无机气硬性胶凝材.ppt

1,第三章 气硬性胶凝材料,2,在工程上常常需要将散粒材料（如沙和石子）或块状材料（烧结砖和石材）结合成整体（如混凝土构件、砖石砌体等）具有这种粘结作用的材料称为胶凝材料。例如：水泥，石灰，沥青。补充定义 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，统称为胶凝材料。,基本概念：胶凝材料,3,胶凝材料的分类,只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或发展强度,不仅能在空气中硬化，也能很好的在水中硬化，保持或发展强度,4,有机胶凝材料：以高分子化合物为基本组成的胶凝材料（如沥青、树脂等）。无机胶凝材料：以无机化合物为主要成分，形成水溶液后发生一系列物理、化学反应而产生强度和粘结力的胶凝材料（如水泥、石灰等）。气硬性胶凝材料：仅能在空气中硬化并发展强度的胶凝材料（如石灰等）。水硬性胶凝材料：既能在空气中，又能更好地在水中硬化并发展强度的胶凝材料（如水泥）。,5,3.1 石 膏 石膏是以硫酸钙为主要化学组成的气硬性胶凝材料。由于石膏及其制品资源丰富，具有轻质、高强、隔热、防火、吸声、容易加工等一系列优点，其得到广泛应用，各种石膏制品应运而生，生产和应用迅速发展。,6,3.1.1 石膏的原料、生产及品种,石膏的原料为天然石膏，或称生石膏，属沉积岩，其化学式为CaSO42H2O，故也称二水石膏。石膏类产品的生产通常是把二水石膏在一定的温度和压力下，经过煅烧、脱水，再经磨细而成。在不同的煅烧环境下，得到的产品是不同的。具体过程如下框架图所示。,7,低温煅烧石膏,高温煅烧石膏,8,低温段烧石膏建筑石膏 是天然石膏在回转窑或砂锅中煅烧后经磨细所得的产品。煅烧时加热设备与大气相通，原料中的水分成蒸汽排出，生成的石灰是细小的晶体，称为型半水石膏。建筑上应用最多的石膏品种，故称建筑石膏。高强度石膏 是以高品位的天然石膏为原料，用高压釜于蒸汽介质（124，1.3个大气压）中蒸炼而成。这样的半水石膏晶体粗大而密实，称为型半水石膏。它与型半水石膏比较，调拌混凝土时所用的水量少，这就决定了型半水石膏硬化后具有密实的结构，抗压强度高（可达15-25MPa）,注：建筑行业中使用的石膏主要指建筑石膏（即型半水石膏）、高强度石膏。其中以建筑石膏用途最广，用量也最大。实际使用的建筑石膏多呈粉末状。,9,高温煅烧石膏,是天然石膏在600-900下煅烧经磨细所得的产品。高温下二水石膏完全脱水为无水硫酸钙，并分解出少量的氧化钙，它是无水石膏与水反应的激发剂。无水石膏的凝结硬化慢，耐水性和强度高，用其调制的砂浆或人造大理石可用于地面。,10,3.1.2 石膏的凝结与硬化 建筑石膏（CaSO41/2H2O）与适量水拌合后，最初是具有可塑性的均匀的浆体，这时水与石膏发生水化反应。随后浆体逐渐变稠失去可塑性，但尚无强度，此过程称为凝结。以后浆体逐渐变成具有一定强度的固体，此过程称为硬化。成为坚硬的固体（CaSO42H2O）。,11,（一）石膏的水化,建筑石膏的水化反应：CaSO41/2H2O3/2H2OCaSO42H2O 建筑石膏加水后，首先溶解于水，随后发生上述反应，生成二水石膏。由于二水石膏的溶解度较半水石膏的溶解度小很多，所以二水石膏不断从过饱和溶液中析出，从而才促使上述反应不断进行，直至半水石膏全部转化为二水石膏为止。,12,（二）建筑石膏的凝结与硬化,凝结过程 随着水化的进行，二水石膏胶体微粒不断增多，这些微粒较原来的半水石膏更加细小，比表面积很大，可吸附很多的水分：同时浆体中的自由水分由于水化和蒸发而逐渐减少，浆体的稠度不断加大，胶体微粒间的接触、粘结逐步加强，使浆体逐渐失去可塑性。硬化过程 浆体变稠的同时，二水石膏胶体微粒凝聚并转变为晶体。晶体颗粒逐渐长大、共生和相互交错搭接，使凝结的浆体逐渐产生强度。随着继续干燥，内部自由水排出，晶体之间的摩擦力、粘结力逐渐增大，石膏强度也随之增加，一直发展到最大值。,13,建筑石膏凝结过程，是一个溶解、反应、沉淀、结晶的过程；硬化过程则是二水石膏晶体之间结晶结构网的形成过程。晶体之间互相交叉连生，形成网状结构；随着反应的继续进行，结晶结构网逐渐密实，从而使石膏晶体逐渐硬化并具有强度。石膏浆体的凝结硬化过程是连续进行的过程。从加水拌合一直到浆体刚开始失去可塑性这段时间称为初凝时间。从加水拌合到浆体完全失去可塑性这段时间称为终凝时间。,14,3.1.3 石膏的性质、技术要求与应用（一）建筑石膏的性质 凝结硬化快：与水拌合后10 min即开始失去塑性，30 min内完全失去可塑性而产生强度。在室内自然干燥状态下约一周可完全硬化。由于初凝时间较短，为方便施工常掺加适量缓凝剂；硬化初期体积微膨胀：一般胶凝材料硬化时往往产生收缩，石膏硬化时体积膨胀约0.5 1%，利用此性能塑制的建筑装饰材料，其形体饱满密实、尺寸准确，表面光滑细腻，且干燥不产生开裂；孔隙率高：实际用水量（6080%）比理论需水量（18.6%）大得多，多余的水分蒸发后导致硬化体孔隙率高达4060%。因此，石膏制品有以下性质：,15,体积密度小，绝热和吸声性能好。因为存在大量的开口空隙，当空气湿度大时可以吸收水分，空气干燥时能够放出水分，所以对空气湿度有一定的调节作用。由于是气硬性胶凝材料，其耐水性差，空隙为开口空隙，其吸水性大，因此抗渗性及防冻性均较差。,16,防火性好：石膏制品的导热系数小，传热慢，且二水石膏受热脱水产生的水蒸气能阻止火势蔓延。但二水石膏脱水后强度下降，因而并不耐火。装饰性和加工性好：表面光滑饱满，颜色洁白，具有良好的装饰性。微孔结构使其脆性有所改善，且其硬度较低，固便于加工。塑性变形大：一般不用于承重构件。,17,（二）建筑石膏的技术要求建筑石膏的技术要求主要有强度、细度和凝结时间，并据此划分为优等品、一等品和合格品。具体要求见下表（表中强度为2h的强度值）,建筑石膏等级标准（GB9776-1988）,18,（三）建筑石膏的应用,建筑石膏主要用于室内抹灰、粉刷和生产各种石膏板等 室内抹灰及粉刷：石膏浆、石膏砂浆 石膏板：轻质、绝热、吸声、防火、尺寸稳定、施工方便。A纸面石膏板：普通型、耐水型、耐火型 B纤维石膏板 C装饰石膏板：平板、多孔板、浮雕板 D空心石膏板,19,3.2 石 灰 石灰是最早使用的气硬性胶凝材料之一，它是以石灰石为原料经煅烧而成的。由于生产石灰的原料广泛，工艺简单，成本低廉，使用方便，所以至今仍被广泛应用于建筑工程中。3.2.1 石灰的原料和生产（a）石灰的品种 建筑用石灰：生石灰（块灰）、生石灰粉 熟石灰粉（消解石灰粉 Ca(OH)2）石灰膏 石灰乳,20,生石灰：以石灰岩、白垩等天然岩石（主要成分是CaCO3）为原料，在高温下经适当煅烧而制得的白色或灰色块状材料（生石灰或块灰，主要成分为CaO、MgO）。生石灰粉：将块灰经粉碎、磨细而得到的细粉。钙质生石灰：MgO含量5；镁质生石灰：MgO含量为524。,21,熟石灰粉：将块状生石灰用适量水熟化和干燥而得到的粉末，又称消解石灰粉（主要成分为Ca(OH)2）。石灰乳：将生石灰用较多的水熟化而成的一种乳状液体（主要成分为Ca(OH)2和H2O）。石灰膏：将石灰乳沉淀后除去表层多余水分而得到的具有一定稠度的膏状物（主要成分为Ca(OH)2和H2O）。,22,（b）石灰的生产 煅烧化学反应过火石灰：煅烧温度过高时得到的石灰。该产物晶体粗大，孔隙率小、结构致密，遇水熟化缓慢，容易使硬化的浆体产生隆起和开裂,影响工程质量。欠火石灰：煅烧温度较低，分解不完全的石灰。内部含有未分解的碳酸钙，该产物使用时粘结力小，产浆量较低。欠火石灰降低了石灰的质量，也影响了石灰石的产量。注：石灰石煅烧时温度不宜太高，也不宜太低。入窑的石灰石块力求均匀，不宜过大。以免产生“过火石灰”和“欠火石灰”。,CaCO3 CaO CO2,MgCO3 MgO CO2,900-1100,700,石灰的主要成分,煅烧温度不同，产物的形态也不尽相同。,23,3.2.2 石灰的熟化和硬化（a）石灰的熟化 生石灰可以直接磨细成生石灰粉使用，一般将生石灰熟化成熟石灰或石灰膏后再使用。石灰的熟化（消解）是指生石灰加水进行水化（发生水化反应生成氢氧化钙的过程。）反应方程式如下：熟化特点：上述反应为放热反应，且放热量较其他胶凝材料大得多。熟化后体积增大约11.5倍。反应产物称为熟石灰或消石灰,CaOH2O Ca(OH)264.83 kJ/mol MgOH2O Mg(OH)2,24,两种熟化方法和使用形式,熟化方法：（1）化灰法 石灰膏 生石灰在化灰池中需用大量的水（生石灰的3-4倍）熟化成石灰乳，通过筛网流入储灰坑，经沉淀去多余水分得到的膏状物即为石灰膏。石灰膏含水约50。生石灰中的欠火石灰不能完全熟化，将降低石灰浆的产量。过火石灰熟化极慢，当石灰使用后已经硬化，它才开始熟化，产生体积膨胀，引起已经变硬的石灰（石灰砂浆）起鼓和开裂。“陈伏”工艺：为了消除过火石灰在使用过程中造成的危害，石灰加水搅拌后形成的石灰膏（乳）通常须在储灰池中存放两周以上，然后方可使用。注：陈伏期间，石灰膏表面应保留一薄层水，以隔绝空气，防止表层熟石灰碳化。,25,（2）淋灰法 熟石灰 熟石灰是生石灰熟化成的粉状熟石灰。淋灰法：即没堆放半米高的生石灰，淋以6080的水，直至数层。淋水量必须控制好，以能充分熟化而又不过湿成团为度,26,（b）石灰的硬化 石灰的硬化即石灰从起初的可塑状态，经过复杂物理、化学过程逐渐转变成固态并具有一定强度的过程。石灰浆体的硬化按其作用分为干燥作用和碳化作用。硬化过程（1）干燥硬化：石灰浆体在干燥过程中，毛细空隙失水。由水的表面张力作用，毛细孔隙中的水面呈弯月面，从而产生毛细管压力，使得氢氧化钙颗粒间的接触紧密，产生一定的强度。这种强度类似粘土失水后所获得的强度，其值不大，遇水时又会消失。在干燥过程中，因水分蒸发，氢氧化钙从过饱和溶液中呈晶体析出，但数量较少且溶于水，故强度不高，遇水还会丧失。,27,（2）碳化硬化：氢氧化钙与空气中的CO2作用生成碳酸钙晶体，并释放出水分，称为碳化。生成的碳酸钙晶体具有较高的强度，且不溶于水。碳化作用实际上是CO2与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙。如果含水量较小，处于干燥状态时，碳化反应几乎停止。如果若含水量过多，空隙中几乎充满水，CO2极难向内部渗透，碳化作用仅限于表面。当表面生成的碳酸钙达到一定的厚度时，碳化作用也会极度缓慢，并且阻碍内部水分的蒸发，使得干燥硬化难以进行。石灰是以干燥硬化为主，碳化作用只限于表面。,Ca(OH)2CO2nH2O CaCO3(n+1)H2O,28,注：上述硬化过程并非各自独立的，而是同时进行的；对强度增长起主导作用的是干燥硬化 表层碳化作用可加快强度发展，但进行缓慢；从石灰的硬化过程可知，石灰浆体硬化慢、强度低、不耐水，不宜用于潮湿环境或水中；为了缓和收缩开裂，使用时常掺入纤维材料，如石灰纸筋灰等。,29,A部分过火石灰在石灰砂浆制作时未水化完全,B因石灰砂浆在硬化过程中干燥收缩所致,石灰砂浆裂纹图,30,石灰砂浆A为凸出放射性裂纹，这是由于石灰浆的陈伏时间不足，制使其中部分过火石灰在石灰砂浆制作时尚未水化，导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成Ca(OH)2，产生体积膨胀，从而形成膨胀性裂纹。石灰砂浆B为网状干缩性裂纹，是因石灰砂浆在硬化过程中干燥收缩所致。尤其是水灰比过大，石灰过多，易产生此类裂纹。,31,(1)内外墙粉刷层爆裂 上海某新村四幢六层楼1989年911月进行内外墙粉刷，1990年4月交付甲方使用。此后陆续发现内外墙粉刷层发生爆裂。至5月份阴雨天，爆裂点迅速增多，破坏范围上万平方米。爆裂源为微黄色粉粒或粉料。该内外墙粉刷用的“水灰”，系宝山某厂自办的“三产”性质的部门供应，该部门由个人承包。经了解，粉刷过程已发现有“水灰”中有一些粗颗粒。对爆裂采集的微黄色爆裂物作X射线衍射分析，证实除含石英、长石、CaO、Ca(OH)2、CaCO3外，还含有较多的MgO、Mg(OH)2以及少量白云石。该“水灰“含有相当数量的粗颗粒，相当部分为CaO与MgO，这些未充分消解的CaO和MgO在潮湿的环境下缓慢水化，分别生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，固相体积膨胀约2倍，从而产生爆裂破坏。还需说明的是，MgO的水化速度更慢，更易造成危害。使用劣质建材，就是给工程埋下定时炸弹，危害人民利益。,32,(2)石灰的选用 某工地急需配制石灰砂浆。当时有消石灰粉、生石灰粉及生石灰材料可供选用。因生石灰价格相对较便宜，便选用，并马上加水配制石灰膏，再配制石灰砂浆。使用数日后，石灰砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝，请分析原因。该石灰的陈伏时间不够。数日后部分过火石灰在已硬化的石灰砂浆中熟化，体积膨胀，以致产生膨胀性裂纹。因工程时间多，若无现成合格的石灰膏，可选用消石灰粉或生石灰粉。消石灰粉在磨细过程中，把过火石灰磨成细粉，克服了过火石灰在熟化时造成的体积安定性不良的危害。故可不必陈伏可直接使用，且生石灰熟化时放出的热可大大加快砂浆的凝结硬化，加水量亦较少，硬化后的砂浆强度亦较高。,33,3.1.3 石灰的性质、技术性质要求和应用（a）石灰的性质 良好的保水性：熟石灰粉或石灰膏与水拌合后，保水性好，可减少泌水，改善工作性。凝结硬化慢，强度低 吸湿性强，耐水性差：不宜用于潮湿环境或作为结构材料。可作为干燥剂；构件易开裂。干燥收缩大：干燥硬化过程中，蒸发大量水分，由于毛细空隙失水引起体积收缩，导致已硬化的石灰浆体开裂。使用时掺入砂或麻刀、纸筋抵抗收缩引起的开裂。化学稳定性差：不宜用于有酸性介质存在的环境。,34,（b）石灰的技术要求,生石灰、熟石灰以及石灰膏等产品的质量，生石灰（包括块灰和生石灰粉）的质量要求以其中有效氧化钙含量和有效氧化镁含量、未消化残渣含量（即过（欠）火石灰及其他杂质的含量）、CO2含量以及产浆量作为质量评价的主要指标。并依此分为优等品、一等品和合格品（详见教材P43表3-2）。,35,（C）石灰的应用 石灰膏用于制作石灰乳涂料和配制混合砂浆 配制灰土、三合土等复合材料 磨细生石灰粉用于生产水泥、硅酸盐制品,三合土筑造的建筑物,36,生石灰的储存,生石灰必须在干燥的条件下运输和存储，且不宜存放太久。因为在存放过程中，生石灰会吸收空气中的水分而熟化成熟石灰，再与空气中的二氧化碳作用而成为碳酸钙，失去胶凝作用。长期存放时应在密闭条件下存储，注意防潮、防水。,37,3.3 水玻璃 水玻璃又称泡花碱，是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成。是一种能够溶解于水的硅酸盐材料。建筑上常用的水玻璃为硅酸钠（Na2O n SiO2）的水溶液，是无色或淡黄、灰白色粘稠液体。n为SiO2 与Na2O摩尔数的比值，成为水玻璃的模数。n值越大，粘结性、强度、耐酸性、耐热性也越高，但也越难溶于水，且粘度太大也不利于施工。同一模数的水玻璃，其浓度（密度）越高，粘度也越大，粘结性等性能也越高。在建筑工程中常用以配制水玻璃胶泥、水玻璃砂浆和水玻璃混凝土，以及作为配制涂料的原料。水玻璃在防酸、耐热、耐腐蚀工程中的应用甚广。,38,水玻璃的硬化 液体水玻璃吸收空气中的二氧化碳，析出二氧化硅凝胶，凝胶脱水成为氧化硅而硬化。具体反应式如下：Na2O nSiO2+CO2+mH2ONa2CO3+nSiO2mH2O由于空气中二氧化碳含量有限，上述过程进行的很缓慢。为加速硬化，为了加速水玻璃的硬化，可加热或掺入1215%的促硬剂氟硅酸钠。,39,3.3.2 水玻璃的性质与应用（a）水玻璃的技术性质1粘结力强、强度较高：水玻璃硬化过程中析出的硅酸凝胶表面积大，具有很强的粘附性，粘结力一般随着模数、浓度或相对密度的增大而增大。2耐酸性好：硅酸凝胶一般不与酸性物质反应，因而水玻璃具有很好的耐酸性。3耐热性好：硬化后的SiO2空间网状骨架，在高温下不分解，强度不下降，耐热度可达1000。4耐碱性差、耐水性差：SiO2和残余的Na2OnSiO2均可溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。一般可采用中等浓度的酸对已硬化的水玻璃进行酸洗处理，以提高耐水性。,40,（b）水玻璃的应用 用水玻璃可以配置如下材料 耐酸材料：硬化后的水玻璃主要成分是二氧化硅，几乎在所有的酸介质中都具有较高稳定性。耐热材料：水玻璃硬化后形成二氧化硅空间网状骨架，具有良好的耐热性。耐热胶泥、耐热砂浆和耐热混凝土 抗风化涂料：刷于材料表面会提高密实度、强度、抗渗性、抗冻性以及耐水性；但不能用来涂刷石膏制品，硅酸钠会与硫酸钙反应其生成Na2SO4 灌浆材料：用水玻璃与氯化钙交替注入土壤可加固土壤。配制速凝防水剂：与胆矾、红矾、明矾等制成速凝防水剂，四矾防水剂在一分钟内使用；,41,3.4 菱苦土,化学组成及原料菱苦土是用菱镁矿（Mg2CO3）在750850温度下煅烧后，经磨细而成。菱苦土的主要成分是氧化镁（MgO）,也称镁氧凝胶材料调拌溶液使用菱苦土是，如用水拌合凝结硬化很慢，通常用氯化镁（MgCl2）水溶液拌合。可加速水化，因而凝结硬化快，强度也高。,42,菱苦土性质的特点及应用 菱苦土吸湿性大，耐水性差，易变形和在表面泛霜，原因是氯盐吸湿性大。为改善上述性质，可在使用氯化镁的同时加入硫酸亚铁，或者改用硫酸镁来拌合，但强度有所下降。菱苦土的突出特点是能与植物纤维很好的结合，常与木丝、木屑、亚麻屑等结合成刨花板、木屑板、人造大理石及其他建筑制品。,43,本章小结,气硬性胶凝材料,石 灰,石 膏,水玻璃,品种与生产,熟化和硬化,技术要求,性质与应用,品种和生产,凝结与硬化,技术要求,性质和技术应用,应 用,生产与组成,硬 化,性质与应用,44,一、填空1、石灰的特性有：可塑性、硬化、硬化时体积和耐水性等。2、建筑石膏具有以下特性：凝结硬化、孔隙率、表观密度，强度凝结硬化时体积、防火性能等。,1 好缓慢收缩大差2 快高小低略膨胀好,45,1、无机胶凝材料；有机胶凝材料；气硬性胶凝材料；水硬性胶凝材料2、-CaSO41/2H2O（型半水石膏）；-CaSO41/2H2O（型半水石膏）；CaSO4.2H2O3、消除过火石灰等有害成分的影响,1、胶凝材料按照化学成分分为 和 两类。无机胶凝材料按照硬化条件不同分为 和 两类。2、建筑石膏的化学成分是，高强石膏的化学成分为，生石膏的化学成分为。3、石灰在使用前陈伏的目的是。,46,1、石灰膏应在储灰池中存放 天以上才可使用。A、3 B、7 C、14 D、282、石灰硬化的理想条件是 环境。A、自然 B、干燥 C、潮湿 D、水中3、建筑石膏制品的主要缺点是。A、保水性差 B、耐水性差 C、耐火性差 D、自重大4、建筑石膏成型性好是因为其硬化时。A、体积不变 B、体积微胀 C、体积微缩 D、体积膨胀,1、C；2、B；3、B；4、B；,47,三、是非判断题1、石膏浆体的水化、凝结和硬化实际上是碳化作用。2、气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，而水硬性胶凝材料只能在水中硬化。3、石灰浆体在空气中的碳化反应方程式是：Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。4、建筑石膏板因为其强度高，所以在装修时可用于潮湿环境中。（）5、建筑石膏制品有一定的防火性能。（）6、建筑石膏制品可以长期在温度较高的环境中使用。（）,1、错2、错；3、对；4、错；5、对；6、错,48,是非判断题1 石膏浆体的水化、凝结和硬化实际上是碳化作用。2 为加速水玻璃的硬化，常加入氟硅酸钠作为促硬剂，加入越多效果越好。3过火石灰用于建筑结构物中，使用时缺乏粘结力，但危害不大。,49,是非判断题,4气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，而水硬性胶凝材料只能在水中硬化。5在空气中贮存过久的生石灰，不应照常使用。6生石灰中的二氧化碳含量越高，表示未分解完全的碳酸盐含量越高，则（caomgo）含量相对降低，影响石灰的胶结性能。,50,问答题1 为何石灰除粉刷外一般不单独使用石灰浆?2 在天然石材、粘土砖、混凝土和硅酸盐制品表面涂一层水玻璃，可提高制品表面的密实性和抗风化能力。水玻璃是否亦可涂于石膏制品表面？为什么？,51,问答题1 为何石灰除粉刷外一般不单独使用石灰浆?答：因石灰的干燥收缩大，氢氧化钙颗粒可吸附大量水分，在凝结硬化中不断蒸发，并产生大的毛细管压力，使石灰浆体产生大的收缩而开裂。故除作薄层粉刷外，一般不单独使用石灰浆。2 在天然石材、粘土砖、混凝土和硅酸盐制品表面涂一层水玻璃，可提高制品表面的密实性和抗风化能力。水玻璃是否亦可涂于石膏制品表面？为什么？答：不可以。因石膏制品会与水玻璃反应生成体积膨胀的硫酸钠，使制品膨裂。,52,第三章 结束,