用无机胶凝材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 三 章,无机胶凝材料,Inorganic Binders,or,Inorganic Cementitous materials,1,本 章 主 要 内 容,石膏,石灰,水玻璃,硅酸盐水泥,掺混合材的硅酸盐水泥,其它品种水泥,2,教 学 大 纲,石膏,：,石膏的生产与品种。建筑石膏的凝结与硬化。建筑石膏的特性、质量要求与应用。,石灰,：,石灰的原料与生产。石灰的熟化与硬化。石灰的特性、质量要求与应用。,水玻璃,：,水玻璃的组成；水玻璃的硬化；水玻璃的性质；水玻璃的应用。,硅酸盐水泥,：,硅酸盐水泥的生产过程与硅酸盐水泥熟料的矿物组成。硅酸盐水泥的凝结与硬化。硅酸盐水泥的技术要求。水泥石的腐蚀与防止。硅酸盐水泥的性质、应用与存放。,3,掺混合材料的硅酸盐水泥,：,混合材料。普通硅酸盐水泥。矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的特点与应用。,其它品种水泥,：,快硬硅酸盐水泥、白色及彩色硅酸盐水泥、膨胀水泥、道路水泥、中低热水泥和抗硫酸盐水泥等的特点与应用。,高铝水泥,：,高铝水泥的主要矿物成分与水化产物。高铝水泥的技术要求。高铝水泥的性质与应用。,4,概述,基本概念,胶凝材料的分类,学习要求,5,基本概念,：什么是胶凝材料？,定义：,经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。,特征：,严格意义上胶凝材料应指浆体；,能在常温下凝结硬化为固体；,有较强的胶结能力；,具有一定的使用性能。,6,胶凝材料的种类？,按其化学组成：,有机胶凝材料：沥青、树脂等。,无机胶凝材料：水泥、石膏、石灰等。,复合胶凝材料：牙齿水泥、酸碱水泥。,按其硬化条件：,气硬性胶凝材料 石膏、石灰等；,水硬性胶凝材料 各种水泥等。,7,气硬性与水硬性胶凝材料的特点,气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且在空气中保持和发展其强度；,关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！,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，保持并发展其强度。,关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！,8,学习要求三问？,胶凝材料凝结硬化机理及其影响因素是什么(,What,)？,土木工程对胶凝材料有哪些性能要求(,Which,)？,怎样正确选择和使用胶凝材料(,How,)？,9,第一节 石 膏,Plaster,石膏的组成与结构,Composition and Structure of Plaster,石膏的生产,Plaster Production,建筑石膏的凝结与硬化,Setting and Hardening of Plastter,建筑石膏的性质,Properties of Plaster and its Articles,建筑石膏的应用,Utilization of Plaster and its Articles,10,Summary,性质,石膏是气硬性胶凝材料，建筑石膏的主要成分是,-,半水石膏CaSO,4,0.5H,2,O;,生产方法,建筑石膏可用天然二水石膏或化学石膏在120180 C干燥下脱水制备；,凝结硬化机理,“溶解沉淀”理论，即通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化；,性能,浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人体和环境无害。,应用,各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。,11,进一步研究开发的课题,先进纤维石膏基复合材料,高强石膏及其制品,提高石膏及其制品的耐水性,外墙保温砂浆及其装饰,钢结构防火涂层,12,石膏应用的历史,9000年前，叙利亚和土耳其的安那托力亚就有古迹；,5000年前，埃及人就在敞开的火炉中煅烧石膏，然后破碎磨成粉末，再与水拌和制得用于金字塔建造中石块得粘结材料灰浆；,372-287 BC，古希腊人采用天然透明石膏（亚硒酸石膏）做神庙得窗户；,古罗马人用石膏浇注了成千上万座古希腊得雕塑。,十七世纪，法国巴黎的木质房的所有墙壁均用石膏灰浆（plaster）覆盖，以提高防火性能，因而，法国巴黎有“石膏的首都（capital of plaster）之称。,石膏灰浆又称为“Plaster of Paris”它是半水硫酸钙(CaSO,4, H,2,O)，二水硫酸钙 (CaSO,4,2H,2,O)称为 gypsum,13,一、石膏的组成与结构,石膏的矿物组成,：,CaSO,4,xH,2,O,X为结晶水H,2,O,x0，硬石膏,(无水石膏),x0.5 ，熟石膏(半水石膏),x2，生石膏,(二水石膏),石膏胶凝材料(,Gypsum binder,)的组成,：,CaSO,4, 0.5H,2,O或CaSO,4,。,石膏是晶体结构,二水石膏晶体形貌,半水石膏晶体形貌,14,二、石膏的生产,原料：,天然二水石膏；,天然无水石膏；,工业副产物磷石膏、氟石膏等。,生产工序：,原料(破碎),脱水,磨细,生产(脱水)的工艺：,非密闭煅烧(干燥空气中)：,密闭蒸练(湿的水蒸气)：,不同工艺得到不同组成的,石膏胶凝材料,天然石膏矿纤维状晶体,15,我国石膏矿分布非常广泛,16,非密闭煅烧脱水工艺及其产品,CaSO,4,2H,2,O,120180,C,可溶无水,石膏,-半水石膏,200360,C,400500,C,难溶无水,石膏,500750,C,不溶无水,石膏,随着煅烧温度升高：,二水石膏转变为,-,型半水石膏,-,型转变可溶性无水石膏,可溶性转变为难溶性无水石膏,难溶性转变为不溶性无水石膏,17,密闭蒸练工艺及其产品：,125180,C,水蒸气,-型半水石膏,CaSO,4,2H,2,O,200360,C,可溶无水,石膏,400800,C,不溶无水,石膏,1,不溶无水石膏,CaSO,4,(),8001180,C,地板石膏,CaSO,4,与,CaO,18,生产工艺与产品的组成,CaSO,4,2H,2,O,120180,C,干燥空气,125180,C,水蒸气,-CaSO,4,0.5H,2,O,-CaSO,4,0.5H,2,O,-CaSO,4,(),可溶,-CaSO,4,(),可溶,200360,C,200360,C,400800,C,400800,C,CaSO,4,(),不溶,8001180,C,CaSO,4,(),不溶,CaO,非密闭煅烧工艺及其产品组成,密闭蒸炼工艺及其产品组成,19,石膏生产流程图,熟石膏,高强石膏,原料入口,产 品,废气排放,20,三、建筑石膏的凝结硬化,凝结硬化过程中的水化反应：,CaSO,4, 0.5H,2,O 1.5H,2,O,CaSO,4,2H,2,OQ,即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应,凝结硬化机理“溶解沉淀理论”,溶解,沉淀,硬化,半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不断溶解，生成Ca,2+,、SO,4,2-,离子的饱和溶液,半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。,二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网,21,凝结硬化的物理化学过程,石膏浆体,半水石膏颗粒 二水石膏晶体,石膏胶体,石膏硬化体,水,孔隙,水化初期：二水石膏晶体较少,随着水化反应进行二水石膏晶体量,石膏硬化体中晶体堆积体,22,半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子水化成二水石膏晶体。,石膏颗粒表面分子首先水化,颗粒表面二水石膏晶体不断增多,半水石膏全部水化成二水石膏,所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！,23,石膏凝结硬化的影响因素,石膏的组成,石膏浆体的用水量,外加剂,细度,凝结硬化速度的排序：,可溶性无水石膏半水石膏难溶性无水石膏不溶性无水石膏,用水量越大，石膏晶体颗粒越大；凝结硬化所需时间增加,一些无机盐(如硫酸钾)可以促进凝结硬化，而一些有机酸(如柠檬酸)可以延缓凝结硬化,细度越细，凝结硬化越快。,加水量50的硬化石膏的晶体较粗,加水量24的硬化石膏的晶体较细,硫酸钾可以促进石膏浆体的凝结硬化(曲线a)，而柠檬酸可以使石膏浆体缓凝(曲线b),时间(s),24,四、建筑石膏的性质,建筑石膏的技术要求,(GB977688)：,密度：2.502.70;,强度：抗折强度、抗压强度;,细度：0.2mm方孔筛筛余;,凝结时间：初凝、终凝时间;,石膏硬化体及制品的特性,：,表观密度较小：,1.0,孔隙率较大,强度较低,耐水性和抗冻性较差,防火性较好,隔热性和吸声性良好,装饰性,25,学会分析、思考和回答问题！,1. 石膏硬化体的表观密度小，孔隙率大，,Why,？,答：,半水石膏需加水6080，才能使浆体达到成型所需可塑性；而半水石膏全部水化成二水石膏只需18.6的水量；即，有4060多的水不能参与反应，硬化后多余水分的挥发留下大量孔隙。,2、孔隙率较大在应用上，有哪些优点和缺点,Which,？,答：,优点保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、天花板、墙面粉刷砂浆等。,缺点强度低、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构材料，不宜用于潮湿环境等。,26,3. 为什么石膏制品的耐水性差,Why,？,答：,石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明显的解理面，层间和晶体颗粒间是较弱的氢键结合，因此，水分子进入，降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导致强度下降；其软化系数只有0.300.45；,另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品长期在水中的强度将更低 。,学会分析、思考和回答问题！,4、如何改善石膏制品的耐水性,How,?,答：,降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处理，以减小吸水率；,掺加其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用。,二水石膏晶体解理面,27,5、为什么石膏制品的防火性好,Why,?,答：,石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高，因此，在高温下，主要发生脱水和烧结。,学会分析、思考和回答问题！,6、进一步思考的问题:,警察在勘察犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？,试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？,如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？,调湿作用,红线条表示室内湿度变化,蓝线条表示室外湿度变化,28,五、建筑石膏的应用,建筑石膏是一种很好的绿色建材！,应用中扬长避短，正确应用！,建筑上的主要应用有：,建筑石膏制品：,各种板材：墙板、天花板等,艺术装饰品,粉刷石膏：,墙面粉刷,雕饰,各种墙板,德国一所教堂的外墙面雕饰,室内墙面和天花板的雕饰,29,纸面石膏板的生产工艺流程,纸面石膏板生产线,30,第二节 石 灰,lime,建筑石灰的组成与品种,建筑石灰的制备,石灰的硬化,石灰的性质,石灰的应用,31,一、石灰的组成与品种,气硬性石灰,粘土杂质含量8%的石灰石热分解物及其水化物：,生石灰粉：CaO；,熟(消)石灰粉：Ca(OH),2,；,石灰膏(浆)：Ca(OH),2,、H,2,O；,水硬性石灰,粘土杂质含量8%的石灰石热分解物：,CaO、活性Si,2,O、Al,2,O,3,等,32,二、石灰的制备,原料：,以CaCO,3,为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。,石灰的,制备,：,石灰石的热分解反应：,CaCO,3,CaOCO,2,制备工艺：,岩石 破碎 煅烧 粉磨(消解),33,制备工艺与产品,石灰石,10001200,C,磨细,生石,灰粉,生石灰,水喷淋,熟石,灰粉,(水)化灰池,石灰浆,浓缩,石灰膏,陈伏,煅烧温度较低，时间较短时，,欠火石灰,煅烧温度较高，时间较长时，,过火石灰,减轻或消除过火石灰的危害,34,石灰浆体,氢氧化钙晶体 碳酸钙晶体,石灰凝胶体,石灰碳化体,水,孔隙,水分损失,碳化,三、石灰的硬化,结晶作用,生石灰或熟石灰水成为Ca(OH),2,浆体；,浆体中游离水的不断损失，导致Ca(OH),2,结晶；,晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网硬化。,碳化作用,Ca(OH),2,与空气中的,CO,2,气体反应，在表面形成,CaCO,3,膜层。,提高耐久性。,35,四、石灰的性质,建筑石灰的技术要求：,CaO的含量 CO,2,的含量(欠火石灰),细度 体积安定性(过火石灰),建筑石灰的特性：,表观密度较小 浆体的可塑性好,硬化后的强度较低 耐水性差,浆体硬化中容易开裂,过火石灰的危害,与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨胀而引起开裂 。,36,问 题？,1. 过火石灰有什么危害？应如何消除？,答：,过火石灰密度较大，且颗粒表面有玻璃釉状物包裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸湿水化，产生体积膨胀，影响体积稳定性。可采用延长石灰的熟化和陈伏期，或过滤掉。,2.石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应如何避免？,答：,石灰浆体的硬化是靠水分的大量挥发，体积显著收缩，因而容易导致开裂。在使用时，避免单独使用，可掺加一些砂子、麻刀丝或纸筋等。,37,五、石灰的应用,配制建筑砂浆和石灰乳,配制无熟料水泥,石灰火山灰活性材料,配制三合土,石灰粘土砂水,作为其它建材制品的原料,如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等。,软土地基加固,38,品种名称,适用范围,生石灰,配制石灰膏；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,各类石灰的应用,39,第三节 水玻璃,水玻璃的组成,水玻璃的制备,水玻璃的硬化,水玻璃的性质,水玻璃的应用,40,水玻璃是一种碱金属硅酸盐。,最常用的是硅酸钠水玻璃(Na,2,O,n,SiO,2,)，还有硅酸钾水玻璃(K,2,O,n,SiO,2,)。,两者都呈明显的碱性反应。,一.水玻璃的定义, 由不同比例的碱金属和二氧化硅组成，俗称泡花碱。常用硅酸钠水玻璃 Na,2,OnSiO,2。,常用的n=1.53.5。,41,1.,干法(固体水玻璃),原料：磨细石英砂与碳酸钠,二.水玻璃的生产,所制成的为固体水玻璃。,固体水玻璃装进蒸压釜内，通入水蒸汽加热使其溶解，可制成液体水玻璃。,2.,湿法(,液体水玻璃),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。,42,三.水玻璃的模数, SiO,2,与R,2,O的分子比 n 称为水玻璃的模数,1.,模数对性能影响,水玻璃模数越大，越难溶于水，硬化越快，干缩越大，粘结力愈大，强度愈高，耐热性耐酸性也越高。,2.,密度对性能影响,同一,模数液体水玻璃，密度愈大，浓度愈大，粘结力愈大，强度愈高。,建筑工程中常用水玻璃的模数为2.53.5。密度1.3,1.48g/cm,3,43,四.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：,无定型的硅酸凝胶,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，需,加热,促进硬化或加入,Na,2,SiF,6,作为,促硬(凝)剂。,氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和SiO,2,的形成。,44,水玻璃硬化过程,水玻璃溶液 硅酸凝胶 二氧化硅玻璃体,R,SiO,4,-4,R,R,SiO,4,-4,R,R,R,R,R,H,4,SiO,4,H,4,SiO,4,H,4,SiO,4,H,4,SiO,4,R,CO,3,SiO,2,SiO,2,SiO,2,SiO,2,R,2,CO,3,酸 化,脱水交联,45,什么是水玻璃？,由碱金属氧化物和二氧化硅结合的能溶于水的硅酸盐材料：,R,2,O nSiO,2,其中R=Na,、K,什么是水玻璃的模数？,n: 氧化硅SiO,2,与碱金属氧化物R,2,O的摩尔比。,模数对水玻璃性能的影响,模数越大，粘结力越大，溶解性越小，耐水性越好。,水玻璃的制备方法：,湿法： R,2,OnSiO,2,+ H,2,O 水玻璃,干法： R,2,OnSiO,2,R,2,O nSiO,2,R,2,O nSiO,2,+ H,2,O 水玻璃,46,水玻璃硬化过程,水玻璃与空气中的CO,2,反应，生成无定型的硅酸凝胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成SiO,2,而硬化。,水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠,其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和SiO,2,的形成。,水玻璃的特性,良好的胶结能力 耐热性好、不燃烧,较好的耐酸性能 耐水性和耐碱性差,47,水玻璃在建筑上应用,涂刷或浸渍材料,配置快凝堵漏防水剂,加固地基,配制耐热混凝土与砂浆,配制耐酸混凝土与砂浆,48,问 题？,为什么水玻璃能配制耐酸混凝土和砂浆？,答：,水玻璃溶液的凝结硬化是在酸作用下，使硅酸根离子逐步缩聚交联成二氧化硅玻璃体，因此，酸性条件只会使水玻璃中硅酸根离子的交联度提高，更加密实和耐水。,为什么水玻璃模数,n,越大，粘结力越强，耐水性越好？,答：,n,是,SiO,2,/R,2,O,的摩尔比，,n,越大，表明,SiO,2,含量越大，硬化后的玻璃体中,SiO,2,的交联密度越大，所以，粘结力越强，耐水性越好。,49,石膏：,1.凝结硬化快,强度低(比石灰高),2.硬化后体积微膨胀(0.51.0%),表面光滑细腻,形体饱满密实,装饰性好,3.孔隙率大,则,容重小,强度低,保温隔热、吸声性好,可调节室内温湿度；但抗渗性，抗冻性差，耐水性差，吸湿性强。,4.防火性能好，加工性能好,石灰：,1.凝结硬化慢，强度低 2.硬化时体积收缩大（易引起开裂）,3.生石灰吸湿性强，保水性好（,干燥剂,） 4.耐水性差,5.消石灰具有良好的可塑性（流动性强，保水性好）,水玻璃：,1、黏结力强，强度较高 2、耐酸性好,3、耐热性好耐高温 4、,耐碱性、耐水性、抗渗性差,小结：石膏、石灰、水玻璃的特性对比,50,石灰、石膏、水玻璃的比较,51,1.石膏浆、石灰浆和水泥浆三种胶凝材料浆体硬化时收缩最大的是水泥浆。,课堂练习,2.一般建筑石膏适用于室外。,3.石灰陈伏是为了消除过火石灰的危害。,4.水玻璃模数越大，粘结力越强。,否,是,否,是,是,否,否,是,52,菱苦土的生产,镁质胶凝材料是将菱镁矿（,MgCO,3,）或白云石（,MgCO,3,.,CaCO,3,）经煅烧、磨细而制成。煅烧的菱苦土（主要成分,MgO,）为白色或浅黄色粉末。苛性白云石（主要成分,MgO和CaCO,3,）为白色粉末。,第四节 镁质胶凝材料菱苦土,菱苦土,53,菱苦土的水化硬化,一般与MgCl,2,溶液按一定比例混合，硬化快，强度高。但吸湿性强，耐水性差。形成的水化产物主要为氯氧化镁（Mg(OCl),2,）和氢氧化镁（Mg(OH),2,）。,菱苦土的特点,1.能与木质材料很好地粘结，且不会腐蚀木质纤维，且凝结硬化后强度很高。,2.吸湿性强，耐水性差，只能用于干燥环境中。,第四节 镁质胶凝材料菱苦土,54,镁质胶凝材料菱苦土,菱苦土的应用,生产木屑地板、空心隔板、刨花板等,。,配置砂浆,菱苦土板材用于机械包装材料，可以节约大量木材,。,只能用于干燥状态下，而不能受潮、遇水或酸性介质侵蚀的部位。,刨花板,55,教 学 要 求,基本概念,：,胶凝材料及其分类；,石膏、石灰、水玻璃、硅酸盐水泥的组成；,基本知识,：,重点掌握建筑石膏的特性与石膏的水化、凝结、硬化过程，石膏的技术性质与应用，石膏的制备工艺和条件对石膏组成与性能的影响；,石灰的技术性质与应用，过火石灰、欠火石灰的危害及消除方法；石灰熟化与硬化，两种熟化和使用形式，干燥硬化与碳化的机理。,水玻璃的浓度，模数对水玻璃性质的影响，水玻璃硬化的原因。,56,基本知识,：,硅酸盐水泥的组成、技术性质、应用及储运知识；水泥浆体在侵蚀性介质下的腐蚀及其防止的措施；水泥石的结构；活性混合材的组成、性质及作用。普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和高铝水泥等其它水泥的组成、性能的特点及应用。,基础理论,：,硅酸盐水泥的水化反应及其产物，凝结硬化过程及其影响因素；水泥组成对其性能的影响。,基本技能,：,水泥主要技术性质的测试，各种水泥的正确选用。,57,