第三节 气硬性胶凝材料

一、石灰

石灰(生石灰Ca0)是在土木建筑工程中使用很早的矿物胶凝材料之一。 1.石灰的原料

石灰是由含碳酸钙(CaC03)较多的石灰石经过高温锻炼生成的气硬性胶凝材料，其主要成分是氧化钙。石灰呈白色或灰色块状，根据它的块末比情况，其表观密度为1200～l400kg/。

石灰加水后便消解为熟石灰Ca(OH)2，这个过程称为石灰的熟化。石灰熟化过程中，放出大量的热量，温度升高，一其体积增大1～2.5倍。因此未完全熟化的石灰不得用于拌制砂浆，防止抹灰后爆灰起鼓。

2.石灰膏

石灰加大量水熟化形成石灰浆，再加水冲淡成为石灰乳，俗称淋灰。石灰乳在储灰池中完成全部熟化过程，经沉淀浓缩成为石灰膏。

石灰膏的另_来源是化学工业副产品。例如用碳化钙(电石，CaC2)加水制取乙炔时所产生的电石渣，主要成分也是氢氧化钙。石灰膏表观密度为l300～l400kg/。每立方米石灰膏生石灰630kg左右。

3.石灰的硬化

石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下述两个同时进行的过程来完成的。 结晶作用―一游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中形成结晶。 碳化作用――氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸

发，这个过程持续较长时间。碳化作用对石灰后期强度的增长有较大贡献。 4.石灰的技术性质和要求

生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细(直径约为l)的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆突出的优点是具有良好的可塑性，在水泥砂浆中掺人石灰浆，可使可塑性显著提高。

石灰的硬化只能在空气中进行，且硬化缓慢，硬化后的强度也不高，受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会扩散。所以，石灰不宜在潮湿的环境下使用，也不宜单独用于建筑物的基础。

石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起显著的收缩，所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩和节约石灰。

块状生石灰放置太久，会吸收空气中的水分而熟化成消石灰粉，再与空气中的二氧化碳作用而还原为碳酸钙，失去胶结能力。所以贮存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜贮存过久。由于生石灰受潮熟化时放出大量的热，而且体积膨胀，所以，储存和运输生石灰时还要注意安全。

5.石灰的应用

(1)制作石灰乳涂料。将消石灰粉或熟化好的石灰膏加人大量水搅拌稀释，成为石灰乳。石灰乳是一种廉价易得的传统涂料，主要用于室内墙面和顶棚粉刷。石灰乳中加入各种耐碱颜料，可形成彩色石灰乳。

(2)配制砂浆。用熟化并“陈伏’’好的石灰膏和水泥、砂配制而成的水泥石灰混合砂浆是目前用量最大、用途最广的砌筑砂浆;用石灰膏和砂或麻刀或纸筋配制成的石灰砂浆、麻刀灰、纸筋灰，广泛用作内墙、天棚的抹面砂浆：此外，石灰膏还可稀释成石灰乳，用作内墙和天棚的粉刷涂料。

(3)拌制灰土或三合土。将消石灰粉和黏土按一定比例拌和均匀、夯实而形成灰土，如一九灰土、二八灰土及三七灰土。若将消石灰粉、黏土和骨料(砂、碎、砖块、炉渣等)按一定比例混合均匀并夯实，即为三合土。灰土和三合土广泛用作基础、路面或地面的垫层，它的强度和耐水性远远高出石灰或黏土。其原因是黏土颗粒表面的少量活性氧化硅、氧化铝与石灰之间产生了化学反应，生成了水化硅酸钙和水化铝酸钙等水硬性矿物的缘故。石灰改善了黏土可塑性，在强夯之下，密实度提高也是其强度和耐水性改善的原因之一。

(4)生产硅酸盐制品。以磨细生石灰(或消石灰粉)或硅质材料(如石英砂、粉煤灰、矿渣等)为原料，加水拌和，经成型、蒸压处理等工序而成的材料统称为硅酸盐制品，多用作墙体材料。

，石膏

石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。’由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优良性质，原料来源丰富，生产能耗低，因而在土木建筑工程中得到广泛应用。

1.石膏的原料及生产

生产石膏的主要原料是天然二水石膏，又称软石膏，含有二水石膏(CaS04.2H20)或含有CaS04.2H20与CaS04的混合物的化工副产品及废渣(如磷石膏、氟石膏、硼石膏等)也可作为生产石膏的原料。

生产石膏的主要工序的破碎、加热煅烧与磨细。由于加热方式和温度不同，可生产不同性质的石膏品种，统称熟石膏。

将天然二水石膏加热，随温度的升高，发生如下变化：

温度65℃～75℃时，开始脱水，至107℃～170℃时，生成半水石膏。

在该阶段中，因加热条件不同，所获得的半水石膏有a型和p型两种形态。若将二水石膏在非密闭的窑炉中加热脱水，得到的卢型半水石膏，称为建筑石膏。建筑石膏的晶粒较细，调制成一定稠度的浆体时，需水量较大，因而硬化后强度较低。若将二水石膏置于0.13MPa.124℃的过饱和蒸汽条件下蒸炼脱水，或置于某些盐溶液中沸煮，可得到及型半水石膏，称为高强石膏。高强石膏的晶粒较粗，调制成一定稠度的浆体时，需水量较小，因而硬化后强度较高，可用于强度要求较高的抹灰工程、‘装饰制品和石膏板;掺人防水剂，可用于湿度较高的环境中。

当加热到170℃～200℃时，石膏继续脱水，成为可溶性硬石膏，与水调和后仍能很快凝结硬化;当温度升高到200℃～350℃时，石膏中残留很少的水，即可溶性硬石膏，硬石膏需水量大，硬化慢，强度低;加热温度至400℃～750℃时，成为不溶性硬石膏，失去凝结硬化能力，即死烧石膏;当温度高于800℃时，部分石膏分解出的氧化钙起催化作用，所得产品又重新具有凝结硬化能力，常称为地板石膏。

2.建筑石膏的硬结

建筑石膏与适量的水拌和后，最初成为可塑的浆体，但很快就失去塑性、产生强度，并逐渐发展成为坚硬的固体。

半水石膏溶解于水，与水进行水化反应，生成二水石膏。随着水化的进行，二水石膏胶体微粒的数量不断增多，其颗粒比原来的半水石膏颗粒细得多，即总表面积增大，可吸附更多的水分;同时浆体中的水分因水化和蒸发而逐渐减少。所以浆体的稠度便逐渐增大，颗粒之间的摩擦力和粘结力逐渐增加，因而浆体可塑性逐渐减小，表现为石膏的凝结，称为石膏的初凝。在浆体变稠的同时，二水石膏胶体微粒逐渐变为晶体，晶体逐渐长大，共生和相互交错，使浆体凝结，逐渐产生强度，随着内部自由水排水，晶体之间的摩擦力、粘结力逐渐增大，石膏开始产生结构强度，称为终凝。

3.建筑石膏的技术性质与应用

(1)色白质轻。纯净建筑石膏为白色粉末，密度为2.60～2.75g/，堆积密度为800 --1100kg/。

(2)凝结硬化快。建筑石膏初凝和终凝时间很短，为便于使用，需降低其凝结速度，可加入缓凝剂。缓凝剂的作用是降低半水石膏的溶解度和溶解速度，便于成型。常用的缓凝剂有硼砂、酒石酸钾钠、柠檬酸、聚乙烯醇、石灰活化骨胶或皮胶等。

(3)微膨胀性。建筑石膏浆体在凝结硬化初期体积产生微膨胀(膨胀量约为0.5%～1%)，这一性质使石膏胶凝材料在使用中不会产生裂纹。因此，建筑石膏装饰制品，形状饱满密实，表面光滑细腻。

(4)多孔性。半水石膏水化反应理论需水为18.6%，但为了使石膏浆体具有可塑性，通常加水60%-80%，在硬化后由于有大量多余水分蒸发，内部具有很大孔隙率(约为50%～60%)，因此，硬化后强度较低。石膏制品表面密度小、保温绝热性能好、吸声性强、吸水率大，但抗渗性、抗冻性和耐水性差。

(5)防火性。当受到高温作用时，二水石膏的结晶水开始脱出，吸收热量，并在表面上产生一层水蒸气幕，阻止了火势蔓延，起到防火作用。但建筑石膏制品不宜长期用于靠近65℃以上高温的部位，以免二水石膏在此温度作用下分解而失去强度。

(6)装饰性和可加工性。石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰装饰性。微孔结构使其脆性有所改善，所以硬化石膏可锯、可刨、可钉，具有良好的可加工性。

(7)耐水性、抗冻性差。建筑石膏硬化后具有很强的吸湿性，在潮湿条件下，晶体粒间的粘结力减弱，强度显著降低;遇水则因二水石膏晶体溶解而引起破坏;吸水受冻后，将因孔隙中水分结冰而崩裂。所以建筑石膏的耐水性、抗冻性都较差。

根据上述性能特点，建筑石膏在土木建筑工程中的主要用途有：制成石膏抹灰材料、各种墙体材料(如纸面石膏板、石膏空心条板、石膏砌块等)，各种装饰石膏板、石膏浮雕花饰、雕塑制品等。

三、水玻璃

水玻璃是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性碱金属硅酸盐材料，又称泡花碱。根据碱金属的种类不同，水玻璃分为钠水玻璃和钾水玻璃。

1.水玻璃的性质

水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶和固体，比表面积大，因而具有较高的粘结力和强度。但水玻璃自身质量、配合料性能及施工养护对强度有显著影响。

水玻璃具有良好的耐酸性，可以抵抗除氢氟酸、.热磷酸和高级脂肪酸以外的几乎所有无机和有机酸的侵蚀。

水玻璃不燃烧，在高温下硅酸凝胶干燥的更加强烈，强度不降低，甚至有所增加，可用于配制水玻璃耐热混凝土和水玻璃耐热砂浆。

由于混合后易溶于碱，所以水玻璃不能在碱性环境中使用。另外，由于NaF、 Na2 C03易溶于水而不耐水，但可采用中等浓度的酸对已硬化水玻璃进行酸洗处理，提高耐水性。

2.水玻璃的应用

(1)配制特种混凝土和砂浆。因水玻璃具有良好的耐酸性和耐热性，用其配制的混凝土和砂浆可用于有耐酸和防火要求的工程，如硫酸池、高炉基础等结构。

(2)涂刷材料表面。水玻璃涂刷材料表面可提高材料抗风化能力。用水玻璃浸渍或涂刷砖、水泥混凝土、石材等多孔材料，可使这些材料的密实度、强度、抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性有不同程度的提高。这是因为水玻璃与空气中的二氧化碳反应生成硅酸凝胶，对于含有氢氧化钙的材料，水玻璃与材料中的氢氧化钙反应生成硅酸钙凝胶，这两种凝胶填充于材料的孔隙，使材料致密。但由于水玻璃与石膏反应生成硫酸钠，在制品孔隙内结晶膨胀，导致石膏制品开裂破坏，所以水玻璃不得用于涂刷或浸渍石膏制品。

(3)配制速凝防水剂。水玻璃可与多种矾配制成速凝防水剂，这种多矾防水剂的凝结速度很快，多用于堵漏、填缝等局部抢修，但不宜用于配制防水砂浆。

(4)加固地基基础。将水玻璃与氯化钙溶液交替注入土壤中，两种溶液迅速反应生成硅胶和硅酸钙凝胶，起到胶结和填充孔隙的作用，使土壤的强度和承载能力提高。常用于粉土、砂土和填土的地基加固。

(5)防腐工程应用。改性水玻璃耐酸水泥是耐酸腐蚀的重要材料，可拌和成耐酸胶泥、耐酸砂浆和耐酸混凝土，适用于化工、冶金、电力、煤炭等行业各种结构的防腐工程，是防酸建筑结构贮酸池、耐酸地坪以及耐酸表面砌筑的理想材料。