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1、第4章 无机胶凝材料本章导学学习目的：本章着重讲述硅酸盐水泥的熟料矿物组成、凝结硬化过程、技术性质及应用；在此基础上介绍混合材料，以及掺混合材料硅酸盐水泥的组成、特性及应用；概要介绍高铝水泥的组成及特点；简介其他品种水泥。通过学习掌握硅酸盐水泥的性质、影响因素及应用范围；掌握掺混合材料硅酸盐水泥的特性，并能合理选用；了解高铝水泥的特性及应用范围，一般了解其他品种水泥的特点。气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料的概念。过火石灰与欠火石灰，以及它们对石灰质量的影响。石灰的熟化与硬化过程。石灰的主要特性及在建筑中的应用。石膏的主要品种。建筑石膏的凝结硬化过程。建筑石膏的主要特性及用途。教学要求：要求重点掌
2、握硅酸盐水泥，在此基础上学习其它水泥。硅酸盐水泥的简单生产过程。硅酸盐水泥的主要矿物组成。它们单独与水作用的特性。生产硅酸盐水泥时要加入适量石膏的目的。硅酸盐水泥的主要水化产物及硬化后水泥石的结构。影响水泥凝结硬化的主要因素。硅酸盐水泥的技术性质。国家标准中对各项技术性质的要求。各项技术性质的测定方法。硅酸盐水泥腐蚀的类型。防止硅酸盐水泥腐蚀的措施。硅酸盐水泥的特性及应用范围。硅酸盐水泥在贮存运输中的注意事项。活性混合材料和非活性混合材料的区别。活性混合材料的种类。在硅酸盐水泥中加入混合材料的目的。激发剂的概念。常用五大品种水泥各自的组成和主要特点。高铝水泥的主要矿物组成和水化产物。高铝水泥的
3、特性及使用时应注意的问题。快硬硅酸盐水泥的特点及应用范围。白色及彩色硅酸盐水泥的特点及用途。膨胀水泥的主要特点。土木工程中常常需要将散粒材料（如砂和石子）或块状材料（如砖和石块）粘结成为整体，具有这种粘结作用的材料，统称为无机胶结材料或无机胶凝材料。 胶凝材料，确切地说是指经过自身的物理化学作用后，能够由液态或半固态变成坚硬固体的物质。胶凝材料按其化学成分可分为有机和无机两大类。无机胶凝材料按其硬化时的条件又可分为：气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料。 气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续提高其强度，如石灰、石膏、水玻璃等。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
4、化，保持并继续提高其强度，如各种水泥。4.1 建筑石膏石膏的原料、生产及品种石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。石膏是一种传统的胶凝材料，由于它的资源丰富，其制品具有一系列的优良性质，所以得到很快的发展，其中发展最快的是纸面石膏板、纤维石膏板、建筑饰面板及隔音板等新型建筑材料。 生产石膏的主要原料为天然石膏、或称生石膏，属于沉积岩，其化学式为CaSO4。2H2O也称二水石膏。化学工业副产物的石膏废渣（如磷石膏、氟石膏、硼石膏）其成分也是二水石膏，也可作为生产石膏的原料。采用化工石膏时应注意，如废渣（液）中含有酸性成分时，须预先用水洗涤或用石灰中和后才能使用。 石膏按其生产时煅烧的温度不同
5、，分为低温煅烧石膏与高温煅烧石膏。（一） 低温煅烧石膏低温煅烧石膏是在低温下（110160）煅烧天然石膏所获得的产品，其主要成分为半水石膏（CaSO40.5H2O）。因为在此温度下，二水石膏脱水，转变为半水石膏：CaSO42H2O=CaSO40.5H2O+1.5H2O属于低温煅烧石膏的产品有：建筑石膏、模型石膏和高强度石膏。1建筑石膏 是天然石膏在回转窑或炒锅中煅烧后经磨细所得到的产品。煅烧时设备与大气相通，原料中的水分呈蒸汽热电排出，生成的半水石膏是细小的晶体，称型半水石膏。建筑石膏中还含有少量的无水石膏（CaSO4）和未分解的原料颗粒。建筑上所用的石膏均属这一品种。2模型石膏 也是型半水石
6、膏，但含杂质少，细度小。它在陶瓷工业中用作成型的模型。3高强度石膏 是以高品痊的天然石膏为原料，用蒸压釜于蒸汽介质（124，0.13MPa）中蒸炼而成。生成的半水石膏是粗大而密实的晶体，称型半水石膏，它与型半水石膏比较，达到一定稠度所需的用水量小，这就决定了型半水石膏硬化后具有密实结构，抗压强度高，可达15 a。（二） 高温煅烧石膏是天然石膏在600900下煅烧后经磨细而得到的产品。高温下二水石膏不但完全脱水成为无水硫酸钙（CaSO4），并且部分硫酸钙分解成氧化钙，少量的氧化钙是无水石膏与水进行反应的激发剂。 高温煅烧石膏与建筑石膏比较，凝结硬化慢，但耐水性和强度高，耐磨性好，用它调制抹灰、砌
7、筑及制造人造大理石的砂浆，可用于铺设地面，也称地板石膏。建筑石膏的凝结与硬化建筑石膏与水拌合后，最初是具有可塑性的石膏浆体，承后逐渐变稠失去可塑性，但尚无强度，这一过程称为凝结，以后浆体逐渐变成具有一定强度的固体，这一过程称为硬化。建筑石膏在凝结硬化过程中，与水进行水化反应：CaSO40.5H2O+1.5H2O=CaSO4H2O 半水石膏加水后首先进行的是溶解。然后产生上述的水化反应，生成二水石膏。由于二水石膏在水中的溶解度（20为2.05克/升）较半水石膏在水中的溶解度（20为8.16克/升）小得多，所以二水石膏不断从过饱和溶液中沉淀而析出胶体微粒。二水石膏析出，破坏了原有半水石膏的平衡浓度
8、，这时半水石膏会进一步溶解来补充溶液浓度。如此不断循环进行半水石膏的溶解和二水石膏的析出，直到半水石膏完全转化为二水石膏为止。这一过程进行的较快，大约为712分钟。图41 建筑石膏凝结硬化示意（a）胶化 （b）结晶开始 （c）结晶长大与交错1 半水石膏；2二水石膏胶体微粒；3二水石膏晶体；4交错的晶体 随着水化的进行，二水石膏胶体微粒的数量不断增多，它比原来的半水石膏颗粒细得多，即总表面积增大，因而可吸附更多的水分；同时因水分的蒸发和部分水分参与水化反应而成为化合水，致使自由水减少。由于上述原因使得浆体变稠而失去可塑性，这就是初凝过程。 在浆体变稠的同时，二水石膏胶体微粒逐渐变为晶体，晶体逐渐
9、长大，共生和相互交错，使凝结的浆体逐渐产生强度，表现为终凝。随着干燥，内部自由水排出，晶体之间的摩擦力、粘结力逐渐增大、浆体强度也随之增加，一直发展到最大值，这就是硬化过程（图41为石膏凝结硬化示意图）。直至剩余水份完全蒸发后，强度才停止发展。建筑石膏的特性、质量要求及应用（一）建筑石膏的特性建筑石膏与其它无机胶凝材料比较在性质上有如下的特点：1凝结硬化快 建筑石膏加水拌合后的浆体初凝时间不小于6min，终凝时间不早于30min，一星期左右完全硬化。初凝时间较短使施工成型困难，为延缓其凝结时间，可以掺入缓凝剂，使半水石膏溶解度降低或者降低其溶解速度，使水化速度减慢。常用的缓凝剂的0.10.2%
10、动物胶，1%的亚硫酸盐酒精废液，也可以用硼砂，柠檬酸等。 建筑石膏硬化较快，如一等石膏1天强度约为58MPa，7天可达最大强度约为812MPa。2硬化初期有微膨胀性 其它胶凝材料硬化过程中往往产生收缩，而石膏却略有膨胀，而且不开裂，膨胀率0.05%0.15%。这一性质使得石膏可以单独使用，尤其在装饰材料中，利用其微膨胀性塑造的各种建筑装饰制品，形体饱满密实，表面光滑细腻，干燥时不开裂。3孔隙率高，石膏水化的理论需水约18.61%，为使石膏浆体具有可塑性，常要加入5070%的水，这些多余的自由水蒸发后留下许多孔隙，使石膏制品具有多孔性，其孔隙达4060%，因此石膏制品容重小、隔热保温性能好、吸音
11、性强。但因吸水率大，耐水性、抗渗性和抗冻性差。4防火性较好 石膏硬化后主要成分是CaSO4?2H2O，当遇到100以上温度作用时，结晶水蒸发，这部分水约占总时的21%。蒸发的水蒸汽吸收热量降低表面温度，脱水后的无水石膏又是良好的绝热体，因而可阻止火势蔓延，起到防火作用。（三） 建筑石膏的质量要求建筑石膏根据建筑石膏标准（GB977688），按抗折强度、抗压强度和细度分为优等品、一等品和合格品三个等级（见表41）。建筑石膏质量标准（GB977688） 表41技 术 要 求 等 级优等品一等品合格品抗折强度（MPa）2.52.11.8抗压强度（MPa)5.04.03.0细度，0.2mm方孔筛筛余（
12、）5.010.015.0（四） 建筑石膏的应用建筑石膏常用于室内抹灰、粉刷、油漆打底层，也可制作各种建筑装饰制件和石膏板等。 石膏板具有轻质、隔热保温、吸音、不燃以及施工方便等性能，是一种有发展前途的新型材料，我国目前生产的石膏板，主要有纸面石膏板、石膏空心条板、石膏装饰板、纤维石膏板。1纸面石膏板 以建筑石膏为主要原料，加入少量外加材料如填充料、发泡剂、缓凝剂等加搅拌、浇注、辊压，以石膏作芯、两面用纸作护面，经切断、烘干制成纸面石膏板。主要用于内墙、隔墙、天花板等处。2石膏装饰板 以建筑石膏为主要原料，加入少量纤维增强材料及外加剂，加水搅拌成均匀料浆，浇注成型、脱模修边、干燥制成。有平板，多
13、孔板，花纹板及浮雕板等。造型美观，品种多样，主要用于公共建筑的内墙及天花板。3纤维石膏板 纤维石膏板是以建筑石膏为主要原料，掺加适量纤缴增强材料而制成。这种板的抗弯强度和弹性模量高，可用于内墙和隔墙，也可用来代替木材制作家具。4石膏空心条板 是以建筑石膏为主要原料，掺加适量轻质填充料或少量纤维材料，以提高板的抗折强度和减轻自重，加水搅拌、振动、成型、抽芯、脱模、烘干而成。这种石膏板不用纸，工艺简单，施工方便，不用龙骨，强度较高，可用作内墙或隔墙。此外还有石膏蜂窝板，石膏矿棉复合板，防潮石膏板等，分别用作绝热板、吸声板、内墙和隔墙板，天花板等。建筑石膏在储存中，需要防雨防洁，储存期一般不超过三个
14、月，过期或受潮都会使石膏制品强度显著降低。4.2石灰石灰是一种古老的建筑材料，是以石灰石为原料经煅烧而成。由于原料广泛，工艺简单，成本低廉，使用方便，所以至今仍被广泛地应用于建筑工程中。石灰的原料与生产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 。 将上述的原料加以煅烧，碳酸钙将分解为氧化钙，此即生石灰： CaCO3CaO+CO2 由于石灰石致密程序、块体大小、杂质含量不同，为了加速分解，煅烧温度常控制在9001000。生石灰呈块状，也称块灰。由于生产原料中多少含有一些碳酸镁，因而生石灰中还含有次要成分氧化镁。氧化镁含量5%的生石灰称钙质石灰，氧化镁含量5%的称为镁质石灰
15、。镁质石灰熟化较慢，但硬化后强度稍高。由于煅烧时火候不匀，石灰中常含有欠火石灰和过火石灰。欠火石灰中碳酸钙未完全分解；过火石灰的表面有一层深褐色的熔融物。石灰的熟化与硬化（一）石灰的熟化生石灰可以直接磨细制成生石灰粉使用。更多的是将生石灰熟化成熟石灰粉或石灰膏之后再使用。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，称为熟石灰。生石灰加水进行水化、称为熟化或消解，其反应如下：CaO+H2O=Ca（OH）2 熟化时放出大量热（1kg生石灰放热1160KJ），体积增大12.5倍。熟石灰两种形式：石灰膏和熟石灰粉。 将块状石灰石用过量水（约为生石灰体积的34倍）消化，或将消石灰粉和水拌和所得达一定稠度的膏状物即为石灰膏，其主要成分为Ca(OH)2和水。石灰膏中的水分约占50%，容重为1300 kg/m31400kg/m3。lkg生石灰可熟化成1.5kg3kg石灰膏。欠火石灰不能熟化。当石灰中含有过火石灰时，它将在石灰浆体硬化以后才发生水化作
