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第2章工程材料基础知识•2.1无机胶凝材料•建筑工程中，能将砂、石、砖、混凝土砌块等散粒状或块状材料黏结为整体且具有一定强度的材料，称为胶凝材料。根据化学组成的不同，胶凝材料分为•无机胶凝材料•和有机胶凝材料两大类。•无机胶凝材料根据硬化条件的不同，分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。•气硬性胶凝材料是指只能在空气中凝结硬化和发展其强度，如石灰、石膏、水玻璃和菱苦土等；•水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持和发展其强度，如各种水泥等。•气硬性胶凝材料一般只适用于干燥环境中，而不宜用于潮湿环境，更不可用于水中。•有机胶凝材料如沥青、树脂等。•2.1.1石灰•石灰是生石灰、消石灰、水硬性石灰的统称。因其原料分布广泛，生产工艺简单，成本低廉，使用方便，所以一直得到广泛应用。一、石灰的生产•原材料生产石灰的原材料包括天然石灰石和化工副产品。主要成分为CaCO3。•生产工艺——煅烧石灰生产过程，是石灰石煅烧过程。根据煅烧程度可分为欠火石灰、正火石灰、过火石灰。CaCO3==CaO+CO2MgCO3==MgO+CO2900℃700℃生石灰•2.1.1.1生石灰的生产•生石灰的主要原材料是以含碳酸钙为主要成分的石灰石、白垩等天然岩石，将这些原料在高温下煅烧即得生石灰，其主要成分是氧化钙。在煅烧过程中，煅烧温度宜控制在1000℃左右，此煅烧温度下生成的产品是正火石灰；如果火候控制不好，煅烧温度过高或时间过长，会生成过火石灰；煅烧温度过低或时间过短，会生成欠火石灰。•正火石灰具有多孔结构，内部孔隙率大，表观密度小，与水作用速度快；欠火石灰中CaO的含量低，会降低石灰的质量等级和利用率；过火石灰孔隙率小，表观密度大，结构密实，表面被熔融的黏土杂质形成的玻璃物质所包裹，熟化极其缓慢，当这种未充分熟化的石灰用于工程中如抹灰后，会吸收空气中大量的水蒸气，继续熟化，体积膨胀，致使墙面砂浆隆起、开裂，严重影响工程质量。•2.1.1.2生石灰的熟化•块状生石灰CaO在使用前都要加水熟化（又称消解）生成熟石灰Ca(OH)2（又称消石灰）。生石灰在熟化过程中放出大量的热，并且体积迅速增加1～2.5倍；一般煅烧良好、杂质小、CaO含量高的生石灰熟化较快，放热量和体积增大也较多。根据熟化时加水量的多少，可熟化成石灰膏和消石灰粉。二、石灰的熟化硬化过程、石灰的品种•生石灰的熟化–熟化的过程生石灰+水熟石灰–熟化的方式淋灰——生石灰粉（消石灰粉）化灰——熟石灰膏–熟化过程的特点放出大量的热；体积膨胀1.5～3.5倍。–熟化过程的注意事项•熟石灰在使用前必须陈伏15d以上——防止过火石灰的危害；•在化灰池表面保留一层水——防止石灰碳化。MgO+H2O==Mg（OH）2CaO+H2O==Ca（OH）2+64.83kj•将生石灰放在化灰池中，用过量的水熟化成石灰乳，然后经筛网流入储灰池，经沉淀去除多余的水分得到的膏状物即为石灰膏。为消除过火石灰对工程的危害，在使用前必须使其完全熟化或将其去除。常采用的方法是在熟化过程中首先将较大的过火石灰块利用筛网等去除（同时也为了去除较大的欠火石灰块，以改善石灰质量），之后将其放于储灰池中存放两周以上，即“陈伏”，使较小的过火石灰块熟化。在陈伏期间，需防止石灰碳化，应在其表面保留一定厚度的水层，以隔绝空气。•消石灰粉是将生石灰加适量的水熟化而形成的，加水量以能充分熟化而又不过湿成团为度。•块状生石灰使用前一定要熟化，如果将块状生石灰直接磨细成生石灰粉，则可以不预先熟化、陈伏而直接应用。因为生石灰粉细度高、与水接触的表面积大，因而水化反应速度快，且水化时体积膨胀均匀，避免了局部膨胀过大。•2.1.1.3石灰的主要特性•（1）石灰只能在空气中硬化，硬化速度较慢，硬化后强度低。1:3的石灰砂浆28d抗压强度通常只有0.2～0.5MPa。•（2）石灰受潮会溶解，强度下降或丧失，耐水性差。•（3）石灰硬化时体积明显收缩，除调成石灰乳作粉刷外，不宜单独使用。工程中常掺入砂、纸筋、麻刀等材料以减小收缩，并节约石灰。•（4）保水性好。在水泥砂浆中掺人石灰膏，配成混合砂浆，可显著提高砂浆的和易性。•因此石灰要在干燥条件下运输和储存，注意防潮、防水，且不宜在空气中存放太久。一般存放期为1个月。•2.1.1.4石灰的应用•①配制石灰土或石灰砂浆•石灰和粘土按比例配合形成石灰土，再加入砂，可配置出三合土。石灰土或三合土经分层夯实，具有一定的强度(抗压强度一般4～5MPa)和耐水性，多用于建筑物的基础或路面垫层。石灰与砂按一定比例混合加水搅拌而成石灰砂浆，石灰、水泥与砂按一定比例混合加水搅拌而成水泥石灰砂浆。石灰砂浆和水泥石灰砂浆是建筑工程中常用的砌筑、抹面材料。•②生产硅酸盐及碳化制品•以生石灰粉和硅质材料(如砂、粉煤灰、火山灰等)为基料，加少量石膏、外加剂，加水拌和成型，经湿热处理而得的制品，统称为硅酸盐制品，如蒸养粉煤灰砖及砌块等。将石灰粉和纤维料(或骨料)按规定比例混合，在水湿条件下拌和成型，经干燥后再进行人工碳化而成石灰碳化制品，如碳化砖、瓦、管材及石灰碳化板等。•③用于建筑室内粉刷•石灰乳是一种廉价的涂料，施工方便，颜色洁白，运用广泛。•2.1.2石膏•石膏是以硫酸钙(CaS04)为主要成分的气硬性无机胶凝材料。其品种主要有建筑石膏、高强石膏、粉刷石膏、不溶性硬石膏、高温煅烧石膏等。其中，以半水石膏为主要成分的建筑石膏和高强石膏在建筑工程中应用较多。•2.1.2.1石膏的水化与凝结硬化•建筑石膏加水拌合后，其主要成分半水石膏将与水发生化学反应生成二水石膏，放出热量，这一过程称为水化。石膏浆体中的自由水分因水化和蒸发而逐渐减少，浆体渐渐变稠，可塑性逐渐减小，这一过程称为凝结。其后，浆体继续变稠，逐渐凝聚为品体，并不断增长，直至完全干燥，这一过程称为硬化。•2.1.2.2石膏的特性•（1）凝结硬化快•石膏浆体的初凝和终凝时间都较短，一般初凝时间为几分钟至十几分钟，终凝时间在半小时以内，一周左右完全硬化。•（2）硬化时体积微膨胀•石膏浆体凝结硬化时略有膨胀（膨胀率约为1‰），使石膏硬化体表面光滑饱满，可制作出纹理细致的浮雕花饰。•（3）硬化后孔隙率高•石膏浆体硬化后内部孔隙率可达50%～60%，因而石膏制品具有表观密度较小、强度较低、导热系数小、吸声性强、吸湿性大、可调节室内温度和湿度的特点。•（4）防火性能好•石膏制品在遇火灾时，二水石膏将脱出结晶水，吸热蒸发，并在制品表面形成蒸汽幕和脱水物隔热层，可有效减少火焰对内部结构的危害。•（5）耐水性和抗冻性差•石膏硬化体的吸湿性强，吸收的水分会减弱石膏晶粒间的结合力，使强度显著降低；若长期浸水，还会因二水石膏晶体逐渐溶解而导致破坏。石膏制品吸水饱和后受冻，会因孔隙中水分结晶膨胀而破坏。所以，石膏制品的耐水性和抗冻性较差，不宜用于潮湿部位。•2.1.2.3石膏的应用•建筑石膏的应用广泛，除加水、砂及缓凝剂拌合成石膏砂浆用于室内抹面粉刷外，更主要的用途是制成各种石膏制品，如石膏板、石膏砌块及装饰件等。•建筑石膏及其制品在运输和储存时，要注意防雨、防潮。建筑石膏的储存期为3个月，过期或受潮后，强度会有一定程度的降低。镁质胶凝材料——菱苦土•菱苦土的生产镁质胶凝材料是将菱镁矿或白云石经煅烧、磨细而制成。煅烧的菱苦土为白色或浅黄色粉末。苛性白云石为白色粉末。•菱苦土的水化硬化一般与MgCl2溶液按一定比例混合，硬化快，强度高。但吸湿性强，耐水性差。形成的水化产物主要为氯氧化镁和氢氧化镁。•菱苦土的应用–生产木屑地板、木丝板、刨花板等。–菱苦土板材用于机械包装材料，可以节约大量木材。–只能用于干燥状态下，而不能受潮、遇水或酸性介质侵蚀的部位。•2.1.3通用水泥•水泥按其用途及性能可分为通用水泥、专用水泥及特性水泥三类。目前，我国建筑工程中常用的是通用硅酸盐水泥，它是以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。根据其中混合材料的品种和掺量，通用硅酸盐水泥可分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥，见表2-1。表2-1通用硅酸盐水泥的代号和强度等级水泥名称简称代号强度等级硅酸盐水泥硅酸盐水泥P·Ⅰ、P·Ⅱ42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R普通硅酸盐水泥普通水泥P·O42.5、42.5R、52.5、52.5R矿渣硅酸盐水泥矿渣水泥P·S·A、P·S·B32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R火山灰质硅酸盐水泥火山灰水泥P·P粉煤灰硅酸盐水泥粉煤灰水泥P·F复合硅酸盐水泥复合水泥P·C注：1.根据《通用硅酸盐水泥》GB175-2007/XG1-2009；2.强度等级中的Ｒ表示早强型；二、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥•定义熟料＋适量石膏＋20%～70%粒化高炉矿渣20%～40%粉煤灰20%～50%火山灰质混合材料矿渣水泥（P·O）粉煤灰水泥（P·S）火山灰水泥（P·P）磨细磨细磨细•2.1.3.1水泥的技术要求•（1）凝结时间•水泥的凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是从水泥加水拌合起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间是从水泥加水拌合起至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。六大常用水泥的初凝时间均不得短于45min，硅酸盐水泥的终凝时间不得长于6.5h，其他五类常用水泥的终凝时间不得长于10h。•（2）体积安定性•水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。如果水泥硬化后产生不均匀的体积变化，即所谓体积安定性不良，就会使混凝土构件产生膨胀性裂缝，降低建筑工程质量，甚至引起严重事故。因此，施工中必须使用安定性合格的水泥。•游离氧化钙引起的水泥体积安定性不良可采用沸煮法检验。沸煮法包括试饼法和雷氏法2种。试饼法是将标准稠度水泥净浆做成试饼，沸煮3h后，若用肉眼观察未发现裂纹，用直尺检查没有弯曲现象，则称为安定性合格；雷氏法是测定水泥浆在雷氏夹中沸煮硬化后的膨胀值，若膨胀量在规定值内为安定性合格。当试饼法和雷氏法两者结论有矛盾时，以雷氏法为准。•（3）强度及强度等级•采用胶砂法测定水泥的3d和28d的抗压强度和抗折强度，根据测定结果来确定该水泥的强度等级。表2-2通用硅酸盐水泥不同龄期的强度品种等级强度抗压强度抗折强度3d28d3d28d硅酸盐水泥42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥5.5普通硅酸盐水泥42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.0矿渣硅酸盐水泥火山硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥水泥复合硅酸盐水泥32.5≥10.0≥32.5≥2.5≥5.532.5R≥15.0≥3.542.5≥15.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥19.0≥4.052.5≥21.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥23.0≥4.5•（4）其他技术要求•其他技术要求包括标准稠度用水量、水泥的细度及化学指标。水泥的细度属于选择性指标。•细度是指水泥颗粒的粗细程度，采用筛析法或比表面积法测定。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积表示，其比表面积不小于300㎡/kg；其他四类常用水泥的细度以筛余表示，其80µm方孔筛筛余不大于10%或45µm方孔筛筛余不大于30%。2.1.3.2常用水泥的特性及应用六大常用水泥的主要特性见表2-3。硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥复合水泥主要特性①凝结硬化快、早期强度高②水化热大③抗冻性好④耐热性差⑤耐蚀性差⑥干缩性较小①凝结硬化较快、早期强度较高②水化热较大③抗冻性较好④耐热性较差⑤耐蚀性较差⑥干缩性较小①凝结硬化慢、早期强度低，后期强度增长较快②水化热较小③抗冻性差④耐热性好⑤耐蚀性较好⑥干缩性较大⑦泌水