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1、第四章 气硬性胶凝材料,本章内容,第一节 石灰 第二节 石膏 第三节 水玻璃,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,第一节 石灰石灰的早期发现与应用考古学家认为，石灰石烧成石灰是偶然发现。其中有些石块受热失去强度，遇水后裂为白色粉末（应用生石灰却需要一定
2、知识才行）。石灰石埃及的齐阿普斯金字塔；希腊人雕刻石像等。石灰稳定地基罗马人修筑道路，中国建造的西藏佛教塔和万里长城都已加以应用。,一、石灰的生产工艺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。化工副产品主要有电石渣(消化电石而得)等:,块状生石灰,熟石灰,煅烧石灰石(内含CaCO3),正火石灰,欠火石灰,过火石灰,主要工序：破碎加热、煅烧磨细产品：因原料中常含MgCO3,所以石灰中含有MgO,按其含量，建筑生石灰和消石灰分为：钙质石灰（MgO含量不超5%)镁质石灰（MgO含量超5%)钙质消石灰粉（
3、MgO含量小于4%)镁质消石灰粉（MgO含量4-24%)白云石消石灰粉（MgO含量24-30%),二、石灰的消化和硬化石灰的消化 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”。目的：使生石灰具有粘性和塑性。特点：放热和膨胀（12.5倍）理论加水实际加水量(24.3%70%),熟化方法 根据熟化时加水量的不同，石灰的方式分为两种。1、熟化为熟石灰粉：将生石灰块分层淋适量的水，使石灰充分熟化，又不会过湿成团，此时得到的产品就是熟石灰粉。,2、熟化为石灰膏：将生石灰放入化灰池中，加大量的水，熟化成石灰膏。为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形
4、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”。石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。,严格控制加水量和加水速度 不同品质的石灰熟化速度不同：活泼性大的石灰：加水要快，水量充足，并加速搅拌散热，否则已消化的石灰颗粒包围于未消化颗粒周围，使内部石灰不易消化，称为“过烧”现象；活泼性小的石灰：加水要慢，水量少，如加水过快，则发热量少，水温过低，增加了未消化颗粒，称为“过冷”现象。,石灰的硬化 石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的：石灰浆的干燥硬化（结晶作用）滞流在孔隙自由水蒸发或被周围砌体吸收，使石灰粒子密实，蒸发后使Ca(OH)2溶液饱和，析出结
5、晶，数量少，强度不高（缓慢）石灰浆的碳化（碳化作用）氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙晶体。只有在有水的条件下才能进行。,结晶和碳化两个过程同时进行，但极为缓慢。碳化过程长时间只限于表面，结晶过程主要在内部发生。由于空气中CO2含量稀薄，使碳化反应进展缓慢，同时表面的石灰浆一旦硬化就形成外壳，阻止了CO2的渗入，同时又使内部的水分无法析出，影响硬化过程的进行。,原因,三、石灰的技术要求和技术标准技术要求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主要指标，其含量愈多，活性愈高，质量也愈好。按公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ 0
6、5794)规定，有效氧化钙含量用中和滴定法测定，氧化镁含量用络合滴定法测定。,生石灰产浆量和未消化残渣含量 产浆量是单位质量(1Kg)的生石灰经消化后，所产石灰浆体的体积(L)。石灰产浆量愈高，则表示其质量越好。未消化残渣含量是生石灰消化后，未能消化而存留在5mm圆孔筛上的残渣占试样的百分率。其含量愈多，石灰质量愈差，须加以限制。,二氧化碳(CO2)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。生石灰试样1g放于坩埚内，在高温电炉中于58020灼烧结晶水，再将试样9501000高温 1h，冷却至室温。以试验前后试样质量的差与
7、原试样质量的百分比计算CO2含量。,消石灰游离水含量 游离水含量，指化学结合水以外的含水量。生石灰消化时加入的水比理论需水量多很多，多加的水残留于青氢氧化钙中，残余水分蒸发后，留下孔隙会加剧消石灰粉碳化作用，因而影响其使用质量。取试样100g，在100105烘箱中烘干至恒重，冷却至室温。以试验前后试样质量的差与原试样质量的百分比计算游离水含量。,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。现行标准建筑生石灰粉(JCT48092)和建筑消石灰粉(JCT 48192)以0.9mm和0.125mm筛余百分率控制。试验方法是，称取试样50g，倒入0.9mm、0.125mm套筛内进行
8、筛分，分别称量筛余物，按原试样计算其筛余百分率。,技术标准 建筑石灰按现行标准建筑生石灰(JCT 479一92)、建筑生石灰粉(JCT 48092)和建筑消石灰粉(JCT48192)规定，按其氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类。见下表。钙质石灰和镁质石灰中氧化镁含量(%)界限,生石灰技术标准 根据氧化镁含量按上表分为钙质生石灰和镁质生石灰两类，然后再按有效氧化钙和氧化镁含量、产浆量、未消解残渣和CO2含量等4个项目的指标分为优等品、一等品和合格品3个等级，如下表。,生石灰粉技术标准 根据氧化镁含量分为钙质石灰和镁质石灰两类后，再按(CaO+MgO)含量、CO2含量和细度等项目的指标，分为优
9、等品、一等品和合格品3个等级，如下表。,消石灰粉技术标准 消石灰粉按氧化镁含量4时称为钙质消石灰粉，4氧化镁含量24时称为镁质消石灰粉，24氧化镁含量30时称为白云石消石灰粉。按等级分为优等品、一等品和合格品等3个等级，如下表。,四、石灰的技术性质可塑性好 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。,硬化慢、强度低 MPa。所以，石灰不宜用于重要建筑物的基础。,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
10、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。,耐水性差 氢氧化钙易溶于水，如果长期受潮或被水浸泡，会使已硬化的石灰溃散。若石灰浆体在完全硬化之前就处于潮湿的环境中，石灰中的水分不能蒸发出去，其硬化就会被阻止，所以石灰不易在潮湿的环境中应用。,五、石灰的应用和贮存石灰的应用砌筑工程和抹面装饰工程 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。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。,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
11、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。,蒸压灰砂砖,蒸压加气砼砌块,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结，从而达到地基承载力的目的。,用于道路工程的垫层 石灰和粘土按一定比例拌和制成石灰土，或与粘土、砂石、矿渣制成三合土，用于道路工程的垫层。,三合土用作铺筑步道砖的垫层,用于道路路面基层 在道路工程中，随着半刚性基层在高等级路面中的应用，石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土及其稳定
12、碎石广泛用于路面基层。,石灰稳定用于土路面基层,石灰的贮存磨细的生石灰粉应贮存于干燥仓库内，采取严格防水措施。块状生石灰放置太久，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。,第二节 石膏,1.建筑石膏在非密闭窑炉中加热脱水。用水量大，晶粒细，强度低。,2.高强石膏0.13MPa,120过饱和蒸汽下蒸炼，或在盐类溶液中沸煮。晶粒粗，强度大。,一、石膏的生产石膏是以C
13、aSO4为主要成分的胶凝材料，成本低，应用广泛。常用的产品有建筑石膏，高强石膏，无水石膏水泥。,型半水石膏,型半水石膏,1.石膏的水化,二、建筑石膏的凝结与硬化,半水石膏和水反应生成二水石膏的过程。由于半水石膏的溶解度比二水石膏的大（约四倍），所以二水石膏处于过饱和状态，不断从溶液中析晶，水解反应不断右移，直至半水石膏全部转变成二水石膏。,2.石膏的凝结硬化,凝结：可塑性浆体失去可塑性，开始产生强度的过程。硬化：失去可塑性浆体强度增加的过程。,从加水开始拌和一直到浆体刚开始失去可塑性的过程称为浆体的初凝，对应的时间为初凝时间；从加水开始拌和一直到浆体完全失去可塑性，并开始产生强度的过程称为浆体
14、的硬化，对应的时间称为终凝时间。,三、建筑石膏的技术性质与应用 技术要求：建筑石膏按细度、强度和凝结时间分为三级。1、技术性质颜色：白色粉末密度：，0=800-1000Kg/m3凝结时间：t初6min,t终30min,要延长凝结时间可加入缓凝剂，如硼砂，酒石酸碱钠，柠檬酸，聚乙烯醇。硼砂：Na2B4O710H2O（十水四硼酸钠），用于搪瓷、玻 璃工业，以提高产品的热稳定性、光泽、透明度、抗冲击性及抗腐蚀性。,孔隙率：P=50-60%,导热系数小，吸声性强，吸湿性大，可调节室内湿度。装饰性：质地洁白细腻，因硬化时体积略有膨胀，可浇铸出纹理细致的浮雕花饰。耐水性和抗冻性：较差，不宜用于潮湿的部位。
15、抗火性：较好，因为遇火能放出结晶水，形成蒸汽幕。但也不能长期用于65以上环境，以免脱水而失去强度。储存：注意防潮，储存3月后，强度降低30%左右，要重新进行质量检测。,三、建筑石膏的技术要求和特性,2、特点：凝结硬化快早期强度发展快，但后期强度并不高 微膨胀性：石膏硬化过程中产生1%左右的膨胀 孔隙率高，吸声性、吸湿性较强防火性强但耐火性差耐水性与抗冻性较差，石膏及制品只能在干燥环境中使用,四、建筑石膏的应用 1）抹灰材料：即石膏砂浆（石膏+砂+缓凝剂+水）2）墙体材料：石膏板，石膏砌块 3）装饰材料：装饰石膏板：用作墙面和吊顶，尺寸5005009，60060011(mm),纸面石膏板装饰石膏
16、板吸声用穿孔石膏板石膏艺术制品 室内抹灰和粉刷,嵌装式装饰石膏板：用于吊顶，嵌固在龙骨上。尺寸有 50050025（以上），60060028（以上）普通纸面石膏板：用于室内隔断，吊顶，要经过表面处理才能做装饰材料，如抹腻子、刷漆。尺寸：长度 1800，2100，2400，2700，3000，3300，3600宽度 900，1200厚度 9，12，15，18也可定做尺寸。吸声用穿孔石膏板：用于音乐厅，影剧院，会议室的吊顶、墙面材料。尺寸500500/600600）（9/12）耐水纸面石膏板：（添加耐水外加剂），用于厨房、卫生间。耐火纸面石膏板：（添加无机耐火纤维），用于公共建筑，如影剧院、体育馆
17、、展馆、幼儿园、商场的吊顶、墙面、隔断。,特种耐火石膏板(1h)用于防火等级要求高的建筑物。艺术浮雕装饰制品石膏角线石膏造型石膏壁画艺术顶棚，灯圈，角花艺术廊柱（罗马柱）,第三节 镁质胶凝材料 镁质胶凝材料是以氧化镁为主要成分的气硬性胶凝材料。常用天然菱镁矿作原料。菱镁矿经800850C高温煅烧、研磨而成的粉末即为苛性菱苦土，简称菱苦土。,第四节 水玻璃（泡花碱）常用硅酸钠水玻璃（Na2OnSiO2)和硅酸钾水玻璃（K2OnSiO2).1、水玻璃的生产原料:石英砂+苛性钠溶液工序：湿法+干法+,石英砂,苛性钠溶液,2-3大气压蒸气加热,液体水玻璃,石英砂,碳酸钠,磨细、加热1300-1400,
18、固体水玻璃,化学反应 Na2CO3+nSiO2 Na2O nSiO2+CO2 水玻璃的模数 n=1时，能溶于常温的水中，模数加大，只能溶于热水。n3时，要在4个大气压以上的蒸气中才能溶解。n越大，水玻璃的浓度越高,则水玻璃的密度和黏度越大,硬化速度越快,硬化后的黏结力与强度,耐热性与耐酸性越高，在液体水玻璃中加入尿素著可提高其粘结力。2、水玻璃的硬化液体水玻璃吸收空气中的CO2，析出二氧化硅凝胶，并逐渐干燥而硬化。Na2O nSiO2+CO2+mH2O Na2CO3+nSiO2mH2O 加入水玻璃质量12-15%的硅氟酸钠（Na2SiF6）能显著加速硬化。3、性质与应用,具有良好的粘结性，硬化
19、时析出硅酸凝胶，能堵塞毛细孔具有抗渗性能。良好的耐高温性。在高温下，强度不降低。高度的耐酸性。（1）涂刷建材表面可提高抗风化能力用其水溶液（比重约1.35）涂刷黏土砖、硅酸盐制品、水泥混凝土及石灰石等。但不能用于石膏。（2）配制快凝堵漏防水剂以水玻璃为基料加入2、3、4种矾配制。如四矾防水剂：蓝矾（硫酸铜）、明矾（钾铝矾）、红矾（重铬酸钾）、紫矾（铬矾）各1份，溶于60份100C的水中，降温至50C，加入到400份水玻璃溶液搅拌而成。其凝结很快，不超过1分钟，与水泥浆调和，可堵塞漏洞与裂缝。,（3）用于土壤加固将模数为2.5-3的液体水玻璃和氯化钙溶液交替压入土体，二者反应，生成硅酸胶体，包裹土粒并填实空隙。加固砂土，使其强度可达 3-6MPa。（4）配制耐酸、耐热砂浆和混凝土,
