第3章无机胶凝材料

第3章无机胶凝材料河南理工大学土木工程学院道路与桥梁工程系主讲：徐平1234气硬性胶凝材料硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥其他水泥目录（contents）⑴掌握石膏、石灰及水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理、性质及使用要点，熟悉其主要用途；⑵熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理，熟练掌握硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点，相应的检测方法及选用原则；⑶了解特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点。本章知识点及重点难点本章的难点是硅酸盐水泥的组成、技术要求。重点是几种通用水泥的性能特点和选用原则。水泥品种繁多，建议学习中以硅酸盐水泥为点，搞清楚此点后拓展至其它通用水泥，再拓展至其它特性水泥和专用水泥，采用点面结合、对比的学习方法。本章知识点及重点难点3.1气硬性胶凝材料3.1.1石膏3.1.2石灰3.1.3水玻璃凡能在物理、化学作用下，从浆体变为坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。胶凝材料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）二者有何区别？？？胶凝材料的分类气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料的区别水硬性胶凝材料不仅可以在凝结硬化，还可以得到更好的凝结硬化。气硬性胶凝材料在凝结硬化。只能空气中空气中在水中判断题：气硬性胶凝材料只能在空气中凝结硬化，而水硬性胶凝材料只能在水中凝结硬化。错既能在空气中凝结硬化，又能在水中凝结硬化3.1.1石膏Plaster3.1.1.1石膏胶凝材料的制备3.1.1.2建筑石膏的凝结硬化3.1.1.3建筑石膏的技术性质与等级3.1.1.4建筑石膏的用途石膏应用的历史9000年前，叙利亚和土耳其的安那托力亚就有古迹；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的粘结材料——灰浆；372-287BC，古希腊人采用天然透明石膏（亚硒酸石膏）做神庙的窗户；古罗马人用石膏浇注了成千上万座古希腊的雕塑。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（capitalofplaster）之称。石膏是以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料。一、石膏的分类1.天然石膏。可分为天然二水石膏和天然硬石膏。天然二水石膏(CaS04·2H20)，属于以硫酸钙为主所形成的沉积岩，一般沉积在距地表800～1500m的深处。密度约为2.2～2.4g/cm3，难溶于水。天然硬石膏又称无水石膏，它是由无水硫酸钙(CaSO4)所组成的沉积岩石，其密度约为2.9～3.1g/cm3。硬石膏矿层一般位于二水石膏层以下的深处，其晶体结构比较稳定，化学活性较差。2.化学石膏。是指化工生产过程中所生成的以CaSO4·2H2O或CaSO4为主要成分的副产品。3.1.1.1石膏胶凝材料的制备⑴天然二水石膏天然二水石膏（CaSO4·2H2O）矿石是生产石膏胶凝材料的主要原料。雪花石膏在晶体构架中有杂乱无章、无定向粗粒状的密实石膏(雪花石膏)纤维石膏由带有丝光色泽，按规律分布的线状结晶复合而成的纤维石臂(透石膏）(2)天然无水石膏CaSO4）结晶紧密，结构比天然二水石膏致密，质地较硬，难溶于水，又称天然硬石膏。一般作为生产水泥的原料。(3)化工石膏CaSO4·2H2O与CaSO4混合物的化工副产品及废渣，也可作为生产石膏的原料，例如磷石膏是制造磷酸时的废渣，此外还有盐石膏、硼石膏、黄石膏、钛石膏等。磷石膏山下的村庄400余户村民提心吊胆度日对于昆明市富民县大营镇沙锅村400余户村民来说，3年前，云南新龙矿物质饲料有限公司和富民县水泥厂在此“安营扎寨”，无疑对当地的经济和发展起到了推动作用。可是，短短的3年过去，如今沙锅村后方已经堆积了30万吨磷石膏的垃圾山。晴天，村民们闻着刺鼻的硫酸味，雨天，又要担心磷石膏出现下滑淹没村庄。最让村民们不安的是，田地的土壤已遭到严重破坏，农作物产量每年呈递减的态势。19日，记者到现场进行了实地采访。堆积如山的磷石膏如果不到现场，你简直不敢相信，两座青山之中的沟箐里已经被白色的磷石膏垃圾堆得有山那么高，远远望去犹如一座“雪山”，白茫茫一片。“雪山”下方就是沙锅村，整个村庄的上空有相当一部分被浓烟笼罩着，山间两个厂的烟囱正冒出浓烟。“这些年，我们都是在这样的环境中生活的，浓烟臭气简直把我们折磨得够呛。”一位村民说。二、石膏的生产（1）建筑石膏（熟石膏）——强度低（干燥状态下脱水而成）（2）高强石膏——密实度大，强度高（在有蒸汽压力的条件下脱水而成）（3）可溶性硬石膏——需水量大，凝结快，强度低，不宜直接使用，需陈化处理（脱水温度高）（4）不溶性硬石膏——难溶于水，失去凝结硬化能力，用于制造石膏板或其它制品。（死烧石膏）（5）高温煅烧石膏——高温下才稳定，建筑中不用。（1）建筑石膏（半水石膏）β半水石膏（β-CaSO4·1/2H2O）为主要成分，不预加任何外加剂的粉状胶结料，主要用于制作石膏建筑制品。107～170℃的干燥条件下加热脱水而成的。二水石膏在温度为65～75℃时脱水，至107～170℃时生成β型半水石膏（β-CaSO4·1/2H2O），其反应式为：CaSO4·2H2O→β-CaSO4·1/2H2O＋3/2H2O建筑石膏晶体较细，调制成一定稠度的浆体时，需水量较大，因而强度较低。（2）高强石膏0.13MPa、124℃的过饱和蒸汽条件下蒸压，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的α型半水石膏（α-CaSO4·1/2H2O），这就是高强石膏。高强石膏晶粒粗大，调制成浆体时需水量较小，因而强度较高。高强度石膏将二水石膏放在压蒸锅内，在l.3大气压（124℃）下蒸压生成。a型半水石膏，磨细后就是高强度石膏。这种石膏硬化后具有较高的密实度和强度。高强度石膏适用于强度要求高的抹灰工程，装饰制品和石膏板。掺入防水剂后，其制品可用于湿度较高的环境中。也可加入有机溶液中配成粘结剂使用。（3）可溶性硬石膏加热温度在170-2000C时石膏继续脱水生成可溶性硬石膏，与水调和后仍能很快凝结硬化，当温度升高到200-2500C时,石膏中残留很少的水，其凝结硬化就非常缓慢。需水量大，凝结快，强度低，不宜直接使用，需处理（脱水温度高）。（4）不溶性硬石膏（死烧石膏）无水石膏水泥将天然二水石膏加热至400℃~750℃时，石膏将完全失去水分，成为不溶性硬石膏，将其与适量激发剂混合磨细后即为无水石膏水泥。无水石膏水泥适宜于室内使用，主要用以制作石膏板或其它制品，也可用作室内抹灰。（5）高温煅烧石膏（地板石膏）如果将天然二水石膏在800℃以上煅烧，使部分硫酸钙分解出氧化钙，磨细后的产品称为高温煅烧石膏，亦称地板石膏。地板石膏硬化后有较高的强度和耐磨性，抗水性也好，所以主要用作石膏地板，用于室内地面装饰。2建筑石膏的水化硬化建筑石膏与适量的水相混合，最初成为可塑的浆体，但很快就失去塑性并产生强度，并发展成为坚硬的固体。这一过程可分为水化和硬化两部分。OHSOCOHOHSOCaa2422422321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石膏的凝结硬化过程建筑石膏拌水后形成流动的可塑性胶凝体，并开始溶解于水中，很快形成饱和溶液，溶液中的半水石膏与水反应生成二水石膏，由于二水石膏在常温下的溶解度仅为半水石膏溶解度的1/5,故二水石膏胶体微粒将从溶液中析出，并促使一批新的半水石膏溶解和水化，直至半水石膏全部转化为二水石膏。在这个过程中，浆体中的水分因水化和蒸发而逐渐减少，浆体变稠而失去流动性，可塑性也开始下降，称为石膏的初凝。随着水分蒸发和水化的继续进行，微粒间摩擦力和粘结力逐渐增大，浆体完全失去可塑性，开始产生结构强度，则称为终凝。随着晶体颗粒不断长大、连生、交错，使浆体逐渐变硬产生强度，即为硬化。间不超过30min，在室内自然干燥的条件下，一星期左右完全硬化，所以施工时根据实际需要，往往加入适量的缓凝剂。由于半水石膏完全水化的理论需水量是18.6％，而实际用水量远大于此，通常普通建筑石膏（β型半水石膏）水化时的用水量一般为60％~80％。因此，未参与水化的多余水分蒸发后在石膏硬化体内会留下大量的孔隙，从而使其密实度和强度都大大降低。通常其强度只有7.0~10.0MPa。3.1.1.3建筑石膏的性质与等级(1)建筑石膏的性质①凝结硬化快。建筑石膏水化迅速，常温下完全水化所需时间仅为7～12min。适合于大规模连续生产。在使用石膏浆体时，若需要延长凝结时间，可掺加适量缓凝剂。②硬化后孔隙率大、强度较低。建筑石膏孔隙率可高达40％～60％。建筑石膏制品的表观密度较小(400～900kg/m3)，导热系数较小(0.121～0.205W／（m·K）)。较高的孔隙率使得石膏制品的强度较低。③体积微膨胀。建筑石膏凝结硬化过程中体积不收缩，还略有膨胀，一般膨胀率为0.5%～1.5%。④不耐水。石膏的软化系数仅为0.3～0.45。若长期浸泡在水中还会因二水石膏晶体溶解而引起溃散破坏；若吸水后受冻，还会因孔隙中水分结冰膨胀而引起崩溃。因此，石膏的耐水性、抗冻性都较差。⑤防火性能良好。石膏制品本身不可燃，而且具有抵抗火焰靠近的能力。⑥具有一定调湿作用。由于石膏制品内部的大量毛细孔隙对空气中水分具有较强的吸附能力，在干燥时又可释放水分。⑦装饰性好。石膏洁白、细腻。(2)建筑石膏的技术要求建筑石膏色白，密度为2.60～2.75g/cm3,堆积密度为800～1000kg/m3。根据GB9776-88《建筑石膏》规定，建筑石膏按强度、细度、凝结时间指标分为优等品、一等品和合格品三个等级，见下表。建筑石膏的技术指标（GB9776-88）技术指标优等品一等品合格品强度抗折强度/MPa,不小于2.52.11.8抗压强度/MPa,不小于4.93.92.9细度细度(0.2mm方孔筛筛余/％),不大于5.010.015.0凝结时间初凝时间不早于6min终凝时间不迟于30min3.1.1.4建筑石膏的应用石膏在建筑中应用十分广泛。如粉刷石膏、多种建筑石膏制品。下面摘要介绍。⑴粉刷石膏产生的生成物(β-CaSO4·1/2H2O）单独或两者混合后掺入外加剂，也可加入集料制成的胶结料。粉刷石膏按用途分为面层粉刷石膏(Ｍ)、底层粉刷石膏(Ｄ)和保温层粉刷石膏(Ｗ).JC/T517-93《粉刷石膏》按强度分为优等品(Ａ)、一等品(Ｂ)、合格品(Ｃ)，各等级的强度应满足要求。粉刷石膏粘接力高、不裂、不起鼓、表面光洁、防火、保温，并且施工方便，可实现机械化施工，是一种高档抹面材料，可用于办公室、住宅等的墙面、顶棚等。⑵建筑石膏制品空心石膏板、石膏砌块、装饰石膏板、石膏角线、灯圈、罗马柱等，主要用于分室墙，内隔墙、吊顶及装饰。纸面石膏板纸面石膏板是以石膏为基材，掺入少量添加剂及增强纤维，并在板面、板背各粘结一层护面纸而成。纸面石膏板最初在1890年由美国发明生产，1917年传入欧洲，由于其具有质轻、保温隔热、防火、隔音、施工方便、绿色环保等诸多优点，纸面石膏板在建筑中的应用得到迅速发展，产量不断增长。据统计，1997年美国纸面石膏板年产量已达19亿米2，约有80%墙体材料应用纸面石膏板，且在美国100％的住宅建筑均采用纸面石膏板作为内部隔墙材料，日本产量也超过7亿米2。以人均消费量计，加拿大为13.2米2/人年，美国为8.1米2/人年，日本和法国4.4米2/人年，英国2.6米2/人年，而我国仅为不到0.3米2/人年，远远低于其它国家的消费水平。石膏板之所以能得到迅速的推广应用，并在一百多年的进程中不被淘汰，与其优越的性能分不开，总的归纳为以下十点：1.生产能耗低，生产效率高：生产同等单位的纸面石膏板的能耗比水泥节省78％。且投资少生产能力大，便于大规模生产，国