石材及氣硬性無機(jī)膠凝材料道橋課件

第2章建筑石材及氣硬性無機(jī)膠凝材料一、巖石的基本知識(shí)

天然石材：天然巖石不經(jīng)加工或經(jīng)加工而得的材料。(一)造巖礦物天然巖石是礦物的集合體，組成巖石的礦物稱為造巖礦物。特點(diǎn)：巖石由多種造巖礦物組成；沒有確定的化學(xué)組成和物理力學(xué)性質(zhì)；同種巖石，產(chǎn)地不同，性能也有差異(顏色、強(qiáng)度、耐久性等)。

主要造巖礦物

(1)石英二氧化硅(SiO2)晶體的總稱，無色透明至乳白色，密度2.65g/cm3，莫氏硬度7，堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，化穩(wěn)耐久，但受熱573℃以上)，因晶型轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生裂縫，甚至松散。2.1巖石的基本知識(shí)(2)長(zhǎng)石長(zhǎng)石族礦物的總稱(正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等)，為鉀鈉鈣等的鋁硅酸鹽晶體。密度2.5~2.7g/cm3，莫氏硬度為6，堅(jiān)硬、強(qiáng)度高、耐久性高，但低于石英，具有白、灰、紅、青等多種顏色。長(zhǎng)石是火成巖中最多的造巖礦物，約占總量的2/3。(3)角閃石、輝石、橄欖石鐵鎂鈣等硅酸鹽晶體。密度3~3.6g/cm3，莫氏硬度5~7。強(qiáng)度高、韌性好、耐久性好。具有多種顏色，均為暗色，也稱暗色礦物。(4)方解石CaCO3晶體。白色，密度2.7g/cm3，莫氏硬度為3。強(qiáng)度較高、耐久性次于上述礦物，遇酸分解。(5)白云石CaCO3·MgCO3復(fù)鹽晶體，白色。密度為2.9g/cm3，莫氏硬度4。強(qiáng)度、耐酸耐久性略高于方解石，遇酸時(shí)分解。

(6)黃鐵礦FeS2晶體，金黃色，密度為5g/cm3，莫氏硬度6~7，耐久性差，遇水和氧生成游離硫酸，且體積膨脹，產(chǎn)生銹跡，黃鐵礦為巖石中的有害礦物。

(7)云母云母族礦物的總稱，為片狀的含水復(fù)雜硅鋁酸鹽晶體。密度2.7~3.1g/cm3，莫氏硬度2~3。具有極完全解理(礦物在外力等作用下，沿一定的結(jié)晶方向易裂成光滑平面的性質(zhì)稱為解理，裂成的平面稱為解理面)，易裂成薄片，玻璃光澤，耐久性差，具有無色透明、白色、綠色、黃色、黑色等多種顏色。種類有白云母和黑云母，后者易風(fēng)化為巖石中的有害礦物。(二)巖石的形成、分類與性質(zhì)巖石按地質(zhì)形成條件分為火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖1.火成巖地殼內(nèi)部熔融巖漿上升冷卻而成，又稱巖漿巖。

★巖漿噴到空氣中急速冷卻形成的巖石，又稱火山碎屑、火山碎屑巖等。內(nèi)部含有大量的氣孔，并多呈玻璃質(zhì)，有較高的化學(xué)活性，如火山灰、火山渣、浮石等。

2.沉積巖地表的各種巖石在地質(zhì)、外力作用下經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積成巖作用(壓固、膠結(jié)、重結(jié)晶等)，在地表或地表不太深處形成的巖石，又稱水成巖。主要特征：呈層狀構(gòu)造，各層巖石的成分、構(gòu)造、顏色、性能均不同，且為各向異性。與深成火成巖相比，體積密度小、孔隙率和吸水率較大、強(qiáng)度和耐久性較低。

(l)碎屑巖風(fēng)化后的巖石碎屑在流水、風(fēng)、冰川等作用下，經(jīng)搬遷、沉積、固結(jié)(多為自然膠結(jié)物固結(jié))而成。常用：砂巖、礫巖、火山凝灰?guī)r等。此外，還有砂、卵石等(未經(jīng)固結(jié))。

(2)化學(xué)沉積巖巖石風(fēng)化后溶于水而形成的溶液、膠體經(jīng)搬遷、沉淀而成。常用：石膏、菱鎂礦、某些石灰等。

(3)生物沉積巖由海水或淡水中的生物殘骸沉積而成。常用：石灰?guī)r、白堊、硅藻土、硅藻石等。

(4)粘土巖

由直徑極細(xì)小(<0.001mm)的粘土礦物組成的沉積巖。3.變質(zhì)巖巖石由于巖漿等的活動(dòng)(主要為高溫、高濕、壓力等)，發(fā)生再結(jié)晶，使礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以至化學(xué)組成發(fā)生改變而形。

(三)巖石的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1.大多數(shù)巖石為結(jié)晶結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性等；晶粒越小，強(qiáng)度越高，韌性和耐久性越好。2.具有斑狀構(gòu)造和礫狀構(gòu)造的巖石，磨光后，紋理美觀奪目，具有優(yōu)良的裝飾性。二、巖石的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1.大多數(shù)巖石為結(jié)晶結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性等；晶粒越小，強(qiáng)度越高，韌性和耐久性越好。2.具有斑狀構(gòu)造和礫狀構(gòu)造的巖石，磨光后，紋理美觀奪目，具有優(yōu)良的裝飾性。三、常用石材(一)天然石材的性質(zhì)與技術(shù)要求

1.物理性質(zhì)

◆體積密度：2400~3200kg/m3；

◆吸水率：一般≯1%；

◆

耐水性：多數(shù)巖石的耐水性較高，當(dāng)巖石中含有較多的粘土?xí)r，其耐水性較低，如粘土質(zhì)砂巖等。

2.力學(xué)性質(zhì)(1)抗壓強(qiáng)度

砌筑用石材：試件70mm×70mm×70mm，由抗壓強(qiáng)度劃分為MUl00、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MUl5、MU10九個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。

裝飾用石材：試件50×50×50mm測(cè)試。

(2)其它力學(xué)性質(zhì)抗折強(qiáng)度(一般為抗壓強(qiáng)度的l/20)、硬度、耐磨性、抗沖擊性等。

3.耐久性石材的耐久性主要包括有抗凍性、抗風(fēng)化性、耐火性、耐酸性等。水、冰、化學(xué)因素等造成巖石開裂或剝落，稱巖石的風(fēng)化。防風(fēng)化措施有表面磨光，防止表面積水；采用有機(jī)硅噴涂，對(duì)碳酸鹽類石材可采用氟硅酸鎂溶液表面處理。四、常用建筑石材

(一)花崗巖

特點(diǎn)：屬于深成巖，為全晶質(zhì)，有細(xì)粒、中粒、粗粒、斑狀等多種構(gòu)造，以細(xì)粒構(gòu)造性質(zhì)為好。有灰、白、黃、粉紅、紅、純黑等顏色。

性質(zhì)：體積密度2500~2800kg/m3，抗壓強(qiáng)度120~300MPa，孔隙率低，吸水率0.1~0.7%，莫氏硬度6~7，耐磨性、耐久性、耐酸性好，但不耐火。使用年限為數(shù)十年至數(shù)百年，高質(zhì)量的可達(dá)千年以上。

應(yīng)用：砌體、內(nèi)外裝飾、混凝土骨料、耐酸工程等

(二)石灰?guī)r（青石）

特點(diǎn)：屬沉積巖，主要由方解石組成，有密實(shí)、多孔和散粒構(gòu)造，密實(shí)構(gòu)造的即為普通石灰?guī)r。

性質(zhì)：密實(shí)石灰?guī)rρ0d=2000~2600kg/m3、f壓=20~120MPa、莫氏硬度3~4。石灰?guī)r遇稀鹽酸時(shí)強(qiáng)烈起泡。

應(yīng)用：石砌體、內(nèi)部裝飾、混凝土骨料。(三)大理巖

特點(diǎn)：屬副變質(zhì)巖，主要礦物方解石、白云石。具有等粒、不等粒、斑狀結(jié)構(gòu)，屬塊狀構(gòu)造。常呈白、淺紅、淺綠、黑、灰等顏色(斑紋)。拋光后具有優(yōu)良的裝飾性。白色大理石又稱漢白玉。

性質(zhì)：體積密度2500~2800kg/m3，抗壓強(qiáng)度50~190MPa，莫氏硬度為3~4。空氣中SO2遇水后對(duì)大理巖中的方解石有腐蝕作用。吸水率小、雜質(zhì)少、晶粒細(xì)小、紋理細(xì)密、質(zhì)地堅(jiān)硬，特別是白云巖或白云質(zhì)石灰?guī)r變質(zhì)而成的可用于室外，如漢白玉、艾葉青等。

應(yīng)用：主要用于室內(nèi)裝飾。

(四)玄武巖

特點(diǎn)：屬噴出巖，由輝石和長(zhǎng)石組成；為細(xì)?；虬郀顦?gòu)造或塊狀和氣孔狀構(gòu)造。

性質(zhì)：體積密度2900~3300kg/m3、抗壓強(qiáng)度100~300MPa，脆性大、抗風(fēng)化性較強(qiáng)。

應(yīng)用：主要用于基礎(chǔ)、橋梁等石砌體，破碎后可作為高強(qiáng)混凝土的骨料。2.2石灰正常溫度下煅燒得到的石灰具有多孔結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部孔隙率大、晶粒細(xì)小、體積密度小，與水作用速度快。生產(chǎn)時(shí)，由于火候或溫度控制不均，常會(huì)含有欠火石灰或過火石灰。

石灰(lime)是一種古老的建筑材料。由于其原料來源廣泛，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，所以至今仍被廣泛用于建筑工程中。一、石灰的煅燒

生產(chǎn)石灰所用的原料主要是含碳酸鈣為主的天然巖石，常用的是石灰石、白云石質(zhì)石灰石。石灰的煅燒一般在立窯中進(jìn)行。將石灰石礦石在高溫下煅燒，即得生石灰，其主要成分為氧化鈣。

欠火石灰只是降低了石灰的利用率，不會(huì)帶來危害。過火石灰是由于煅燒溫度過高，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙率小，而且過火石灰顆粒表面部分被玻璃狀物質(zhì)(即釉狀物)所包覆，因此過火石灰與水的作用慢(需數(shù)十天至數(shù)年)，這對(duì)使用非常不利。欠火石灰多孔CaOCaCO3過火石灰致密CaO釉狀物二、石灰的熟化與硬化(一)石灰的熟化

石灰的熟化，又稱消解，是生石灰(氧化鈣)與水作用生成熟石灰(氫氧化鈣)的過程，即

伴隨著熟化過程，放出大量的熱，并且體積迅速增加1~2.5倍。根據(jù)熟化時(shí)加水量的不同，石灰的熟化方式分為以下兩種：

(1)石灰膏在化灰池中加入大量的水(生石灰的3~4倍)熟化成石灰乳，然后經(jīng)篩網(wǎng)(3×3mm)流入儲(chǔ)灰池，經(jīng)沉淀除去多余的水分得到的膏狀物即為石灰膏。石灰膏含水約50%，體積密度為1300~1400kg/m3。1kg生石灰可熟化成2.1～3.0L的石灰膏。

(2)消石灰粉每半米高的生石灰塊，淋適量的水(生石灰量的60%~80%)，直至數(shù)層，經(jīng)熟化得到的粉狀物稱為消石灰粉。加水量以消石灰粉略濕，但不成團(tuán)為宜。為避免過火石灰在使用后，因吸收空氣中的水蒸氣而逐步熟化膨脹，使已硬化的漿體產(chǎn)生隆起、開裂等破壞，在使用前必須使其熟化或?qū)⑵淙コ?/p>

(2)碳化硬化氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳化合生成碳酸鈣晶體稱為碳化。其反應(yīng)如下：

生成的碳酸鈣具有相當(dāng)高的強(qiáng)度。由于空氣中CO2的濃度很低，因此碳化過程極為緩慢。當(dāng)石灰漿體含水量過少，處于干燥狀態(tài)時(shí)，碳化反應(yīng)幾乎停止。石灰漿體含水量多時(shí)，孔隙中幾乎充滿水，CO2氣體難以滲透，碳化作用儀在表面進(jìn)行，生成的碳酸鈣達(dá)到一定厚度時(shí)，阻礙CO2向內(nèi)滲透，同時(shí)也阻礙內(nèi)部水分向外蒸發(fā)，從而減慢了碳化速度。由石灰硬化的原因及過程可以得出石灰漿體硬化慢、強(qiáng)度低、不耐水的結(jié)論。三、石灰的技術(shù)要求

按石灰中氧化鎂的含量，將生石灰和生石灰粉劃分為鈣質(zhì)石灰(MgO＜5%)和鎂質(zhì)石灰(MgO≥5%)；按消石灰中氧化鎂的含量將消石灰粉劃分為鈣質(zhì)消石灰粉(MgO＜4%)、鎂質(zhì)消石灰粉(4%≤MgO≤24%)和白云石消石灰粉(24%≤MgO＜30%)。項(xiàng)目鈣質(zhì)生石灰鎂質(zhì)生石灰優(yōu)質(zhì)品一等品合格品優(yōu)質(zhì)品一等品合格品(CaO＋MgO含量)(%)，≮908580858075未消化殘?jiān)?5mm圓孔篩,%),≯5101551012CO2(%)，≯5796810產(chǎn)漿量(l/kg),≮2.82.32.02.82.32.0建筑生石灰各等級(jí)的技術(shù)指標(biāo)（JC/T479－92）四、石灰的性質(zhì)與應(yīng)用

(一)石灰的性質(zhì)

石灰與其它膠凝材料相比具有以下特性：

(1)保水性，可塑性好氫氧化鈣顆粒比表面積很大，表面吸附一層較厚水膜，這一性質(zhì)常被用來改善砂漿的保水性。

(2)凝結(jié)硬化慢，強(qiáng)度低石灰的凝結(jié)硬化很慢，潮濕環(huán)境中不會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)硬化。硬化后的強(qiáng)度很低。如1:3的石灰砂漿28d的抗壓強(qiáng)度僅為0.2~0.5MPa。

(3)耐水性差硬化后石灰漿體的主要成分為氫氧化鈣，僅有少量的碳酸鈣。由于氫氧化鈣可微溶于水，所以石灰的耐水性很差，軟化系數(shù)接近于零。

(4)干燥收縮大氫氧化鈣顆粒吸附的大量水分，蒸發(fā)后產(chǎn)生很大的毛細(xì)管壓力，使石灰漿體產(chǎn)生很大的收縮而開裂，因此石灰除粉刷外不宜單獨(dú)使用。4.3水玻璃

一、水玻璃的組成及生產(chǎn)

水玻璃(俗稱泡花堿)是一種水溶性硅酸鹽。其化學(xué)式為R2O·nSiO2，式中R2O為堿金屬氧化物，n為SiO2與R2O摩爾數(shù)的比值，稱為水玻璃的模數(shù)。n值愈大，則水玻璃的粘度愈大、粘結(jié)力與強(qiáng)度及耐酸、耐熱性愈高，但也愈難溶于水中，且由于粘度太大，不利于施工；同一模數(shù)的水玻璃，其濃度(或密度)增加，則粘度增大，粘結(jié)力與強(qiáng)度及耐酸、耐熱性均提高，但太大時(shí)不利于施工。建筑上常用的水玻璃是硅酸鈉(Na2O·nSi