《建筑材料与检测》-第4章

第一节石灰石灰是人类在建筑工程中最早使用的胶凝材料之一.其因原材料储藏丰富、分布范围广、生产工艺简单、使用方便、成本低廉,至今仍然被广泛应用.一、石灰的生产石灰是用以碳酸钙为主要成分的石灰石、白云质石灰岩、白垩等天然岩石为原料,在一定烧结温度下煅烧所得的产物,其主要成分为氧化钙(CaO).还可以利用化学工业副产品,如利用电石(碳化钙)制取乙炔时的电石渣,其主要成分是氢氧化钙Ca(OH)２,即消石灰.石灰石经过煅烧生成生石灰,其化学反应式如下:

下一页返回第一节石灰生石灰一般为白色或黄灰色块状物质,其主要成分为氧化钙.由于原料中常含有碳酸镁(MgCO３),煅烧后生成MgO.当MgO含量≤５％时,称为钙质石灰;当MgO含量＞５％时,称为镁质石灰.在正常温度条件下,煅烧得到的石灰为多孔结构,内部孔隙率较大,密度为３.１~３.４g/cm３,表观密度小,与水作用速度快.在实际生产中,若煅烧温度或煅烧时间控制不当,会出现欠火石灰和过火石灰影响石灰品质.在生石灰烧制过程中,往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不均匀等,生石灰中残留有未烧透的内核,即CaCO3不能完全分解,这种石灰称为“欠火石灰”.欠火石灰的利用率很低,不能消化,石灰浆的产量降低.由于烧制的温度过高或时间过长,石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳,体积收缩明显,颜色呈灰黑色,这种石灰称为“过火石灰”.过火石灰块体容重大、熟化慢,使用时会影响工程质量.上一页下一页返回第一节石灰二、石灰的熟化与硬化１.石灰的熟化和“陈伏”石灰的熟化又称为消化、消解,是指生石灰CaO与水发生水化反应,生成熟石灰Ca(OH)２的过程.其化学反应式如下:CaO＋H２O→Ca(OH)２＋６４.９kJ生石灰熟化时放出大量的热量,同时,体积膨胀１.０~２.５倍.当石灰中含有过火石灰时,由于过火石灰熟化缓慢,它将在石灰浆体硬化以后才发生水化作用,于是,会因产生膨胀而引起崩裂或隆起现象,在使用前必须使其熟化或将其除去.上一页下一页返回第一节石灰工程中常用的方法是在石灰熟化过程中先利用筛网去除较大尺寸的过火石灰,然后将熟化的石灰浆在储灰池中储存两周以上,使尺寸较小的过火石灰充分熟化,即“陈伏”.陈伏期间,石灰膏表面应留有一层水,以隔绝空气,防止与CO２作用发生碳化.２.石灰的硬化石灰浆体在空气中的硬化包含了干燥、结晶和碳化三个交错进行的过程.(１)干燥.干燥时,石灰浆体中多余水分蒸发或被砌体吸收而使石灰粒子紧密接触,获得一定强度.(２)结晶.游离水分蒸发,Ca(OH)２逐渐从饱和溶液中结晶析出,形成结晶结构网,使强度继续增加.上一页下一页返回第一节石灰(３)碳化.Ca(OH)２与空气中的CO２作用,生成不溶于水的CaCO３晶体,析出的水分逐渐被蒸发的过程,称为碳化.其化学反应式如下:Ca(OH)２＋CO２＋nH２O→CaCO３＋(n＋１)H２O碳化时形成的CaCO３晶体相互交叉连生或与Ca(OH)２共生,构成较精密的结晶网,使硬化浆体强度进一步提高.但由于空气中CO２浓度很低,且表面碳化后,CO２不宜进入内部,故自然状态下碳化速度较慢.三、石灰的品种、分类和技术要求１.石灰的品种和分类根据成品的加工方法的不同,石灰有以下成品:(１)块状生石灰.由石灰石煅烧成的白色疏松结构的块状物,主要成分为CaO.上一页下一页返回第一节石灰(２)磨细生石灰粉.由块状生石灰经破碎、磨细而成.其熟化快,不需提前消化,直接加水使用即可.具有节约场地、提高工程效率、改善施工环境、硬化快、强度提高等优点.缺点是成本较高,不易储存.(３)消石灰粉.将生石灰用适量的水经消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.将消石灰和水组成的具一定稠度的膏状物,主要成分为Ca(OH)２和水.(５)石灰乳.将消石灰用大量水消化而成的一种乳状液体,主要成分为Ca(OH)２和水.建筑工程中使用的石灰,主要有三个品种,即建筑生石灰、建筑生石灰粉、建筑消石灰粉.上一页下一页返回第一节石灰因为石灰岩中常含有一些碳酸镁成分(MgCO３),所以,生石灰中也含有氧化镁(MgO).当MgO含量≤５％时,称为钙质生石灰;当MgO含量＞５％时,称为镁质生石灰.根据化学成分的含量不同,建筑生石灰的分类见表４-１.２.石灰的技术要求建筑生石灰的化学成分应符合表４-２的要求.四、石灰的特性１.可塑性和保水性好生石灰熟化为石灰浆时,能自动形成颗粒极细(直径约为１μm)的呈胶体分散状态的氢氧化钙,表面吸附一层厚的水膜,具有良好的保水性和可塑性.上一页下一页返回第一节石灰因此,用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好的可塑性,即和易性.在水泥砂浆中掺入石灰浆,可显著提高砂浆的和易性,方便施工.２.吸湿性强生石灰吸湿性强,保水性良好,可作为干燥剂使用.３.凝结硬化缓慢,强度低从石灰浆体的硬化过程可以看出,由于空气中二氧化碳稀薄,碳化甚为缓慢.而且表面碳化后,形成紧密外壳,不利于碳化作用的深入,也不利于内部水分的蒸发,因此,石灰是硬化缓慢的材料.同时,石灰的硬化只能在空气中进行,硬化后的强度也不高,如１∶３石灰砂浆２８d抗压强度仅为０.２~０.５MPa.因此,石灰不宜用于重要建筑物基础.上一页下一页返回第一节石灰４.硬化时体积收缩大石灰浆体在硬化过程中,蒸发大量的游离水而引起显著的体积收缩,易产生干缩裂缝.所以,除调成石灰乳作薄层涂刷外,石灰不宜单独使用.常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩开裂、提高抗拉强度和节约石灰.５.耐水性差由于Ca(OH)２能微溶于水,受潮后石灰溶解,强度更低,在水中还会溃散.因此,石灰不宜在潮湿的环境下应用.上一页下一页返回第一节石灰五、石灰的应用１.石灰乳和石灰砂浆石灰乳是将消石灰用大量水消化而成的乳状液体,广泛应用于建筑室内墙体及天棚的粉刷.掺入适量的砂或水泥和砂,即可调配制成石灰砂浆或混合砂浆,用于墙体砌筑或内墙、天棚抹面.２.配制灰土和三合土灰土是将生石灰粉、黏土按一定比例(１∶２~１∶４)加水拌和而成.三合土是将生石灰粉(或消石灰粉)、黏土和砂子按一定比例(１∶２∶３)加水拌和而成.灰土和三合土经夯实后主要用作建筑物的基础、地面垫层和公路的路基,其强度和耐久性均高于黏土和石灰.生石灰块灌入软土(高含水量、高孔隙比土)中形成石灰桩,可用于加固软土地基.上一页下一页返回第一节石灰３.制作碳化石灰板石灰粉与纤维材料或轻质集料加水拌和成型后,用CO２进行人工碳化,制成碳化石灰板,其加工性能良好,适宜用作非承重的内墙隔板、天花板.４.制作硅酸盐制品石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀,加水搅拌,经压振或压制,形成硅酸盐制品.为使其获得早期强度,往往采用高温高压养护或蒸压,使石灰与硅铝质材料的反应速度显著加快,使制品产生较高的早期强度,如灰砂砖、硅酸盐砖、硅酸盐混凝土制品等.上一页下一页返回第一节石灰六、石灰的储存生石灰放置太久,会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉,再与空气中CO２作用而还原为CaCO３,失去胶结能力.所以,储存生石灰不但要防止受潮,而且不宜储存过久,最好运到后即熟化成石灰浆,将储存期变为陈伏期.由于生石灰受潮熟化时放出大量的热,而且体积膨胀,所以,储存和运输生石灰时,还要注意安全,如将生石灰与可燃物分开保管,避免发生火灾.上一页返回第二节建筑石膏石膏是一种使用历史悠久的胶凝材料,它具有优良的技术性能,原材料资源丰富,生产工艺简单,在未来仍有很大的发展前途.一、建筑石膏的生产石膏是以硫酸钙(CaSO４)为主要成分的矿物,根据石膏中含有结晶水的多少可分为多种性能不同的石膏.(１)天然石膏(CaSO４·２H２O),也称为生石膏或二水石膏.大部分自然石膏为生石膏,是生产建筑石膏的主要原料.(２)建筑石膏(CaSO４·１/２H２O),也称为熟石膏或半水石膏.它是天然石膏经压蒸或煅烧加热而成的,根据其内部结构不同,可分为α型半水石膏和β型半水石膏.下一页返回第二节建筑石膏当常压下加热至１０７℃~１７０℃时,得到β型半水石膏,将其磨细得到的白色粉末为建筑石膏;若在压力为０.１３MPa的蒸压条件下加热至１２５℃,则得到α型半水石膏,将其磨细得到的白色粉末为高强石膏.建筑石膏晶体颗粒细小、需水量较大,因此,其制品孔隙率较大、强度较低.而高强石膏晶体颗粒较粗大、比表面积小、需水量较小,因此,其制品密实度较高、强度较高.(３)无水石膏(CaSO４),也称为硬石膏.当加热温度超过１７０℃时,可生成无水石膏,只要温度不超过２００℃,此无水石膏就具有良好的凝结硬化性能.无水石膏结晶紧密,质地较硬,是生产硬石膏水泥的原料.上一页下一页返回第二节建筑石膏二、建筑石膏的水化与凝结硬化建筑石膏与适量水拌和后,能形成可塑性良好的浆体,随着石膏与水的反应,浆体的可塑性很快消失而发生凝结,此后进一步产生和发展强度而硬化.建筑石膏与水之间产生化学反应(水化反应)的反应式为:CaSO４·１/２H２O＋３/２H２O→CaSO４·２H２O此化学反应实际上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反应,因为,二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多,所以,二水石膏很快饱和,以胶体微粒的形式自水中不断析出,直至半水石膏全部转化为二水石膏为止.上一页下一页返回第二节建筑石膏在这个过程中,石膏浆体的水分因水化和蒸发而减少,浆体变得黏稠,随着二水石膏沉淀的不断增加,就会产生结晶,结晶体的不断生成和长大,晶体颗粒之间便产生了摩擦力和粘结力,造成浆体最终失去可塑性,这一过程称为石膏的凝结.石膏终凝后,其晶体颗粒仍在不断长大和连生,形成相互交错且孔隙率逐渐减小的结构,其强度也会不断增大,直至水分完全蒸发,形成硬化后的石膏结构,这一过程称为石膏的硬化.石膏浆体的凝结和硬化,实际上是交叉进行的.建筑石膏凝结硬化示意图如图４-７所示.上一页下一页返回第二节建筑石膏三、建筑石膏的分类和技术要求１.建筑石膏的分类建筑石膏按原材料种类可分为以下三类:(１)天然建筑石膏,代号“N”,是以天然石膏为原料制取的建筑石膏.(２)脱硫建筑石膏,代号“S”,是以烟气脱硫石膏为原料制取的建筑石膏.(３)磷建筑石膏,代号“P”,是以磷石膏为原料制取的建筑石膏.２.建筑石膏的技术要求根据«建筑石膏»(GB/T９７７６—２００８)的规定,建筑石膏按２h抗折强度分为３.０、２.０、１.６三个等级.上一页下一页返回第二节建筑石膏其中,强度、细度和凝结时间三个指标均应满足各等级的技术要求,见表４-４,抗折强度和抗压强度为试样与水接触２h后测得.指标中若有一项不合格,则判定该产品不合格.四、建筑石膏的特性１.凝结硬化快建筑石膏的浆体凝结硬化速度很快.一般在常温下石膏的初凝时间仅为几分钟,终凝时间不超过３０min.在室内自然干燥状态下,达到完全硬化约需一周的时间.这对于普通工程施工操作十分方便.有时若需要操作时间较长,可加入适量的缓凝剂,如硼砂、动物胶、亚硫酸盐酒精废液等.上一页下一页返回第二节建筑石膏２.微膨胀性建筑石膏凝结硬化是石膏吸收结晶水后的结晶过程,其硬化后的体积不仅不会收缩产生裂缝,而且还稍有膨胀(０.２％~１.５％).硬化时体积略有膨胀不仅不会对石膏制品造成危害,反而能使石膏充满模型,还能使石膏制品表面较为光滑饱满,棱角清晰完整、尺寸精确,因此,建筑石膏可以不用掺加填料而单独使用.３.调湿性施工中为了保证石膏浆体具有必要的流动性,实际加水量为６０％~８０％,远大于其水化的理论需水量１８.６％.当石膏硬化后,多余水分蒸发,形成大量孔隙(孔隙率达５０％~６０％).因此,建筑石膏导热系数小,吸声性较好,属于轻质保温材料.上一页下一页返回第二节建筑石膏同时,热容量大和石膏制品内部有大量毛细孔隙,对空气中的水蒸气具有较强的吸附能力,所以,对室内的空气湿度有一定的调节作用,是良好的室内装饰材料.但是,石膏制品的强度较低,通常石膏硬化后抗压强度为３~５MPa.４.耐水性及抗冻性较差由于硬化石膏的强度来自于晶体粒子间的粘结力,遇水后粒子间连接点的粘结力可能被削弱.部分二水石膏溶解于水而产生局部溃散,所以,建筑石膏硬化体的耐水性较差,其软化系数为０.２~０.３.若建筑石膏制品吸水后受冻,将会因水分结冰而崩裂,故建筑石膏的耐水性及抗冻性均较差,不宜用于室外环境.为提高其耐水性,可加入适量的水泥、矿渣等水硬性材料,也可加入有机防水剂等,以改善石膏制品的孔隙状态或使孔壁具有憎水性.上一页下一页返回第二节建筑石膏５.防火性能良好硬化后石膏的结晶物CaSO４·２H２O含有结晶水,当受到高温作用时或遇火后,会脱出２１％左右的结晶水,并能在表面蒸发形成水蒸气幕,可有效地阻止火势的蔓延,具有良好的防火效果.但石膏不宜长期在６５℃以上的高温部位使用,以免二水石膏缓慢脱水分解而降低强度.６.良好的装饰性和可加工性石膏表面光滑饱满,颜色洁白,质地细腻,加入矿物颜料后,可制得彩色石膏,具有良好的装饰性.微孔结构使其脆性有所改善,硬度也较低,所以,硬化石膏可锯、可刨、可钉,具有良好的可加工性.可用作天棚吊顶和天花板或制作模型雕刻.上一页下一页返回第二节建筑石膏五、建筑石膏的应用建筑石膏具有许多优良的技术性能,在工程中一般做成石膏抹面砂浆、建筑装饰制品和石膏板等.１.用于室内抹灰、粉刷建筑石膏加入砂、水拌和成石膏砂浆,可用于室内抹灰,具有环保、绝热、隔声、防火阻燃等优点.建筑石膏加水和缓凝剂调成石膏浆体,掺入部分石灰可用作室内粉刷涂料,粉刷后的墙面光滑细腻、洁白美观.２.装饰石膏制品建筑石膏掺加少量的纤维增强材料和胶料,加水搅拌成石膏浆体,利用石膏硬化体积微膨胀性,可制成各种石膏雕塑、饰面板及各种装饰制品.上一页下一页返回第二节建筑石膏３.石膏板我国目前生产的石膏板主要有纸面石膏板、石膏空心条板、石膏装饰板和纤维石膏板等.六、建筑石膏的储存建筑石膏一般采用袋装和散装供应.袋装时,应用防潮包装袋包装,包装袋上应清楚标明产品标记以及生产厂名、厂址、商标、批量编号、净重、生产日期和防潮标志.在运输和储存时,不得受潮和混入杂物.不同等级的石膏应分别储存,不得混杂.建筑石膏自生产之日起,正常储存期为３个月,超过３个月,强度将会降低.超过储藏期限的石膏应重新进行质量检验,以确定其等级.上一页返回第三节水玻璃一、水玻璃的生产生产水玻璃的方法分为干法和湿法两种.干法生产硅酸钠水玻璃是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀,在熔炉中于１３００℃~１４００℃温度下熔化,生成固体水玻璃[图４-１２(a)].湿法生产硅酸水玻璃是将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅内用蒸汽加热,直接反应生成液体水玻璃[图４-１２(b)],也可将固体水玻璃于水中加热溶解而生成液体水玻璃.纯净的水玻璃溶液应为无色透明液体,但因含有杂质而呈青灰或黄绿等颜色.水玻璃溶液可与水按任意比例混合,不同的用水量可使溶液具有不同的密度和黏度.同一模数的水玻璃溶液,其密度越大,粘结力越强.若在水玻璃中加入尿素,可在不改变黏度的前提下,提高其粘结能力.下一页返回第三节水玻璃二、水玻璃的硬化水玻璃溶液在空气中吸收CO２,形成无定形硅酸凝胶,并逐渐干燥而硬化.其反应式为:Na２O·nSiO２＋CO２＋mH２O→nSiO２·mH２O＋Na２CO３水玻璃在空气中的凝结固化与石灰的凝结固化非常相似,主要通过碳化和脱水结晶固结两个过程来实现.随着碳化反应的进行,硅胶含量逐渐增加,因自由水分不断蒸发和硅胶脱水成固体而凝结硬化.由于空气中CO２浓度低,故碳化反应及整个凝结固化过程十分缓慢,且硬化后体积收缩、强度低.为了加速硬化和提高硬化后的防水性,常加入氟硅酸钠(Na２SiF６)作为促硬剂,促使硅酸凝胶加速析出.上一页下一页返回第三节水玻璃Na２SiF６的适宜用量为水玻璃质量的１２％~１５％.如果掺量过少,则硬化慢、强度低,未反应的水玻璃易溶于水,耐水性变差;如果掺量过多,则会引起凝结速度过快,给施工造成困难,且渗透性加大,强度也低.三、水玻璃的特性１.粘结力强,强度高水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶和固体,比表面积大,因而具有较高的粘结强度、抗拉强度和抗压强度(抗压强度可达到１５~４０MPa).另外,水玻璃硬化析出的硅酸凝胶还有堵塞毛细孔隙而提高抗渗透的作用.上一页下一页返回第三节水玻璃２.耐酸性好硬化后的水玻璃,其主要成分是硅酸凝胶,具有高度的耐酸腐蚀性能,能抵抗大多数无机酸、有机酸和侵蚀性气体的腐蚀作用.但其不耐氢氟酸、热磷酸和碱性介质的侵蚀.３.耐热性高水玻璃不燃烧,硬化后形成SiO２空间网状骨架,在高温下硅酸凝胶干燥得更加强烈,强度并不降低,甚至有所增加.在使用水玻璃的过程中应注意安全防护,防止灼伤眼睛和皮肤.４.耐碱性和耐水性差水玻璃不能在碱性环境中使用.可采用中等浓度的酸对已硬化水玻璃进行酸洗处理,提高其耐水性.上一页下一页返回第三节水玻璃四、水玻璃的应用１.用作涂料,涂刷材料表面直接将液体水玻璃涂刷在建筑物表面或涂刷烧结普通砖、硅酸盐制品、水泥混凝土等多孔材料,可使材料的密实度、强度、抗渗性、耐水性均得到提高.这是因为水玻璃与材料中的Ca(OH)２反应生成硅酸钙凝胶,填充了材料间孔隙.同时,硅酸钠本身硬化所析出的硅酸凝胶也有利于材料保护.选用不同的耐火填料,还可配制不同耐热度的水玻璃耐热涂料.但是,不能对石膏制品进行涂刷或浸