材料——气硬性胶凝材料

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第3章 气硬性胶凝材料,胶凝材料(cements,binding materials),胶凝材料概念：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。,1,胶凝材料,有机胶凝材料：如沥青、树脂等,无机胶凝材料,气硬性：如石膏、石灰、菱苦土、 水玻璃,水硬性：各种水泥,2,气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，且只能在空气中保材或发展其强度。而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。,3,第一节、 石膏(gypsum) 膏plaster,一、 原材料,二、生产及产品,三、水化硬化过程,四、应用,4,石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料，其原料来源有：,(1)天然二水石膏，又称软石膏或生石膏。,(2)天然硬石膏无水硫酸钙。,(3)化工废石膏(含有二水石膏,(CaSO,4,2H,2,O),或含有,CaSO,4,2H,2,O,与,CaSO,4,的混合物的化工副产品及废渣) 脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、硼石膏等。,一、石膏原料,5,二、石膏的生产及品种,石膏胶凝材料的主要生产原料是天然的二水石膏。在将原料加热时，不同的温度和不同的压力下所得CaSO,4,2H,2,O，石膏产品的结晶类型、结晶水含量不同，因而有不同的性能指标。,6,蒸炼,炒制,7,品种,(1),建筑石膏,(calcined gypsum),(2),高强石膏,(high strength gypsum/plaster),(3),硬石膏,：,无水石膏(anhydrite,anhydrous gypsum),8,1. 高强石膏,型半水石膏的晶粒较粗，也比较密，因此比表面积较小，将此种石膏加水硬化后，具有较高的密实度和强度，3小时的抗压强度即可达到924MPa，7天抗压强度可达15-40MPa，因此，将之称为高强石膏。,高强石膏在应用中，一般用于强度要求较高的抹灰工程，装饰制品和石膏板，加入防水剂后，还可用于温度较高的环境中，加入有机物如聚乙烯醇水溶液等可配制成粘结剂，其特点是无收缩。,9,2. 建筑石膏,型半水石膏的晶体较细，所以调制成一定稠度的浆体时，需水量也比型半水石膏的需水量大，导致建筑石膏的孔隙率也大，因而强度较低。,在实际生产与工程中，建筑石膏的应用更广泛一些。,10,建筑石膏的技术性质,凝结迅速：可以考虑加入缓凝剂(retarder)来缓凝,水化反应理论需水量为18.6，但为了使石膏浆体具有可塑性，通常实际加水为6080%,石膏制品堆密度小，保温绝热性能好，吸音性强，吸水率大，抗渗性、抗冻性和耐水性差(,石膏硬化体的软化系数在,0.2,0.3,之间,)。,建筑石膏硬化后体积略有膨胀,不会出现裂纹。,颜色洁白，质感饱和。,11,性能,型半水石膏,（高强石膏）,型半水石膏,（建筑石膏）,强度（MPa）,10以上,510,标准调度（）,4050,6080,凝结时间（min）,1720,712,12,3. 可溶性硬石膏,4. 不溶性硬石膏,5. 高温煅烧石膏,13,1. 胶凝理论,2. 结晶理论,三、石膏水化硬化过程,14,（1）半水石膏晶体结构中内在的残余力将水吸附在颗粒的表面；,（2）水进入半水石膏的细孔内，并保持物理吸附状态，形成胶凝结构，这就是初凝；,（3）水进入分子间或离子间间隙内，胶凝体发生膨胀；,（4）水由物理吸附状态过渡到化学吸附状态，产生水化作用，温度升高，形成二水石膏晶体，晶体逐渐长大，互相交错形成密实结构，这就是终凝。,15,在各种化学变形体中，无水石膏先要生成半水石膏，然后在形成二水石膏。,可溶性硬石膏相对来讲反应活性最强。不溶性硬石膏单独存在时不具有水化硬化能力，必须加入激发剂。而高温煅烧石膏由于含有少量石膏分解后的石灰，具有自激发性。,16,四. 石膏的应用,1. 石膏的特点：,（1）抗水性差：原因、软化系数、解决途径；,（2）强度较低；,（3）孔隙率高；,（4）颜色洁白、质感好；,（5）一定的防火性,17,2. 应用,（1）水泥的缓凝；,（2）石膏制品,建筑石膏：装饰板材、雕塑、装饰型材、抹灰工程、砌块等；,高强石膏：抹灰工程、装饰板材、砌块等；,可溶性硬石膏一般不用，避免出现；,18,不溶性硬石膏：加入激发剂后配制成硬石膏水泥；,激发剂：硫酸盐激发、碱激发,高温煅烧石膏：此时其中的石灰作为激发剂，耐磨性和抗水性提高，又称为地板石膏。,19,作为石膏制品时，因为石膏凝结速度很快，需要进行调节，此时可以加入促凝剂和缓凝剂。,20,3.2.4 建筑石膏的应用,(1)纸面石膏板：,两面用坚韧的纸做护面,(2)纤维石膏板：含,纤维材料,(3)装饰石膏板：,造型美观，品种多样,(4)空心石膏条板：空心,(5),石膏蜂窝板、石膏矿棉复合板、防潮石膏板等,21,（1）石膏浆体强度发展过程,3. 强度发展,时间,强度,22,（2）影响强度发展的因素,温度；,水灰比,23,（4）陈化,由于新烧制的熟石膏为多相体的混合物，如建筑石膏在120-140,下也只是形成以（,CaSO,4,1/2 H,2,O,）为主，还有很多未烧的石膏及其他化合物，因此，性能很不稳定，将其静放一段时间后，待性能稳定以后在应用，这一过程即为“陈化”。,24,(,),(,),(,),半水石膏,少量,二水石膏,少量,型石膏,主要的,半水石膏,二水石膏,变化,矿物,保温,吸湿,再结晶,-,-,b,b,III,性能稳定,性能不稳定,强度增加,强度较低,凝结时间正常,凝结时间不正常,减少,标准稠度,标准稠度较大,变化,性能,25,第二节 石灰,(lime,CaO),一、石灰分类,二、生石灰的原料与生产,三、生石灰的性质,四、熟石灰的制造（石灰的熟化）(slake),五、熟石灰的性质,六、生石灰和熟石灰的应用,26,一、石灰的分类,根据石灰加工方法：块状生石灰、磨细生石灰、石灰浆、石灰乳、石灰水等；,石灰石中含有杂质氧化镁（MgO），根据MgO的多少，将生石灰中MgO含量5%的称为钙质石灰（低镁石灰），,5%20%,的称为中镁石灰。,20%40%,为高镁石灰；,27,根据消化速度：快速消化石灰、中速消化石灰和满素消化石灰，消化速度分别：,小于10min、1030min、30min,以上。,根据消化时所达到的温度指标，又有高热石灰（,高于70C）和低热石灰（,70C）,28,二、生石灰的原材料和生产,原料：,以含碳酸钙为主的天然岩石和化工副产品。,天然岩石主要有石灰石、大理石、白云石、方解石、白垩、石灰华等；,化工副产品主要有电石渣（消化电石而得）等:,CaC,2,+2H,2,O=C,2,H,2,+Ca(OH),2,29,制造：,CaCO,3,+178,10,3,J/mol,CaO+CO,2,最佳煅烧温度过火石灰和欠火石灰,碳酸钙的分解取决于温度、压力、介质和石灰石原料的致密度及块度的形状和均匀度。,原料中含有的MgO杂质,对生石灰的制造也有影响，MgCO,3,比CaCO,3,煅烧温度低，因而先分解，等CaCO,3,分解时，MgO的致密度大增，消化性能降低，影响了生石灰的性能。,所以生石灰的最佳煅烧温度不是一成不变的。,30,三、 生石灰的性质,（一）物理性能,1. 晶形和晶格结构,CaO,具有面心立方晶格，晶格常数a=0.48nm，MgO也是面心立方晶格，a=0.4203nm，所以白云石（CaCO,3,:MgCO,3,=1:1）密度比石灰石（主要是CaCO,3,）高。,2. 煅烧度石灰被煅烧的程度,轻烧石灰、中烧石灰和硬烧石灰及死烧石灰,31,3. 体积密度随煅烧度的增加而增大。,4. 气孔率 开口（连通、半连通）及全封闭孔,5. 颜色与比表面积和杂质含量有关。,32,（二）化学性质,1. 与水的作用消化、熟化,CaO+H,2,O,Ca(OH),2,+6.49,10,4,J,消化与煅烧度、颗粒大小、外加剂、温度有关,石灰的消化特点：,（1）大量放热；,（2）比表面积急剧增加，以及块状生石灰变为粉末状消石灰；,（3）石灰粒子在水中形成石灰胶团结构。,33,2. 与CO,2,作用碳化,Ca(OH),2,+CO,2,+nH,2,O=CaCO,3,+(n+1)H,2,O,CO,2,与H,2,O先形成H,2,CO,3,，然后与Ca（OH）,2,发生反应,，,因此,只有在半潮湿、升压和升温状态下的CaO,或CO,2,浓度大的条件下，碳化作用才明显。,碳化与石灰乳的形成及硬化有关。,34,3. 与SiO,2,的作用,在高温下（10001200），与SiO,2,反应形成,C,2,S。,4. 其他反应,35,四、熟石灰的制造,1. 湿消化：在消化槽中，给石灰块和石灰粉不停的浇水，并不断搅拌，直至放热结束。,2. 干消化：石灰工业企业中，常用到。见图1-17,3. 加压消化：常见于难消化的石灰，如硬烧石灰、镁质石灰等。,4. 工业副产品：生产乙炔工业中：,CaC,2,+2H,2,O=C,2,H,2,+Ca(OH),2,36,五、熟石灰的性质,（一）物理性质,1. 晶形和晶体结构,2. 密度和堆积密度,3. 硬度,4. 粒度和比表面积,5. 溶解度,6. 热性能,7. 颜色,37,（二）化学性质,38,（三） 其他性质,1. 流动性,2. 可塑性及和易性,3. 产浆量,4. 沉降体积,5. 均匀性,39,六、应用,石灰的技术性质,(1)良好的保水性：,直径约为,1,m,的呈胶体分散状态的氢氧化钙，其表面吸附一层较厚的水膜。,(2)凝结硬化慢、强度低：,碳酸钙和氢氧化钙结晶体,(3)耐水性差：,氢氧化钙结晶易溶于水,(4)体积收缩大：,蒸发大量的游离水,40,1石灰乳涂料,将热化好的消石灰加入水稀释，直接用于室内墙壁和天棚的涂料。,加入各种耐碱颜料，可变成彩色涂料。,加入少量磨细slag或flyash ，提高其耐水性。,加入明矾，氯化钙，聚乙烯醇等减少涂层粉化。,（一）建筑业,41,2石灰砂浆,石灰膏+砂+水+拌制，既可用作砌筑砂浆又可用作抹面。,石灰膏+纤维+水拌制，多用于抹面。,3石灰土和三合土,石灰土（石灰+粘土）和三合土（石灰+粘土+砂碱炸渣等填料），多用于加固地面、密实地面，稳定地基。,42,4制作硅酸盐制品,将石灰与硅质材料磨细后，一起加压成型，再经过蒸汽养护，生成以水化硅酸钙为主要产物的砼。,反应式如下：,Ca(OH),2,+SiO,2,+aq,CaOSiO,2,aq,硅酸盐砼制品有：灰砂砖、灰砂构件、加气砼等。,43,5碳化石灰板,将磨细生石灰、纤维状填料或轻质骨料搅拌成型，然后用CO,2,进行人碳化，而成的一种轻质板材。,6将生石灰用于惰性胶凝材料的激发剂，如FA，slay等。,7接触硬化胶凝材料。,44,四、关于石灰用于建筑中的一些注意事项：,1陈伏：,生石灰中，一些石灰石在烧制过程中由于矿石品质的不均匀及温度的不均匀，生成的生石灰中即有可能含有欠火石灰和过水石灰。对于欠火石灰，降低了石灰的利用率，而对于过火石灰，由于其表面常被粘土类杂质融化形成的玻璃釉状物包裹，熟化很慢，就有可能在实际工程应用中，石灰已经硬化，而过火石灰才开始热化，热石灰体积比生石灰体积大12.5倍，引起隆起和开裂。为了消除这一危害，就有必要将石灰浆，在储存坑中“陈伏”两星期以上，等待过火石灰的完全“热化”。,“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。,45,2消化时的温度与石灰粒度,石灰在消化期间的温度应注意石灰的粒度大小，研究结论指出，粒度较大的生石灰应在较低的温度下消化，而粒度小的应在较高温度下进行消化。这主要是与形成的石灰浆达到最好的塑性有关。,3石灰制品受潮后易溶解，,致使强度下降所以不宜在潮湿环境中使用，若必须要用，就必须进行处理。,46,（二）钢铁工业,47,（三）化学工业,48,第三节 镁质胶凝材料（菱苦土）,菱苦土是一种白色或浅黄色的粉末，其主要成分是氧化镁（MgO），菱苦土作为胶凝材料与石灰的原理不同，石灰的最终反应化学原理是Ca(OH),2,CaCO,3,生成物要求是CaCO,3,而菱苦土的反应生成物是Mg(OH),2,。,49,一、菱苦土原料,（一）菱镁矿,（二）白云石,（三）蛇纹石,（四）化工副产品,50,二、菱苦土的生产,MgCO,3,MgO+CO,2,在原材料煅烧过程中，应使MgCO,3,充分分解，而其中的CaCO,3,避免分解，这样所得到的菱苦土材料就是活性MgO和惰性的CaCO,3,，这主要是因为若生成CO,2,，会对菱苦土性能产生负面影响。,煅烧最适宜温度与原材料中的化学组成、结构状态有关。,煅烧温度也直接影响菱苦土的水化速度，煅烧温度低，则烧结速度快，但可能MgCO,3,又不能充分分解。,51,三、菱苦土的硬化与调和,MgO+H,2,O=Mg(OH),2,在纯水中，这个反应很慢，且硬化后的强度很低，,因此，一般不用水来调配菱苦土浆体，而是用某些盐水。最常用的就是MgCl,2,，其次还有MgSO,4,、FeSO,4,等。,52,用MgCl,2,作为调凝剂，硬化后强度最高，但吸湿性较大，抗水性差；而用MgSO,4,作为调凝剂，制品吸湿小，但强度较低；用FeSO,4,吸湿性强度都还可以，但时间一长，制品表面容易出现锈斑。,53,在实际中，多采用MgCl,2,（此时又叫氯镁水泥）作为调凝剂，同时辅以采取抗水措施：,1加入H,3,PO,4,，加入H,3,PO,4,后，可与MgCl,2,生成不溶于水的2MgHPO,4,3H,2,O的结构物。（掺量1%左右）,2有机外加剂，有水溶性和水乳性的高聚物和有机硅，如丙烯酸聚合乳液，砖酸乙酯等。它们自力交联聚合，可以包裹Mg(OH),2,晶体，形成良好的防水保护层。,54,3. 加入FeCl,3,，可以增加硬化体强度，并堵塞毛细管，增加抗渗性。,4掺入某些水硬性胶凝混合材如浮石粉，红砖等。混合材中的SiO,2,、Al,2,O,3,可与Mg(OH),2,作用生成耐水性强的物质。,55,四、应用,菱苦土硬化后与植物纤维的粘结性很好，且碱性较弱，对植物纤维腐蚀性也小，可以用做：（1）制作构件。常将菱苦土与木纤维，如木屑、刨花、芦苇、竹筋等制成一些板材及其他构件。这些板材及构件包括：刨花板、人造大理石、隔热材料等。,56,（2）制作菱苦土木屑地面，此时可以再加入石棉、硅藻土、石英和颜料等。特点是强度较高，弹性好，不起灰，放火、碰撞不起火花，但不常用于潮湿环境。,（3）加入气泡或泡沫后，制成保温隔热材料。,（4）耐水性处理好的话，还可以用于浴缸等生活用具。,（5）其他,57,菱苦土一些注意事项：,（,1）仍是保存与运输中的防潮以及其制品不宜用于室外和多水的地方，要么耐水性处理的很好。,（2）调和剂的掺量。MgCl,2,：MgO：46之间。,（3）与玻璃制品隔开，因为菱苦土的弱碱性对玻璃有腐蚀性，所以若用到玻璃纤维，耐久性要注意。,58,第四节 水玻璃(water glass),一、组成及分类,二、水玻璃的生产,三、水玻璃的凝结硬化,四、水玻璃的性质,五、水玻璃的应用,59,一、水玻璃组成及分类,水玻璃俗称为泡花碱，是一种易溶于水的碱金属硅酸盐，最常用的是硅酸钠和硅酸钾两种R,2,O,nSiO,2,。(又称钠水玻璃、钾水玻璃)也可将二者按比例混合，又叫混合水玻璃。,n：氧化硅与氧化钠的分子比，它被称为水玻璃的模数。,60,水玻璃分类,1. 按模数大小：高模数水玻璃和低模数水玻璃,2. 按碱金属氧化物：钾水玻璃、钠水玻璃和混合水玻璃；,3. 按融制时的原料，特别是碱金属氧化物原料：纯碱（碳酸盐）水玻璃和硫酸钠水玻璃；,4. 改性水玻璃：掺有外加剂的水玻璃；,5. 按水玻璃中二氧化硅含量多少，有中性和碱性水玻璃水解后都为碱性。,61,工业上水玻璃形态有三种：,块状或粉状水玻璃，溶解慢，且易潮解。,含有化合水的固体水玻璃，称之为水合水玻璃溶解度大。,由而得的液体水玻璃，可与水按任意比例混合。,62,二、水玻璃的生产,（一）原料：,1. SiO,2,原料：石英砂、砂岩、燧石、硅藻土等；,2. Na,2,O,原料：纯碱(Na,2,CO,3,),、硫酸钠(Na,2,SO,4,)、苛性钠(NaOH)、小苏打(NaHCO,3,)等；,3. 其他原料：炭，在用硫酸盐生产时采用。,63,（二）生产,1. 干法,（1）碳酸盐熔融法,Na,2,CO,3,+nSiO,2,CO,2,+Na,2,O,nSIO,2,（2）硫酸盐法,4Na,2,SO,4,+2C+4SiO,2,=4NaO,SiO+4SO,2,+2CO,2,2. 湿法蒸压法,国内多用碳酸盐法,64,三、水玻璃的凝结硬化,Na,2,nSiO,2,+CO,2,+mH,2,O=Na,2,CO,3,+nSiO,2, mH,2,O,这个反应在空气中进行，反应速度偏慢，一般加入硅氟酸钠（Na,2,SiF,6,）作为促硬剂。,但Na,2,SiF,6,有毒，使用要注意安全。掺量12-15%。掺量过多或过少的都有弊端。,65,水玻璃的模数和相对密度，对于凝结和硬化影响也很大。当模数高时，硅胶容易析出，水玻璃凝结硬化快。当水玻璃相对密度小时，反应产物扩散速度快，水玻璃凝结硬化速度也快。而模数又低且相对密度又大时，凝结硬化就很慢。,环境温度和湿度对凝结硬化影响也大，温度高、湿度低时放映速度也加快。,66,四、水玻璃性质,67,五、水玻璃的应用,1涂刷土木工程材料表面可提高抗风化能力，并可掺入耐碱颜料。,2配制防水剂。,3配制水玻璃矿渣砂浆，修补砖墙、裂缝。,4用于加固土壤。,5碱矿渣砼中的碱。,6配制耐酸砼。,7. 配制耐热砂浆和耐热混凝土。,68,水玻璃性能的调配,因为水玻璃在工程中应用主要与其粘度和粘结力有关，而这两点又分别与水玻璃的浓度和模数有关。,1不考虑浓度与模数改变，可加入尿素，在不提高粘度的同时，增加粘结力。,2模数的调查：若水玻璃在使用中模数不合要求，导致粘结力等性能不符，则通过加入NaOH来降低模数，或加入硅酸或无定形SlO,2,来提高模数。,3浓度可通过加水稀释或加热浓缩来实现,。,69,注意事项：,1运输与存放的容器：,不能用木质容器或用木塞：因为木材被碱性溶液浸蚀，使水玻璃着色而影响质量。,不能用镀锌（Zn），因Zn太活泼，易与碱反应生成氢气。,故而可用玻璃桶、铁桶、砼桶、塑料桶等。但不论何种容器，应注意密封，以防与CO,2,和H,2,O反应，而表面结皮。,2水玻璃在+10,下有结冰的可能，故应保持贮存处温度。,3加入促硬剂（如Na,2,SiF,6,）时应注意安全，NaSiF,6,为白色结晶，在水玻璃工地易当成白糖或食盐。,4不能长时间敞开有放，由于表面水分蒸发，表面易结皮，结皮又因沉降作用而沉淀，从而影响质量。模数大的水玻璃易结皮,。,70,思考题,(1)气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料有何区别?,(2)石灰熟化成石灰浆使用时，一般应在储灰坑中“陈伏”两星期以上，为什么?,(3)何为欠火石灰、过火石灰?各有何特点?,(4)试述石灰的技术性能与应用?,(5)试述建筑石膏的技术性能与应用。,(6)水玻璃有哪些用途?,(7),71,