第三章无机胶凝材料

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1、土木工程材料 第三章 无机胶凝材料,学习指导,（1）理解气硬性胶凝材料及水硬性胶凝材料两个基本概念。 （2）掌握石膏、石灰及水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理性质及使用要点，熟悉其主要用途。 （3）熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理，熟练掌握硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点，相应的检测方法及选用原则。 （4）与硅酸盐水泥性能特点对照，了解特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点。 （5）一般性了解其它无机胶凝材料。,凡能在物理、化学作用下，从浆体变为坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。 只能在空气中硬化、保持或继续发展强度的无机胶凝材料称为气硬性无机胶凝

2、材料。 不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化、保持或继续发展强度的无机胶凝材料称为水硬性无机胶凝材料。,胶凝材料,有机胶凝材料（树脂、沥青等）,无机胶凝材料,水硬性胶凝材料（各种水泥）,气硬性胶凝材料（石灰、石膏）,土木工程中常用的气硬性无机胶凝材料主要有：石灰、石膏、菱苦土和水玻璃。,第一节 气硬性胶凝材料 石灰,一）石灰的生产: 天然碳酸岩类岩石（石灰石、白云石）经高温煅烧，其主要成分CaCO3分解为以CaO为主要成分的生石灰，其化学反应可表示如下：,生石灰烧制过程中，往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不均匀等原因，生石灰中残留有未烧透的的内核，这种石灰称为“欠火石灰”。 第二种情况

3、是由于烧制的温度过高或时间过长，使得石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，引起隆起鼓包和开裂。,将煅烧成的块状生石灰经过不同加工，还可得到石灰的另外三种产品： 生石灰粉：由块状生石灰磨细生成。 消石灰粉：将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为Ca(OH)2,称为消石灰粉。 石灰膏：将块状生石灰用过量水(约为生石灰体积的34倍)消化，或将消石灰粉和水拌合，所得的一定稠度的膏状物，主要成份为Ca(OH)2和水。,石灰石,块状生

4、石灰,熟石灰粉,生石灰粉,石灰膏,石灰乳,二）.石灰的熟化和“陈伏” 工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为消（熟）石灰氢氧化钙，这个过程称为石灰的“消化”，又称“熟化”：,为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，这一过程称为石灰的“陈伏”。“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分， 与空气隔绝，以免碳化。,石灰的熟化过程会放出大量的热，熟化时体积增大12.5倍。当547上，反应向左进行，同时其水蒸气分解压力可达0.1MPa，为使石灰消化过程顺利进行，所以要加人大量的水，并不断搅拌散热，控制温度不致过高。 当石灰块太大时，表面生成的水化产物氢氧化钙层厚，易

5、阻碍水分进入，故此时消解需强烈搅拌。 石灰的熟化通常有两种方式，即人工法和机械法。 考虑到充分水化石灰，实际加水量要大于理论加水量。,三）. 石灰的硬化 石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的： （）结晶作用：游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。并伴随体积收缩。 （）碳化作用：氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发：碳化作用实际是二氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙。所以这个作用不能在没有水分的全干状态下进行。,请观察图中A、B两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别，并讨论其成因。,石灰砂浆A 石灰砂浆B,石灰在制备过程中，

6、得到块状的生石灰，反应式如下：CaCO3 CaO(生石灰)+CO2 在煅烧过程中，若温度过低或煅烧时间不足，将会生成“欠火石灰”。如果煅烧时间过长或温度过高，将生成致密的“过火石灰”。过火石灰水化极慢，当石灰变硬后才开始熟化，产生体积膨胀，引起已变硬石灰体的隆起鼓包和开裂。为了消除过火石灰的危害，保持石灰膏表面有水的情况下，在贮存池中放置一周以上，陈伏期间，石灰浆表面应保持一层水，隔绝空气，防止Ca(OH)2与CO2发生碳化反应。 石灰砂浆A为凸出放射性裂纹，这是由于石灰浆的陈伏时间不足，制使其中部分过火石灰在石浆砂浆制作时尚未水化，导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成Ca(OH)2，产生体积膨胀

7、，从而形成膨胀性裂纹。 石灰砂浆B为网状干缩性裂纹，是因石灰砂浆在硬化过程中干燥收缩所致。尤其是水灰比过大，石灰过多，易产生此类裂纹。,四）.建筑石灰的技术指标 建筑石灰的技术指标有细度、CaO+MgO含量、CO2含量和体积安定性等。并按技术指标分为优等品、一等品和合格品三个等级。具体技术要求见： JC/T479-1992 建筑生石灰（P23 表3-1）、 JC/T480-1992 建筑生石灰粉(P48 表3-2） JC/T481-1992 建筑消石灰粉(P48 表3-3） 钙质生石灰 MgO5%；钙质消石灰粉 MgO4% 镁质生石灰 MgO5%；镁质消石灰粉 MgO4%,五）.石灰的技术性质

8、 （1）保水性好、可塑性好 生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径约为1）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好保水性，氢氧化钙粒子表面吸附的水膜也使得颗粒间的摩擦力减小，因而可塑性好 。在水泥砂浆中掺入石灰浆，可使可塑性显著提高。,（2）硬化慢、强度低 从石灰浆体的硬化过程可以看出，由于空气中二氧化碳稀薄，碳化甚为缓慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于碳化作用的深入，也不利于内部水分的蒸发，因此石灰是硬化缓慢的材料。 同时，石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后强度也不高。受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会溃散。如石灰砂浆（

9、1：3）28天强度仅为0.2-0.5MPa。所以，石灰不宜在潮湿的环境下使用，也不宜用于重要建筑物基础。,（3）硬化时体积收缩大 石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩，所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩和节约石灰。 （4）耐水性差，不易贮存 块状类石灰放置太久，会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中二氧化碳作用而还原为碳酸钙，失去胶结能力。所以贮存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜贮存过久。最好运到后即熟化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。由于生石灰受潮熟化时放出大量的热，而且体积膨胀，所以，储存和运输生石灰时，还要注意安全。,六）

10、石灰的应用 石灰在建筑上的用途很广，比如：制作石灰乳涂料；配制砂浆；拌制石灰土和石灰三合土；生产硅酸盐制品。 (1) 制作石灰乳涂料 石灰乳由消石灰粉或消石灰浆掺大量水调制而成。可用于建筑室内墙面和顶棚粉刷。但要掺入一定量的加劲材料或胶体。 (2) 配制砂浆 单独或与水泥一起配制成砂浆，用于墙体的砌筑和抹面。,(3) 拌制石灰土和石灰三合土 消石灰粉与粘土的拌合物，称为灰土，若再加入砂（或碎石、炉渣等），即成三合土。三合土和灰土主要用于建筑物基础、路面和地面的垫层。 (4) 生产硅酸盐制品 磨细生石灰(或消石灰粉)和砂(或粉煤灰、粒化高炉矿渣、炉渣)等硅质材料加水拌和，经过成型、蒸养或蒸压处理

11、等工序而成的建筑材料，统称为硅酸盐制品。如灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等。,三合土用作铺筑步道砖的垫层,三合土桩,灰 土 桩,(1) 内外墙粉刷层爆裂 上海某新村四幢六层楼1989年911月进行内外墙粉刷，1990年4月交付甲方使用。此后陆续发现内外墙粉刷层发生爆裂。至5月份阴雨天，爆裂点迅速增多，破坏范围上万平方米。爆裂源为微黄色粉粒或粉料。该内外墙粉刷用的“水灰”，系宝山某厂自办的“三产”性质的部门供应，该部门由个人承包。 经了解，粉刷过程已发现有“水灰”中有一些粗颗粒。对爆裂采集的微黄色爆裂物作X射线衍射分析，证实除含石英、长石、CaO、Ca(OH)2、CaCO3外，还含有较

12、多的MgO、Mg(OH)2以及少量白云石。,(2) 石灰的选用 某工地急需配制石灰砂浆。当时有消石灰粉、生石灰粉及生石灰材料可供选用。因生石灰价格相对较便宜，便选用，并马上加水配制石灰膏，再配制石灰砂浆。使用数日后，石灰砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝，请分析原因。,图2 石灰砂浆的膨胀性裂缝,该石灰的陈伏时间不够。数日后部分过火石灰在已硬化的石灰砂浆中熟化，体积膨胀，以致产生膨胀性裂纹。 因工程时间不多，若无现成合格的石灰膏，可选用消石灰粉或生石灰粉。消石灰粉在磨细过程中，把过火石灰磨成细粉，克服了过火石灰在熟化时造成的体积安定性不良的危害。故可不必陈伏可直接使用，且生石灰熟化时放出的热可大大加

13、快砂浆的凝结硬化，加水量亦较少，硬化后的砂浆强度亦较高。,例3-1 既然石灰不耐水，为什么由它配制的灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位？ 解：石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中石灰与粘土表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，所以灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高，适于在潮湿环境中使用。 再者，由于石灰的可塑性好，与粘土等拌合后经压实或夯实，使灰土或三合土的密实度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大为减少。因此灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部

14、位。,建筑石膏 石膏是以硫酸钙为主要成分的矿物，当石膏中含有结晶水不同时可形成多种性能不同的石膏。 一） 石膏的原料、分类及生产 根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为： （1）无水石膏（aSO4）：也称硬石膏，它结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的原料。,（2）天然石膏（aSO42H2O）：也称生石膏或二水石膏，大部分自然石膏矿为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。纯净的天然二水石膏矿石呈无色透明或白色，但天然石膏常含有各种杂质而呈灰色，褐色，黄色，红色，黑色等颜色。 （）建筑石膏 （aSO41/2 H2O） 也称熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根据其内部结构不同可分为型半水石膏和型

15、半水石膏. 建筑石膏晶体较细，调制成一定稠度的浆体时，需水量较大，因而强度较低。,建筑石膏通常是由天然石膏经压蒸或煅烧加热而成的。常压下煅烧加热到107170，可产生型建筑石膏： （二水石膏） （型半水石膏） 124条件下压蒸（1.3大气压）加热可产生型建筑石膏： （二水石膏） （型半水石膏）,型半水石膏与型半水石膏相比，结晶颗粒较粗，比表面积较小，强度高，因此又称为高强石膏。 当加热温度超过170时，可生成无水石膏，只要温度不超过200，此无水石膏就具有良好的凝结硬化性能。,二） 建筑石膏的水化与硬化 建筑石膏与适量水拌合后，能形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体的可塑性很快消失而

16、发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。,建筑石膏与水之间产生化学反应的反 应式为：,此反应实际上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反应，因为二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多，所以此反应总体表现为向右进行，二水石膏以胶体微粒自水中析出。这一过程进行较快，大约需710min。,随着二水石膏沉淀的不断增加，就会产生结晶，结晶体的不断生成和长大，晶体颗粒之间便产生了磨擦力和粘结力，造成浆体的塑性开始下降，这一现象称为石膏的初凝；而后随着晶体颗粒间磨擦力和粘结力的增大，浆体的塑性很快下降，直至消失，这种现象为石膏的终凝。,半水石膏；二水石膏胶体微粒；二水石膏晶体；交错的晶体,石膏终凝后，其晶体颗粒仍在不断长大和连生，形成相互交错且孔隙率逐渐减小的结构，其强度也会不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化后的石膏结构，这一过程称为石膏的硬化。石膏浆体的凝结和硬化，实际上是交叉进行的。因为二者均是石膏水化和结晶的结果，一