土木工程材料3氣硬性無(wú)機(jī)膠凝材料

1、,,土木工程材料Building and Construction Material,土木與交通工程學(xué)院材料工程系,,,北京建筑工程學(xué)院,膠凝材料的定義與分類,在土木工程中，經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)變化，可以將砂、石子等散狀顆?；虼u等片、塊材料粘結(jié)成一個(gè)整體，并具有機(jī)械強(qiáng)度的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料。,有機(jī)膠凝材料,無(wú)機(jī)膠凝材料,氣硬性（非水硬性）,水硬性,,,膠凝材料,有機(jī)膠凝材料,有機(jī)膠凝材料是以高分子化合物為主要成分

2、的膠凝材料。如：石油瀝青；煤瀝青；各種天然和人造樹(shù)脂；……,氣硬性膠凝材料只能在空氣中硬化，適合于地上或干燥環(huán)境，不宜用于潮濕環(huán)境，更不可用于水中。如：石灰、菱苦土、水玻璃、石膏水硬性膠凝材料不僅能在空氣中，而且能更好地在水中硬化。既適用于地上，也適用于地下或水中。如：各種水泥,無(wú)機(jī)膠凝材料,,3 氣硬性膠凝材料,6,,,北京修復(fù)明長(zhǎng)城遺址拒絕水泥 始建于明代的北京古城墻，正是用這種以石灰、石膏為主要原料的黏

3、合劑配以巨大的城磚砌成。新修復(fù)的城墻在用料和工藝上都與老城墻相同。 確?！靶夼f如舊”效果沿用明代古方城磚、黏合劑選擇灰白色的石灰膏。,,3.1 石膏,經(jīng)過(guò)了600多年的風(fēng)風(fēng)雨雨，這些殘墻巋然不倒，就是石灰膏耐久性的明證,3.1 石灰(Lime),石灰用途,3.1 石灰(Lime),能耗高； 年耗標(biāo)煤2000多萬(wàn)噸，是建材第三大耗煤大戶。（水泥、粘土磚） 生產(chǎn)水平低； 多為立窯 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一。 多為塊狀

4、產(chǎn)品,中國(guó)石灰質(zhì)量差的原因,,,,,石灰石塊進(jìn)口CaCO3,塊狀生石灰出口CaO,1000-1100℃,3.1 石灰(Lime),石灰石生石灰（石灰）鈣質(zhì)石灰：石灰中MgO含量≤5%鎂質(zhì)石灰：石灰中MgO含量＞5%,3.1.1 石灰的生產(chǎn),CaCO3 CaO + CO2,,3.1.1 石灰的生產(chǎn),欠火石灰：燒成溫度低，分解不完全，產(chǎn)漿量低，減少了石灰的利用率。過(guò)火石灰：燒成溫度高，表面致密，延緩了產(chǎn)物熟化速度，其

5、過(guò)燒成分可能在石灰應(yīng)用后熟化，這時(shí)硬化的水泥漿中會(huì)產(chǎn)生膨脹而引起崩裂或隆起，直接影響工程質(zhì)量。,3.1.1 石灰的生產(chǎn),CaO + H2O Ca(OH)2 + 64.9kJ特點(diǎn)：體積增大1~2.5倍，同時(shí)放出大量熱，幾個(gè)術(shù)語(yǔ)： 石灰乳 石灰膏 消石灰粉 生石灰粉 塊狀生石灰,,消化或熟化,3.1.1 生石灰的熟化(消化),3.1.1 生石灰的熟化(消化),

6、3.1.1 生石灰的熟化(消化),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,化漿池,過(guò)篩,儲(chǔ)灰池,石灰漿,生石灰塊,,,,石灰漿在儲(chǔ)灰池中需放置15天以上，消除過(guò)火石灰的危害，才能使用，這個(gè)過(guò)程叫陳伏。,3.1.2 石灰漿的調(diào)制,,石灰漿的可塑性和保水性,生石灰熟化后形成的石灰漿，是球狀細(xì)顆粒高度分散的膠體，具有很強(qiáng)的吸附力，表面附有較厚的水膜，降低了顆粒之間的磨擦力，具有良好的塑性，易鋪成均勻的薄層。在水泥砂漿中加入石灰漿，可使可塑性和

7、保水性顯著提高。,,,,,,,,Ca(OH)2水膜,3.1.2 石灰漿的調(diào)制,石灰水化后的逐漸凝結(jié)硬化，主要包括下面兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程： 結(jié)晶過(guò)程： 石灰漿體在干燥過(guò)程中，游離水分蒸發(fā)，使Ca(OH)2從飽和溶液中結(jié)晶析出。 碳化過(guò)程：Ca(OH)2 + CO2 + nH2O = CaCO3 + (n+1)H2O 碳化過(guò)程極為緩慢,3.1.3 石灰的硬化,可塑性和保水性好生石灰水化時(shí)水化熱大，體積增大；硬化緩慢

8、；硬化時(shí)體積收縮大：硬化過(guò)程中， 蒸發(fā)大量的游離水而引起顯著收縮，促使制品開(kāi)裂。硬化后強(qiáng)度低；耐水性差：氫氧化鈣晶體易溶于水。 。,3.1.4 石灰的特性,3.1.5 石灰在建筑上的應(yīng)用,工程案例分析某單位宿舍樓的內(nèi)墻使用石灰砂漿抹面，數(shù)月后，墻面上出現(xiàn)了許多不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋，同時(shí)在個(gè)別部位還發(fā)現(xiàn)了部分凸出的放射狀裂紋，試分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。石灰砂漿抹面的干墻面上出現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋，引發(fā)原因很多，但最主要的原因在于石灰在

9、硬化過(guò)程中，蒸發(fā)大量的游離水而引起體積收縮的結(jié)果。墻面上個(gè)別部位出現(xiàn)的呈放射狀的裂紋，是由于配制石灰砂漿時(shí)所用的石灰中存在沒(méi)有熟化的過(guò)火石灰，以致于在砂漿硬中，過(guò)火石灰吸收空氣中的水蒸汽繼續(xù)熟化，造成體積膨脹，從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。,3.1.5 石灰在建筑上的應(yīng)用,,22,,,1. 原料：天然生石膏和化工石膏,建筑石膏的生產(chǎn),3.2 建筑石膏,2. 生產(chǎn)：二水石膏的脫水過(guò)程,二水石膏,β- CaSO4·½H2O：建筑

10、石膏α- CaSO4·½H2O：高強(qiáng)石膏,不熔性硬石膏、死燒石膏,高溫煅燒石膏,3.2.1 建筑石膏的生產(chǎn),產(chǎn)品——建筑石膏,建筑石膏為?-CaSO4?½H2O，為二水石膏在常壓下經(jīng)過(guò)107-170℃脫水而形成。 ?-CaSO4?½H2O的需水量60-80%，為?-型的1倍左右。 硬化后由于多余水分蒸發(fā)，內(nèi)部具有很大的孔隙率（約占總體積的50-60%）。 強(qiáng)度低，如1級(jí)石膏7d強(qiáng)度8-12

11、MPa。,3.2.1 建筑石膏的生產(chǎn),產(chǎn)品——高強(qiáng)石膏,高強(qiáng)石膏為?-CaSO4?½H2O，為二水石膏在具有一定壓力的密閉容器中在飽和蒸汽條件下蒸煉，或置于某些鹽溶液中沸煮，可獲得晶粒較粗、較致密的?-CaSO4?½H2O。 ?-CaSO4?½H2O晶體粗于?-CaSO4?½H2O，比表面積相對(duì)要小，需水量35-45%，硬化后具有較高的密實(shí)度和強(qiáng)度。 3h抗壓強(qiáng)度9-24MPa，7d強(qiáng)度15-

12、40 MPa，初凝?3min，終凝5-30min。,3.2.1 建筑石膏的生產(chǎn),溶解度20℃時(shí)為8.16g/L，而的溶解度為2.05g/L，在此過(guò)程中產(chǎn)生較高過(guò)飽和度，導(dǎo)致了 　　　　迅速沉淀而析出。析出的顆粒細(xì)小，總表面積大，可吸附更多水分，同時(shí)漿體中的水分由于水化和蒸發(fā)逐漸增大，強(qiáng)度隨之增加，一直發(fā)展致最大值，這就是硬化過(guò)程。（a）膠化→（b）結(jié)晶→（c）結(jié)晶長(zhǎng)大與交錯(cuò),3.2.2 建筑石膏的水化與硬化,建筑石膏與適當(dāng)?shù)乃韬希?/p>

13、開(kāi)始形成塑性漿體，但很快就失去塑性并產(chǎn)生強(qiáng)度，發(fā)展為堅(jiān)硬的固體。,建筑石膏凝結(jié)硬化過(guò)程,,,,,,(a) 膠化,(b) 結(jié)晶開(kāi)始,(C) 結(jié)晶長(zhǎng)大與交錯(cuò),(D) 實(shí)際石膏制品顯微結(jié)構(gòu),半水石膏,二水石膏膠體微粒,二水石膏晶體,交錯(cuò)的晶體,二水石膏交錯(cuò)晶體,3.2.2 建筑石膏的水化與硬化,半水石膏溶解于水，很快成為飽和溶液。溶液中的半水石膏與水化合，生成二水石膏； 二水石膏在水中的溶解度僅為半水石膏的1/5，形成高度過(guò)飽和度,故二水

14、石膏膠體微粒很快從溶液中析出。并促使一批新的半水石膏溶解和水化，直至耗盡。,3.2.2 建筑石膏的水化與硬化,在這個(gè)過(guò)程中，漿體中的水分因水化和蒸發(fā)而逐漸減少，漿體變稠而失去流動(dòng)性，可塑性也開(kāi)始下降，稱為石膏的初凝。 隨著水分蒸發(fā)和水化的繼續(xù)進(jìn)行，微粒間的摩擦力和粘結(jié)力逐漸增大，漿體完全失去可塑性，開(kāi)始產(chǎn)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，則稱為終凝。標(biāo)準(zhǔn)稠度石膏漿的初凝不早于4分鐘，終凝不早于6分鐘，不遲于30分鐘。,3.2.2 建筑石膏的水化與硬化,石

15、膏的初凝、終凝,建筑石膏硬化速度比水泥和石灰都快得多，對(duì)成型帶來(lái)困難，但時(shí)可以加入緩凝劑，以降低半水石膏的溶解度和溶解速度。 硬化體孔隙率大，表觀密度較小，強(qiáng)度低，導(dǎo)熱性較低，吸音性較強(qiáng)。 硬化時(shí)，略有膨脹（膨脹率為0.05~0.15%），硬化時(shí)不出現(xiàn)裂縫，制品外表光滑細(xì)致，建筑石膏顏色潔白，如加入顏料可成各種色彩，裝飾性好。,3.2.3 建筑石膏的特性,抗火性好，遇火災(zāi)時(shí)二水石膏中的結(jié)晶水蒸發(fā)，吸收熱量，表面生成的無(wú)水物為良好

16、的熱絕緣體； 建筑石膏的熱容量大，吸濕性大故能調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度，保持室內(nèi)“小氣候”的均衡狀態(tài)； 建筑石膏硬化后具有很強(qiáng)的吸濕性，其耐火性、抗凍性較差； 施工性好，可鋸、可釘、可刨等。,3.2.3 建筑石膏的特性,建筑石膏適用于室內(nèi)裝飾、絕熱保溫、吸音和防火等。建筑石膏制品不宜在超過(guò)65℃以上高溫使用，二水石膏在此溫度以上開(kāi)始脫水分解。 建筑石膏一般做成石膏抹面灰漿、裝飾制品和石膏板。加入顏料，硬化拋光，可成為人造

17、大理石，用于內(nèi)墻裝飾。,3.2.4 建筑石膏的應(yīng)用,石膏板,多作平頂和內(nèi)墻面裝飾，可直接粘貼在墻上，或釘在木龍骨兩邊而成隔墻。石膏板具有長(zhǎng)期徐變的性質(zhì)，不宜用于承受結(jié)構(gòu)荷載。常見(jiàn)的石膏板有：紙面石膏板；空心石膏條板；纖維石膏板；裝飾石膏板等。,3.2.4 建筑石膏的應(yīng)用,紙面石膏板,因質(zhì)輕，而且隔音性能優(yōu)越，與輕鋼龍骨復(fù)合，特別適合于作為高層建筑的輕質(zhì)隔斷。 我國(guó)紙面石膏板的年生產(chǎn)能力已達(dá)2.6億m2，但1998年的實(shí)際產(chǎn)量?jī)H

18、為生產(chǎn)能力的1/3左右，原因是價(jià)格較高。 但可用工業(yè)副產(chǎn)品化學(xué)石膏替代天然石膏，如上海博羅公司用安徽銅陵的磷石膏作原料生產(chǎn)紙面石膏板，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。,3.2.4 建筑石膏的應(yīng)用,3.2.4 建筑石膏的應(yīng)用,36,空心石膏條板,生產(chǎn)方法與普通混凝土空心板類似。常加入纖維材料和輕質(zhì)填料。這種板不用紙和粘結(jié)劑，也不用龍骨，施工方便，是發(fā)展較快的一種輕板。,3.2.4 建筑石膏的應(yīng)用,纖維石膏板和裝飾石膏板,纖維石膏板用玻璃纖維、紙漿

19、或礦棉作為纖維增強(qiáng)材料與石膏復(fù)合。纖維石膏板抗彎強(qiáng)度和彈性模量都高于紙面石膏板，除用于建筑外，還可代替木材作家具。 裝飾石膏板可制成平板、多孔板、花紋板、浮雕板等。,3.2.4 建筑石膏的應(yīng)用,硅酸鈉水玻璃：Na2O·nSiO2(常用)；硅酸鉀水玻璃：K2O·nSiO2；n—水玻璃模數(shù)，一般n=1.5-3.5。n越大，固體水玻璃在水中溶解越難，但粘結(jié)能力增大。n=1時(shí)，能溶于常溫中；n﹥3，要在4atm下蒸

20、汽中溶解。工程上常用的水玻璃模數(shù)為2.6-2.8。,3.3 水玻璃（泡花堿）,水玻璃溶液在空氣中吸收CO2，發(fā)生如下反應(yīng)： Na2O?nSiO2+CO2+m H2O = Na2CO3 + nSiO2?mH2O上述反應(yīng)速度很慢，常加入促硬劑Na2SiF6 ：2Na2O?nSiO2+Na2SiF6+mH2O = 6NaF+(2n+1)SiO2?mH2ONa2SiF6加入量為水玻璃質(zhì)量的12-15%,3.3.1 水玻璃的硬化,良好的

21、粘結(jié)能力，硬化時(shí)析出的硅酸凝膠有填充毛細(xì)孔而防止液體滲透的作用，硬化后具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度。水玻璃不燃燒，高溫下強(qiáng)度不僅不會(huì)降低，甚至?xí)刑岣?，因此具有良好的耐熱性能。水玻璃具有較高的耐酸性能。,3.3.2 水玻璃的性質(zhì),用水玻璃涂刷建材表面提高耐久性。 固結(jié)土壤。 配制耐酸砂漿、耐酸混凝土。 配制耐熱砂漿、耐熱混凝土。 以水玻璃為膠材，加珍珠巖、蛭石為骨料制備保溫絕熱材料。,3.3.3 水玻璃在建筑中的應(yīng)用,練 習(xí),

22、1、石灰不可以單獨(dú)應(yīng)用是因?yàn)槠溆不骭_________大，而石膏可以單獨(dú)應(yīng)用是因?yàn)槠溆不^(guò)程中具有__________的特性。,答案,體積收縮、體積微膨脹,2、按消防要求我們盡可能用石膏板代替木制板材，是因?yàn)槭喟寰哂衉_________好的特性。3、試分析下列工程，哪些工程不適于選用石膏和石膏制品(　　)。A.影劇院的穿孔貼面板　B.冷庫(kù)內(nèi)的墻貼面C.非承重隔墻板,答案,防火性,答案,B,4、石灰的特性有：可塑性_____

23、_____、硬化__________、硬化時(shí)體積__________及耐水性__________等。 5、石灰的硬化包括__________和__________。,答案,好　緩慢　收縮大　差,答案,結(jié)晶、碳化,6、在維修古建筑時(shí)，發(fā)現(xiàn)古建筑中石灰砂漿堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高。有人認(rèn)為是古代生產(chǎn)的石灰質(zhì)量?jī)?yōu)于現(xiàn)代石灰。此觀點(diǎn)對(duì)否？為什么？ 錯(cuò)誤。因?yàn)槭业挠不ǜ稍锝Y(jié)晶硬化過(guò)程及碳　化過(guò)程。但由于碳化作用是一個(gè)很緩慢的