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1、第二章.气硬性胶凝材料,主要内容 2.1 石灰 2.2 石膏 2.3 水玻璃 重难点 凝结硬化原理 原料及生产，主要技术特性，工程应用,1.胶凝材料定义：指在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，又称胶结料。,沥青、树脂、橡胶,拌水后只能在空气中硬化,拌水后既能在空气中硬化 又能在水中硬化,概 述,2.胶凝材料的发展简史,泥巴墙 不抗水 强度低,石块、砖用石灰粘结,人们发现石灰岩在火中煅烧脱水、在雨中胶结产生胶凝性，因而可用来调制砌筑砂浆。石灰为何能产生胶凝性？,古罗马万神庙,在石灰中掺加某些火山灰沉积物，不仅强度提高，而且还具有一定的抗水性。为
2、何？ （潜在水硬性）,石灰被人们用了数千年，一直到史密顿遇上了“倒霉事”为止，发现了天然水泥。现在，水泥已成为现代人类生活中不可缺少的物资了。,1.石灰的生产,2.1 石 灰,主要原料：石灰石、白云石、白垩、贝壳等。 烧制及产品：,主要原料、烧制及产品,温度过低或温度分布不均匀 欠火石灰 温度太高 过火石灰,特点：外部为正常煅烧的石灰，残留有未烧透的内核 氧化钙含量低，粘结能力差，降低了石灰的利用率,煅烧温度过低 或时间不足、 原料尺寸过大,煅烧温度过高 或时间过长,特点：石灰表面出现裂纹或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色灰黑；质地致密，熟化慢，硬化后体积膨胀，引起鼓包和开裂,石灰煅烧窑,生石
3、灰粉,消石灰粉，主要成分为Ca(OH)2，又称“熟石灰”。,石灰膏,块状生石灰,用于拌制石灰土、三合土,用于拌制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆,2.石灰的熟化与硬化,熟化（消化）：工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为熟(消)石灰氢氧化钙的过程。,1. 石灰的熟化,特点：速度快；体积膨胀（1-2.5倍）；放出大量的热,石灰熟化示意图,石灰的“陈伏”,为消除过火石灰的危害，生石灰熟化成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，使过火石灰充分熟化，这一过程称为石灰的“陈伏”。 “陈伏”期间，灰浆表面应保有一层水分，隔绝空气，防止发生碳化反应。 思考：磨细生石灰不经陈伏可直接使用，为什么？ 这是因为粉磨过程
4、使过火石灰表面积大大增加,与水熟化反应速度加快,几乎可以同步熟化,而且又均匀分散在生石灰粉中,不至引起过火石灰的种种危害。,根据砌筑砂浆配合比设计规程（JGJ 98-2000）生石灰熟化成石灰膏时，应用孔径不大于3mm3mm的网过滤，熟化时间不得小于7d；磨细生石灰粉的熟化时间不得小于2d。,建筑装饰装修工程质量验收规范（ GB 50203-2001）规定：抹灰用的石灰膏的熟化期不应小于15d；罩面用的磨细石灰粉的熟化期不应小于3d。,石灰浆A,观察与讨论：两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别？成因？,石灰浆B,两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别？成因？ 石灰砂浆A为凸出放射性裂纹，
5、这是由于石灰浆的陈伏时间不足，致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，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。,石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由以下两个同时进行的过程来完成的： 结晶作用（干燥硬化）：游离水分蒸发或被砌体吸收， Ca(OH)2以结晶形态析出， 浆体逐渐失去塑性。 碳化作用（碳化硬化）：Ca(OH)2与空气中的CO2与水化合生 成CaCO3晶体，释出水分并被蒸发：,2. 石灰的硬化,碳化作用实际上是二氧化碳与水形成碳酸，然后
6、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。,结晶自里向表，碳化自表向里； 速度慢（通常需要几周的时间）； 体积收缩大（容易产生收缩裂缝）；,3. 硬化的特点,由此可见，石灰是一种硬化慢、强度低的气硬性胶凝材料。,产品标准：建筑生石灰 JC/T 479-2013 钙质生石灰（MgO5%），镁质生石灰（MgO5%） 将 JC/T 479和480两个合并，CL代表钙质生石灰；ML代表镁质生石灰 ；Q表示石灰块；OP表示石灰粉；,建筑生石灰的技术指标,3.石灰的技术要求,产品标准：建筑消石灰粉JC/T 481一2013 分类：钙质消石灰粉（MgO5%）HCL，镁质消石灰粉（
7、MgO5%）HML,建筑消石灰粉的技术指标,4.石灰的技术特性,生石灰熟化为石灰浆时，形成了颗粒极细的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆突出的优点是具有良好的可塑性。 工程应用：,1. 保水性与可塑性好,一种常见的改善水泥砂浆可塑性的方法,石灰是硬化缓慢的材料。,2. 硬化过程缓慢,石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩、开裂，所以除调成石灰乳作为薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩、提高抗裂能力和节约石灰。,3. 硬化时体积收缩大,石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后的强度也不高。受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会溃散。如
8、石灰砂浆（1：3）28天强度仅为0.20.5MPa。,4. 硬化后强度低,为充分消化石灰，获得较好的塑性，拌制石灰的用水量较大，石灰凝结硬化时多余水分蒸发，会留下大量孔隙，因而其密实性很差。,块状石灰放置太久，会吸收空气中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。所以石灰不能用于潮湿环境。 生石灰具有很强的吸湿性，受潮会自动熟化成消石灰粉而失去胶凝能力，所以储存和运输生石灰时，既要防水防潮，而且不易久存。最好运到后即熟化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。 另外，生石灰受潮熟化时放出大量的热，而且体积膨胀，因此储存和运输生石灰是，要注意安全，将生石灰与易燃物分开保
9、管，以免引起火灾。,5. 易受潮不宜贮存,石灰浆在水中或潮湿环境中没有强度，已凝结硬化的石灰在水中会溃散。,6. 耐水性差,所以， 石灰不宜在潮湿环境下使用； 不宜用于重要建筑物基础； 石灰砂浆抹墙可产生一定的透气性。,5.石灰的应用,调入少量水泥、粒化高炉矿渣或粉煤灰，可提高其耐水性 调入氯化钙或明矾，可减少涂层粉化现象,1. 石灰乳,石灰膏 砂 水 石灰砂浆（抹面）,抹面砂浆时，需加纸筋等纤维物质，以克服其收缩性。,2. 石灰砂浆,石灰膏 砂 水泥 水 混合砂浆（砌筑、抹面）,可作低档住宅的基础和地面； 可作低档道路的基层和面层。 产生强度的原因？,3. 石灰土（灰土）,消石灰粉 粘土 砂
10、或石屑、炉渣 水 碾压夯实,消石灰粉 粘土 水 碾压夯实,石灰与粘土或硅质工业废料表面的活性氧化硅或氧化铝可在潮湿环境中与水反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化氯酸钙，故石灰土可在潮湿环境中使用。 常用于建筑物基础、路面的垫层。,4. 三合土,石灰土,三合土,5. 硅酸盐制品,石灰 天然砂 硅铝质工业废渣 水 硅酸盐制品,采用高温高压养护或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度加快，令制品获得较高的早期强度； 主要产品有灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等。,中国矿业网：绿色墙体材料灰砂砖 灰砂砖是目前我国积极推广的一种新型墙体材料。轻质、高强、无毒、无辐射、保温隔热性能好、使用能耗低、防水
11、性能好、施工方便、经济合理。广泛应用于住宅、民用、厂房等工业民用建筑。,灰砂空心墙体砖,蒸压灰砂墙体砖,灰 砂 墙 体 砖,轻质保温灰 砂 砖,1.石膏的原料及生产,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。 根据石膏中含有结晶水的多少，原料分为：,硬石膏（CaSO4）,1. 原料,天然石膏（CaSO42H2O）,以无水硫酸钙（CaSO4）为主要成分的天然矿石。也称无水石膏，结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的重要辅助原料。,也称生石膏或二水石膏。大部分天然石膏为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。,2.2 石 膏,在土木过程中，常用的石膏胶凝材料主要是
12、建筑石膏。,硬石膏,天然石膏,2. 建筑石膏,也称熟石膏或半水石膏。是由生石膏加工而成的，根据内部结构不同可分为型半水石膏和型半水石膏。,熟石膏（CaSO41/2H2O）,将天然石膏压蒸或煅烧加热，可分别得到型半水石膏和型半水石膏。,型半水石膏和型半水石膏相比，其结晶颗粒较粗，比表面积较小，拌制石膏浆体时的需水量较小，硬化后强度高，因此又称为“高强石膏”。,半水石膏(熟石膏)和半水石膏(高强石膏)在宏观性能上的差别，主要是由于亚微观上即晶粒的型态、大小以及聚集状态等方面的差别。,附：型与型半水石膏区别,结晶度较差，常为细小的纤维状或片状聚集体，内比表面积较大。,结晶比较完整，常呈短柱状，晶粒较
13、粗大，聚集体的内比表面积较小，致密，有一定的结晶形状。,二水石膏 CaSO42H2O,CaSO40.5H2O,CaSO40.5H2O,CaSO4 ,CaSO4 ,CaSO4 ,800,在建筑工程中常用建筑石膏；高强石膏用于生产建筑石膏制品。,3. 建筑石膏的生产,二水石膏在不同温度下的生成物及性质,2.建筑石膏的凝结硬化,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：,1. 建筑石膏的水化反应,注： 生成的二水硫酸钙与生石膏分子式相同，但物理力学性能有差异。 二水石膏
14、溶解度比半水石膏溶解度小得多，所以二水石膏首先从饱和溶液中析晶沉淀，促使半水石膏继续溶解，这一反应过程连续不断进行，直至半水石膏全部水化生成二水石膏。,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，其强度也不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化石膏结构，这一过程称为石膏的“硬化”。 必须理解的是，石膏浆体的凝结和硬化，实际上是交叉进行的，贯穿于整个凝结硬化全过程。,3. 建筑石膏的硬化,随水化反应进行，浆体中的自由水分因水化和蒸发而不断减少，二水石膏胶体微粒数量不断增加，浆体的稠度逐渐增大，可塑性逐渐减小，表现为石膏的“凝结”。,2. 建筑石膏的凝结,凝结硬化的物
15、理化学过程,水化初期：二水石膏晶体较少,随着水化反应进行二水石膏晶体量,石膏硬化体中晶体堆积体,注意：半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水 分子水化成二水石膏晶体。,石膏颗粒表面分子首先水化,颗粒表面二水石膏晶体不断增多,半水石膏全部水化成二水石膏,所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！,3.建筑石膏的技术性能,建筑石膏的技术指标有：,性能特点,强度、细度、凝结时间（初凝、终凝）。 按强度和细度又分为优等品、一等品和合格品。,建筑石膏是在高温条件下煅烧而成的一种白色粉末状材料，本身易吸湿受潮，而且其凝结硬化速度很快，因此在储存和运输过程中，一定要注意防潮防水。同时，石膏若长
16、期存放,强度也会降低，一般储存三个月后强度会下降30%左右，因此建筑石膏储存时间不宜过长，一般不超过三个月。若超过三个月，应重新检验并确定其质量等级。,产品标准：建筑石膏（GBT9776-2008） 分为优等品、一等品和合格品,建筑石膏技术指标,4.建筑石膏的性能特点,1. 凝结硬化速度快,凝结硬化速度很快。初凝时间仅为10min左右，终凝时间不超过30min，对于普通工程施工操作方便。需要操作时间较长时，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、亚硫酸盐酒精废液等。,2. 硬化时体积膨胀,凝结硬化是石膏的结晶过程，体积不仅不会收缩，且还稍有膨胀（ 0.2%1.5%），这种微膨胀不会对石膏制品造成危害，反而能使石膏表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，没有其它材料干燥时的开裂现象。,3. 轻质多孔，但强度低,使用建筑石膏时，为获得良好的流动性，加入的拌和
