1、2无机胶凝材料 本章主要介绍三种常用的无机气硬性胶凝材料 通过学习 了解石灰 石膏及水玻璃的生产制备方法 掌握石灰石膏及水玻璃的水化 熟化 硬化机理 技术性质 实习它们在建筑工程中的主要用途和应用的要点 本章提要 2 1胶凝材料的定义 分类 无机胶凝材料 无机生料 岩石 粘土等 按一定配比后 高温下转变成熟料 煅烧急冷而形成活性矿物 同介质发生反应形成新的产物 逐渐凝结 硬化 从而将散状材料与其粘结在一起 1 定义 胶凝材料 将建筑上凡是经过一系列物理 化学作用 把能够将散状材料或块状材料粘结成整体的材料 按化学成分分 胶凝材料 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 沥青
2、 树脂 橡胶等 如石灰 石膏 如各种水泥 2 分类 气硬性胶凝材料 只能在空气中凝结硬化水硬性胶凝材料 在空气和水中均能凝结硬化 2 2胶凝材料的水化 定义 胶凝材料与水介质拌和的浆体逐渐变稠的过程 影响水化的因素 1 胶凝材料的细度 水化 2 水介质条件 外加剂 3 水化产物的转移速度 由表及内 外加剂 搅拌 4 环境温度 温度过高或者过低 胶凝材料的凝结 定义 水化产物之间产生的吸附和结晶过程 可塑浆体转变为固体的过程 影响水化的因素 1 水化速度 水化同凝结的连续性 2 结晶速度 碳酸钙晶体 3 水化产物数量 分子的布朗运动 胶凝材料的硬化 定义 浆体内部水化合物不断更新 固体内部孔隙逐
3、渐减少 固体强度逐渐加强的过程 影响水化的因素 1 水分蒸发 裂缝 2 未水化的颗粒 无法水化 2 3石灰 石灰的生产原理 原料 石灰石 白云石 白垩 贝壳等 主要是含碳酸钙为主主要工序 破碎 加热 煅烧 磨细一般是天然岩石在立窑中进行煅烧化学反应 CaCO3CaO CO2生成生石灰 其主要成分为氧化钙 CaO 2 3 1石灰的生成 900 1000 过火石灰 CaO活性低 水化过程极为缓慢 易吸潮水化 体积膨胀 严重影响工程质量 欠火石灰 几乎没有活性 影响石灰的质量 颜色洁白 质地松软 重量轻 易于熟化 CaO活性正常 正火石灰 原料中MgCO3石灰MgO按MgO含量 建筑生石灰分为 钙质
4、石灰 MgO含量不超5 镁质石灰 MgO含量超5 消石灰分为 钙质消石灰粉 MgO含量小于4 镁质消石灰粉 MgO含量4 24 白云石消石灰粉 MgO含量24 30 2 3 2石灰的品种 消石灰粉 CaO 石灰膏 Ca OH 2 消石灰粉 Ca OH 2 石灰乳 Ca OH 2 磨细 水化 水化 水化 适量水 适量水 过量水 图2 1石灰的加工及其产品示意图 生石灰CaO 1 石灰的水化 石灰的水化 又称消解 它是生石灰 CaO 与水作用生成熟石灰 Ca OH 2 的过程 在熟化过程中 放出大量的热 体积迅速增加1 2 5倍 建筑工程中常用经熟化后的熟石灰 如石灰膏等 2 3 3石灰的水化和硬
5、化 水化的特点 放热量大放热速度快 体积剧烈膨胀 熟化方法根据用途不同有 A石灰膏用于拌制砌筑砂浆或抹灰砂浆 生石灰 石灰浆 化灰池中完成 石灰膏 储灰坑沉淀 石灰的陈伏 石灰浆应在储灰坑中储存两周以上 以充分熟化过火石灰 防止使用时抹灰隆起或开裂 B熟石灰粉用于拌制石灰土 石灰 粘性土 或三合土 石灰 粘土 砂石 粉煤灰 矿渣 炉渣 碎砖 向石灰堆中 用水管分层注水 加水量为生石灰重量的60 80 使其充分消解 又不过湿成团 用前 往往要闷几天 类似于石灰浆的陈伏 2 石灰的硬化 石灰浆体在空气中的硬化 包括两个同时进行的过程 结晶作用 Ca OH 2从饱和溶液中 结晶而出 碳化作用 Ca
6、OH 2 CO2 nH2O CaCO3 n 1 H2O碳化作用长时间内仅限于表层 结晶作用主要在内部发生 硬化过程产生了两种晶体 石灰的硬化包括干燥硬化和碳化硬化 结晶硬化干燥硬化是石灰浆体在干燥过程中 毛细孔隙失水 由于水的表面张力的作用 毛细孔隙中的水面呈弯月面 从而产生毛细管压力 使得Ca OH 2颗粒间的接触紧密 产生一定的强度 碳化硬化碳化硬化是Ca OH 2与空气中的CO2化合生成CaCO3晶体称为碳化 生成的CaCO3具有相当高的强度 1 石灰的性质 保水性 可塑性好石灰熟化生成的Ca OH 2颗粒极其细小 比表面积 材料的总表面积与其质量的比值 很大 使得氢氧化钙颗粒表面吸附有
7、一层较厚水膜 即石灰的保水性好 石灰浆具有良好的可塑性 可作为掺加料加入水泥砂浆中形成混合砂浆 提高和易性 凝结硬化慢 强度低石灰的凝结硬化很慢 且硬化后的强度很低 如石灰砂浆28d抗压强度只有0 2 0 5MPa 2 3 4石灰的性质和应用 耐水性差潮湿环境中石灰浆体不会产生凝结硬化 硬化后的石灰浆体的主要成分为Ca OH 2和少量的CaCO3 所以不能用于潮湿地点 也不能单独用于建筑基础 CaCO3 CO2 H2OCa HCO3 2 具有可溶性 干燥收缩大Ca OH 2颗粒吸附的大量水分在凝结硬化过程中不断蒸发 并产生很大的毛细管压力 使石灰浆体产生很大的收缩而开裂 因此石灰除做粉刷墙面外
8、一般不宜单独使用 2 石灰的应用 利用熟化石灰制成石灰砂浆或水泥石灰混合砂浆 用于抹灰和砌筑 石灰乳刷白 内墙 顶棚 外墙 利用石灰与石英砂 粉煤灰 矿渣等为主要原料 生产人造石材 加入高炉矿渣 粉煤灰可提高耐水性 熟化后的石灰与粘土拌和成灰土或石灰土 若再加砂或石屑 炉渣等形成三合土 广泛用于建筑工程的基础和道路的垫层或基层 磨细生石灰 纤维状填料 如玻璃纤维 或轻质骨料加水搅拌成型为坯体 然后再通入CO2进行人工碳化 12 24h 而成的一种轻质板材 作为非承重的内隔墙板以及天花板等 生产硅酸盐制品原料 生石灰粉 消石灰粉 硅质材料 粉煤灰 粒化高炉矿渣 浮石 砂子 水 有时加石膏 储存要
9、防潮 使用要注意安全 质量分三级 优等品 一等品 合格品 混合砂浆 水泥 石灰膏 砂 水 砌墙 石灰土 消石灰粉 生石灰粉 粘性土 水 作一般道路基层 或高等级道路的底基层 石灰能显著提高粘性土的强度和耐水性 原因是 1 离子交换 石灰浆中的游离钙离子和氢氧根离子与细粒粘土矿物中的钠离子 氢离子发生交换 减薄粘土颗粒吸附水膜厚度 使土粒凝聚 形成稳定团粒结构 使石灰土获得初期强度 2 石灰硬化过程中生成的氢氧化钙晶体和碳酸钙晶体相互结合 并把土粒结成整体 提高了石灰土的稳定性 3 粘土中少量的活性氧化铝与氧化硅与氢氧化钙反应生成不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙 粘土主要成分为Al2O3 2Si
10、O2 2H2O 在土中形成凝胶结构 使石灰土的刚度不断增大 强度与水稳定性不断提高 生产石膏的原料主要是含CaSO4的天然石膏 又称生石膏 或含CaSO4的化工副产品和废渣等 其化学式为CaSO4 2H2O 也称二水石膏 石膏的生产过程主要是破碎 加热与磨细 2 4石膏 2 4 1石膏的生成 石膏是以CaSO4为主要成分的常用气硬性胶凝材料 1 建筑石膏 将天然CaSO4 2H2O在石膏炒锅或沸腾炉内燃烧且温度控制在107 170 范围时 CaSO4 2H2O脱水为细小晶体的 型CaSO4 1 2H2O 又称熟石膏 再经磨细制得 2 模型石膏 模型石膏的主要成分也是 型CaSO4 1 2H2O
11、 但杂质少 色白 主要用于陶瓷的制坯工艺的成型和装饰浮雕等 2 4 2石膏的主要品种 3 高强度石膏 将CaSO4 2H2O在密闭的压蒸釜内蒸炼脱水成为半水石膏 又称 型半水石膏 再经磨细制得 与 型半水石膏相比 型半水石膏的晶体粗大且密实 达到一定稠度所需的用水量小 且只有建筑石膏的一半 因此这种石膏硬化后结构密实 强度较高 硬化7d时的强度可达15 40MPa 高强度石膏主要用于要求较高的抹灰工程 装饰制品和石膏板 另外掺入防水剂还可制成高强度防水石膏和无收缩的粘结剂等 4 粉刷石膏 粉刷石膏是天然CaSO4 2H2O或废石膏经适当加工工艺所得到的粉状生成物 当配适量的缓凝剂 保水剂等化学
12、外加剂后制成抹灰用胶结料 1 建筑石膏的水化 建筑石膏 CaSO4 1 2H2O 加水拌和后 与水发生水化反应首先溶解于水 然后发生反应 生成CaSO4 2H2O 即建筑石膏的水化 2 建筑石膏的凝结和硬化 当水化继续进行后 CaSO4 2H2O胶体微粒的数量不断增多 它比原来的CaSO4 1 2H2O颗粒细得多 可吸附更多的水分 浆体中的水分因水化和蒸发而逐渐减少 浆体的稠度逐渐增加 颗粒之间摩擦力和粘结力逐渐增大 浆体的可塑性减少 形成石膏的凝结 2 4 3建筑石膏的水化 凝结和硬化 建筑石膏的凝结与硬化二水石膏的溶解度仅为半水石膏的1 5左右 反应总向右进行 溶液中 不断析出二水石膏的胶
13、粒 CaSO4 1 2H2O 3 2H2OCaSO4 2H2O 化学反应 1 凝结硬化时间短 2 凝结硬化时体积微膨胀 3 孔隙率大 体积密度小 4 保温性和吸声性好 5 强度较低 6 具有一定的调湿性 7 防火性好 但耐火性差 8 耐水性 抗渗性 抗冻性差 2 4 4建筑石膏的性质 1 作室内抹灰和粉刷材料用 2 制作石膏板 石膏板具有轻质 隔热保温 吸声 防火 尺寸稳定及施工方便等性能 在建筑中得到广泛的应用 是一种很有发展前途的新型建筑材料 建筑石膏在存储中应注意防雨 防潮 存储期一般不宜超过三个月 2 4 5建筑石膏的应用 吸声用穿孔石膏板 用于音乐厅 影剧院 会议室的吊顶 墙面材料
14、耐水纸面石膏板 添加耐水外加剂 用于厨房 卫生间 耐火纸面石膏板 添加无机耐火纤维 用于公共建筑 如影剧院 体育馆 展馆 幼儿园 商场的吊顶 墙面 隔断 特种耐火石膏板 1h 用于防火等级要求高的建筑物 艺术浮雕装饰制品 石膏角线 石膏造型 石膏壁画 艺术顶棚 灯圈 角花 艺术廊柱 罗马柱 3 建筑石膏的质量要求 主要有强度 细度和终凝时间 并按强度 细度和终凝时间划分为优等品 一等品 和合格品 各等级建筑石膏的初凝时间不得小于6min 终凝时间不得大于30min 水玻璃 俗称泡花碱 是一种水溶性硅酸盐 其化学式为R2O nSiO2 其中R2O是碱金属氧化物 n为SiO2与R2O摩尔数的比值
15、称为水玻璃的模数 建筑上常用的水玻璃是硅酸钠Na2O nSiO2的水溶液和硅酸钾K2O nSiO2的水溶液 颜色呈青灰色或淡黄色 3 3水玻璃 3 3 1水玻璃的化学成分和生成 水玻璃是一种气硬性胶凝材料 在建筑工程中常用来配制水玻璃砂浆及水玻璃混凝土等 生产水玻璃常采用碳酸盐法 即将石英砂和碳酸钠磨细拌匀 在1300 1400 温度下熔化生成固体水玻璃 然后在水中加热溶解而成液体水玻璃 有时也可用碳酸钾代替碳酸钠 制成碳酸钾水玻璃 水玻璃是气硬性胶凝材料 在空气中它能与二氧化碳反应 生成无定形的二氧化硅凝胶 又称硅酸凝胶 凝胶脱水转变成二氧化硅而硬化 又称自然硬化 因空气中的二氧化碳含量很少
16、 自然凝结硬化缓慢 因此 水玻璃在使用过程中常加入促硬剂 加快其凝结硬化速度 常用的促硬剂有氟硅酸钠 Na2SiF6 等 3 3 2水玻璃的凝结硬化 1 粘结力强 强度较高 2 耐酸性 耐热性好 3 耐碱性 耐水性差 3 3 3水玻璃的性质 1 作材料表面处理用 提高材料抗风化能力 2 加固地基 3 配制速凝防水剂 4 修补砖墙裂缝 3 3 4水玻璃的应用 1 涂刷建材表面可提高抗风化能力用其水溶液 比重约1 35 涂刷黏土砖 硅酸盐制品 水泥混凝土及石灰石等 但不能用于石膏 2 配制快凝堵漏防水剂以水玻璃为基料加入2 3 4种矾配制 如四矾防水剂 蓝矾 硫酸铜 明矾 钾铝矾 红矾 重铬酸钾 紫矾 铬矾 各1份 溶于60份100 C的水中 降温至50 C 加入到400份水玻璃溶液搅拌而成 其凝结很快 不超过1分钟 与水泥浆调和 可堵塞漏洞与裂缝 3 用于土壤加固将模数为2 5 3的液体水玻璃和氯化钙溶液交替压入土体 二者反应 生成硅酸胶体 包裹土粒并填实空隙 加固砂土 使其强度可达3 6MPa 4 配制耐酸 耐热砂浆和混凝土
