第三章 无机胶凝材料

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任务1
石灰
千锤万击出深山， 烈火焚烧若等闲。 粉身碎骨全不怕， 要留清白在人间。
(明) 于谦
4
一、石灰的生产
（一）、石灰的生产
温度过低时 欠火石灰 煅烧石灰石 或白垩,内 含CaCO3 温度在900℃左右时 温度过高时 正火石灰
碳酸钙没有完全 分解，降低了生 石灰的产量
因煅烧温度过高使粘土杂质 融化并包裹石灰，从而延缓 石灰的熟化，导致已硬化的 砂浆产生鼓泡、崩裂等现象
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建筑石膏的应用
纸面石膏条板
石膏空心条板
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纸面石膏板与龙骨组成轻质墙体：美国，70％以上的 民用住宅内隔墙 轻钢龙骨石膏板墙体体系(简称QST)具有以下优点： (1)质轻，强度较高。 (2)尺寸稳定。 (3)抗震性好。 (4)自动调湿性好。 (5)装饰方便。 (6)占地面积少。 (7)便于管道及电线等埋设。 (8)施工简便，进度快。 艺术装饰石膏制品：石膏注模成型
自热式米饭
3.1 石灰
石灰砂浆的裂纹
观察与讨论
请观察下图 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B
讨论
工程实例 1
某工地购进一批块状生石灰，作为材料员，你如 何对石灰的品质进行检验？
过程： 1、首先观察颜色，如果颜色为深褐色则可判断为过火石灰。 2、如果颜色为白色，则用小锤将块状生石灰砸开，观察是 否有硬心，如有则为欠火石灰。 3、如无硬心，为白色疏松块状固体，则为优质生石灰。
• （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

由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很
快凝结，为使工程使用时有足够的操 作时间，水泥中加入了适量的石膏。 水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始 水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生 成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于 水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥 颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的 水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物 的向外扩散，降低了水泥的水化速度， 使水泥的初凝时间得以延缓。
（２）硅酸二钙 硅酸二钙的化学成分为 2ＣaＯ· ＳiＯ 2 ，其简写为C2S， 约占水泥熟料总量的15％～37％。 硅酸二钙遇水后反应较慢，水化 热也较低。它不影响水泥的凝结， 对水泥的后期强度起主要作用。
（３）铝酸三钙

铝酸三钙的化学成分是３CaO· 2O3 ， Al 其简写为C3Ａ，约占水泥熟料总量的7～ 15％。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的 热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝 结起主导作用，但其水化产物强度较低， 主要对水泥的早期强度有所贡献。

（４）体积安定性 水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为
水泥的体积安定性。即水泥硬化浆体能 保持一定形状，不开裂，不变形，不溃 散的性质。体积安定性不良的水泥应作 废品处理，不得应用于工程中，否则将 导致严重后果。
导致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料 中的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入石膏过多等 原因造成的，其中游离氧化钙是一种最为常见， 影响也是最严重的因素。熟料中所含游离氧化钙 或氧化镁都是过烧的，结构致密，水化很慢。加 之被熟料中其它成分所包裹，使得其在水泥已经 硬化后才进行熟化，生成六方板状的 Ca（OH） 2 晶体，这时体积膨胀９７％以上， 从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。 当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石 膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大 约1.5倍，从而导致水泥石开裂。 国家标准规定．水泥的体积安定性用雷氏法或试 饼沸煮法检验。

3
原料：
白云质石灰石 石灰石
白 垩
贝 壳
4
石
一、 石灰的生产与分类
灰
石灰：包含不同化学组成和物理形态的生石灰、消石灰、水硬 性石灰的统称。 将主要成分为碳酸钙的天然岩石（石灰岩、白垩等）煅 烧，排除分解出的二氧化碳后，所得以CaO为主要成分的产 品即为生石灰。
900~1200C CaCO3 CaO生石灰 CO2
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一、水玻璃的组成和硬化
硬化
• 水玻璃在空气中吸收二氧化碳，析出二氧化 硅凝胶，并逐渐干燥脱水成为氧化硅而硬化。 • 由于空气中二氧化碳的浓度较低，为加速水 玻璃的硬化，常加入氟硅酸钠(Na2SiF6)作 为促硬剂，加速二氧化硅凝胶的析出。
38
二、水玻璃的性质与应用
• 水玻璃在凝结硬化后，黏结力强,强度较高,耐酸性 好,耐热性好,耐碱性和耐水性差。 • 利用水玻璃凝结硬化后的性能，在建筑工程中主 要有以下几方面用途： • 涂刷材料表面，提高抗风化能力； • 加固土壤； • 配制速凝防水剂； • 修补砖墙裂缝。

石膏
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建筑石膏的技术指标（GB 9776-88）
技术指标 抗折强度/MPa, 不小于 抗压强度/MPa, 不小于 细度(0.2 mm方 孔筛筛余/％), 不大于 凝结时间

优等品 2.5 4.9
一等品 2.1 3.9
合格品 1.8 2.9
5.0
10.0
15.0
初凝时间不早于6 min；终凝时间不迟于30 min
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制作石膏制品


建筑石膏制品的种类很多。如纸面石膏板、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。 石膏制品质量轻，可锯、可刨、可钉，加工性能好，可连续 生产，生产效率高，有广阔的发展前途。

欠火石灰
过火石灰
三、无机胶凝材料
工业化石灰窑厂及生产工艺流程
生石灰中除了主要成分氧化钙外，还含有一定量的氧化镁。 MgCO3==MgO + CO2
当生石灰中MgO含量≤5%时，称为钙质生石灰；当生石灰中MgO含量＞
5%时，称为镁质生石灰。同等级的钙质生石灰质量优于镁质生石灰。
三、无机胶凝材料
3.1.2 石灰的熟化
124℃条件下压蒸（1.3大气压）加热可产生α型建筑石膏：
1 1 CaSO 4 2 H 2O 124 CaSO H O 1 H 2O 4 2 C压蒸 2 2
（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。在土木过程中，常用的石膏胶凝材料主要 是建筑石膏。
三、无机胶凝材料
3.1.3 石灰的硬化
石灰浆体能在空气中逐渐凝结硬化，主要由结晶和碳化两个同时作用 的过程来完成。
结晶作用是指石灰浆体中的游离水分蒸发，使Ca(OH)2从饱和溶液中不
断结晶析出，使其逐渐失去塑性，并凝结硬化产生强度的过程。结晶作用 主要发生在石灰工程的内部。
碳化作用是指Ca(OH)2 与空气中的CO2化合反应，形成自身强度较高的
三、无机胶凝材料
3.2.２ 建筑石膏的凝结硬化
建筑石膏凝结硬化机理主要是半水石膏与水反应还原成二水石膏，其
反应式为：
1 1 CaSO 4 H 2 O 1 H 2 O CaSO 4 2 H 2 O 2 2
石膏的凝结硬化是复杂连续的溶解、水化、胶化与结晶的物理化学变 化过程。建筑石膏加水后很快达到饱和溶液而分解出溶解度低的二水石膏 胶体。由于二水石膏的析出，半水石膏溶液转变成非饱和状态，又有新的 半水石膏溶解，继续重复水化和胶化过程。随着析出二水石膏胶体的不断 增多，彼此互相联结，使石膏具有强度。同时，溶液中的游离水分不断减 少，结晶体之间的摩擦力、粘结力逐渐增大，石膏强度也随之增加，最后 成为坚硬的固体。

六种通用水泥的特征及应用见表3-10。
3.1 水硬性胶凝材料
表3-10 通用硅酸盐水泥的特征及应用
3.1 水硬性胶凝材料
3.1.2 专用水泥
1.道路硅酸盐水泥
1）定义
以道路硅酸盐水泥熟料（以硅酸钙为主要成分且 含有较多量的铁铝酸盐的硅酸盐水泥熟料）、0～10% 活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为道路硅酸盐水泥，简称道路水泥。
3.1 水硬性胶凝材料
2）技术性质及工程应用
(1)耐磨性好。
(2)强度高， 特别是抗折
强度高。
(3)干缩率低。
（5)抗硫酸盐腐 蚀能力较强。
(4)水化热低， 耐久性好。
3.1 水硬性胶凝材料
3）技术标准
《道路硅酸盐水泥》（GB 13693—2005）规定：道 路水泥中道路硅酸盐水泥熟料应占90%以上，活性混合材 料的掺量为0～10%；水泥熟料中铁铝酸钙含量不得小于1 6.0%，铝酸三钙含量不得大于5.0%，其他技术指标和强 度要求见表3-11和表3-12。
3.1 水硬性胶凝材料
表3-8 通用水泥各龄期强度
3.1 水硬性胶凝材料
知 识拓展
由于R型水泥的3 d强度较普通型高，其水化热放出 比较集中，可能会导致混凝土的早期裂缝。所以，如果 工程中对混凝土早强没有特别要求时，尽量不要选用R 型水泥。
3.1 水硬性胶凝材料
跟 踪自测 1.某矿渣硅酸盐水泥500 g，加入132 g水拌制成水泥净浆，
（2）水化热大，抗冻性好。 （3）碱度高，抗碳化能力强。 （4）耐腐蚀性差。 （5）耐热性较差。 （6）湿热养护效果差。

3.1 水硬性胶凝材料
2）粉煤灰、火山灰质、矿渣、复合硅酸盐水泥的特性

石灰的存在形成
块状生石灰 ——煅烧直接获得 煅烧直接获得 生石灰粉 消石灰粉 ——块状生石灰磨细 块状生石灰磨细 ——生石灰消解 生石灰消解
CaO
石灰膏/ 生石灰+ 石灰膏/乳 ——生石灰+过量水 生石灰
Ca(OH)2
2.1.2 石灰的熟化与硬化
1.石灰的熟化 石灰的熟化 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：
2.1
石灰
2.1.1 石灰的生产及分类
石灰的来源之一是某些工业副产品。 石灰的来源之一是某些工业副产品。如： Ca（OH） CaC2＋2H2O＝C2H2↑＋Ca（OH）2
生产石灰的原料为石灰石、 生产石灰的原料为石灰石、白云质石灰 石或其他含碳酸钙为主的天然原料。 石或其他含碳酸钙为主的天然原料。
磨细成生石灰粉石灰膏用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆稀释成石灰乳石灰水涂料用于内墙和平顶刷白生石灰粉磨细生石灰粉用于调制石灰砌筑砂浆或抹面砂浆配制无熟料水泥石灰矿渣水泥石灰粉煤灰水泥石灰火山灰水泥等制作硅酸盐制品如灰砂砖等制作碳化制品如碳化石灰空心板用于石灰土灰土和三合土消石灰粉制作硅酸盐制品用于石灰土石灰粘土和三合土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
CaO＋H2O → Ca(OH)2＋64.9 kJ ＋
熟化时体积增大1～ 倍 熟化时体积增大 ～2.5倍。
为了消除过火石灰的危害， 为了消除过火石灰的危害，石灰膏在使 用之前应进行陈伏。陈伏是指石灰乳（ 用之前应进行陈伏。陈伏是指石灰乳（或石 是指石灰乳 灰膏）在储灰坑中放置14d以上的过程。 灰膏）在储灰坑中放置14d以上的过程。 14d以上的过程 陈伏期间，石灰膏表面应保有一层水分， 陈伏期间，石灰膏表面应保有一层水分， 使其与空气隔绝，以免碳化。 使其与空气隔绝，以免碳化。

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。
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。
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。
土木工程中常用的气硬性无机胶凝 材料主要有：石灰、石膏、菱苦土和水玻 璃。
第一节
石灰
天然碳酸岩类岩石——（石灰石、 白云石）经高温煅烧，其主要成分CaCO3 分解为以CaO为主要成分的生石灰，其化 学反应可表示如下：
（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。#
（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。

• 凝结硬化快；
• 生产建筑石膏制品；
• 孔隙率大，热导率小； • 生产水泥时作为缓凝 • 凝结时体积产生微膨胀； 剂加入水泥中。
• 吸湿性强，耐水性差；
• 具有较好的防火性能。
三、水玻璃
• 水玻璃又称泡花碱，是由碱金属氧化物和二氧化硅 结合而成。是一种能够溶解于水的硅酸盐材料。
1.水玻璃的生产 湿法生产
所示：
二水石膏
CaSO4·2H2O
107～170℃ 加热、脱水
CaSO4·0.5H2O β型
125℃ 0.13MPa
蒸压锅
CaSO4·0.5H2O
α型
170～360℃ 加热、脱水
CaSO4 Ⅲ
400～750℃ CaSO4 Ⅱ
建筑石膏 高强石膏 可溶性石膏 不溶性石膏
800℃
CaSO4 Ⅰ
高温煅烧石膏
• 湿法是将石英砂加入到氢氧化钠溶液中，进行蒸压 使其直接反应生成液态水玻璃。
干法生产
• 干法是把石英砂和碳酸钠按比例混合磨细，在300~ 1400℃高温的熔炉内熔化，生成固态水玻璃。
三、水玻璃
1.水玻璃的生产 水玻璃的硅酸盐模数
• 水玻璃的模数n：指硅酸钠中氧化硅和氧化钠的分 子数之比，一般在1.5~3.5之间。
在常温下不存在
• 建筑工程中常用建筑石膏;高强石膏用于生产建筑石膏制品。
二、石膏
2.建筑石膏的凝结与硬化
• 建筑石膏加水后，与水发生的化学反应如下： CaSO4·0.5H2O + 1.5 H2O = CaSO4·2H2O
• 建筑石膏的凝结硬化过程可以表示如下：
建筑石膏+水
浆体
凝结
硬化
建筑石膏凝结过程，是一个溶解、反应、沉淀、结 晶的过程；

石膏生产时的变化
1.建筑石膏
CaSO
4
β型半水石膏
107 ° ~ 170 °
⋅ 2 H 2 O → CaSO
4
1 1 ⋅ H 2O + 1 H 2O 2 2
α型半水石膏
2.高强石膏
1 1 CaSO4 ⋅ 2 H 2O CaSO4 ⋅ H 2O + 1 H 2O → 2 2
生石灰要在水中放置两周以上，此过程 即为“陈伏”。在这段时间里生石灰会完 全和水反应，不会因含有过火石灰造成 熟化推迟而导致墙面鼓泡的现象。
熟化为熟石灰粉： 将生石灰块淋水，使石灰充分熟化，又 不会过湿成团，此时得到的产品就是熟 石灰粉。
2. 石灰的硬化
结晶和碳化两个过程同时进行，但极为缓 慢。碳化过程长时间只限于表面，结晶过 程主要在内部发生。 原因 空气中CO2含量稀薄，使碳化反应进展缓慢， 同时表面的石灰浆一旦硬化就形成外壳， 阻止了CO2的渗入，同时又使内部的水分无 法析出，影响硬化过程的进行。
四、建筑石膏的应用
纸面石膏板 装饰石膏板 吸声用穿孔石膏板 石膏艺术制品
四、建筑石膏的应用
纸面石膏板（GB9775-88） 纸面石膏板（GB9775-88）
以建筑石膏为主要原料，掺入纤维和外加剂构成 以建筑石膏为主要原料， 芯材， 芯材，并与护面纸牢固地结合在一起的建筑板材 称为纸面石膏板。 称为纸面石膏板。 由于其两面贴以特制的厚纸护面，抗折强度高， 由于其两面贴以特制的厚纸护面 ， 抗折强度高 ， 挠度变形要比无护面纸的石膏板小的多。 挠度变形要比无护面纸的石膏板小的多。 品种有：普通纸面石膏板、 品种有：普通纸面石膏板、 耐火纸面石膏板、 耐火纸面石膏板、 耐水纸面石膏板、 耐水纸面石膏板、 装饰吸声纸面石膏板

煅烧过程的发生的反应： 500~800℃，粘土质原料脱水分解为无定形的Al2O3和SiO2；600℃以后，石灰中的CaCO3开始分解；800℃以下生产CA（CaO·Al2O3),C2S也开始形成。 800~900℃，C12S7开始形成。 900~1100℃，C2AS形成，随后又重新分解。C3A与C4AF开始形成。 1100~1200℃，大量形成C3A和C4AF，C2S生生成量达到最大。 1260~1300℃，水泥生料开始熔融，并出现液相，C2S吸收CaO生成C3S。 1300~1450℃，C2A和C4AF呈熔融状态，产生的液相把CaO和部分C2S溶解于其中，在此液相中，C2S吸收CaO 形成C3S。这一过程是煅烧水泥的关键，必须有足够的时间使生成的C3S的反应完全，否则游离CaＯ过多将影响水泥的安定性。
3.1.2 白色硅酸盐水泥和彩色硅酸盐水泥 白色硅酸盐水泥简称白水泥，是以硅酸钙为主要成分，并大量减少氧化铁等着色化合物的熟料，加入适量的石膏，磨细制成的白色水硬性胶凝材料。磨制水泥时允许加入不超过水泥质量5％的石灰石或窑灰（白度J70％）作多为外加物，水泥粉磨时允许加入不损害水泥性能的助磨剂，加入量不得超过水泥质量的l％。 白色硅酸盐水泥熟料生产时严格控制着色物质（如氧化铁、氧化锰、氧化钛、氧化铬等），银烧时通常采用天然气、重油或煤气，不使用煤，粉磨水泥时采用硅质石材或坚硬的白色陶瓷作。材板及研磨体，所以白水泥价格贵。白水泥的技术性质要求有： （1）细度：白水泥的细度是0.080mm方孔筛筛余不得超过10％。 （2）凝结时间：白水泥的初凝时间不得早于4smin，终凝时不得迟于2h。 （3）强度标号：白水泥有325、425、525、625四个标号，各龄期的强度值不得低于表的规定。
3.2.4 镁质胶凝材料硬化强度与抗水性 用氯化镁溶液调制的镁质胶凝材料硬化体的结构：多相多孔结构。 特点： 在干燥条件下，具有硬化快，强度高的特点。 抗水性差——掺入外加剂，少量的水溶性树脂可提高抗水性。

水硬性不仅在空气中，而且能更好的在水中硬化，并保持 、发展其强度。
石灰
水泥
3.1 石灰
基础知识
3.1.1 石灰的生产及技术要求 3.1.2 石灰的熟化与硬化
3.1.3 石灰的应用
3.1.1 石灰的生产及技术要求
石灰是以氧化钙或氢氧化钙为主要成分的气 硬性胶凝材料。
特点：原料来源广泛、生产工艺简单、使用 方便、成本低廉，具有良好的建筑性能。
Ca(OH)2 CO2 nH2O 碳化CaCO3 (n 1)H2O
2.石灰的技术性质 1.石灰的特性 1）可塑性和保水性好
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，可使可塑性和保水性显著提高。
熟化为石灰膏：
将生石灰放入水 中，注意水要过量
池中透明液体为氢氧 化钙饱和溶液，下部 沉淀即为熟石灰
生石灰要在水中放置两周以上，此过程 即为“陈伏”。在这段时间里生石灰会完 全和水反应，不会因含有过火石灰造成 熟化推迟而导致墙面鼓泡的现象。
石灰的技术要求
建筑生石灰技术指标
钙质生石灰
镁质生石灰
项
目
使用劣质建材，就是给工程埋下定时炸弹，危 害人民利益。
(2) 石灰的选用
现象
工地急需配制石灰砂 浆。当时有消石灰粉、生 石灰粉及生石灰三种材料 可供选用。因生石灰价格 相对较便宜，便选用，并 马上加水配制石灰膏，再 配制石灰砂浆。使用数日 后，石灰砂浆出现众多凸 出的膨胀性裂缝。
原因分析
石灰砂浆的膨胀性裂缝
胶凝材料
胶凝材料：在土木工程材料中，凡是经过 一系列的物理、化学作用，能将散粒状或 块状材料粘结成整体的材料，统称为胶凝 材料。