尤溪职中建筑材料教案-第三章 气硬性凝胶材料

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第三章气硬性胶凝材料

本章学习目标

经过本章学习，要求掌握石灰、石膏两种常用气硬性胶凝材料的

制备方法、硬化机理、技术性质和各自的适用条件，以及它们在配制、

储运和使用中应注意的问题。

♦本章教学内容

第一节石灰

1、石灰的生产与品种；

2、生石灰的熟化、陈伏、硬化过程；

3、石灰的技术性质及用途。

第二节石膏

1、气硬性胶凝材料的共性；

2、石膏的概念及分类；

3、石膏的凝结硬化机理、技术性质、用途。

♦本章重点

1、气硬性胶凝材料的共性；

2、生石灰的消化原理和特点，正确的消化方法和石灰浆的硬化

原理。从而理解石灰浆的主要性质和合理应用；

3、石膏的技术性质、用途。

♦本章难点

通过石灰、石膏的化学物理组成去推导相关技术性质，根据技术

性质推导出它们各自的用途及局限性。

概述：

胶凝材料：是指在一定条件下通过自身的一系列变化而能把其它

材料胶结成具有强度的整体的材料，通常分为有机和无机两大类。

有机胶凝材料：以天然或人工合成的高分子化合物为基本组分的

一类胶凝材料，例如沥青、树脂、橡胶等。

无机胶凝材料：以无机矿物为主要成分，当其与水或水溶液拌和

后所形成的浆体，经过一系列的物理化学变化后能产生胶结力而把其

它材料胶结成为具有强度的整体，如石灰、石膏、水泥等。

无机胶凝材料一般又可分为水硬性胶凝材料和气硬性无机胶凝

材料。

水硬性胶凝材料既能在空气中硬化，又能在水中继续硬化并保持

和发展其强度，如水泥。

气硬性无机胶凝材料只能在空气中硬化并保持其强度，如石灰、

石膏等

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第一节石灰

一、生产与品种

石灰一般是不同品种化学组成和物理形态的生石灰、消石灰、水

硬性石灰的统称。

一）生石灰的生产

（一）概念：由以碳酸钙为主的原料（如：石灰石、白云石等），

经适当的燃烧，排除二氧化碳后，所得的块体，其主要成分是CaO。

（二）制备：

1、原料：含CaC（）3为主的石灰石、白云石。

2、工艺：

900~1100℃

CaCO3---------------------►CaO（生石灰）+C02t

排出CO2,剩下的块体主要成分为CaO,即为生石灰。

—■）品种及技术指标

（一）按MgO含量分：

根据MgO和CaO含量，石灰分为三个等级（优等品、一等品、合

格品）。其中CaO和MgO含量越多，含渣率就越小，石灰的质量等级

越高。

（二）按加工方法分：

块灰一一经燃烧后直接得到的块体。

后磨细生石灰一一将块体磨细后，得到的粉状体。

1消石灰粉——用适量的水，将块体（消化）成粉末。

U石灰膏——用大量的水将块体消化而得到可塑性浆体,又称石

灰浆。

其中块灰、磨细生石灰是不经过消化而得到的，主要成分是CaO,

而消石灰粉、石灰膏是块体经消化而得到主要成分是Ca（OH）2。

（三）按燃烧程度分

生火石灰或者过火石灰

二、生石灰的熟化

一）概念

生石灰的消化（又称熟化或消解），是指生石灰与水作用生成氢

氧化钙的化学反应，其反应式如下：

CaO+H2O=Ca（OH）2

二）特征

1、生石灰熟化时放出大量的热。

2、体积膨胀1〜2.5倍。

三）陈伏

如果石灰中含有过烧石灰，过烧石灰消化速度极慢，当石灰抹灰

层中含有这种颗粒时，由于它吸收空气中的水分继续消化，体积膨胀,

致使墙面隆起、开裂，严重影响施

工质量。为了消除这种危害，建筑工程中使用的石灰浆必须经过陈伏。

陈伏：为了保证石灰完全消解，以消除过火石灰的危害，石灰在

熟化后，必须在储灰坑中陈放一定的时间才使用，这个过程叫做陈伏。

三、石灰的硬化

一）方式

石灰的硬化有两种方式：

（一）干燥硬化

石灰膏体中的水因空气蒸发而减少，同时，一部分水分会被附着

基面吸收，水分减少使石灰膏中的Ca（0H）2颗粒之间距离越来越大，

当距离减少到一定程度，颗粒相互吸引，由无规则的排列变为有规则

的排列，这样Ca（0H）2就由胶体变为晶体，产生了强度并不断增大。

（二）碳化硬化

石灰膏中的Ca（0H）2与空气中的COz碳化生成CaCO3,CaCOs结晶产

生强度的过程，我们叫做碳化硬化。

二）特点

（一）硬化过程中体积要收缩

收缩的结果是使制品表面粗糙，或产生裂缝，所以不能把石灰膏

单独用作装饰材料，必须加入一些增强材料，如：砂、麻刀、纸筋等。

（二）硬化速度慢

原因：一方面空气中湿度大，空气对水的蒸发速度慢。

二方面是由于空气中二氧化碳少、稀薄，二氧化碳体积只

占空气体积的万分之三。

三方面是由于石灰膏与空气中的二氧化碳接触，在膏体表

面将生成一层碳酸钙薄膜，这层薄膜既阻碍了空气对水分的蒸

发，又阻碍了二氧化碳向膏体内部渗入。

四、石灰的技术性质

一）石灰的颜色

白色，含杂质后呈灰色、黄色，颜色越深，杂质越多。

二）凝结、硬化缓慢，在凝结、硬化过程中，体积要收缩，同时,

硬化后强度低。

因为石灰在凝结、硬化过程中，体积要收缩，所以用它作制品，

表面粗糙,不能单独作为装饰材料使用，必须加入一些纤维增强材料,

减少其收缩。另因为石灰硬化后强度不高，故不能单独作为结构材料

使用，只能作围护结构。

三）保水性好

因为石灰本身是亲水性材料，同时Ca（0H）2颗粒微小，粒径在胶

体范围内，分散度大，比表面积就大，吸附在颗粒表面的水份多，所

以保水性好。利用其保水性好这一性质，可以加入到水泥砂浆中，增

加砂浆的保水性。

四）块灰具有多孔、松软的构造，故容重小。

实验，100份石灰石进行燧烧，根据化学方程式

分子量：1005644

体积理论上应减少44%,实际中体积只减少了10〜15%。所以，

在石灰的内部就形成了众多孔隙。

五）吸湿性强

因其本身多孔，且是亲水材料，故吸湿性强，保水性好，是传统

的干燥剂。

六）耐水性差

石灰水化后的成份一氢氧化钙能溶于水，若长期受潮或被水浸

泡，会使已硬化的石灰溃散，所以石灰不宜在潮湿的环境中使用。

五、石灰的用途

一）配制石灰砂浆和石灰乳涂料

石灰砂浆由石灰膏和砂、水拌合而成，可用作内墙、顶棚的抹面。

石灰乳由石灰膏解释而成，常用作内墙和顶棚的粉刷涂料。

二）配制灰土和三合土

灰土：石灰+粘土。

三合土：石灰+粘土+砂、石或炉渣等填料。

可广泛用作建筑物的基础、路面或地面的垫层。

三）制作碳化石灰板

碳化石灰板是将磨细生石灰、纤维状填料（如玻璃纤维）或轻质

骨料（如矿渣）搅拌、成型，然后经人工碳化而成的一种轻质板材，

适宜作非承重内墙板、天花板等。

四）制作硅酸盐制品

磨细生石灰或消石灰粉与砂或粒化高炉矿渣、炉渣、粉煤灰等硅

质材料经配料、混合、成型，再经常压或高压蒸汽养护，就可制得密

实或多孔的硅酸盐制品。如灰砂砖、粉煤灰砖及砌块、加气混凝土砌

块等。

五）配制无熟料水泥

将具有一定活性的材料（如粒化高炉矿渣、粉煤灰、煤砰石灰渣

等工业废渣），按适当比例与石灰配合，经共同磨细，可得到具有水

硬性的胶凝材料，即为无熟料水泥。

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第二节石膏

一、石膏的分类

石膏的化学成分是硫酸钙，按产源石膏可分为三类：

一）天然石膏

又称生石膏，直接存在于自然界，由石膏矿开采而得。天然石膏

又分为：

a型半水石膏和/型半水石膏

二）建筑石膏

又称熟石膏，化学式（CaS04.1/2H20）,它是由二水石膏在不同条

件下，经过脱水磨细而成的粉末物质。

问：普通建筑石膏和高强石膏调成浆体硬化后，谁的强度大？

答：高强石膏的强度大。因为高强石膏是在蒸压条件下成型，它

的晶体粒径粗大，因此（比表面积）小，比如：一个粉笔盒把它分为

两个盒子，体积未变，但表面积增加，也就是颗粒分得越细，则比表

面积越大。高强石膏的晶粒粗大，则比表面积越小，调成浆体时需水

量少，只有普通建筑石膏的一半，所以在硬化过程中，自由水少，由

于自由水蒸发而留下的孔隙少，则材料密实度高，故强度高。

三）化学石膏

利用化工厂排出的废料废渣，把其中所含的硫酸钙提炼出来的就

是化学石膏。

二、凝结硬化机理

一）化学反应

反应式：CaS04.2H20+l/2H20=CaS04.2H20

由于二水石膏在水中的溶解度仅为半水石膏在水（常温）中溶解

度的1/5,因此半水石膏的水化产物二水石膏在过饱和溶液中沉淀并

结晶，致使液相中原有的平衡浓度破坏，导致半水石膏进一步溶解、

水化，直至完全变成二水石膏为止。

二）物理化学变化

石膏凝结硬化过程实际上是一个连续过程，但人们为了掌握它的

机理，人为的划分为三个阶段：水化阶段、凝结阶段、硬化阶段。

在石膏石中，晶体主要起承力骨架和密实作用，胶体起粘结作用,

二紧密结合，形成坚固的石状体。

三、技术性质

一）颜色洁白，在同等条件下，比石灰更白

因为颜色洁白，所以易于着色，装饰效果好，质感细腻柔和。

二）水化作用快，凝结硬化快

半水石膏水化反应后的二水石膏颗粒为超细颗粒，属胶体结构，

由于颗粒间的分子引力作用而很快失去塑性，产生凝结硬化。其（初

凝时间）为5min；（终凝时间）为20〜30min；完全硬化所需时间为

7天。

因为石膏的水化快，硬化快，所以为了便于施工，保证有足够的

时间来浇注模具，一般需加入缓凝剂，如：动物胶（骨胶、皮胶），

纸浆废液等。凡是糖类、淀粉都能起缓凝作用，因为它们加入石膏浆

体中，能够降低石膏溶解度或溶解速度。

三）石膏硬化后孔隙率大

建筑石膏水化的理论需水量为18.6%,但在使用时，为了便于施

工，也就是使它的流动性好，实际加水量达60%〜80%,石膏凝结后,

多余水分蒸发，因而留下众多的孔隙，一般孔隙率可达40%〜60%。

石膏孔隙率大，故强度低，保温隔热性能好，吸声效果好。

四）在硬化过程中，体积有微膨胀，约为1%左右

所以石膏制品的饱满度好，表面光洁细腻，不产生裂缝，特别适

合作装饰材料使用。

五）具有良好的防火性

石膏具有良好的防火性，原因有三：

1、分子中结晶水多，有两个结晶分子，占分子量的20.93%,遇

火后脱水形成水蒸汽膜，阻止火势蔓延。

2、脱水反应是吸热反应，需吸收大量的热，从而延缓了石膏本

身的温度上升。

3、石膏失去结晶水后，形成无水硫酸钙，它是优良的阻燃物。

石膏的防火性能有多强，可通过下面实验理解。

六）石膏耐水性差

石膏制品是多孔结构，又是亲水材料，吸水饱和后石膏的软化系

数仅为0.2〜0.3,也就是强度损失达70%〜80%。所以耐水性差，在

潮湿环境中，吸湿变形还易于产生挠曲等。

问：为什么说石膏板是建筑物的一种良好内墙材料，但不能用作

外墙围护结构？

答案：石膏板具有良好的装饰性，它颜色洁白，质感细腻，饱满

度好，防火性能强，声、热功能均好，故是一种良好的内墙装饰材料。

但它本身强度较低，耐水性差，用于外墙易受侵蚀，故不能用作围护

结构。

四、用途

一）用于室内抹灰及粉刷

石膏洁白细腻，用于室内抹灰、粉刷，具有良好的装饰效果，可

作为腻子给油漆、涂料、壁纸打底。

二）制作石膏制品

由于石膏制品质量轻，且可锯、可刨、可钉，加工性能好，可制

作各种石膏制品、板材、砌块和艺术品等。

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第三节水玻璃

一、水玻璃的生产

1、湿法：nSiO2+2NaOH—Na2O•nSiO2+H2O

2、干法：Na2cCh+nSiO2—Na2O・nSiO2+CO2

二、水玻璃的硬化：

水玻璃在空气中吸收CO?形成无定性硅胶，硅胶脱水为空间网状结构

Si（）2晶体，并逐渐干燥而硬化（另外：由于空气中的CO?含量有限，

可加入一定量的氟硅酸钠进行调节，促使硅酸凝胶加速析出）

三、水玻璃的应用

1、作为灌浆材料，加固地基

2、作为涂料，可提高密实性和抗风化的能力

3、可作为耐酸材料（拌制耐酸砂浆、耐酸混凝土，用于防腐工程）

4、可作为耐热材料（拌制耐热砂浆、耐热混凝土，用于高温工程）

5、用于堵漏抢险工程（水玻璃溶于混凝土或砂浆中，可使他

们急速硬化