第3章 气硬性胶凝材料

第3章气硬性胶凝材料§3-1概述§3-2石灰§3-3石膏§3-4水玻璃§3-1概述建筑材料何为胶凝材料？

定义：凡在一定条件下，经过自身的一系列物理、化学作用后，能将散粒或块状材料粘结成为具有一定强度的整体的材料。胶凝材料的分类胶凝材料无机胶凝材料有机胶凝材料：沥青、树脂、橡胶等气硬性胶凝材料水硬性胶凝材料：各种水泥石灰石膏水玻璃镁质胶凝材料§3-1概述建筑材料气硬性胶凝材料

只能在空气中硬化、保持或持续发展强度的无机胶凝材料。

特点：在水中不能硬化，也就不具备有强度。其已硬化并具有强度的制品在水的长期作用下，强度会显著下降甚至破坏。因此，只适应于干燥环境中。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，保持并继续发展其强度（各种水泥）。第3章气硬性胶凝材料§3-1概述§3-2石灰§3-3石膏§3-4水玻璃§3-2石灰建筑材料石灰的生产

主要原料：石灰石、白云石、白垩、贝壳等

煅烧反应式：900~1100℃§3-2石灰建筑材料“欠火石灰”、“过火石灰”特点：外部为正常煅烧的石灰，残留有未烧透的内核石灰利用率低，粘结能力差煅烧温度过低或时间不足、原料尺寸过大煅烧温度过高或时间过长过火石灰欠火石灰特点：石灰表面出现裂纹或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色灰黑熟化慢；硬化后体积膨胀，引起鼓包和开裂§3-2石灰建筑材料石灰的消化（熟化）

熟化（消化）：工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为熟(消)石灰——氢氧化钙的过程。特点：速度快；体积膨胀；放出大量的热生石灰粉消石灰粉，主要成分为Ca(OH)2，又称“熟石灰”。石灰膏900~1100℃块状生石灰加过量水消化磨细加水拌合加适量水消化、然后干燥用于拌制石灰土、三合土用于拌制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆§3-2石灰建筑材料石灰的“陈伏”

为消除过火石灰的危害，生石灰熟化成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，使过火石灰充分熟化，这一过程称为石灰的“陈伏”。“陈伏”期间，灰浆表面应保有一层水分，隔绝空气，防止发生碳化反应。思考：磨细生石灰不经陈伏可直接使用，为什么？

这是因为粉磨过程使过火石灰表面积大大增加,与水熟化反应速度加快,几乎可以同步熟化,而且又均匀分散在生石灰粉中,不至引起过火石灰的种种危害。§3-2石灰建筑材料观察与讨论：两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别？成因？石灰浆A石灰浆B石灰砂浆A为凸出放射性裂纹，这是由于石灰浆的陈伏时间不足，致使其中部分过火石灰在石浆砂浆制作时尚未水化，导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成Ca(OH)2，产生体积膨胀，从而形成膨胀性裂纹。

石灰砂浆B为网状干缩性裂纹，是因石灰砂浆在硬化过程中干燥收缩所致。尤其是水灰比过大，石灰过多，易产生此类裂纹。§3-2石灰建筑材料石灰的硬化

石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由以下两个同时进行的过程来完成的：

结晶作用（干燥硬化）：游离水分蒸发或被砌体吸收，

Ca(OH)2以结晶形态析出，

浆体逐渐失去塑性。

碳化作用（碳化硬化）：Ca(OH)2与空气中的CO2和水化合生成CaCO3

晶体，释出水分并被蒸发。

碳化作用实际上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，所以这个作用不能在没有水分的全干状态下进行。§3-2石灰建筑材料硬化的特点

结晶自里向表，碳化自表向里

速度慢（通常需要几周的时间）

体积收缩大（容易产生收缩裂缝）由此可见，石灰是一种硬化慢、强度低的气硬性胶凝材料。§3-2石灰建筑材料石灰的技术要求项目钙质生石灰镁质生石灰优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO含量不少于（％）908580858075CO2含量不大于（％）5796810未消化残渣含量（5mm圆孔筛余）不大于（％）5101551015产浆量，不少于（L/kg）2.82.32.02.82.32.0

主要技术指标有细度、CaO+MgO含量、CO2含量、产浆量和体积安定性等。具体技术要求见下表。§3-2石灰建筑材料石灰的技术特性保水性与可塑性好

生石灰熟化为石灰浆时，形成了颗粒极细的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆突出的优点是具有良好的可塑性。工程应用：一种常见的改善水泥砂浆可塑性的方法。水泥砂浆石灰浆混合砂浆硬化过程缓慢，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。

石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后的强度也不高。§3-2石灰建筑材料硬化时体积收缩大

石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩、开裂，所以除调成石灰乳作为薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩、提高抗裂能力和节约石灰。耐水性差，吸湿性强

石灰水化后的成分——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，也不宜单独用于承重砌体的砌筑，石灰砂浆抹墙可产生一定的透气性。

生石灰具有很强的吸湿性，受潮会自动熟化成消石灰粉而失去胶凝能力，所以储存和运输生石灰时，既要防水防潮，而且不易久存。最好运到后即熟化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。

另外，生石灰受潮熟化时放出大量的热，而且体积膨胀，因此储存和运输生石灰是，要注意安全，将生石灰与易燃物分开保管，以免引起火灾。§3-2石灰建筑材料石灰的应用石灰乳消石灰粉或熟化好的石灰膏

水石灰乳（廉价涂料）

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石灰砂浆石灰膏

砂

水石灰砂浆（抹面）石灰膏

砂

水泥水混合砂浆（砌筑、抹面）

作抹面砂浆时，需加入纸筋、麻刀等纤维物质，以克服其收缩性。§3-2石灰建筑材料石灰土（灰土）消石灰粉

粘土水碾压夯实

可作低档住宅的基础和地面；

可作低档道路的基层和面层。产生强度的原因？三合土消石灰粉

粘土

砂或石屑、炉渣水碾压夯实

石灰与粘土或硅质工业废料表面的活性氧化硅或氧化铝可在潮湿环境中与水反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化氯酸钙，故石灰土可在潮湿环境中使用。

常用于建筑物基础、路面的垫层。§3-2石灰建筑材料石灰土三合土§3-2石灰建筑材料硅酸盐制品——中国矿业网：《绿色墙体材料灰砂砖》

灰砂砖是目前我国积极推广的一种新型墙体材料。轻质、高强、无毒、无辐射、保温隔热性能好、使用能耗低、防水性能好、施工方便、经济合理。广泛应用于住宅、民用、厂房等工业民用建筑。石灰

天然砂

硅铝质工业废渣水硅酸盐制品

采用高温高压养护或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度加快，令制品获得较高的早期强度；

主要产品有灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等。§3-2石灰建筑材料灰砂空心墙体砖蒸压灰砂墙体砖灰砂墙体砖轻质保温灰砂砖第3章气硬性胶凝材料§3-1概述§3-2石灰§3-3石膏§3-4水玻璃§3-3石膏建筑材料石膏的原料及生产硬石膏：以无水硫酸钙（CaSO4）为主要成分的天然矿石。也称无水石膏，结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的重要辅助原料。天然石膏：也称生石膏或二水石膏。大部分天然石膏为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。主要原料：硬石膏（

CaSO4

）、天然石膏（

CaSO4﹒2H2O）天然无水石膏CaSO4

天然二水石膏CaSO4•2H2O§3-3石膏建筑材料建筑石膏的生产天然二水石膏CaSO4•2H2O

β-半水石膏CaSO4·1/2H2Oα-半水石膏CaSO4·1/2H2O107-170℃干燥条件120-140℃蒸汽、加压§3-3石膏建筑材料建筑石膏的凝结硬化建筑石膏的水化反应

建筑石膏与适量水拌合后，能形成可塑性良好的浆体。生成的二水硫酸钙与生石膏分子式相同，但物理力学性能有差异。二水石膏溶解度比半水石膏溶解度小得多，所以二水石膏首先从饱和溶液中析晶沉淀，促使半水石膏继续溶解，这一反应过程连续不断进行，直至半水石膏全部水化生成二水石膏。§3-3石膏建筑材料建筑石膏的凝结

随水化反应进行，浆体中的自由水分因水化和蒸发而不断减少，二水石膏胶体微粒数量不断增加，浆体的稠度逐渐增大，可塑性逐渐减小，表现为石膏的“凝结”。1-半水石膏；2-二水石膏胶体微粒；3-二水石膏晶体；4-交错的晶体建筑石膏的硬化

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，其强度也不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化石膏结构，这一过程称为石膏的“硬化”。

必须理解的是，石膏浆体的凝结和硬化，实际上是交叉进行的，贯穿于整个凝结硬化全过程。§3-3石膏建筑材料建筑石膏的技术性能

强度、细度、凝结时间（初凝、终凝）。

按强度和细度又分为优等品、一等品和合格品。

具体技术要求见GB9776—1988《建筑石膏》（此处略）。

建筑石膏是在高温条件下煅烧而成的一种白色粉末状材料，本身易吸湿受潮，而且其凝结硬化速度很快，因此在储存和运输过程中，一定要注意防潮防水。

同时，石膏若长期存放，强度也会降低，一般储存三个月后强度会下降30%左右，因此建筑石膏储存时间不宜过长，一般不超过三个月。若超过三个月，应重新检验并确定其质量等级。§3-3石膏建筑材料建筑石膏的性能特点凝结硬化速度快

建筑石膏浆体凝结硬化速度很快。一般初凝时间仅为10min左右，终凝时间不超过30min。可加入适量的缓凝剂，如硼砂、亚硫酸盐酒精废液等。硬化时体积膨胀

建筑石膏凝结硬化过程中，其体积不会收缩，但稍有膨胀（0.2%～1.5%），这种微膨胀不会对石膏制品造成危害，反而能使石膏表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，没有其它材料干燥时的开裂现象。轻质多孔，但强度低

石膏在硬化过程中由于多余水分的蒸发，使原来的水空间形成孔隙，造成硬化后的石膏内部形成大量微孔，硬化后的表观密度约为800kg/ｍ3～1000kg/ｍ3，重量较轻。但是抗压强度也因此下降。约为3MPa～5MPa。受力时，石膏制品很容易损坏。§3-3石膏建筑材料良好的保温隔热和吸声、吸湿功能石膏硬化体中的大量微孔，使其传热性显著下降，因而具有良好的保温绝热能力。其表面微孔对声音传导或反射的能力也明显下降，因而具有较强的吸声能力。大热容量和大孔隙率以及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。建筑石膏制品§3-3石膏建筑材料防火性好

硬化后的石膏主要成分是二水石膏，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膜，可有效阻止火势的蔓延，因而具有良好的防火效果。具有一定的调温调湿性

石膏制品在硬化后存在大量的微孔，这些微孔结构使得石膏制品具有较好的保温性和吸声性。同时，由于石膏制品的热容量大、吸湿性强，当室内温度或湿度发生变化时，石膏制品能够吸入或呼出水分子，吸收或放出热量，从而有效地调节环境的温度和湿度装饰性和可加工性好

石膏制品表面光滑饱满，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。§3-3石膏建筑材料耐水性和抗冻性差

由于硬化石膏的强度来自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。部分二水石膏将溶解，发生局部溃散，故建筑石膏硬化时的耐水性较差。

若长期浸水，还会因二水石膏晶体逐渐溶解而导致破坏石膏制品吸水饱和后受冻，会因孔隙中水分结晶膨胀而破坏。所以，石膏制品的抗冻性较差，不宜用于潮湿部位。

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，可改善石膏制品的孔隙状态或使孔壁具有憎水性。§3-3石膏建筑材料建筑石膏的主要用途

配制石膏砂浆及粉刷石膏；（可用于内墙还是外墙？）

制作各种保温、吸声、防火制品：石膏板、石膏砌块等；

石膏板是土木工程中使用量最大的一类板材。吊顶、隔板

制作各种装饰制品；

制作建筑雕塑和模型等；

生石膏可作为水泥生产的原料。水泥生产过程中必须掺入适量的石膏作为缓凝剂，不掺、少掺或多掺都会导致水泥无法正常使用或根本无法使用。

我国生产的石膏制品主要有纸面石膏板、空心石膏条板、纤维石膏板、石膏砌块和其它石膏装饰板等。§3-3石膏建筑材料粉刷饰面：粉刷石膏装饰：石膏吊顶、罗马柱建筑石膏板材吸音板石膏空心轻质隔墙板§3-3石膏建筑材料现象

某工人用建筑石膏粉拌水，拌成一桶石膏浆，用以在光滑的天花板上直接粘贴石膏饰条，前后半小时完工。几天后，最后粘贴的两条石膏饰条突然坠落。建筑石膏拌水后一般数分钟至半小时左右凝结，后来粘贴石膏饰条时石膏浆已初凝，粘结性能差。可掺入缓凝剂，延长凝结时间；或者分多次配制石膏浆，即配即用。在光滑的天花板上直接贴石膏条，粘贴难以牢固，宜对表面予以打刮，以利粘贴。或者，在粘贴的石膏浆中掺入部分粘结性强的粘结剂。§3-3石膏建筑材料现象

某住户喜爱石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕板作装饰。使用一段时间后，客厅、卧室效果相当好，但厨房、厕所、浴室的石膏制品出现发霉变形。试分析原因。厨房、厕所、浴室等处较潮湿，普通石膏制品具有强的吸湿性和吸水性，在潮湿的环境中，晶体间的粘结力削弱，强度下降、变形，且还会发霉。欲提高建筑石膏耐水性，可掺入一定量的水泥或其他含活性SiO2、Al2O3及CaO的材料，如粉煤灰、石灰。掺入有机防水剂亦可改善石膏制品的耐水性。第3章气硬性胶凝材料§3-1概述§3-2石灰§3-3石膏§3-4水玻璃§3-4水玻璃建筑材料水玻璃的组成水玻璃——俗称泡花碱，由不同比例的碱金属氧化物和SiO2化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。水玻璃的化学通式：R2O·

nSiO2，其中n为水玻璃模数。碱性水玻璃n<3，中性水玻璃n≥3。建筑常用硅酸钠(Na2O·nSiO2)水溶液，又称钠水玻璃。液体水玻璃是一种具有胶体特征，又具有溶液特征的胶体溶液。水玻璃模数n越大，因硬化时析出的硅酸凝胶nSiO2·mH2O较多，水玻璃粘度越大，硬化速度越快，硬化后的粘结强度、抗压强度等越高，耐水性越好，抗渗性及耐酸性也越好。§3-4水玻璃建筑材料水玻璃的生产

水玻璃的生产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。直接反应成液体水玻璃。

干法生产硅酸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，按下式反应生成固体水玻璃（固体水玻璃在水中加热溶解而生成液体水玻璃）：§3-4水玻璃建筑材料水玻璃的硬化在空气中的硬化

液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸凝胶，并逐渐干燥硬化。注：加入氟硅酸钠可促使水玻璃的硬化

由于空气中CO2粘度较低，这个过程进行得很慢，为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%。§3-4水玻璃建筑材料水玻璃的技术特性粘结力强

水玻璃是建筑上常用的粘结材料和胶凝材料。硬化后具有较高的粘结强度、抗拉和抗压强度。耐酸不耐碱

硬化后的水玻璃，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。但不耐碱性介质侵蚀。(SiO2

和R2O·nSiO2均为酸性物质，溶于碱)

可作耐酸混凝土的胶凝材料，与耐酸骨料配制耐酸砂浆、耐酸混凝土。耐热性好

水玻璃不燃烧，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。§3-4水玻璃建筑材料水玻璃的工程应用涂刷材料表面，提高抗风化能力

水玻璃硬化析出的硅酸凝胶能堵塞毛