第二章 無機(jī)氣硬性膠凝材料

1、土木工程材料土木工程材料Civil Engineering Materials 主講：孫家瑛第二章 無機(jī)氣硬性膠凝材料 第一節(jié) 石膏 第二節(jié) 石灰 第三節(jié) 水玻璃。 基礎(chǔ)知識： 膠凝材料：土木工程材料中，凡是經(jīng)過一系列物理、化學(xué)作用，能將散粒狀材料粘結(jié)成整體的材料。 氣硬性膠凝材料：只能在空氣中硬化，也只能在空氣中保持或繼續(xù)發(fā)展其強(qiáng)度的膠凝材料。 第一節(jié) 石膏 一、石膏生產(chǎn)簡介 原材料：天然二水石膏或工業(yè)副產(chǎn)石膏 CaSO4 2H2O 根據(jù)生產(chǎn)條件的不同，可生產(chǎn)出不同的石膏產(chǎn)品。 。10717042422112122CCaSOH OCaSOH OH O -半水石膏，建筑石膏 124424220

2、.13112122CMPaCaSOH OCaSOH OH O 半水石膏，高強(qiáng)石膏 400 7504242CCaSOH OCaSO II II型硬石膏，死燒石膏 死燒石膏已失去凝結(jié)硬化能力。死燒石膏加入適量激發(fā)劑磨細(xì)后又能凝結(jié)硬化，稱為無水石膏水泥。 二、建筑石膏的凝結(jié)硬化 凝結(jié)硬化：石膏與水拌和后，最初成為可塑漿體，經(jīng)過一段時(shí)間后就變稠失去可塑性，并逐漸成為具有一定強(qiáng)度的固體。 初凝：漿體開始變稠失去流動性。 凝結(jié) 終凝：漿體完全失去可塑性，開始產(chǎn)生強(qiáng)度。 硬化：凝結(jié)后產(chǎn)生明顯的強(qiáng)度的過程。 反應(yīng)方程式 問題1 凝結(jié)硬化機(jī)理 由于二水石膏在水中的溶解度約為半水石膏的1/5，所以半水石膏的飽和溶

3、液對于二水石膏而言就成了過飽和溶液，所以二水石膏就會結(jié)晶析出，從而破壞了半水石膏溶解的平衡，促使反應(yīng)不斷向右進(jìn)行，半水石膏不斷的溶解直到半水石膏完全耗盡。42242111222CaSOH OH OCaSOH O 在上述過程中，漿體中的自由水分由于水化以及蒸發(fā)而逐漸減少，二水石膏膠體微粒數(shù)量不斷增加，漿體不斷失去可塑性，表現(xiàn)為凝結(jié)； 隨著水化的進(jìn)行，結(jié)晶析出的晶體顆粒逐漸長大、共生，形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)，靠結(jié)晶接觸點(diǎn)傳遞荷載，使?jié){體強(qiáng)度不斷增長，表現(xiàn)為硬化。 溶解析晶。 問題2 生產(chǎn)： 使用： 否定之否定。 10717042422112122CCaSOH OCaSOH OH O 4242421222C

4、aSOH OCaSOH OCaSOH O42242111222CaSOH OH OCaSOH O 三、建筑石膏的特性 1、凝結(jié)硬化快 石膏的初凝時(shí)間小于30min，硬化在自然干燥情況下一個(gè)星期可完成。（案例） 2、硬化硬化時(shí)體積略有膨脹 石灰、水泥等膠凝材料在硬化硬化過程中均表現(xiàn)為收縮。而唯有石膏表現(xiàn)為膨脹，從而使石膏制品表面飽滿，棱角清晰，成為一種理想的室內(nèi)裝修材料。 3、硬化后孔隙率大，表觀密度和強(qiáng)度較低 石膏水化時(shí)的理論需水量為石膏重的18.6，但為了使石膏具有流動性，便于施工，通常的用水量為6080，多余的水分蒸發(fā)后，在石膏內(nèi)留下孔隙。 4、隔熱、吸音性能好 孔隙率增加：導(dǎo)熱系數(shù)減小，

5、保溫隔熱性能好 孔隙率增加：聲音傳導(dǎo)和反射的能力降低，吸音性能好 5、防火性能好 二水石膏中的結(jié)晶水遇熱蒸發(fā)，吸收熱量，在制品表面可形成蒸汽幕。 6、具有一定的調(diào)溫調(diào)濕性 呼吸作用 ：建筑石膏的孔隙率大，當(dāng)室內(nèi)空氣較潮濕時(shí)，建筑石膏可以吸收一部分空氣中的水分；而當(dāng)室內(nèi)空氣較干燥時(shí)，建筑石膏又可以釋放出一定的水分。 7、耐水性與抗凍性差 石膏依靠結(jié)晶接觸點(diǎn)傳遞力，結(jié)晶接觸點(diǎn)易溶于水。 石膏的孔隙率大，吸水率高，水分受凍結(jié)冰膨脹，對石膏產(chǎn)生破壞作用。 8、加工性能好 可鋸，可刨，可釘 。 四、石膏的技術(shù)性質(zhì) 密度：2.602.75g/cm3 堆積密度：8001000kg/m3 顏色：白色粉末 根據(jù)

6、建筑石膏（GB 1 9776-1999）規(guī)定，建筑石膏按強(qiáng)度、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間指標(biāo)分為優(yōu)等品、一等品和合格品三個(gè)等級，見下表。表2-1 建筑石膏的技術(shù)指標(biāo)（GB 19776-1999）技術(shù)指標(biāo)優(yōu)等品一等品合格品抗折強(qiáng)度（MPa）不小于2.52.11.8抗壓強(qiáng)度（MPa）不小于4.93.92.02.9細(xì)度(0.2 mm方孔篩篩余/),不大于5.010.015.0凝結(jié)時(shí)間初凝時(shí)間不早于6 min；終凝時(shí)間不遲于30 min 五、應(yīng)用 石膏在建筑中應(yīng)用十分廣泛。如石膏板材、抹灰材料、雕塑等。 紙面石膏板： 紙面石膏板是以建筑石膏為主要原料，摻入纖維和外加劑構(gòu)成芯材，并與護(hù)面紙牢固地結(jié)合在一起的輕質(zhì)建筑

7、板材。 可分為普通紙面石膏板、耐水紙面石膏板和耐火紙面石膏板。 普通紙面石膏板普通紙面石膏板適用于辦公樓、影劇院、賓館、候車室等建筑的室內(nèi)墻面、頂棚裝飾材料，但僅適用于干燥環(huán)境中，不宜用于廚房、衛(wèi)生間以及空氣濕度大于70%的潮濕環(huán)境中。 耐水紙面石膏板耐水紙面石膏板是以建筑石膏為主要原料，摻入適量耐水外加劑構(gòu)成耐水芯材，并與耐水的護(hù)面紙牢固粘結(jié)在一起的輕質(zhì)建筑板材。主要用于廚房、衛(wèi)生間等潮濕場合的裝飾。 耐火紙面石膏板耐火紙面石膏板是以建筑石膏為主，摻入適量無機(jī)耐火纖維材料構(gòu)成芯材，并與護(hù)面紙牢固粘結(jié)在一起的耐火輕質(zhì)建筑板材。 。第二節(jié) 石灰 一、石灰生產(chǎn)簡介 原材料：石灰石、白云石、白堊及貝

8、殼等。 主要成分：CaCO3 CaO：生石灰 根據(jù)生石灰中MgO含量的多少，生石灰分為鈣質(zhì)石灰和鎂質(zhì)石灰。 MgO5，鈣質(zhì)石灰 MgO 5，鎂質(zhì)石灰 。90032CCaCOCaOCO 將煅燒成的塊狀生石灰經(jīng)過不同的加工，可以得到三種石灰產(chǎn)品。 生石灰粉：將塊狀的生石灰磨細(xì) 消石灰粉：將生石灰加入適量適量的水進(jìn)行熟化而成 石灰膏：將生石灰加入過量過量的水進(jìn)行熟化而成。 二、石灰的水化與硬化 1、石灰的水化 水化也稱熟化、消化 反應(yīng)方程式22()64.9CaOH OCa OHKJ 水化產(chǎn)物為熟（消）石灰 生石灰熟化時(shí)熟化時(shí)水化熱大（放熱64.9KJ），體積增大12.5倍。 在石灰生產(chǎn)過程中，溫度過

9、高或過低均會對石灰的質(zhì)量產(chǎn)生影響。 欠火石灰：石灰石（CaCO3）未完全分解，降低了石灰的利用率。 過火石灰：內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，熟化緩慢。當(dāng)石灰漿中含有這類過火石灰時(shí)，它將在石灰漿硬化后才發(fā)生水化作用，此時(shí)產(chǎn)生膨脹，引起局部隆起和開裂。 90032CCaCOCaOCO 如何消除過火石灰的危害？ 石灰在使用之前應(yīng)進(jìn)行陳伏，陳伏，且時(shí)間在且時(shí)間在14天以上天以上。 陳伏是指石灰膏在儲灰坑中放置14d以上的過程。過火石灰在這一期間將慢慢熟化。陳伏期間，石灰膏表面應(yīng)保有一層水分，使其與空氣隔絕，以免與空氣中二氧化碳發(fā)生碳化反應(yīng)。 案例：某工地急需配制石灰砂漿。當(dāng)時(shí)有消石灰粉、生石灰粉及生石灰材料可供選用。

10、因生石灰價(jià)格相對較便宜，便選用，并馬上加水配制石灰膏，再配制石灰砂漿。使用數(shù)日后，石灰砂漿出現(xiàn)眾多凸出的膨脹性裂縫，請分析原因。 原因分析：該石灰的陳伏時(shí)間不夠。數(shù)日后部分過火石灰在已硬化的石灰砂漿中熟化，體積膨脹，以致產(chǎn)生膨脹性裂紋。 2、石灰的硬化 石膏漿體的硬化是一個(gè)溶解、析晶的過程 石灰漿體在空氣中硬化，則是一個(gè)結(jié)晶、碳化結(jié)晶、碳化的過程： a、結(jié)晶作用：游離水蒸發(fā)，Ca（OH）2逐漸從飽和溶液中結(jié)晶。 b、碳化作用：Ca（OH）2與空氣中的 CO2和H2O反應(yīng)生成CaCO3，釋放出水分并蒸發(fā)。 22232()(1)Ca OHCOnH OCaCOnH O問題：方程式左邊的n份水能否與右

11、邊的（n1）份水抵消？ 三、石灰的特性 1、生石灰熟化時(shí)水化熱大，體積增大 生石灰熟化時(shí)熟化時(shí)水化熱大（放熱64.9KJ），體積增大12.5倍。 2、硬化緩慢 由于碳化作用主要發(fā)生在與空氣接觸的Ca（OH）2晶體的表面，而不斷生成的CaCO3膜層致密，阻礙了CO2的滲入，也阻礙了內(nèi)部水分的蒸發(fā)；此外，空氣中CO2含量本就不多，所以硬化緩慢。 22232()(1)Ca OHCOnH OCaCOnH O 3、硬化后體積收縮大 注意：石灰熟化時(shí)體積增大，而硬化時(shí)體積收縮。 該性質(zhì)導(dǎo)致硬化石灰體易開裂。所以石灰制品通常與砂或纖維材料共同使用，以提高其抗裂能力。 問題：請觀察下中A、B兩種已經(jīng)硬化的石灰

12、砂漿產(chǎn)生的裂紋有何差別，并討論其成因。 石灰砂漿A 石灰砂漿B 石灰砂漿A為凸出放射性裂紋，這是由于石灰的陳伏時(shí)間不足，致使其中部分過火石灰在石漿砂漿制作時(shí)尚未水化，導(dǎo)致其在硬化后的石灰砂漿中繼續(xù)水化成Ca(OH)2，產(chǎn)生體積膨脹，從而形成膨脹性裂紋。 石灰砂漿B為網(wǎng)狀干縮性裂紋，是因石灰砂漿在硬化過程中干燥收縮所致。尤其是水灰比過大，石灰過多，易產(chǎn)生此類裂紋。 4、硬化后強(qiáng)度低 由于石灰漿中有大量游離水分存在（理論需水量為生石灰重量的32.13），硬化時(shí)大量水分蒸發(fā)，在體內(nèi)留下孔隙。 5、耐水性差 石灰硬化體中，大部分是仍未碳化的Ca（OH）2，而Ca（OH）2易溶于水，所以耐水性差。 石灰

13、不宜在潮濕環(huán)境下使用，也不宜單獨(dú)用于基礎(chǔ)。 6、可塑性與保水性好 利用這一特性，將其摻入水泥砂漿中，配制成水泥混合砂漿，可提高砂漿的和易性。 四、石灰的技術(shù)性質(zhì) 建筑生石灰 JC/T479-92 建筑生石灰粉 JC/T480-92 建筑消石灰粉 JC/T481-92 書中表。 五、應(yīng)用 石灰膏或消石灰粉加入過量的水稀釋成石灰乳，可用于室內(nèi)粉刷。 用于配制水泥混合砂漿，可用于墻體的砌筑或抹面工程。 消石灰粉與粘土拌制成石灰土，若加入砂石或爐渣則成為三合土，可用于墻體、建筑物基礎(chǔ)、路面和地面的墊層等。 生產(chǎn)硅酸鹽制品，主要有墻體材料（灰砂磚等）以及各種保溫隔熱制品。 第三節(jié) 水玻璃 基礎(chǔ)知識： 水

14、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。 鈉水玻璃：硅酸鈉(Na2OnSiO2)水溶液 鉀水玻璃：硅酸鉀(K2OnSiO2)水溶液 建筑常用的為鈉水玻璃，其水溶液為無色、淡綠色或微黃色粘稠液體。 一、生產(chǎn) 原料：石英砂（SiO2）、苛性鈉（Na2CO3） 反應(yīng)方程式 SiO2與Na2O的摩爾數(shù)比值n，稱為水玻璃的模數(shù)。 n3的為中性水玻璃，n3時(shí)，要在4個(gè)大氣壓以上的蒸汽中才能溶解。 水玻璃的模數(shù)一般為1.53.5。 二、水玻璃的硬化 機(jī)理：水玻璃溶液在空氣中吸收CO2形成無定型硅膠，并逐漸干燥而硬化。 反應(yīng)方程式 由于空氣中CO2濃度較低，所以上述

15、過程進(jìn)行很慢。 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，其摻量一般為1215。 氟硅酸鈉有毒，使用時(shí)應(yīng)注意安全。 22222322Na OnSiOCOmH ONa COnSiOmH O硅酸凝膠 三、水玻璃的特性與應(yīng)用 1、特性 粘結(jié)力強(qiáng)、強(qiáng)度較高 水玻璃在硬化后，其主要成分為硅酸凝膠，因而具有較高的粘結(jié)力和強(qiáng)度。用水玻璃配制的混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)1540 MPa。 具有防滲堵漏的作用 硬化時(shí)析出的硅酸凝膠可堵塞毛細(xì)孔防止水滲透。 耐酸性好 可以抵抗除氫氟酸以外的幾乎所有的無機(jī)和有機(jī)酸。 耐熱性好 高溫下硅膠干燥更加強(qiáng)烈，強(qiáng)度并不降低甚至有所增加。

16、 2、應(yīng)用 涂刷材料表面，提高抗風(fēng)化能力 以密度為1.35 g/cm3的水玻璃浸漬或涂刷粘土磚、水泥混凝土、石材等多孔材料，可提高材料的密實(shí)度、強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性、及耐水性等。 原因：水玻璃與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成硅酸凝膠，同時(shí)水玻璃也與材料中的氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，兩者填充于材料的孔隙，使材料致密。 注意：水玻璃不能用來涂刷或浸漬石膏制品，因?yàn)楣杷徕c會與硫酸鈣反應(yīng)生成硫酸鈉，在制品孔隙中結(jié)晶，體積顯著膨脹，從而導(dǎo)致制品的破壞。 加固土壤 將水玻璃和氯化鈣溶液交替壓注到土壤中，生成的硅酸凝膠和硅酸鈣凝膠可使土壤固結(jié)，從而避免了由于地下水滲透引起的土壤下沉。 配制速凝防水劑 該防水劑凝

17、結(jié)迅速，1分鐘內(nèi)可凝結(jié)，適用于堵塞漏洞、縫隙等局部搶修。 修補(bǔ)磚墻裂縫 將水玻璃、粒化高爐礦渣粉、砂及氟硅酸鈉按適當(dāng)比例拌合后，直接壓入磚墻裂縫，可起到黏結(jié)和補(bǔ)強(qiáng)作用。 水玻璃應(yīng)在密閉的條件下存放，長時(shí)間存放后，水玻璃會產(chǎn)生一定的沉淀，使用時(shí)應(yīng)攪拌均勻。 某些建筑物的室內(nèi)墻面裝修過程中我們可以觀察到，使用以水玻璃為成膜物質(zhì)的膩?zhàn)幼鳛榈讓油苛?，施工過程往往散落到鋁合金窗上，造成了鋁合金窗外表形成有損美觀的斑跡。試分析原因，應(yīng)采取什么措施避免這類現(xiàn)象。 。案例：水玻璃與鋁合金窗表面的斑跡 討論： 鋁合金制品不耐酸堿； 水玻璃呈強(qiáng)堿性。 當(dāng)含堿涂料與鋁合金接觸時(shí)，引起鋁合金窗表面發(fā)生腐蝕反應(yīng)，使鋁合金表面銹蝕而形成斑跡。 防護(hù)措施： 避免使用酸堿性比較大的涂料； 鋁合金表面涂塑保護(hù)； 精心、文明施工。 本章作業(yè) 思考題 3.2 3.4 簡述欠火石灰與過火石灰的危害。如何消除？ The End 紙面石膏板紙面石膏板