1、第 二 章,无机胶凝材料 Inorganic Binders or Inorganic Cementitous materials,本 章 主 要 内 容,石膏 石灰 水玻璃 硅酸盐水泥 掺混合材的硅酸盐水泥 其它品种水泥,教 学 大 纲,石膏：石膏的生产与品种。建筑石膏的凝结与硬化。建筑石膏的特性、质量要求与应用。 石灰：石灰的原料与生产。石灰的熟化与硬化。石灰的特性、质量要求与应用。 水玻璃：水玻璃的组成；水玻璃的硬化；水玻璃的性质；水玻璃的应用。 硅酸盐水泥：硅酸盐水泥的生产过程与硅酸盐水泥熟料的矿物组成。硅酸盐水泥的凝结与硬化。硅酸盐水泥的技术要求。水泥石的腐蚀与防止。硅酸盐水泥的性质
2、、应用与存放。,掺混合材料的硅酸盐水泥：混合材料。普通硅酸盐水泥。矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的特点与应用。 其它品种水泥：快硬硅酸盐水泥、白色及彩色硅酸盐水泥、膨胀水泥、道路水泥、中低热水泥和抗硫酸盐水泥等的特点与应用。 高铝水泥：高铝水泥的主要矿物成分与水化产物。高铝水泥的技术要求。高铝水泥的性质与应用。,概述,基本概念 胶凝材料的分类 学习要求,基本概念：什么是胶凝材料？,定义：经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。 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
3、力； 具有一定的使用性能。,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。 按其硬化条件：气硬性胶凝材料 石膏、石灰等；水硬性胶凝材料 各种水泥等。,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！,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(Whi
4、ch)？ 怎样正确选择和使用胶凝材料(How)？,第一节 石 膏 Plaster,石膏的组成与结构Composition and Structure of Plaster 石膏的生产Plaster Production 建筑石膏的凝结与硬化Setting and Hardening of Plastter 建筑石膏的性质Properties of Plaster and its Articles 建筑石膏的应用Utilization of Plaster and its Articles,Summary,性质石膏是气硬性胶凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏CaSO40.5H2O; 生产方法
5、建筑石膏可用天然二水石膏或化学石膏在120180 C干燥下脱水制备； 凝结硬化机理“溶解沉淀”理论，即通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化； 性能浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人体和环境无害。 应用各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。,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,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；
6、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）做神庙得窗户； 古罗马人用石膏浇注了成千上万座古希腊得雕塑。 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(CaSO4 H2O)，二水硫酸钙 (CaSO42H2O)称为 gypsum,一、石膏的组成与结构,石膏的矿物组成：CaSO4xH2O
7、,X为结晶水H2O,x0，硬石膏 (无水石膏),x0.5 ，熟石膏(半水石膏),x2，生石膏 (二水石膏),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,半水石膏晶体形貌,二、石膏的生产,原料： 天然二水石膏； 天然无水石膏； 工业副产物磷石膏、氟石膏等。 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,天然石膏矿纤维状晶体,我国石膏矿分布非常广泛,非密闭煅烧脱水工艺及其产品,CaSO42H2O,120180C,
8、可溶无水石膏,-半水石膏,200360C,400500 C,难溶无水石膏,500750C,不溶无水石膏,随着煅烧温度升高： 二水石膏转变为-型半水石膏 -型转变可溶性无水石膏 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,密闭蒸练工艺及其产品：,125180C 水蒸气,-型半水石膏,CaSO42H2O,200360C,可溶无水石膏,400800C,不溶无水石膏,1,不溶无水石膏 CaSO4(),8001180C,地板石膏 CaSO4与CaO,生产工艺与产品的组成,CaSO42H2O,120180C 干燥空气,125180C 水蒸气,-CaSO40.5H2O,-CaSO40.5H2O,
9、-CaSO4()可溶,-CaSO4()可溶,200360C,200360C,400800C,400800C,CaSO4()不溶,8001180C,CaSO4()不溶CaO,非密闭煅烧工艺及其产品组成,密闭蒸炼工艺及其产品组成,石膏生产流程图,熟石膏,高强石膏,原料入口,产 品,废气排放,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 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+、
10、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,凝结硬化的物理化学过程,石膏浆体,半水石膏颗粒 二水石膏晶体,石膏胶体,石膏硬化体,水,孔隙,水化初期：二水石膏晶体较少,随着水化反应进行二水石膏晶体量,石膏硬化体中晶体堆积体,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。,石膏颗粒表面分子首先水化,颗粒表面二水石膏晶体不断增多,半水石膏全部水化成二水石膏,所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！,石膏凝结硬化的影响因素,石膏的组成石膏浆体的用水量外加剂细度
11、,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,一些无机盐(如硫酸钾)可以促进凝结硬化，而一些有机酸(如柠檬酸)可以延缓凝结硬化,细度越细，凝结硬化越快。,加水量50的硬化石膏的晶体较粗,加水量24的硬化石膏的晶体较细,硫酸钾可以促进石膏浆体的凝结硬化(曲线a)， 而柠檬酸可以使石膏浆体缓凝(曲线b),时间(s),四、建筑石膏的性质,建筑石膏的技术要求(GB977688)： 密度：2.502.70; 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; 石膏硬化体及制品的特性： 表观密度较
12、小：1.0 孔隙率较大 强度较低 耐水性和抗冻性较差 防火性较好 隔热性和吸声性良好 装饰性,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6080，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。,3. 为什么石膏制品的耐水性差Why？答：石膏晶体是
13、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 。,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
14、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: 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？ 如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？,调湿作用,红线条表示室内湿度变化,蓝线条表示室外湿度变化,五、建筑石膏的应用,建筑石膏是一种很好的绿色建材！ 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 粉刷石膏： 墙面粉刷 雕饰,各种墙板,德国一所教堂的外墙
15、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,第二节 石 灰 lime,建筑石灰的组成与品种 建筑石灰的制备 石灰的硬化 石灰的性质 石灰的应用,一、石灰的组成与品种,气硬性石灰粘土杂质含量8%的石灰石热分解物及其水化物： 生石灰粉：CaO； 熟(消)石灰粉：Ca(OH)2； 石灰膏(浆)：Ca(OH)2、H2O； 水硬性石灰粘土杂质含量8%的石灰石热分解物：CaO、活性Si2O、Al2O3等,二、石灰的制备,原料：以CaCO3为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。 石灰的制备： 石灰石的热分解反应：CaCO3 CaOCO2 制备工艺：岩石 破碎 煅烧 粉磨(
16、消解),制备工艺与产品,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，过火石灰,减轻或消除过火石灰的危害,石灰浆体,氢氧化钙晶体 碳酸钙晶体,石灰凝胶体,石灰碳化体,水,孔隙,水分损失,碳化,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(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。,四、石灰的性质,建筑石灰的
17、技术要求：CaO的含量 CO2的含量(欠火石灰)细度 体积安定性(过火石灰) 建筑石灰的特性：表观密度较小 浆体的可塑性好硬化后的强度较低 耐水性差浆体硬化中容易开裂 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 。,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
18、单独使用，可掺加一些砂子、麻刀丝?或纸筋等。,五、石灰的应用,配制建筑砂浆和石灰乳 配制无熟料水泥石灰火山灰活性材料 配制三合土石灰粘土砂水 作为其它建材制品的原料如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等。 软土地基加固,第三节 水玻璃,水玻璃的组成 水玻璃的制备 水玻璃的硬化 水玻璃的性质 水玻璃的应用,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： R2OnSiO2 + H2O 水玻璃干法： R2O
19、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,水玻璃硬化过程,水玻璃溶液 硅酸凝胶 二氧化硅玻璃体,R,SiO4-4,R,R,SiO4-4,R,R,R,R,R,H4SiO4,H4SiO4,H4SiO4,H4SiO4,R,CO3,SiO2,SiO2,SiO2,SiO2,R2CO3,酸 化,脱水交联
20、,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,问 题？,为什么水玻璃能配制耐酸混凝土和砂浆？答：水玻璃溶液的凝结硬化是在酸作用下，使硅酸根离子逐步缩聚交联成二氧化硅玻璃体，因此，酸性条件只会使水玻璃中硅酸根离子的交联度提高，更加密实和耐水。 为什么水玻璃模数n越大，粘结力越强，耐水性越好？答：n是SiO2/R2O的摩尔比，n越大，表明SiO2含量越大，硬化后的玻璃体中SiO2的交联密度越大，所以，粘结力越强，耐水性越好。,教 学 要 求,基本概念：胶凝材料及其分类；石膏、石灰、水玻璃、硅酸盐水泥的组成； 基本知识：重点掌握建筑石膏的特性与石膏的水化、凝
21、结、硬化过程，石膏的技术性质与应用，石膏的制备工艺和条件对石膏组成与性能的影响；石灰的技术性质与应用，过火石灰、欠火石灰的危害及消除方法；石灰熟化与硬化，两种熟化和使用形式，干燥硬化与碳化的机理。 水玻璃的浓度，模数对水玻璃性质的影响，水玻璃硬化的原因。,基本知识：硅酸盐水泥的组成、技术性质、应用及储运知识；水泥浆体在侵蚀性介质下的腐蚀及其防止的措施；水泥石的结构；活性混合材的组成、性质及作用。普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和高铝水泥等其它水泥的组成、性能的特点及应用。 基础理论：硅酸盐水泥的水化反应及其产物，凝结硬化过程及其影响因素；水泥组成对其性能的影响。 基本技能：水泥主要技术性质的测试，各种水泥的正确选用。,
