建筑材料课件第03章__无机气硬性胶凝材料

第03章无机气硬性胶凝材料 3.1胶凝材料的概念和分类胶凝材料是指能够通过自身的物理化学作用，从浆体变成坚硬的固体，并能把散粒材料或块状材料胶结为一个整体的材料。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。 3.1石灰石灰一种以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。3.1.1石灰的生产及分类石灰的来源之一是某些工业副产品。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。 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（MgC03）：Mg0：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。石灰的化学分析CaOMgO 石灰的种类生石灰粉：由块状生石灰磨细生成。CaO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(OH)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。 生石灰粉 消石灰粉 石灰膏 3、4石灰的消化与硬化1.石灰的消化（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=CaCO3+(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。 4石灰的性质与技术要求1.石灰的性质保水性好。表面形成一层较厚水膜，保持水分不溢出。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1μm）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.石灰的技术标准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品、一等品、和合格品三个等级，技术指标见表：项　　　目钙质生石灰镁质生石灰优等品一等品合格品优等品一等品合格品(CaO+MgO)含量/%，不小于908580858075未消化残渣含量(5mm圆孔筛筛余量)/%,不大于5101551015CO2/％，不大于5796810产浆量/(L/kg),不小于2.82.32.02.82.32.0 (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：项　　　目钙质生石灰粉镁质生石灰粉优等品一等品合格品优等品一等品合格品(CaO+MgO)含量，%，不小于858075807570CO2／％，不大于791181012细度0.90mm筛的筛余，％，不大于0.20.51.50.20.51.50.125mm筛的筛余，％，不大于7.012.018.07.012.018.0 (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品种名称钙质消石灰粉镁质消石灰粉白云石消石灰粉氧化镁含量/％≤44≤MgO<2424≤MgO<30 建筑消石灰粉的技术指标项　　　目钙质生石灰粉镁质生石灰粉白云石消石灰粉优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品(CaO+MgO)含量/％，≮706560656055656055游离水/％0.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～2体积安定性合格合格-合格合格-合格合格-细度0.9mm筛余％，≯000.5000.5000.50.125mm筛余/％，≯310153101531015 5石灰的应用品种名称适　　用　　范　　围生石灰配制石灰膏；磨细成生石灰粉石灰膏用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆稀释成石灰乳(石灰水)涂料，用于内墙和平顶刷白生石灰粉(磨细生石灰粉)用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆配制无熟料水泥(石灰矿渣水泥、石灰粉煤灰水泥、石灰火山灰水泥等)制作硅酸盐制品(如灰砂砖等)制作碳化制品(如碳化石灰空心板)用于石灰土(灰土)和三合土消石灰粉制作硅酸盐制品用于石灰土(石灰+粘土)和三合土 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。 石灰乳涂料 混合砂浆 3.拌制石灰土和石灰三合土（稳定类材料）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、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。 灰砂砖 4.石灰作静态爆破剂首先用钻孔工具在准备破坏的物体上钻眼，然后往孔中充填用水搅拌后呈泥浆状的破坏材料，或者将该泥浆填入乙烯管中或其它容器后插入孔中，24小时以后孔的周围将会产生龟裂 静态爆破 5.石灰加固软弱地基石灰桩 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石灰砂浆B A体积膨胀造成B收缩裂纹 3.2石膏石膏是以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料。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为主要成分的副产品。 天然二水石膏 天然硬石膏 化学石膏 3.2.1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α型半水石膏，在回转窑或炒锅中进行直接加热（煅烧）可得β型半水石膏。普通建筑石膏：β型半水石膏再经磨细所制得的白色粉未，其密度为2.60～2.75g/cm3，松堆积密度为800～1000kg/m3，是土木工程中应用最多的石膏材料。 β型半水石膏 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，其密度为2.6～2.8g/cm3，松堆积密度为1000～1200kg/m3。由于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。 高强石膏 高强石膏 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-Ⅲ），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(CaSO4Ⅱ)，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。 硬石膏 4.高温煅烧石膏煅烧温度大于1180℃时，CaSO4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 3.2.3建筑石膏的水化与硬化建筑石膏的水化与硬化机理很复杂，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+15400J/mol水化反应 凝结和硬化 石膏凝结硬化机理：半水石膏加水拌和后很快溶解于水，并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,α型半水石膏为7.06g/L,β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 3.2.3建筑石膏的技术特性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30min，其他技术性能指标应满足规定要求。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≯（％）5.010.015.0 2.建筑石膏的技术特性①凝结硬化快。建筑石膏水化迅速，常温下完全水化所需时间仅为7～12min。适合于大规模连续生产。在使用石膏浆体时，若需要延长凝结时间，可掺加适量缓凝剂。②硬化后孔隙率大、强度较低。建筑石膏孔隙率可高达40％～60％。建筑石膏制品的表观密度较小(400～900kg/m3)，导热系数较小(0.121～0.205W／（m·K）)。较高的孔隙率使得石膏制品的强度较低。③体积微膨胀。建筑石膏凝结硬化过程中体积不收缩，还略有膨胀，一般膨胀率为0.5%～1.5%。 ④耐水性、抗冻性差。石膏的软化系数仅为0.3～0.45。若长期浸泡在水中还会因二水石膏晶体溶解而引起溃散破坏；若吸水后受冻，还会因孔隙中水分结冰膨胀而引起崩溃。⑤防火性能良好。石膏制品本身不可燃，而且具有抵抗火焰靠近的能力。⑥具有一定调湿作用。由于石膏制品内部的大量毛细孔隙对空气中水分具有较强的吸附能力，在干燥时又可释放水分。⑦储存及保质期。不超过三个月。8.硬化时体积略有膨胀，装饰性好。9.施工性能好 3.2.3.2建筑石膏质量要求按技术要求分为优等品，一等品和合格品。 3.2.4建筑石膏的应用1.粉刷石膏。是由建筑石膏或由建筑石膏与无水石膏(CaS04Ⅱ)二者混合后，再掺入外加剂、填料等制成。按其用途不同可分为面层粉刷石膏（M）、底层粉刷石膏（D）和保温层粉刷石膏（W）三类。《粉刷石膏》(JC/T517-1993)的标准规定，初凝时间应不小于1h，终凝时间应不大于8h。根据其强度可划分为优等品（A）、一等品（B）和合格品（C）三个等级。产品类别面层粉刷石膏底层粉刷石膏保温层粉刷石膏等级优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品、合格品抗压强度/MPa,≮5.03.52.54.03.02.02.51.0抗折强度/MPa,≮3.02.01.02.51.50.81.50.6 2.纸面石膏板(1)纸面石膏板根据国家标准GB/T9775－1999《纸面石膏板》的规定，纸面石膏板的主要技术要求有：外观质量、尺寸偏差、对角线长度差、断裂荷载、单位面积质量、护面纸与石膏芯的粘结、吸水率、表面吸水量和遇火稳定性。其中吸水率、表面吸水量仅适用于耐水纸面石膏板；遇火稳定性仅适用于耐火纸面石膏板。纸面石膏板按其用途分为：普通纸面石膏板耐水纸面石膏板耐火纸面石膏板 纸面石膏板 纤维石膏板纤维与石膏制成的增强石膏板材 石膏空心条板 石膏砌块 装饰石膏板 石膏装饰制品 建筑石膏粉的质量问题请观察建筑石膏粉，并分析是否宜用此石膏粉作粘结或制作石膏制品。石膏粉吸潮结粒 石膏制品发霉变形某住户喜爱石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕板作装饰。使用一段时间后，客厅、卧室效果相当好，但厨房、厕所、浴室的石膏制品出现发霉变形。请分析原因。 解析：厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，普通石膏制品具有强的吸湿性和吸水性，在潮湿的环境中，晶体间的粘结力削弱，强度下降、变形，且还会发霉。 3.3水玻璃水玻璃俗称泡花碱，是由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。建筑常用的为硅酸钠(Na2O·nSiO2)水溶液，又称钠水玻璃。要求高时也用硅酸钾(K2O·nSiO2)的水溶液，又称钾水玻璃。 3.3.1水玻璃的生产湿法：将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅（2～3个大气压）内用蒸汽加热，并加搅拌，使直接反应而成液体水玻璃。nSiO2＋2NaOH→Na2O·nSiO2＋H2O干法：是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉中于1300～1400℃高温下熔化，生产固体水玻璃，将固体水玻璃装进蒸压釜中，通入水蒸汽，使固体水玻璃溶解于水中，便获得液体水玻璃。 3.4.2水玻璃的硬化水玻璃在空气中吸收二氧化碳，析出二氧化硅凝胶，并逐渐干燥脱水成为氧化硅而硬化，其表达式为：Na2O·nSiO2+CO2+mH2O＝nSiO2·mH2O+Na2CO3由于空气中二氧化碳的浓度较低，为加速水玻璃的硬化，常加入氟硅酸钠(Na2SiF6)作为促硬剂，加速二氧化硅凝胶的析出。2（Na2O·nSiO2）+mH2O+Na2SiF6＝（2n+1）SiO2·mH2O+6NaF氟硅酸钠的适宜用量为水玻璃重的12～15％。 3.3.3水玻璃的性质耐酸性好。由于水玻璃硬化后的主要成分为二氧化硅，它可以抵抗除氢氟酸、氟硅酸以外的几乎所有的无机和有机酸。用于配制水玻璃耐酸混凝土、耐酸砂浆、耐酸胶泥等。耐热性好。硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降不大。用于配制水玻璃耐热混凝土、耐热砂浆、耐热胶泥。涂刷材料表面，提高抗风化能力：以密度为1.35g/cm3的水玻璃浸渍或涂刷粘土砖、水泥混凝土、硅酸盐混凝土、石材等多孔材料，可提高材料的密实度、强度、抗渗性、抗冻性、及耐水性等。Na2O·nSiO2+Ca(OH)2=Na2O·(n-1)SiO2+CaO·SiO2+H2O 3.4.4水玻璃的应用加固土壤：将水玻璃和氯化钙溶液交替压注到土壤中，生成的硅酸凝胶和硅酸钙凝胶可使土壤固结，从而避免了由于地下水渗透引起的土壤下沉。CaCl2+Na2O·nSiO2+mH2O=2NaCl+nSiO2·(m-1)H2O+Ca(OH)2配制水泥促凝剂配制碱矿渣水泥 配制速凝防水剂：水玻璃加两种、三种、或四种矾，即可配制成所谓的二矾、三矾、四矾速凝防水剂。修补砖墙裂缝：将水玻璃、粒化高炉矿渣粉、砂及氟硅酸钠按适当比例拌合后，直接压入砖墙裂缝，可起到粘结和补强作用。