土木工程材料课件第三章气硬性胶凝材料.ppt

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1、第三章,气硬性无机胶凝材料,掌握：胶凝材料的定义、分类；建筑石灰、石膏技术要求、性质,熟悉：石灰的、石膏的的熟化、硬化和应用,了解：石灰的生产、石灰的品种,本章教学目标,胶凝材料：指经过自身的物理化学作用后，能够由浆体变成固体，并在变化过程中把一些散粒材料或块状材料胶结成具有一定强度的整体。,定义与分类,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,将在第四章进行讲解,胶凝材料,有机胶凝材料（树脂、沥青等）,无机胶凝材料,水硬性胶凝材料（水泥）,气硬性胶凝材料（石灰、石膏、水玻璃）,本章的重点,二者有何区别,定义与分类,气硬性胶凝材料与水硬性

2、胶凝材料的区别,气硬性胶凝材,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！,第一节 建筑石灰,千锤百炼出深山,烈火焚烧若等闲,粉身碎骨浑不怕,只留清白在人间,煅烧石灰石或白垩,内含CaCO3,正火石灰,欠火石灰,过火石灰,因煅烧温度过高使粘土杂质融化并包裹石灰，从而延缓石灰的熟化，导致已硬化的砂浆产生鼓泡、崩裂等现象,碳酸钙没有完全分解，降低了生石灰的产量,如何解决它的危害？,一、石灰的生产,水化过程中体积增大1-2

3、.5倍，迅速放出大量热（1h放热是混凝土1d放热量的9倍多）,二、生石灰的熟化,生石灰+水,熟石灰,工程上使用的石灰大都是熟石灰，有时需要使用石灰膏，有时使用熟石灰粉。,熟化为石灰膏：,将生石灰放入水中，注意水要过量,池中透明液体为氢氧化钙饱和溶液，下部沉淀即为熟石灰,生石灰要在水中放置两周以上，此过程即为“陈伏”。在这段时间里生石灰会完全和水反应，不会因含有过火石灰造成熟化推迟而导致墙面鼓泡的现象。,将生石灰块淋水，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。,熟化为熟石灰粉：,三、石灰的硬化,结晶作用生石灰或熟石灰水成为Ca(OH)2浆体；浆体中游离水的不断损失，导致Ca(

4、OH)2结晶；晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网硬化。碳化作用Ca(OH)2与空气中的CO2气体反应，在表面形成CaCO3膜层。提高耐久性。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。,原因,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。,四、石灰的技术要求,五、常用建筑石灰的品种,石灰石,10001200C,磨细,生石灰粉,生石灰,水喷淋,熟石灰粉,(水)化灰池,石灰浆,浓缩,石灰膏,陈伏,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

5、火石灰,减轻或消除过火石灰的危害,过火石灰的危害 与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨胀而引起开裂。,可塑性好和保水性好吸湿性好凝结硬化慢,Ca(OH)2粒子表面可以吸附水膜,六、石灰的特性和应用,1.石灰的特性,生石灰可以用来做干燥剂,六、石灰的特性和应用,强度低体积收缩大耐水性差,1.石灰的特性,2.石灰的应用,石灰在建筑工程中的应用范围很广，常作以下几种用途。（1.）配制砂浆 石灰具有良好的可塑性和粘结性，常用来配制砂浆用于墙体的砌筑和抹面。石灰浆或消石灰粉与砂和水单独配制成的砂浆称石灰砂浆，与水泥、砂和水一起配制成的砂浆称混合砂浆。为了克服石灰浆收缩大的缺点，配制时常加入纸筋等

6、纤维质材料。,三合土用作铺筑步道砖的垫层,三合土桩,灰土桩,（2)拌制三合土和灰土 三合土按生石灰粉(或消石灰粉)粘土砂子(或碎石、炉渣)=123的比例来配制。灰土按石灰粉(或消石灰粉)粘土=124的比例来配制。它们主要用于建筑物的基础、路面或地面的垫层，也就是说用于与水接触的环境，这与其气硬性相矛盾。这可能是三合土和灰土在强力夯打之下，密实度大大提高，粘土中的少量活性SiO2和活性Al2O3与石灰粉水化产物作用，生成了水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，从而有一定耐水性之故。拌制三合土和灰土,将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入适量的水搅拌稀释，成为石灰乳，是一种廉价易得得涂料，主要用于内墙和天棚刷白

7、，增加室内美观和亮度，我国农村也用于外墙。石灰乳可加入各种颜色的耐碱材料，以获得更好的装饰效果。,(3)制作石灰乳涂料,(4)生产硅酸盐制品,以石灰和硅质材料(如粉煤灰、石英砂、炉渣等)为原料，加水拌合，经成型，蒸养或蒸压处理等工序而成的建筑材料，统称为硅酸盐制品。如蒸压灰砂砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等，主要用作墙体材料。生石灰的水化产物Ca(OH)2能激发粉煤灰、炉渣等硅质工业废渣的活性，起碱性激发作用，Ca(OH)2能与废渣中的活性SiO2、Al2O3反应，生成有胶凝性、耐水性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，这一原理在利用工业废渣来生产建筑材料时广泛采用。,(5)磨制生石灰粉,建筑工程中大量用磨

8、细生石灰来代替石灰膏和消石灰粉配制灰土或砂浆，或直接用于生产硅酸盐制品。磨细生石灰可不经预先消化和陈伏直接应用。因为这种石灰具有很高的细度，水化反应速度快，水化时体积膨胀均匀，避免了产生局部膨胀过大现象。另外，石灰中的过火石灰和欠火石灰被磨细，提高了石灰的质量和利用率。,(6)加固软土地基,块状生石灰可用来加固含水的软土地基(称为石灰桩)。它是在桩孔内灌入生石灰块，利用生石灰吸水熟化产生体积膨胀的特性来加固地基。,(7)制造静态破碎剂和膨胀剂,将含有一定量CaO晶体、粒径为10100m，的过火石灰粉，与5%70%的水硬性胶凝材料及0.1%0.5%的调凝剂混合，可制得静态破碎剂。使用时将它与适量

9、的水混合调成浆体，注入到欲破碎物的钻孔中。由于水硬性胶凝材料硬化后，过火石灰才水化，水化时体积膨胀，从而产生很大的膨胀压力，使物体破碎。该破碎剂可用于拆除建筑物和破碎分割岩石。用石灰制膨胀剂详见5.1.5“膨胀剂”。,工程实例分析1：石灰砂浆层起拱,现象：某住宅使用石灰厂处理的下脚石灰作 粉刷。数月后粉刷层多处向外拱起，还看见一些裂缝，请分析原因。分析讨论：石灰厂处理的下脚石灰往往含有过烧的CaO或较高的MgO，其水化速度慢于正常石灰。这些过烧石的氧化钙或氧化镁在已经水化硬化的石灰砂浆中慢慢水化，体积膨胀，就会导致砂浆层起拱和开裂。,工程实例分析2：石灰的选用,现象：某工地急需配制石灰砂浆。当

10、时有消石灰粉、生石灰粉及生石灰处理可供选用。因生石灰价格相对叫便宜，便选用，并马上加水配制石灰膏，再配制石灰砂浆。使用数月后，石灰砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝，请分析原因。分析讨论：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。因工期紧，若无现成合格的石灰膏，可选用消石灰粉。消石灰粉在磨细过程中，把过火石灰磨成细粉，易于克服过火石灰在熟化时造成的体积安定性不良的危害。,问 题？,1.过火石灰有什么危害？应如何消除？答：过火石灰密度较大，且颗粒表面有玻璃釉状物包裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸湿水化，产生体积膨胀，影响体积稳定性。可采用

11、延长石灰的熟化和陈伏期，或过滤掉。2.石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应如何避免？答：石灰浆体的硬化是靠水分的大量挥发，体积显著收缩，因而容易导致开裂。在使用时，避免单独使用，可掺加一些砂子、麻刀丝或纸筋等。,第二节 建筑石膏,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,进一步研究开发的课题,先进纤维石膏基复合材料高强石膏及其制品提高石膏及其制品的耐水性外墙保温砂浆及其装饰钢结构防火涂层,1.建筑石膏,2.高强石膏,一、石膏的生产,型半水石膏,型半水石膏,二

12、、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 CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应凝结硬化机理“溶解沉淀理论”溶解 沉淀 硬化,半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不断溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液,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,三、建筑石膏的技术性质和特性,1、技术性质建筑石膏按细度、强度和凝结时间分为三级。,建筑石膏技术要求（GB977688）,硬化后体积

13、微膨胀性硬化后孔隙率大，因此其强度较低、表观密度小、吸声性较强、吸湿性较强。耐水性与抗冻性较差凝结硬化快防火性好但耐火性差凝结硬化速度快，初凝6分，终凝30分。石膏制品的耐水性差抗冻性差，不宜用于潮湿部位。,2、建筑石膏的特性,四、建筑石膏的应用,（1）制成石膏抹灰材料（2）各种墙体材料如纸面石膏板、石膏空心砌块、石膏空心条板（3）各种装饰石膏板、石膏浮雕花饰、雕塑制品。使用时应注意问题：在运输及储存时应防止受潮，一般储存三个月后强度降低30%左右,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，为什么？答：半水石膏需加水6080，才能使浆体达到成型所需可塑性；而半水石膏全部

14、水化成二水石膏只需18.6的水量；即，有4060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。,2、孔隙率较大在应用上，有哪些优点和缺点？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。,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0.300.45；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。,

15、学会分析、思考和回答问题！,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。,二水石膏晶体解理面,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，主要发生脱水和烧结。,学会分析、思考和回答问题！,6、进一步思考的问题:试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为

16、什么？,四、建筑石膏的应用,纸面石膏板,四、建筑石膏的应用,纸面石膏板,四、建筑石膏的应用,装饰石膏板,四、建筑石膏的应用,吸声用穿孔石膏板,石膏艺术制品,四、高强度建筑石膏,1、高强石膏与建筑石膏相比较（1）建筑石膏是片状的、有裂隙的晶体，结晶很细，比表面积比高强石膏大的多，拌制石膏制品时需水量高达60%-70%，因而制品的空隙率大，强度低。（2）高强石膏结晶良好、坚实、粗大，因而比表面积小，调制成可塑性石膏浆体时需水量约为35%-45%，因此，高强石膏硬化后有较高的密实度与强度。,2、高强石膏之应用（1）强度要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板（2）掺入防水剂，可用于湿度较高的环境。（3）

17、做粘结剂，须加入聚乙烯醇水溶液。其特点是无收缩。,工程实例：石膏饰条粘贴失效,现象：石膏粉拌水为一桶石膏浆，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。分析讨论：其原因有两个方面，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粘贴石膏条，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掺入部分粘结性强的粘结剂。,第三节 水玻璃,水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅所组成。目前最常用的是硅酸钠水玻璃Na2OnSiO2，还有硅酸钾水玻璃K2OnSiO2。

18、,一、水玻璃的种类与生产,水玻璃按其形态可分为液体水玻璃和固体水玻璃两种。液体水玻璃无色透明，当含有不同杂质时可呈青灰色、绿色或微黄色等，可以与水按任意比例混合而成不同浓度的溶液，浓度越稠粘结力越强；固体水玻璃的形状呈块状、粒状或粉状。水玻璃的生产方法有湿法生产和干法生产两种。湿法生产是将石英砂和氢氧化钠水溶液在压蒸锅(0.2MPa0.3MPa)内用蒸汽加热溶解而制成水玻璃溶液。干法是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉中于1 3001 400温度下熔融，其反应式如下：,熔融的水玻璃冷却后得到固态水玻璃，然后在0.30.8MPa的蒸压釜内加热溶解成胶状玻璃溶液。水玻璃分子式中SiO2与Na2O分子

19、数比值n称为水玻璃硅酸盐模数，一般在1.53.5之间。n值越大，水玻璃中胶体组分越多，水玻璃粘性越大，越难溶于水。,二、水玻璃的硬化与特性,水玻璃溶液在空气中吸收CO2形成无定形硅胶，并逐渐干燥而硬化，其反应为：Na2OnSiO2+CO2+mH2O Na2CO3+nSiO2mH2O 上述反应过程进行缓慢。为加速硬化，常在水玻璃中加入促硬剂氟硅酸钠，促使硅酸凝胶加速析出，其反应式如下：2Na2OnSiO2+Na2SiF6+mH2O 6NaF+(2n+1)SiO2mH2O 氟硅酸钠的适宜掺量为水玻璃质量的12%15%。用量太少，硬化速度慢、强度低，且未反应的水玻璃易溶于水，导致耐水性差；用量过多，

20、则凝结过快，造成施工困难，且渗透性大，强度也低。,水玻璃有以下特性,(1)良好的粘结性。(2)很强的耐酸性。水玻璃能抵抗多数酸的作用(氢氟酸除外)。(3)较好的耐高温性。水玻璃可耐1200的高温，在高温下不燃烧，不分解，强度不降低，甚至有所增加。,三、水玻璃的应用,(1)涂刷建筑材料表面，提高密实度和抗风化能力。用水将水玻璃稀释，多次涂刷或浸渍材料表面，可提高材料的抗风化能力或使其密实度和强度提高。如果在液体水玻璃中加入适量尿素，在不改变其粘度情况下可提高粘结力25%左右。此方法对粘土砖、硅酸盐制品、水泥混凝土等含Ca(OH)2的材料效果良好。不能用于涂刷或浸渍石膏制品，因为Na2OnSiO2

21、与CaSO4反应生成Na2SO4，Na2SO4在制品孔隙中结晶，结晶时体积膨胀，引起制品开裂破坏。,(2)配制成耐热砂浆和耐热混凝土。水玻璃可与耐热骨料等一起来配制成耐热砂浆和耐热混凝土。(3)配制成耐酸砂浆和耐酸混凝土。水玻璃可与耐酸骨料等一起来配制成耐酸砂浆和耐酸混凝土。(4)加固地基。将水玻璃溶液与氯化钙溶液交替注入土壤内，两者反应析出硅酸胶体，能起胶结和填充孔隙的作用，并可阻止水分的渗透，提高土壤的密度和强度。,(5)以水玻璃为基料，配制各种防水剂。水玻璃能促进水泥凝结，如在水泥中掺入约为水泥重量0.7倍的水玻璃，初凝为2min，可直接用于堵塞漏洞、缝隙等局部抢修。因凝结过速，不宜配制水泥防水砂浆用于屋面和地面刚性防水。(6)在水玻璃中加入二至五种矾，能配制各种快凝防水剂 常见的矾有蓝矾、明矾、红矾、紫矾等。防水剂的配制方法为选取二种、三种、四种或五种矾各1份溶于60份100的水中，冷却至50后，投入400份水玻璃中搅拌均匀即可。这种防水剂分别称为二矾、三矾、四矾或五矾防水剂。(7)配制水玻璃矿渣砂浆，修补砖墙裂缝 将液体水玻璃、粒化高炉矿渣粉、砂和氟硅酸钠按一定比例配合，压入砖墙裂缝。粒化高炉矿渣粉的加入不仅起填充及减少砂浆收缩的作用，还能与水玻璃起化学反应，成为增进砂浆强度的一个因素。,