第三章 气硬性胶凝材料

第三章气硬性胶凝材料三江土木工程学院图3.1胶凝材料分类以天然的或合成的有机高分子化合物为基本成分以无机化合物为基本成分凝结硬化条件的不同概述化学组成胶凝材料：能通过物理化学作用将散粒材料或块状材料胶结成为一个整体，并产生强度的材料。3①气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，保持并发展其强度的材料。②水硬性胶凝材料：既能在空气中硬化，又能更好的在水中硬化，保持并发展其强度的材料。概念3.1石灰石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一，石灰的原料分布很广，生产工艺简单，成本低廉，在土木工程中应用很广。石灰的生产及分类天然碳酸岩类岩石——（石灰石、白云石）经高温煅烧，其主要成分CaCO3分解为以CaO为主要成分的生石灰，其化学反应可表示如下：CaCO3==CaO+CO2MgCO3==MgO+CO2900℃700℃生石灰生石灰钙质石灰镁质石灰MgO≤5%MgO＞5%制备工艺与产品石灰石1000～1200C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的熟（消）化在使用石灰时，将生石灰加水，使之消解为消石灰的过程，称为石灰的“消化”，又称生石灰的熟化反应：molKJOHCaOHCaO/85.64)(22熟化的特点：1.反应可逆。2.水化热大、水化速度快。3.水化过程体积增大。石灰熟化法熟化的方式：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。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。石灰的性质性质（特点）:（1）可塑性和保水性；（2）凝结硬化慢，强度低；（对比：建筑石膏硬化快）（3）体积收缩率大；（对比：建筑石膏是微膨胀性）因此：在使用过程中，常加入纤维材料。（4）耐水性差；氢氧化钙微溶于水（5）化学稳定性差。怕酸石灰的技术性质建筑生石灰、建筑生石灰粉、建筑消石灰粉按有效CaO＋MgO的含量，CO2的含量(欠火石灰),细度，体积安定性(过火石灰)可分为优等品、一等品和合格品三个等级。具体指标见教材。石灰的储存•生石灰储存时间不宜过长，一般不超过一个月。作到“随到随化”。•不得与易燃、易爆等危险液体物品混合存放和混合运输。•熟石灰在使用前必须陈伏15d以上，以防止过火石灰对建筑物产生的危害。石灰的用途适用范围生石灰配制石灰膏；磨细成生石灰粉石灰膏用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆稀释成石灰乳(石灰水)涂料，用于内墙和平顶刷白生石灰粉(磨细生石灰粉)用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆配制无熟料水泥(石灰矿渣水泥、石灰粉煤灰水泥、石灰火山灰水泥等)制作硅酸盐制品(如灰砂砖等)制作碳化制品(如碳化石灰空心板)用于石灰土(灰土)和三合土消石灰粉制作硅酸盐制品用于石灰土(石灰+粘土)和三合土石灰的应用三合土用作铺筑步道砖的垫层三合土桩灰土桩石灰的应用习题•1、填空：石灰的特性有：可塑性________、硬化速度________、硬化时体积________和耐水性________等。•2、填空：石灰熟化时放出大量________、体积发生显著________；石灰硬化时放出大量________和体积发生显著________。•3、判断：石灰陈伏是为了降低熟化时的放热量。（）•4、判断：石灰是气硬性胶凝材料，因此所有加入了石灰的材料都只能在空气中硬化并保持和发展强度。（）请观察图中A、B两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别，并讨论其成因。石灰砂浆A石灰砂浆B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，避免单独使用，可掺加一些砂子、麻刀丝或纸筋等。石膏你知道这些绷带是用什么做的吗？3.2石膏石膏胶凝材料是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。我国已经探明的天然石膏矿储量为52亿吨，化学石膏储量约100万吨以上；在美国，目前80%的住宅使用石膏板作为内墙和吊顶。天然石膏矿纤维状晶体二水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌石膏胶凝材料的生产二水石膏CaSO4·2H2OCaSO4·0.5H2OCaSO4·0.5H2OCaSO4ⅢCaSO4ⅡCaSO4Ⅰ107～170℃加热、脱水125℃0.13MPa蒸压锅170～360℃加热、脱水400～750℃800℃β型建筑石膏α型高强石膏可溶性石膏不溶性石膏高温煅烧石膏在常温下不存在在建筑工程中常用建筑石膏；高强石膏用于生产建筑石膏制品。石膏胶凝材料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。在不同的煅烧温度下，得到的产品是不同的。生产工艺与产品的组成CaSO42H2O120~180C干燥空气125~180C水蒸气-CaSO40.5H2O-CaSO40.5H2O-CaSO4(Ⅲ)可溶-CaSO4(Ⅲ)可溶200~360C200~360C400~800C400~800CCaSO4(Ⅱ)不溶800~1180CCaSO4(Ⅰ)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β—半水石膏(熟石膏)和α—半水石膏(高强石膏)在宏观性能上的差别，主要是由于亚微观上即晶粒的型态、大小以及聚集状态等方面的差别。α型与β型半水石膏区别β—半水石膏水化速度较快，水化热高，需水量大，胶化体的强度较低。结晶度较差，常为细小的纤维状或片状聚集体，内比表面积较大。结晶比较完整，常呈短柱状，晶粒较粗大，聚集体的内比表面积较小，致密，有一定的结晶形状。α型和β型半水石膏的性能差异性能α型半水石膏（高强石膏）β型半水石膏（建筑石膏）强度（MPa）10以上5～10标准稠度（％）40～5060～80凝结时间（min）17～207～12建筑石膏的凝结硬化建筑石膏与适量的水拌合后，最初成为可塑的浆体，但很快就失去塑性和产生强度，并逐渐发展成为坚硬的固体，这种现象称为凝结硬化，它是由于浆体内部发生了一系列的物理化学变化。建筑石膏的凝结硬化•建筑石膏加水后，与水发生的化学反应如下：CaSO4·0.5H2O+1.5H2O=CaSO4·2H2O•建筑石膏的凝结硬化过程可以表示如下：建筑石膏+水浆体凝结硬化建筑石膏的凝结硬化•半水石膏的溶解→溶液过饱和→二水石膏晶体的析出；•浆体水分的蒸发和晶体的生成→浆体变稠失去塑性→石膏凝结；•晶体连生、搭接，形成结晶结构网→逐渐产生强度。溶解→析晶→晶体结构网→强度•水→结晶水、蒸发石膏硬化体水化初期：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图3-10β型半水石膏浆体强度的发展过程第一阶段5min以前，浆体的塑性强度很低，且增长很慢；第二阶段5min~30min，强度迅速增大，并发展到最大值；最后如果硬化浆体在潮湿条件下养护，则强度逐渐有所下降。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！建筑石膏的技术要求和性质技术要求–建筑石膏按细度、强度和凝结时间分为三级。特点–表观密度小，强度较低；–凝结硬化快；–孔隙率大，热导率小；–凝结时体积产生微膨胀；–吸湿性强，耐水性差；–具有较好的防火性能；–具有良好的装饰性和可加工性。建筑石膏的应用•室内抹灰与粉刷•生产建筑石膏制品吊顶隔墙贴面墙石膏绷带：生石膏熟石膏加热加水习题•1、填空：建筑石膏凝结硬化速度________、硬化时体积________、硬化后孔隙率________、表观密度________、强度________、保温性________、吸声性能________、防火性能________等。•2、判断：石膏浆体的水化、凝结和硬化实际上是碳化作用。（）•3、判断：建筑石膏为β型半水石膏，高强石膏为α型半水石膏。（）•4、判断：和石灰一样，建筑石膏硬化后体积也要收缩。（）习题•5、选择：石膏制品具有良好的防火性能，其原因是（）•Ｉ火灾时CaSO4·2H2O脱水，表面形成水膜•II石膏制品孔隙率大•III石膏硬化时约有1%的膨胀率•IV石膏吸水率大•V石膏制品导热率低ＡI、II、IIIＢI、III、VCI、II、VDI、IV、V思考：•某住户喜爱石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕板作装饰。使用一段时间后，客厅、卧室效果相当好，但厨房、厕所、浴室的石膏制品出现发霉变形。请分析原因。3.3水玻璃水玻璃的组成水玻璃是由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。根据碱金属氧化物的不同，水玻璃有：硅酸钠水玻璃（Na2O·nSiO2）、硅酸钾水玻璃Ｋ2Ｏ·nSiO2）、硅酸锂水玻璃（Li2O·nSiO2）等品种，最常用的是硅酸钠水玻璃。ORSiOn22水玻璃模数水玻璃的生产生产水玻璃的方法分为湿法和干法两种。湿法：R2O＋nSiO2+H2O水玻璃干法：R2O＋nSiO2R2O·nSiO2R2O·nSiO2+H2O水玻璃水玻璃的硬化水玻璃与空气中的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。OHSiOOHSiOOmHnSiOCONaOmHCOnSiOONa222222322222为了加速水玻璃的硬化，可加热或掺入12%~15%的促硬剂氟硅酸钠。水玻璃的性质水玻璃在凝结硬化后，具有以下特性：A.黏结力强、强度较高------水玻璃在硬化后，其主要成分为二氧化硅凝胶和氧化硅，因而具有较高的黏结力和强度。B.耐酸性好------由于水玻璃硬化后的主要成分为二氧化硅，它可以抵抗除氢氟酸、过热磷酸以外的几乎所有的无机和有机酸。水玻璃的性质C.耐热性好------硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降不大。D.耐碱性和耐水性差------水玻璃在加入氟硅酸钠后仍不能完全硬化，仍然有一定量的水玻璃Na2O·nSiO2。由于SiO2和Na2O·nSiO2均可以溶于碱，且Na2O·nSiO2可溶于水，所以水玻璃硬化后不耐碱、不耐水。水玻璃的应用•涂刷或浸渍材料；•加固地基；•修补裂缝、堵漏；•配制耐酸砂浆和耐酸混凝土；•配制耐热砂浆和耐热混凝土。习题•1、填空：水玻璃模数是指________和________的摩尔比。•2、判断：水玻璃的模数越高，其在水中的溶解度越大。（）•3、判断：水玻璃的模数越高，其密度和粘度越大，硬化速度越快，硬化后的粘结力与强度、耐热性耐酸性越高。（）•思考：把水玻璃涂在粘土砖表面，可以提高抗风化能力；但涂在石膏制品表面则会使石膏制品破坏，请讨论其原因。问题？1.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。2.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。3.4镁质胶凝材料——菱苦土•菱苦土的生产原料苛性苦土(MgCO3)：菱镁矿苛性白云石蛇纹石(含水硅酸镁)冶炼镁合金的熔渣(MgO含量25%)•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