土木工程材料 第4章 气硬性胶凝材料.ppt

1 第四章气硬性胶凝材料 在土木工程材料中 经过一系列物理作用 化学作用 能将散粒状或块状材料粘结成整体的材料 统称为胶凝材料 2 胶凝材料分类 气硬性胶凝材料只能在空气中硬化 且只能在空气中保持和发展其强度 适用于地上或干燥环境 水硬性胶凝材料既能在空气中硬化 又能更好地在水中硬化 并保持和继续发展其强度 适用于地上 地下或水中环境 胶凝材料 无机胶凝材料 气硬性 石膏 石灰 水玻璃等 水硬性 各种水泥 有机胶凝材料 沥青 树脂等 3 本章主要内容 第一节石膏第二节石灰第三节水玻璃 4 生产品种 水化硬化 技术性质 工程应用 内容安排 5 第一节石膏 一 石膏胶凝材料的原料 生产及品种二 半水石膏的水化与凝结硬化三 建筑石膏的主要特性 技术要求和应用 6 石膏胶凝材料是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料 它的应用历史很悠久 石膏制品具有质轻 强度较高 防火性较好等许多优良的性质 且原材料来源广泛 生产能耗较低 因此在建筑工程中有着广泛的应用 天然石膏有二水石膏和无水石膏两种 无胶凝性 二水石膏是生产石膏胶凝材料的主要原料 第一节石膏 7 1 原料 天然二水石膏 天然无水石膏和工业副产石膏天然二水石膏又称生石膏 软石膏 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 天然无水石膏又称硬石膏 主要成分是CaSO4 可用于生产无水石膏水泥和高温煅烧石膏等 工业副产石膏是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 石膏胶凝材料的原料 生产及品种 8 根据加热方式与加热温度的不同 可生产出不同品种的石膏胶凝材料 二水石膏在107 170 下加热 使其脱水生成 型半水石膏 磨细后成为以 型半水石膏为主要成分的建筑石膏 二水石膏在加压蒸汽 0 13MPa 124 中加热处理或置于某些盐溶液中沸煮 使其脱水形成 型半水石膏 干燥磨细后成为以 型半水石膏为主要成分的高强石膏 2 生产工艺及品种工艺 原料破碎加热磨细 107 170 加热 0 13MPa 124 蒸炼 9 天然或人工制造的硬石膏 在600 700 下煅烧的二水石膏 与激发剂共同磨细可制得无水石膏水泥 常用的激发剂有 5 硫酸钠或硫酸氢钠与1 的铁矾 或铜矾 的混合物 1 5 的石灰 10 15 的碱性粒化高炉矿渣等 将天然二水石膏或天然硬石膏在800 1000 下煅烧 使部分分解 磨细后可制成高温煅烧石膏 由于其硬化后具有较高的强度 并且耐磨性高 抗水性好 适宜作地板 故又称地板石膏 在石膏胶凝材料中 建筑石膏和高强石膏在建筑工程中应用较多 最常用的是建筑石膏 2 生产工艺及品种 10 2 生产工艺及品种 11 二 半水石膏的水化与凝结硬化 建筑石膏 型半水石膏 和高强石膏 型半水石膏 与水拌合后 半水石膏将重新水化生成二水石膏 放出热量并凝结硬化成具有一定强度的硬化体 1 水化反应 2 凝结和硬化 半水石膏 水 拌和 可塑性浆体 凝结 无可塑性浆体 硬化 具有一定强度的硬化体 12 半水石膏溶于水 很快形成饱和溶液 溶于水中的半水石膏与水反应生成二水石膏 并析出胶粒 水份减少 浆体变稠 失去流动性 可塑性下降 达到初凝状态 随着水化的继续进行和水份的蒸发 浆体更稠 胶粒间磨擦力和粘结力逐渐增大 达到终凝状态 胶体转变为晶体 柱状晶体不断长大 连生 交错 强度提高 形成结晶结构网 在这个过程中 浆体逐渐变硬 强度不断增长 形成具有一定强度的硬化体 直到完全干燥 强度才停止增长 这一过程称为硬化 13 半水石膏水化反应的理论需水量仅为其质量的18 6 在使用中 为了使浆体具有足够的流动性 通常的加水量远大于理论需水量 因此 硬化石膏浆体中含有大量孔隙 建筑石膏中的 型半水石膏多为片状 有裂隙的晶体 晶粒细小 比表面积大 拌制石膏浆体时 需水量达60 80 因此硬化后的孔隙率大 强度较低 高强石膏中的 型半水石膏的结晶良好 晶粒粗大 比表面积小 调制成可塑性浆体时 需水量约为35 45 硬化后的孔隙率较小 因而具有较高的强度 二 半水石膏的水化与凝结硬化 14 三 建筑石膏的主要特性 技术要求和应用 1 建筑石膏的主要特性 1 凝结硬化快建筑石膏加水拌和后 浆体的初凝和终凝时间都很短 一般初凝时间为几分钟至十几分钟 终凝时间在半小时以内 大约一个星期左右就能完全硬化 初凝时间较短 不便于使用 为延长凝结时间 可加入缓凝剂 常用的缓凝剂有硼砂 酒石酸钠 柠檬酸 动物胶等 15 1 建筑石膏的主要特性 2 尺寸稳定 装饰性好石膏在凝结硬化时 体积略有膨胀 膨胀率为0 05 0 15 使石膏硬化体表面光滑饱满 石膏硬化后的湿胀干缩也较小 尺寸稳定 干燥时不开裂 同时石膏制品的质地洁白细腻 3 硬化体的孔隙率高 强度较低 绝热性 吸声性和吸湿性强石膏浆体硬化后 内部将留下大量孔隙 孔隙率可达50 60 因而表现密度较小 强度较低 但导热系数小 吸声性强 吸湿性大 因内部存在大量微孔 削弱了热量和声音的传导和反射 并具有可调节室内温度和湿度的特点 16 4 防火性好石膏制品在遇火灾时 二水石膏将脱出结晶水 吸热蒸发 并在制品表面形成蒸汽幕和脱水物隔热层 有效地减少火焰对内部结构的危害 具有较好的防火性能 5 耐水性和抗冻性差建筑石膏硬化体吸湿性强 吸收的水分会削弱晶体粒子间的粘结力 使强度显著降低 其软化系数仅为0 3 0 45 若长期浸水 还会因二水石膏晶体溶解而引起破坏 吸水饱和的石膏制品受冻后 会因孔隙中的水结冰而开裂崩溃 1 建筑石膏的主要特性 17 质量指标 1 细度 评定粗细程度的指标 用0 2mm方孔筛的筛余百分率表示 2 凝结时间 初凝时间 从加水拌和至开始失去可塑性所经历的时间 终凝时间 从加水拌和至完全失去可塑性所经历的时间 3 强度 有抗压强度和抗折强度两项 标准 国标 建筑石膏 GB9776 2008产品 按抗折强度分为3 0 2 0 1 6三个等级 2 建筑石膏的技术要求 18 建筑石膏的技术要求 建筑石膏 GB9776 2008 19 建筑石膏可用于室内粉刷 生产建筑石膏制品等 1 室内粉刷由建筑石膏或由建筑石膏与无水石膏混合后再掺入外加剂 细集料等可制成粉刷石膏 按用途分为面层粉刷石膏 M 底层粉刷石膏 D 和保温层粉刷石膏 W 三类 3 建筑石膏的应用 20 2 5mm筛和0 2mm筛的筛余应分别不大于0 和40 初凝时间应不小于1h 终凝时间应不大于8h 保温层粉刷石膏的体积密度应不大于600kg m3 JC T517 93 粉刷石膏 按强度分为优等品 一等品 合格品 各等级的强度应满足下表的要求 21 粉刷石膏既具有建筑石膏快硬早强 粘接力高 尺寸稳定 吸湿 防火 轻质等优点 又不会产生开裂 空鼓和起皮现象 表面光洁 防火 保温 并且施工方便 可实现机械化施工 是一种新型室内高档抹面材料 可用于办公室 住宅等的墙面 顶棚等 粉刷石膏 22 2 建筑石膏制品 主要用于生产各种石膏板和石膏砌块等制品 石膏板具有轻质 高强 隔热保温 吸音和不燃等性能 且安装和使用方便 是一种较好的新型建筑材料 广泛用作各种建筑物的内隔墙 顶棚及各种装饰饰面 我国目前生产的石膏板主要有纸面石膏板 石膏空心条板 石膏装饰板 纤维石膏板及石膏吸音板等 3 建筑石膏的应用 23 石膏空心条板 纸面石膏板以建筑石膏为主要原料 掺入纤维 外加剂 发泡剂 缓凝剂等 和适量的轻质填料等 加水拌成料浆 浇注在行进中的纸面上 成型后再覆以上层面纸 24 2 建筑石膏制品 石膏砌块是一种自重轻 保温隔热 隔声和防火性能好的新型墙体材料 有实心 空心和夹心三种类型 在建筑石膏中掺入耐水外加剂 如有机硅憎水剂等 可生产耐水建筑石膏制品 掺入无机耐火纤维 如玻璃纤维 可生产耐火建筑石膏制品 25 艺术装饰石膏制品 26 石膏粉吸潮后结块 建筑石膏在运输和贮存中 需要防雨防潮 贮存期为3个月 过期或受潮的石膏 强度显著降低 需经检验合格后才能使用 27 第二节石灰 28 29 什么是石灰 石灰是以CaO或Ca OH 2为主要成份的气硬性胶凝材料 30 一 石灰的生产及品种二 石灰的熟化与硬化三 石灰的主要特性 技术要求及应用 31 一 石灰的生产及品种 1 原料 主要是天然的石灰石 主要成分为CaCO3 其次是白云石等 32 2 生产工艺 采石破碎煅烧块状生石灰煅烧时CaCO3的分解反应 900 CaCO3CaO CO2 33 1 采石 34 2 破碎 35 3 煅烧 36 4 块状生石灰 37 2 生产工艺 由于石灰石原料的尺寸大或煅烧时窑中温度分布不均匀等原因 石灰中常含有欠火石灰和过火石灰 欠火石灰中的碳酸钙未完全分解 使用时缺乏粘结力 过火石灰结构密实 表面常包覆一层熔融物 熟化很慢 38 3 石灰的品种 1 生石灰 采用石灰石等原料经高温煅烧后制得的块状的石灰 块状生石灰为白色或浅灰色的块状物 煅烧良好的生石灰 质轻色匀 密度约为3200kg m3 表观密度介于800 1000kg m3之间 39 3 石灰的品种 2 生石灰粉 由块状生石灰磨细制成 3 消石灰粉 将生石灰用适量水 60 80 经熟化和干燥而成的粉末 主要成分为Ca OH 2 也称为熟石灰粉 4 石灰膏 将块状生石灰用过量水 约为生石灰体积的3 4倍 熟化 或将消石灰粉和水拌合 所得的一定稠度的膏状物 主要成份为Ca OH 2和水 40 二 石灰的熟化与硬化 1 石灰的熟化生石灰与水反应 使氧化钙变成氢氧化钙的过程 称为石灰的熟化或消化 石灰熟化的反应式为 石灰熟化时的特点 放出大量的热 体积增大1 2 5倍 煅烧良好 氧化钙含量高的石灰熟化较快 放热量和体积增大也较多 41 1 石灰的熟化 根据熟化时加水量的不同 石灰可熟化成消石灰粉或石灰膏 石灰熟化的理论需水量为石灰质量的32 在生石灰中 均匀加入60 80 的水 可得到颗粒细小 分散均匀的消石灰粉 若用过量的水熟化 约为生石灰体积的3 4倍 先得到石灰浆 沉淀后将得到具有一定稠度的石灰膏 42 43 44 45 二 石灰的熟化与硬化 石灰中一般都含有过火石灰 过火石灰熟化慢 若在石灰浆体硬化后再发生熟化 会因熟化产生的膨胀而引起局部隆起和开裂 石灰膨胀裂纹 46 为了消除过火石灰的这种危害 石灰在熟化后 还应 陈伏 2周以上 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发生反应 二 石灰的熟化与硬化 47 2 石灰的硬化 石灰浆体的硬化包括干燥与结晶硬化和碳化硬化两个同时进行的过程 1 干燥与结晶硬化 干燥硬化 石灰浆体因水分蒸发或被吸收而干燥 使石灰颗粒更加紧密而获得强度 这种强度类似于粘土失水而获得的强度 其值不大 遇水会丧失 结晶硬化 由于干燥失水 引起石灰浆体中氢氧化钙溶液过饱和 结晶出氢氧化钙晶体 产生强度 但析出的晶体数量少 强度增长也不大 48 2 碳化硬化 在大气环境中 氢氧化钙在潮湿状态下会与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙 并释放出水分 即发生碳化 碳化所生成的碳酸钙晶体相五交叉连生或与氢氧化钙共生 形成紧密交织的结晶网 使硬化石灰浆体的强度进一步提高 二 石灰的熟化与硬化 49 但是 由于空气中的二氧化碳含量很低 表面形成的碳酸钙层结构较致密 会阻碍二氧化碳的进一步渗入 因此 碳化过程是十分缓慢的 50 三 石灰的主要特性 技术要求及应用 1 石灰的主要特性 1 石灰膏具有较强的保水性和良好的可塑性石灰膏中 氢氧化钙粒子形成胶体结构 胶体粒子极小 粒径约为1微米 比表面积很大 达10 30m2 g 因而具有较强的保水性 粒子表面吸附一层较厚的水膜 使其具有良好的可塑性 将它掺入水泥砂浆中 配成混合砂浆 可显著提高砂浆的和易性 51 1 石灰的主要特性 2 石灰膏硬化后耐水性差 不宜在长期潮湿和受水浸泡的环境中使用 在处于潮湿环境时 石灰中的水分不蒸发 二氧化碳也无法渗入 硬化将停止 氢氧化钙易溶于水 在长期潮湿和受水浸泡的环境中使用时 已硬化的石灰强度降低 甚至溃散 52 1 石灰的主要特性 3 石灰膏硬化过程中体积收缩大 不宜单独使用石灰膏在硬化过程中 蒸发掉大量的水分 引起体积显著收缩 易出现干缩裂缝 所以 一般要掺入砂 纸筋 麻刀等材料 以减少收缩 增加抗拉强度 并能节约石灰 石灰砂浆网状干缩性裂纹 53 1 石灰的主要特性 4 石灰具有较强的碱性 在常温下 能与玻璃态的活性氧化硅或活性氧化铝反应 生成具有水硬性的产物 54 石灰中产生胶凝性能的成分是有效氧化钙和氧化镁 它们的含量是评价石灰质量的主要指标 按氧化镁含量的多少 建筑生石灰可分为钙质和镁质两类 当生石灰中MgO含量小于或等于5 时 称钙质生石灰 当MgO含量大于5 时 称为镁质生石灰 此外 生石灰还有未消化残渣含量的要求 生石灰粉有细度的要求 消石灰粉则还有体积安定性 细度和游离水含量的要求 2 石灰的技术要求 55 1 建筑生石灰的技术要求 56 2 建筑生石灰粉的技术要求 57 3 建筑消石灰粉的技术要求 58 3 石灰的应用 1 配制石灰乳和砂浆消石灰粉或石灰膏掺加大量水 可配成石灰乳涂料 用于内墙及顶棚的粉刷 用石灰膏可配制石灰砂浆或水泥石灰混合砂浆 用于砌筑或抹灰工程 59 3 石灰的应用 2 配制石灰稳定土将消石灰粉或生石灰粉掺入各种粉碎或原来松散的土中 经拌合 压实及养护后得到的混合料 称为石灰稳定土 它包括石灰土 石灰稳定砂砾土 石灰碎石土等 石灰稳定土具有一定的强度和耐水性 广泛用作建筑物的基础 地面的垫层及道路的路面基层 或底基层 60 拌制石灰土 61 3 石灰的应用 3 生产硅酸盐制品以石灰 消石灰粉或生石灰粉 与硅质材料 砂 粉煤灰 火山灰 矿渣等 为主要原料 经过配料 拌合 成型和养护后可制得砖 砌块等各种制品 因内部的胶凝物质主要是水化硅酸钙 所以称为硅酸盐制品 常用的有灰砂砖 粉煤灰砖等 62 生产硅酸盐制品 63 4 加固含水的软土地基生石灰块可直接用来加固含水的软土地基 称为石灰桩 它是在桩孔内灌入生石灰块 利用生石灰吸水熟化时体积膨胀的性能产生膨胀压力 从而使地基加固 消石灰粉或生石灰粉可用于粉喷桩 3 石灰的应用 64 应用中需特别注意的问题 1 生石灰消化后要 陈伏 两周后使用 2 消化后的石灰在空气中存放时间不宜过长 或采取防碳化措施 3 生石灰应防潮 4 纯石灰膏不能单独使用 65 一 水玻璃的硬化二 水玻璃的技术性质和应用 第三节水玻璃 66 第三节水玻璃 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 俗称泡花碱或水玻璃 一种无色 天蓝色或黄绿色的微小颗粒 高温高压溶解后是无色或略带色的透明或半透明粘稠液体 建筑常用的为硅酸钠 Na2O nSiO2 水溶液 又称钠水玻璃 要求高时也使用硅酸钾 K2O nSiO2 的水溶液 又称钾水玻璃 67 水玻璃的生产 水玻璃可采用湿法或干法生产 湿法是将石英砂和苛性钠溶液在高压釜内用蒸汽加热 并搅拌 直接生成液体水玻璃 干法是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀 在1300 14000C的熔炉中熔融 经冷却后生成固体水玻璃 然后 在水中加热溶解成液体水玻璃 纯净的液体水玻璃溶液为无色透明液体 因含杂质的不同 而呈青灰色或黄绿色 68 69 水玻璃模数 n 二氧化硅 SiO2 摩尔数与氧化钠 或氧化钾 摩尔数的比值n 称为水玻璃的模数 n 3的称为中性水玻璃 n 3的称为碱性水玻璃 实际上水玻璃溶液均明显呈碱性 水玻璃模数越高 则水玻璃的密度和黏度越大 硬化速度越快 硬化后的黏结力与强度 耐热性与耐酸性就越高 但水玻璃的浓度和模数太高 则黏度太大不利于施工操作 难以保证施工质量 同时模数太高 水玻璃难溶于水 所以水玻璃的浓度和模数不宜太高 水玻璃的浓度一般用密度来表示 通常为1 3 1 5g cm3 模数为2 6 3 0 70 一 水玻璃的硬化 液体水玻璃是一种既具有胶体特征 又具有溶液特征的胶体溶液 硬化 水玻璃在空气中吸收二氧化碳 形成碳酸钠和无定形硅酸凝胶 并逐渐干燥聚合而硬化 此硬化过程非常缓慢 71 一 水玻璃的硬化 促硬剂 具有一定的酸性或能与水玻璃反应生成难溶的硅酸凝胶 或硅酸盐 的化合物均可作为水玻璃的促硬剂 含氟盐 酸 酯等都能使水玻璃硬化 最常用的促硬剂为氟硅酸钠 Na2SiF6 72 氟硅酸钠Na2SiF6的掺量为水玻璃质量的12 15 若掺量少于12 不但硬化速度慢 强度低 而且存在较多的未反应的水玻璃 它们易溶于水 因而耐水性差 若掺量超过15 则会引起凝结过快 造成施工困难 且硬化水玻璃的抗渗性和耐酸性降低 能提高水玻璃的耐水性 但它有一定的毒性 使用时应注意安全防护 一 水玻璃的硬化 73 二 水玻璃的技术性质和应用 1 技术性质水玻璃硬化后的主要成分是二氧化硅凝胶 具有较高的粘结力 用水玻璃配制的混凝土的抗压强度可达15 40MPa 在高温作用下 二