氣硬性膠凝材料10

第2章

氣硬性膠凝材料AirSetInorganicBinders湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院CivilEngineering&Architecture-HBUT※什么是膠凝材料定義：

經(jīng)過一系列物理、化學(xué)作用，能由漿體變成堅(jiān)硬的固體，并能將散?；蚱K狀材料膠結(jié)成整體的材料。特征：能在常溫下凝結(jié)硬化為固體；有較強(qiáng)的膠結(jié)能力；具有一定的使用性能?！z凝材料的種類有哪些按其化學(xué)組成：有機(jī)膠凝材料：瀝青、樹脂等。無機(jī)膠凝材料：水泥、石膏、石灰等。復(fù)合膠凝材料：牙齒水泥、酸－堿水泥。無機(jī)膠凝材料按其硬化條件：

氣硬性膠凝材料石膏、石灰等；水硬性膠凝材料各種水泥等?！沃^氣硬性膠凝材料、何特點(diǎn)氣硬性膠凝材料

只能在空氣中硬化且在空氣中保持和發(fā)展其強(qiáng)度。水硬性膠凝材料

不僅能在空氣中，而且能更好地在水中硬化，保持并發(fā)展其強(qiáng)度。本章主要內(nèi)容建筑石灰(Lime)建筑石膏(Calcinedgypsum)水玻璃(Waterglass)2.1石灰(lime)

石灰是使用最早的礦物膠凝材料之一。由于原料分布廣泛，生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，所以在建筑上歷來應(yīng)用很廣。石灰要點(diǎn)化學(xué)組成與品種制備工藝熟化與陳伏凝結(jié)與硬化技術(shù)要求特性應(yīng)用詠石灰【明】于謙千錘萬擊出深山，烈火焚燒若等閑。碎骨粉身全不怕，要留清白在人間。

---這時(shí)候還是石灰石。

---CaCO3=（高溫）=CaO+CO2↑

---CaO+H2O=Ca(OH)2

---Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

一、石灰的化學(xué)組成與品種生產(chǎn)石灰的原料：

CaCO3為主要成分的天然巖石。如：石灰石、白堊等。石灰的化學(xué)組成及品種：生石灰：CaO；生石灰粉：CaO；熟(消)石灰粉：Ca(OH)2；石灰膏(漿)：Ca(OH)2＋H2O。二、石灰的制備工藝900-1000℃石灰石的熱分解反應(yīng)：

CaCO3

CaO＋CO2制備工藝流程：巖石粉磨消解生石灰塊煅燒破碎生石灰粉消石灰制備工藝與產(chǎn)品石灰石900～1000C磨細(xì)生石灰粉生石灰水噴淋熟石灰粉(水)化灰池石灰漿濃縮石灰膏陳伏煅燒溫度較低，時(shí)間較短時(shí)，

欠火石灰煅燒溫度較高，時(shí)間較長時(shí)，過火石灰減輕或消除過火石灰的危害三、石灰的熟化與陳伏1、石灰的熟化生石灰與水反應(yīng)生成Ca(OH)2的過程稱為石灰的熟化或消化。生成物Ca(OH)2稱為熟石灰或消石灰。CaO+H2O→Ca(OH)2+64.9KJ

石灰熟化反應(yīng)的特點(diǎn)：水化速率快（煅燒良好的生石灰數(shù)秒完成水化）；水化熱大；水化過程中體積膨脹（塊狀生石灰熟化時(shí)體積增大1.5～2倍。磨細(xì)生石灰或摻加石膏可減小其膨脹）。生石灰水化理論需水量32.1％，但為充分水化，實(shí)際加水量為70～100％。

煅燒過程中，由于塊度、受熱狀態(tài)及煅燒時(shí)間的差異，不可避免地存在過火石灰和欠火石灰。欠火石灰煅燒溫度不足或時(shí)間不足時(shí)，碳酸鈣不能完全分解，即生石灰中含有石灰石。欠火石灰不能完全熟化，產(chǎn)漿量低。石灰利用率低。過火石灰煅燒溫度過高或時(shí)間過長，部分塊狀石灰表層會被煅燒成十分致密的釉狀物。過火石灰顏色較深，與水反應(yīng)很慢，石灰硬化后再與水反應(yīng)發(fā)生體積膨脹而引起開裂。2、欠火石灰和過火石灰3、石灰的陳伏

為了避免過火石灰吸水熟化產(chǎn)生膨脹，造成已硬化的砂漿或制品隆起、開裂等質(zhì)量事故，生石灰在使用前必須進(jìn)行徹底的熟化（水化）。陳伏：為了消除過火石灰的危害，保持石灰膏表面有水（防碳化）的情況下，在貯灰池中放置2周以上，使過火石灰充分熟化這一過程。生石灰磨細(xì)后使用，則不需要“陳伏”。石灰漿體在空氣中逐漸硬化，是由下面兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程來完成的：

(1)結(jié)晶作用：游離水分蒸發(fā)，Ca(OH)2逐漸從飽和溶液中結(jié)晶。

(2)碳化作用：

Ca(OH)2與空氣中的CO2氣體化合生成碳酸鈣結(jié)晶，釋出水分井被蒸發(fā)。

Ca(OH)2+CO2+nH2O＝CaCO3+(n+1)H2O碳化作用實(shí)際是CO2與水形成碳酸，然后與Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCO3。所以碳化作用不能在沒有水分的全干狀態(tài)下進(jìn)行。

四、石灰的凝結(jié)與硬化石灰漿體氫氧化鈣晶體碳酸鈣晶體石灰凝膠體石灰碳化體水孔隙水分損失碳化結(jié)晶與碳化過程示意圖五、建筑石灰的技術(shù)要求建筑石灰的技術(shù)指標(biāo)有：CaO+MgO的含量：產(chǎn)生膠結(jié)性的主要成分。體積安定性：過火石灰細(xì)度：以0.9mm和0.125mm篩余百分率表示。CO2的含量生石灰產(chǎn)漿量未消化殘?jiān)浚ㄎ茨芟粼冢祄m圓孔篩上的殘?jiān)俜致剩２醇夹g(shù)指標(biāo)分為優(yōu)等品、一等品和合格品。摘自：JC/T479-92建筑生石灰摘自JC480-1992建筑生石灰粉摘自JC/T481-92建筑消石灰粉六、建筑石灰的特性漿體的保水性和可塑性好

氫氧化鈣粒子顆粒極細(xì)(粒徑約為1μm)，比表面積大（達(dá)10～30m2/g），可吸附大量水，表面形成厚的水膜，使顆粒的摩擦減小。配成混合砂漿，可顯著提高砂漿和易性。表觀密度較小硬化時(shí)體積收縮大，漿體硬化過程中容易收縮開裂

硬化時(shí)大量水分蒸發(fā)，導(dǎo)致顯著的體積收縮，使硬化石灰體產(chǎn)生裂紋。石灰漿不宜單獨(dú)使用，施工時(shí)常摻入一定量的骨料(砂子)或纖維材料(麻刀、紙筋等)。凝結(jié)硬化慢（幾周），強(qiáng)度較低（＜1MPa）

耐水性差，不宜用于潮濕環(huán)境

硬化石灰體中的Ca(OH)2

遇水溶解，會產(chǎn)生潰散。七、石灰的應(yīng)用配制建筑砂漿和石灰乳配制三合土（石灰＋粘土＋砂）、石灰土（石灰＋粘土）作為其它建材制品的原料

如：硅酸鹽制品、灰砂磚、碳化板等。配制無熟料水泥

石灰＋火山灰活性材料軟土地基加固（石灰樁）制造靜態(tài)破碎劑和膨脹劑※石灰的儲存和運(yùn)輸塊狀生石灰：封閉嚴(yán)密的倉庫內(nèi)，存期不宜太長。熟石灰膏：可長期存放，表面用砂子或水覆蓋與空氣隔離。塊狀石灰運(yùn)輸：用帶篷車或帆布蓋好，防水淋熟化升溫引起火災(zāi)。小結(jié)性質(zhì)——石灰是氣硬性膠凝材料，生石灰成分是CaO，熟(消)石灰成分是Ca(OH)2。生產(chǎn)方法——石灰石CaCO3在900～1000C下熱分解得到生石灰，生石灰經(jīng)水噴淋或“陳伏”得到熟(消)石灰。欠火石灰與過火石灰——欠火石灰：石灰煅燒溫度不足或時(shí)間不足時(shí)，碳酸鈣不能完全分解，即生石灰中含有石灰石；過火石灰：煅燒溫度過高或時(shí)間過長，部分塊狀石灰表層會被煅燒成十分致密的釉狀物，與水反應(yīng)很慢，石灰硬化后再與水反應(yīng)發(fā)生體積膨脹而引起開裂。

陳伏——為了消除過火石灰的危害，保持石灰膏表面有水（防碳化）的情況下，在貯灰池中放置2周以上，使過火石灰充分熟化這一過程。凝結(jié)硬化機(jī)理——(1)結(jié)晶作用；(2)碳化作用。后者需在有水分的條件下才能進(jìn)行。性能——漿體的保水性和可塑性好，表觀密度較小，硬化時(shí)體積收縮大、容易收縮開裂，凝結(jié)硬化慢，強(qiáng)度較低，耐水性差。應(yīng)用——配制建筑砂漿、石灰乳、三合土、石灰土，作為硅酸鹽制品的原料，配制無熟料水泥，軟土地基加固。2.2石膏(calcinedgypsum)石膏是一種傳統(tǒng)的氣硬性膠凝材料，公認(rèn)的生態(tài)建材。石膏制品性能優(yōu)良（潔白、細(xì)膩、質(zhì)輕、耐火、隔音、絕熱等），得到很快發(fā)展，其中發(fā)展最快的是紙面石膏板、纖維石膏板、建筑飾面板及隔音板等新型建筑材料。美國80%住宅用石膏板作內(nèi)墻和吊頂。如芝加哥西爾斯大廈，總建筑面積10萬m2，石膏板達(dá)73.3萬m2，全部材料總質(zhì)量60000噸。平均600kg/m2，為一般磚混結(jié)構(gòu)的1/4。※歷史碎片……9000年前，敘利亞和土耳其的安那托力亞就有石膏古跡；5000年前，埃及人就在敞開的火爐中煅燒石膏，然后破碎磨成粉末，再與水拌和制得用于金字塔建造中石塊粘結(jié)材料——灰漿；372-287BC，古希臘人采用天然透明石膏（亞硒酸石膏）做神廟的窗戶；古羅馬人用石膏澆注了成千上萬座古希臘的雕塑。十七世紀(jì)，法國巴黎的木質(zhì)房的所有墻壁均用石膏灰漿（plaster）覆蓋，以提高防火性能，因而，法國巴黎有“石膏的首都（capitalofplaster）之稱。石膏灰漿又稱為“PlasterofParis”它是半水硫酸鈣(CaSO4?H2O)，二水硫酸鈣(CaSO42H2O)稱為gypsum

。我國石膏礦分布非常廣泛石膏要點(diǎn)石膏的組成與結(jié)構(gòu)石膏的生產(chǎn)建筑石膏的凝結(jié)與硬化建筑石膏的技術(shù)要求建筑石膏的特性建筑石膏的應(yīng)用一、石膏的組成與結(jié)構(gòu)石膏的礦物組成：

CaSO4·xH2OX為結(jié)晶水H2Ox＝0，硬石膏(無水石膏)x＝0.5，熟石膏(半水石膏)x＝2，生石膏(二水石膏)石膏膠凝材料(Gypsumbinder

)的組成：

CaSO4·0.5H2O或CaSO4

。石膏是晶體結(jié)構(gòu)二水石膏晶體形貌半水石膏晶體形貌二、石膏的生產(chǎn)原料：天然二水石膏；天然無水石膏；工業(yè)副產(chǎn)物——磷石膏、氟石膏等。生產(chǎn)工序：

原料(破碎)脫水磨細(xì)生產(chǎn)(脫水)的工藝：非密閉煅燒(干燥空氣中)：

密閉蒸練(濕的水蒸氣)：不同工藝得到不同礦物組成的石膏膠凝材料天然石膏礦纖維狀晶體★非密閉煅燒脫水工藝及其產(chǎn)品CaSO42H2O120~180C可溶無水石膏-半水石膏200~360C400~500

C難溶無水石膏500~750C不溶無水石膏★密閉蒸練工藝及其產(chǎn)品125~180C水蒸氣-型半水石膏CaSO42H2O200~360C可溶無水石膏400~800C不溶無水石膏不溶無水石膏CaSO4(Ⅱ)800~1180C地板石膏CaSO4與CaO★生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品的組成CaSO42H2O

120~180C干燥空氣125~180C水蒸氣-CaSO40.5H2O-CaSO40.5H2O-CaSO4(Ⅲ)可溶-CaSO4(Ⅲ)可溶200~360C200~360C400~800C400~800CCaSO4(Ⅱ)不溶800~1180CCaSO4(Ⅰ)不溶＋CaO非密閉煅燒工藝及其產(chǎn)品組成密閉蒸煉工藝及其產(chǎn)品組成三、建筑石膏的凝結(jié)硬化凝結(jié)硬化過程中的水化反應(yīng)：

CaSO4·0.5H2O＋1.5H2OCaSO4·2H2O＋Q

即：石膏的水化反應(yīng)是由二水石膏制備半水石膏的逆反應(yīng)凝結(jié)硬化機(jī)理——“溶解－沉淀理論”

溶解

沉淀

硬化半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不斷溶解，生成Ca2+、SO42-離子的飽和溶液半水石膏的飽和溶液，對于二水石膏是過飽和溶液，后者不斷結(jié)晶沉淀。二水石膏晶體不斷生長、連生、交錯(cuò)，構(gòu)成晶體顆粒堆聚的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)※凝結(jié)硬化的物理化學(xué)過程

石膏漿體半水石膏顆粒二水石膏晶體石膏膠體石膏硬化體水孔隙半水石膏在空氣中，也會吸收空氣中的水分子水化成二水石膏晶體。石膏膠凝材料儲期不宜超過３月，石膏運(yùn)輸、儲存中，必須防潮、防水，以免失效！

石膏的凝結(jié)硬化

※石膏凝結(jié)硬化的影響因素石膏的組成石膏漿體的用水量外加劑細(xì)度凝結(jié)硬化速度的排序：可溶性無水石膏＞半水石膏＞難溶性無水石膏＞不溶性無水石膏用水量越大，石膏晶體顆粒越大；凝結(jié)硬化所需時(shí)間增加一些無機(jī)鹽(如硫酸鉀)可以促進(jìn)凝結(jié)硬化，而一些有機(jī)酸(如檸檬酸)可以延緩凝結(jié)硬化細(xì)度越細(xì)，凝結(jié)硬化越快。四、建筑石膏的技術(shù)要求■摘自GB9776－2008建筑石膏，2009-04-01實(shí)施6技術(shù)要求6.1組成建筑石膏組成中β半水硫酸鈣（β-CaSO4·1/2H2O）的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）應(yīng)不小于60.0%。6.2物理化學(xué)性能建筑石膏的物理力學(xué)性能應(yīng)符合表2的要求。表2物理力學(xué)性能等級細(xì)度(0.2mm方孔篩篩余)/%凝結(jié)時(shí)間/min2h強(qiáng)度/MPa初凝終凝抗折抗壓3.0≤10≥3≤30≥3.0≥6.02.0≥2.0≥4.01.6≥1.6≥3.06.3放射性核素限量工業(yè)副產(chǎn)建筑石膏的放射性核素限量應(yīng)符合GB6566的要求。6.4限制成分工業(yè)副產(chǎn)建筑石膏中限制成分氧化鉀(K2O)、氧化鈉(Na2O)、氧化鎂(MgO)、五氧化二磷(P2O5)和氟(F)的含量由供需雙方商定。五、建筑石膏的特性孔隙率較大，強(qiáng)度較低，表觀密度較小

半水石膏理論需水量18.6％，通常加水60～80％。硬化后，多余的水分蒸發(fā)，孔隙率約50～60％，故其表觀密度較?。?00～900kg/m3），質(zhì)量輕，強(qiáng)度低（7d抗壓約10MP，摻入纖維可增強(qiáng)）。凝結(jié)硬化快

常溫完全水化僅需7～12min，數(shù)分鐘初凝,30分鐘內(nèi)終凝,1周內(nèi)完全硬化。摻適量緩凝劑可延長凝結(jié)時(shí)間，如0.1~0.5%硼砂、0.1~0.2%經(jīng)石灰處理過的動(dòng)物膠、1％亞硫酸廢液等。體積微膨脹，可加工及裝飾性好

建筑石膏硬化時(shí)膨脹率0.05~0.15%，使硬化體表面光滑飽滿，棱角清晰（可作模具）；硬化體可鋸、可釘、可刨，便于施工；制品細(xì)膩平整，色潔白，具有雅靜感；有利于制造復(fù)雜圖案花型石膏裝飾件。隔熱、吸聲、可調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度

建筑石膏制品孔隙率高，導(dǎo)熱系數(shù)較?。?.121~0.205），熱容量大，絕熱能力好；吸聲能力好，內(nèi)部大量毛細(xì)孔隙對水分吸附性強(qiáng)，吸濕性強(qiáng)，干燥時(shí)放出水分。防火性良好

建筑石膏本身不燃，具有抵抗火焰靠近能力。當(dāng)其遇火，二水石膏脫出結(jié)晶水，結(jié)晶水吸收熱量蒸發(fā)時(shí)，在制品表面形成水蒸氣幕，有效地阻止火的蔓延。制品厚度越大，防火性能越好。耐水性和抗凍性較差

軟化系數(shù)為0.3~0.45，長期浸水還會因二水石膏晶體溶解而引起潰散破壞。吸水受凍會因孔中水結(jié)冰膨脹而崩裂。加入適量水泥、粉煤灰、磨細(xì)?；郀t礦渣以及各種有機(jī)防水劑，可提高石膏制品的耐水性、抗凍性和強(qiáng)度。六、建筑石膏的應(yīng)用建筑石膏是一種很好的綠色建材！應(yīng)用中揚(yáng)長避短，正確應(yīng)用！建筑上的主要應(yīng)用有：建筑石膏制品：各種板材：墻板、天花板等藝術(shù)裝飾品粉刷石膏：墻面粉刷雕飾各種墻板德國一所教堂的外墻面雕飾室內(nèi)墻面和天花板的雕飾紙面石膏板生產(chǎn)線小結(jié)性質(zhì)——石膏是氣硬性膠凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏CaSO40.5H2O;

生產(chǎn)方法——建筑石膏可用天然二水石膏或化學(xué)石膏在120~180C干燥下脫水制備；凝結(jié)硬化機(jī)理——“溶解—沉淀”理論，即通過半水石膏在水中不斷溶解，二水石膏不斷結(jié)晶，晶體不斷生長、相互交錯(cuò)與連生構(gòu)成晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而硬化；性能——漿體需水量較大，凝結(jié)硬化快、凝結(jié)時(shí)有微膨脹、表觀密度較小、孔隙率較大、強(qiáng)度低、耐水與抗凍性差、容易吸水和吸潮、導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱與吸聲性好、耐火、對人體和環(huán)境無害。應(yīng)用——各種板材、粉刷砂漿、雕飾等。2.3水玻璃一、水玻璃簡介

水玻璃俗稱泡花堿，是堿金屬硅酸鹽的水溶液：

R2O·nSiO2+H2O其中R=Na＋、K＋水玻璃的模數(shù)

n:氧化硅SiO2與堿金屬氧化物R2O的摩爾比。模數(shù)對水玻璃性能的影響模數(shù)越大，粘度與粘結(jié)力越大，耐水性越好。二、水玻璃的分類按波美度和n分

水玻璃在溶液中的含量（或稱濃度）常用密度或波美度（查表可得質(zhì)量百分比）表示。土木工程常用水玻璃密度1.36~15g/cm3，相當(dāng)于波美度38.4~48.30B/e。密度越大，水玻璃含量高，粘度越大。n愈大，水玻璃粘度愈大，愈難溶于水，但易硬化。同一模數(shù)的水玻璃，其濃度愈大，則粘結(jié)力愈強(qiáng)。按形狀分（1）液體水玻璃建筑上常用的水玻璃是硅酸鈉的水溶液，無色透明最好，含有雜質(zhì)時(shí)呈淡黃色、青灰色、綠色粘稠液體?？上♂尰蚣訜?。（2）固體水玻璃：塊、粒狀，或去除水的粉料。三、水玻璃的制備方法濕法

苛性鈉R2O＋石英砂nSiO2+H2O（2～3atm壓蒸）液體水玻璃干法純堿Na2CO3＋石英砂nSiO21300～1400℃固體水玻璃

R2O＋nSiO2R2O·nSiO2

R2O·nSiO2+H2O液體水玻璃四、水玻璃的凝結(jié)硬化1、水玻璃硬化過程

水玻璃與空氣中的CO2反應(yīng)，生成無定型的硅酸凝膠，隨著水分揮發(fā)干燥，硅酸凝膠轉(zhuǎn)變成SiO2而硬化。2、硬化過程特點(diǎn)

硬化非常緩慢（由于空氣中的CO2濃度低，故碳化和固化過程十分緩慢），強(qiáng)度低，體積收縮?？蓪⑺ＡЪ訜峄虺＜尤脒m量氟硅酸鈉促硬劑加速硬化。※水玻璃硬化過程水玻璃溶液硅酸凝膠二氧化硅玻璃體R＋SiO4-4R＋R＋SiO4-4R＋R＋R＋R＋R＋H4SiO4H4SiO4H4SiO4H4SiO4R＋CO3＋SiO2SiO2SiO2SiO2R2CO3酸化脫水交聯(lián)3、固化促硬劑——氟硅酸鈉