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第2篇气硬性胶凝材料

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气硬性胶凝材料 硬性胶凝材料
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第二章第二章 气硬性气硬性胶凝材料胶凝材料 | 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。 |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。 2.1 石灰 一、生产简介 (一) 生产 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: 生石灰(堆积密度为800~1000 kg/m3 ) 一般为白色或黄灰色块灰,块灰碾碎 磨细即为生石灰粉。 (二)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”: | 生石灰烧制过程中,往往由于石灰石原料 的尺寸过大或窑中温度不均匀等原因,生 石灰中残留有未烧透的的内核,这种石灰 称为“欠火石灰”。 |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: 碳化作用实际是二氧化碳与水形 成碳酸,然后与氢氧化钙反应生成 碳酸钙。所以这个作用不能在没有 水分的全干状态下进行。 |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: | JC/T479-1992 建筑生石灰(书P12 表2.1) | JC/T480-1992 建筑生石灰粉(P12 表2.2) | JC/T481-1992 建筑消石灰粉(P12 表2.3) 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.石灰的特性 |(1)可塑性、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,可使可塑性显著提高。 |(2)生石灰水化时水化热大、体积 增大 |生石灰熟化时放出大量的热(称水化 热),并且体积增大1.0~2.5倍。熟 化产物即消石灰,主要成分为 Ca(OH)2。 |(3)硬化缓慢 |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 。 (4)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。 z(5)硬化后强度低 z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。 (6)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。# |2.2 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: | |此反应实际上也是半水石膏的溶解和 二水石膏沉淀的可逆反应,因为二水石 膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多, 所以此反应总体表现为向右进行,二水 石膏以胶体微粒自水中析出。 |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# |2.3 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。 |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: |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CO2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Na2SiF6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.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SiO2,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 |SiO2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。 |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。 |同时硅酸钠本身硬化所析出的硅 酸凝胶也有利于材料保护。选用不 同的耐火填料,还可配制不同耐热 度的水玻璃耐热涂料。 反应式为: |(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5 0℃,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。# | |例2-1 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2-2 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2-3 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2-4 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n SiO2·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。
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