工程材料 第3章 气硬性胶凝材料 2011

2011.021本章教学内容与学习要求1.教学内容本章主要介绍下列几种气硬性胶凝材料的特性、技术性质要求和应用。如：石灰(Lime)、石膏(Plaster)2.学习要求通过学习要求了解这几种胶凝材料的特性与用途。3.重点:石灰和石膏的特性与用途。4.难点:①石灰的熟化和硬化特性；②建筑石膏硬化过程的物理化学变化。2011.022第3章气硬性胶凝材料概述1.胶凝材料的定义2.胶凝材料的分类3.本章教学内容与学习要求4.学习重点与难点2011.0231.胶凝材料的定义（教P31）凡能经过自身的物理化学作用后,在由可塑浆体变成坚硬石状体的过程中，能把散粒或块状的物料胶结成一个整体的材料，统称为胶凝材料(CementitiousMaterials)。（1）自身能固化（2）能起胶结作用2011.0242.胶凝材料的分类胶凝材料有机（如沥青和各种各种树脂）无机气硬性（Non-Hydraulic)只能在空气中硬化,并保持或继续提高强度。（如石膏、石灰、水玻璃等）水硬性（Hydraulic）不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化,并保持并继续提高强度的胶凝材料。如各种水泥2011.0253.1石灰（Lime）石灰是一种古老的建筑材料。由于其原料分布广、生产工艺简单、成本低、使用方便，因此被广泛用于建筑工程。例如：（石灰＋糯米汁＋桐油）组成最为经典、古老的复合胶凝材料，被广泛用于：万里长城、明城墙、苏州古盘门和古埃及金字塔等世界文化遗产。石灰吟--于谦[明代]千锤万击出深山，烈火焚烧若等闲；粉身碎骨浑不怕，要留清白在人间。2011.026万里长城万里长城2011.027（明）中华门城堡2011.028苏州古盘门2011.029古埃及金字塔2011.0210一、石灰的原料石灰的原料为含碳酸钙为主的天然原料。贝壳石灰石白云石白垩2011.0211二、石灰的煅烧90032oCCaCOCaOCO为加快煅烧过程实际煅烧温度为1000～1100oC当温度分布不均匀→产生过火和欠火石灰当温度过低或煅烧时间过短→产生欠烧石灰当温度过高或煅烧时间过长→产生过火石灰。煅烧良好的石灰，质轻色匀，密度为3.2g/cm3原料经煅烧后得到块状产品：生石灰2011.0212土窑2011.0213唐山丰南石源冶金炉料公司2002年5月建成投产日产480吨的节能型石灰立窑2011.0214唐山三丰集团2003年10月建成投产4×140m3气烧石灰竖窑2011.0215武钢乌龙泉矿日产600吨回转窑2011.0216三、石灰产品除了块状石灰，常用的石灰产品还有：1.生石灰粉：由块状石灰磨细得到的粉末，主要成分为CaO。2.消石灰粉：将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为Ca(OH)2，亦称熟石灰。3.石灰膏：将块状生石灰用过量水（约为生石灰体积的3～4倍）消化，或将消石灰粉和水拌和，所得达一定稠度的膏状物，主要成分为Ca(OH)2和水。2011.02173.1.1石灰的熟化（消解）(一)石灰的熟化过程石灰在使用前，要加水熟化成熟石灰（消石灰，Quicklime)CaO＋H2O→Ca（OH）2＋64.9kJ在石灰熟化过程中：1.放出大量的热；2.体积膨胀1～2.5倍。2011.0218(二)欠火石灰和过火石灰的熟化1.欠火石灰：欠火石灰的中心部分仍是碳酸钙硬块，不能熟化，形成渣子。2.过火石灰：过火石灰结构紧密，熟化很慢，当用于建筑上后，可能继续熟化产生体积膨胀，引气隆起鼓包和开裂。3.石灰浆的陈伏：为消除过火石灰的危害，使未熟化的石灰充分熟化，石灰浆需在消解坑里存放两星期以上（称为“陈伏”）。陈伏期间石灰浆表面应覆盖一层水，以免石灰浆硬化（碳化和结晶）。2011.0219石灰熟化示意图2011.02203.1.2石灰的硬化石灰浆体在空气中逐渐硬化，其硬化包括两个同时进行的过程：（1）结晶过程水分蒸发或被砌体吸收，氢氧化钙从过饱和溶液中析出。（2）碳化过程氢氧化钙吸收空气中CO2，生成碳酸钙和水Ca(OH)2nH2O+CO2=CaCO3+(n+1)H2O2011.0221石灰石和生、熟石灰之间的相互关系CaCO3石灰石≠碳酸鈣Ca(OH)2熟石灰高溫煅烧碳化CO2加水（熟化）CaO氧化鈣.(生)石灰2011.0222（3）石灰的主要特性1.可塑性好；2.保水性好；3.熟化时：放热大，体积增大（1～2.5倍）；4.硬化缓慢：这是因为碳化作用主要发生在与空气接触表面，且生成CaCO3膜层较致密，阻碍了空气中CO2的渗入，也阻碍了内部水分向外蒸发，因此硬化缓慢；5.硬化时体积收缩大：因为硬化时大量水蒸发，导致毛细管失水收缩；6.硬化后强度低：其原因是石灰消化时实际用水量比理论用水量大得多，多余水在硬化后蒸发，留下空隙；7.耐水性差：因为Ca(OH)2易溶于水。2011.0223讨论：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B2011.02243.1.3石灰的技术指标表3-1钙质、镁质石灰分类（JC/T479、480、481-92）品种氧化镁含量（％）钙质石灰镁质石灰白云石消石灰生石灰≤5＞5—生石灰粉≤5＞5—消石灰粉＜44～＜2424～＜302011.0225表3-2生石灰技术指标(JC/T479-92)钙质生石灰镁质生石灰项目优等品一等品合格品优等品一等品合格品(CaO+MgO)含量/%，不小于908580858075未消化残渣含量(5mm圆孔筛筛余量)/%,不大于5101551015CO2/％，不大于5796810产浆量/(L/kg),不小于2.82.32.02.82.32.02011.0226表3-2生石灰粉的技术指标(JC/T480-92)钙质生石灰粉镁质生石灰粉项目优等品一等品合格品优等品一等品合格品(CaO+MgO)含量，%，不小于858075807570未消化残渣含量(5mm圆孔筛筛余量),%,不大于791181012CO2／％，不大于0.20.51.50.20.51.5细度产浆量／(L/kg),不小于7.012.018.07.012.018.02011.0227钙质生石灰粉镁质生石灰粉白云石消石灰粉项目优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品(CaO+MgO)含量/％，不小于706560656055656055游离水/％0.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～2体积安定性合格合格-合格合格-合格合格-0.9mm筛/％不大于000.5000.5000.5细度0.125mm筛筛余，不大于310153101531015表3-2消石灰粉的技术指标(JC/T480-92)2011.02283.1.4石灰的应用1.制作石灰乳涂料2.配制砂浆（1）石灰砂浆（2）混合砂浆（石灰＋水泥）3.拌制灰土、三合土和四合土（1）灰土＝石灰(消石灰粉)＋粘土（2）三合土＝石灰＋粘土＋砂（3）四合土＝石灰＋粘土＋砂＋石（4）二灰结石＝石灰＋粉煤灰＋砂＋石2011.0229灰土和三合土硬化时,除Ca(OH)2发生结晶和碳化作用外，Ca(OH)2还能与粘土中少量活性SiO2及Al2O3作用，生成具有水硬性的水化硅酸钙及水化铝酸钙。4.生产硅酸盐制品磨细生石灰或消石灰与砂、粉煤灰、炉渣等硅质材料加水拌和、经成型蒸压或蒸压处理等工序制得的建筑材料，通称为硅酸盐制品。如灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块等。2011.0230硅酸盐砌块2011.0231灰砂砖灰砂砖2011.02323.2石膏绪论石膏的生产1.石膏的原料生产石膏的原料有：⑴.天然二水石膏CaSO4·2H2O⑵.天然无水石膏CaSO4⑶.含硫酸钙工业废料：磷石膏、氟石膏及芒硝石膏等。2011.02332.石膏的生产过程石膏的主要生产工序是破碎和煅烧。天然二水石膏在非密闭的窑炉中加热到107～180℃时，可得β型半水石膏，又称熟石膏，磨细后即为建筑石膏.半水石膏，熟石膏）（二水石膏，生石膏）(211212224170~10724OHOHCaSOOHCaSOCo2011.02343.二水石膏在不同温度下的生成物及性质煅烧温度生成物性质107～170oC（常压）β半水石膏CaSO4·1/2H2O加水后生成CaSO4·2H2O，凝结硬化很快，放出热量，体积略膨胀（0.5％～1％）125oC(0.13MPa)α半水石膏CaSO4·1/2H2O需水量（35％～45％）较β半水石膏（60％～80％）小，故硬化后为高强度石膏。170～200oC可溶硬石膏CaSO4Ⅲ水化凝结较快，同时放出大量热，需水量较β半水石膏高，强度较低。400oC硬石膏CaSO4Ⅱ400～500oC是难溶石膏，500～750oC为不溶石膏。800oC煅烧石膏CaSO4和少量CaO不加激发剂也具有水化硬化能力，凝结较慢，耐水性好，耐磨性高---无水石膏水泥。2011.02353.2.1建筑石膏1.建筑石膏的凝结CaSO4·1/2H2O＋nH2O=CaSO4·2H2O+（n-1.5）H2O2011.02362.建筑石膏的特性1.凝结硬化快2.硬化时体积微膨胀3.硬化后体积较大，表观密度和强度较低4.隔热、吸声性能好5.防火性能好6.具有一定调温、调湿性7.耐水性和抗冻性差8.加工性能好2011.02373.建筑石膏技术要求(GB9776－1988)技术指标优等品一等品合格品2h抗压强度(MPa)≥2.5≥2.1≥1.82h抗折强度(MPa)≥4.9≥3.9≥2.9细度（0.2mm方孔筛筛余％）≤5.0≤10.0≤15.0凝结时间（min）初凝≥6终凝≤302011.0238（四）石膏的应用纸面石膏板2011.0239装饰石膏制品壁花天花板装饰花2011.0240装饰石膏制品梁托线条拐角、线条艺术镜框罗马柱2011.0241空心隔墙板2011.02423.3水玻璃课本P36水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，由碱金属氧化物和SiO2结合而成，如硅酸钠（Na2O·nSiO2）、硅酸钾（K2O·nSiO2）等。二氧化硅和碱金属氧化物的摩尔比n称为水玻璃模数，一般在2.6～3.0之间，密度为1.3～1.5g/cm3。2011.02431.水玻璃的生产方法：湿法：石英砂和苛性钠溶液在在压蒸锅内0.2～0.3MPa)用蒸汽加热，直接反应生成水玻璃。干法：石英砂和碳酸钙共同加热熔化，经冷却成固体，再与水加热溶解成水玻璃。232222NaCOnSiONaOnSiOCO2011.02442.水玻璃的硬化无定形硅凝胶因空气中CO2较少，该过程较慢，通常加入12～15％氟硅酸钠加速硅酸凝胶析出。OmHnSiONaCOOmHCOnSiOONa2232222OmHSiOnNaFOmHSiFNanSiOONa2226222)12(62011.02453.水玻璃的性能1.胶结性能好2.热稳定性好3.耐酸性好4.耐水性和耐碱性差2011.02464.水玻璃的应用1.配制建筑涂料2.直接涂刷多孔制品表面，提高密实性和耐久性3.配制快凝防水剂4.配制耐酸混凝土和砂浆5.配制耐热混凝土和砂浆6.作为灌浆材料加固地基2011.02473.4镁质胶凝材料1.定义镁质胶凝材料是以MgO为主要成分的气硬性胶凝材料。如菱苦土和苛性白云石等。2.生产菱苦土是将菱镁矿（MgCO3）在750～850℃温度下煅烧后磨成细粉而成。3.使用菱苦土用水拌和时，将生成Mg(OH)2，它疏松而无胶凝性，硬化慢且强度低。故常用MgCl2等盐类水溶液拌和，配成氯氧镁水泥，它硬化较快，强度较高，应用最广。2011.02484.菱苦土的特性与应用菱苦土与木质材料能很好粘结，且不腐蚀木质纤维，建筑上常用来制造木屑板、木丝板及刨花板等。这些菱苦土制品凝结硬化快、强度高、弹韧性好、弹性模量低、保温性好、防火、耐磨、无噪音等。但它们吸湿性大、耐水性差、易泛卤，只能用于干燥环境中。2011.02495.氯氧镁水泥的改性与应用改性：1.掺入如磷酸和磷酸盐等外加剂，稳定水化