第3章无机胶凝材料1

第 3章 无机胶凝材料主讲：徐锋建筑材料教学目标通过本节的学习， 1、 掌握胶凝材料的概念与分类； 2、了解石膏、石灰的原料及品种， 掌握石膏、石灰的凝结、硬化过程及特性，了解建筑石膏、石灰的质量要求及应用； 3、了解水玻璃的组成、性能特点及应用。气硬性胶凝材料的内容3.1 气硬性胶凝材料3.1.1 石膏一、 石膏的生产及分类二、 石膏的凝结硬化三、 石膏的技术性质和要求 四、 建筑石膏的应用3.1.2 石灰一、 石灰的生产与分类二、 石灰的硬化三、 石灰的技术性质和要求四、 石灰的应用五、 石灰的储存3.1.3 水 玻璃基本概念 ：什么是胶凝材料 ？ 定义：经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。 特征：严格意义上胶凝材料应指浆体；能在常温下凝结硬化为固体；有较强的胶结能力；具有一定的使用性能。有机 胶凝材料气硬性胶凝材料水硬性 胶凝材料只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或发展其强度。如： 石灰、石膏、水玻璃不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化保持并发展其强度。如： 水泥如： 沥青 、树脂无机胶凝材料胶凝材料气硬性胶凝材料关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！水硬性胶凝材料关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！3.1.1 石膏 一、石膏的生产及分类 石膏的矿物组成 ：CaSO4xH2OX为结晶水 H2Ox 0，硬石膏(无水石膏 )x 0.5 ，熟石膏 (半水石膏)x 2，生石膏(二水石膏 ) 石膏胶凝材料 (Gypsum binder )的组成 ： CaSO4 0.5H2O或 CaSO4 。 石膏是晶体结构二水石膏晶体形貌 半水石膏晶体形貌3.1 气硬性胶凝材料石膏的生产 原料：天然二水石膏；天然无水石膏；工业副产物 磷石膏、氟石膏等。 生产工序：原料 (破碎 ) 脱水 磨细 生产 (脱水 )的工艺：非密闭煅烧 (干燥空气中 )： 密闭蒸练 (湿的水蒸气 )： 不同工艺得到不同组成的 石膏胶凝材料天然石膏矿纤维状晶体生产工艺与产品的组成CaSO42H2O 120180C干燥空气125180C水蒸气-CaSO40.5H2O -CaSO40.5H2O-CaSO4( )可溶 -CaSO4( )可溶200360C 200360C400800C400800C CaSO4( )不溶8001180CCaSO4( )不溶 CaO非密闭煅烧工艺及其产品组成密闭蒸炼工艺及其产品组成石膏生产流程图熟石膏高强石膏原料入口产 品废气排放二、建筑石膏的凝结硬化 凝结硬化过程中的水化反应：CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2O Q即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应 凝结硬化机理 “ 溶解沉淀理论 ”l 溶解l 沉淀l 硬化半水石膏的溶解度 (8.16g/L)大于二水石膏 (2.05g/L)，因此，前者在水中不断溶解，生成 Ca2+、 SO42-离子的饱和溶液半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网凝结硬化的物理化学过程 石膏浆体半水石膏颗粒 二水石膏晶体石膏胶体 石膏硬化体水 孔隙水化初期：二水石膏晶体较少随着水化反应进行二水石膏晶体量石膏硬化体中晶体堆积体半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子水化成二水石膏晶体。 石膏颗粒表面分子首先水化颗粒表面二水石膏晶体不断增多 半水石膏全部水化成二水石膏所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！建筑石膏粉三、 建筑石膏的技术性质及应用 1、建筑石膏的技术性质l 外观： 色白，密度为 2.602.75 g/cm3,堆积密度为 800 1000 kg/m3。l 质量标准 ：建筑石膏按强度、细度、凝结时间指标分为优等品、一等品和合格品三个等级。石膏l 产品标记 ：产品名称 +抗折强度 +标准号建筑石膏的技术指标（ GB 9776-88）技 术 指 标 优 等品 一等品 合格品抗折 强 度/MPa,不小于 2.5 2.1 1.8抗 压 强 度/MPa,不小于 4.9 3.9 2.9细 度 (0.2 mm方孔 筛筛 余 / ),不大于5.0 10.0 15.0凝 结时间 初凝 时间 不早于 6 min； 终 凝 时间 不 迟 于 30 min抗折强度为 2.5MPa的建筑石膏记为：建筑石膏 2.5 GB9776例如例如某工人用建筑石膏粉拌水为一桶石膏浆，用以在光滑的天花板上直接粘贴，石膏饰条前后半小时完工。几天后最后粘贴的两条石膏饰条突然坠落，请分析原因。 案例分析分析答案分析： 建筑石膏拌水后一般于数分钟至半小时左右凝结，后来粘贴石膏饰条的石膏浆已初凝，粘结性能差。可掺入缓凝剂，延长凝结时间；或者分多次配制石膏浆，即配即用。 在光滑的天花板上直接贴石膏条，粘贴难以牢固，宜对表面予以打刮，以利粘贴。或者，在粘结的石膏浆中掺入部分粘结性强的粘结剂。 学会分析、思考和回答问题！1. 石膏硬化体的表观密度小，孔隙率大？答： 半水石膏需加水 60 80，才能使浆体达到成型所需可塑性；而半水石膏全部水化成二水石膏只需 18.6的水量；即，有 4060多的水不能参与反应，硬化后多余水分的挥发留下大量孔隙。2、孔隙率较大在应用上，有哪些优点和缺点？答： 优点 保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、天花板、墙面粉刷砂浆等。缺点 强度低、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构材料，不宜用于潮湿环境等。3. 为什么石膏制品的耐水性差 Why？答： 石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明显的解理面，层间和晶体颗粒间是较弱的氢键结合，因此，水分子进入，降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导致强度下降；其软化系数只有 0.300.45；另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品长期在水中的强度将更低 。学会分析、思考和回答问题！4、如何改善石膏制品的耐水性 How?答： 降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处理，以减小吸水率；掺加其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用。二水石膏晶体解理面5、为什么石膏制品的防火性好 Why?答： 石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高，因此，在高温下，主要发生脱水和烧结。学会分析、思考和回答问题！6、进一步思考的问题 : 警察在勘察犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？ 试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？ 如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？调湿作用红线条表示室内湿度变化蓝线条表示室外湿度变化2、建筑石膏的应用 建筑石膏是一种很好的绿色建材！ 应用中扬长避短，正确应用！ 建筑上的主要应用有：建筑石膏制品：各种板材：墙板、天花板等艺术装饰品粉刷石膏：墙面粉刷雕饰各种墙板德国一所教堂的外墙面雕饰 室内墙面和天花板的雕饰纸面石膏板的生产工艺流程 纸面石膏板生产线一、 石灰的生产与分类l 工程中常用的石灰产品有磨细生石灰粉、消石灰粉和石灰膏。l 将主要成分为碳酸钙的天然岩石（石灰岩、白垩等）煅烧，排除分解出的二氧化碳后，所得以 CaO为主要成分的产品即为 生石灰 。欠烧石灰 CaO含量低，质量等级低，利用率低过烧石灰 质地密实，颜色较深，消化缓慢，容易造成墙体开裂温度过低或时间不足温度过高或时间过长3.1.2 石 灰制备工艺与产品石灰石1000 1200C磨细生石灰粉 生石灰 水喷淋 消石灰粉(水 )化灰池 石灰乳浓缩石灰膏 陈伏煅烧温度较低，时间较短时， 欠火石灰煅烧温度较高，时间较长时，过火石灰减轻或消除过火石灰的危害l 根据成品加工方法不同分为：名称 加工方法 状 态 主要成分块 灰 直接煅 烧 块 状 CaO生石灰粉 块 状生石灰磨 细 粉末 CaO消石灰粉 生石灰用适量水 经消化和干燥粉末 Ca(OH)2石灰膏 块 状生石灰用 过 量水消化（或将消石灰粉和水拌合）一定稠度的膏状物Ca(OH)2和水石灰乳 生石灰加大量水消化 乳状液体Ca(OH)2和水l 各种石灰根据其种类、成分、细度等划分为优等品、一等品及合格品。二、石灰的消化和硬化1、消化（熟化）：生石灰（ CaO）与水作用生成氢氧化钙（熟石灰，又称消石灰）的过程。生石灰的消化反应如下：CaO H2O Ca(OH) 2 64.910 3J l 石灰的消化过程会放出大量的热，熟化时体积增大 1 2.5倍。 *过烧石灰消化速度慢，易引起墙面隆起、开裂，所以使用前需 洗灰陈伏 。石灰浆体氢氧化钙晶体 碳酸钙晶体石灰凝胶体 石灰碳化体水 孔隙水分损失 碳化*2、石灰的硬化 结晶作用生石灰或熟石灰水成为 Ca(OH)2浆体；浆体中游离水的不断损失，导致 Ca(OH)2结晶；晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网 硬化。 碳化作用Ca(OH)2与空气中的 CO2气体反应，在表面形成 CaCO3膜层。提高耐久性。*例：在维修古建筑时，发现古建筑中石灰砂浆坚硬，强度较高，有人认为是古代生产的石灰质量优于现代石灰，此观点对否？为什么？ 答：否。 因为碳化作用只限于表层，在长时间内碳化过程充分，厚度增加，强度高。l 可塑性和保水性好 ：可调成混合砂浆。l 凝结硬化慢，强度低 。l 耐水性差 ：不宜在潮湿的环境中使用，也不宜单独用于建筑物基础。l 体积收缩大 ：不宜单独使用，可掺入砂、各种纤维材料等减少收缩 。l 吸湿性强 ：是传统的干燥剂；储存时注意防潮。三、 石灰的技术性质和要求A B石灰抹面裂纹比较和分析案例分析分析答案分析：在煅烧过程中，如果煅烧时间过长或温度过高，将生成颜色较深、块体致密的 “过烧石灰 ”。过烧石灰水化极慢，当石灰变硬后才开始熟化，产生体积膨胀，引起已变硬石灰体的隆起鼓包和开裂。为了消除过烧石灰的危害，保持石灰膏表面有水的情况下，在贮存池中放置一周以上，这一过程称为陈伏。陈伏期间，石灰浆表面应保持一层水，隔绝空气，防止 Ca(OH)2与 CO2发生碳化反应。石灰砂浆 A为凸出放射性裂纹，这是由于石灰浆的陈伏时间不足，致使其中部分过烧石灰在石浆砂浆制作时尚未水化，导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成 Ca(OH)2，产生体积膨胀，从而形成膨胀性裂纹。石灰砂浆 B为网状干缩性裂纹，是因石灰砂浆在硬化过程中干燥收缩所致。尤其是水灰比过大，石灰过多