第三章无机胶凝材料

第三章无机胶凝材料

(一）气硬性胶凝材料

只能在空气中硬化、保持或继续发展强度的无机胶凝材料称为气硬性无机胶凝材料。

不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化、保持或继续发展强度的无机胶凝材料称为水硬性无机胶凝材料。

第一节石灰

一.石灰的消化和硬化

1.石灰的熟化和“陈伏”

工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为消（熟）石灰—氢氧化钙，这个过程称为石灰的“消化”，又称“熟化”：

第二种情况是由于烧制的温度过高或时间过长，使得石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，引起隆起鼓包和开裂。

为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，这一过程称为石灰的“陈伏”。“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。

2. 石灰的硬化

石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的：

（１）结晶作用：游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。

（２）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：

二.建筑石灰的技术指标

建筑石灰的技术指标有细度、CaO+MgO含量、CO2含量和体积安定性等。并按技术指标分为优等品、一等品和合格品三个等级。具体技术要求见：<土木工程材料>

JC/T479-1992 建筑生石灰（P48 表3-2）、

JC/T480-1992 建筑生石灰粉(P48 表3-3）

JC/T481-1992 建筑消石灰粉(P48 表3-34）

钙质生石灰MgO≤5%；钙质消石灰粉MgO≤4%

镁质生石灰MgO﹥5%；镁质消石灰粉MgO﹥4%

三.石灰的技术性质

（1）可塑性好

生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径约为1μ）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其突出的优点是具有良好可塑性。在水泥砂浆中掺入石灰浆，可使可塑性显著提高。

（2）硬化慢、强度低

从石灰浆体的硬化过程可以看出，由于空气中二氧化碳稀薄，碳化甚为缓慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于碳化作用的深入，也不利于内部水分的蒸发，因此石灰是硬化缓慢的材料。

同时，石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后的强度也不高。受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会溃散。如石灰砂浆（1：3）28天强度仅为0.2-0.5MPa。所以，石灰不宜在潮湿的环境下作用，也不宜用于重要建筑物基础。

（3）硬化时体积收缩大

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。

（4）耐水性差，不易贮存

块状类石灰放置太久，会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中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。最好运到后即熟

化成石灰浆，将贮存期变为陈伏期。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。

四. 石灰的应用

（1）石灰乳和石灰砂浆

将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入多量的水搅拌稀释，成为石灰乳，是一种廉价的涂料，主要用于内墙和天棚刷白，增加室内美观和亮度。我国农村也用于外墙。石灰乳可加入各种耐碱颜料。调入少量水泥、粒化高炉矿渣或粉煤灰，可提高其耐水性，调入氯化钙或明矾，可减少涂层粉化现象。

石灰砂浆是将石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途，分为砌筑砂浆和抹面砂浆。

（2）石灰土（灰土）和三合土

石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用，制成石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，适于在潮湿环境中使用。如建筑物或道路基础中使用的石灰土，三合土，二灰土（石灰、粉煤灰或炉灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰或炉灰、级配碎石）等。

（3）灰砂砖和硅酸盐制品

石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀，加水搅拌, 经压振或压制，形成硅酸盐制品。为使其获早期强度，往往采用高温高压养护或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度显著加快，使制品产生较高的早期强度。如灰砂砖、硅酸盐砖、硅酸盐混凝土制品等。#

第二节建筑石膏

石膏是以硫酸钙为主要成分的矿物，当石膏中含有结晶水不同时可形成多种性能不同的石膏。

2.1 石膏的原料、分类及生产

根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为：

（1）无水石膏（ＣaSO4）：也称硬石膏，它结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的原料。

（2）天然石膏（ＣaSO4·2H2O）：也称生石膏或二水石膏，大部分自然石膏矿为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。

（３）建筑石膏（ＣaSO4·1/2 H2O）也称熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根据其内部结构不同可分为α型半水石膏和β型半水石膏：

建筑石膏通常是由天然石膏经压蒸或煅烧加热而成的。常压下煅烧加热到107℃～170℃，可产生β型建筑石膏：

（二水石膏）（β型半水石膏）

124℃条件下压蒸（1.3大气压）加热可产生α型建筑石膏：

（二水石膏）（α型半水石膏）

α型半水石膏与β型半水石膏相比，结晶颗粒较粗，比表面积较小，强度高，因此又称为高强石膏。

当加热温度超过170℃时，可生成无水石膏，只要温度不超过200℃，此无水石膏就具有良好的凝结硬化性能。

2.2 建筑石膏的水化与硬化

建筑石膏与适量水拌合后，能形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体的可塑性很快消失而发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。

建筑石膏与水之间产生化学反应的反

应式为：

随着二水石膏沉淀的不断增加，就会产生结晶，结晶体的不断生成和长大，晶体颗粒之间便产生了磨擦力和粘结力，造成浆体的塑性开始下降，这一现象称为石膏的初凝；而后随着晶体颗粒间磨擦力和粘结力的增大，浆体的塑性很快下降，直至消失，这种现象为石膏的终凝。

石膏终凝后，其晶体颗粒仍在不断长大和连生，形成相互交错且孔隙率逐渐减小的结构，其强度也会不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化后的石膏结构，这一过程称为石膏的硬化。石膏浆体的凝结

和硬化，实际上是交叉进行的。

2.3 建筑石膏的技术要求

建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时间。并按强度和细度分为优等品、一等品和合格品。具体技术要求见GB9776-1988。”土木工程材料“P45表3-1）

2.4 建筑石膏的技术性质

（１）凝结硬化速度快

建筑石膏的浆体，凝结硬化速度很快。一般石膏的初凝时间仅为10min左右，终凝时间不超过30min，这对于普通工程施工操作十分方便。有时需要操作时间较长，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸盐酒精废液等。

（２）凝结硬化时的膨胀性

建筑石膏凝结硬化是石膏吸收结晶水后的结晶过程，其体积不仅不会收缩，而且还稍有膨胀

（0.2%~1.5%），这种膨胀不会对石膏造成危害，还能使石膏的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥时的开裂。

（３）硬化后的多孔性，重量轻，但强度低

建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，常加入的水分要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化过程中由于水分的蒸发，使原来的充水部分空间形成孔隙，造成石膏内部的大量微孔，使其重量减轻，但是抗压强度也因此下降。通常石膏硬化后的表观密度约为８00kg／ｍ3～1000 kg／ｍ3，抗压强度约为３ＭPa～5ＭPa。

（４）良好的隔热和吸音和“呼吸”功能

石膏硬化体中大量的微孔，使其传热性显著下降，因此具有良好的绝热能力；石膏的大量微孔，特别是表面微孔对声音传导或反射的能力也显著下降，使其具有较强的吸声能力。大热容量和大的孔隙率及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。

（５）防火性好，但耐水性差

硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，具有良好的防火效果。

由于硬化石膏的强度来自于晶体粒子间的粘结力，遇水后粒子间连接点的粘结力可能被削弱。部分二水石膏溶解而产生局部溃散，所以建筑石膏硬化体的耐水性较差。

（6）有良好的装饰性和可加工性

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

2.5 建筑石膏的应用

（1）石膏砂浆及粉刷石膏

（2）建筑石膏制品：石膏板、石膏砌块等

(3）制作建筑雕塑和模型。

第三节. 水玻璃

水玻璃俗称泡花碱，由碱金属氧化物和二氧化硅组成，属可溶性的硅酸盐类。

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。

（称为水玻璃模数）

根据水玻璃模数的不同，又分为“碱性”水玻璃（ｎ＜３和“中性”水玻璃（ｎ≥3）。实际上中性水玻璃和碱性水玻璃的溶液都呈明显的碱性反应。

3.1 水玻璃的生产

生产水玻璃的方法分为湿法和干法两种。湿法生产硅酸水玻璃是将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅内用蒸汽加热。直接反应生液体水玻璃。干法生产硅酸钠水玻璃是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉中于1300~1400?C 温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃。固体水玻璃于水中加热溶解而生成液体水玻璃。其反应式为：3.2水玻璃的硬化

液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸凝胶，并逐渐干燥而硬化：

由于空气中CO 2浓度较低，这个过程进行的很慢，为了加速硬化和提高硬化后的防水性，常加入氟硅酸钠Na 2SiF 6作为促硬剂，促使硅酸凝胶加速析出。氟硅酸钠的适宜用量为水玻璃重量的12％～１５％。3.3 水玻璃的技术性质

（１）粘结力强。水玻璃硬化后具有较高的粘结强度、抗拉强度和抗压强度。另外，水玻璃硬化析出的硅酸凝胶还有堵塞毛细孔隙而防止水分渗透的作用。（２）耐酸性好。硬化后的水玻璃，其主要成分是ＳiO 2，具有高度的耐酸性能，能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用。但其不耐碱性介质侵蚀。（３）耐热性高水玻璃不燃烧，硬化后形成

ＳiO 2空间网状骨架，在高温下硅酸凝胶干燥得更加强烈，强度并不降低，甚至有所增加。

3.4 水玻璃的应用

（１）用作涂料，涂刷材料表面

直接将液体水玻璃涂刷在建筑物表面，或涂刷粘土砖、硅酸盐制品、水泥混凝土等多孔材料，可使材料的密实度、强度、抗渗性、耐水性均得到提高。这是因为水玻璃与材料中的Ｃa （OH ）2反应生成硅酸钙凝胶，填充了材料间孔隙。

（2）配制防水剂

以水玻璃为基料，配制防水剂。例如：四矾防水剂是以蓝矾(硫酸铜)、明矾（钾铝矾）、红矾（重铬酸钾）和紫矾（铬矾）各１份，溶于60份的沸水中，降温至５０℃，投入400份水玻璃溶液中，搅拌均匀而成的。这种防水剂可以在1min 内凝结, 适用于堵塞漏洞、缝隙等局部抢修。（3）加固土壤

将模数为２.５～３的液体水玻璃和氯化钙溶液通过金属管交替向地层压入，两种溶液发生化学反应，可析出吸水膨胀的硅酸胶体，包裹土壤颗粒并填充其空隙，阻止水分渗透并使土壤固结。用这种方法加固的砂土，抗压强度可达３～６ＭＰａ。

( 4 ) 配制水玻璃砂浆。

将水玻璃、矿渣粉、砂和氟硅酸钠按一定比例配合成砂浆,可用于修补墙体裂缝。

（５）配制耐酸砂浆、耐酸混凝土、耐热混凝土

用水玻璃作为胶凝材料，选择耐酸骨料，可配制满足耐酸工程要求的耐酸砂浆、耐酸混凝土。选择不同的耐热骨料，可配制不同耐热度的水玻璃耐热混凝土。第四节菱苦土（氯氧镁水泥）

菱苦土是一种镁质胶凝材料。其主要成分是ＭgO 。

4.1 原料及生产

菱苦土的主要原料是天然菱镁矿。其主要成分是ＭgCO 3。

菱苦土材料一般是将菱镁矿经煅烧磨细而制成的。要求的细度为4900孔/cm 2的筛余量不大于25％:

其化学反应可表示如下：↑+???→?2850~8003CO MgO MgCO C

（菱苦土）

4.2、菱苦土的水化、硬化

试验证明，用水调拌菱苦土时将生成Mg(OH)2 ，浆体凝结很慢，硬化后强度很低。若以氯化镁水溶液来调制

ＭgO时，可以加速其水化反应，并且能形成新的水化产物。这种新的水化产物硬化后的强度较高（40～60ＭPa）。水化反应如下：

4.3 菱苦土的应用

菱苦土与植物纤维能很好粘接，而且碱性较弱，不会腐蚀纤维。建筑工程中常用来配制菱苦土木屑浆和菱苦土木屑砂浆。前者可胶结为菱苦土木屑板，用于内墙、天花板和地面。也可压制成各种零件用作窗台板、门窗框、楼梯扶手等。后者掺加砂子可作为地坪耐磨面层。用膨胀珍珠岩代替木屑可制成轻质、阻燃型的室内装饰板材。以菱苦土为胶结料，以玻璃纤维为增强材料，添加改性剂，可制成管材产品。

菱苦土的不足之处是硬化后易吸潮反卤、耐水性差，其原因是硬化产物具有较高的溶解度，遇水会溶解。为提高耐水性，可采用外加剂，或改用硫酸镁作为拌合水溶液，降低吸湿性、改进耐水性。

例3-1 某单位宿舍楼的内墙使用石灰砂浆抹面。数月后，墙面上出现了许多不规则的网状裂纹。同时在个别部位还发现了部分凸出的放射状裂纹。试分析上述现象产生的原因。解石灰砂浆抹面的墙面上出现不规则的网状裂纹，引发的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化过程中，蒸发大量的游离水而引起体积收缩的结果。墙面上个别部位出现凸出的呈放射状的裂纹，是由于配制石灰砂浆时所用的石灰中混入了过火石灰。这部分过火石灰在消解、陈伏阶段中未完全熟化，以致于在砂浆硬化后，过火石灰吸收空气中的水蒸汽继续熟化，造成体积膨胀。从而出现上述现象。例3-2 既然石灰不耐水，为什么由它配制的灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位？

解：石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中石灰与粘土表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，所以灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高，适于在潮湿环境中使用。

再者，由于石灰的可塑性好，与粘土等拌合后经压实或夯实，使灰土或三合土的密实度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大为减少。因此灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位。

例3-3 建筑石膏及其制品为什么适用于室内，而不适用于室外使用？解建筑石膏及其制品适用于室内装修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝结硬化后具有以下的优良性质：（1）石膏表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。加入颜料后，可具有各种色彩。建筑石膏在凝结硬化时产生微膨胀，故其制品的表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，形状、尺寸准确、细致，装饰性好；（2）硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保温性、吸声性好。

（3）硬化后石膏的主要成分是二水石膏，当受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，具有一定的防火性。

（4）建筑石膏制品还具有较高的热容量和一定的吸湿性，故可调节室内的温度和湿度，改变室内的小气候。

在室外使用建筑石膏制品时，必然要受到雨水冰冻等的作用，而建筑石膏制品的耐水性差，且其吸水率高，抗渗性差、抗冻性差, 所以不适用于室外使用.

例3-4 水玻璃的化学组成是什么？水玻璃的模数、密度（浓度）对水玻璃的性能有什么影响？解通常使用的水玻璃都是Na2O·nSiO2的水溶液，即液体水玻璃。一般而言，水玻璃的模数n越大时，水玻璃的粘度越大。硬化速度越快、干缩越大，硬化后的粘结强度、抗压强度等越高、耐水性越好、抗渗性及耐酸性越好。其主要原因是硬化时析出的硅酸凝胶ｎSiO2·mH2O较多。水玻璃的模数n为氧化硅和氧化钠的分子比。同一模数的水玻璃，密度越大，则其有效成分Na2O·nSiO2的含量越多，硬化时析出的硅酸凝胶也多，粘结力愈强。然而如果水玻璃的模数或密度太大，往往由于粘度过大而影响到施工质量和硬化后水玻璃的性质，故不宜过大。