无机胶凝材料课件

气硬胶凝材料

1.定义：工程上用来将松散材料（如砂或石子）粘结为一个整体的材料，统称为胶凝材料（或胶结材）。

2.1胶凝材料的定义、分类：2.分类：按胶凝材料的硬化条件可分为两大类：有机胶凝材料和无机胶凝材料，无机胶凝材料按其硬化条件又可分为水硬性胶凝材料（如水泥）和气硬性胶凝材料（如石灰）。（1)气硬性胶凝材料：如石灰、石膏、菱苦土的水玻璃等只能在空气中硬化、保持或继续提高强度的胶凝材料。(2)水硬性胶凝材料如各种水泥，则不仅能在空气中硬化、而且能更好的在水中硬化，且可在水中或适宜的环境中保持并继续提高速度。2.2石灰石灰是由以碳酸钙（ＣａＣＯ3）为主要成分的石灰石煅烧而得到的一种气硬性胶凝材料。主要成分为氧化钙（ＣａＯ）和氧化镁（ＭｇＯ）。

工地现场石灰堆放工地现场石灰过筛1.石灰的生产工艺概述１.原料：

石灰是由富含碳酸钙的岩石(如石灰石、白云石、白垩等)为主，亦可应用含有氧化钙和部分氧化镁的岩石经过煅烧，逸出二氧化碳气体后得到的块状材料。煅烧过程中，碳酸钙的分解需要吸收热量，通常需加热至900℃以上，其化学反应可表示如下：２.生产工艺：优质的石灰，色质洁白或略带灰色，质量较轻，块状石灰堆积密度为８００～１０００ｋｇ／ｍ3，具有多孔结构。。

石灰在烧制过程中，往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不匀等原因，使得石灰中含有未烧透的内核，这种石灰即称为“欠火石灰”。欠火石灰的未消化残渣含量高，有效氧化钙和氧化镁含量低，使用时缺乏粘结力。欠火石灰过火石灰

另一种情况是由于烧制的温度过高或时间过长，使得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，块体密度大，消化缓慢。这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰用于建筑结构物中仍能继续消化，以致引起成型的结构物体体积膨胀，导致结构物表面产生鼓包、隆起、起皮、剥落或产生裂缝等破坏现象，故危害极大。3.石灰的消化和硬化(1)石灰的消化烧制成的生石灰，在使用时必须加水使其“消化”成为“消石灰”，这一过程亦称“熟化”，故消石灰亦称“熟石灰”．其化学反应为：

CaO+H20—Ca(OH)2+64.9kJ/mol

消石灰主要化学成分为氢氧化钙Ca(OH)2。上式理论需水量仅为石灰的32％，但是由于石灰消化是一个放热反应过程，实际加水量达70％以上。根据加水量的不同，可以得到不同形态的熟石灰，加水量恰好完成上述反应，可得到细粉状的熟石灰即消石灰粉；加入超过上述反应所需的水，可得石灰浆；加入更多的水稀释石灰浆可得到石灰乳。

块状石灰从加水至产生热量达到最高温度所需的时间称为消解速度。在石灰消化时，应注意加水速度。对消解速度快、活泼性大的石灰，如加水过慢，水量不够，则已消化的石灰颗粒生成Ca(OH)2包围于未消化颗粒周围，使内部石灰不易消化，这种现象称为“过烧”现象；相反，对于消解速度慢、活泼性差的石灰，如加水过快，则发热量少，水温过低，增加了未消化颗粒，这种现象称为“过冷”现象。

石灰消化时，为了消除“过火石灰”的危害，可在消化后“陈伏”2-3周再使用。石灰浆在陈伏期间，在其表面应有一层水分，使之与空气隔绝，以防止碳化。石灰加水后，

放出大量的热；

体积膨胀，质纯且煅烧良好的石灰体积增大１～２.５倍。

石灰的硬化过程包括干燥硬化和碳酸化两部分。

①石灰浆的干燥硬化(结晶作用)

石灰浆体干燥过程，由于水分蒸发形成网状孔隙，这时滞留在孔隙中的自由水由于表面张力的作用而产生毛细管压力，使石灰粒子更加密实，而获得“附加强度”。此外，由于水分的蒸发，引起Ca(OH)2。溶液过饱和而结晶析出，并产生“结晶强度”。但从溶液中析出Ca(OH)2数量极少，因此强度增长不显著。(2)石灰的硬化②硬化石灰浆的碳化(碳化作用)

氢氧化钙与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙晶体，为熟石灰的“碳化”，石灰浆体经碳化后获得的最终强度，称为“碳化强度”。其化学反应式为：

Ca(OH)2+C02+nH20——CaCO3+(n+1)H2O

该反应主要发生在与空气接触的表面，当浆体表面生成一层CaCO3薄膜后，碳化进程减慢，同时内部的水分不易蒸发，所以石灰的硬化速度随时间增长逐渐减慢。4.石灰的特性和技术标准（１）技术标准：生石灰：按现行建材行业标准《建筑生石灰》JC/T479-92的规定分为：优等品、一等品、合格品三个等级。用于建筑工程的生石灰，应符合相应的技术要求。１）有效氧化钙和氧化镁含量

石灰中产生粘结性的有效成分是活性氧化钙和氧化镁。它们的含量是评价石灰质量的首要指标。

产浆量是单位质量的生石灰经消化后，所产石灰浆体的体积（Ｌ）。按现行标准《建筑石灰物理试验方法》(JC/T478.1—92)规定，取石灰试样1kg，倒人装有500mL(20±5℃)清水的标准产浆桶内的筛筒中，盖上盖子，静置消化20min，用圆木棒连续搅动2min，继续静置消化40min，再搅动2min。提取筛筒，用清水冲洗筛筒内残渣，至水流不浑浊，冲洗残渣的清水仍倒入产浆桶内，水的总体积控制在3000mL。将残渣在100～105~C烘箱烘干至恒重，冷却至室温后用5mm圆孔筛筛分，称量筛余物，计算未消化残渣含量。石灰浆体在产浆桶中静置24h后，用钢尺量出浆体高度，计算产浆量。

２）生石灰产浆量：３）未消化残渣含量：

未消化残渣含量是指生石灰消化后，未能消化而存留在５ｍｍ圆孔筛上的残渣占试样的百分率。

控制生石灰或生石灰粉中CO2的含量，是为了检测石灰石在煅烧时“欠火”造成产品中未分解完成的碳酸盐的含量。CO2含量越高，即表示未分解完全的碳酸盐含量越高，则(CaO+MgO)含量相对降低，导致石灰的胶结性能的下降。４）

二氧化碳含量

按现行建材行业标准《建筑生石灰粉》JC/T480-92的规定分为：优等品、一等品、合格品三个等级。用于建筑工程的石灰，应符合下列技术要求。１）有效氧化钙和氧化镁含量2）二氧化碳含量3）细度细度与石灰的质量有密切联系，过量的筛余物影响石灰的粘结性

《建筑消石灰粉》（ＪＣ／Ｔ４８１－９２）的规定，按其氧化镁含量划分为钙质消石灰粉、镁质消石灰粉和白云石消石灰粉。建筑消石灰粉的技术性质：1）有效氧化钙和氧化镁含量2）游离水含量游离水含量，指化学结合水以外的含水量。生石灰在消化过程中加入的水是理论需水量的2～3倍，除部分水被石灰消化过程中放出的热蒸发掉外，多加的水分残留于氢氧化钙(除结合水外)中。残余水分蒸发后，留下孔隙会加剧消石灰粉的碳化作用，以致影响石灰的质量，因此对消石灰粉的游离水含量需加以限制。3）体积安定性4）细度（2）石灰的特性①可塑性好，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1μ）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好可塑性。在水泥砂浆中掺入石灰浆，可使可塑性显著提高。②水化热大，水化时体积增大

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。受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会溃散。如石灰砂浆（1：3）28天强度仅为0.2-0.5MPa。所以，石灰不宜在潮湿的环境下作用，也不宜用于重要建筑物基础。③硬化缓慢石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩，所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩和节约石灰。⑤硬化后的强度低④硬化时体积收缩较大⑥耐水性差

块状类石灰放置太久，会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中二氧化碳作用而还原为碳酸钙，失去胶结能力。所以贮存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜贮存过久。最好运到后即熟化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。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。①石灰乳涂料将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水搅拌稀释，成为石灰乳，是一种廉价的涂料，主要用于内墙和天棚刷白，增加室内美观和亮度。我国农村也用于外墙。石灰乳可加入各种耐碱颜料。调入少量水泥、粒化高炉矿渣或粉煤灰，可提高其耐水性，调入氯化钙或明矾，可减少涂层粉化现象。3.石灰的应用②配置石灰砂浆石灰砂浆是将石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途，分为砌筑砂浆和抹面砂浆。③拌制石灰土和三合土

石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用，制成石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，适于在潮湿环境中使用。如建筑物或道路基础中使用的石灰土，三合土，二灰土（石灰、粉煤灰或炉灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰或炉灰、级配碎石）等。④生产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反应速度显著加快，使制品产生较高的强度。如灰砂砖、硅酸盐砖、硅酸盐混凝土制品等。4.石灰的储存（1）磨细的生石灰粉应储存于干燥仓库内，采取严格防水措施。（2）如需较长时间储存生石灰，最好将其消解成石灰浆，并使表面隔绝空气，以防碳化。2.3石膏1.石膏的原料、分类及生产

石膏是以硫酸钙为主要成分的矿物，当石膏中含有结晶水不同时可形成多种性能不同的石膏。根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为：（1）无水石膏（ＣaSO4）：也称硬石膏，它结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的原料。（2）天然石膏（ＣaSO4·2H2O）：也称生石膏或二水石膏，大部分自然石膏矿为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。（３）建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）也称熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，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：建筑石膏通常是由天然石膏经压蒸或煅烧加热而成的。常压下煅烧加热到107℃～170℃，可产生β型建筑石膏：

（二水石膏） （β型半水石膏）124℃条件下压蒸（1.3大气压）加热可产生α型建筑石膏：

（二水石膏） （α型半水石膏）

高强石膏α型半水石膏与β型半水石膏相比，结晶颗粒较粗，比表面积较小，强度高，因此又称为高强石膏。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。

2建筑石膏的水化与硬化建筑石膏与适量水拌合后，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的反应式为：此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，所以此反应总体表现为向右进行，二水石膏以胶体微粒自水中析出。

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磨擦力和粘结力，造成浆体的塑性开始下降，这一现象称为石膏的初凝；而后随着晶体颗粒间磨擦力和粘结力的增大，浆体的塑性很快下降，直至消失，这种现象为石膏的终凝。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。3建筑石膏的技术标准建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时间。并按强度和细度分为优等品、一等品和合格品。具体技术要求见GB9776-1988。”4建筑石膏的特性（１）凝结硬化速度快建筑石膏的浆体，凝结硬化速度很快。一般石膏的初凝时间仅为10min左右，终凝时间不超过30min，这对于普通工程施工操作十分方便。有时需要操作时间较长，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸盐酒精废液等。（２）凝结硬化时的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，其体积不仅不会收缩，而且还稍有膨胀（0.2%~1.5%），这种膨胀不会对石膏造成危害，还能使石膏的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥时的开裂。（３）硬化后的多孔性，重量轻，但强度低建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，常加入的水分要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化过程中由于水分的蒸发，使原来的充水部分空间形成孔隙，造成石膏内部的大量微孔，使其重量减轻，但是抗压强度也因此下降。通常石膏硬化后的表观密度约为８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3，抗压强度约为３ＭPa～5ＭPa。（４）良好的隔热和吸音和“呼吸”功能石膏硬化体中大量的微孔，使其传热性显著下降，因此具有良好的绝热能力；石膏的大量微孔，特别是表面微孔对声音传导或反射的能力也显著下降，使其具有较强的吸声能力。大热容量和大的孔隙率及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。（５）防火性好，但耐水性差硬化后石膏的主要成分是二水石膏，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。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。部分二水石膏溶解而产生局部溃散，所以建筑石膏硬化体的耐水性较差。（6）有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，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。5建筑石膏的应用(1)

石膏砂浆及粉刷石膏(2)建筑石膏制品：石膏板、石膏砌块等(3)制作建筑雕塑和模型2.4.水玻璃水玻璃俗称泡花碱，由碱金属氧化物和二氧化硅组成，属可溶性的硅酸盐类。根据碱金属氧化物的不同，水玻璃有: 硅酸钠水玻璃（Na2O·ｎSiO2）、硅酸钾水玻璃Ｋ2Ｏ·ｎSiO2）、硅酸锂水玻璃（Ｌi2O·ｎSiO2）等品种，最常用的是硅酸钠水玻璃。（ 称为水玻璃模数）根据水玻璃模数的不同，又分为“碱性”水玻璃（ｎ＜３和“中性”水玻璃（ｎ≥3）。实际上中性水玻璃和碱性水玻璃的溶液都呈明显的碱性反应。2.4.1水玻璃的生产生产水玻璃的方法分为湿法和干法两种。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。直接反应生液体水玻璃。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˚C温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃。固体水玻璃于水中加热溶解而生成液体水玻璃。其反应式为：2.4.2水玻璃的硬化液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸凝胶，并逐渐干燥而硬化：由于空气中CO2浓度较低，这个过程进行的很慢，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。氟硅酸钠的适宜用量为水玻璃重量的12％～１５％。2.4.3水玻璃的技术性质（１）粘结力强。水玻璃硬化后具有较高的粘结强度、抗拉强度和抗压强度。另外，水玻璃硬化析出的硅酸凝胶还有堵塞毛细孔隙而防止水分渗透的作用。（２）耐酸性好。硬化后的水玻璃，其主要成分是ＳiO2，具有高度的耐酸性能，能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用。但其不耐碱性介质侵蚀。（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。2.4.4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，或涂刷粘土砖、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。反应式为：（2）配制防水剂以水玻璃为基料，配制防水剂。例如：四矾防水剂是以蓝矾(硫酸铜)、明矾（钾铝矾）、红矾（重铬酸钾）和紫矾（铬矾）各１份，溶于60份的沸水中，降温至５０℃，投入400份水玻璃溶液中，搅拌均匀而成的。这种防水剂可以在1min内凝结,适用于堵塞漏洞、缝隙等局部抢修。（3）加固土壤将模数为２.５～３的液体水玻璃和氯化钙溶液通过金属管交替向地层压入，两种溶液发生化学反应，可析出吸水膨胀的硅酸胶体，包裹土壤颗粒并填充其空隙，阻止水分渗透并使土壤固结。用这种方法加固的砂土，抗压强度可达３～６ＭＰａ。(4)配制水玻璃砂浆。将水玻璃、矿渣粉、砂和氟硅酸钠按一定比例配合成砂浆,可用于修补墙体裂缝。（５）配制耐酸砂浆、耐酸混凝土、耐热混凝土用水玻璃作为胶凝材料，选择耐酸骨料，可配制满足耐酸工程要求的耐酸砂浆、耐酸混凝土。选择不同的耐热骨料，可配制不同耐热度的水玻璃耐热混凝土。#

例题例11某单位宿舍楼的内墙使用石灰砂浆抹面。数月后，墙面上出现了许多不规则的网状裂纹。同时在个别部位还发现了部分凸出的放射状裂纹。试分析上述现象产生的原因。

解

石灰砂浆抹面的墙面上出现不规则的网状裂纹，引发的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起体积收缩的结果。

墙面上个别部位出现凸出的呈放射状的裂纹，是由于配制石灰砂浆时所用的石灰中混入了过火石灰。这部分过火石灰在消解、陈伏阶段中未完全熟化，以致于在砂浆硬化后，过火石灰吸收空气中的水蒸汽继续熟化，造成体积膨胀。从而出现上述现象。

例2既然石灰不耐水，为什么由它配制的灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位？解：石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中石灰与粘土表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，所以灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高，适于在潮湿环境中使用。再者，由于石灰的可塑性好，与粘土等拌合后经压实或夯实，使灰土或三合土的密实度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大为减少。因此灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位。例3建筑石膏及其制品为什么适用于室内，而不适用于室外使用？

解

建筑石膏及其制品适用于室内装修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝结硬化后具有以下的优良性