土木材料无机胶凝材料

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1、土木工程材料土木工程材料主讲教师：主讲教师： 耿方方耿方方第二章第二章 气硬性无机胶凝材料气硬性无机胶凝材料什么是胶凝材料？什么是胶凝材料？?胶凝材料：胶凝材料：胶凝材料：胶凝材料：经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成 坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶 结成整体的物质。结成整体的物质。结成整体的物质。结成整体的物质。按其化学组成分类：按其化学组成分类：按其化学组

2、成分类：按其化学组成分类： 有机胶凝材料：有机胶凝材料：有机胶凝材料：有机胶凝材料：沥青、树脂等沥青、树脂等沥青、树脂等沥青、树脂等 无机胶凝材料：无机胶凝材料：无机胶凝材料：无机胶凝材料：水泥、石膏、石灰等。水泥、石膏、石灰等。水泥、石膏、石灰等。水泥、石膏、石灰等。 复合胶凝材料：复合胶凝材料：复合胶凝材料：复合胶凝材料： 第二章 气硬性无机胶凝材料按其硬化条件分类：按其硬化条件分类：按其硬化条件分类：按其硬化条件分类： 气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料: : : : 石膏、石灰等石膏、石灰等石膏、石灰等石膏、石灰等; ; ; ; 水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料水硬性

3、胶凝材料水硬性胶凝材料: : : :各种水泥等。各种水泥等。各种水泥等。各种水泥等。气硬性与水硬性胶凝材料的特点气硬性与水硬性胶凝材料的特点气硬性与水硬性胶凝材料的特点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气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且在空气中保持和气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且在空气中保持和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；发展其强度；发展其强度；发展其强度； 关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！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水硬性胶凝材料不

4、仅能在空气中，而且能更好地在水中硬水硬性胶凝材料不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬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。化，保持并发展其强度。化，保持并发展其强度。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！关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！ 第二章 气硬性无机胶凝材料 第二章 气硬性无机胶凝材料2.1 2.1 石石 膏膏 2.2 2.2 石石 灰灰 2.3 2.3 水水 玻玻 璃璃本章教学目标 熟悉：石膏及石灰的生产、熟化、硬化过程。掌握：石膏及石灰的技术性质和应用。了解：菱苦土、水玻璃的性质和应用。气硬性无机胶凝

5、材料2.1 石膏石膏第一节第一节 石膏石膏一、石膏的原料、生产及品种一、石膏的原料、生产及品种2.1 石膏石膏（一）（一） 石膏的组成与结构石膏的组成与结构石膏的矿物组成：石膏的矿物组成：石膏的矿物组成：石膏的矿物组成： CaSO4xH2OX为结晶水为结晶水H2Ox0，硬石膏(无水石膏)x0.5 ，熟石膏(半水石膏)x2，生石膏(二水石膏) 石膏胶凝材料石膏胶凝材料石膏胶凝材料石膏胶凝材料(Gypsum binder )(Gypsum binder )(Gypsum binder )(Gypsum binder )的组成：的组成：的组成：的组成： CaSO4 0.5H2O或或CaSO4 。石膏

6、是晶体结构石膏是晶体结构石膏是晶体结构石膏是晶体结构二水石膏晶体形貌二水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌2.1 石膏石膏原料：原料：原料：原料： 天然二水石膏；天然二水石膏； 天然无水石膏；天然无水石膏； 工业副产物工业副产物磷石膏、氟石膏等。磷石膏、氟石膏等。生产工序：生产工序：生产工序：生产工序： 原料原料( (破碎破碎) ) 脱水脱水 磨细磨细生产生产生产生产( ( ( (脱水脱水脱水脱水) ) ) )的工艺：的工艺：的工艺：的工艺： 非密闭煅烧非密闭煅烧( (干燥空气中干燥空气中) )： 密闭蒸练密闭蒸练( (湿的水蒸气湿的水蒸气) )：不同工艺得到不同组成的不同工艺得到不

7、同组成的不同工艺得到不同组成的不同工艺得到不同组成的石膏胶凝材料石膏胶凝材料（一）（一） 石膏的生产石膏的生产天然石膏矿纤维状晶体2.1 石膏石膏 非密闭煅烧脱水工艺及其产品非密闭煅烧脱水工艺及其产品非密闭煅烧脱水工艺及其产品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难溶无水石膏 500750C不溶无水石膏（二）（二） 石膏的石膏的脱水工艺及其产品脱水工艺及其产品脱水工艺及其产品脱水工艺及其产品随着煅烧温度升高：随着煅烧温度升高： 二水石膏转变为二水石膏转变为 - -型半水石膏型半水石膏 - -型转变可溶性无水石膏型转变

8、可溶性无水石膏 可溶性转变为难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难溶性转变为不溶性无水石膏2.1 石膏石膏（三）（三） 石膏的产品石膏的产品 石膏按其生产时煅烧的温度不同，分为低温煅烧石膏按其生产时煅烧的温度不同，分为低温煅烧石膏按其生产时煅烧的温度不同，分为低温煅烧石膏按其生产时煅烧的温度不同，分为低温煅烧石膏和高温煅烧石膏。石膏和高温煅烧石膏。石膏和高温煅烧石膏。石膏和高温煅烧石膏。 低温煅烧石膏低温煅烧石膏低温煅烧石膏低温煅烧石膏低温煅烧石膏：低温煅烧石膏：低温煅烧石膏：低温煅烧石膏：是在低温（是在低温（是在低温（是在低温（1071071071071701

9、70170170 C）煅烧天然石膏煅烧天然石膏煅烧天然石膏煅烧天然石膏 所获得的产品，主要成分为半水石膏所获得的产品，主要成分为半水石膏所获得的产品，主要成分为半水石膏所获得的产品，主要成分为半水石膏 CaSO4 0.5H2O。主要产品：主要产品：主要产品：主要产品：建筑石膏、模型石膏和高强度石膏。建筑石膏、模型石膏和高强度石膏。建筑石膏、模型石膏和高强度石膏。建筑石膏、模型石膏和高强度石膏。CaSO4 2H2O CaSO4 0.5H2O 1.5H2O2.1 石膏石膏 建筑石膏：建筑石膏：建筑石膏：建筑石膏：为为为为 型半水石膏，内部还含有少量的无水型半水石膏，内部还含有少量的无水型半水石膏，

10、内部还含有少量的无水型半水石膏，内部还含有少量的无水 石膏（石膏（石膏（石膏（CaSO4CaSO4CaSO4CaSO4）和和和和 未分解的原料颗粒；未分解的原料颗粒；未分解的原料颗粒；未分解的原料颗粒； 模型石膏模型石膏模型石膏模型石膏：为为为为 型半水石膏，但含杂质少，细度小；型半水石膏，但含杂质少，细度小；型半水石膏，但含杂质少，细度小；型半水石膏，但含杂质少，细度小； 高强度石膏高强度石膏高强度石膏高强度石膏：为为为为 型半水石膏，硬结后具有密实结构，型半水石膏，硬结后具有密实结构，型半水石膏，硬结后具有密实结构，型半水石膏，硬结后具有密实结构， 抗压强度高。抗压强度高。抗压强度高。抗压

11、强度高。 高温煅烧石膏高温煅烧石膏高温煅烧石膏高温煅烧石膏高温煅烧石膏：高温煅烧石膏：高温煅烧石膏：高温煅烧石膏：是在高温（是在高温（是在高温（是在高温（600600600600900900900900 C）煅烧天然石膏煅烧天然石膏煅烧天然石膏煅烧天然石膏 所获得的产品，主要成分为无水硫酸钙所获得的产品，主要成分为无水硫酸钙所获得的产品，主要成分为无水硫酸钙所获得的产品，主要成分为无水硫酸钙 CaSOCaSOCaSOCaSO4 4 4 4，并且部分硫酸钙分解成氧化钙并且部分硫酸钙分解成氧化钙并且部分硫酸钙分解成氧化钙并且部分硫酸钙分解成氧化钙。 高温煅烧石膏凝结硬化慢，但耐水性和强度高，耐高温

12、煅烧石膏凝结硬化慢，但耐水性和强度高，耐高温煅烧石膏凝结硬化慢，但耐水性和强度高，耐高温煅烧石膏凝结硬化慢，但耐水性和强度高，耐磨性好，可用于铺设地面（地板石膏）磨性好，可用于铺设地面（地板石膏）磨性好，可用于铺设地面（地板石膏）磨性好，可用于铺设地面（地板石膏）。2.1 石膏石膏二、建筑石膏的凝结与硬化二、建筑石膏的凝结与硬化 凝结与硬化凝结与硬化凝结与硬化凝结与硬化凝结：凝结：凝结：凝结：建筑石膏和水拌和后，最初是具有可塑性的石膏建筑石膏和水拌和后，最初是具有可塑性的石膏建筑石膏和水拌和后，最初是具有可塑性的石膏建筑石膏和水拌和后，最初是具有可塑性的石膏 浆体，然后逐渐变稠失去可塑性，但尚

13、无强度的浆体，然后逐渐变稠失去可塑性，但尚无强度的浆体，然后逐渐变稠失去可塑性，但尚无强度的浆体，然后逐渐变稠失去可塑性，但尚无强度的 过程。过程。过程。过程。硬化：硬化：硬化：硬化：建筑石膏凝结后，浆体逐渐变成具有一定强度的建筑石膏凝结后，浆体逐渐变成具有一定强度的建筑石膏凝结后，浆体逐渐变成具有一定强度的建筑石膏凝结后，浆体逐渐变成具有一定强度的 固体，这一过程成为建筑石膏硬化。固体，这一过程成为建筑石膏硬化。固体，这一过程成为建筑石膏硬化。固体，这一过程成为建筑石膏硬化。2.1 石膏石膏 建筑石膏的凝结硬化过程建筑石膏的凝结硬化过程建筑石膏的凝结硬化过程建筑石膏的凝结硬化过程 凝结硬化过

14、程中的水化反应：凝结硬化过程中的水化反应： CaSOCaSO4 4 0.5H 0.5H2 2O O 1.5H1.5H2 2O O CaSOCaSO4 42H2H2 2O OQ Q 凝结硬化机理凝结硬化机理“溶解沉淀理论溶解沉淀理论” 溶解溶解 沉淀沉淀 硬化硬化 半水石膏的溶解度半水石膏的溶解度(8.16g/L)(8.16g/L)大于二水石大于二水石膏膏(2.05g/L)(2.05g/L)，因此，前者在水中不断溶解，因此，前者在水中不断溶解，生成生成CaCa2+2+、SOSO4 42-2-离子的饱和溶液离子的饱和溶液半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液

15、，后者不断结晶沉淀。过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。 二水石膏晶体不断生长、连生、交错，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构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网2.1 石膏石膏 半水石膏颗粒 二水石膏晶体石膏浆体石膏胶体石膏硬化体水孔隙 凝结硬化的物理化学过程凝结硬化的物理化学过程凝结硬化的物理化学过程凝结硬化的物理化学过程 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2.1 石膏石膏注意：注意：注意：注意：半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水半水石膏在空气中，也会吸收空气

16、中的水 分子水化成二水石膏晶体。分子水化成二水石膏晶体。分子水化成二水石膏晶体。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，必须防所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！潮、防水，以免失效！2.1 石膏石膏 石膏的组成石膏的组成 石膏浆体的用水量石膏浆体的用水量 外加剂外加剂 细度细度用水量越大，石膏晶体颗粒越大；用水量越大，石膏晶体颗粒越大；凝结硬化所需时间增加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)可以延缓凝结硬化石膏凝结硬化的影响因素

17、石膏凝结硬化的影响因素石膏凝结硬化的影响因素石膏凝结硬化的影响因素凝结硬化速度的排序：凝结硬化速度的排序： 可溶性无水石膏半水石膏难溶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性无水石膏不溶性无水石膏加水量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2.1 石膏石膏三、建筑石膏的特性、质量要求及应用三、建筑石膏的特性、质量要求及应用 特性特性特性特性建筑石膏与其他无机胶凝材料相比，应具有以下特性：建筑石膏与其他无机胶凝材料相比，应具有以下特性： 表观密度较小表观密度较小表观密度较小表观密度较小； 凝结硬结快凝结硬结快凝结硬结快凝结硬结快； 硬化初期有微膨胀性硬化初期有微膨胀性

18、硬化初期有微膨胀性硬化初期有微膨胀性； 孔隙率较大孔隙率较大孔隙率较大孔隙率较大 强度较低强度较低强度较低强度较低 耐水性和抗冻性较差耐水性和抗冻性较差耐水性和抗冻性较差耐水性和抗冻性较差 防火性较好防火性较好防火性较好防火性较好 隔热性和吸声性良好隔热性和吸声性良好隔热性和吸声性良好隔热性和吸声性良好 装饰性装饰性装饰性装饰性 2.1 石膏石膏 建筑石膏的应用建筑石膏的应用建筑石膏的应用建筑石膏的应用 建筑石膏是一种很好的绿色建材！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！应用中扬长避短，正确应用！ 建筑上的主要应用有：建筑上的主要应用有： 建筑石膏制品：建筑石膏制品： (1

19、)(1)各种板材：墙板、天花板等各种板材：墙板、天花板等 (2)(2)艺术装饰品艺术装饰品 粉刷石膏：粉刷石膏： (1)(1)墙面粉刷墙面粉刷 (2)(2)雕饰雕饰2.1 石膏石膏2.1 石膏石膏2.1 石膏石膏德国一所教堂的外墙面雕饰2.1 石膏石膏第二节第二节 石灰石灰气硬性无机胶凝材料2.1 石膏石膏2.2 石灰石灰一、石灰的组成与品种一、石灰的组成与品种 气硬性石灰气硬性石灰气硬性石灰气硬性石灰 生石灰粉：生石灰粉：生石灰粉：生石灰粉：CaO； 熟熟熟熟( ( ( (消消消消) ) ) )石灰粉：石灰粉：石灰粉：石灰粉：Ca(OH)2 ； 石灰膏石灰膏石灰膏石灰膏( ( ( (浆浆浆浆

20、) ) ) )：Ca(OH)2、H2O。2.2 石石 灰灰 二、石灰的生产二、石灰的生产 原料原料原料原料以以CaCO3为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。 石灰的石灰的石灰的石灰的制备制备制备制备 石灰石的热分解反应：石灰石的热分解反应： CaCO3CaOCO2 制备工艺：制备工艺： 岩石岩石 破碎破碎 煅烧煅烧 粉磨粉磨(消解消解)2.2 石石 灰灰 石灰石10001200C磨细生石灰粉生石灰水喷淋熟石灰粉(水)化灰池石灰浆浓缩石灰膏陈伏 制备工艺与产品制备工艺与产品制备工艺与产品制备工艺与产品减轻或消除过火石灰的危害煅烧温度较低，时间较短时

21、， 欠火石灰煅烧温度较高，时间较长时， 过火石灰2.2 石石 灰灰 二、石灰的熟化二、石灰的熟化熟石灰熟石灰熟石灰熟石灰 CaO H2O Ca（OH）2 Q两种形式两种形式两种形式两种形式石灰膏石灰膏熟熟石灰粉石灰粉陈伏陈伏陈伏陈伏 减轻或消除过火石灰的危害减轻或消除过火石灰的危害2.2 石石 灰灰 三、石灰的硬化三、石灰的硬化石灰浆体 氢氧化钙晶体 碳酸钙晶体石灰凝胶体石灰碳化体水孔隙水分损失碳化干燥硬化干燥硬化干燥硬化干燥硬化 生石灰或熟石灰水成为生石灰或熟石灰水成为Ca(OH)2浆体；浆体； 浆体中游离水的不断损失，导致浆体中游离水的不断损失，导致Ca(OH)2结晶；结晶； 晶粒长大、交

22、错堆聚成晶粒结构网晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网硬化。硬化。碳化硬化碳化硬化碳化硬化碳化硬化 Ca(OH)2与空气中的与空气中的CO2气体反应，在表面形成气体反应，在表面形成CaCO3膜层。膜层。 提高耐久性。提高耐久性。2.2 石石 灰灰 四、石灰的特性、技术要求与应用四、石灰的特性、技术要求与应用 特性特性特性特性建筑石灰的特性：建筑石灰的特性： 保水性好保水性好 ； 凝结硬化慢，硬化后强度低凝结硬化慢，硬化后强度低 ； 体积收缩大体积收缩大； 表观密度较小表观密度较小； 浆体的可塑性好；浆体的可塑性好； 耐水性差；耐水性差； 浆体硬化中容易开裂。浆体硬化中容易开裂。 过火石灰的危害过火石

23、灰的危害过火石灰的危害过火石灰的危害 与水反应很慢，石灰与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发硬化后再与水反应发生体积膨胀而引起开生体积膨胀而引起开裂。裂。2.2 石石 灰灰 技术要求技术要求技术要求技术要求建筑石灰的技术要求：建筑石灰的技术要求： CaOCaO的含量的含量 ； COCO2的含量的含量( (欠火石灰欠火石灰) ) ； 细度细度； 体积安定性体积安定性( (过火石灰过火石灰) )。2.2 石石 灰灰 应用应用应用应用建筑石灰的特性：建筑石灰的特性： 配制建筑砂浆和石灰乳配制建筑砂浆和石灰乳； 配制无熟料水泥配制无熟料水泥； 石灰火山灰活性材料石灰火山灰活性材料 配制三合土；配制三合

24、土； 石灰粘土砂水石灰粘土砂水 软土地基加固。软土地基加固。 作为其它建材制品的原料；作为其它建材制品的原料； 如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等2.2 石石 灰灰 第三节第三节 水玻璃水玻璃气硬性无机胶凝材料2.1 石膏石膏2.2 石灰石灰2.4 水玻璃水玻璃2.3 菱苦土菱苦土2.3 水玻璃水玻璃一、水玻璃的原料及生产一、水玻璃的原料及生产 硅酸盐钾水玻璃；硅酸盐钾水玻璃；硅酸盐钾水玻璃；硅酸盐钾水玻璃； 硅酸盐钠水玻璃（硅酸盐钠水玻璃（硅酸盐钠水玻璃（硅酸盐钠水玻璃（Na2O Na2O Na2O Na2O nSiO2 nSiO2 nSiO2 nSiO2）

25、 ； n n为水玻璃模数（为水玻璃模数（1-3.51-3.5） 纯碱和石英砂的热分解反应：纯碱和石英砂的热分解反应： Na2CO3nSiO2 Na2O . nSiO2 CO2 制备工艺：制备工艺： 原料原料 磨细拌匀磨细拌匀 熔融熔融 冷却冷却 液体水玻璃会吸收空气中二氧化碳，反应如下：液体水玻璃会吸收空气中二氧化碳，反应如下： Na2OnSiO2+CO2+mH2O=nSiO2mH2O+Na2CO3 析出无定形二氧化硅凝胶，并逐渐干燥而硬化。析出无定形二氧化硅凝胶，并逐渐干燥而硬化。 为加速硬化加入氟硅酸钠作为促凝剂，反应如下：为加速硬化加入氟硅酸钠作为促凝剂，反应如下： 2(Na2OnSiO

26、2)+Na2SiF6+mH2O= (2n+1)SiO2mH2O+6NaF 氟硅酸钠适宜用量为氟硅酸钠适宜用量为12-15%，过高过低均降低强度。，过高过低均降低强度。2.3 水玻璃水玻璃二、水玻璃的硬化二、水玻璃的硬化 凝结硬化后具有如下性质：凝结硬化后具有如下性质： 1.粘结能力强；粘结能力强；2.不燃烧、耐高温；不燃烧、耐高温； 3.耐酸能力强；耐酸能力强；4.不耐水；不耐水；5.不耐碱。不耐碱。三、水玻璃的性质三、水玻璃的性质2.3 水玻璃水玻璃四、水玻璃的应用四、水玻璃的应用1.涂刷材料表面（抗材料风化、内外墙涂料）涂刷材料表面（抗材料风化、内外墙涂料）2.配制防水剂（加矾制成防水剂堵

27、漏或缝隙）配制防水剂（加矾制成防水剂堵漏或缝隙）3.用于土壤加固（水玻璃用于土壤加固（水玻璃+氯化钠加固砂土强度可达氯化钠加固砂土强度可达3-6MPa）4.其他（耐酸、耐热混凝土或砂浆）其他（耐酸、耐热混凝土或砂浆）第二章第二章 作业作业1.1.作业题目作业题目 Page 34 Page 34 题题1 1；题；题2 2 ；题题3 3; ;2.2.独立完成，杜绝抄袭独立完成，杜绝抄袭3.3.上交时间：上交时间： 以两个星期为周期，每个双周的周四上交。以两个星期为周期，每个双周的周四上交。 作业迟交者，作业成绩降一级。作业迟交者，作业成绩降一级。4.4.作业成绩计入平时成绩内。作业成绩计入平时成绩内。