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第4章 气硬性胶凝材料
本章内容
第一节 石灰
第二节 石膏
第三节 水玻璃
胶凝材料：在土木工程材料中，凡是经过一系列的物理、化学作用，能将散粒状或块状材料粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。
胶凝材料
有机胶凝材料
如沥青、树脂等
无机胶凝材料
气硬性胶凝材料
水硬性胶凝材料
如石膏、石灰、
菱苦土、水玻璃
各种水泥
气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，且只能在空气中保材或发展其强度。
水硬性不仅在空气中，而且能更好的在水中硬化，并保持、发展其强度。
石灰
水泥
第一节 石灰
石灰的早期发现与应用
考古学家认为，石灰石烧成石灰是偶然发现。其中有些石块受热失去强度，遇水后裂为白色粉末（应用生石灰却需要一定知识才行）。
石灰石——埃及的齐阿普斯金字塔；希腊人雕刻石像等。
石灰稳定地基——罗马人修筑道路，中国建造的西藏佛教塔和万里长城都已加以应用。
一、石灰的生产工艺
石灰是由富含碳酸钙的岩石(如石灰石、白云石、白垩等)为主，亦可应用含有氧化钙和部分氧化镁的岩石，经过煅烧，逸出二氧化碳气体后得到的块状材料。
化工副产品主要有电石渣(消化电石而得)等:
块状
生石灰
熟石灰
煅烧石灰石
(内含CaCO3)
温度在900℃左右时
温度过高时
温度过低时
正火石灰
欠火石灰
过火石灰
二、石灰的消化和硬化
石灰的消化
烧制成的生石灰，在使用时必须加水使其“消化”成为“消石灰”，这一过程亦称“熟化”，故消石灰亦称“熟石灰” 。
目的：使生石灰具有粘性和塑性。
特点：①放热和膨胀（1～2.5倍）
②理论加水<实际加水量(24.3%<70%)
熟化方法
根据熟化时加水量的不同，石灰的方式分为两种。
1、熟化为熟石灰粉：
将生石灰块分层淋适量的水，使石灰充分熟化，又不会过湿成团，此时得到的产品就是熟石灰粉。
2、熟化为石灰膏：
将生石灰放入化灰池中，加大量的水，熟化成石灰膏。
为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，这一过程称为石灰的“陈伏”。石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。
严格控制加水量和加水速度
不同品质的石灰熟化速度不同：
活泼性大的石灰：加水要快，水量充足，并加速搅拌散热，否则已消化的石灰颗粒包围于未消化颗粒周围，使内部石灰不易消化，称为“过烧”现象；
活泼性小的石灰：加水要慢，水量少，如加水过快，则发热量少，水温过低，增加了未消化颗粒，称为“过冷”现象。
石灰的硬化
石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的：
石灰浆的干燥硬化（结晶作用）
滞流在孔隙自由水蒸发或被周围砌体吸收，使石灰粒子密实，蒸发后使Ca(OH)2溶液饱和，析出结晶，数量少，强度不高（缓慢）
石灰浆的碳化（碳化作用）
氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙晶体。只有在有水的条件下才能进行。
结晶和碳化两个过程同时进行，但极为缓慢。碳化过程长时间只限于表面，结晶过程主要在内部发生。
由于空气中CO2含量稀薄，使碳化反应进展缓慢，同时表面的石灰浆一旦硬化就形成外壳，阻止了CO2的渗入，同时又使内部的水分无法析出，影响硬化过程的进行。
原因
三、石灰的技术要求和技术标准
技术要求
有效氧化钙和氧化镁含量
石灰中产生粘结性的有效成分是活性氧化钙和氧化镁。它们的含量是评价石灰质量主要指标，其含量愈多，活性愈高，质量也愈好。按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ 057—94)规定，有效氧化钙含量用中和滴定法测定，氧化镁含量用络合滴定法测定。
生石灰产浆量和未消化残渣含量
产浆量是单位质量(1Kg)的生石灰经消化后，所产石灰浆体的体积(L)。石灰产浆量愈高，则表示其质量越好。
未消化残渣含量是生石灰消化后，未能消化而存留在5mm圆孔筛上的残渣占试样的百分率。其含量愈多，石灰质量愈差，须加以限制。
二氧化碳(CO2)含量
CO2含量越高，即表示未分解完全的碳酸盐含量越高，则（CaO+MgO）含量相对降低，导致石灰的胶结性能的下降。
生石灰试样1g放于坩埚内，在高温电炉中于580±20℃灼烧结晶水，再将试样950～1000℃高温 1h，冷却至室温。以试验前后试样质量的差与原试样质量的百分比计算CO2含量。
消石灰游离水含量
游离水含量，指化学结合水以外的含水量。生石灰消化时加入的水比理论需水量多很多，多加的水残留于青氢氧化钙中，残余水分蒸发后，留下孔隙会加剧消石灰粉碳化作用，因而影响其使用质量。
取试样100g，在100～105℃烘箱中烘干至恒重，冷却至室温。以试验前后试样质量的差与原试样质量的百分比计算游离水含量。
细度
细度与石灰的质量有密切联系，过量的筛余物影响石灰的粘结性。现行标准《建筑生石灰粉》(JC／T480—92)和《建筑消石灰粉》(JC／T 481—92)以0.9mm和0.125mm筛余百分率控制。
试验方法是，称取试样50g，倒入0.9mm、0.125mm套筛内进行筛分，分别称量筛余物，按原试样计算其筛余百分率。
技术标准
建筑石灰按现行标准《建筑生石灰》(JC／T 479一92)、《建筑生石灰粉》(JC／T 480—92)和《建筑消石灰粉》(JC／T481—92)规定，按其氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类。见下表。
钙质石灰和镁质石灰中氧化镁含量(%)界限
石灰种类 生石灰 生石灰粉 消石灰粉
钙质石灰 ≤5 ≤5 <4
镁质石灰 >5 >5 ≥4
生石灰技术标准
根据氧化镁含量按上表分为钙质生石灰和镁质生石灰两类，然后再按有效氧化钙和氧化镁含量、产浆量、未消解残渣和CO2含量等4个项目的指标分为优等品、一等品和合格品3个等级，如下表。
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
1.(CaO+Mg0)含量(％) 不小于 90 85 80 85 80 75
2.未消化残渣含量(5mm圆孔筛筛余量)(％) 不大于 5 10 15 5 10 15
3.C02(％) 　 　不大于 5 7 9 6 8 10
4.产浆量(L／kg) 　 不小于 2.8 2.3 2.0 2.8 2.3 2.0
生石灰粉技术标准
根据氧化镁含量分为钙质石灰和镁质石灰两类后，再按(CaO+MgO)含量、CO2含量和细度等项目的指标，分为优等品、一等品和合格品3个等级，如下表。
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
1.(CaO+Mg0)含量(％) 　 不小于 85 80 75 80 75 70
2.C02(％) 　　　　　　 不大于 7 9 11 8 10 12
细度 0.9mm筛筛余(％) 不大于 0.2 0.5 1.5 0.2 0.5 1.5
0.125mm筛筛余(％) 不大于 7.0 12.0 18.0 7.0 12.0 18.0
消石灰粉技术标准
消石灰粉按氧化镁含量<4％时称为钙质消石灰粉，4％≤氧化镁含量<24％时称为镁质消石灰粉，24％≤氧化镁含量<30％时称为白云石消石灰粉。按等级分为优等品、一等品和合格品等3个等级，如下表。
项 目 钙质生石灰 镁质生石灰 白云石消石灰 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
1．(CaO+Mgo)含量(％) 不小于 70 65 60 65 60 55 65 60 55
2．游离水(％) 0.4—2.0 0.4—2.0 0.4—2.0 3．体积安定性 合格 合格 -- 合格 合格 -- 合格 合格 --
4.细度 0.9mm筛筛余(％) 不大于 0 0 0.5 0 0 0.5 0 0 0.5
0.125mm筛余(％) 不大于 3 10 15 3 10 15 3 10 15
四、石灰的技术性质
可塑性好
生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好可塑性。在水泥砂浆中掺入石灰浆，可使可塑性显著提高。
硬化慢、强度低
从石灰浆体的硬化过程可以看出，由于空气中二氧化碳稀薄，碳化甚为缓慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于碳化作用的深入，也不利于内部水分的蒸发，因此，石灰是硬化缓慢的材料，硬化后的强度也不高。如1：3石灰砂浆28天抗压强度仅为0.2-0.5MPa。所以，石灰不宜用于重要建筑物的基础。
硬化时体积收缩大
石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩，所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩和节约石灰。
耐水性差
氢氧化钙易溶于水，如果长期受潮或被水浸泡，会使已硬化的石灰溃散。若石灰浆体在完全硬化之前就处于潮湿的环境中，石灰中的水分不能蒸发出去，其硬化就会被阻止，所以石灰不易在潮湿的环境中应用。
五、石灰的应用和贮存
石灰的应用
砌筑工程和抹面装饰工程
将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水搅拌稀释，成为石灰乳，是一种廉价的涂料，主要用于内墙和天棚刷白，增加室内美观和亮度。
石灰砂浆是将石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途，分为砌筑砂浆和抹面砂浆。
灰砂砖和硅酸盐制品
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。
蒸压灰砂砖
蒸压加气砼砌块
加固软土地基
在软土地基中打入生石灰桩，可以利用生石灰吸水产生膨胀对桩周土壤起挤密作用，利用生石灰和粘土矿物间产生的胶凝反应使周围的土固结，从而达到地基承载力的目的。
用于道路工程的垫层
石灰和粘土按一定比例拌和制成石灰土，或与粘土、砂石、矿渣制成三合土，用于道路工程的垫层。
三合土用作铺筑步道砖的垫层
用于道路路面基层
在道路工程中，随着半刚性基层在高等级路面中的应用，石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土及其稳定碎石广泛用于路面基层。
石灰稳定用于土路面基层
石灰的贮存
磨细的生石灰粉应贮存于干燥仓库内，采取严格防水措施。
块状生石灰放置太久，会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中二氧化碳作用而还原为碳酸钙，失去胶结能力。所以贮存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜贮存过久。最好运到后即熟化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。
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。
第二节 石膏
1.建筑石膏
2.高强石膏
一、石膏的生产
β型半水石膏
α型半水石膏
1.石膏的水化
二、建筑石膏的凝结与硬化
半水石膏和水反应生成二水石膏的过程。
由于半水石膏的溶解度比二水石膏的大（约四倍），所以二水石膏处于过饱和状态，不断从溶液中析晶，水解反应不断右移，直至半水石膏全部转变成二水石膏。
2.石膏的凝结硬化
凝结：可塑性浆体失去可塑性，开始产生强度的过程。
硬化：失去可塑性浆体强度增加的过程。
三、建筑石膏的技术要求和特性
1、技术要求：建筑石膏按细度、强度和凝结时间分为三级。
2、特点 ：
凝结硬化快
早期强度发展快，但后期强度并不高
微膨胀性：石膏硬化过程中产生1%左右的膨胀
孔隙率高，吸声性、吸湿性较强
防火性强但耐火性差
耐水性与抗冻性较差，石膏及制品只能在干燥环境中使用
四、建筑石膏的应用
纸面石膏板
装饰石膏板
吸声用穿孔石膏板
石膏艺术制品
室内抹灰和粉刷
第三节 水玻璃
什么是水玻璃？
碱金属硅酸盐的水溶液：
R2O· nSiO2 + H2O 其中R=Na＋、K＋
什么是水玻璃的模数？
n: 氧化硅SiO2与碱金属氧化物R2O的摩尔比
模数对水玻璃性能的影响
模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好
水玻璃的制备方法：
湿法： R2O＋nSiO2 + H2O 水玻璃
干法： R2O＋nSiO2 R2O· nSiO2
R2O· nSiO2 + H2O 水玻璃
水玻璃硬化过程
水玻璃与空气中的CO2反应，生成无定型的硅酸凝胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成SiO2而硬化。
水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠
其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和SiO2的形成。
水玻璃的特性
良好的胶结能力 耐热性好、不燃烧
较好的耐酸性能 耐水性和耐碱性差
水玻璃在建筑上应用
配制耐酸混凝土与砂浆
配制耐热混凝土与砂浆
配制快凝防水剂
加固地基基础

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