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1、第3章 气硬性胶凝材料,胶凝材料(cements,binding materials)胶凝材料概念：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。,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。而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。,第一节、石膏(gypsum)膏plaster 一、原材料二、生产及产品三、水化硬化过程四、应用,石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料，其原料来源有：(1)天然二水石膏，又称软石膏或生石膏。(2)天然硬石膏无水硫酸钙。(3)化工废石膏(含有二水石膏(CaSO4
2、2H2O)或含有CaSO42H2O与CaSO4的混合物的化工副产品及废渣)脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、硼石膏等。,一、石膏原料,二、石膏的生产及品种,石膏胶凝材料的主要生产原料是天然的二水石膏。在将原料加热时，不同的温度和不同的压力下所得CaSO42H2O，石膏产品的结晶类型、结晶水含量不同，因而有不同的性能指标。,品种,(1)建筑石膏(calcined gypsum)(2)高强石膏(high strength gypsum/plaster)(3)硬石膏：无水石膏(anhydrite,anhydrous gypsum),1.高强石膏型半水石膏的晶粒较粗，也比较密，因此比表面积较小，将此种石膏加水
3、硬化后，具有较高的密实度和强度，3小时的抗压强度即可达到924MPa，7天抗压强度可达15-40MPa，因此，将之称为高强石膏。高强石膏在应用中，一般用于强度要求较高的抹灰工程，装饰制品和石膏板，加入防水剂后，还可用于温度较高的环境中，加入有机物如聚乙烯醇水溶液等可配制成粘结剂，其特点是无收缩。,2.建筑石膏型半水石膏的晶体较细，所以调制成一定稠度的浆体时，需水量也比型半水石膏的需水量大，导致建筑石膏的孔隙率也大，因而强度较低。在实际生产与工程中，建筑石膏的应用更广泛一些。,建筑石膏的技术性质,凝结迅速：可以考虑加入缓凝剂(retarder)来缓凝水化反应理论需水量为18.6，但为了使石膏浆体
4、具有可塑性，通常实际加水为6080%石膏制品堆密度小，保温绝热性能好，吸音性强，吸水率大，抗渗性、抗冻性和耐水性差(石膏硬化体的软化系数在0.20.3之间)。建筑石膏硬化后体积略有膨胀不会出现裂纹。颜色洁白，质感饱和。,3.可溶性硬石膏4.不溶性硬石膏5.高温煅烧石膏,1.胶凝理论2.结晶理论,三、石膏水化硬化过程,（1）半水石膏晶体结构中内在的残余力将水吸附在颗粒的表面；（2）水进入半水石膏的细孔内，并保持物理吸附状态，形成胶凝结构，这就是初凝；（3）水进入分子间或离子间间隙内，胶凝体发生膨胀；（4）水由物理吸附状态过渡到化学吸附状态，产生水化作用，温度升高，形成二水石膏晶体，晶体逐渐长大，
5、互相交错形成密实结构，这就是终凝。,在各种化学变形体中，无水石膏先要生成半水石膏，然后在形成二水石膏。可溶性硬石膏相对来讲反应活性最强。不溶性硬石膏单独存在时不具有水化硬化能力，必须加入激发剂。而高温煅烧石膏由于含有少量石膏分解后的石灰，具有自激发性。,四.石膏的应用,1.石膏的特点：（1）抗水性差：原因、软化系数、解决途径；（2）强度较低；（3）孔隙率高；（4）颜色洁白、质感好；（5）一定的防火性,2.应用,（1）水泥的缓凝；（2）石膏制品建筑石膏：装饰板材、雕塑、装饰型材、抹灰工程、砌块等；高强石膏：抹灰工程、装饰板材、砌块等；可溶性硬石膏一般不用，避免出现；,不溶性硬石膏：加入激发剂后配
6、制成硬石膏水泥；激发剂：硫酸盐激发、碱激发高温煅烧石膏：此时其中的石灰作为激发剂，耐磨性和抗水性提高，又称为地板石膏。,作为石膏制品时，因为石膏凝结速度很快，需要进行调节，此时可以加入促凝剂和缓凝剂。,3.2.4 建筑石膏的应用(1)纸面石膏板：两面用坚韧的纸做护面(2)纤维石膏板：含纤维材料(3)装饰石膏板：造型美观，品种多样(4)空心石膏条板：空心(5)石膏蜂窝板、石膏矿棉复合板、防潮石膏板等,（1）石膏浆体强度发展过程,3.强度发展,时间,强度,（2）影响强度发展的因素,温度；水灰比,（4）陈化,由于新烧制的熟石膏为多相体的混合物，如建筑石膏在120-140下也只是形成以（CaSO41/
7、2 H2O）为主，还有很多未烧的石膏及其他化合物，因此，性能很不稳定，将其静放一段时间后，待性能稳定以后在应用，这一过程即为“陈化”。,(,),(,),(,),半水石膏,少量,二水石膏,少量,型石膏,主要的,半水石膏,二水石膏,变化,矿物,保温,吸湿,再结晶,-,-,b,b,III,性能稳定,性能不稳定,强度增加,强度较低,凝结时间正常,凝结时间不正常,减少,标准稠度,标准稠度较大,变化,性能,第二节 石灰(lime,CaO),一、石灰分类二、生石灰的原料与生产 三、生石灰的性质四、熟石灰的制造（石灰的熟化）(slake)五、熟石灰的性质六、生石灰和熟石灰的应用,一、石灰的分类,根据石灰加工方
8、法：块状生石灰、磨细生石灰、石灰浆、石灰乳、石灰水等；石灰石中含有杂质氧化镁（MgO），根据MgO的多少，将生石灰中MgO含量5%的称为钙质石灰（低镁石灰），5%20%的称为中镁石灰。20%40%为高镁石灰；,根据消化速度：快速消化石灰、中速消化石灰和满素消化石灰，消化速度分别：小于10min、1030min、30min以上。根据消化时所达到的温度指标，又有高热石灰（高于70C）和低热石灰（70C）,二、生石灰的原材料和生产,原料：以含碳酸钙为主的天然岩石和化工副产品。天然岩石主要有石灰石、大理石、白云石、方解石、白垩、石灰华等；化工副产品主要有电石渣（消化电石而得）等:,CaC2+2H2O=
9、C2H2+Ca(OH)2,制造：CaCO3+178103J/molCaO+CO2,最佳煅烧温度过火石灰和欠火石灰碳酸钙的分解取决于温度、压力、介质和石灰石原料的致密度及块度的形状和均匀度。原料中含有的MgO杂质对生石灰的制造也有影响，MgCO3比CaCO3煅烧温度低，因而先分解，等CaCO3分解时，MgO的致密度大增，消化性能降低，影响了生石灰的性能。所以生石灰的最佳煅烧温度不是一成不变的。,三、生石灰的性质,（一）物理性能1.晶形和晶格结构CaO具有面心立方晶格，晶格常数a=0.48nm，MgO也是面心立方晶格，a=0.4203nm，所以白云石（CaCO3:MgCO3=1:1）密度比石灰石（
10、主要是CaCO3）高。2.煅烧度石灰被煅烧的程度 轻烧石灰、中烧石灰和硬烧石灰及死烧石灰,3.体积密度随煅烧度的增加而增大。4.气孔率 开口（连通、半连通）及全封闭孔5.颜色与比表面积和杂质含量有关。,（二）化学性质,1.与水的作用消化、熟化CaO+H2OCa(OH)2+6.49104J消化与煅烧度、颗粒大小、外加剂、温度有关石灰的消化特点：（1）大量放热；（2）比表面积急剧增加，以及块状生石灰变为粉末状消石灰；（3）石灰粒子在水中形成石灰胶团结构。,2.与CO2作用碳化,Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2OCO2与H2O先形成H2CO3，然后与Ca（OH）2发生反应
11、，因此只有在半潮湿、升压和升温状态下的CaO或CO2浓度大的条件下，碳化作用才明显。碳化与石灰乳的形成及硬化有关。,3.与SiO2的作用在高温下（10001200），与SiO2反应形成C2S。4.其他反应,四、熟石灰的制造,1.湿消化：在消化槽中，给石灰块和石灰粉不停的浇水，并不断搅拌，直至放热结束。2.干消化：石灰工业企业中，常用到。见图1-173.加压消化：常见于难消化的石灰，如硬烧石灰、镁质石灰等。4.工业副产品：生产乙炔工业中：CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2,五、熟石灰的性质,（一）物理性质1.晶形和晶体结构2.密度和堆积密度3.硬度4.粒度和比表面积5.溶解度6.热性能
12、7.颜色,（二）化学性质,（三）其他性质,1.流动性2.可塑性及和易性3.产浆量4.沉降体积5.均匀性,六、应用,石灰的技术性质(1)良好的保水性：直径约为1m的呈胶体分散状态的氢氧化钙，其表面吸附一层较厚的水膜。(2)凝结硬化慢、强度低：碳酸钙和氢氧化钙结晶体(3)耐水性差：氢氧化钙结晶易溶于水(4)体积收缩大：蒸发大量的游离水,1石灰乳涂料将热化好的消石灰加入水稀释，直接用于室内墙壁和天棚的涂料。加入各种耐碱颜料，可变成彩色涂料。加入少量磨细slag或flyash，提高其耐水性。加入明矾，氯化钙，聚乙烯醇等减少涂层粉化。,（一）建筑业,2石灰砂浆石灰膏+砂+水+拌制，既可用作砌筑砂浆又可用
13、作抹面。石灰膏+纤维+水拌制，多用于抹面。3石灰土和三合土石灰土（石灰+粘土）和三合土（石灰+粘土+砂碱炸渣等填料），多用于加固地面、密实地面，稳定地基。,4制作硅酸盐制品将石灰与硅质材料磨细后，一起加压成型，再经过蒸汽养护，生成以水化硅酸钙为主要产物的砼。反应式如下：Ca(OH)2+SiO2+aqCaOSiO2aq硅酸盐砼制品有：灰砂砖、灰砂构件、加气砼等。,5碳化石灰板将磨细生石灰、纤维状填料或轻质骨料搅拌成型，然后用CO2进行人碳化，而成的一种轻质板材。6将生石灰用于惰性胶凝材料的激发剂，如FA，slay等。7接触硬化胶凝材料。,四、关于石灰用于建筑中的一些注意事项：,1陈伏：生石灰中，
14、一些石灰石在烧制过程中由于矿石品质的不均匀及温度的不均匀，生成的生石灰中即有可能含有欠火石灰和过水石灰。对于欠火石灰，降低了石灰的利用率，而对于过火石灰，由于其表面常被粘土类杂质融化形成的玻璃釉状物包裹，熟化很慢，就有可能在实际工程应用中，石灰已经硬化，而过火石灰才开始热化，热石灰体积比生石灰体积大12.5倍，引起隆起和开裂。为了消除这一危害，就有必要将石灰浆，在储存坑中“陈伏”两星期以上，等待过火石灰的完全“热化”。“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。,2消化时的温度与石灰粒度石灰在消化期间的温度应注意石灰的粒度大小，研究结论指出，粒度较大的生石灰应在较低的温度下消
15、化，而粒度小的应在较高温度下进行消化。这主要是与形成的石灰浆达到最好的塑性有关。3石灰制品受潮后易溶解，致使强度下降所以不宜在潮湿环境中使用，若必须要用，就必须进行处理。,（二）钢铁工业,（三）化学工业,第三节 镁质胶凝材料（菱苦土）,菱苦土是一种白色或浅黄色的粉末，其主要成分是氧化镁（MgO），菱苦土作为胶凝材料与石灰的原理不同，石灰的最终反应化学原理是Ca(OH)2CaCO3生成物要求是CaCO3,而菱苦土的反应生成物是Mg(OH)2。,一、菱苦土原料,（一）菱镁矿（二）白云石（三）蛇纹石（四）化工副产品,二、菱苦土的生产,MgCO3MgO+CO2在原材料煅烧过程中，应使MgCO3充分分解
16、，而其中的CaCO3避免分解，这样所得到的菱苦土材料就是活性MgO和惰性的CaCO3，这主要是因为若生成CO2，会对菱苦土性能产生负面影响。煅烧最适宜温度与原材料中的化学组成、结构状态有关。煅烧温度也直接影响菱苦土的水化速度，煅烧温度低，则烧结速度快，但可能MgCO3又不能充分分解。,三、菱苦土的硬化与调和,MgO+H2O=Mg(OH)2在纯水中，这个反应很慢，且硬化后的强度很低，因此，一般不用水来调配菱苦土浆体，而是用某些盐水。最常用的就是MgCl2，其次还有MgSO4、FeSO4等。,用MgCl2作为调凝剂，硬化后强度最高，但吸湿性较大，抗水性差；而用MgSO4作为调凝剂，制品吸湿小，但强
17、度较低；用FeSO4,吸湿性强度都还可以，但时间一长，制品表面容易出现锈斑。,在实际中，多采用MgCl2（此时又叫氯镁水泥）作为调凝剂，同时辅以采取抗水措施：1加入H3PO4，加入H3PO4后，可与MgCl2生成不溶于水的2MgHPO43H2O的结构物。（掺量1%左右）2有机外加剂，有水溶性和水乳性的高聚物和有机硅，如丙烯酸聚合乳液，砖酸乙酯等。它们自力交联聚合，可以包裹Mg(OH)2晶体，形成良好的防水保护层。,3.加入FeCl3，可以增加硬化体强度，并堵塞毛细管，增加抗渗性。4掺入某些水硬性胶凝混合材如浮石粉，红砖等。混合材中的SiO2、Al2O3可与Mg(OH)2作用生成耐水性强的物质。
18、,四、应用,菱苦土硬化后与植物纤维的粘结性很好，且碱性较弱，对植物纤维腐蚀性也小，可以用做：（1）制作构件。常将菱苦土与木纤维，如木屑、刨花、芦苇、竹筋等制成一些板材及其他构件。这些板材及构件包括：刨花板、人造大理石、隔热材料等。,（2）制作菱苦土木屑地面，此时可以再加入石棉、硅藻土、石英和颜料等。特点是强度较高，弹性好，不起灰，放火、碰撞不起火花，但不常用于潮湿环境。（3）加入气泡或泡沫后，制成保温隔热材料。（4）耐水性处理好的话，还可以用于浴缸等生活用具。（5）其他,菱苦土一些注意事项：,（1）仍是保存与运输中的防潮以及其制品不宜用于室外和多水的地方，要么耐水性处理的很好。（2）调和剂的掺
19、量。MgCl2：MgO：46之间。（3）与玻璃制品隔开，因为菱苦土的弱碱性对玻璃有腐蚀性，所以若用到玻璃纤维，耐久性要注意。,第四节 水玻璃(water glass),一、组成及分类二、水玻璃的生产三、水玻璃的凝结硬化四、水玻璃的性质五、水玻璃的应用,一、水玻璃组成及分类,水玻璃俗称为泡花碱，是一种易溶于水的碱金属硅酸盐，最常用的是硅酸钠和硅酸钾两种R2OnSiO2。(又称钠水玻璃、钾水玻璃)也可将二者按比例混合，又叫混合水玻璃。n：氧化硅与氧化钠的分子比，它被称为水玻璃的模数。,水玻璃分类,1.按模数大小：高模数水玻璃和低模数水玻璃2.按碱金属氧化物：钾水玻璃、钠水玻璃和混合水玻璃；3.按融
20、制时的原料，特别是碱金属氧化物原料：纯碱（碳酸盐）水玻璃和硫酸钠水玻璃；4.改性水玻璃：掺有外加剂的水玻璃；5.按水玻璃中二氧化硅含量多少，有中性和碱性水玻璃水解后都为碱性。,工业上水玻璃形态有三种：块状或粉状水玻璃，溶解慢，且易潮解。含有化合水的固体水玻璃，称之为水合水玻璃溶解度大。由而得的液体水玻璃，可与水按任意比例混合。,二、水玻璃的生产,（一）原料：1.SiO2 原料：石英砂、砂岩、燧石、硅藻土等；2.Na2O原料：纯碱(Na2CO3)、硫酸钠(Na2SO4)、苛性钠(NaOH)、小苏打(NaHCO3)等；3.其他原料：炭，在用硫酸盐生产时采用。,（二）生产,1.干法（1）碳酸盐熔融法
21、Na2CO3+nSiO2CO2+Na2OnSIO2（2）硫酸盐法4Na2SO4+2C+4SiO2=4NaOSiO+4SO2+2CO22.湿法蒸压法国内多用碳酸盐法,三、水玻璃的凝结硬化,Na2nSiO2+CO2+mH2O=Na2CO3+nSiO2 mH2O这个反应在空气中进行，反应速度偏慢，一般加入硅氟酸钠（Na2SiF6）作为促硬剂。但Na2SiF6有毒，使用要注意安全。掺量12-15%。掺量过多或过少的都有弊端。,水玻璃的模数和相对密度，对于凝结和硬化影响也很大。当模数高时，硅胶容易析出，水玻璃凝结硬化快。当水玻璃相对密度小时，反应产物扩散速度快，水玻璃凝结硬化速度也快。而模数又低且相对密
22、度又大时，凝结硬化就很慢。环境温度和湿度对凝结硬化影响也大，温度高、湿度低时放映速度也加快。,四、水玻璃性质,五、水玻璃的应用,1涂刷土木工程材料表面可提高抗风化能力，并可掺入耐碱颜料。2配制防水剂。3配制水玻璃矿渣砂浆，修补砖墙、裂缝。4用于加固土壤。5碱矿渣砼中的碱。6配制耐酸砼。7.配制耐热砂浆和耐热混凝土。,水玻璃性能的调配,因为水玻璃在工程中应用主要与其粘度和粘结力有关，而这两点又分别与水玻璃的浓度和模数有关。1不考虑浓度与模数改变，可加入尿素，在不提高粘度的同时，增加粘结力。2模数的调查：若水玻璃在使用中模数不合要求，导致粘结力等性能不符，则通过加入NaOH来降低模数，或加入硅酸或
23、无定形SlO2来提高模数。3浓度可通过加水稀释或加热浓缩来实现。,注意事项：,1运输与存放的容器：不能用木质容器或用木塞：因为木材被碱性溶液浸蚀，使水玻璃着色而影响质量。不能用镀锌（Zn），因Zn太活泼，易与碱反应生成氢气。故而可用玻璃桶、铁桶、砼桶、塑料桶等。但不论何种容器，应注意密封，以防与CO2和H2O反应，而表面结皮。2水玻璃在+10下有结冰的可能，故应保持贮存处温度。3加入促硬剂（如Na2SiF6）时应注意安全，NaSiF6为白色结晶，在水玻璃工地易当成白糖或食盐。4不能长时间敞开有放，由于表面水分蒸发，表面易结皮，结皮又因沉降作用而沉淀，从而影响质量。模数大的水玻璃易结皮。,思考题(1)气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料有何区别?(2)石灰熟化成石灰浆使用时，一般应在储灰坑中“陈伏”两星期以上，为什么?(3)何为欠火石灰、过火石灰?各有何特点?(4)试述石灰的技术性能与应用?(5)试述建筑石膏的技术性能与应用。(6)水玻璃有哪些用途?(7),
