第二章气硬性无机胶凝材料.

第二章气硬性无机胶凝材料
经过自身的一系列物理、化学作用，能由液体、固体（或半固体泥膏状）变为坚硬的固体，并能将松散物质粘结成整体的材料统称为胶凝材料。

这里所指的松散物质主要是指散粒状或块状材料。

胶凝材料的分类
根据胶凝材料的化学组成，一般可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。

有机胶凝材料以天然的或合成的有机高分子化合物为基本成分，常用的有沥青、各种合成树脂等。

无机胶凝材料则以无机化合物为基本成分，常用的有石膏、石灰、各种水泥。

无机胶凝材料按照硬化条件的不同，又可分为气硬性无机胶凝材料和水硬性无机胶凝材料。

气硬性无机胶凝材料：只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料。

常见如，石灰、石膏、菱苦土和水玻璃。

这类材料一般只适用在地上或干燥环境中，而不宜用于潮湿环境中，更不能用于水中。

水硬性无机胶凝材料：则不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，保持和继续发展其强度，如各品种水泥，它们既适用于地上，也适用于地下或水中工程。

本章主要介绍气硬性胶凝材料。

土木工程中常用的有：石膏、石灰、水玻璃、菱苦土。

第一节石膏
在建筑中应用石膏作胶凝材料和制品已经有很长的历史。

石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。

由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优良的性质，原料来源丰富、生产能耗低，因而在建筑工程中得到广泛应用。

目前，常用的石膏胶凝材料有：建筑石膏、高强石膏、无水石膏水泥、高温煅烧石膏等。

一、石膏来源
生产石膏胶凝材料的原料主要是天然二水石膏（CaSO4·2H2O），又称为软石膏或生石膏；天然无水石膏（CaSO4），又称天然硬石膏；含有二水石膏或二水石膏与天然无水石膏混合物的化工副产品。

天然二水石膏，是以二水硫酸钙为主要成分的矿石。

纯净的石膏呈无色透明或白色，但天然石膏常含有杂质而呈灰色、褐色、黄色、红色、黑色等颜色。

天然硬石膏质地较天然二水石膏硬，一般是白色，若有杂质则呈灰红色等颜色。

只可用于生产无水石膏水泥。

国家标准GB/T5483-1996中规定，天然二水石膏和无水石膏按矿物成分含量分级，分为特级、一级、二级、三级、四级，见表2-1所示。

除天然原料之外，也可用一些含有二水石膏或二水石膏与天然无水石膏混合物的化工副产品用作生产石膏胶凝材料的原料，常称之为化工石膏。

如磷石膏是制造磷酸和磷肥时的废料，硼石膏是生产硼酸时得到的废料，氟石膏是制造氟化氢时的副产品。

此外，还有盐石膏、芒石膏、钛石膏等等。

二、石膏胶凝材料的制备
生产石膏胶凝材料的主要工艺流程是破碎、加热和磨细。

由于加热方式和加热温度的不同，可以得到具有不同性质的石膏产品。

先简述如下：
将天然二水石膏在常压下加热，随着温度的升高，将发生如下反应：
温度至65℃--75℃时，CaSO4·2H2O开始脱水，在107--170℃时成为β型半水石膏CaSO4·1/2H2O（即建筑石膏，又称熟石膏），反应式为：
42422112122
CaSO H O CaSO H O H O ∙→∙+
加热方式一般是在炉窑中进行煅烧。

若在具有0.13MPa ，124℃过饱和蒸汽条件下的蒸压釜中蒸炼，得到的是α型半水石膏（高强石膏），它比β型半水石膏晶体要粗，调制成可塑性浆体的需水量少。

当加热到170℃--200℃时，石膏继续脱水，半水石膏变为结构基本相同的脱水型半水石膏，而后成为可溶性硬石膏，他与水调和后仍能很快凝结硬化；当温度升至200--250℃时，石膏中只残留很少的水分，凝结硬化非常缓慢；当温度超过400℃时，完全失去水分，形成不溶性石膏，失去凝结硬化能力，也称为死烧石膏，它难溶于水；温度继续升高超过800℃时，部分石膏分解出氧化钙，起到催化剂作用，使产物又具有凝结硬化的能力，这种产品称煅烧石膏（过烧石膏）；当温度超过1600℃时，全部分解为石灰。

在土木建筑工程中，应用的石膏胶凝材料主要是建筑石膏。

建筑石膏是将熟石膏磨细而成的白色粉末，密度2.60--2.75g/cm3，堆积密度800-1000 kg/cm3。

根据GB9776-88规定，生产建筑石膏用的二水石膏，应符合表2-1中A 型3级及3级以上的要求。

三、建筑石膏的凝结硬化过程
建筑石膏遇水时，将重新水化成二水石膏：
42242111222
CaSO H O H O CaSO H O ∙+→∙ 建筑石膏与适量的水拌和后，最初成为可塑的浆体，经过一段时间反应后，将很快失去塑性，这个过程称为凝结；以后迅速产生强度，并发展成为坚硬的固体，这个过程称为硬化。

石膏的凝结是一个连续的溶解、水化、胶化、结晶过程。

（详细解释建筑石膏的凝结硬化过程）半水石膏极易溶于水（溶解度达
8.5g/L ），加水后，溶液很快即达到饱和状态，并生成溶解度低的二水石膏（溶解度达2.05g/L ）。

由于二水石膏在水中的溶解度仅为半水石膏溶解度的1/5左右，所以半水石膏的饱和溶液对二水石膏来说，就成了过饱和溶液，因此，二水石膏从过饱和溶液中以胶体微粒析出，这样促进了半水石膏的不断溶解和水化，直到半水石膏完全溶解。

在这个过程中，浆体中的游离水分逐渐减少，二水石膏胶体微粒不断增加，浆体稠度增大，可塑性逐渐降低，这个过程称之为“凝结”。

随着浆体继续变稠，胶体微粒逐渐凝聚称为晶体，晶体逐渐长大、共生并相互交错，使浆体产生强度，并不断增长，这个过程称为“硬化”。

实际上，石膏的凝结和硬化是一个连续的、复杂的物理化学过程。

图2-1为建筑石膏的凝结硬化示意图。

四、建筑石膏的技术性质
建筑石膏的技术性质包括以下几个方面：
1、凝结硬化速度快。

建筑石膏的凝结时间随煅烧温度、磨细程度和杂质含量等情况的不同而不同。

一般与水拌合后，在常温下数分钟即可初凝，30分钟以内即可达到终凝。

这对于普通工程施工操作十分方便。

有时需要操作时间较长，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸盐酒精废液等，以降低半水石膏的溶解度和溶解速度。

若要加速建筑石膏的凝结，则可掺入促凝剂，如：氯化钠、氯化镁、硫酸钠、硫酸镁和硅氟酸钠等。

在室内自然干燥状态下，达到完全硬化约需一周时间。

2、凝结时体积产生微膨胀
建筑石膏凝结硬化是石膏吸收结晶水后的结晶过程，其体积不仅不会收缩，而且还稍有膨胀（0.2%~1.5%），这种膨胀不会对石膏造成危害，还能使石膏的
表面较为光滑饱满，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥时的开裂。

3、硬化后的表观密度与强度（多孔，重量轻，但强度低）
建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，常加入的水分要比水化所需的水量多。

建筑石膏的水化，理论需水量只占半水石膏重量的18.6%，但是实际上为使石膏浆体具有一定的可塑性，往往需要加水60—80%，多余的水分在硬化过程中逐渐蒸发，是硬化后的石膏留有大量的孔隙，一般的孔隙率约为50—60%。

因此，建筑石膏硬化后，强度较低，表观密度较小。

通常石膏硬化后的表观密度约为８00kg／ｍ3～1000 kg／ｍ3，抗压强度约为３ＭPa～5ＭPa。

4、防火性能
硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，在表面蒸发形成水蒸气幕和脱水物隔热层，可有效地阻止火势的蔓延和温度升高，并且无有害气体产生，所以石膏具有良好的防火效果。

5、隔热、吸声、“呼吸”作用（调温调湿作用和吸声作用）
石膏硬化体中大量的微孔，使其传热性显著下降，因此具有良好的绝热能力；石膏的大量微孔，特别是表面微孔，使其对声音传导或反射的能力也显著下降，因此具有较强的吸声能力。

大热容量和大的孔隙率及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。

6、耐水性、抗冻性和耐热性
建筑石膏硬化后，具有很强的吸湿性和吸水性，在潮湿环境中，晶体间的粘结力消弱，强度明显降低，在水中晶体还会溶解而引起破坏，在流动的水中破坏更快，硬化石膏的软化系数约为0.2-0.3；若石膏吸水后受冻，则孔隙中的水分结冰，产生体积膨胀，使硬化后的石膏体破坏。

所以，石膏的耐水性和抗冻性均差。

此外，若在温度过高的环境中使用（超过65），二水石膏会脱水分解，造成强度降低。

因此，建筑石膏不宜用于潮湿和温度过高的环境中。

在建筑石膏中掺入一定量的水泥或其他含有活性二氧化硅、三氧化二铝和氧化钙的材料，如：粒状高炉矿渣、石灰、粉煤灰，或掺有有机防水剂等，可不同程度地改善建筑石膏制品的耐水性。

7、储存及保质期
建筑石膏在贮存运输的过程中，应防止受潮及混入杂物，不同等级的建筑石
膏应分别贮运，不得混杂，一般贮存期为3个月，超过3个月，强度将降低30%左右。

超过贮存期限的石膏要重新进行质量检验，以确定其等级。

8、良好的装饰性和可加工性
石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。

微孔结构使其脆性有所改善，硬度也较低，所以硬化石膏可锯、可刨、可钉。

具有良好的可加工性。

9、技术标准
根据GB9776-1988的规定，建筑石膏按强度、细度和凝结时间指标分为优等品、一等品和合格品。

具体技术要求见教材P24表2-2。

其中，抗折强度和抗压强度为试样与水接触后2h测得的。

建筑石膏按产品名称、抗折强度和标准号的顺序进行产品标记，例如：抗折强度为2.5MPa的建筑石膏表示为：“建筑石膏2.5GB9776”
五、建筑石膏的应用
建筑石膏具有许多优良的性能，在建筑中的应用十分广泛，一般制成石膏抹面灰浆作内墙装饰，可用来制作各种石膏板、各种建筑艺术配件及建筑装饰，彩色石膏制品等。

另外，石膏作为重要的外加剂，广泛地应用于水泥、水泥制品及硅酸盐制品。

下面择要做些介绍。

•室内抹灰与粉刷
•生产建筑石膏制品
•生产水泥时作为缓凝剂加入水泥中
（结合建筑石膏的技术性质和物理性质讲）
1、制备粉刷石膏
建筑石膏硬化时不收缩，故使用时可以不掺入填料，直接做成抹面砂浆，也可以与石灰、砂等填料混合使用，制成内墙抹面灰浆或砂浆。

2、石膏板材
目前，应用较多的是在建筑石膏中掺入填料，加工后制成具有不同功能的复合石膏板材。

石膏板具有轻质、保温绝热、吸声、不燃和可锯可钉等性能，还可调解室内温湿度，而且原料来源广泛、工艺简单、成本低，是一种良好的建筑功能材料，也是目前着重发展的轻质板材之一。

为了减轻自重、降低导热性，生产石膏板时，常掺加锯末、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、陶粒、煤渣等轻质多孔填料，或者掺加泡沫剂、加气剂等外加剂；若掺入纸筋、麻丝、芦苇、石棉及玻璃纤维等纤维状填料，或在石膏板表面粘贴纸板等材料，可提高石膏板的抗折强度和减少脆性；若加入无机耐火纤维，还可同时提高石膏板的耐火性能。

石膏的耐水性较差，为了改善其板材的耐水性能，可如前述掺入水泥、粒化高炉矿渣。

石灰。

粉煤灰或有机防水剂，也可同时在石膏板表面采用耐水护面纸或防水高分子材料面层，这样的石膏板就可用于厨房、卫生间等潮湿场所。

另外，通过调整石膏板的厚度、孔眼大小、孔距、空气层厚度，可制成适应不同频率的吸声板。

在石膏板表面贴上不同的贴面，如木纹纸、铝箔等，可起到一定的装饰等作用。

石膏板具有长期徐变的性质，在潮湿的环境中更严重，所以不宜用于承重结构。

目前，我国生产的石膏板类型主要有纸面石膏板、空心石膏板、纤维石膏板和装饰石膏板。

主要用作室内墙体、墙面装饰和吊顶。

3、装饰制品
建筑石膏配以纤维增强材料、胶粘剂等还可制成石膏角线、线板、角花、灯圈、罗马柱雕塑等艺术装饰石膏制品。

六、其他品种石膏胶凝材料
1、高强度石膏
高强度石膏的主要成分是α型半水石膏，因将其调成可塑性浆体的需水量比建筑石膏（β型半水石膏）少一半左右，所以硬化后具有较高的密实度和强度。

一般情况下，3h抗压强度可达9~24MPa，7d可达15~40 MPa。

高强度石膏主要适用于强度要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。

掺入防水剂可制成高强度耐水石膏，可用于较潮湿的环境中。

2、硬石膏水泥
由于天然硬石膏或天然二水石膏加热至400~750℃，石膏将完全失去水分，成为不可溶性硬石膏，失去凝结硬化能力，此时加入适量的激发剂---硫酸盐激发剂，如5%硫酸钠或硫酸氢钠与1%铁帆或铜矾的混合物；或加入适量的碱性激
发剂，如1%~5%石灰或石灰与少量半水石膏混合物、煅烧白云石、碱性粒化高炉矿渣等，可使其又恢复胶凝性。

硬石膏水泥属于气硬性胶凝材料，与建筑石膏相比，凝结速度较慢，调成一定稠度的浆体，需水量较少，硬化后孔隙率较小。

它宜用于室内，主要用作石膏板和石膏建筑制品，也可作抹面灰浆，具有良好的耐火性和抵抗酸碱侵蚀的能力。

3、石膏地板
第二节石灰
石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。

石灰的原料分布很广，生产工艺简单、成本低廉，在土木工程中应用也非常广泛。

工程中常用的石灰制品有磨细生石灰粉、消石灰粉和石灰膏。

一、石灰的原材料
生产石灰的主要原材料是以碳酸钙为主要成分的天然岩石，最常用的原材料是石灰石，另外还有白云石、白垩、贝壳等。

石灰的原材料中常含有部分粘土杂质，一般要求原材料中的粘土杂质不超过8%。

石灰的另一来源是化工副产品。

如：用碳化钙制取乙炔时产生的电石渣，其主要成分是氢氧化钙，既消石灰（或称熟石灰）；或者用氨碱法制碱所得到的残渣，其主要成分是碳酸钙。

等等。

二、石灰的制备（生产工艺—煅烧）
石灰石在适当的温度下经过煅烧，碳酸钙将分解，释放出二氧化碳，得到以氧化钙CaO为主要成分的生石灰。

得到块状生石灰（白色或灰色的）：
为了加速分解过程，煅烧温度常提高至1000-1100℃左右。

生石灰的分类
在生产石灰的原料中，常含有碳酸镁，经煅烧，分解为氧化镁；按照氧化镁的含量多少，石灰分为钙质石灰和镁制石灰两类。

《建筑生石灰》（JC/T479-92）规定，生石灰中氧化镁含量≤5%时，称为钙质石灰，氧化镁含量大于5%时，称为镁制石灰。

将煅烧成的块状石灰经过不同的加工，可得到工程中常用的生石灰粉、消石灰粉和石灰膏。

其中，生石灰粉是将块状石灰磨细而成的，消石灰粉和石灰粉则是生石灰加水消解而成的。

三、生石灰的熟化
工地上在使用石灰前，要先将生石灰加水，使之消解为熟石灰，这个过程称为石灰的“熟化”。

熟石灰的主要成分是氢氧化钙。

其反应式如下：
CaO + H2O == Ca（OH）2 + 64.9kj
石灰的熟化为放热反应，熟化时体积增大1--2.5倍。

按用途，石灰熟化的方法有两种：
1、石灰膏法---将生石灰熟化成石灰膏。

生石灰在化灰池中熟化成石灰浆后，通过筛网流入储灰坑中，石灰浆在储灰坑中沉淀并除去上层水分后称为石灰膏。

石灰膏常用于拌制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆。

根据煅烧程度的不同，生石灰中常产生欠火石灰、过火石灰。

欠火石灰降低了石灰的利用率；过火石灰颜色较深，密度较大，表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包裹，熟化很慢。

在工程的实际应用中，当石灰已经硬化之后，其中的过火颗粒才开始熟化、体积膨胀，引起局部隆起和开裂而影响工程质量。

为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰池中“陈伏”两个星期以上，陈
伏期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免石灰碳化。

2、消石灰粉法---生石灰熟化成消石灰粉。

生石灰熟化成消石灰粉时，理论上需水32.1%，由于一部分水分需消耗于蒸发，实际加水量常为生石灰重量的60%--80%,应以生石灰能充分消解而又不致于过湿成团。

工地上常采用分层喷淋浇水法进行消化。

按照建材行业标准JC/T481-92《建筑消石灰粉》规定：氧化镁含量≤4%时，称为钙质消石灰粉，氧化镁含量大于4%时，称为镁质消石灰粉。

消石灰粉在使用前，也有类似石灰浆的“陈伏”期。

四、石灰的硬化
石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由以下以下两个同时进行的过程完成的：
（1）结晶作用-----石灰浆在使用过程中，游离水逐渐蒸发和被砌体吸收，形成过饱和溶液，氢氧化钙逐渐结晶析出，晶体互相交叉连生，从而提高强度；
（2） 碳化作用-----氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释放出水分并被蒸发。

形成CaCO3晶体，使石灰浆体结构致密，强度提高。

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。

由于空气中的二氧化碳含量少，碳化作用在长时间内只限于与空气接触的表层。

表层所生成的碳酸钙膜层很致密，即阻碍了空气中二氧化碳进一步的渗入，也阻碍了内部的水分向外蒸发，使氢氧化钙的结晶作用也进行得较慢。

随着时间的推移，表层碳酸钙的厚度逐渐增加，阻碍作用更大。

石灰浆体硬化后，在相当长的时间里，仍然是表层碳酸钙，内部是氢氧化钙。

是有表里两种不同的晶体组成的。

石灰硬化是个相当缓慢的过程。

五、石灰的技术性质（具体内容念）
1.可塑性好；
22232()(1)Ca OH CO nH O CaCO n H O
++−−−→++碳化
2.生石灰吸湿性强，保水性好；
3.凝结硬化慢、强度低；
4.硬化后体积收缩大，易开裂；
5.耐水性差。

1、可塑性和保水性（1.可塑性好））
生石灰熟化成石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径为1μm左右）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。

这水膜可以降低颗粒之间的摩擦，因此具有良好的可塑性，易摊铺成均匀的薄层。

在水泥砂浆中加入石灰，可显著提高砂浆的可塑性和保水性。

2、硬化及其硬化后的特性
硬化过程缓慢、硬化后的强度也不高。

（凝结硬化慢、强度低）1：3的石灰砂浆28天抗压强度通常只有0.2-0.5MPa。

耐水性差（.耐水性差）。

不宜在长期潮湿环境中或有水的环境中使用，也不宜单独用于建筑物基础。

硬化过程中所产生的氢氧化钙晶体易溶于水，所以在潮湿环境中强度会更低，遇水还会溶解溃散。

体积收缩大，易出现干缩裂缝（硬化后体积收缩大，易开裂）。

石灰在硬化过程中，要蒸发掉大量的水分，引起体积显著收缩，易出现干缩裂缝。

所以，除调成石灰乳作薄层粉刷外，不宜单独使用，一般要掺入其他材料混合使用。

如：砂、纸筋、麻刀等以减少收缩和节约石灰。

3、存储与运输（吸湿性强）
生石灰在空气中放置时间过长，会吸收水分而熟化成消石灰粉，再与空气中的二氧化碳作用还原为失去胶凝能力的碳酸钙粉末，而且熟化时要放出大量的热，并产生体积膨胀，所以生石灰在贮存和运输过程中，要防止受潮，并不宜长期贮存，运输时不准与易燃易爆和液体物品混装，并要采取防水措施，注意安全。

最好到工地或处理现场后马上进行熟化和陈伏，将贮存期变成陈伏期。

4、技术标准
建筑工程所使用的石灰，分成三个品种：建筑生石灰、建筑生石灰粉和
建筑消石灰粉。

根据行业标准可以将其各分成三个等级。

六、石灰的应用
•配制石灰砂浆和石灰乳；
•配制三合土和灰土；
•制作碳化石灰板；
•生产硅酸盐制品；
•生产无熟料水泥。

1、配制砂浆
石灰膏或消石灰粉可以单独或与水泥一起配制成石灰砂浆或混合砂浆，可用于墙体砌筑或抹面工程；也可掺入纸筋、麻刀等制成石灰浆，用于内墙或顶棚抹面。

2、拌制石灰土和三合土
石灰与粘土按一定比例拌合，可制成石灰土，或与粘土、砂石、炉渣等填料制成三合土。

经过夯实，可增加密实度，而且粘土颗粒表面的少量活性二氧化硅和三氧化二铝，与氢氧化钙发生反应，生成不溶性的水化硅酸钙与水化铝酸钙，将粘土颗粒胶结起来，提高了粘土的强度和耐水性。

石灰土与三合土主要用于道路工程的基层、底基层和垫层、建筑物的地基基础，等等。

为了方便石灰与粘土的拌合，宜采用生石灰粉或消石灰粉，生石灰粉的应用效果会更好些。

生石灰粉也称为磨细生石灰，加入适量的水（一般是生石灰粉重量的100%--150%）进行调和，可使熟化与硬化成为一个连续的过程。

因生石灰粉熟化较快，且用水量相对较少，所以熟化所形成的氢氧化钙溶液迅速饱和，氢氧化钙晶体析出，浆体进入凝结硬化过程，而熟化产生的热量又可加速硬化过程的进行，硬化速度明显加快30-50倍，硬化后的浆体较为密实，强度和耐久性均有提高。

另外，生石灰中的欠火和过火石灰在加工磨细过程中，也被磨成了细粉，提高了石灰的利用率，同时也克服了过火石灰引起的体积不安定的危害作用。

生石灰在使用过程中，一般要严格控制加水量和凝结时间，这给在工地上使用带来一定的难度，故拌制砂浆仍使用石灰膏或消石灰粉。

3、生产硅酸盐制品
石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀，加水搅拌, 经压振或压制，形成硅酸盐制品。

为使其获早期强度，往往采用高温高压养护或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度显著加快，使制品产生较高的早期强度。

如灰砂砖、硅酸盐砖、硅酸盐混凝土制品等。

4、生产碳化石灰板
三、菱苦土的技术性质
吸湿性强，耐水性差。

氯化镁的用量要严格控制。

碱性较弱，不会腐蚀纤维体，而且与植物纤维粘结良好。

四、菱苦土的应用
生产木屑地板、木丝板、刨花板等。

菱苦土板材用于机械包装材料，可以节约大量木材。

只能用于干燥状态下，而不能受潮、遇水或酸性介质侵蚀的部位。

菱苦土在使用过程中，常用氯化镁溶液调制，其中的氯离子对钢筋有锈蚀作用，所以，其制品中不宜配置钢筋。