第2章-土木工程材料-无机胶凝材料1-石灰

1、第2章 无机胶凝材料,土木工程材料,本 节 内 容,【本章内容导读】,讲述内容,本章主要讲述石灰、石膏等气硬性胶凝材料的硬化机理、性质及其主要用途；重点讲述硅酸盐水泥的矿物组成、硬化机理，硅酸盐水泥的性能特点，讲述其他通用水泥、特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点 。,学习重点 和要求,通过本章的学习，熟悉常用无机胶凝材料的性质，以期在工程中能合理选用。本章以通用水泥为重点，要求重点掌握硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点、检测方法及选用原则。建议学生学习中以硅酸盐水泥为点，搞清楚此点后拓展至其它通用水泥，再拓展至其它特性水泥和专用水泥，采用点面结合、对比的学习方法。石灰要着重了解其性质和应用

2、特点 。,2.1 胶凝材料简介,胶凝材料 经物理、化学作用，能将散粒材料（如砂、石子等）、块状材料（砖、砌块等）或纤维材料（如玻璃纤维、植物纤维等）粘结为整体，并经过一系列的物理、化学作用后从浆体逐渐硬化变为坚固的石状体的材料。,无机胶凝材料 （以无机化合物为基本成分）,有机胶凝材料 （天然的或合成的有机 高分子化合物为基本成分）,（沥青、树脂、橡胶等 ）,按凝结硬化 条件分类,气硬性胶凝材料 只在空气中硬化 （石灰、石膏）,水硬性胶凝材料 空气、水中皆可 硬化 （水泥）,按胶凝材料的化学组成不同,2.2 气硬性胶凝材料,2.2.1 石灰,石灰（Lime）是土木工程中使用最早的气硬性胶凝材料之

3、一 。公元前8世纪古希腊人已用于建筑，中国也在公元前7世纪开始使用石灰。至今石灰仍然是用途广泛的建筑材料。,埃及金字塔：石材、石灰和石膏,万里长城 （200 BC):条石、大砖、石灰砂浆,布达拉宫：石材、石灰砂浆,1. 石灰的生产和主要品种 （1）石灰的原材料 以CaCO3为主要成分的天然岩石（如石灰石、白云石和白垩等）,富含CaCO3 部分MgCO3,（2）石灰的生产,块状生石灰,100,56,44,块状生石灰的特点： CaO质量几乎下降一半,但体积缩小很少,故优质的生石灰为多孔结构，晶粒较小，质量较轻 （堆积密度为8001000 kg/m3 ) 。,欠火石灰：温度过低/时间不够石灰石不能完

4、全分解, 存在未分解的石灰石内核有效氧化钙和氧化镁的含量少，降低了石灰的利用率，使用时缺乏粘结力 。 过火石灰：温度过高/时间过长颜色深（褐、黑） 熟化速度极慢，在石灰固化后才开始发生消化，从而引起局部体积膨胀，产生裂缝，影响工程质量,过火石灰在生产中是很难避免的，所以石灰膏在使用前必须经过“陈伏”,注意,（3）石灰的分类,2）按成品的加工方法分类 块状生石灰 煅烧直接获得 生石灰粉 块状生石灰磨细 消石灰粉 生石灰+适量水消解 石灰膏 生石灰+过量水 石灰乳 生石灰+较多水,钙质石灰（MgO5）,镁质石灰（MgO5） 同等级的钙质石灰质量优于镁质石灰 。,1）按MgO含量分类,CaO,Ca(

5、OH)2,（约为生石灰体积的34倍）,Ca(OH)2+H2O,2. 石灰的消化与硬化 （1） 石灰的熟化（消化） CaO + H2O Ca(OH)2 + 64.9KJ,特点： 1）水化速度快。煅烧良好的CaO与水接触时几秒钟内即反应完毕。 2）体积膨胀。熟化时体积增大12.5倍； 3）放出大量的热。1克分子CaO熟化生成1克分子Ca（OH）2约产生64.9kJ热量。,化灰法用于制作石灰浆。在化灰池中进行，在生石灰中加入较大量的水得到石灰乳，通过筛网流入储灰池，沉淀后除去表层多余水分得到石灰膏。,消化的方式有两种，淋灰法和化灰法,淋灰法用于调制消石灰粉，即在生石灰中，先均匀加入70左右的水，便可

6、得到颗粒细小、分散的消石灰粉,活泼性大的石灰，加水要快，水量充足，并加速搅拌散热，否则易出现“过烧”现象 活泼性小的石灰，加水要慢，水量少，否则易出现“过冷”现象。,注意：消化过程中严格控制加水量和加水速度,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15d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，以免与空气中二氧化碳发生碳化反应。,（2）石灰的凝结硬化 1）结晶作用,水分蒸发， Ca（OH）2从饱和的溶液中析出结晶结晶强度,2）碳化作用,碳化强度,石灰的生产、消解、硬化小结,过火石灰存在,陈伏半个月左右 常见实例：陈伏

7、时间不够，引起房屋抹面层凸起开裂 消解为石灰膏/乳的作用 水层隔绝空气，避免发生碳化 消解安全 分层消解，热量较快散释,3. 石灰的技术性质,（1）石灰的特性,保水性与可塑性好。 凝结硬化慢、强度低。 硬化时体积收缩大。 耐水性差。 石灰吸湿性强，不宜储存过久。,1）技术要求 有效氧化钙和氧化镁含量决定粘结力大小，判定石灰质量 生石灰产浆量石灰产浆量越高，则表示其质量越好 未消化残渣含量与质量相关，反映欠火石灰和过火石灰的数量 CO2含量反映欠火石灰的数量，控制煅烧中欠火的现象 细度石灰越细，活性越大 消石灰游离水含量过多会造成体积显著收缩产生裂缝现象,（2）石灰的技术要求和技术标准,建筑工程

8、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/T479-1992 建筑生石灰 JC/T480-1992建筑生石灰粉 JC/T481-1992 建筑消石灰粉,按照技术指标分为优等品、一等品、合格品三个等级。,交通部门行业标准JTJ 0342000公路路面基层施工技术规范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。,2）技术标准,表2-1 建筑生石灰技术标准,表2-2 建筑生石灰粉的技术标准,表2-3 建筑消石灰粉技术标准,表2-4 路面基层用石灰的技术标准,4. 石灰的用途,室内粉刷 采用石灰浆（膏）加入大量水调制成稀浆即石

9、灰乳进行粉刷。由于石灰乳是一种廉价的涂料，施工方便，且颜色洁白，能为室内增白添亮，因此可用于要求不高的室内墙面和顶棚的粉刷。目前已很少使用。 拌制建筑砂浆 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。,配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。,石灰粘土 石灰土(灰土)：用于道路的底基层、基层,拌和,按比例6%12%,石灰粘土砂（炉渣/石膏）三合土：应用历史悠久， 主要用于建筑物的地基、基础，也用于道路的基层、垫层,灰土

10、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、路面和地面的垫层。,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。,加固软土地基 在软土地基中打入生石灰桩，可以利用生石灰吸水产生膨胀对桩周土壤起挤密作用，利用生石灰和粘土矿物间产生的胶凝反应使周围的土固

11、结，从而达到提高地基承载力的目的 。,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，还要注意安全。 在石灰装卸过程中也要注意安全。,5.石灰的贮存,石膏（Gypsum）是以硫酸钙（CaSO4）为主要成分组成的气硬性胶凝材料,1 .石膏的生产和主要品种,天然二水石膏 化工石膏 天然硬石膏,又称生石膏，分子

12、式为 CaSO4H2O 软石膏,含有 CaSO4H2O及 CaSO4混合物的化工副产品石膏,天然无水石膏分子式为 CaSO4，硬,2.2.2 石膏,（1）石膏的原材料,（2）石膏的生产和主要品种,1）建筑石膏,建筑石膏是将天然二水石膏在107170温度下，结晶水以蒸气状态析出，得到含型半水石膏（即建筑石膏，又称为熟石膏 ）的主要成分，经磨细制成的粉状胶结料，其反应方程如下：,2）高强石膏,将生石膏在压蒸条件下（125、0.13MPa）进行加热，则生成 型半水石膏，其晶粒较粗，拌制石膏浆体时的需水量较小，因此，硬化后强度较高，故称为高强石膏。,3）硬石膏又称无水石膏,当煅烧温度升高到170300

13、时，半水石膏继续脱水，生成可溶性硬石膏其结构不稳定，在潮湿条件下易转变成相应的半水石膏，且强度较低。 当温度继续升高到400750，石膏完全失去水分，生成不溶性硬石膏。这种石膏难溶于水，成为死烧石膏。只有当加入某些激发剂后，才具有水化硬化能力，但强度较高，耐磨性能较好。将其与激发剂混磨后的产品称为硬石膏水泥。,4）高温煅烧石膏,当温度高于800时，部分石膏分解出氧化钙，由于氧化钙的催化作用，所得产品又重新具有凝结硬化的性能，这种石膏称为高温煅烧石膏。,CaSO4CaOSO2+O2,由于二水石膏的溶解度比半水石膏小（仅为半水石膏的1/5），故二水石膏首先从饱和溶液中结晶析出，促使半水石膏继续溶解

14、和水化。这一反应过程连续不断进行，直至半水石膏全部耗尽，都水化生成二水石膏。 特点：极快, 全过程约712min。,（1）建筑石膏的水化半水石膏与水反应生成二水石膏,2建筑石膏的凝结硬化,（2）建筑石膏的凝结硬化 自由水水化和蒸发，石膏浆体逐渐变稠，很快失去塑性石膏的凝结 晶体逐渐长大，晶体颗粒互相搭接、交错、共生，浆体产生强度，直至完全干燥石膏的硬化,水化和凝结硬化过程是相互交叉而连续进行的,3. 建筑石膏的技术性质 （1）建筑石膏的特性 凝结硬化快 凝结硬化时体积微膨胀 孔隙率大，表观密度小 强度较低 装饰性好 保温性能好 具有一定的调湿功能 耐水性和抗冻性差 具有良好的防火性,建筑石膏（

15、GB/T97762008）规定：建筑石膏组成中 型半水硫酸钙的含量应不小于60%。,（2）建筑石膏的技术要求,建筑石膏按细度、强度和凝结时间分为三级。,表2-6 建筑石膏的技术要求,（1）室内粉刷及抹灰 （2）建筑装饰制品 装饰板 装饰吸声板 装饰线角 装饰浮雕 隔声板 （3）石膏墙体材料 石膏板 石膏砌块,4建筑石膏的用途,（4）其他用途,石膏粉拌水为一桶石膏浆，用以在光滑的天花板上直接粘贴，石膏饰条施工前后半小时完工。几天后最后粘贴的两条石膏饰条突然坠落，请分析原因。,【工程实例分析】,建筑石膏拌水后一般于数分钟至半小时左右凝结，后来粘贴石膏饰条的石膏浆已初凝，粘结性能差。可掺入缓凝剂，延

16、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。或者在粘结的石膏浆中掺入部分粘结性强的粘结剂。,分析：,2.2.3 水玻璃,1概述,水玻璃俗称泡花碱，是一种可溶于水的硅酸盐，由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅结合而成。 根据所含碱金属氧化物的不同，有硅酸钠水玻璃（Na2OnSiO2）和硅酸钾水玻璃（K2OnSiO2）之分，土木工程中常用的为硅酸钠水玻璃，又称钠水玻璃。,二氧化硅与碱金属氧化物之间的摩尔数的比值n，称为水玻璃的模数，即n=SiO2/Na2O n值越大，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，但水中的溶解能力下降，同时粘度太大也不利于施工操作，难以保证施工质量 土木工程中常用模数n为2.62.8，既易溶于水又有较高的强度