2 气硬性无机胶凝材料

1. 2 气硬性无机胶凝材料

2. 2.1胶凝材料分类 2.2石灰、菱苦土和水玻璃 2.3石膏

3. 无 机 胶 凝 材 料 气硬性 （非水硬性） 水硬性 2.1 胶凝材料的定义与分类 经过一系列的物理化学变化，可以由可流动的浆体变成或石状体，将砂、石子等散状颗粒或砖等片、块材料粘结成一个整体，其有机械强度的材料，统称为胶凝材料。 分类： 有机胶凝材料

4. 有机胶凝材料 有机胶凝材料是以高分子化合物为主要成分的胶凝材料。如： • 石油沥青； • 煤沥青； • 各种天然和人造树脂； • ……

5. 无机气硬性胶凝材料 只能在空气中硬化，适合于地上或干燥环境，不宜用于潮湿环境，更不可用于水中。如： • 石膏； • 石灰； • 菱苦土； • 水玻璃； • ……

6. 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。既适用于地上，也适用于地下或水中。如： • 硅酸盐水泥； • 铝酸盐水泥； • 硫铝酸盐水泥； • ……

7. 2.2 石灰、菱苦土和水玻璃

8. （1）石灰 (lime) 北京修复明长城遗址拒绝水泥 始建于明代的北京古城墙，正是用这种以石灰、石膏为主要原料的黏合剂配以巨大的城砖砌成。新修复的城墙在用料和工艺上都与老城墙相同。 确保“修旧如旧”效果沿用明代古方城砖黏合剂选择灰白色的石灰膏。

9. 经过了600多年的风风雨雨，这些残墙岿然不倒，就是石灰膏耐久度的明证经过了600多年的风风雨雨，这些残墙岿然不倒，就是石灰膏耐久度的明证

10. 石灰用途

11. 中国石灰质量差的原因 • 能耗高； 年耗标煤2000多万吨，是建材第三大耗煤大户。 （水泥、粘土砖） • 生产水平低； 多为立窑 • 产品结构单一。 多为块状产品 石灰石块进口 CaCO3 1000-1100℃ 块状生石灰出口 CaO

12. 石灰的生产 • 石灰石 • 生石灰（石灰） • 钙质石灰：石灰中MgO含量≤5% • 镁质石灰：石灰中MgO含量＞5% CaCO3 CaO + CO2

14. 石灰的生产 • 欠火石灰:烧成温度低，分解不完全，产浆量低，减少了石灰的利用率。 • 过火石灰：烧成温度高，表面致密，延缓了产熟化速度，其过烧成分可能在石灰应用后熟化，这时硬化的浆体中会产生膨胀而引起崩裂或隆起，直接影响工程质量。

15. 生石灰的熟化 消化或熟化 CaO + H2O Ca(OH)2 + 64.9kJ 体积增大1－2.5倍，制成石灰浆、石灰膏或消石灰粉，同时放出大量的热，且生成速度快。 几个术语： • 石灰浆 (lime slurry) • 石灰膏 (lime paste) • 熟石灰 (white lime) • 消石灰

18. 石灰浆的调制 石灰浆在储灰池中需陈伏15天以上，消除过火石灰的危害，才能使用，这个过程叫陈伏。 生石灰块 化浆池 过筛 石灰浆 储灰池

19. 石灰浆的可塑性和保水性 生石灰熟化后形成的石灰浆，是球状细颗粒高度分散的胶体，具有很强的吸附力，表面附有较厚的水膜，降低了颗粒之间的磨擦力，具有良好的塑性，易铺成均匀的薄层。在水泥砂浆中加入石灰浆，可使可塑性和保水性显著提高。 Ca(OH)2 水膜

20. 石灰的硬化 石灰水化后的逐渐凝结硬化，主要包括下面两个同时进行的过程： • 结晶过程： 石灰浆体在干燥过程中，游离水分蒸发，使Ca(OH)2从饱和溶液中结晶析出。 • 碳化过程： Ca(OH)2 + CO2 + nH2O = CaCO3 + (n+1)H2O

21. 石灰的特性 • 可塑性和保水性好 　　消化过程能自动形成颗粒极细（直径约为1um）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，由于颗粒多，总表面积大，可吸附大量水，这是保水性良好的根本原因。 (2)生石灰水化时水化热大，体积增大； (3)硬化缓慢； (4)硬化时体积收缩大：硬化过程中， 蒸发大量的游离水而引起显著收缩，促使制品开裂。 (5)硬化后强度低； (6)耐水性差。

22. 石灰在建筑上的应用

23. （2）菱苦土(magnesia) MgCO3MgO + CO2 菱镁矿 菱苦土 MgCO3·CaCO3 MgO + CaCO3 + CO2 白云石 苛性白云石 剧裂分解温度 600-650℃ （750-850℃） 实际煅烧温度 （轻烧氧化镁）

24. 菱苦土的硬化 MgO + H2O = Mg(OH)2 反应很慢，强度很低；而采用MgCl2或MgSO4、FeCl3溶液，则能产生很高的强度。 使用MgCl2溶液，MgCl26H2O与菱苦土适宜的质量比0.55-0.60，制品强度可达到40-60MPa。 ——氯氧镁水泥

25. 氯氧镁水泥 氯氧镁水泥的水化硬化产物为： • 5Mg(OH)2MgCl28H2O——518相； • 3Mg(OH)2MgCl28H2O——318相； • Mg(OH)2 常温下518相会转变为Mg(OH)2和318相，318相会转变为Mg(OH)2,Mg(OH)2向制品表面迁移，结果形成“白霜”，在高温、高湿条件下形成液态的“露”。

26. 氯氧镁水泥的应用 • 氯氧镁水泥主要用来胶结木屑、刨花、木丝等制成板材，可作地板、复面板、隔板和家具等。 • 氯氧镁水泥制品具有良好的强度、弹性、保温、隔声、不燃等性能，且造价低廉。 • 其缺点是耐水性、耐高温性差。不可用于水中、地下或潮湿环境。

27. （3）水玻璃（泡花碱） Soluble glass Water glass • 硅酸钠水玻璃：Na2O·nSiO2(常用)； • 硅酸钾水玻璃：K2O·nSiO2； • n——水玻璃模数，一般n=1.5-3.5。 • n越大，固体水玻璃在水中溶解越难，但粘结能力增大。n=1时，能溶于常温中；n﹥3，要在4atm下蒸汽中溶解。 • 工程上常用的水玻璃模数为2.6-2.8。

28. 水玻璃的硬化 水玻璃溶液在空气中吸收CO2，发生如下反应： Na2OnSiO2 + CO2 + m H2O = Na2CO3 + nSiO2mH2O 上述反应速度很慢，常加入促硬剂Na2SiF6： 2 Na2OnSiO2+Na2SiF6+mH2O = 6NaF+(2n+1)SiO2mH2O Na2SiF6加入量为水玻璃质量的12-15%。 无定形硅酸、 硅酸凝胶 堵塞毛细孔隙， 防止水渗透

29. 水玻璃的性质 • 良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有填充毛细孔而防止液体渗透的作用，硬化后具有较高的粘结强度。 • 水玻璃不燃烧，高温下强度不仅不会降低，甚至会有提高，因此具有良好的耐热性能。 • 水玻璃具有较高的耐酸性能。

30. 水玻璃在建筑中的应用 1、用水玻璃涂刷建材表面提高耐久性。但不能涂刷石膏制品，因为Na2SO4与CaSO4反应生成Na2SO4在制品孔隙中结晶，体积显著膨胀，会破坏制品。 2、固结土壤。N=2.5-3.0时，水玻璃与氯化钙交替灌入土壤中，两种溶液生成的硅酸胶体为一种吸水膨胀的冻状凝胶，填充孔隙，固结土壤。 3、配制耐酸砂浆、耐酸混凝土。 4、配制耐热砂浆、耐热混凝土。 5、以水玻璃为胶材，加珍珠岩、蛭石为骨料制备保温绝热材料。

31. 2.3 石膏（Gypsum) 2.3.1 石膏胶凝材料的生产 2.3.2 建筑石膏的性质及应用

32. 2.3.1 石膏胶凝材料的生产 (1)二水石膏的脱水过程 (2)高强石膏的制备

33. (1) 二水石膏的脱水过程 CaSO4·2H2O 二水石膏 β- CaSO4·½H2O α- CaSO4·½H2O CaSO4·½H2O 400-750℃ CaSO4 不熔性硬石膏、死烧石膏 800℃ CaSO4+ CaO + SO3↑ 高温煅烧石膏 1600℃ CaO + SO3↑

34. 原料石膏 原料石膏包括天然二水石膏和化工石膏（下表）。

35. 石膏产品 • 建筑石膏（β-CaSO4·½H2O）及制品； • 高强石膏（α-CaSO4·½H2O）及制品； • 无水石膏水泥及制品； • 地板石膏（高温煅烧石膏）及制品

36. 建筑石膏 • 建筑石膏为-CaSO4½H2O，为二水石膏在常压下经过107-170℃脱水而形成。 • -CaSO4½H2O的需水量60-80%，为-型的1倍左右。 • 硬化后由于多余水分蒸发，内部具有很大的孔隙率（约占总体积的50-60%）。 • 强度低，如1级石膏7d强度8-12MPa。

37. 高强石膏 • 高强石膏为-CaSO4½H2O，为二水石膏在具有一定压力的密闭容器中在饱和蒸汽条件下蒸炼，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的-CaSO4½H2O。 • -CaSO4½H2O晶体粗于-CaSO4½H2O，比表面积相对要小，需水量35-45%，硬化后具有较高的密实度和强度。 • 3h抗压强度9-24MPa，7d强度15-40 MPa，初凝3min，终凝5-30min。

38. 2.3.2 建筑石膏的性质及应用 ① 建筑石膏的特点； ② 建筑石膏凝结硬化过程； ③ 建筑石膏的应用。

39. ① 建筑石膏的特点 ⅰ表观密度较小，导热性较低，吸音性较强，可钉可锯； ⅱ 凝固时，略有膨胀（膨胀率为0.05-0.15%），硬化时不出现裂缝； ⅲ建筑石膏颜色洁白，如加入颜料可成各种色彩，制品外表光滑细致； ⅳ 石膏具有抗火性，遇火灾时二水石膏中的结晶水蒸发，吸收热量，表面生成的无水物为良好的热绝缘体；

40. ⅴ建筑石膏的热容量大，吸湿性大故能调节室内温度和湿度，保持室内“小气候”的均衡状态；ⅴ建筑石膏的热容量大，吸湿性大故能调节室内温度和湿度，保持室内“小气候”的均衡状态； ⅵ建筑石膏硬化后具有很强的吸湿性，其耐火性、抗冻性较差； ⅶ建筑石膏硬化速度比水泥和石灰都快得多，对成型带来困难，但时可以加入缓凝剂，以降低半水石膏的溶解度和溶解速度。

41. ② 建筑石膏凝结硬化过程 半水石膏 交错的晶体 二水石膏胶体微粒 (a) 胶化 (C) 结晶长大与交错 二水石膏交错晶体 二水石膏晶体 (b) 结晶开始 (D) 实际石膏制品显微结构

42. ② 建筑石膏凝结硬化过程 • 建筑石膏与适当的水拌合，开始形成塑性浆体，但很快就失去塑性并产生强度，发展为坚硬的固体， 　　　　　　　溶解度20℃时为8.16g/L，而 　的溶解度为2.05g/L，在此过程中产生较高过饱和度，导致了　　　　　　迅速沉淀而析出。析出的颗粒细小，总表面积大，可吸附更多水分，同时浆体中的水分由于水化和蒸发逐渐增大，强度随之增加，一直发展致最大值，这就是硬化过程。 　　（a）胶化→（b）结晶→ （c）结晶长大与交错

43. 石膏的初凝、终凝 • 半水石膏溶解于水，很快成为饱和溶液。溶液中的半水石膏与水化合，生成二水石膏； • 二水石膏在水中的溶解度仅为半水石膏的1/5，形成高度过饱和度,故二水石膏胶体微粒很快从溶液中析出。并促使一批新的半水石膏溶解和水化，直至耗尽。 • 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，微粒间的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。

44. 标准稠度石膏浆的初凝不早于4分钟，终凝不早于6分钟，不迟于30分钟。标准稠度石膏浆的初凝不早于4分钟，终凝不早于6分钟，不迟于30分钟。

45. ③ 建筑石膏的应用 建筑石膏适用于室内装饰、绝热保温、吸音和防火等。建筑石膏制品不宜在超过65℃以上高温使用，二水石膏在此温度以上开始脱水分解。 建筑石膏一般做成石膏抹面灰浆、装饰制品和石膏板。加入颜料，硬化抛光，可成为人造大理石，用于内墙装饰。

46. 石膏板 龙 骨 隔声材料 石膏板 多作平顶和内墙面装饰，可直接粘贴在墙上，或钉在木龙骨两边而成隔墙。石膏板具有长期徐变的性质，不宜用于承受结构荷载。常见的石膏板有： ⅰ纸面石膏板； ⅱ 空心石膏条板； ⅲ 纤维石膏板； ⅳ 装饰石膏板等。

47. 纸面石膏板 • 因质轻，而且隔音性能优越，与轻钢龙骨复合，特别适合于作为高层建筑的轻质隔断。 • 我国纸面石膏板的年生产能力已达2.6亿m2，但1998年的实际产量仅为生产能力的1/3左右，原因是价格较高。 • 但可用工业副产品化学石膏替代天然石膏，如上海博罗公司用安徽铜陵的磷石膏作原料生产纸面石膏板，获得较好的经济效益。

49. 空心石膏条板 生产方法与普通混凝土空心板类似。常加入纤维材料和轻质填料。这种板不用纸和粘结剂，也不用龙骨，施工方便，是发展较快的一种轻板。

50. 纤维石膏板和装饰石膏板 • 纤维石膏板： 用玻璃纤维、纸浆或矿棉作为纤维增强材料与石膏复合。纤维石膏板抗弯强度和弹性模量都高于纸面石膏板，除用于建筑外，还可代替木材作家具。 • 装饰石膏板： 可制成平板、多孔板、花纹板、浮雕板等。