气硬性胶凝材料理论介绍(ppt 64页).ppt

1、第02章 气硬性胶凝材料,胶凝材料的概念和分类,胶凝材料是指能将散粒材料、块状材料或纤维材料粘结成为整体，并经物理、化学作用后可由塑性浆体逐渐硬化而成为人造石材的材料。 按照化学成分的不同，胶凝材料可分为： 有机胶凝材料：如沥青、树脂、橡胶等。 无机胶凝材料： 气硬性胶凝材料：只能在空气中凝结硬化，也只能在空气中保持和发展其强度，如建筑石膏、石灰、水玻璃、菱苦土等； 水硬性胶凝材料：不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，并保持和发展其强度，如各种水泥。,2.1石灰,石灰吟 于谦明代 千锤万击出深山，烈火焚烧若等闲； 粉身碎骨浑不怕，要留清白在人间。,2.1.1 石灰的生产及分类 石灰的来

2、源之一是某些工业副产品。如： CaC22H2OC2H2Ca（OH）2 生产石灰的原料为石灰石、白云质石灰石或其他含碳酸钙为主的天然原料。,原料,以碳酸钙为主的天然原料： 石灰岩（limestone ）、白垩、白云质石灰岩、贝壳等。,石灰石,白云质石灰石,白 垩,贝 壳,石灰煅烧窑：土窑、立窑和回转窑。土窑为间歇式煅烧，立窑和回转窑为连续式煅烧。,土窑,立窑,河北省唐山丰南石源冶金炉料公司2002年5月建成投产日产480吨的节能型石灰立窑。,回转窑,武钢乌龙泉矿日产600吨回转窑。,立窑生产石灰的过程：原料和燃料按一定比例从窑顶分层装入，逐层下降，在窑中经预热、煅烧、冷却等阶段后，成品从窑底卸出

3、。其工艺流程为：,石灰的煅烧需要足够的温度和时间 石灰石在600左右开始分解，并随着温度的提高其分解速度也逐渐加快； 当温度达到900时，CO2分压达到1105Pa,此时的分解就能达到较快的速度，因此，常将这个温度作为CaCO3的分解温度。 在实际生产中，可采用更高的煅烧温度以进一步加快石灰石分解的速度，但不得采用过高的温度，通常控制在10001200。,正火石灰：正常温度和煅烧时间所煅烧的石灰具有多孔结构，内部孔隙率大，表观密度较小，晶粒细小，与水反应迅速，这种石灰称为正火石灰。 欠火石灰：若煅烧温度低或时间短时，石灰石的表层部分可能为正火石灰，而内部会有未分解的石灰石核心；其石灰石核不能水

4、化。 过火石灰：若煅烧温度过高或高温持续时间过长，则会因高温烧结收缩而使石灰内部孔隙率减少，体积收缩，晶粒变得粗大，这种石灰称为过火石灰；其结构较致密，与水反应时速度很慢，往往需要很长时间才能产生明显的水化效果。,石灰石中常含有一定量的碳酸镁（MgCO3）：,MgO：结构致密和水化速度很慢。 按氧化镁含量的多少，建筑石灰可分为钙质和镁质两类。 当石灰中MgO含量小于或等于5时，称钙质石灰； 当MgO含量大于5时，称为镁质石灰。,石灰的种类,生石灰粉：由块状生石灰磨细生成。 消石灰粉：将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为Ca(OH)2。 石灰膏：将块状石灰石用过量水（约为生石灰体积

5、的34倍）消化所得的膏状物即为石灰膏，其主要成分为Ca(OH)2和水。石灰膏中的水分约占50%，容重为13001400kg/m3。lkg生石灰可熟化成1.5kg3kg石灰膏。,2.1.2 石灰的熟化与硬化,1.石灰的熟化 CaOH2O Ca(OH)264.9 kJ 熟化时体积增大12.5倍。 为了消除过火石灰的危害，石灰膏在使用之前应进行陈伏。陈伏是指石灰乳（或石灰膏）在储灰坑中放置14d以上的过程。 陈伏期间，石灰膏表面应保有一层水分，使其与空气隔绝。,2.石灰的硬化,(1)干燥结晶硬化过程 水分蒸发引起Ca（OH）2溶液过饱和而结晶析出。 (2)碳化过程 氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成

6、碳酸钙结晶，并释出水份，称为碳化。 Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O 碳化作用只有在孔壁充水，而孔中无水时，碳化作用才能进行较快。 当材料表面形成碳酸钙达到一定厚度时，阻碍了空气中CO2的渗入，也阻碍了内部水分向外蒸发，这是石灰凝结硬化慢的原因。,2.1.3 石灰的性质与技术要求,1.石灰的性质 可塑性好。生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径约为1m）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。 硬化较慢、强度低。硬化后的强度也不高，1:3的石灰砂浆28天抗压强度通常只有0.20.5MPa。 硬化时体积收缩大。工程上常在其中掺入砂、各种纤维材料等减

7、少收缩。 耐水性差。石灰不宜在潮湿的环境中使用，也不宜单独用于建筑物基础。 石灰吸湿性强。块状生石灰在放置过程中，会缓慢吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙，失去胶结能力。,2.石灰的技术要求,建筑工程中所用的石灰常分三个品种：建筑生石灰、建筑生石灰粉和建筑消石灰粉。 我国建材行业标准： JC/T479-92 建筑生石灰 JC/T480-92建筑生石灰粉 JC/T481-92 建筑消石灰粉 交通部门行业标准JTJ 0342000公路路面基层施工技术规范仍按国家标准GB 159479将生石灰和消石灰分为三个等级，其技术要求均低于对应的建材行业标准。,(1)生石

8、灰,按现行建材行业标准JC/T 479-92建筑生石灰的规定，钙质生石灰、镁质生石灰各分为优等品、一等品、和合格品三个等级，技术指标见表：,(2)生石灰粉,按现行行业标准JC/T 480-92建筑生石灰粉的规定，生石灰粉的技术指标如表：,(3)建筑消石灰粉,建筑消石灰粉按氧化镁含量分为钙质消石灰粉、镁质消石灰粉、白云石消石灰粉等，每种又有优等品、一等品和合格品三个等级。 建筑消石灰粉按氧化镁含量的分类界限,建筑消石灰粉的技术指标,2.1.4 石灰的应用,1.制作石灰乳涂料 石灰乳由消石灰粉或消石灰浆掺大量水调制而成。可用于建筑室内墙面和顶棚粉刷。掺入107胶或少量水泥粒化高炉矿渣(或粉煤灰)，

9、可提高粉刷层的防水性；掺入各种色彩的耐碱材料，可获得更好的装饰效果。 2.配制砂浆 石灰浆和消石灰粉可以单独或与水泥一起配制成砂浆，前者称石灰砂浆，后者称混合砂浆，用于墙体的砌筑和抹面。为了克服石灰浆收缩性大的缺点，配制时常要加入纸筋等纤维质材料。,3.拌制石灰土和石灰三合土 消石灰粉与粘土的拌合物，称为灰土，若再加入砂（或碎石、炉渣等）即成三合土。 灰土和三合土在夯实或压实下，密实度大大提高，而且在潮湿的环境中，粘土颗粒表面的少量活性氧化硅和氧化铝与Ca(OH)2发生反应，生成水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，使粘土的抗渗能力、抗压强度、耐水性得到改善。 三合土和灰土主要用于建筑物基础、路面和

10、地面的垫层。,4.生产硅酸盐制品 磨细生石灰(或消石灰粉)和砂(或粉煤灰、粒化高炉矿渣、炉渣)等硅质材料加水拌和，经过成型、蒸养或蒸压处理等工序而成的建筑材料，统称为硅酸盐制品。如灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等。,2.1.5 石灰的贮存,应注意防潮和防碳化 生石灰应贮存在干燥的环境中，要注意防雨防潮，并不宜久存。最好运到工地（或熟化工厂）后立即熟化成石灰浆，将储存期变为陈伏期。 消石灰贮存时应包装密封，以隔绝空气，防止碳化；对石灰膏，应在其上层始终保留2cm以上的水层，以防止其碳化而失效。 注意安全 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

11、安全。 在石灰装卸过程中也要注意安全。,石灰砂浆的裂纹,请观察图中A、B两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别，并讨论其成因。,石灰砂浆A石灰砂浆B,内外墙粉刷层爆裂,上海某新村四幢六层楼1989年911月进行内外墙粉刷，1990年4月交付甲方使用。此后陆续发现内外墙粉刷层发生爆裂。至5月份阴雨天，爆裂点迅速增多，破坏范围上万平方米。爆裂源为微黄色粉粒或粉料。该内外墙粉刷用的“水灰”，系宝山某厂自办的“三产”性质的部门供应，该部门由个人承包。 对爆裂采集的微黄色爆裂物作X射线衍射分析，证实除含石英、长石、CaO、Ca(OH)2、CaCO3外，还含有较多的MgO、Mg(OH)2以及少量白云石。

12、 分析：该“水灰“含有相当数量的粗颗粒，相当部分为CaO与MgO，这些未充分消解的CaO和MgO在潮湿的环境下缓慢水化，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，固相体积膨胀约2倍，从而产生爆裂破坏。,2.2 建筑石膏,石膏是以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料。 2.2.1石膏的分类 1.天然石膏。可分为天然二水石膏和天然硬石膏。 天然二水石膏 (CaS042H20)，属于以硫酸钙为主所形成的沉积岩，一般沉积在距地表8001500m的深处。密度约为2.22.4g/cm3，难溶于水。 天然硬石膏又称无水石膏，它是由无水硫酸钙(CaSO4)所组成的沉积岩石，其密度约为2.93.1g/cm3。硬石膏矿

13、层一般位于二水石膏层以下的深处，其晶体结构比较稳定，化学活性较差。 2.化学石膏。是指化工生产过程中所生成的以CaSO42H2O或CaSO40.5H2O为主要成分的副产品。,2.2.2石膏的生产,1.建筑石膏 建筑石膏（半水石膏）是将二水石膏加热脱水制成的产品，由于其脱水工艺不同，所形成的半水石膏类型也不同。其中在蒸压环境中加热（蒸炼）可得型半水石膏，在回转窑或炒锅中进行直接加热（煅烧）可得型半水石膏。 普通建筑石膏：型半水石膏再经磨细所制得的白色粉未，是土木工程中应用最多的石膏材料。,2.高强石膏,2.高强石膏 高强石膏是将天然二水石膏蒸压脱水而得的 型半水石膏经磨细制得的白色粉末。高强石膏

14、具有较高的强度和粘结能力，多用于要求较高的抹灰工程、装饰制品和制作石膏板；当加入防水剂后它还可制成高强防水石膏，加入少量有机胶结材料可使其成为无收缩的胶粘剂。,3.硬石膏,半水石膏在200左右时转变而成脱水半水石膏，其结构不稳定，在潮湿条件下易转变成相应的半水石膏。当温度继续升高时可转变成可溶性硬石膏（CaSO4-），但其性质变化却不大，也能很快地从空气中吸收水分而水化，且强度较低。 可溶性硬石膏在4001180范围煅烧转变成不溶性硬石膏(CaSO4)，其结构体变得紧密和稳定，密度大于2. 99g/cm3，难溶于水，凝结很慢。只有加入某些激发剂（如碱性粒化高炉矿渣、石灰等）后，才能使其具有一定

15、的水化和硬化能力；不溶性硬石膏经磨细后可制成无水石膏水泥（硬石膏水泥），它主要用于制作石膏灰浆、石膏板和其他石膏制品。,4.高温煅烧石膏,煅烧温度大于1180时，CaSO4开始部分分解，称为煅烧石膏，其主要成分为CaSO4和少量石灰，能凝结硬化，强度高。 在1600以上，CaSO4全部分解成石灰。 CaSO4CaOSO2+O2,2.2.3 建筑石膏的凝结与硬化,建筑石膏的凝结与硬化机理很复杂，但其硬化理论主要有两种: 结晶理论（又称溶解沉淀理论）； 胶体理论（又称局部反应理论）。 浆体内部的化学变化结果主要为： CaSO40.5H2O+1.5H2OCaSO42H2O+19300J/mol 按照

16、结晶理论，建筑石膏的凝结硬化过程可分为三个阶段，即: 水化作用的化学反应阶段 结晶作用的物理变化阶段 硬化作用的强度增强阶段,石膏凝结硬化机理：半水石膏加水拌和后很快溶解于水，并生成不稳定的过饱和溶液；溶液中的半水石膏经过水化反应而转化为二水石膏。因为二水石膏比半水石膏的溶解度要低(20时，以CaSO4计，二水石膏为2.05g/L,型半水石膏为7.06g/L,型半水石膏为8.16g/L)，所以二水石膏在溶液中处于高度过饱和状态，从而导致二水石膏晶体很快析出。 石膏凝结硬化示意图,半水石膏；二水石膏胶体微粒； 二水石膏晶体；交错的晶体,由于半水石膏完全水化的理论需水量是18.6，而实际用水量远大

17、于此，通常： 普通建筑石膏（型半水石膏）水化时的用水量一般为6080。因此，未参与水化的多余水分蒸发后在石膏硬化体内会留下大量的孔隙，从而使其密实度和强度都大大降低。通常其强度只有7.010.0MPa。 高强石膏(型半水石膏)，由于其水化时的用水量较低（为3545），只是建筑石膏用水量的一半，因此其硬化体结构较密实，强度也较高（可达24.040.0MPa）。,2.2.4建筑石膏的技术性质,1.建筑石膏的技术要求 建筑石膏(GB9776-1999)规定，根据建筑石膏的主要技术指标可划分为优等品、一等品和合格品等三个质量等级，并要求它们的初凝时间不小于6min，终凝时间不大于30min，其他技术性

18、能指标应满足规定要求。,2.建筑石膏的技术特性,凝结硬化快。建筑石膏水化迅速，常温下完全水化所需时间仅为712min。适合于大规模连续生产。在使用石膏浆体时，若需要延长凝结时间，可掺加适量缓凝剂。 硬化后孔隙率大、强度较低。建筑石膏孔隙率可高达4060。建筑石膏制品的表观密度较小(400900kg/m3)，导热系数较小(0.1210.205W（mK）) 。较高的孔隙率使得石膏制品的强度较低。 体积稳定。建筑石膏凝结硬化过程中体积不收缩，还略有膨胀，一般膨胀率为0.05%0.15%。,不耐水。石膏的软化系数仅为0.30.45。若长期浸泡在水中还会因二水石膏晶体溶解而引起溃散破坏；若吸水后受冻，还

19、会因孔隙中水分结冰膨胀而引起崩溃。因此，石膏的耐水性、抗冻性都较差。 防火性能良好。石膏制品本身不可燃，而且具有抵抗火焰靠近的能力。 具有一定调湿作用。由于石膏制品内部的大量毛细孔隙对空气中水分具有较强的吸附能力，在干燥时又可释放水分。 装饰性好。石膏洁白、细腻。,2.2.5建筑石膏的应用,1.粉刷石膏。由建筑石膏或由建筑石膏与无水石膏(CaS04 )二者混合后，再掺入外加剂、填料（砂、珍珠岩、石粉）等制成。按其用途不同可分为面层粉刷石膏（M）、底层粉刷石膏（D）和保温层粉刷石膏（W）三类。 粉刷石膏(JC/T517-1993)的标准规定，初凝时间应不小于1h，终凝时间应不大于8h。根据其强度

20、可划分为优等品（A）、一等品（B）和合格品（C）三个等级。,2.石膏板,（1）纸面石膏板 根据国家标准GB/T 97751999纸面石膏板的规定，纸面石膏板的主要技术要求有：外观质量、尺寸偏差、对角线长度差、断裂荷载、单位面积质量、护面纸与石膏芯的粘结、吸水率、表面吸水量和遇火稳定性。其中吸水率、表面吸水量仅适用于耐水纸面石膏板；遇火稳定性仅适用于耐火纸面石膏板。 纸面石膏板按其用途分为： 普通纸面石膏板 耐水纸面石膏板 耐火纸面石膏板,普通纸面石膏板,是以建筑石膏作为主要原料，掺入适量轻集料、纤维增强材料和外加剂构成芯材，并与护面纸板牢固地粘结在一起的建筑板材。护面纸板(专用的厚质纸)主要起

21、到提高板材抗弯、抗冲击性能的作用。 耐火极限一般为515 min。板材的耐水性差，受潮后强度明显下降，且会产生较大变形或较大的挠度。 具有可锯、可刨、可钉等良好的可加工性。是目前广泛使用的轻质板材之一。,耐水纸面石膏板,是以建筑石膏为主要原料，掺入适量纤维增强材料和耐水外加剂等构成耐水芯材，并与耐水护面纸牢固地粘结在一起的吸水率较低的建筑板材。 耐水纸面石膏板的含水率、吸水率、表面吸水率要求,耐水纸面石膏板的单位面积质量、受潮挠度、湿粘接要求,普通纸面石膏板、耐水纸面石膏板的断裂荷载,耐火纸面石膏板,以建筑石膏为主，掺入适量轻集料、无机耐火纤维增强材料和外加剂构成耐火芯材，并与护面纸牢固地粘结

22、在一起的改善高温下芯材结合力的建筑板材。 属难燃性建筑材料，具有较高的遇火稳定性，其遇火稳定时间大于2030 min。GB 50222-95规定，当耐火纸面石膏板安装在钢龙骨上时，可作为A级装饰材料使用。其他性能与普通纸面石膏板相同。 主要用作防火等级要求高的建筑物的装饰材料，如影剧院、体育馆、幼儿园、展览馆、博物馆、候机(车)大厅、售票厅、商场、娱乐场所及其通道、楼梯间、电梯间等的吊顶、墙面、隔断等。,（2）装饰石膏板,装饰石膏板是以建筑石膏为主要原料，掺入适量增强纤维、胶粘剂、改性剂等，经搅拌、成型、烘干等工艺而制成的新型顶棚材料。 装饰石膏板具有重量轻、强度高、防潮、防火等性能，可适用于

23、顶棚和墙面装饰。装饰石膏板又可分为普通板和防潮板两种，普通板和防潮板都有平板、孔板、浮雕板三种规格。,（3）石膏空心条板,石膏空心条板是以建筑石膏为主要原料，掺加适量轻质填充料或纤维材料后加工而成的一种空心板材。这种板材不用纸和粘结剂，安装时不用龙骨，是发展比较快的一种轻质板材。主要用于内墙和隔墙。,建筑石膏粉的质量问题,请观察建筑石膏粉，并分析是否宜用此石膏粉作粘结或制作石膏制品。,石膏粉吸潮结粒,石膏与石灰的凝结硬化对比,请观察与对比经过半小时后的建筑石膏与石灰的凝结录像。,石膏凝结录像,石灰凝结录像,石膏制品发霉变形,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

24、、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。请分析原因。 解析：厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，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。,2.3水玻璃,水玻璃俗称泡花碱，是由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。 建筑常用的为硅酸钠(Na2OnSiO2)水溶液，又称钠水玻璃。 要求高时也用硅酸钾(K2OnSiO2)的水溶液，又称钾水玻璃。,2.3.1 水玻璃的生产,湿法：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，并加搅拌，使直接反应而成液体水玻璃。 nSiO22NaOHNa2O

25、nSiO2H2O 干法：是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉中于13001400高温下熔化，生产固体水玻璃，将固体水玻璃装进蒸压釜中，通入水蒸汽，使固体水玻璃溶解于水中，便获得液体水玻璃。,二氧化硅(SiO2)与氧化钠(Na2O)的摩尔数的比值n，称为水玻璃的模数，n3的称为中性水玻璃，n3的称为碱性水玻璃。 水玻璃溶解于水的难易随水玻璃模数n而定。n值越大，水玻璃的越难溶于水。 n为1时，能溶解于常温水中； 当n大于3时，要在4个大气压以上的蒸汽中才能溶解。 水玻璃的浓度越高，模数越高，则水玻璃的密度和粘度越大，硬化速度越快，硬化后的粘结力与强度、耐热性与耐酸性就越高。但水玻璃的浓度和模数不宜

26、太高。水玻璃的浓度一般用密度来表示，通常为1.31.5 g/cm3，模数为2.63.0。 液体水玻璃可以与水按任意比例混合。,2.3.2 水玻璃的硬化,水玻璃在空气中吸收二氧化碳，析出二氧化硅凝胶，并逐渐干燥脱水成为氧化硅而硬化，其表达式为： Na2OnSiO2+CO2+mH2OnSiO2mH2O+Na2CO3 由于空气中二氧化碳的浓度较低，为加速水玻璃的硬化，常加入氟硅酸钠(Na2SiF6)作为促硬剂，加速二氧化硅凝胶的析出。 2（Na2OnSiO2）+mH2O+Na2SiF6 （2n+1）SiO2mH2O+6NaF 氟硅酸钠的适宜用量为水玻璃重的1215。,2.3.3 水玻璃的性质,粘结力

27、强、强度较高。水玻璃在硬化后，其主要成分为二氧化硅凝胶和氧化硅，因而具有较高的黏结力和强度。用水玻璃配制的混凝土的抗压强度可达1540 MPa。 耐酸性好。由于水玻璃硬化后的主要成分为二氧化硅，它可以抵抗除氢氟酸、氟硅酸以外的几乎所有的无机和有机酸。用于配制水玻璃耐酸混凝土、耐酸砂浆、耐酸胶泥等。 耐热性好。硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降不大。用于配制水玻璃耐热混凝土、耐热砂浆、耐热胶泥。 耐碱性和耐水性差。在硬化后，仍然有一定量的水玻璃Na2OnSiO2。由于SiO2和Na2OnSiO2均可溶于碱。碱或碱金属的氢氧化物，几乎都可与水玻璃发生反应，生成相应的水化硅酸盐晶体。Na

28、2OnSiO2可溶于水，所以水玻璃硬化后不耐碱、不耐水。为提高耐水性，常采用中等浓度的酸对已硬化的水玻璃进行酸洗处理。,2.3.4 水玻璃的应用,涂刷材料表面，提高抗风化能力：以密度为1.35 g/cm3的水玻璃浸渍或涂刷粘土砖、水泥混凝土、硅酸盐混凝土、石材等多孔材料，可提高材料的密实度、强度、抗渗性、抗冻性、及耐水性等。 Na2OnSiO2+Ca(OH)2 = Na2O(n-1)SiO2+CaOSiO2+H2O 加固土壤：将水玻璃和氯化钙溶液交替压注到土壤中，生成的硅酸凝胶和硅酸钙凝胶可使土壤固结，从而避免了由于地下水渗透引起的土壤下沉。 CaCl2+ Na2OnSiO2+mH2O =2NaCl+nSiO2(m-1)H2O+ Ca(OH)2,配制速凝防水剂：水玻璃加两种、三种、或四种矾，即可配制成所谓的二矾、三矾、四矾速凝防水剂。 修补砖墙裂缝：将水玻璃、粒化高炉矿渣粉、砂及氟硅酸钠按适当比例拌合后，直接压入砖墙裂缝，可起到粘结和补强作用。,配制耐酸胶凝、耐酸砂浆和耐酸混凝土。耐酸胶凝是用水玻璃和耐酸粉料（常用石英粉）配制而成。与耐酸砂浆和混凝土一样，主要用于有耐酸要求的工程。如硫酸池等。