土木工程材料講稿第二章

第三章氣硬性膠凝材料

定義：只能在空氣中硬化、保持或繼續(xù)發(fā)展強(qiáng)度的無機(jī)膠凝材料稱為氣硬性無機(jī)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(qiáng)度的無機(jī)膠凝材料稱為水硬性無機(jī)膠凝材料。

土木工程中常用的氣硬性無機(jī)膠凝材料主要有：石灰、石膏和水玻璃。《石灰吟》于謙千錘百擊出深山，烈火焚燒若等閑；粉骨碎身全不惜，要留清白在人間。

明代愛國將領(lǐng)于謙寫的千古名篇，生動(dòng)地描述了石灰的身世:第一節(jié)石灰 天然碳酸巖類巖石——（石灰石、白云石）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(xué)反應(yīng)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(xì)即為生石灰粉。一.石灰的消化和硬化1.石灰的熟化和“陳伏”工地上使用石灰時(shí)，通常將生石灰加水，使之消解為消（熟）石灰—?dú)溲趸}，這個(gè)過程稱為石灰的“消化”，又稱“熟化”:

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(nèi)核,這種石灰稱為“欠火石灰”。第二種情況是由于燒制的溫度過高或時(shí)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(zhì)融化形成的玻璃釉狀物包覆,熟化很慢。當(dāng)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。為了消除過火石灰的危害,生石灰熟化形成的石灰漿應(yīng)在儲(chǔ)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(yīng)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(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程來完成的:（１）結(jié)晶作用:游離水分蒸發(fā)，氫氧化鈣逐漸從飽和溶液中結(jié)晶。（２）碳化作用:氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳化合生成碳酸鈣結(jié)晶，釋出水分并被蒸發(fā):碳化作用實(shí)際是二氧化碳與水形成碳酸，然后與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣。所以這個(gè)作用不能在沒有水分的全干狀態(tài)下進(jìn)行。二.建筑石灰的技術(shù)指標(biāo)建筑石灰的技術(shù)指標(biāo)有細(xì)度、CaO+MgO含量、CO2含量和體積安定性等。并按技術(shù)指標(biāo)分為優(yōu)等品、一等品和合格品三個(gè)等級(jí)。具體技術(shù)要求見:<土木工程材料>JC/T479-1992建筑生石灰（P12表2-1）、JC/T480-1992建筑生石灰粉(P12表2-2）JC/T481-1992建筑消石灰粉(P12表2-4）鈣質(zhì)生石灰MgO≤5%；鈣質(zhì)消石灰粉MgO≤4%鎂質(zhì)生石灰MgO﹥5%；鎂質(zhì)消石灰粉MgO﹥4%三.石灰的技術(shù)性質(zhì)（1）可塑性好生石灰熟化為石灰漿時(shí),能自動(dòng)形成顆粒極細(xì)（直徑約為1μ）的呈膠體分散狀態(tài)的氫氧化鈣,表面吸附一層厚的水膜。因此用石灰調(diào)成的石灰砂漿其突出的優(yōu)點(diǎn)是具有良好可塑性。在水泥砂漿中摻入石灰漿,可使可塑性顯著提高。（2）硬化慢、強(qiáng)度低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(nèi)部水分的蒸發(fā),因此石灰是硬化緩慢的材料。同時(shí)，石灰的硬化只能在空氣中進(jìn)行，硬化后的強(qiáng)度也不高。受潮后石灰溶解，強(qiáng)度更低，在水中還會(huì)潰散。如石灰砂漿（1:3）28天強(qiáng)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(chǔ)。

（3）硬化時(shí)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(diào)成石灰乳作薄層涂刷外,不宜單獨(dú)使用。常在其中摻入砂、紙筋等以減少收縮和節(jié)約石灰。（4）耐水性差,不易貯存塊狀類石灰放置太久,會(huì)吸收空氣中的水分而自動(dòng)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(jié)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(yùn)到后即熟化成石灰漿,將貯存期變?yōu)殛惙?。由于生石灰受潮熟化時(shí)放出大量的熱,而且體積膨脹,所以,儲(chǔ)存和運(yùn)輸生石灰時(shí),還要注意安全。四.石灰的應(yīng)用（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?dāng)嚢柘♂?成為石灰乳,是一種廉價(jià)的涂料,主要用于內(nèi)墻和天棚刷白,增加室內(nèi)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(diào)入少量水泥、?；郀t礦渣或粉煤灰,可提高其耐水性,調(diào)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。（2）石灰土（灰土）和三合土石灰與粘土或硅鋁質(zhì)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(shí),在潮濕環(huán)境中使石灰與粘土或硅鋁質(zhì)工業(yè)廢料表面的活性氧化硅或氧化鋁反應(yīng),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(chǔ)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(jí)配碎石）等。（3）灰砂磚和硅酸鹽制品石灰與天然砂或硅鋁質(zhì)工業(yè)廢料混合均勻,加水?dāng)嚢?經(jīng)壓振或壓制,形成硅酸鹽制品。為使其獲早期強(qiáng)度,往往采用高溫高壓養(yǎng)護(hù)或蒸壓,使石灰與硅鋁質(zhì)材料反應(yīng)速度顯著加快,使制品產(chǎn)生較高的早期強(qiáng)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(dāng)石膏中含有結(jié)晶水不同時(shí)可形成多種性能不同的石膏。2.1石膏的原料、分類及生產(chǎn)根據(jù)石膏中含有結(jié)晶水的多少不同可分為:（1）無水石膏（ＣaSO4）:也稱硬石膏，它結(jié)晶緊密，質(zhì)地較硬，是生產(chǎn)硬石膏水泥的原料。（2）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。（３）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(nèi)部結(jié)構(gòu)不同可分為α型半水石膏和β型半水石膏: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(jié)晶顆粒較粗,比表面積較小,強(qiáng)度高,因此又稱為高強(qiáng)石膏。當(dāng)加熱溫度超過170℃時(shí),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(jié)硬化性能。2.2建筑石膏的水化與硬化建筑石膏與適量水拌合后，能形成可塑性良好的漿體，隨著石膏與水的反應(yīng)，漿體的可塑性很快消失而發(fā)生凝結(jié)，此后進(jìn)一步產(chǎn)生和發(fā)展強(qiáng)度而硬化。建筑石膏與水之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)式為:此反應(yīng)實(shí)際上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反應(yīng),因?yàn)槎嗳芙舛缺劝胨嗟娜芙舛刃〉枚?所以此反應(yīng)總體表現(xiàn)為向右進(jìn)行,二水石膏以膠體微粒自水中析出。隨著二水石膏沉淀的不斷增加,就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶,結(jié)晶體的不斷生成和長大,晶體顆粒之間便產(chǎn)生了磨擦力和粘結(jié)力,造成漿體的塑性開始下降,這一現(xiàn)象稱為石膏的初凝；而后隨著晶體顆粒間磨擦力和粘結(jié)力的增大,漿體的塑性很快下降,直至消失,這種現(xiàn)象為石膏的終凝。

石膏終凝后,其晶體顆粒仍在不斷長大和連生,形成相互交錯(cuò)且孔隙率逐漸減小的結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度也會(huì)不斷增大,直至水分完全蒸發(fā),形成硬化后的石膏結(jié)構(gòu),這一過程稱為石膏的硬化。石膏漿體的凝結(jié)和硬化,實(shí)際上是交叉進(jìn)行的。2.3建筑石膏的技術(shù)要求建筑石膏的技術(shù)要求有強(qiáng)度、細(xì)度和凝結(jié)時(shí)間。并按強(qiáng)度和細(xì)度分為優(yōu)等品、一等品和合格品。具體技術(shù)要求見GB9776-1988。”土木工程材料P14表2-6）2.4建筑石膏的技術(shù)性質(zhì)（１）凝結(jié)硬化速度快建筑石膏的漿體,凝結(jié)硬化速度很快。一般石膏的初凝時(shí)間僅為10min左右,終凝時(shí)間不超過30min,這對(duì)于普通工程施工操作十分方便。有時(shí)需要操作時(shí)間較長,可加入適量的緩凝劑,如硼砂、動(dòng)物膠、亞硫酸鹽酒精廢液等。（２）凝結(jié)硬化時(shí)的膨脹性建筑石膏凝結(jié)硬化是石膏吸收結(jié)晶水后的結(jié)晶過程,其體積不僅不會(huì)收縮,而且還稍有膨脹（0.2%~1.5%）,這種膨脹不會(huì)對(duì)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(shí)的開裂。（３）硬化后的多孔性,重量輕,但強(qiáng)度低建筑石膏在使用時(shí),為獲得良好的流動(dòng)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(nèi)部的大量微孔,使其重量減輕,但是抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(duì)聲音傳導(dǎo)或反射的能力也顯著下降,使其具有較強(qiáng)的吸聲能力。大熱容量和大的孔隙率及開口孔結(jié)構(gòu),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(dāng)受到高溫作用時(shí)或遇火后會(huì)脫出21%左右的結(jié)晶水,并能在表面蒸發(fā)形成水蒸氣幕,可有效地阻止火勢(shì)的蔓延,具有良好的防火效果。由于硬化石膏的強(qiáng)度來自于晶體粒子間的粘結(jié)力,遇水后粒子間連接點(diǎn)的粘結(jié)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）有良好的裝飾性和可加工性石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的裝飾性。微孔結(jié)構(gòu)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。2.5建筑石膏的應(yīng)用（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·ｎSiO2）品種，最常用的是硅酸鈉水玻璃。3.1水玻璃的生產(chǎn)生產(chǎn)水玻璃的方法分為濕法和干法兩種。濕法生產(chǎn)硅酸水玻璃是將石英砂和苛性鈉溶液在壓蒸鍋內(nèi)用蒸汽加熱。直接反應(yīng)生液體水玻璃。干法生產(chǎn)硅酸鈉水玻璃是將石英砂和碳酸鈉磨細(xì)拌勻，在熔爐中于1300~1400?C溫度下熔化，按下式反應(yīng)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(yīng)式為:3.3水玻璃的技術(shù)性質(zhì)（１）粘結(jié)力強(qiáng)。水玻璃硬化后具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。另外,水玻璃硬化析出