第一節石灰第三節水玻璃第二節石膏第二章氣硬性無機膠凝材料62了解膠凝材料的分類。掌握氣硬性膠凝材料的概念和常用品種。掌握石灰的品種，了解石灰的原料，以及生產、熟化和凝結硬化的原理，掌握石灰的技術要求、主要性質及正確應用。理解石膏的凝結與硬化的原理，理解石膏的主要性質、應用及質量要求。了解水玻璃的組成及硬化原理，理解水玻璃的性質與應用。學習目標6364在建筑工程中，將散粒材料（如砂子、石子）或塊狀材料（磚或砌塊）黏結成整體并具有一定強度的材料稱為膠凝材料。按其化學成分不同，膠凝材料可分為以高分子化合物為主要成分的瀝青、樹脂、橡膠等有機膠凝材料和以無機物為主要成分的水泥、石灰、石膏、水玻璃等無機膠凝材料，如圖所示。氣硬性膠凝材料只能在空氣中（干燥條件下）凝結硬化，產生強度。水硬性膠凝材料不僅在空氣中凝結硬化，而且能更好地在水中凝結硬化并產生強度。氣硬性膠凝材料只適用于干燥環境，水硬性膠凝材料既適用于干燥環境，也適用于潮濕環境及水中。65膠凝材料的分類石灰第一節6667石灰是一種傳統而又古老的建筑材料，是以氧化鈣（CaO）或氫氧化鈣[Ca（OH）2]為主要成分的氣硬性膠凝材料。我國在古代已經開始燒制石灰了，長城磚塊的黏合、古埃及金字塔的修建都使用了石灰。一、石灰的生產石灰的原材料是石灰巖，主要成分為碳酸鈣（CaCO3），其中也常含有一定量的碳酸鎂（MgCO3），原料分布廣泛，生產工藝簡單。石灰巖經煅燒生成的生石灰屬于輕質的塊狀物質，顏色由白至灰或呈黃褐色。68石灰巖受熱煅燒分解成生石灰，放出二氧化碳。其化學反應式如下：CaCO3→CaO+CO2↑MgCO3→MgO+CO2↑煅燒的溫度一般為1000~1200℃。石灰巖在灰窯中煅燒時溫度低或煅燒時間短，會使石灰巖部分未分解而生成欠火石灰；煅燒時溫度高或煅燒時間長，會生成過火石灰。欠火石灰中碳酸鈣未完全分解，使用時缺乏黏結力。過火石灰結構密實，表面常包覆一層熔融物，熟化速度非常緩慢，有的細小顆粒可能在石灰應用之后再熟化，體積膨脹，致使已經硬化的砂漿產生崩裂或鼓泡現象，俗稱“起蘑菇”，影響工程質量。69二、生石灰的熟化與硬化1.生石灰的熟化工地上使用生石灰時，通常將生石灰加水，使之消解為膏狀或粉末狀的消石灰（熟石灰），這個過程稱為生石灰的熟化，又稱水化或消化。生石灰熟化的反應式如下：CaO+H2O→Ca（OH）2+64.9kJ生石灰在熟化過程中有兩個特點：一是水化熱大，即放出大量的熱，約為64.9kJ，足可以把雞蛋燒熟，大量的水蒸氣夾雜著熟石灰顆粒騰空而起，這就是人們給石灰塊噴水后看到的白霧現象；二是水化過程體積因膨脹而增大，一般增大1.5~3.5倍。70熟化后的生石灰存在兩種狀態，即熟石灰粉和石灰膏。（1）熟石灰粉在工程施工中，生石灰中加入適量的水，經過熟化、陳伏就得到顆粒細小且分散的粉狀物（略濕，但不成團），即為熟石灰粉。用水量應以生石灰能充分消解而又熟石灰粉不過濕成團為度。（2）石灰膏建筑工程中所用石灰膏是在生石灰中加入大量水（用量為石灰塊的2.5~3倍）攪拌成漿，過6mm孔徑的篩網過濾除渣，流入淋灰坑（化灰池）內成為渾濁的石灰乳，經沉淀后分層形成的，上層為水，下層為石灰膏。712.石灰的硬化石灰漿體在空氣中的硬化包括兩個同時交替進行的過程，即干燥硬化過程和碳化硬化過程。（1）干燥硬化過程（結晶作用）石灰漿體中游離水蒸發，氫氧化鈣逐漸從飽和溶液中結晶，使漿體產生強度。氫氧化鈣的干燥硬化過程主要在內部發生。（2）碳化硬化過程（碳化作用）氫氧化鈣與空氣中二氧化碳化合生成碳酸鈣結晶析出，釋放水分并蒸發，使漿體產生強度。72石灰漿體硬化后，表面是由兩種不同的晶體組成的，時間越長，表面的碳酸鈣越厚。碳化作用實際是空氣中二氧化碳與水反應生成碳酸，然后與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣。這個過程不能在無水的全干狀態下進行。碳化作用在長時間內只限于表面，生成了碳酸鈣堅硬的外殼，阻礙內部碳化反應的發展。同時也阻礙了內部水分的蒸發，使得石灰漿體較長時間處于濕潤狀態，不易硬化，強度、硬度小，收縮大易產生裂縫。因此，一般情況下純石灰漿不能單獨使用。73三、石灰的特性1.可塑性與保水性好微觀下，石灰膏是球形的細小顆粒，且呈高度分散的膠體狀態，表面及顆粒間空隙有較多的化合水和游離水，降低了顆粒間的摩擦力。這些特點使石灰膏易于鋪攤成均勻的薄層，具有良好的可塑性與保水性。742.硬化后體積收縮大且強度低石灰漿體硬化時，蒸發大量水分，內部毛細管失水收緊，體積收縮大，表面會出現干縮裂縫，故一般不宜單獨使用。大量水分蒸發導致硬化后的石灰內產生大量的空隙，密實度減小，強度低。3.硬化速度慢且耐水性差由于熟石灰的碳化作用發生在與空氣接觸的表層，生成的氫氧化鈣膜層較致密，阻礙了空氣中二氧化碳滲入和內部水分向外蒸發，導致硬化速度緩慢。由于石灰漿體中大部分是尚未硬化的氫氧化鈣，易在水中潰散，故石灰不宜用于潮濕環境。75四、石灰的應用與保管1.石灰的應用石灰的用途很廣，經不同加工處理后可得到磨細生石灰粉、消（熟）石灰粉、石灰膏等不同品種的石灰。它們有不同的用途。（1）制作硅酸鹽制品將塊狀生石灰磨細成粉狀的石灰，可用于制作硅酸鹽制品，如灰砂磚、粉煤灰磚、粉煤灰砌塊、硅酸鹽砌塊等。（2）調制石灰乳石灰乳是由消石灰粉或熟化好的石灰膏加入大量的水攪拌稀釋而成，是廉價易得的涂料，主要用于內墻和頂棚刷白，以增加室內亮度。76（3）配制砂漿石灰膏和消石灰粉中氫氧化鈣顆粒非常小，與水調和后具有很好的可塑性。因此，常用石灰膏或消石灰粉配制成石灰砂漿或水泥石灰混合砂漿，用于砌筑和抹面工程。（4）拌制灰土和三合土石灰與黏土按一定比例（2∶8或3∶7）拌合后稱為石灰土或灰土，如果再加入砂或爐渣、石屑等，即成為三合土。灰土和三合土在我國已有數千年的應用歷史，主要用于建筑物的地基基礎和道路工程的基層、墊層。另外，用石灰與粉煤灰、碎石拌制的“三渣”也常用于道路工程。772.石灰的保管生石灰在空氣中易吸濕，與水迅速反應，堆放時應注意防潮，運輸過程中應有防雨措施。生石灰不應與易燃易爆及液體物品共存及運輸，以免發生火災和引起爆炸，運進工地后應將儲存期變為熟化期，立即進行陳伏。石膏第二節7879我國石膏資源極其豐富，儲量大，分布廣。石膏膠凝材料及其制品具有許多優良的性質，在建筑工程中得到廣泛的應用。石膏膠凝材料品種很多，建筑上使用較多的是建筑石膏、高強石膏、無水石膏水泥等。一、石膏的原材料1.生石膏（又稱為軟石膏）生石膏通常指天然二水石膏，分子式為CaSO4·2H2O，是生產建筑石膏最主要的原料。生石膏粉加水不硬化，無膠結力。802.化工石膏化工石膏指含有二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）及硫酸鈣（CaSO4）混合物的化工副產品，也可作為生產建筑石膏的原料，但性能不及用生石膏制得的建筑石膏。3.硬石膏硬石膏指天然無水石膏，分子式為CaSO4，不含結晶水，性質與生石膏差別較大，通常用于生產建筑石膏制品或添加劑。81二、建筑石膏的生產將主要成分為二水石膏的天然石膏或化工石膏在107~170℃條件下煅燒脫去部分結晶水制得的半水石膏，稱為建筑石膏，又稱為熟石膏。建筑工程中應用的石膏膠凝材料主要是建筑石膏。生石膏在加熱過程中，隨著溫度和壓力不同，其產品的性能也隨之變化，具體見表。82石膏生產及性能83三、建筑石膏的凝結硬化建筑石膏與適量水拌和后，與水發生水化反應生成二水硫酸鈣的過程稱為建筑石膏的凝結硬化，也稱為水化。該反應過程如圖所示。半水石膏拌水后形成流動的可塑性凝膠體，并開始溶于水中，很快形成飽和溶液，溶液中的半水石膏與水反應生成二水石膏。由于二水石膏在常溫下的溶解度僅為半水石膏的五分之一，故二水石膏漿體變稠，進而失去流動性。石膏膠體顆粒將從溶液中析出，并促使一批新的半水石膏溶解和水化，直至半水石膏全部轉化為二水石膏。84建筑石膏的凝結硬化a）膠化b）結晶開始c）結晶長大與交錯1—半水石膏2—二水石膏膠體微粒3—二水石膏晶體4—交錯的晶體85隨著水化反應的不斷進行，自由水分被水化和蒸發而不斷減少，加之生成的二水石膏微粒比半水石膏細，比表面積大，吸附更多的水，可塑性也開始下降，這一過程稱為石膏的初凝；又隨著二水石膏微粒結晶長大，晶體顆粒逐漸互相搭接、交錯、共生，從而產生強度，這一過程稱為石膏的硬化。實際上，上述水化和凝結硬化過程是相互交叉而連續進行的。86四、建筑石膏的主要技術性質1.凝結硬化快建筑石膏加水拌和后10min內便失去塑性而初凝，30min內即終凝硬化，并產生強度。由于建筑石膏初凝時間短，不便于施工操作，使用時一般均加入緩凝劑，以延長凝結時間。常用的緩凝劑有經石灰處理的動物膠（摻量0.1%~0.2%）、亞硫酸酒精廢液（摻量1%）、硼砂、檸檬酸、聚乙烯醇等。摻緩凝劑后，石膏制品的強度將有所降低。872.表觀密度小，強度低建筑石膏水化的理論需水量只占半水石膏的18.6%。在使用建筑石膏的過程中，為使漿體具有足夠的流動性，通常加水量可達50%~60%，導致與水泥相比強度較低，表觀密度小。3.體積微膨脹建筑石膏凝結硬化過程中會產生體積膨脹（約1%），不像石灰和水泥那樣出現體積收縮，可澆注出紋理細致的浮雕花飾，制品表面光滑、體形飽滿、無收縮裂紋，特別適用于刷面和制作建筑裝飾制品。這是其他膠凝材料所不具有的特性。884.顏色潔白，可加彩色建筑石膏顏色潔白，且雜質含量少，還可加入各種顏料調制成彩色石膏制品，保色性好。5.保溫性能好由于石膏制品生產時往往加入過量的水，水分蒸發后形成大量的內部毛細孔，孔隙率達50%~60%，表觀密度小（800~1000kg/m3），導熱系數小，故具有良好的保溫絕熱性能，常用作保溫材料，并具有一定的吸聲效果。896.耐水性差但具有一定的調濕功能建筑石膏制品的軟化系數只有0.2~0.3，不耐水，但由于毛細孔隙較多，比表面積大，當空氣過于潮濕時能吸收水分，當空氣過于干燥時則能釋放水分，從而調節空氣的相對濕度。提高石膏耐水性的主要措施有摻加礦渣、粉煤灰等活性混合材料，或者摻加防水劑、進行表面防水處理等。7.防火性好建筑石膏制品的導熱系數小，傳熱慢，比熱又大，更重要的是二水石膏遇火脫水，產生的水蒸氣能有效阻止火勢蔓延，起到防火作用，但脫水后制品強度會下降。90五、建筑石膏的應用建筑石膏在土木工程中用作室內抹灰及粉刷、生產建筑裝飾制品和石膏板。建筑裝飾制品（吊頂）911.室內抹灰及粉刷以建筑石膏為膠凝材料，加入水和砂子配成石膏砂漿，可用于內墻面抹平。由建筑石膏的特性可知，石膏砂漿具有良好的保溫、隔熱、隔音、防火性能，能調節室內空氣的濕度。由于石膏砂漿不耐水，故不宜在外墻使用。在建筑石膏中加水和適量外加劑，調制成涂料，可用于涂刷裝修內墻面。石膏粉刷后的墻面光潔、細膩、潔白，且透濕透氣、凝結硬化快、施工方便、黏結強度高，是良好的內墻涂料。922.生產建筑裝飾制品在雜質含量少的建筑石膏（有時稱為模型石膏）中加入少量纖維增強材料和建筑膠水等，可以制成各種裝飾制品，也可摻入顏料制成彩色制品。3.生產石膏板石膏板是土木工程中使用量最大的一類板材，包括石膏裝飾板、空心石膏板、蜂窩板等，常用于裝飾吊頂、隔板，具有保溫、隔聲、防火等功能。運輸和儲存建筑石膏時要注意防潮，儲存期一般不宜超過3個月，否則石膏制品的質量將下降。93六、建筑石膏的技術標準表中所列強度指標為2h的強度值。建筑石膏的質量指標水玻璃第三節9495一、水玻璃的組成和生產水玻璃俗稱泡花堿，能溶于水，是一種由堿金屬氧化物和二氧化碳結合而成的硅酸鹽材料。水玻璃分為鈉水玻璃和鉀水玻璃兩類，鈉水玻璃為硅酸鈉水溶液，鉀水玻璃為硅酸鉀水溶液。土木工程中主要使用鈉水玻璃。優質純凈的水玻璃為無色透明的黏稠液體，溶于水，當含有雜質時呈淡黃色或青灰色。96水玻璃主要成分是石英粉（SiO2）、純堿（Na2CO3）或含硫酸鈉的原料，將原料磨細，按比例配合，在玻璃熔爐內加熱至1300~1400℃，熔融而成硅酸鈉，冷卻后即成固態水玻璃。固態水玻璃在0.3~0.8MPa的蒸壓鍋內加熱，可溶解為無色、淡黃或青灰色透明、半透明的黏稠液體，即成液態水玻璃。它能溶解于水，并能在空氣中凝結、硬化。97鈉水玻璃分子式中的n稱為水玻璃的模數，代表氧化鈉和二氧化硅的分子數比，是非常重要的參數。n值越大，水玻璃的黏性和強度越高，但是在水中的溶解能力卻隨之下降。我國生產的水玻璃模數一般在2.4~3.3之間。水玻璃在水溶液中的含量（或稱濃度）常用密度或者波美度（°B′e）表示。土木工程中常用水玻璃的密度一般為1.36~1.50g/cm3，相當于波美度38.4~48.3。密度越大，水玻璃含量越高；黏度越大，水玻璃模數越大。98二、水玻璃的凝結固化水玻璃溶液在空氣中吸收二氧化碳，形成二氧化碳凝膠，并逐漸干燥而硬化。上述硬化過程很慢，為加速硬化，可將水玻璃溶液加熱或加入硅氟酸鈉（Na2SiF6）作為促凝劑（硅氟酸鈉加入量為水玻璃的12%~15%）。隨著碳化反應的進行，水玻璃中硅膠含量增加，接著自由水分蒸發，硅膠脫水成固體二氧化硅而凝結硬化，其特點是速度慢、體積收縮、強度低。99三、水玻璃的主要技術性質1.黏結力和強度較高水玻璃硬化后的主要成分為硅凝膠和固體，比表面積大，因而具有較高的黏結力。但是，水玻璃自身質量、配合料性能及施工養護對其強度有顯著影響。2.耐酸性好水玻璃耐酸性好，除氫氟酸（HF）、熱磷酸和高級脂肪酸以外，幾乎不與其他無機酸和有機酸反應。1003.耐熱性好水玻璃硬化后形成的二氧化硅網狀骨架在高溫下不燃燒、不分解，強度不降低。當采用耐熱耐火骨料配制水玻璃砂漿和混凝土時，可耐1000℃高溫。因此，水玻璃混凝土的耐熱性主要取決于骨料的耐熱性。4.耐堿性和耐水性差水玻璃加