第四章 无机气硬性胶凝材料4.1概述建筑上用来将散粒材料（如砂、石子）或块状材料（如砖、石 块）粘结成为整体的材料，统称为胶凝材料。胶凝材料按其化学 成分可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类，前者如水泥、 石灰、石膏、菱苦土、水玻璃等，后者如沥青、有机高分子聚合 物等。无机胶凝材料按其硬化条件又分为气硬性胶凝材料和水硬 性胶凝材料两大类。气硬性胶凝材料是指只能在空气中凝结硬化，也只能在空气中保持或发展其强度的胶凝材料。如石灰、石膏、水玻璃、菱苦 土等 。水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中硬化，而且能更好地 在水中硬化、保持并继续提高其强度的胶凝材料。如各种水泥。4.2 石灰石灰是以碳酸钙（3）为主要成分的石灰石煅烧而 得到的一种胶凝材料。主要成分为氧化钙（）和氧化镁 （）。 4.2.2石灰的生产工艺 .原料：富含碳酸钙的岩石（如石灰石、白云石、白垩等） 。 .原理：高温煅烧优质的石灰，色质洁白或略带灰色，质量较轻，块状石灰堆 积密度为3，具有多孔结构。欠火石灰：当煅烧温度过低或时间不足时，碳酸钙不能完全 分解，生石灰中含有石灰石，这类石灰称为欠火石灰。欠火颜 色发青，内部有未烧透的内核，使用时不能完全消化，产浆量 低，石灰利用率下降。过火石灰：当煅烧温度过高或时间过长时，部分块状石灰的 表面会出现玻璃状的釉状外壳，这类石灰称为过火石灰。过火 石灰的特点是体积收缩明显，颜色呈灰黑色，石灰块体密度增 大，消化缓慢，往往要在石灰硬化后才开始水化，水化时体积 膨胀，导致产生裂缝等破坏现象，危害极大。4.2.3石灰的熟化、石灰的熟化：又称消化、水化，它是指生石灰与水发生水化反应生成Ca（ OH）2的过程。其化学反应式为： CaO+H2O=Ca（OH）2+64.9103J 生石灰熟化的特点： （1）水化热大，放热速度快，体积膨胀。在最初1h内的放热量几乎是硅酸盐水 泥1d放热量的9倍； （2）水化速度快。煅烧良好的生石灰与水接触几秒种内即反应完毕。 （3）反应可逆。常温下反应向右进行，在547时反应向左进行。 （4）体积膨胀。质纯且煅烧良好的生石灰熟化时体积增大.5倍。 2、消石灰粉：熟化时在生石灰中加入适量的水（6080%），则生成粉状熟石 灰，称消石灰粉，其成分主要为Ca（OH）2 。 3、石灰膏：熟化时在生石灰中加入大量的水，则生成浆状石灰膏，其主要成分 为Ca（OH）2 和水。 4、石灰的陈伏：在生石灰的煅烧过程中产生过火石灰是难免的。由于过火石灰 的表面包覆着一层玻璃状釉状物，熟化很慢，通常在石灰浆硬化后才开始水化， 水化时体积膨胀引起石灰硬化体隆起、鼓包和开裂。为消除过火石灰的危害，石 灰膏使用前应在化灰池中存放2周以上，目的是使过火石灰充分熟化，这个过程 称为陈伏。磨细生石灰粉不需要陈伏。因为过火石灰被磨细，表面积增大，水化速度加 快，几乎可同步熟化，同时将局部大膨胀变成了均匀分布的微小膨胀，从而消除 了大的局部膨胀应力。4.2 石灰4.2.4石灰的凝结硬化 石灰的凝结硬化过程包括结晶过程和碳化过程两个过程。 结晶过程：石灰浆中游离水分蒸发或被基底材料如砌块吸收，Ca（OH）2 溶液达到饱和状态，于是Ca（OH）2结晶析出，促使浆体硬化。 碳化过程：空气中的CO2遇水生成碳酸，再与Ca（OH）2反应生成CaCO3 晶体，释放出水分并被蒸发的过程。由于CaCO3晶体不溶于水且结构致密 ，它覆盖在石灰浆体的表面，使其表面结构更加致密。Ca（OH）2+CO2+H2O= CaCO3+2H2O 石灰浆凝结硬化过程的特点： （1）速度慢：碳化作用是由表及里进行的，当表层的Ca（OH ）2被碳化，生成的碳酸钙在石灰浆体表面形成更加致密的膜层，阻 碍了内部水分向外蒸发，使氢氧化钙的结晶作用变得更慢，同时阻 碍了二氧化碳向内部进一步渗入，使碳化作用变得更慢，随时间延 长，表层碳酸钙膜层逐渐增厚，阻碍作用更大，导致石灰的凝结硬 化过程极其缓慢，在相当长的时间内，表层为碳酸钙，内部仍为氢 氧化钙。 （2）体积收缩大。容易产生收缩裂缝。4.2 石灰4.2.5石灰的主要技术性质 （1）保水性和可塑性好：氢氧化钙颗粒极细（粒径为1微米），比表 面积很大，因而对水的吸附能力强，故保水性好。同时颗粒表面吸附 一层厚的水膜，使颗粒间的摩擦力减小，因而其可塑性好。 （2）硬化较慢、强度低：石灰浆硬化后的强度一般小于1MPa。 （3）硬化时体积收缩大：石灰浆硬化过程中会有大量游离水蒸发， 导致内部毛细管失水紧缩，引起显著的体积收缩，同时碳化过程也会 引起体积收缩，使石灰硬化体产生裂纹。故石灰浆不宜单独使用，通 常掺入砂子、或纤维材料（麻刀（指细麻丝,碎麻）、纸筋等），以减 少收缩或提高抗裂能力。 （4）耐水性差：石灰浆在水中不会凝结硬化，同时由于氢氧化钙微 溶于水，石灰硬化体遇水会产生溃散，故石灰不宜用于潮湿环境。4.2 石灰4.2.6石灰的技术标准按现行标准建筑生石灰（）、建筑生石灰粉 （）和建筑消石灰粉（ ）的规定， 建筑石灰按其氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类 。由于生石灰和消石灰粉的分级技术指标不同，故分别提出不同要求。）生石灰技术标准根据氧化镁含量分为钙质生石灰和镁质生石灰两类，然后按氧化钙 氧化镁总含量、产浆量、未消化残渣量和含量等个指标，将生 石灰分为优等品、一等品和合格品个等级。2)建筑生石灰粉3）建筑消石灰粉4.2 石灰4.2.7石灰的应用 1.石灰乳：在石灰浆中加入大量水配制成稀浆，用于要求不高 的室内粉刷。 2.配制混合砂浆，用于砌筑和抹面。 3.石灰土和三合土：生/消石灰粉和粘土加水拌合夯实后即为石 灰土。石灰土中再加入砂、石屑、炉渣等即为三合土。由于氢 氧化钙能和粘土中少量的活性SiO2和Al2O3反应生成具有水硬 性的产物（水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体），使粘土的密 实度、强度、耐水性得到改善。因此广泛由于建筑物的基础和 道路垫层。 目前更常用的方法是将石灰、粉煤灰和石子混合成三合土作为 道路垫层，其固结强度高于粘土。 4.制作硅酸盐制品 以石灰和硅质材料（如石英砂、粉煤灰等）为原料，加上拌合 ，经成型、蒸养或蒸压处理等工序而制成的建筑材料，统称硅 酸盐制品，如粉煤灰砌块、灰砂砖、粉煤灰砖等。硅质材料中 的SiO2、Al2O3与石灰在蒸汽养护或蒸压养护条件下生成水化 硅酸钙和水化铝酸钙等水硬性产物，从而能产生强度。4.2 石灰 粉煤灰砖：以粉煤灰，石灰为主要原料，掺加适 量石膏和骨料经坯料制备、压制成型、高压或常压 蒸汽养护而成的实心粉煤灰砖。 灰砂砖：以石灰和砂为主要原料，允许掺入颜料 和外加剂，经坯料制备、压制成型、蒸压养护而成 的实心灰砂砖。 粉煤灰砌块：以粉煤灰、石灰、石膏和骨料等为 原料，经加水搅拌、振动成型、蒸汽养护而制成的 砌块。4.2 石灰4.3.1石膏的种类（1）天然二水石膏(CaSO42H2O)，又称生石膏。（2）化工石膏(CaSO42H2O+ CaSO4混合物)，如磷石膏、氟石膏、钛 石膏等。（3）天然无水石膏（ CaSO4），又称硬石膏。（4）建筑石膏（又称熟石膏）：是以 型半水石膏（- CaSO41/2H2O ）为主要成分，不加任何外加剂的气硬性胶结材。将二水石膏在107-170时加热脱水即可制得型半水石膏。CaSO42H2O- CaSO41/2H2O+3/2H2O（5）高强石膏：是以型半水石膏（ - CaSO41/2H2O ）为主要成 分，不加任何外加剂的气硬性胶结材。 将二水石膏在0.13MPa、124的蒸压条件下加热即可制成型半水石膏 ，即高强石膏。高强石膏的晶体比建筑石膏的晶体粗，比表面积小，配制 成浆体时需水量少，故石膏硬化后，密实度较大，强度较高，可用于建筑 抹灰或者制成石膏制品，但成本较高。建筑石膏生产方便，成本低，可在 建筑工程中广泛大量使用。 建筑石膏及其制品具有轻质，隔热，吸声，美观及易于加工等优点，因此 用途广泛，是一种有发展前途的新型建筑材料之一。4.3 建筑石膏4.3.2建筑石膏的水化和凝结硬化 水化反应：CaSO41/2H2O+3/2H2O= CaSO42H2O 水化过程：由于水化产物二水石膏的溶解度比型半水石膏小得多（仅为型 半水石膏溶解度的1/5），型半水石膏的饱和溶液对二水石膏就成了过饱和溶 液，二水石膏便结晶析出，这时二水石膏浓度降低，使新的一批半水石膏又继 续溶解和水化，如此循环进行，直到 型半水石膏完全耗尽。 凝结：随水化的进行，浆体中游离水分逐渐减少，二水石膏生成量不断增加， 浆体稠度不断增大，可塑性逐渐降低，这个过程称为凝结。 硬化：凝结过程完成后，随水化反应的进行，二水石膏晶体颗粒仍逐渐长大、 连生（晶体一个连接一个地生长在一起）并互相交错，使强度不断增长，直至 剩余水分完全耗尽后，强度才停止发展，这个过程称为硬化。 初凝状态：建筑石膏浆体完全失去流动性开始失去可塑性时的状态。 终凝状态：建筑石膏浆体完全失去可塑性并开始产生强度时的状态。 凝结硬化过程的特点： （1）速度快。建筑石膏在加水后几分钟内便开始失去可塑性，在30min内即 可达到终凝并开始硬化。 （2）体积微膨胀。在凝结硬化过程中产生约1%的体积膨胀。4.3 建筑石膏4.3.3建筑石膏的技术标准 根据建筑石膏GB9776-88的规定，建筑石膏按 抗折强度、抗压强度和细度分为优等品、一等品和 合格品三个等级，具体质量指标见下表。 4.3 建筑石膏等级优等品一等品合格品强 度 MPa抗折强度2.52.11.8抗压强度4.93.92.9细度以0.2mm方孔筛筛余百 分数计，不大于（%）5.010.015.0凝结时间 min初凝时间不小于6 终凝时间不大于304.3.4建筑石膏的性质1、 凝结硬化快。建筑石膏在加水后10min内便可达到初凝，在 30min内即可达到终凝并开始硬化。为了延缓石膏的凝结速度，需加入 缓凝剂，如动物胶、亚硫酸盐酒精废液、硼砂、柠檬酸等。2、 建筑石膏硬化后孔隙率大、强度较低。半水石膏水化反应，理 论上所需水分只占半水石膏质量的18.6。为了使石膏浆具有必要的可 塑性，通常加水60%80。石膏浆体硬化后，多余的水分蒸发，内部 具有很大的孔隙率（约达总体积的50%60），故其强度较低。硬化 后最大抗压强度仅为812MPa。3、 建筑石膏硬化体保温性和吸声性能良好。建筑石膏制品的导热系数 较小，一般为0.1210.205W/(mK)。4、 防火性能良好。建筑石膏硬化后的主要成分是带有两个结晶水 分子的二水石膏，当其遇到火时，二水石膏脱出结晶水，结晶水吸收热 量蒸发时，在制品表面形成水蒸气幕，有效地阻止火的蔓延。制品厚度 越大，防火性能越好。5、体积微膨胀： 一般膨胀率约为1%，这可使硬化体表面光滑饱满， 干燥时不会收缩开裂，且能使制品造型棱角很清晰，特别适用于抹面和 制作石膏制品。4.3 建筑石膏6、耐水性差但具有调湿功能：建筑石膏制品的软化系数只 有0.20.3（石膏制品由无数细小晶体构成，但晶粒间粘结 力较小，在水分子的作用下，晶粒间的搭接处易溶解破坏， 导致其强度大大降低），制品长期浸水还会因二水石膏晶体 溶解而溃散（ CaSO42H2O 微溶于水）。故建筑石膏适用于 室内，而不适用于室外。在建筑石膏中加入适量水泥、粉煤 灰、磨细粒化高炉矿渣以及各种有机防水剂，可提高制品的 耐水性。但石膏制品当空气过于潮湿时能吸收水分，当空气 过于干燥时则能释放水分。 7、硬化体的装饰好和可加工性能好。石膏制品表面细腻平 整，色洁白，具雅静感；同时，可锯、可钉、可刨，便于施 工。 8、密度与堆积密度：2.50-2.80g/cm3；800-1000kg/m34.3 建筑石膏4.3.5建筑石膏的应用(一)室内抹灰及粉刷建筑石