制水玻璃砂漿5配制耐酸砂漿、耐酸混凝土、耐熱混凝土菱苦土是一種鎂質膠凝材料。其主要成分是ＭgO。第四節(jié)菱苦土（氯氧鎂水泥）菱苦土的主要原料是天然菱鎂礦。其主要成分是ＭgCO3。菱苦土材料一般是將菱鎂礦經(jīng)煅燒磨細而制成的。要求的細度為4900孔/cm2的篩余量不大于25％:其化學反應可表示如下：一原料及生產(chǎn)二、菱苦土的水化、硬化

試驗證明，用水調拌菱苦土時將生成Mg(OH)2，漿體凝結很慢，硬化后強度很低。若以氯化鎂水溶液來調制ＭgO時，可以加速其水化反應，并且能形成新的水化產(chǎn)物。這種新的水化產(chǎn)物硬化后的強度較高（40～60ＭPa）。水化反應如下：

水化產(chǎn)物中x、y、z的大小與煅燒溫度、MgCl2溶液用量、初始配比、養(yǎng)護條件有關。水化產(chǎn)物是針狀結晶，彼此機械咬合，并相互連生、長大，形成致密的結構，使?jié){體凝結硬化。菱苦土與植物纖維能很好粘接，而且堿性較弱，不會腐蝕纖維。建筑工程中常用來配制菱苦土木屑漿和菱苦土木屑砂漿。前者可膠結為菱苦土木屑板，用于內墻、天花板和地面。也可壓制成各種零件用作窗臺板、門窗框、樓梯扶手等。后者摻加砂子可作為地坪耐磨面層。用膨脹珍珠巖代替木屑可制成輕質、阻燃型的室內裝飾板材。以菱苦土為膠結料，以玻璃纖維為增強材料，添加改性劑，可制成管材產(chǎn)品。三菱苦土的應用青海大學東校門菱苦土裝飾板1997菱苦土的不足之處是硬化后易吸潮反鹵、耐水性差，其原因是硬化產(chǎn)物具有較高的溶解度，遇水會溶解。為提高耐水性，可采用外加劑，或改用硫酸鎂作為拌合水溶液，降低吸濕性、改進耐水性。例3-1某單位宿舍樓的內墻使用石灰砂漿抹面。數(shù)月后，墻面上出現(xiàn)了許多不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋。同時在個別部位還發(fā)現(xiàn)了部分凸出的放射狀裂紋。試分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

解：

石灰砂漿抹面的墻面上出現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋，引發(fā)的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化過程中，蒸發(fā)大量的游離水而引起體積收縮的結果。

墻面上個別部位出現(xiàn)凸出的呈放射狀的裂紋，是由于配制石灰砂漿時所用的石灰中混入了過火石灰。這部分過火石灰在消解、陳伏階段中未完全熟化，以致于在砂漿硬化后，過火石灰吸收空氣中的水蒸汽繼續(xù)熟化，造成體積膨脹。從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。例3-2既然石灰不耐水，為什么由它配制的灰土或三合土卻可以用于基礎的墊層、道路的基層等潮濕部位？解：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。加適量的水充分拌合后，經(jīng)碾壓或夯實，在潮濕環(huán)境中石灰與粘土表面的活性氧化硅或氧化鋁反應，生成具有水硬性的水化硅