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1、第02章气硬性胶凝材料 胶凝材料的概念和分类 胶凝材料是指能将散粒材料 块状材料或纤维材料粘结成为整体 并经物理 化学作用后可由塑性浆体逐渐硬化而成为人造石材的材料 按照化学成分的不同 胶凝材料可分为 有机胶凝材料 如沥青 树脂 橡胶等 无机胶凝材料 气硬性胶凝材料 只能在空气中凝结硬化 也只能在空气中保持和发展其强度 如建筑石膏 石灰 水玻璃 菱苦土等 水硬性胶凝材料 不仅能在空气中硬化 而且能更好地在水中硬化 并保持和发展其强度 如各种水泥 2 1石灰 石灰吟于谦 明代 千锤万击出深山 烈火焚烧若等闲 粉身碎骨浑不怕 要留清白在人间 2 1 1石灰的生产及分类石灰的来源之一是某些工业副产品
2、 如 CaC2 2H2O C2H2 Ca OH 2生产石灰的原料为石灰石 白云质石灰石或其他含碳酸钙为主的天然原料 原料 以碳酸钙为主的天然原料 石灰岩 limestone 白垩 白云质石灰岩 贝壳等 石灰石 白云质石灰石 白垩 贝壳 石灰煅烧窑 土窑 立窑和回转窑 土窑为间歇式煅烧 立窑和回转窑为连续式煅烧 土窑 立窑 河北省唐山丰南石源冶金炉料公司2002年5月建成投产日产480吨的节能型石灰立窑 回转窑 武钢乌龙泉矿日产600吨回转窑 立窑生产石灰的过程 原料和燃料按一定比例从窑顶分层装入 逐层下降 在窑中经预热 煅烧 冷却等阶段后 成品从窑底卸出 其工艺流程为 石灰的煅烧需要足够的温度
3、和时间石灰石在600 左右开始分解 并随着温度的提高其分解速度也逐渐加快 当温度达到900 时 CO2分压达到1 105Pa 此时的分解就能达到较快的速度 因此 常将这个温度作为CaCO3的分解温度 在实际生产中 可采用更高的煅烧温度以进一步加快石灰石分解的速度 但不得采用过高的温度 通常控制在1000 1200 正火石灰 正常温度和煅烧时间所煅烧的石灰具有多孔结构 内部孔隙率大 表观密度较小 晶粒细小 与水反应迅速 这种石灰称为正火石灰 欠火石灰 若煅烧温度低或时间短时 石灰石的表层部分可能为正火石灰 而内部会有未分解的石灰石核心 其石灰石核不能水化 过火石灰 若煅烧温度过高或高温持续时间过
4、长 则会因高温烧结收缩而使石灰内部孔隙率减少 体积收缩 晶粒变得粗大 这种石灰称为过火石灰 其结构较致密 与水反应时速度很慢 往往需要很长时间才能产生明显的水化效果 石灰石中常含有一定量的碳酸镁 MgCO3 MgO 结构致密和水化速度很慢 按氧化镁含量的多少 建筑石灰可分为钙质和镁质两类 当石灰中MgO含量小于或等于5 时 称钙质石灰 当MgO含量大于5 时 称为镁质石灰 石灰的种类 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 石灰膏 将块状石灰石用过量水 约为生石灰体积的3 4倍 消化所得的膏状物即为石灰膏 其主要成分为Ca O
5、H 2和水 石灰膏中的水分约占50 容重为1300 1400kg m3 lkg生石灰可熟化成1 5kg 3kg石灰膏 2 1 2石灰的熟化与硬化 1 石灰的熟化CaO H2O Ca OH 2 64 9kJ熟化时体积增大1 2 5倍 为了消除过火石灰的危害 石灰膏在使用之前应进行陈伏 陈伏是指石灰乳 或石灰膏 在储灰坑中放置14d以上的过程 陈伏期间 石灰膏表面应保有一层水分 使其与空气隔绝 2 石灰的硬化 1 干燥结晶硬化过程水分蒸发引起Ca OH 2溶液过饱和而结晶析出 2 碳化过程氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶 并释出水份 称为碳化 Ca OH 2 CO2 nH2O CaCO
6、3 n 1 H2O碳化作用只有在孔壁充水 而孔中无水时 碳化作用才能进行较快 当材料表面形成碳酸钙达到一定厚度时 阻碍了空气中CO2的渗入 也阻碍了内部水分向外蒸发 这是石灰凝结硬化慢的原因 2 1 3石灰的性质与技术要求 1 石灰的性质 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 m 的呈胶体分散状态的氢氧化钙 表面吸附一层厚的水膜 硬化较慢 强度低 硬化后的强度也不高 1 3的石灰砂浆28天抗压强度通常只有0 2 0 5MPa 硬化时体积收缩大 工程上常在其中掺入砂 各种纤维材料等减少收缩 耐水性差 石灰不宜在潮湿的环境中使用 也不宜单独用于建筑物基础 石灰吸湿性强 块
7、状生石灰在放置过程中 会缓慢吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉 再与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙 失去胶结能力 2 石灰的技术要求 建筑工程中所用的石灰常分三个品种 建筑生石灰 建筑生石灰粉和建筑消石灰粉 我国建材行业标准 JC T479 92 建筑生石灰 JC T480 92 建筑生石灰粉 JC T481 92 建筑消石灰粉 交通部门行业标准JTJ034 2000 公路路面基层施工技术规范 仍按国家标准GB1594 79将生石灰和消石灰分为三个等级 其技术要求均低于对应的建材行业标准 1 生石灰 按现行建材行业标准JC T479 92 建筑生石灰 的规定 钙质生石灰 镁质生石灰各分为优等
8、品 一等品 和合格品三个等级 技术指标见表 2 生石灰粉 按现行行业标准JC T480 92 建筑生石灰粉 的规定 生石灰粉的技术指标如表 3 建筑消石灰粉 建筑消石灰粉按氧化镁含量分为钙质消石灰粉 镁质消石灰粉 白云石消石灰粉等 每种又有优等品 一等品和合格品三个等级 建筑消石灰粉按氧化镁含量的分类界限 建筑消石灰粉的技术指标 2 1 4石灰的应用 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 掺入107胶或少量水泥粒化高炉矿渣 或粉煤灰 可提高粉刷层的防水性 掺入各种色彩的耐碱材料 可获得更好的装饰效果 2 配制砂浆石灰浆和消石灰粉可以单独或与
9、水泥一起配制成砂浆 前者称石灰砂浆 后者称混合砂浆 用于墙体的砌筑和抹面 为了克服石灰浆收缩性大的缺点 配制时常要加入纸筋等纤维质材料 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 灰土和三合土在夯实或压实下 密实度大大提高 而且在潮湿的环境中 粘土颗粒表面的少量活性氧化硅和氧化铝与Ca OH 2发生反应 生成水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙 使粘土的抗渗能力 抗压强度 耐水性得到改善 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
10、蒸养或蒸压处理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 2 1 5石灰的贮存 应注意防潮和防碳化生石灰应贮存在干燥的环境中 要注意防雨防潮 并不宜久存 最好运到工地 或熟化工厂 后立即熟化成石灰浆 将储存期变为陈伏期 消石灰贮存时应包装密封 以隔绝空气 防止碳化 对石灰膏 应在其上层始终保留2cm以上的水层 以防止其碳化而失效 注意安全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 在石灰装卸过程中也要注意安全 石灰砂浆的裂纹 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
11、灰砂浆B 内外墙粉刷层爆裂 上海某新村四幢六层楼1989年9 11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 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 还含有较多的MgO Mg OH 2以及少量白云石 分析 该 水灰 含有相当数量的粗颗粒 相当部分为CaO与MgO 这些未充分消解的CaO和MgO在潮湿的环境下缓慢水化 生成Ca OH 2和Mg
12、OH 2 固相体积膨胀约2倍 从而产生爆裂破坏 2 2建筑石膏 石膏是以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料 2 2 1石膏的分类1 天然石膏 可分为天然二水石膏和天然硬石膏 天然二水石膏 CaS04 2H20 属于以硫酸钙为主所形成的沉积岩 一般沉积在距地表800 1500m的深处 密度约为2 2 2 4g cm3 难溶于水 天然硬石膏又称无水石膏 它是由无水硫酸钙 CaSO4 所组成的沉积岩石 其密度约为2 9 3 1g cm3 硬石膏矿层一般位于二水石膏层以下的深处 其晶体结构比较稳定 化学活性较差 2 化学石膏 是指化工生产过程中所生成的以CaSO4 2H2O或CaSO4 0 5H2O
13、为主要成分的副产品 2 2 2石膏的生产 1 建筑石膏建筑石膏 半水石膏 是将二水石膏加热脱水制成的产品 由于其脱水工艺不同 所形成的半水石膏类型也不同 其中在蒸压环境中加热 蒸炼 可得 型半水石膏 在回转窑或炒锅中进行直接加热 煅烧 可得 型半水石膏 普通建筑石膏 型半水石膏再经磨细所制得的白色粉未 是土木工程中应用最多的石膏材料 2 高强石膏 2 高强石膏高强石膏是将天然二水石膏蒸压脱水而得的 型半水石膏经磨细制得的白色粉末 高强石膏具有较高的强度和粘结能力 多用于要求较高的抹灰工程 装饰制品和制作石膏板 当加入防水剂后它还可制成高强防水石膏 加入少量有机胶结材料可使其成为无收缩的胶粘剂
14、3 硬石膏 半水石膏在200 左右时转变而成脱水半水石膏 其结构不稳定 在潮湿条件下易转变成相应的半水石膏 当温度继续升高时可转变成可溶性硬石膏 CaSO4 但其性质变化却不大 也能很快地从空气中吸收水分而水化 且强度较低 可溶性硬石膏在400 1180 范围煅烧转变成不溶性硬石膏 CaSO4 其结构体变得紧密和稳定 密度大于2 99g cm3 难溶于水 凝结很慢 只有加入某些激发剂 如碱性粒化高炉矿渣 石灰等 后 才能使其具有一定的水化和硬化能力 不溶性硬石膏经磨细后可制成无水石膏水泥 硬石膏水泥 它主要用于制作石膏灰浆 石膏板和其他石膏制品 4 高温煅烧石膏 煅烧温度大于1180 时 Ca
15、SO4开始部分分解 称为煅烧石膏 其主要成分为CaSO4和少量石灰 能凝结硬化 强度高 在1600 以上 CaSO4全部分解成石灰 CaSO4 CaO SO2 O2 2 2 3建筑石膏的凝结与硬化 建筑石膏的凝结与硬化机理很复杂 但其硬化理论主要有两种 结晶理论 又称溶解 沉淀理论 胶体理论 又称局部反应理论 浆体内部的化学变化结果主要为 CaSO4 0 5H2O 1 5H2O CaSO4 2H2O 19300J mol按照结晶理论 建筑石膏的凝结硬化过程可分为三个阶段 即 水化作用的化学反应阶段结晶作用的物理变化阶段硬化作用的强度增强阶段 石膏凝结硬化机理 半水石膏加水拌和后很快溶解于水 并
16、生成不稳定的过饱和溶液 溶液中的半水石膏经过水化反应而转化为二水石膏 因为二水石膏比半水石膏的溶解度要低 20 时 以CaSO4计 二水石膏为2 05g L 型半水石膏为7 06g L 型半水石膏为8 16g L 所以二水石膏在溶液中处于高度过饱和状态 从而导致二水石膏晶体很快析出 石膏凝结硬化示意图 半水石膏 二水石膏胶体微粒 二水石膏晶体 交错的晶体 由于半水石膏完全水化的理论需水量是18 6 而实际用水量远大于此 通常 普通建筑石膏 型半水石膏 水化时的用水量一般为60 80 因此 未参与水化的多余水分蒸发后在石膏硬化体内会留下大量的孔隙 从而使其密实度和强度都大大降低 通常其强度只有7 0 10 0MPa 高强石膏 型半水石膏 由于其水化时的用水量较低 为35 45 只是建筑石膏用水量的一半 因此其硬化体结构较密实 强度也较高 可达24 0 40 0MPa 2 2 4建筑石膏的技术性质 1 建筑石膏的技术要求 建筑石膏 GB9776 1999 规定 根据建筑石膏的主要技术指标可划分为优等品 一等品和合格品等三个质量等级 并要求它们的初凝时间不小于6min 终凝时间不大于30mi
