3 气硬性胶凝材料.ppt

1、第3章 气硬性胶凝材料,掌握：胶凝材料的定义、分类；建 筑石灰、石膏技术要求、性质,熟悉：石灰的、石膏的熟化、硬化 和应用,了解：水玻璃、菱苦土的组成，硬 化，性质与应用,第3章 气硬性胶凝材料,胶凝材料(cements,binding materials) 通过自身的物理化学作用，在由可塑性浆体变为坚硬石状体的过程中，能将散粒或块状材料粘结为整体的材料就称为胶凝材料。 有机胶凝材料：沥青、树脂 无机(矿物)胶凝材料 气硬性胶凝材料： 石膏、石灰、水玻璃、菱苦土 水硬性胶凝材料：水泥,第3章 气硬性胶凝材料,气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料的区别 气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，也只能在空气中保

2、持或继续发展其强度。 水硬性胶凝材料则不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，保持并继续发展其强度。,第3章 气硬性胶凝材料,3.1 石灰 3.2 石膏 3.3 水玻璃 3.4 菱苦土,第3章 气硬性胶凝材料,3.1 石灰(lime,CaO) 石灰是建筑上使用时间较长，应用较广泛的一种气硬性胶凝材料。由于其原料来源广、生产工艺简单、成本等优点，至今仍在广泛使用。 在道路工程中，随着半刚性基层在高等级路面中的应用，近年来石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土及其稳定碎石等广泛用于路面基层；在桥梁工程中，石灰砂浆、石灰水泥砂浆、石灰粉煤灰砂浆广泛用于圬工砌体。,第3章 气硬性胶凝材料,3.1.1 石灰的

3、原料与生产 用于生产石灰的原料有石灰石、白云石、白垩或其他含碳酸钙为主的天然原料。将石灰石置于窑内加以煅烧，碳酸钙和碳酸镁受热分解，得到以氧化钙为主要成分的呈白色或灰白色的块状成品，即生石灰，又称块灰。 为了加快煅烧过程，煅烧温度常提高至10001100。,第3章 气硬性胶凝材料,煅烧良好的石灰，质轻色匀，具有多孔结构，即内部孔隙率大、晶粒细小，与水作用快。 欠火石灰：煅烧过程中，若温度过低或煅烧时间不足，碳酸钙将不能完全分解，则产生欠火石灰。属于石灰的废品，降低了石灰的利用率。其内核为未分解的碳酸钙，外部为正常煅烧的石灰。 过火石灰：如果煅烧时间过长或温度过高，则产生过火石灰。其颜色呈灰黑色

4、，结构致密，孔隙率小，并且晶粒粗大，表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆。遇水表现出质硬难化，延缓了熟化速度，其过烧成分可能在石灰应用后熟化，这时已硬化的灰浆中会产生膨胀而引起崩裂或隆起，直接影响工程质量。,第3章 气硬性胶凝材料,3.1.2 石灰的熟化 生石灰与水发生作用生产氢氧化钙的过程，称为石灰的水化反应，常称为石灰的“熟化”、“消解”或“消化”。 CaO+H2O=Ca(OH)2+15.5千卡 石灰消化时放出大量的热量，体积增大12.5倍。,第3章 气硬性胶凝材料,影响石灰消化的因素有： 生石灰的细度。石灰磨得越细，消化进行得越快，消化时体积变化越小。 水灰比。随着水灰比的增大，石灰

5、在其水化期的膨胀值减小，但水灰比过大会降低硬化浆体的强度。 消化温度。随着消化介质温度增高，石灰浆体的体积明显增大。 生石灰的有效CaO含量。有效CaO含量越大，则石灰活性越大，消化进行得越快。 外部约束。外部约束越大，则石灰消化体积膨胀量越小。,第3章 气硬性胶凝材料,根据消化时加水量的不同，消石灰有三种形式，即石灰浆、石灰膏和消石灰粉。 用于调制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆时，利用化灰池，将生石灰熟化成石灰浆。首先往生石灰块中加入其体积34倍的水，在化灰池中消化成石灰乳，石灰乳浆体和尚未熟化的小颗粒通过筛网流入储灰坑，而大块的欠火石灰、过火石灰则予以清除。 石灰浆在储灰坑中沉淀并除去上层水分后得

6、到一定稠度的膏状物，即为石灰膏，1kg生石灰可熟化成1.53L石灰膏。石灰膏含水约50%，堆密度为13001400kg/m3。石灰膏也可由消石灰粉和水拌和而成。,第3章 气硬性胶凝材料,欠火石灰不能完全消化，有效氧化钙和氧化镁含量低，降低了石灰利用率，同时缺乏粘结力，但不会带来危害。 当石灰中含有过火石灰时，由于过火石灰消化得慢，它将在石灰浆体硬化以后才发生水化作用，于是会产生体积膨胀而引起隆起或开裂等破坏现象。 为了消除过火石灰的危害，消化后的石灰乳应在储灰坑中存放两星期以上，使过火石灰颗粒重复消化，称为“陈伏”。“陈伏”期间，石灰膏表面应覆盖有一层水分，使之与空气隔绝，防止或减缓石灰膏与二

7、氧化碳发生碳化反应。,第3章 气硬性胶凝材料,当用于拌制灰土（石灰、粘土）、三合土（石灰、粘土、砂石或炉渣等）时，采用分层法将石灰熟化成消石灰粉。 生石灰消化成消石灰粉时，理论需水量为CaO质量的32.1%，但由于一部分水分随消化放热而蒸发，实际需水量为生石灰质量的60%80%，以能充分消解而又不过湿成团为度。 工地上常采用人工喷淋的方法，即将生石灰块平铺于能吸水的地面上，每层厚度约50cm，每铺一层淋一次水，直到石灰层总厚度大11.5m。由于上层的过剩水分要往下流，所以下层石灰应少淋些水。 消石灰粉在使用前，也有类似石灰膏的“陈伏”时间。,第3章 气硬性胶凝材料,3.1.3 石灰的硬化 石灰

8、浆体在空气中逐渐硬化并具有强度，其硬化包括两个同时进行的过程： （1）结晶与干燥 石灰浆体在干燥过程中，游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶析出，并产生强度，但析出的晶体数量较少，所以这种结晶引起强度增长并不显著。 （2）碳化作用 氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙晶体，释放水分并蒸发，称为碳化。 Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O,第3章 气硬性胶凝材料,生成的碳酸钙具有相当高的强度。 碳化作用实际是二氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙。所以碳化作用不能在没有水分的全干状态下进行。 当碳化作用生成的碳酸钙达到一定厚度时，则阻碍二氧化碳向内

9、部渗透，也阻碍了内部水分向外蒸发。（这是石灰凝结硬化缓慢的主要原因。）因此，在长时间内碳化作用只限于表层，氢氧化钙的结晶作用则主要在内部发生。所以，石灰晶体硬化后是由表里两种不同的晶体组成的。 随着时间的延长，表层碳酸钙的厚度逐渐增加，增加的速度取决于与空气接触的条件。如使用于深土中的消石灰，硬化特别缓慢，经过很长时间，其内部仍为氢氧化钙。,第3章 气硬性胶凝材料,3.1.4 石灰的技术标准 建筑工程中所用的石灰，分为三个品种：建筑生石灰、建筑生石灰粉和建筑消石灰粉。,第3章 气硬性胶凝材料,3.1.4 石灰的技术性质 (1)良好的保水性：消化生产的氢氧化钙颗粒极细（直径约为1m），其表面吸附

10、一层较厚的水膜，由于颗粒数量多，总表面积大，可吸附大量水，这是保水性较好的主要原因。 (2)凝结硬化慢、强度低： 1：3的石灰砂浆，28d抗压强度只有0.20.5MPa。 (3)耐水性差：氢氧化钙晶体易溶于水 (4)体积收缩大：蒸发大量的游离水,第3章 气硬性胶凝材料,3.1.5 石灰的应用 (1)石灰乳涂料：内墙和天棚刷白 (2)石灰砂浆：砌筑 (3)灰土和三合土：建筑物基础和地面的垫层 (4)硅酸盐制品：蒸养粉煤灰砖及砌块，蒸压灰砂砖及砌块，加气混凝土等 (5)碳化石灰板：将磨细生石灰、纤维状填料或轻质骨料加水搅拌成型为坯体，然后再通入高浓度二氧化碳进行人工碳化(12-24h)制成的一种轻

11、质板材。,第3章 气硬性胶凝材料,3.2 石膏(gypsum) 石膏是一种应用历史悠久的传统胶凝材料。石膏胶凝材料及其制品具有轻质、高强、保温隔热、耐火、吸音、美观及容易加工等优良性能。且原料来源丰富，生产能耗低，在建筑工程中得到了广泛的应用。常用石膏胶凝材料的品种有：建筑石膏、高强石膏、无水石膏水泥、高温煅烧石膏等。,第3章 气硬性胶凝材料,3.2.1 石膏的原料、生产及品种 生产石膏胶凝材料的原料主要是天然二水石膏。 天然二水石膏又称生石膏或软石膏，是以二水石膏（CaSO42H2O）为主要成分的矿石。 生产石膏的主要工序是破碎、加热和磨细，生产原理是二水石膏（CaSO42H2O）加热脱水生

12、成半水石膏（CaSO41/2H2O）或无水石膏。 由于加热温度和方式不同，可以制成不同性质的石膏胶凝材料。,二水石膏加热脱水形成的各种石膏变体(附动画),第3章 气硬性胶凝材料,3.2.2 建筑石膏 建筑石膏是以型半水石膏为主要成分，不预加任何外加剂的粉状胶结料，主要用于制作石膏制品。建筑石膏色白，杂质含量很少，粒度很细，亦称模型石膏，是制作装饰制品的主要原料。 型半水石膏晶粒细，需水量较大（60%80%），强度低。,（1）建筑石膏的凝结硬化,第3章 气硬性胶凝材料,（2）建筑石膏的技术标准 根据国家标准GB97762008建筑石膏，建筑石膏分为优等品、一等品和合格品三个等级。 建筑石膏在运输

13、及储存时，应注意防潮，一般储存3个月后，强度降低30%左右，固储存期超过3个月应重新进行质量检验，以确定等级。,第3章 气硬性胶凝材料,（3）建筑石膏的特性 凝结硬化快。 硬化时体积微膨胀。 硬化后孔隙率大，表观密度和强度较低。 保温性与吸声好。 具有一定的调温调湿性。 防火性好，但耐火性差。 （4）建筑石膏的应用 室内抹灰和粉刷 石膏板,第3章 气硬性胶凝材料,高强石膏即型半水石膏。 型半水石膏结晶良好，晶粒坚实、粗大，比表面积较小，需水量约为35-45%，所以此石膏硬化后具有较高密实度和强度。3小时抗压强度可达924MPa，7天抗压强度可达1540MPa，故名高强石膏。,3.2.3 高强石

14、膏,第3章 气硬性胶凝材料,高强石膏适用于强度要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。掺入防水剂，可用于湿度较高的环境中。加入有机材料，如聚乙烯醇水溶液、聚醋酸乙烯乳液等，可配成黏结剂，其特点是无收缩。,型和型半水石膏的性能差异,第3章 气硬性胶凝材料,3.2.4 粉刷石膏 是由型半水石膏和其它石膏相（硬石膏或煅烧黏土质石膏）、各种外加剂（木质磺酸钙、柠檬酸、酒石酸等缓凝剂）及附加材料（石灰、烧黏土、氧化铁红等）所组成的一种新型抹灰材料。 粉刷石膏具有表面坚硬、光滑细腻、不起灰的优点，还可调节室内空气湿度，提高舒适度的功能。,第3章 气硬性胶凝材料,3.2.5 无水石膏水泥与地板石膏 将天然二水

15、石膏加热至400以上（400-750）,石膏完全失去水分，成为不溶性硬石膏，失去凝结硬化能力，但当加入适量激发剂混合磨细后，又能凝结硬化，称为无水石膏水泥。 无水石膏水泥宜用于室内，主要用作石膏板或其它制品，也可用于室内抹灰。 将天然二水石膏加热到800以上，得到的石膏称为地板石膏。地板石膏有较高的强度和耐磨性，抗冻性也较好。,第3章 气硬性胶凝材料,3.2.6 石膏的耐水性 石膏在潮湿环境中，晶体粒子间的结合力减弱。因此石膏制品若长期处于水中，会使水化生成物CaSO42H2O晶体逐渐溶解而引起溃散。 石膏制品耐水性差的原因主要有：石膏有很大的溶解度（20时，每一升水溶解2.05gCaSO4

16、） 。受潮时，由于石膏的溶解，其晶体之间的结合力减弱，从而使强度降低。石膏体的微裂缝内表面吸湿，水膜产生楔入作用，因此各个晶体结构的微单元被分开。 石膏材料孔隙率一般较高，加重了吸湿效果。,第3章 气硬性胶凝材料,石膏制品吸水后除强度降低外，如果受冻，还会因孔隙中的水结冰膨胀而崩裂，故其抗冻性差，不宜用于潮湿部位。 要提高石膏制品耐水性可采取如下措施：降低硫酸钙在水中的溶解度；提高石膏制品的密实度；制品外表面涂刷或浸渍保护层，以减少水分渗透到石膏制品内部。,第3章 气硬性胶凝材料,3.3 水玻璃 水玻璃俗称泡花碱，是一种可溶于水的硅酸盐。 由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅组成，化学通式为R2

17、OnSiO2，其中n表示水玻璃组成中SiO2与R2O的物质的量之比，成为水玻璃的模数，R代表Na或K，即硅酸钠水玻璃（ Na2OnSiO2 ）和硅酸钾水玻璃（ K2OnSiO2 ），以硅酸钠水玻璃最为常用。,第3章 气硬性胶凝材料,3.3.1 水玻璃的生产 水玻璃的主要原料是石英砂、纯碱、烧碱。 生产水玻璃的方法有湿法和干法两种。 湿法生产 干法生产,第3章 气硬性胶凝材料,湿法生产： 湿法生产硅酸钠水玻璃时，将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅（23个大气压）内用蒸汽加热，并搅拌，使直接反应而成液体水玻璃。 干法生产： 将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉内以13001400温度熔化，生成固体水玻璃，然

18、后再水中加热溶解成液体水玻璃。,第3章 气硬性胶凝材料,液体水玻璃因所含杂质不同，而呈青灰色、绿色或淡黄色粘稠状，以无色透明的水玻璃为最好。 水玻璃具有良好的粘结性能，水玻璃的模数越大，胶体组分越多，越难溶于水，粘结能力越强。 液体水玻璃可以与水按任意比例混合成不同浓度的溶液。 同一模数的液体水玻璃，其浓度越稠，则密度越大，粘结力越强。 建筑中常用的水玻璃模数为2.62.8，密度为1.361.50g/cm3。 水玻璃应在密闭条件下存放。长时间存放后，水玻璃会产生一定的沉淀，使用时应搅拌均匀。,第3章 气硬性胶凝材料,3.3.2 水玻璃的硬化 液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，析出无定形硅酸凝胶，

19、并逐渐干燥而硬化： Na2OnSiO2+CO2+mH2ONa2CO3+nSiO2mH2O 由于空气中的CO2的浓度较低，故上述过程进行很慢。为加速硬化，常加入氟硅酸钠（Na2SiF6）作为促硬剂，以加速硅酸凝胶析出： 2Na2OnSiO2mH2ONa2SiF6(2n1)SiO2mH2O6NaF SiO2mH2OSiO2mH2O,第3章 气硬性胶凝材料,水玻璃的硬化过程大致分为两个阶段： 第一阶段，硅酸凝胶的生成和析出。由于硅酸凝胶具有良好的粘结性，它能把分散的颗粒相互胶结起来，所以硅酸凝胶的生成和析出是水玻璃产生早期强度的原因。 第二阶段，生产的硅酸凝胶脱水缩聚，由单分子结构变成线型结构、网状

20、结构，最后变成空间结构，把分散的颗粒进一步聚裹成一个紧密的整体。因此，硅酸凝胶的脱水缩聚是水玻璃后期强度增长的原因。,第3章 气硬性胶凝材料,氟硅酸钠的适宜掺量为水玻璃质量的12%15%。 用量太少，硬化速度慢，强度低，且未反应的水玻璃易溶于水，导致耐水性差。 用量太多，则凝结过快，造成施工困难，且渗透性大，强度也低。 氟硅酸钠有毒，操作时应注意安全。,第3章 气硬性胶凝材料,3.3.4 水玻璃的性质 水玻璃硬化后具有如下性质： 水玻璃有良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有堵塞毛细孔而防止液体渗透的作用。硬化后具有较高的粘结强度。 水玻璃不燃烧，在高温下硅酸凝胶干燥快，形成二氧化硅空间网状骨架，强度并不降低甚至有所提高，因此具有良好的耐热性，耐热温度一般可达8001200。 耐酸性强，能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用。 耐水性和耐碱性较差，因为水玻璃在加入氟硅酸钠后，仍会有少量水玻璃不能硬化，而Na2OnSiO2能溶于碱和水。,第3章 气硬性胶凝材料,3.3.5 水玻璃的应用 涂刷建筑材料表面，提高抗风化能力。 配制耐酸水泥。 配制耐热材料。 配制速凝防水剂。 作为注浆材料加固地基。,第3章 气硬性胶凝材料,3.4 菱苦土 菱苦