无机建筑材料 第二章气硬性无机胶凝材料

学习要求—三问？

胶凝材料凝结硬化机理及其影响因素是什么 (What)？ 土木工程对胶凝材料有哪些性能要求 (Which)？ 怎样正确选择和使用胶凝材料(How)？
2.1
Plaster

石 膏
古老的胶凝材料； 具有质轻、强度较高、绝热、防火、质地细腻 美观－优良的装饰材料； 易于加工、成品多样－各类石膏线； 资源丰富、分布广、储量大； 理想的高效节能材料－重点发展的新型材料。
CaSO42H2O
120~180C 干燥空气 -CaSO40.5H2O 200~360C -CaSO4(Ⅲ)可溶 400~800C
密闭蒸炼工艺及其产品组成
非密闭煅烧工艺及其产品组成
各类石膏的特点

建筑石膏－又称熟石膏，晶体较细，需水量较大
（80～100％） ，因而强度较低。 高强石膏－晶粒粗大，需水量小（35～45％），强度 高。高级室内抹灰、石膏线、石膏板等
防火纸面石膏板

是指这种板材在发生着火时，在一定长的时间 内保持结构完整（在建筑结构里）， 从而起 到阻隔火焰蔓延的作用。该板在生产过程中加 入玻璃纤维和其它添加剂，能够有效地在遇火 时起到增强板材完整性的作用。
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。
24％ 的 硬 化 石 膏 的 晶 体 较 细 加 水 量 加 水 量 50 ％的硬化石膏的晶体较粗

石膏浆体的用水量 外加剂 细度


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 时间(s) 檬酸)可以延缓凝结硬化
硫酸钾可以促进石膏浆体的凝结硬化(曲线a)， 细度越细，凝结硬化越快。 而柠檬酸可以使石膏浆体缓凝(曲线 b)

随化 着初 水期 化： 反二 应水 进石 行膏 二晶 水体 石较 膏少 晶体量增 水
石膏硬化体中晶体堆积体
二水石膏晶体 孔隙 水 石膏浆体 石膏胶体
凝结硬化的物理化学 过程
半水石膏颗粒
石膏硬化体
半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子 水化成二水石膏晶体。
所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须 防潮、防水，以免失效！
(水)化灰池 陈伏
水喷淋
消(熟) 石 灰粉
浓缩
石灰浆
石灰膏
减轻或消除过火石灰的危害
四、石灰的硬化
氢氧化钙晶体

碳酸钙晶体
结晶作用

生石灰或熟石灰＋水成为Ca(OH)2浆体； 水分损失 浆体中游离水的不断损失，导致 Ca(OH)2结晶； 碳化 晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网—硬化。
三、生石灰的熟化

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反应式：
CaO H 2O Ca(OH ) 2 64.9kJ

依加水的多少，消化后的状态有
– – –
生石灰粉 消石灰粉 石灰膏
制备工艺与产品
煅烧温度较低，时间较短时， 欠火石灰 煅烧温度较高，时间较长时， 过火石灰 石灰石
1000～1200C
生石 灰粉
磨细
生石灰
隔热、吸声性良好； 防火性能良好； 具有一定的调温调湿 性； 耐水性和抗冻性差； 加工性能好。
Construction Materials
学会分析、思考和回答问题！
1. 石膏硬化体的表观密度小，孔隙率大，Why？
答：半水石膏需加水60～80％，才能使浆体达到成型所需可塑性；而半 水石膏全部水化成二水石膏只需18.6％的水量；即，有40~60％多的水不 能参与反应，硬化后多余水分的挥发留下大量孔隙。
–
–
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。 建筑石膏一般不宜在潮湿和温度过高的环境中使用。欲提高 其耐水性，可于建筑石膏中掺入一定量的水泥或其它含活性 SiO2、Al2O3及CaO的材料。如粉煤灰、石灰。掺入有机防 水剂亦可改善石膏制品的耐水性。
石膏应用的历史

9000年前，叙利亚和土耳其的安那托力亚就有古迹； 5000年前，埃及人就在敞开的火炉中煅烧石膏，然后破碎磨成粉末，再 与水拌和制得用于金字塔建造中石块得粘结材料——灰浆； 372-287 BC，古希腊人采用天然透明石膏（亚硒酸石膏）做神庙的窗 户； 古罗马人用石膏浇注了成千上万座古希腊雕塑。 十七世纪，法国巴黎的木质房的所有墙壁均用石膏灰浆（plaster）覆 盖，以提高防火性能，因而，法国巴黎有“石膏的首都（capital of plaster）之称。 石膏灰浆又称为“Plaster of Paris”它是半水硫酸钙(CaSO4½ H2O)，二 水硫酸钙 (CaSO42H2O)称为 gypsum

过火石灰和欠火石灰


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，降低 了石灰的利用率； 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，使得石灰硬化后它仍继续熟化而产生体 积膨胀，引起局部隆起和开裂。
可溶性石膏－需水量大，凝结很快，强度低，不宜直
接使用。
不溶性硬石膏－难溶于水，生产无水石膏水泥。 高温煅烧石膏－常温不存在。
三、建筑石膏的凝结硬化

凝结硬化过程中的水化反应：
CaSO4· 0.5H2O ＋1.5H2O CaSO4·2H2O＋Q
即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应

-型半水石膏
125~180C 水蒸气 400~800C
可溶无水石膏
不溶无水石膏
CaSO42H2O
200~360C
不溶无水石膏
CaSO4(Ⅱ)
800~1180C
CaSO4与CaO
地板石膏
生产工艺与产品的组成
125~180C 水蒸气 -CaSO40.5H2O 200~360C -CaSO4(Ⅲ)可溶 400~800C CaSO4(Ⅱ)不溶 800~1180C CaSO4(Ⅰ)不溶＋CaO
二水石膏晶体解理面
4、如何改善石膏制品的耐水性 How?
答：降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处理，以减小 吸水率； 掺加其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，阻止水分 子对晶体颗粒间的削弱作用。
调湿作用 学会分析、思考和回答问题！
5、为什么石膏制品的防火性好Why?
答：石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有两个结晶水 分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸发吸收和带走热 量；硫酸钙分子的分解温度很高，因此，在高温下，主要发生脱水和 红线条表示室 烧结。 内湿度变化
2、孔隙率较大在应用上，有哪些优点和缺点Which？
答：优点—保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、天花板、 墙面粉刷砂浆等。 缺点—强度低、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构材料，不宜 用于潮湿环境等。
学会分析、思考和回答问题！
3. 为什么石膏制品的耐水性差Why？
答：石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明显的解理 面，层间和晶体颗粒间是较弱的氢键结合，因此，水分子进入，降低 了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导致强度下降；其软化系数只有 0.30~0.45； 另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品长期在水中 的强度将更低 。 石膏的孔隙率大，更加促进上述作用
2.2 石 灰 lime
一、石灰的原材料 原料：石灰石、白云质石灰石或其他含碳酸钙为主的 天然原料。 还可以是某些工业副产品。如： CaC2＋2H2O＝C2H2↑＋Ca（OH）2
二、石灰的生产

反应式：
生石灰
900C CaCO3 CaO CO2 600C MgO CO2 MgCO3 制备工艺： 岩石→破碎→煅烧→粉磨(消解)
胶凝材料的种类

按其化学组成：

有机胶凝材料：沥青、树脂等。 无机胶凝材料：水泥、石膏、石灰等。 复合胶凝材料：牙齿水泥、酸－碱水泥。 气硬性胶凝材料 石膏、石灰等； 水硬性胶凝材料 各种水泥等。

按其硬化条件：

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 气中保持和发展其强度； 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！
五、建筑石膏的应用

建筑石膏是一种很好的绿色建材！ 各种墙板 应用中扬长避短，正确应用！ 建筑上的主要应用有：

建筑石膏制品：

各种板材：墙板、天花板等 艺术装饰品 墙面粉刷 雕饰

粉刷石膏：

德国一所教堂的外墙面雕饰 室内墙面和天花板的雕饰
纸面石膏板的生产工艺流程
纸面石膏板生产线
第二章 气硬性无机胶凝材料
胶凝材料－cementing material
胶凝材料


定义－凡能在物理、化学作用下，从浆体变为 坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定 机械强度的物质。 特征：
– – – –
严格意义上胶凝材料应指浆体； 能在常温下凝结硬化为固体； 有较强的胶结能力； 具有一定的使用性能。
半膏 水石 全 部 水 化子 成二 石 膏 石 颗膏 粒 表 面 分 首水 先 水 化 颗粒表 面 二 水 石 膏晶体 不 断 增 多
石膏凝结硬化的影响因素

石膏的组成
凝结硬化速度的排序： 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 用水量越大，石膏晶体 颗粒越大；凝结硬化所需 时间增加
四、建筑石膏的技术性质

建筑石膏的技术性质
– –

硬化时体积微膨胀； 硬化后孔隙率较大，表观 密度和强度较低；

建筑石膏的技术要求 (GB9776－88)：

密度：2.50~2.70; 强度：抗折强度、抗压强 度; 细度：0.2mm方孔筛筛余; 凝结时间：初凝、终凝时 间
-半水石膏 随着煅烧温度升高：

不溶无水石膏
可溶无水石膏
120~180C 二水石膏转变为-型半水石膏 -型转变可溶性无水石膏 500~750C CaSO42H2O 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 400~500 C
200~360C
难溶无水石膏
密闭蒸练工艺及其产品：
6、进一步思考的问题:
警察在勘察犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？ 试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？ 蓝线条表示室 如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？ 外湿度变化
石膏饰条粘贴失效

①
②
某工人用建筑石膏粉拌水，拌成一桶石膏浆，用以在 光滑的天花板上直接粘贴石膏饰条，前后半小时完 工。几天后最后粘贴的两条石膏饰条突然坠落，请分 析原因。 建筑石膏拌水后一般于数分钟至半小时左右凝结，后 来粘贴石膏饰条的石膏浆已初凝，粘结性能差。可掺 入缓凝剂，延长凝结时间；或者分多次配制石膏浆， 即配即用。 在光滑的天花板上直接贴石膏条，粘贴难以牢固，宜 对表面予以打刮，以利粘贴。或者，在粘结的石膏浆 中掺入部分粘结性强的粘结剂。
半水石膏晶体形貌
天然石膏矿纤维状晶体
我国石膏矿分布非常广泛
二、石膏胶凝材料的生产

生产工序：
原料(破碎) 脱水 磨细

生产(脱水)的工艺：
非密闭煅烧(干燥空气中)： 密闭蒸练(湿的水蒸气)：


不同工艺得到不同组成的石膏胶凝材料
石膏生产流程图
废气排放 原料入口
熟石膏
产品
高强石膏
非密闭煅烧脱水工艺及其产品
半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水 凝结硬化机理——“溶解－沉淀理论” 石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不断 溶解 溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液

沉淀 硬化
半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏 是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。 二水石膏晶体不断生长、连生、交 错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网



一、石膏的组成与结构
石膏的矿物组成： CaSO4·xH2O x＝2，生石膏 (二水石膏)
X为结晶水H2O
x＝0，硬石膏 (无水石膏)
x＝0.5 ，熟石膏(半水石膏)

石膏胶凝材料(Gypsum binder )的组成： CaSO4· 0.5H2O或CaSO4 。

石膏是晶体结构
二水石膏晶体形貌