第4章氣硬性膠凝材料4.1石灰4.2石膏4.3水玻璃 4.1石灰

4.1.1石灰的原料及生產

石灰是建筑工程中應用最早的氣硬性膠凝材料，以碳酸鈣為主要成分的天然巖石均可用來煅燒石灰，主要化學變化為氧化鈣和氧化鎂是生石灰的主要成分。根據氧化鎂含量的多少，將生石灰分為鈣質石灰（MgO含量<5%）和鎂質石灰（MgO含量≥5%）。表4－1建筑生石灰的技術指標

生石灰的質量與煅燒溫度和煅燒時間有直接關系：當煅燒溫度過低或煅燒時間不足時，生石灰中殘留有未分解的石灰巖殘渣，即欠火石灰；當煅燒溫度過高時，由于石灰巖中的易熔成分熔融，所形成的生石灰結構致密，并被熔物包裹，即過火石灰。

欠火石灰無膠凝性能，從而降低了石灰的質量和利用率；過火石灰則難于水化，給工程應用帶來不便。

原料純凈，煅燒正常的生石灰是白色或灰白色塊狀體，質輕色勻，呈松軟多孔結構。生石灰的密度約為3.2g/cm3，表觀密度為（800～1000）kg/m3。4.1.2生石灰的熟化和硬化

塊狀生石灰使用前，通常加水熟化成石灰膏或消石灰粉，其化學反應為CaO+H2O→Ca(OH)2+64.9KJ該反應迅速，其主要特點是：體積膨脹達(1～2.5)倍，生石灰品質越好膨脹越厲害；水化放熱量很高，為建筑石膏水化放熱量的10倍，水泥水化放熱量的9倍。在建筑工地上，石灰多在化灰池中熟化成石灰膏。欠火石灰是含碳酸鈣的硬塊,不能熟化成為渣子。過火石灰則因其熟化緩慢，當用于建筑抹灰以后，可能繼續熟化而產生膨脹，使平整的抹灰面表面鼓包、開裂或局部脫落。為消除過火石灰的危害，必須將生石灰在化灰池內放置2周以上（稱陳伏），使其充分熟化后方可使用。

石灰在空氣中逐漸硬化，是由兩個同時進行的過程來完成的：

（1）結晶過程。石灰漿體中水分蒸發或被砌體吸收，氫氧化鈣逐漸從過飽和溶液中析出，形成結晶。（2）碳化過程。氫氧化鈣與空氣中二氧化碳和水化合，生成不溶于水的碳酸鈣結晶，釋放出水分：Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O由于空氣中二氧化碳濃度很低，碳化過程十分緩慢，因此同時進行的碳化與結晶過程，以結晶作用為主，使得石灰漿逐漸凝結而硬化。生石灰與少量的水作用會形成消石灰粉（熟石灰），使用時加水調劑成石灰漿。國家建材行業標準《建筑消石灰粉》（JC/T481—92）將消石灰粉按其種類劃分為優等品、一等品和合格品三個質量等級。4.1.3石灰的技術性質

石灰作為膠凝材料，其技術性質如下：

(1)塑性好。生石灰熟化成石灰漿時，能形成顆粒極細的微粒（約1μm），該顆粒在漿體中可吸附水膜，使漿體可塑性明顯改善。故在砌磚結構的水泥砂漿中，常摻入一定量的石灰膏。

(2)硬化慢，強度低。硬化慢主要是碳化過程緩慢所致。1∶3的石灰砂漿28天強度約(0.2～0.5)MPa，所以石灰不能用作結構材料。

(3)體積收縮小。石灰漿體硬化過程中，由于蒸發大量水分而導致體積明顯收縮，一般不能單獨使用，必須摻入適量的骨料或加筋材料（如麻刀、紙筋）。

（4）耐水性差。未硬化的石灰漿處于潮濕環境中，由于水分不能很好地蒸發而難于硬化；已硬化的石灰漿長期受潮或受水浸泡，由于Ca(OH)2晶體溶解而導致強度下降甚至潰散。4.1.4石灰的應用

(1)石灰與黏土可配成灰土，再加入砂或碎磚、爐渣可配成三合土，經夯實，具有一定強度和耐水性，可用于建筑物的基礎、墊層以及路基等。

（2）配制水泥石灰砂漿和石灰砂漿。用熟化好的石灰膏和水泥、砂配制成的混合砂漿是目前用量最大、用途最廣的砂漿品種；用石灰膏和砂或麻刀、紙筋配制成的石灰砂漿、麻刀灰、紙筋灰則廣泛用作內墻和頂棚的抹灰材料。（3）生產碳化石灰板。將磨細的生石灰、纖維狀填料（如玻璃纖維）或輕質骨料按比例混合攪拌成型，再通入CO2進行人工碳化從而制成碳化石灰板。該制品表觀密度小，導熱系數低，主要用作非承重的隔墻板、天花板等。

（4）加固含水的軟土地基。生石灰可用來加固含水的軟土地基，如石灰樁是在樁孔內灌入生石灰塊，利用生石灰吸水熟化時體積膨脹的性能產生膨脹壓力，從而使地基加固。

4.2石膏

4.2.1石膏的原料及生產

石膏及其制品在建筑工程中應用廣泛，生產建筑石膏的主要原料是天然石膏巖（二水石膏CaSO4·2H2O）和一些含有CaSO4·2H2O的化工業副產品及廢渣（稱為化工石膏）。相同的原料，煅燒條件不同，得到的石膏品種會不同，其結構性質也不同。常見的有建筑石膏、模型石膏、高強石膏和無水石膏。

天然二水石膏在107℃～170℃加熱煅燒即得建筑石膏，其化學反應如下：4.2.2建筑石膏的凝結與硬化

建筑石膏與適量水拌和后，成為可塑的漿體，但很快就失去塑性、產生強度，并逐漸發展成為堅硬的固體，這種現象稱為凝結硬化。這是由于漿體內部發生了一系列的物理化學變化。首先，半水石膏溶解于水，與水反應生成二水石膏，即由于二水石膏在水中的溶解度僅為半水石膏溶解度的1／5左右，所以半水石膏的飽和溶液對于二水石膏已成為過飽和溶液，二水石膏將從溶液中沉淀析出膠體微粒。二水石膏的析出，破壞了原來半水石膏溶解濃度的平衡，因此半水石膏會進一步溶解和水化。如此循環進行，直到半水石膏全部耗盡。在此過程中，二水石膏膠體微粒的數量不斷增多，漿體中的自由水分因水化和蒸發而逐漸減少，同時因為膠體微粒比半水石膏顆粒細小得多，粒子的總表面積增大使其吸附了更多的水分，所以漿體的稠度逐漸增大，顆粒之間的摩擦力和黏結力逐漸增加，可塑性逐漸減小，表現為石膏的“凝結”。其后，漿體繼續變稠，膠體微粒逐漸凝聚成為晶體，然后晶體逐漸長大、共生和相互交錯，使漿體產生強度，并不斷增長，這就是石膏的“硬化”。石膏的凝結硬化過程實質上是一個連續進行的過程，在整個過程中既有物理變化又有化學變化。4.2.3建筑石膏的技術特性

(1)凝結硬化快。建筑石膏加水拌和數分鐘內，便開始失去塑性，初凝僅需5min，終凝為(20～30)min，一周后即完全硬化。這一性質不利于制品成型，為此常摻入緩凝劑，如硼砂、檸檬酸、亞硫酸鹽紙漿廢液、骨膠等，以延緩其水化時間，方便生產。

(2)凝結硬化過程中體積略為膨脹，其膨脹量約0.5%～1.0%，所以石膏在使用中不會因不均勻收縮而開裂，作為裝飾材料使用時表面光滑細膩，形體飽滿，尺寸準確。

(3)質輕多孔。建筑石膏水化反應的理論需水量為18.6%，但在實際生產中，為了成型方便，實際用水量常達60%～80%，超出理論需水量的水分在制品成型后慢慢蒸發而成為孔隙，孔隙率約為50%～80%。因此，石膏制品質輕而多孔，具有良好的絕熱性能和吸聲性能。但強度較低，吸水率高，抗凍性差。

(4)防火性能良好。建筑石膏硬化后成為二水石膏，其中結晶水約占20.9%。當石膏制品受到高溫作用時，結晶水蒸發而形成“氣幕”，具有阻止火熱蔓延的作用。

(5)耐水性差。在潮濕條件下，石膏的強度顯著降低，所以石膏制品一般不宜用于相對濕度70%以上的環境中。

(6)良好的加工性能。建筑石膏硬化后可鋸、可刨、可釘、可鉆，這為安裝施工提供了很大的方便。

(7)裝飾性好。石膏制品在成型時易做成各種復雜的圖案花紋及造型，顏色潔白，質感細膩，用于室內裝飾顯得寧靜高雅。近幾年來國內外建筑物普遍采用石膏裝飾制品作為室內墻面和頂棚的裝修和裝飾材料。4.2.4建筑石膏制品

1．裝飾石膏板

裝飾石膏板是以建筑石膏為主要原料，摻入適量纖維加筋材料和聚乙烯醇外加劑與水一起攪拌成均勻的料漿，注入帶有圖案花紋的硬質模具內成型，再經硬化、干燥而成的不帶圖護面紙的裝飾板材。其主要特征是表面具有各層圖案花紋，可獲得良好的裝飾效果。有的產品在生產時，可在其表面粘貼一層聚氯乙烯裝飾面層，以一次完成裝飾工序。當用作吊頂板材時考慮兼有吸聲效果，則可將板材穿以圓形或方形的盲孔或全穿孔，通常將孔呈圖案布置，以增加板材的裝飾效果。

裝飾石膏板按板材耐濕性能分為普通板和防潮板兩類。每類按其板面特征又分為平板、孔板和浮雕板三種。具體分類及代號如表4－2所示。表4－2裝飾石膏板分類及代號表4－3裝飾石膏板技術性能指標表4－4裝飾石膏板斷裂荷載值

裝飾石膏板具有輕質、強度較高、絕熱、吸聲、阻燃、抗震、耐老化、變形小、能調節室內濕度等特點，且加工性能好，施工方便。

普通裝飾吸聲石膏板適用于賓館、禮堂、會議室、招待所、醫院、候機室等用作吊頂板材以及安裝在這些室內四周墻壁的上部，也可用在住宅的頂棚和墻面裝飾。

高效防水裝飾吸聲石膏板主要用于對裝飾和吸聲有一定要求的建筑物室內頂棚和墻面裝飾。特別適用于環境濕度>70%的工礦車間、地下建筑、人防工程及對防水有特殊要求的建筑工程。

吸聲石膏板適用于各種音響效果要求高的場所，如影劇院、播音室等。

2．紙面石膏板

紙面石膏板包括普通紙面石膏板、耐火紙面石膏板和裝飾吸聲紙面石膏板三種。它們是以建筑石膏為主要原料，摻入適量纖維和外加劑等制成芯板，再在其表面貼以厚質護面紙而制成的板材。板材因厚紙護面，所以抗折強度較高，撓度變形比無護面紙的石膏板小得多。

普通紙面石膏板和耐火紙面石膏板為矩形，板長有1800mm、2100mm、2400mm、2700mm、3000mm、3300mm和3600mm等幾種，寬度有900mm和1200mm兩種，厚度有9mm、12mm、15mm、18mm等幾種（耐火板還有21mm和25mm兩種厚度）。一般情況下均采用9mm和12mm厚的板。

裝飾吸聲紙面石膏板的主要形狀為正方形，常用尺寸有500mm×500mm和600mm×600mm兩種，板厚有9mm和12mm兩種。用作活動式裝配吊頂時，選用9mm厚的板材為宜。

3．嵌裝式裝飾石膏板

嵌裝式裝飾石膏板也是以建筑石膏為主要原料，摻入適量的纖維增強材料和外加劑，與水攪拌成均勻的料漿，經澆注成型、硬化、干燥而成的不帶護面的板材。板材背面凹入而四周邊加厚，并制有嵌裝企口，板材正面為平面或帶有一定深度的浮雕花紋圖案，也可以穿以盲孔，這種板稱為穿孔嵌裝式裝飾石膏板。當采用該種板作飾面板時，在其背面復合吸聲材料，使板具有一定的吸聲特性，稱為嵌裝式裝飾吸聲石膏板。

嵌裝式裝飾石膏板為正方形。其棱邊形式有直角形和倒角形。規格為：600mm×600mm，邊厚大于28mm，以及500mm×500mm，邊厚大于25mm。

4．藝術裝飾石膏制品

藝術裝飾石膏制品主要包括浮雕藝術石膏線角、線板、花角、壁爐、羅馬柱、花飾等。這些制品均采用優質建筑石膏為基料，配以纖維增強材料、黏結劑等，與水拌勻制成料漿，經澆注成型、硬化、干燥而成。

這些制品表面光潔、顏色潔白，花型和線條清晰、尺寸穩定，強度高、無毒、阻燃等特點，并且拼裝容易，可加工性好，主要用于室內裝飾。 4.3水玻璃

4.3.1水玻璃的分類與組成

水玻璃俗稱泡花堿，是由不同比例的堿金屬氧化物和二氧化硅化合而成的一種可溶于水的硅酸鹽。建筑常用的為硅酸鈉(Na2O·nSiO2)的水溶液，又稱鈉水玻璃。要求高時也使用硅酸鉀(K2O·nSiO2)的水溶液，又稱鉀水玻璃。水玻璃為青灰色或淡黃色黏稠狀液體。二氧化硅(SiO2)與氧化鈉(Na2O)的摩爾數的比值n，稱為水玻璃的模數。水玻璃的模數越高，越難溶于水；水玻璃的密度和強度越大、硬化速度越快，硬化后的黏結力與強度、耐熱性與耐酸性越高；水玻璃的濃度太高，則強度太大，不利于施工操作，難以保證施工質量。建筑中常用的水玻璃模數為2.6~3.0。水玻璃的濃度一般用密度來表示。常用水玻璃的密度為（1.3~1.5）g／cm3。水玻璃的密度太大或太小時，可用加熱濃縮或加水稀釋的辦法來改變。4.3.2水玻璃的硬化

水玻璃在空氣中吸收二氧化碳，析出二氧化硅凝膠，并逐漸干燥脫水成為氧化硅而硬化，即：由于空氣中二氧化碳的濃度較低，故上述過程很慢,為加速水玻璃的硬化常加入氟硅酸鈉(Na2SiF6)作為促硬劑，加速二氧化硅凝膠的析出，其反應如下：氟硅酸鈉的適宜摻量為12％~15％，摻量少，則硬化慢，且硬化不充分，強度和耐水性均較低；但摻量過多，則凝結過速，造成施工困難，且強度和抗滲性均降低。加入氟硅酸鈉后，水玻璃的初凝時間可縮短到（30~60）min，終凝時間可縮短到（240~360）min，7d基本上達到最高強度。4.3.3水玻璃的性質

水玻璃在凝結硬化后，具有以下特性：

(1)黏結力強、強度較高。水玻璃在硬化后，其主要成分為二氧化硅凝膠和氧化硅，因而具有較高的黏結力和強度，用水玻璃配制的混凝土的抗壓強度可達（15~40）MPa。

（2）耐酸性好。由于水玻璃硬化后的主要成分為二氧化硅，所以其可以抵抗除氫氟酸、過熱磷酸以外的幾乎所有的無機酸和有機酸，可用于配制水玻璃耐酸混凝土、耐酸砂漿等。（3）耐熱性好。硬化后形成的二氧化硅網狀骨架，在高溫下強度下降不大，用于配制水玻璃耐熱混凝土、耐熱砂漿等。

（4）耐堿性和耐水性差。水玻璃在加入氟硅酸鈉