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1、第2章 无机胶凝材料,历史回顾,古埃及人发现尼罗河流域盛产的石膏可以做成很好的粘结材料。他们发现，把开采出来的石膏碾碎磨细，再加上少量粘土一起煅烧，就会失去一部分结晶水成为熟料。熟料中加水，调成糊状，过不了多久又会重新变硬，而且石膏糊粘性甚好。由此，埃及人发明了与水泥相似的石膏粘结剂，并用它创造了世界建筑史上的奇迹金字塔。这些金字塔是由巨大的石块以石膏复合胶凝材料粘结而成的具有良好的耐久性。,金字塔使用的胶凝材料,胶凝材料：在土木工程材料中，凡是经过一系列的物理、化学作用，能将散粒状或块状材料粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。,胶凝材料,有机胶凝材料,如沥青、树脂等,无机胶凝材料,气硬性胶凝材
2、料,水硬性胶凝材料,如石膏、石灰、菱苦土、水玻璃,各种水泥,气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，且只能在空气中保材或发展其强度。水硬性不仅在空气中，而且能更好的在水中硬化，并保持、发展其强度。,石灰,水泥,2.1 石 灰 天然碳酸岩类岩石（石灰石、白云石）经高温煅烧，其主要成分CaCO3分解为以CaO为主要成分的生石灰，其化学反应可表示如下：生石灰（堆积密度为8001000 kg/m3)一般为白色或黄灰色块灰，块灰碾碎磨细即为生石灰粉。,一.石灰的消化和硬化1.石灰的熟化和“陈伏”工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为消（熟）石灰氢氧化钙，这个过程称为石灰的“消化”，又称“熟化”：生石灰烧
3、制过程中，往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不均匀等原因，生石灰中残留有未烧透的的内核，这种石灰称为“欠火石灰”。,第二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，这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，引起隆起鼓包和开裂。,为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，这一过程称为石灰的“陈伏”。“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。,.石灰的硬化石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两
4、个同时进行的过程来完成的：（）结晶作用：游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。（）碳化作用：氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发：,碳化作用实际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。,二.建筑石灰的技术指标建筑石灰的技术指标有细度、CaO+MgO含量、CO2含量和体积安定性等。并按技术指标分为优等品、一等品和合格品三个等级。具体技术要求见：P30 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 钙质生石灰 MgO5%；钙质消石灰粉 M
5、gO4%镁质生石灰 MgO5%镁质消石灰粉 MgO4%,三.石灰的技术性质（1）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1）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)硬化慢、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。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。MPa。所以，石灰不
6、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，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。,（4）耐水性差，不易贮存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。,四.石灰的应用（1）石灰乳和石灰砂浆将消石灰粉或熟化好的石灰膏加
7、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。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。,（2）石灰土（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
8、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。,三合土用作铺筑步道砖的垫层,（3）灰砂砖和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，使制品产生较高的早期强度。如灰砂砖、硅酸盐砖、硅酸盐混凝土制品等。,生产硅酸盐制品,蒸压灰砂砖,蒸压加气砼砌块,2.2建筑石膏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。2.1 石膏的原料、分类及生产根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为：（1）无水石膏（aSO4
9、）：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（aSO42H2O）：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。（）建筑石膏（aSO41/2 H2O）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型半水石膏和型半水石膏：,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107170，可产生型建筑石膏：（二水石膏）（型半水石膏）124条件下压蒸（1.3大气压）加热可产生型建筑石膏：（二水石膏）（型半水石膏）,型半水石膏与型半水石膏相比，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
10、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。,2.2 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
11、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。,2.3 建筑石膏的技术要求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。”建筑材料“P28表4-4）,建筑石膏的技术性质（）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
12、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,（）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。,（）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。
13、通常石膏硬化后的表观密度约为00kg31000 kg3，抗压强度约为Pa5Pa。,（）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。,（）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。
14、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。,2.4 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,石膏浮雕装饰制品,石膏浮雕装饰制品是以石膏为基料和玻璃纤维及添加剂加工制成各种平板、小方板、墙身板、饰线、灯圈、浮雕、花角、圆柱、方柱与数百种装饰件，用于室内装饰。特点:加工性能好，能钉、锯、刨，可修补。完整性好，不变形，不开裂，无缝隙。耐久性强
15、，防蛀不腐，防火防潮，质轻吸音，容易安装。,石膏浮雕壁画,石膏浮雕壁画有两种加工方法，一种是做石膏板，在板上放刀雕刻；而另一种方法是用泥做形，然后翻制成品。一般大型石膏壁画都是采用后者。石膏板浮雕：此种方法与木浮雕相同，只是材料上的不同，石膏板更容易制作，又不会出现开裂与木纹纤维方向的问题，所以是一种性能较好的浮雕材料。,2.3.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（Na2OSiO2）、硅酸钾水玻璃2SiO2）、硅酸锂水玻璃（i2OSiO2）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
16、不同，又分为“碱性”水玻璃（和“中性”水玻璃（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。,3.1 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13001400C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：,3.2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
17、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。,3.3 水玻璃的技术性质（）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。（）耐酸性好。硬化后的水玻璃，其主要成分是iO2，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。（）耐热性高 水玻璃不燃烧，硬化后形成iO2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。,3.4 水玻璃的应用（）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
18、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a（OH）2反应生成硅酸钙凝胶，填充了材料间孔隙。,反应式为：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。,（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）各份，溶于60份的沸水中，降温至，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.的液体水玻璃和氯化钙溶液通过金属
19、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。(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。,（）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。,第四节 菱苦土（氯氧镁水泥）菱苦土是一种镁质胶凝材料。其主要成分是gO。4.1 原料及生产 菱苦土的主要原料是天然菱镁矿。其主要成分是gCO3。菱苦土材料一般是将菱镁矿
20、经煅烧磨细而制成的。要求的细度为4900孔/cm2的筛余量不大于25:其化学反应可表示如下：（菱苦土）,4.2、菱苦土的水化、硬化试验证明，用水调拌菱苦土时将生成Mg(OH)2，浆体凝结很慢，硬化后强度很低。若以氯化镁水溶液来调制 gO时，可以加速其水化反应，并且能形成新的水化产物。这种新的水化产物硬化后的强度较高（4060Pa）。水化反应如下：,4.3 菱苦土的应用菱苦土与植物纤维能很好粘接，而且碱性较弱，不会腐蚀纤维。建筑工程中常用来配制菱苦土木屑浆和菱苦土木屑砂浆。前者可胶结为菱苦土木屑板，用于内墙、天花板和地面。也可压制成各种零件用作窗台板、门窗框、楼梯扶手等。后者掺加砂子可作为地坪耐
21、磨面层。用膨胀珍珠岩代替木屑可制成轻质、阻燃型的室内装饰板材。以菱苦土为胶结料，以玻璃纤维为增强材料，添加改性剂，可制成管材产品。,菱苦土的不足之处是硬化后易吸潮反卤、耐水性差，其原因是硬化产物具有较高的溶解度，遇水会溶解。为提高耐水性，可采用外加剂，或改用硫酸镁作为拌合水溶液，降低吸湿性、改进耐水性.,工程应用案例,(1)内外墙粉刷层爆裂,上海某新村四幢六层楼1989年9-11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
22、供应，该部门由个人承包。经了解，粉刷过程已发现“水灰”中有一些粗颗粒。对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。,(1)内外墙粉刷层爆裂,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，分别生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，固相体积膨胀约2倍，从而产生爆裂破坏。还需说明的是，MgO的水化速度更慢，更易造成危害。使用劣质建材，就是给工程埋下定时炸弹，危害人民利益。,(2)石灰的选用,工地急需配制石灰砂浆。当时有消石灰粉、生石灰粉及生石灰三种材料可供选用。因生石灰价格相对较便宜，便选用，并马上加水配制石灰膏，再配制石灰砂浆。使用数日后，石灰砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝。,石灰砂浆的膨胀性裂缝,(2)石灰的选用,该石灰的陈伏时间不够。数日后部分过火石灰在已硬化的石灰砂浆中熟化，体积膨胀，以致产生膨胀性裂纹。因工期紧，若无现成合格的石灰膏，可选用消石灰粉或生石灰粉。消石灰粉在磨细过程中，把过火石灰磨成细粉，克服了过火石灰在熟化时造成的体积安定性不良的危害。故可不必陈伏可直接使用，且生石灰熟化时放出的热可大大加快砂浆的凝结硬化，加水量亦较少，硬化后的砂浆强度亦较高。,
