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1、第 三 章,无机胶凝材料Inorganic BindersorInorganic Cementitous materials,本 章 主 要 内 容,石膏石灰水玻璃硅酸盐水泥掺混合材的硅酸盐水泥其它品种水泥,教 学 大 纲,石膏：石膏的生产与品种。建筑石膏的凝结与硬化。建筑石膏的特性、质量要求与应用。 石灰：石灰的原料与生产。石灰的熟化与硬化。石灰的特性、质量要求与应用。水玻璃：水玻璃的组成；水玻璃的硬化；水玻璃的性质；水玻璃的应用。硅酸盐水泥：硅酸盐水泥的生产过程与硅酸盐水泥熟料的矿物组成。硅酸盐水泥的凝结与硬化。硅酸盐水泥的技术要求。水泥石的腐蚀与防止。硅酸盐水泥的性质、应用与存放。,掺混
2、合材料的硅酸盐水泥：混合材料。普通硅酸盐水泥。矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的特点与应用。其它品种水泥：快硬硅酸盐水泥、白色及彩色硅酸盐水泥、膨胀水泥、道路水泥、中低热水泥和抗硫酸盐水泥等的特点与应用。 高铝水泥：高铝水泥的主要矿物成分与水化产物。高铝水泥的技术要求。高铝水泥的性质与应用。,概述,基本概念胶凝材料的分类学习要求,基本概念：什么是胶凝材料？,定义： 经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。特征：严格意义上胶凝材料应指浆体；能在常温下凝结硬化为固体；有较强的胶结能力；具有一定的使用性能。,胶凝材
3、料的种类？,按其化学组成： 有机胶凝材料：沥青、树脂等。 无机胶凝材料：水泥、石膏、石灰等。 复合胶凝材料：牙齿水泥、酸碱水泥。按其硬化条件： 气硬性胶凝材料 石膏、石灰等； 水硬性胶凝材料 各种水泥等。,气硬性与水硬性胶凝材料的特点,气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且在空气中保持和发展其强度； 关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！水硬性胶凝材料不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持并发展其强度。 关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！,学习要求三问？,胶凝材料凝结硬化机理及其影响因素是什么(What)？土木工程对胶凝材料有哪些性能要求(Which)？怎样正确选择和使用
4、胶凝材料(How)？,第一节 石 膏Plaster,石膏的组成与结构 Composition and Structure of Plaster石膏的生产 Plaster Production建筑石膏的凝结与硬化 Setting and Hardening of Plastter建筑石膏的性质 Properties of Plaster and its Articles建筑石膏的应用 Utilization of Plaster and its Articles,Summary,性质石膏是气硬性胶凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏CaSO40.5H2O; 生产方法建筑石膏可用天然二水石膏或化
5、学石膏在120180 C干燥下脱水制备；凝结硬化机理“溶解沉淀”理论，即通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化；性能浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人体和环境无害。应用各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。,进一步研究开发的课题,先进纤维石膏基复合材料高强石膏及其制品提高石膏及其制品的耐水性外墙保温砂浆及其装饰钢结构防火涂层,石膏应用的历史,9000年前，叙利亚和土耳其的安那托力亚就有古迹；5000年前，埃及人就在敞开的火炉中煅烧石膏
6、，然后破碎磨成粉末，再与水拌和制得用于金字塔建造中石块得粘结材料灰浆；372-287 BC，古希腊人采用天然透明石膏（亚硒酸石膏）做神庙得窗户；古罗马人用石膏浇注了成千上万座古希腊得雕塑。十七世纪，法国巴黎的木质房的所有墙壁均用石膏灰浆（plaster）覆盖，以提高防火性能，因而，法国巴黎有“石膏的首都（capital of plaster）之称。石膏灰浆又称为“Plaster of Paris”它是半水硫酸钙(CaSO4 H2O)，二水硫酸钙 (CaSO42H2O)称为 gypsum,一、石膏的组成与结构,石膏的矿物组成： CaSO4xH2O,X为结晶水H2O,x0，硬石膏(无水石膏),x0
7、.5 ，熟石膏(半水石膏),x2，生石膏(二水石膏),石膏胶凝材料(Gypsum binder )的组成： CaSO4 0.5H2O或CaSO4 。,石膏是晶体结构,二水石膏晶体形貌,半水石膏晶体形貌,二、石膏的生产,原料：天然二水石膏；天然无水石膏；工业副产物磷石膏、氟石膏等。生产工序： 原料(破碎) 脱水 磨细生产(脱水)的工艺：非密闭煅烧(干燥空气中)： 密闭蒸练(湿的水蒸气)：不同工艺得到不同组成的石膏胶凝材料,天然石膏矿纤维状晶体,我国石膏矿分布非常广泛,非密闭煅烧脱水工艺及其产品,CaSO42H2O,120180C,可溶无水石膏,-半水石膏,200360C,400500 C,难溶无
8、水石膏,500750C,不溶无水石膏,随着煅烧温度升高：二水石膏转变为-型半水石膏-型转变可溶性无水石膏可溶性转变为难溶性无水石膏难溶性转变为不溶性无水石膏,密闭蒸练工艺及其产品：,125180C水蒸气,-型半水石膏,CaSO42H2O,200360C,可溶无水石膏,400800C,不溶无水石膏,1,不溶无水石膏CaSO4(),8001180C,地板石膏CaSO4与CaO,生产工艺与产品的组成,CaSO42H2O,120180C干燥空气,125180C水蒸气,-CaSO40.5H2O,-CaSO40.5H2O,-CaSO4()可溶,-CaSO4()可溶,200360C,200360C,4008
9、00C,400800C,CaSO4()不溶,8001180C,CaSO4()不溶CaO,非密闭煅烧工艺及其产品组成,密闭蒸炼工艺及其产品组成,石膏生产流程图,熟石膏,高强石膏,原料入口,产 品,废气排放,三、建筑石膏的凝结硬化,凝结硬化过程中的水化反应： CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应凝结硬化机理“溶解沉淀理论” 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，前者在水中不断溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液,半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不
10、断结晶沉淀。,二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网,凝结硬化的物理化学过程,石膏浆体,半水石膏颗粒 二水石膏晶体,石膏胶体,石膏硬化体,水,孔隙,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,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！,石膏凝结硬化的影响因素,石膏的组成石膏浆体的用水量外加剂细度,凝结硬化速度的排序： 可溶性无水石膏半水石膏难溶性无水石膏不溶性无水石膏,用
11、水量越大，石膏晶体颗粒越大；凝结硬化所需时间增加,一些无机盐(如硫酸钾)可以促进凝结硬化，而一些有机酸(如柠檬酸)可以延缓凝结硬化,细度越细，凝结硬化越快。,加水量50的硬化石膏的晶体较粗,加水量24的硬化石膏的晶体较细,硫酸钾可以促进石膏浆体的凝结硬化(曲线a)，而柠檬酸可以使石膏浆体缓凝(曲线b),时间(s),四、建筑石膏的性质,建筑石膏的技术要求(GB977688)：密度：2.502.70;强度：抗折强度、抗压强度; 细度：0.2mm方孔筛筛余; 凝结时间：初凝、终凝时间;石膏硬化体及制品的特性：表观密度较小：1.0孔隙率较大强度较低耐水性和抗冻性较差防火性较好隔热性和吸声性良好装饰性,
12、学会分析、思考和回答问题！,1. 石膏硬化体的表观密度小，孔隙率大，Why？ 答：半水石膏需加水6080，才能使浆体达到成型所需可塑性；而半水石膏全部水化成二水石膏只需18.6的水量；即，有4060多的水不能参与反应，硬化后多余水分的挥发留下大量孔隙。,2、孔隙率较大在应用上，有哪些优点和缺点Which？ 答：优点保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、天花板、墙面粉刷砂浆等。 缺点强度低、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构材料，不宜用于潮湿环境等。,3. 为什么石膏制品的耐水性差Why？ 答：石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明显的解理面，层间和晶体颗粒间是较弱的氢键结合，因此
13、，水分子进入，降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导致强度下降；其软化系数只有0.300.45； 另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品长期在水中的强度将更低 。,学会分析、思考和回答问题！,4、如何改善石膏制品的耐水性 How? 答：降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处理，以减小吸水率； 掺加其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用。,二水石膏晶体解理面,5、为什么石膏制品的防火性好Why? 答：石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高
14、，因此，在高温下，主要发生脱水和烧结。,学会分析、思考和回答问题！,6、进一步思考的问题:警察在勘察犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？,调湿作用,红线条表示室内湿度变化,蓝线条表示室外湿度变化,五、建筑石膏的应用,建筑石膏是一种很好的绿色建材！应用中扬长避短，正确应用！建筑上的主要应用有：建筑石膏制品：各种板材：墙板、天花板等艺术装饰品粉刷石膏：墙面粉刷雕饰,各种墙板,德国一所教堂的外墙面雕饰,室内墙面和天花板的雕饰,纸面石膏板的生产工艺流程,纸面石膏板生产线,第二节 石 灰lime,建筑石灰的组成与品种建筑石灰的制备石灰的硬化石灰的性质石灰的应用,一、石灰的组成与品种,气硬性石灰 粘土杂质含量8%的石灰石热分解物及其水化物：生石灰粉：CaO；熟(消)石灰粉：Ca(OH)2；石灰膏(浆)：Ca(OH)2、H2O；水硬性石灰 粘土杂质含量8%的石灰石热分解物： CaO、活性Si2O、Al2O3等,二、石灰的制备,原料： 以CaCO3为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。石灰的制备：石灰石的热分解反应： CaCO3 CaOCO2制备工艺： 岩石 破碎 煅烧 粉磨(消解),
