土木工程材料第2版课2

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。
§2-2 建 筑 石 灰
2.2.1 石灰的生产、化学成分与品种
原料：石灰石、白垩等 （主要成份CaCO3） 生产：
CaCO3 900~1000 ℃ CaO（生石灰）＋CO2↑
次品
原因
缺点
欠火石灰
浆体变稠
完全干燥
长大
变稠
摩擦力 粘结力
石膏结构
硬化
晶体结构网 交错 晶体
交错进行的连续过程
失去可塑性
凝结
石膏凝结硬化示意图
（2）浆体性状变化
开始失去
完全失去
塑性
塑性
流动性
有部分
Hale Waihona Puke 具有强度可塑性可塑性
硬化浆体
应≥6min
应≤30min
加水
初凝
终凝
（3）硬化浆体结构特征 —— 多孔性
理论需水量(用于水化) 18.6% 多余水分蒸发 实际需水量(便于操作) 35~80% 内部留下孔隙
及适量的浸润剂混合制成浆料，在长网成型机上经铺浆、脱水而制成无纸 面的纤维石膏板。 • 抗弯强度和弹性模量都高于纸面石膏板。 • 纤维石膏板主要用作建筑物的内隔墙、吊顶以及预置石膏板复合墙板。
（4）石膏砌块 ➢ 石膏砌块有实心、空心和夹心砌块三种。
• 空心石膏砌块的石膏用量少，绝热性能好。
• 聚苯乙烯泡沫塑料为芯层可制成夹心石膏砌块。 由于泡沫塑料的导热系数小，因而达到相同绝热效果
表2-5 建筑生石灰的化学成分和含量及物理性质
(氧化钙+氧化镁) 氧化镁质量 二氧化碳质 三氧化硫质
质量分数(%) 分数(%) 量分数(%) 量分数(%)
(CaO+MgO)
(MgO)
(CO2)
(SO3)
产浆量/ (dm3/10kg)
细度
0.2mm筛余 90μm筛余
量(%)
量(%)
≥90 ≥85 ≥75 ≥85 ≥80
第2章 无机气硬性胶凝材料
第2章 无机气硬性胶凝材料
1. 胶凝材料定义:
凡能经过自身的物理化学作用后, 由可塑浆体变成坚硬石状 体，能把散粒或块状的物料胶结成一个整体的材料，统称为 胶凝材料 (Cementitious Materials) 。
物理化学作用
塑性浆体
坚强固体
（能胶结其它物料）
2. 胶凝材料作用
底层抹灰石膏的体积密度应不大于1000kg/m3。 ④抹灰石膏的强度要求
抹灰石膏的强度要求
产品类别 代号
抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 拉伸粘结强度/MPa
面层抹灰石膏 底层抹灰石膏 轻质底层抹灰石膏
F
B
L
3.0
2.0
1.0
6.0
4.0
2.5
0.5
0.4
0.3
保温层抹灰石膏 T 0.6 -
2. 建筑石膏制品 （1）纸面石膏板
氧化镁质量 分数(%) (MgO)
三氧化硫质 量分数(%)
(SO3)
游离水含量 (%)
细度
0.2mm筛余量 90μm筛余量
(%)
(%)
安定性
≥90
≥85
≤5
≤2
≥75
≤2
≤2
≤7
合格
≥85
>5
≤2
≥80
2.2.5 建筑石灰的应用
（1）建筑室内粉刷 （2）拌制建筑砂浆 （3）配制三合土和灰土 （4）加固含水的软土地基 （5）生产硅酸盐制品 （6）磨制生石灰粉 （7）制造静态破碎剂和膨胀剂
石膏品种 晶体特征 比表面积
α—型 尺寸较大
小
β—型
微细鳞片 状
大
需水量 （%） 35~45
60~80
强度 高 低
2.1.3 建筑石膏的主要技术性质与特性
（1）建筑石膏的技术性质
技术指标
产品等级
等级
抗折强度不小于/MPa
3.0
强度/MPa
抗压强度不小于/MPa
6.0
2.0
1.6
4.0
3.0
细度(%)
0.2mm方孔筛筛余不大 于/%
10
初凝时间不小于/min
3
凝结时间/min
终凝时间不大于/min
30
（2）建筑石膏的特性
1. 凝结硬化快 2. 硬化时体积微膨胀 3. 硬化后体积较大，表观密度和强度较低 4. 隔热、吸声性能好 5. 防火性能好 6. 具有一定调温、调湿性 7. 耐水性和抗冻性差 8. 加工性能好
≥26
—
—
≤5
≤4
≤2
—
≤2
≤7
≥26
—
—
≤5
≤7
≤2
—
≤2
≤7
≥26
—
—
≤5
≤12
≤2
—
≤2
≤7
—
—
>5
≤7
≤2
—
≤2
≤7
—
—
>5
≤7
≤2
—
≤7
≤2
（2）建筑消石灰的技术要求
名称
HCL 90 HCL 85 HCL 75 HML 85 HML 80
表2-6 建筑消石灰的化学成分和含量及物理性质
(氧化钙.氧化镁) 质量分数(%) (CaO+MgO)
普通纸面石膏板：可用作室内吊顶和内墙，
可钉在金属、木材或石膏龙骨上，也可直接粘贴 在砖墙上。
纸面石膏板 耐水纸面石膏板：主要用于厨房、卫生间等
潮湿场合。
耐火纸面石膏板 ：适用于耐火性能要求高的
室内隔墙、吊顶和装饰用板。
• 优点： ① 质轻，强度较高。 ② 尺寸稳定。 ③ 抗震型好。 ④ 自动调湿性好。 ⑤ 装饰方便。 ⑥ 占地面积少。 ⑦ 便于管道及电线等埋设。 ⑧ 施工简便，进度快。
硬化的特点： ◘ 结晶自里向表，碳化自表向里 ◘ 速度慢（通常需要几周的时间） ◘ 体积收缩大（容易产生收缩裂缝）
♦由此可见，石灰是一种硬化慢
、强度低的气硬性胶凝材料。
2.2.4 建筑石灰的特性与技术要求
1.建筑石灰的特性
（1）可塑性好，保水性好； （2）硬化缓慢：这是因为碳化作用主要发生在与空气接 触表面，且生成 CaCO3膜层较致密，阻碍了空气中CO2的渗 入，也阻碍了内部水分向外蒸发，因此硬化缓慢； （3）硬化后强度低：其原因是石灰消化时实际用水量比 理论用水量大得多，多余水在硬化后蒸发，留下空隙； （4）硬化时体积收缩大：因为硬化时大量水蒸发，导致 毛细管失水收缩； （5）耐水性差：因为 Ca(OH)2易溶于水。
可溶硬石膏 CaSO4Ⅲ
硬石膏 CaSO4Ⅱ
煅烧石膏CaSO4 和少量CaO
需水量（35％～45％）较β半水石膏（60 ％～80％）小，故硬化后为高强度石膏。
水化凝结较快，同时放出大量热，需水量 较β半水石膏高，强度较低。
400～500oC是难溶石膏， 500～750oC为不溶石膏。
不加激发剂也具有水化硬化能力，凝结较 慢，耐水性好，耐磨性高---无水石膏水泥 。
2. 建筑石灰的技术要求 建筑石灰的技术要求指标如下表
产品
技术 要求 指标
建筑生石灰 建筑消石灰
CaO+MgO 含量
MgO 含量
SO3含量 细度
CO2含量 游离水含量
产浆量
安定性
2. 建筑石灰的技术要求
（1）建筑生石灰的技术要求
名称
CL 90-Q CL 90-QP CL 85-Q CL 85-QP CL 75-Q CL 75-QP ML 85-Q ML 85-QP ML 80-Q ML 90-QP
1 2
H 2O
二水石膏在不同温度下的生成物及性质
煅烧温度 107～170oC （常压）
125oC (0.13MPa) 170～200oC
>400oC
>800oC
生成物
性质
β半水石膏 加水后生成CaSO4·2H2O，凝结硬化很快， CaSO4·1/2H2O 放出热量，体积略膨胀（0.5％～1％）
α半水石膏 CaSO4·1/2H2O
加水拌合 石灰膏
消石灰粉，主要成分为Ca(OH)2，又称“熟石灰粉”。
用于拌制石灰土、 三合土
陈伏
用于拌制石灰砌筑 砂浆或抹灰砂浆
2.2.3 石灰浆的硬化
塑性 干燥 Ca(OH)2 浆体 (空气中) 结晶析出
硬化 浆体
CO2+H2O (空气中碳化)
CaCO3
结晶析出
石灰的硬化
石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由以下两个同时进行的过程 来完成的： ①结晶作用（干燥硬化）：游离水分蒸发或被砌体吸收，
胶
散粒材料(砂、石等) 结
整
块状材料(砖、石块)
体
3. 胶凝材料分类
有机（如沥青和各种各种树脂）
无机
气硬性－只能在空气中硬化,并保持或继续提高强度。 （如 石膏、石灰、水玻璃等）
水硬性－不仅能在空气中硬化,而且能更好地在水中 硬化,并保持并继续提高强度的胶凝材料。
（如各种水泥）
分类的意义： 气硬性胶凝材料 ——耐水性差，只能用于干燥环境。 水硬性胶凝材料 ——耐水性好，可用于潮湿环境。
Ca(OH)2以结晶形态析出， 浆体逐渐失去塑性。 ②碳化作用（碳化硬化）：Ca(OH)2与空气中的CO2与水化合生 成CaCO3晶体，释出水分并被蒸发：
Ca(OH) 2 CO2 nH2O CaCO 3 (n 1)H2O
碳化作用实际上是二氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳 酸钙，所以这个作用不能在没有水分的全干状态下进行。
特点：石灰表面出现裂纹或玻 璃状的外壳，体积收缩明显， 颜色灰黑 熟化慢；硬化后体积膨胀，引 起鼓包和开裂
石灰的成品：
（1）生石灰
（2）生石灰粉 （3）消石灰粉 （4）石灰膏
CaO。 由块状生石灰磨细而成。
主要成分为Ca(OH)2，亦称熟石灰粉。 Ca(OH)2和水。
2.2.2 生石灰的水化
水化又称熟化 将生石灰加水，使之消解为熟(消)石灰
煅烧温度过低、时间不足、 有未分解、利
料块太大
用率低
过火石灰
煅烧温度过高、时间太长、 石灰烧结、
料块太小
活性降低
“欠火石灰”、“过火石灰”
煅烧温度过低 或时间不足、 原料尺寸过大
煅烧温度过高 或时间过长、 料块太小
欠火石灰
特点：外部为正常煅烧的石灰， 残留有未烧透的内核 石灰利用率低，粘结能力差
过火石灰
§2.1 建筑石膏
2.1.1 建筑石膏的原料与生产 二水石膏 （生石膏） CaSO4 2H2O
破碎
加热处理
磨细
Ca
SO4
1 2
H
2O
半水石膏 （熟石膏）
加热 处理
煅烧
(107~170℃，干燥)
普通建筑石膏
CaSO4
1 2
H 2O
方式
(124℃，0.13MPa，有液态水)
蒸炼
高强建筑石膏
CaSO4
消除危害方法： “陈伏”
为消除过火石灰的危害，生石灰熟化成的石灰浆应在储 灰坑中放置两周以上，使过火石灰充分熟化，这一过程称为 石灰的“陈伏”。
“陈伏”期间，灰浆表面应保有一层水分，隔绝空气，防止 发生碳化反应。
CaCO 3
900~1100℃
CaO CO 2
块状生石灰
磨细
加过量水消化
生石灰粉
加适量水消化、然后干燥
2.1.2 建筑石膏水化与硬化 （1）物理化学变化
半水石膏 (晶体)
溶解
二水石膏 (过饱和溶液)
水化 结晶
半水石膏 (饱和溶液) 促
进
二水石膏 (针状晶体)
半水石膏
溶解
平衡破坏
饱和溶液
水化
CaSO4
1 2
H
2O
1
1 2
H
2O
CaSO4
2H
2O
生成二水石膏用水
过饱和溶液
胶体微粒
溶解度小
析出
水化、蒸发
思考： 1. 三合土和灰土为什么能用于建筑物的基础、 路面或地面的垫层？
三合土和灰土在强力夯打之下，密实度大大提高，而且 可能是粘土中的少量活性氧化硅和活性氧化铝与石灰粉 水化产物Ca(OH)2作用，生成了水硬性矿物，因而具有 一定抗压强度、耐水性和相当高的抗渗能力。
2. 磨细生石灰不经陈伏可直接使用，为什么？
2.1.4 石膏应用
1. 抹灰石膏
定义：抹灰石膏是由半水石膏或由Ⅱ型CaSO4两者 混合后再掺入外加剂制成的气硬性胶凝材料。
• 分类： 面层抹灰石膏（F）
底层抹灰石膏（B） 轻质底层抹灰石膏（L） 保温层抹灰石膏（T）
• 技术要求： ① 细度以1.0mm和0.2mm筛的筛余百分比计， 面层粉刷石膏分别应不大于0%和40%。 ②初凝时间应不小于1h，终凝时间应不大于8h。 ③保温层抹灰石膏的体积密度应不大于500kg/m3，轻质
的砌块厚度可以减小，从而增加了建筑物的使用面积。
（5）装饰石膏制品
① 装饰石膏板 ② 嵌装式石膏板 ③ 艺术装饰石膏制品。
§2.2 建 筑 石 灰
石灰（Lime）是一种古老的建筑材料。由于其原料分布广、 生产工艺简单、成本低、使用方便，因此被广泛用于建筑工程。
例如：（石灰＋糯米汁＋桐油 ）组成最为经典、古老的 复合胶凝材料，被广泛用于：万里长城、明城墙、苏州古盘门 和古埃及金字塔等世界文化遗产。
（2）石膏空心条板 • 尺寸规格为：宽450~600mm，厚60~100mm，长2 700~3 000mm，孔
数7~9，孔洞率30%~40%。 • 生产时常加入纤维材料或轻质填料，以提高板的抗折强度和减轻自重。 • 这种板多用于民用住宅的分室墙。
（3）纤维石膏板 • 将玻璃纤维、纸筋或矿棉等纤维材料先在水中松解，然后与建筑石膏
——氢氧化钙的过程。
CaO＋H2O
Ca(OH)2＋64.9kJ
熟石灰
粉状－消石灰：只用少量水(约70％) (理论值为 31.2%)
浆状－石灰浆：加过量水(2.5～3倍)
• 特点：（1）反应可逆 （2）水化热大，水化速率快 （3）水化过程中体积增大
过烧石灰危害：
熟化缓慢，浆体硬化后仍在熟化，体积膨胀，导致硬化 浆体开裂。