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　　第三節 氣硬性膠凝材料

　　一、石灰

　　石灰(生石灰Ca0)是在土木建筑工程中使用很早的礦物膠凝材料之一。 1.石灰的原料

　　石灰是由含碳酸鈣(CaC03)較多的石灰石經過高溫鍛煉生成的氣硬性膠凝材料，其主要成分是氧化鈣。石灰呈白色或灰色塊狀，根據它的塊末比情況，其表觀密度為1200～l400kg/。

　　石灰加水后便消解為熟石灰Ca(OH)2，這個過程稱為石灰的熟化。石灰熟化過程中，放出大量的熱量，溫度升高，一其體積增大1～2.5倍。因此未完全熟化的石灰不得用于拌制砂漿，防止抹灰后爆灰起鼓。

　　2.石灰膏

　　石灰加大量水熟化形成石灰漿，再加水沖淡成為石灰乳，俗稱淋灰。石灰乳在儲灰池中完成全部熟化過程，經沉淀濃縮成為石灰膏。

　　石灰膏的另_來源是化學工業副產品。例如用碳化鈣(電石，CaC2)加水制取乙炔時所產生的電石渣，主要成分也是氫氧化鈣。石灰膏表觀密度為l300～l400kg/。每立方米石灰膏生石灰630kg左右。

　　3.石灰的硬化

　　石灰漿體在空氣中逐漸硬化，是由下述兩個同時進行的過程來完成的。 結晶作用―一游離水分蒸發，氫氧化鈣逐漸從飽和溶液中形成結晶。 碳化作用――氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳化合生成碳酸鈣結晶，釋出水分并被蒸

　　發，這個過程持續較長時間。碳化作用對石灰后期強度的增長有較大貢獻。 4.石灰的技術性質和要求

　　生石灰熟化為石灰漿時，能自動形成顆粒極細(直徑約為l)的呈膠體分散狀態的氫氧化鈣，表面吸附一層厚的水膜。因此用石灰調成的石灰砂漿突出的優點是具有良好的可塑性，在水泥砂漿中摻人石灰漿，可使可塑性顯著提高。

　　石灰的硬化只能在空氣中進行，且硬化緩慢，硬化后的強度也不高，受潮后石灰溶解，強度更低，在水中還會擴散。所以，石灰不宜在潮濕的環境下使用，也不宜單獨用于建筑物的基礎。

　　石灰在硬化過程中，蒸發大量的游離水而引起顯著的收縮，所以除調成石灰乳作薄層涂刷外，不宜單獨使用。常在其中摻入砂、紙筋等以減少收縮和節約石灰。

　　塊狀生石灰放置太久，會吸收空氣中的水分而熟化成消石灰粉，再與空氣中的二氧化碳作用而還原為碳酸鈣，失去膠結能力。所以貯存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜貯存過久。由于生石灰受潮熟化時放出大量的熱，而且體積膨脹，所以，儲存和運輸生石灰時還要注意安全。

　　5.石灰的應用

　　(1)制作石灰乳涂料。將消石灰粉或熟化好的石灰膏加人大量水攪拌稀釋，成為石灰乳。石灰乳是一種廉價易得的傳統涂料，主要用于室內墻面和頂棚粉刷。石灰乳中加入各種耐堿顏料，可形成彩色石灰乳。

　　(2)配制砂漿。用熟化并“陳伏’’好的石灰膏和水泥、砂配制而成的水泥石灰混合砂漿是目前用量最大、用途最廣的砌筑砂漿;用石灰膏和砂或麻刀或紙筋配制成的石灰砂漿、麻刀灰、紙筋灰，廣泛用作內墻、天棚的抹面砂漿：此外，石灰膏還可稀釋成石灰乳，用作內墻和天棚的粉刷涂料。

　　(3)拌制灰土或三合土。將消石灰粉和黏土按一定比例拌和均勻、夯實而形成灰土，如一九灰土、二八灰土及三七灰土。若將消石灰粉、黏土和骨料(砂、碎、磚塊、爐渣等)按一定比例混合均勻并夯實，即為三合土。灰土和三合土廣泛用作基礎、路面或地面的墊層，它的強度和耐水性遠遠高出石灰或黏土。其原因是黏土顆粒表面的少量活性氧化硅、氧化鋁與石灰之間產生了化學反應，生成了水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水硬性礦物的緣故。石灰改善了黏土可塑性，在強夯之下，密實度提高也是其強度和耐水性改善的原因之一。

　　(4)生產硅酸鹽制品。以磨細生石灰(或消石灰粉)或硅質材料(如石英砂、粉煤灰、礦渣等)為原料，加水拌和，經成型、蒸壓處理等工序而成的材料統稱為硅酸鹽制品，多用作墻體材料。

　　，石膏

　　石膏是以硫酸鈣為主要成分的氣硬性膠凝材料。’由于石膏膠凝材料及其制品具有許多優良性質，原料來源豐富，生產能耗低，因而在土木建筑工程中得到廣泛應用。

　　1.石膏的原料及生產

　　生產石膏的主要原料是天然二水石膏，又稱軟石膏，含有二水石膏(CaS04.2H20)或含有CaS04.2H20與CaS04的混合物的化工副產品及廢渣(如磷石膏、氟石膏、硼石膏等)也可作為生產石膏的原料。

　　生產石膏的主要工序的破碎、加熱煅燒與磨細。由于加熱方式和溫度不同，可生產不同性質的石膏品種，統稱熟石膏。

　　將天然二水石膏加熱，隨溫度的升高，發生如下變化：

　　溫度65℃～75℃時，開始脫水，至107℃～170℃時，生成半水石膏。

　　在該階段中，因加熱條件不同，所獲得的半水石膏有a型和p型兩種形態。若將二水石膏在非密閉的窯爐中加熱脫水，得到的盧型半水石膏，稱為建筑石膏。建筑石膏的晶粒較細，調制成一定稠度的漿體時，需水量較大，因而硬化后強度較低。若將二水石膏置于0.13MPa.124℃的過飽和蒸汽條件下蒸煉脫水，或置于某些鹽溶液中沸煮，可得到及型半水石膏，稱為高強石膏。高強石膏的晶粒較粗，調制成一定稠度的漿體時，需水量較小，因而硬化后強度較高，可用于強度要求較高的抹灰工程、‘裝飾制品和石膏板;摻人防水劑，可用于濕度較高的環境中。

　　當加熱到170℃～200℃時，石膏繼續脫水，成為可溶性硬石膏，與水調和后仍能很快凝結硬化;當溫度升高到200℃～350℃時，石膏中殘留很少的水，即可溶性硬石膏，硬石膏需水量大，硬化慢，強度低;加熱溫度至400℃～750℃時，成為不溶性硬石膏，失去凝結硬化能力，即死燒石膏;當溫度高于800℃時，部分石膏分解出的氧化鈣起催化作用，所得產品又重新具有凝結硬化能力，常稱為地板石膏。

　　2.建筑石膏的硬結

　　建筑石膏與適量的水拌和后，最初成為可塑的漿體，但很快就失去塑性、產生強度，并逐漸發展成為堅硬的固體。

　　半水石膏溶解于水，與水進行水化反應，生成二水石膏。隨著水化的進行，二水石膏膠體微粒的數量不斷增多，其顆粒比原來的半水石膏顆粒細得多，即總表面積增大，可吸附更多的水分;同時漿體中的水分因水化和蒸發而逐漸減少。所以漿體的稠度便逐漸增大，顆粒之間的摩擦力和粘結力逐漸增加，因而漿體可塑性逐漸減小，表現為石膏的凝結，稱為石膏的初凝。在漿體變稠的同時，二水石膏膠體微粒逐漸變為晶體，晶體逐漸長大，共生和相互交錯，使漿體凝結，逐漸產生強度，隨著內部自由水排水，晶體之間的摩擦力、粘結力逐漸增大，石膏開始產生結構強度，稱為終凝。

　　3.建筑石膏的技術性質與應用

　　(1)色白質輕。純凈建筑石膏為白色粉末，密度為2.60～2.75g/，堆積密度為800 --1100kg/。

　　(2)凝結硬化快。建筑石膏初凝和終凝時間很短，為便于使用，需降低其凝結速度，可加入緩凝劑。緩凝劑的作用是降低半水石膏的溶解度和溶解速度，便于成型。常用的緩凝劑有硼砂、酒石酸鉀鈉、檸檬酸、聚乙烯醇、石灰活化骨膠或皮膠等。

　　(3)微膨脹性。建筑石膏漿體在凝結硬化初期體積產生微膨脹(膨脹量約為0.5%～1%)，這一性質使石膏膠凝材料在使用中不會產生裂紋。因此，建筑石膏裝飾制品，形狀飽滿密實，表面光滑細膩。

　　(4)多孔性。半水石膏水化反應理論需水為18.6%，但為了使石膏漿體具有可塑性，通常加水60%-80%，在硬化后由于有大量多余水分蒸發，內部具有很大孔隙率(約為50%～60%)，因此，硬化后強度較低。石膏制品表面密度小、保溫絕熱性能好、吸聲性強、吸水率大，但抗滲性、抗凍性和耐水性差。

　　(5)防火性。當受到高溫作用時，二水石膏的結晶水開始脫出，吸收熱量，并在表面上產生一層水蒸氣幕，阻止了火勢蔓延，起到防火作用。但建筑石膏制品不宜長期用于靠近65℃以上高溫的部位，以免二水石膏在此溫度作用下分解而失去強度。

　　(6)裝飾性和可加工性。石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質地細膩，具有良好的裝飾裝飾性。微孔結構使其脆性有所改善，所以硬化石膏可鋸、可刨、可釘，具有良好的可加工性。

　　(7)耐水性、抗凍性差。建筑石膏硬化后具有很強的吸濕性，在潮濕條件下，晶體粒間的粘結力減弱，強度顯著降低;遇水則因二水石膏晶體溶解而引起破壞;吸水受凍后，將因孔隙中水分結冰而崩裂。所以建筑石膏的耐水性、抗凍性都較差。

　　根據上述性能特點，建筑石膏在土木建筑工程中的主要用途有：制成石膏抹灰材料、各種墻體材料(如紙面石膏板、石膏空心條板、石膏砌塊等)，各種裝飾石膏板、石膏浮雕花飾、雕塑制品等。

　　三、水玻璃

　　水玻璃是由堿金屬氧化物和二氧化硅結合而成的可溶性堿金屬硅酸鹽材料，又稱泡花堿。根據堿金屬的種類不同，水玻璃分為鈉水玻璃和鉀水玻璃。

　　1.水玻璃的性質

　　水玻璃硬化后的主要成分為硅凝膠和固體，比表面積大，因而具有較高的粘結力和強度。但水玻璃自身質量、配合料性能及施工養護對強度有顯著影響。

　　水玻璃具有良好的耐酸性，可以抵抗除氫氟酸、.熱磷酸和高級脂肪酸以外的幾乎所有無機和有機酸的侵蝕。

　　水玻璃不燃燒，在高溫下硅酸凝膠干燥的更加強烈，強度不降低，甚至有所增加，可用于配制水玻璃耐熱混凝土和水玻璃耐熱砂漿。

　　由于混合后易溶于堿，所以水玻璃不能在堿性環境中使用。另外，由于NaF、 Na2 C03易溶于水而不耐水，但可采用中等濃度的酸對已硬化水玻璃進行酸洗處理，提高耐水性。

　　2.水玻璃的應用

　　(1)配制特種混凝土和砂漿。因水玻璃具有良好的耐酸性和耐熱性，用其配制的混凝土和砂漿可用于有耐酸和防火要求的工程，如硫酸池、高爐基礎等結構。

　　(2)涂刷材料表面。水玻璃涂刷材料表面可提高材料抗風化能力。用水玻璃浸漬或涂刷磚、水泥混凝土、石材等多孔材料，可使這些材料的密實度、強度、抗滲性、抗凍性和耐腐蝕性有不同程度的提高。這是因為水玻璃與空氣中的二氧化碳反應生成硅酸凝膠，對于含有氫氧化鈣的材料，水玻璃與材料中的氫氧化鈣反應生成硅酸鈣凝膠，這兩種凝膠填充于材料的孔隙，使材料致密。但由于水玻璃與石膏反應生成硫酸鈉，在制品孔隙內結晶膨脹，導致石膏制品開裂破壞，所以水玻璃不得用于涂刷或浸漬石膏制品。

　　(3)配制速凝防水劑。水玻璃可與多種礬配制成速凝防水劑，這種多礬防水劑的凝結速度很快，多用于堵漏、填縫等局部搶修，但不宜用于配制防水砂漿。

　　(4)加固地基基礎。將水玻璃與氯化鈣溶液交替注入土壤中，兩種溶液迅速反應生成硅膠和硅酸鈣凝膠，起到膠結和填充孔隙的作用，使土壤的強度和承載能力提高。常用于粉土、砂土和填土的地基加固。

　　(5)防腐工程應用。改性水玻璃耐酸水泥是耐酸腐蝕的重要材料，可拌和成耐酸膠泥、耐酸砂漿和耐酸混凝土，適用于化工、冶金、電力、煤炭等行業各種結構的防腐工程，是防酸建筑結構貯酸池、耐酸地坪以及耐酸表面砌筑的理想材料。