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1、第3章 无机胶凝材料,主要内容: 本章介绍建筑工程中常用的石膏、 石灰、水泥三种无机胶凝材料的原料、生产、硬化原理、技术性质及其在工程中的应用。 其中石膏、石灰、水泥的技术性质、影响因素、工程应用是学习的重点。,什么是胶凝材料cementing material,又称胶结料。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，制成有一定机械强度的复合固体的物质。分为水硬性胶凝材料和气硬性胶凝材料两大类。,1、水硬性胶凝材料 和水成浆后，既能在空气中硬化，又能在水中硬化的胶凝材料。这类材料通称为水泥，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。 2、气硬性胶凝材料 不能在水中硬化但能在
2、空气中或其他条件下硬化的胶凝材料。分为无机的（包括石灰、建筑石膏、水玻璃和菱苦土）和有机的（如沥青、树脂等）两种。一般用途的有石灰、石膏等。,无机凝胶材料的特点:,原料丰富,生产成本低; 耐久性好,适应性强; 耐火性好; 维护成本低; 组合或复合其它材料的能力强; 可有效的利用废渣.,3.1 石 膏,石膏是一种气硬性胶凝材料，只能在空气中凝结硬化，并在空气中保持和发展其强度，不能再水中凝结硬化。 3.1.1石膏的生产 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。 存在于石膏矿和工业副产品。建筑石膏只是其中一种,石膏矿资源遍布世界各地，探明储量大于600亿吨
3、，主要集中于亚洲、北美，以中国资源最为丰富。湖北、湖南两省都是中国石膏矿的主要产区之一 。,1、盐类矿产石膏矿,露天石膏矿,盐类矿产石膏矿,高温热液溶解石膏矿脉，在平静处比如洞穴，水坑之类的地方，温度降低，压力减小，硫酸钙逐渐从中析出，渐渐长大。 硫酸钙的溶解度较大，所以石膏的生长速度也就比较快，形成结晶。 如：平邑石膏矿主要分布于第三系卞桥组地层中，为陆相湖泊沉积型。,2、工业副产石膏,是某些化学工业的生产过程中，同时产生的以硫酸钙为主要成分的副产品，可作为石膏胶凝材料的原料 1.氟石膏 氟石膏是制备氢氟酸生产过程中排除的废渣。萤石粉（CaF2）和硫酸（H2SO4）按一定比例配合经加热产生反
4、应： CaF2 +H2SO4=CaSO4+ 2HF HF气体经冷凝收集成氢氟酸，Ca SO4残渣即氟石膏。氟石膏常残留一定数量的酸，因此需用石灰进行中和。,工业副产石膏,2、磷石膏 磷石膏是洗衣粉厂和磷肥厂等制造磷酸时的废渣，是磷灰石（或氟磷灰石）和硫酸反应生成磷酸及石膏。反应如下： Ca5F(PO4)3+5 H2SO4+10H2O=3H3PO4+5CaSO42H2O+ HF 磷石膏主要成分为二水石膏，含量可达85以上。常含有2左右的磷、氟、有机物等杂质。磷石膏的结晶与天然二水石膏很接近。多数呈菱形板状，部分呈长板状，少量为燕尾双晶。,3.1.2 石膏的分类 1）按形状石膏分,石膏一般呈板状、
5、叶片状、针状和纤维状形式进行结晶，少数呈柱状，有时也可见燕尾双晶形。所以，按形状石膏的种类可为透明石膏、纤维石膏、雪花石膏、片状石膏和土石膏等。,天然的石膏矿有二水石膏(CaSO4.2H2O)及无水石膏(CaSO4). （1）无水石膏（aSO4）：也称硬石膏，它结晶紧密，质地较硬，故又称为硬石膏，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，质地松软,故又称为软石膏.大部分自然石膏矿为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。 （）建筑石膏 （aSO41/2 H2O） 也称熟石膏或半水石膏。是由二水石膏加热至一定的温度后脱去部分的结晶水而得到的。根据其内部结构不同
6、可分为型半水石膏和型半水石膏： 天然硬石膏主要是由无水硫酸钙（CaSO4）所组成的沉积石岩。矿层一般位于二水石膏层的下面，通常，硬石膏在矿物水作用下可变成二水石膏。,2）根据结晶水的含量可分为,3.1.3 石膏结构和性质,1、硬石膏结构和性质 结构：硬石膏属斜方晶系。晶体呈柱状和厚板状，集合体常呈块状或粒状。纯净的硬石膏透明，无色或白色，但含杂质时，就会呈灰白或灰黑色，有时微带红色或蓝色。 硬石膏不同于二水石膏，它在三个互相垂直的方向上都具有完全的解理。折射率Ng1.614，Np1.57，纯的硬石膏与二水石膏相比，乃是一种比较致密的坚硬岩石，密度大，在自然界中， 二水石膏比硬石膏少的多。,3.
7、1.3 石膏结构和性质,硬石膏特性：它在4001180温度范围内是一个稳定相。它的晶粒大小、密度和连生程度与热处理温度有关。温度越高，结构越致密，密度一般为22003100kg/m3,在水中的溶解度较小，当温度3时为3.77gCaSO4/L，当温度50时为1.84gCaSO4/L。,半水石膏（又名熟石膏）由于加热条件不同，形成了型和型两种不同形态的半水石膏。 型半水石膏是用蒸压釜在饱和水蒸汽的湿介质中蒸炼而成的，脱出的水是液体；而型半水石膏的脱水形成过程是在处于缺少水蒸汽的干燥环境中进行的，脱出的水是蒸汽。 形成条件的差异，导致在结构、物理力学性能上的差别：型半水石膏为菱形结晶体，晶体尺寸大而
8、完整，晶形良好、密实，从建筑性质上可以把它称为高强建筑石膏；而型半水石膏呈细鳞片状集合体，晶体表面有裂纹，结晶很细不规则，从建筑性质上把它称为普通建筑石膏。型半水石膏硬化浆体的强度比型半水石膏硬化浆体的强度低很多。,3.1.3 石膏结构和性质 2、半水石膏（建筑石膏）的结构与性质,当加热温度超过170时，可生产无水石膏，只要温度不超过200，此无水石膏具有良好的凝结硬化性能。当加热温度超过800时，部分石膏会分解出CaO，经细磨后得到的石膏称为煅烧石膏。在凝结硬化过程中，由于CaO的作用，在和H2O混合后生成Ca(OH)2，Ca(OH)2和空气中的CO2作用形成坚硬的CaCO3，因此此种石膏也
9、称地板石膏。,3.1.3 石膏结构和性质,水化是指物质与水所起化合作用的过程。即物质从无水状态转变到含结合水状态的反应，包括水解和水合。 凝结是指物质加水后，开始变成流动性浆体，浆体向固体发展形成了一定的结构，可以承受微弱的力量，但不能承受强大的力量的过程。 硬化是指浆体从失去流动性发展到能承受强大力量的过程。此过程也可以认为是结晶结构网形成的过程。,建筑的水化过程及机理,建筑石膏的水化和硬化,建筑石膏加水后，很快发生水化反应，生成水化产物aSO42H2O,随着水化的不断进行，二水石膏胶体微粒凝聚转变为晶体。晶体颗粒逐渐长大，且晶体颗粒间相互搭接、交错、共生（两个以上晶粒生长在一起），产生强度
10、，即浆体产生了硬化。这一过程不断进行，直到浆体完全干燥，强度不断增加，此时浆体已硬化称为石膏制品。,3.1.3 石膏的性能和结构 石膏胶凝材料的制备和石膏制品的制作本质上有何区别？,石膏凝胶材料的制备:将二水石膏为原料在一定条件下进行热处理脱水而制得。二水石膏受热脱水过程中，根据不同条件，会得到各种半水和无水石膏变体，它们的结构和性质是有区别的。 石膏制品的制备过程:将半水石膏(或脱水石膏)与适当的水溶液拌和称为膏浆,由于水化作用再生成二水石膏晶体,从而得到一定形状的石膏制品. 石膏胶凝材料在水化过程中，仅生成水化产物浆体并不一定能形成具有强度的人造石，而只有当水化物晶体互相连接生形成结晶结构
11、网时，才能硬化并形成具有强度的人造石。所以，可以认为，石膏浆体的硬化过程就是结晶结构网的形成过程，而浆体结晶结构网的形成过程又一定伴随着强度的发展。,提高石膏硬化浆体抗水性的途径:,1)保证石膏硬化浆体结晶结构的形成; 2)保证一定强度的条件下,减少接触点的数量; 3)保证石膏浆体有较高的密实度; 4)加入一定量的硅酸盐水泥或其他含有活性二氧化硅,三氧化硅的氧化钙的外加剂; 5)用沥青-石蜡悬浮液以及其他水溶性聚合物对石膏制品进行改性.,3.1.4 建筑石膏的应用和性质,在水泥工业中作为制造硅酸盐水泥的缓凝剂并增强水泥的强度，用量占水泥总成分的45。 在建筑业上将天然石膏矿烧到170时所得的灰
12、泥石膏，用于涂抹天棚、木板和檐板等；煅烧到750并碾成粉末所得的地板石膏，用于制造印花墙板、窗框、窗台、台阶、地檐等建筑装饰材料。 适宜做绝热、保温、吸声和防火材料 在造纸和油漆工业中，石膏矿用作填充料； 在陶瓷上用作高级瓷器模型以及高级雕塑艺术品； 在外科医疗上，也均用到石膏矿。,石膏的应用特点,1）凝结硬化快，强度较低； 2）孔隙率大,体积密度小； 3）凝结硬化时体积膨胀； 4）保温性和吸声性能好； 5）具有一定的调温和调湿性能； 6）防火性好，但耐火性较差； 7）耐水性，抗掺性，抗冻性差。,凝结硬化快、强度较低， 孔隙率大,体积密度小,一般石膏初凝时间仅为10min，终凝时间不超过30m
13、in.这对一般额施工十分合适。建筑石膏水化时，为了使浆体有一定的塑形，需要用较多的水拌和，硬化后多余的水分蒸发，使石膏内部形成大量空隙，因此强度较低。型半水石膏因为在水化过程中加水较少，硬化后比较密实，因此强度也较高。,凝结时体积略有膨胀,建筑石膏浆体凝结硬化的过程实际是石膏吸收结晶水的过程，因此其体积略有膨胀，这种特性使石膏装饰过程中不会产生裂缝，表面光滑饱满、棱角清晰。,保温、吸声性能较好,建筑石膏凝结硬化后孔隙率大，使其传热性能显著下降，保温性能良好。特别是表面大量的微孔，使其具有良好的吸声性能。,耐水性差、防火性良好,建筑石膏硬化后呈多孔状态，且二水石膏微溶于水，具有很强的吸湿性和吸水
14、性。因此石膏制品的耐水性差。担当二水石膏遇到火灾时，结晶水会变为水蒸气而蒸发，并能在石膏表面形成水蒸气幕，有效地阻止火势的蔓延。,由于建筑石膏的优良特性，常用于室内高级抹灰和粉刷。 建筑石膏加砂、缓凝剂和水拌和成石膏砂浆，用于室内抹灰，其表面光滑、细腻、洁白、美观。石膏砂浆也作为腻子，填平墙面的凹凸不平。建筑石膏加缓凝剂和水拌和成石膏砂浆，可以作为室内粉刷的涂料。,建筑石膏的应用 1、室内抹灰及粉刷,1)定义：是以半水石膏和护面纸为胶凝材料，掺加适量纤维、胶粘剂、促凝剂、缓凝剂，经料浆配制、成型、切割、烘干而成的轻质薄板。 2)特点：具有质轻、保温、防火、吸声、抗冲击，调节室内温度湿度等性能，
15、可锯、可钉、可钻，并可以用钉子、螺栓和石膏为基材的粘结剂粘结。 3)应用：价格低廉、现场加工简单、防火性能良好，主要适用于室内隔断和吊顶，而且要求环境干燥。不适用于厨房、卫生间以及空气相对湿度大于70%的潮湿环境。,2、普通纸面石膏板,图4.1 普通纸面石膏板的棱边,1)定义：装饰石膏板是以建筑石膏为胶凝材料，加入适量的纤维增强材料、胶粘剂、改性剂等辅料，与水拌和成料浆，经成型、干燥而成的不带护面的装饰板材。所用的纤维材料为玻璃纤维，为了增强板的强度，也可以附加长纤维或玻璃长纤维捻成绳，在石膏板成型过程中，呈网格方式布置在板内。板面可制成平面型的，也可以制成有浮雕图案或带有小孔洞的形状。 2)
16、特点：它具有质轻、强度高、图案饱满、细腻、色泽柔和、美观、吸音、防火、隔热、变形小及可调节室内湿度等优点，并具有施工方便，加工性能好，可锯、可钉、可刨、可粘贴等特点，是较理想的顶棚吸音板及墙面装饰板材。,3、装饰石膏板,3)应用：装饰石膏板不需作饰面处理。可以用于宾馆、商场、音乐厅、会议室、幼儿园、住宅等建筑的墙面和吊顶装饰。 4)规格： 装饰石膏板为正方形，其棱边断面形式有直角形和倒角形。 板材的规格为500mm500mm9mm，600mm600mm11mm。,1)定义：吸声用穿孔石膏板是以装饰石膏板、纸面石膏板为基板，在其上设置孔眼而成的轻质建筑板材 2)应用：吸声用穿孔石膏板主要用于音乐厅、会议室以及对音质要求高的或对噪音限制较严的场所，作为吊顶、墙面等等吸声装饰材料。,4、吸声用穿孔石膏板,3)规格：板材的规格尺寸分为500mm500mm和600 mm600mm两种，厚度分为9mm和12mm两种 板面上开有6， 8， 10的孔眼，孔眼垂直于
