大学土木工程材料课件--气硬性胶凝材料讲解

掌握:胶凝材料的定义、分类;建筑石灰、石膏技术要求、性质 熟悉:石灰的、石膏的的熟化、硬化和应用 了解:石灰的生产、石灰的品种 本章教学目标 01.12.2020 胶凝材料:指经过自身的物理化学作用后,能够由浆体变成固体,并在变化过程中把一 些散粒材料或块状材料胶结成具有一定强度 的整体的材料。 定义与分类 01.12.2020 无机胶凝材料有机胶凝材料:沥青、树脂、橡胶等 气硬性胶凝材料 水硬性胶凝材料:各种水泥 石灰 石膏 水玻璃 01.12.2020 气硬性胶凝材料:只能在空气中凝结硬化,保持并发展其强度的胶凝材料。 水硬性胶凝材料:既能在空气中硬化,又能 更好地在水中硬化,保持 并继续发展其强度的胶凝材料。 01.12.2020 水硬性胶凝材料不仅可以在凝结硬化, 还可以 得到更好的凝结硬化。 气硬性胶凝材料 凝结硬化。只能 空气中 空气中 在水中 01.12.2020 胶凝材料的发展史1、石灰-石膏时期 2、石灰-火山灰时期 3、水泥时期 01.12.2020 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 根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为:(1)无水石膏(CaSO ):也称硬石膏,它结晶紧密,质地较硬,是生产硬石膏水泥的原 01.12.202010 (2)天然石膏(CaSO O):也称生石膏或二水石膏,大部分天然石膏矿为生石膏,是生产 建筑石膏的主要原料。 (3)建筑石膏(CaSO O)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。 (4)化工石膏:指含有CaSO O成分的化学工业副产品。 01.12.2020 11 01.12.2020 12 脱硫石膏 01.12.2020 13 1250.13MPa CaSOHOCaSOHOHO 1).建筑石膏2).高强石膏 2.石膏的生产与品种石膏的生产与品种 β型半水石膏 α型半水石膏 01.12.2020 14 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。 3).可溶性硬石膏 当加热温度升高到170~200时,半水石膏 继续脱水,生成可溶性硬石膏(CaSO 此无水石膏就具有良好的凝结硬化性能。当加热温度升高到200~250时,石膏中残留的水 很少,凝结硬化非常缓慢,但遇水后还能逐渐 生成半水石膏直至二水石膏。 01.12.2020 15 4).死烧石膏 当加热温度高于400时,石膏完全失水,成 为不溶性硬石膏(CaSO )。此无水石膏就失去了凝结硬化性能。但当加入激发剂混合磨细 后,又可恢复水化硬化能力,成为无水石膏水泥。 它可制作石膏灰浆、石膏板和其它石膏制品。 5).高温煅烧石膏 温度高于800时,部分硬石膏分解出中CaO, 磨细后的产品即为高温煅烧石膏。 01.12.2020 16 1.石膏的水化石膏的水化 2.1.2 2.1.2 石膏的水化与硬化 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。 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。 01.12.2020 17 2.石膏的凝结硬化石膏的凝结硬化 干燥硬化和结晶硬化两个过程交错进行, 干燥硬化和结晶硬化两个过程交错进行,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摩擦力和粘结 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摩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 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。 01.12.2020 18 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。 2.1.3 2.1.3 石膏的性质 石膏的性质 石膏的特性石膏的特性 01.12.2020 19 0.2% 1.5% 01.12.2020 20 ((33)硬化后孔隙率大,表观密度和强度 )硬化后孔隙率大,表观密度和强度 较低 较低 建筑石膏在使用时,为获得良好的流动性, 通常加入的水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,造成石膏内部形 成大量微孔,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/m ~1000kg/m ,抗压强度约为3MPa~5MPa。 01.12.2020 21 01.12.2020 22 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。 01.12.2020 23 主要是因为其导热系数小、热容量大和孔隙率 主要是因为其孔隙率大、吸水性强。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。 01.12.2020 24 石膏的技术要求1).强度:抗折强度、抗压强度 2).细度:0.2mm方孔筛筛余(10%) 3).凝结时间:初凝时间(3min)、终凝 时间(30min) 见表2-1(P12) 01.12.2020 25 建筑石膏产品的标记顺序为: 产品名称,抗折强度,标准号 eg:建筑石膏2.5GB9776 01.12.2020 26 2.1.4 2.1.4 建筑石膏的应用 建筑石膏的应用 石膏砂浆及粉刷石膏。(2)建筑石膏制品:石膏板、石膏砌块等: 如纸面石膏板、装饰石膏板、吸声用穿孔石 制作石膏艺术制品石膏艺术制品建筑雕塑和模型。 01.12.2020 27 纸面石膏板 纸面石膏板 01.12.2020 28 装饰石膏板 装饰石膏板 01.12.2020 29 吸声用穿孔石膏板 吸声用穿孔石膏板 01.12.2020 30 吸声用穿孔石膏板 吸声用穿孔石膏板 01.12.2020 31 石膏艺术制品 石膏艺术制品 01.12.2020 32 石膏艺术制品 石膏艺术制品 01.12.2020 33 2.2 01.12.202034 大型石灰窑 01.12.2020 35 小石灰窑 01.12.2020 36 生石灰 01.12.2020 37 生石灰粉 01.12.2020 38 温度在 温度在900 900左右时 左右时 温度过高时 温度过高时 温度过低时 温度过低时 正火石灰 欠火石灰 过火石灰 因煅烧温度过高使粘土杂质 融化并包裹石灰,从而延缓 石灰的熟化,导致已硬化的 砂浆产生鼓泡、崩裂等现象 碳酸钙没有完全 分解,降低了生 石灰的产量 如何解决它 的危害? 2.2.1 2.2.1 石灰的生产 石灰的生产 氧化钙含量 高、表观密 度小,孔隙 煅烧石灰石、白云 垩,内含CaCO 01.12.202039 在煅烧过程中,质量损失44%,体积损失 10~15%,所以生石灰是一种多孔状、比表面 积大,晶格畸变大的物质,水化活性非常大。 将煅烧成的块状生石灰经过不同的加工, 还可得到石灰的另外三种产品: 1)、生石灰粉 2)、消石灰粉 3)、石灰膏 01.12.2020 40 )64.9kJCaOHOCaOH 水化过程中体积增大1~2.5倍,迅速放出大量热 2.2.2 2.2.2 石灰的水化与硬化 石灰的水化与硬化 11、生石灰的熟化 、生石灰的熟化 生石灰+水 熟石灰 工程上使用的石灰大都是熟石灰,有时需要使用 石灰膏,有时使用熟石灰粉。 01.12.2020 41 熟化为石灰膏: 将生石灰放入水 中,注意水要过量 池中透明液体为氢氧 化钙饱和溶液,下部 沉淀即为熟石灰 生石灰要在水中放置两周以上,此过程 即为“陈伏”。在这段时间里生石灰会完 全和水反应,不会因含有过火石灰造成 熟化推迟而导致墙面鼓泡的现象。 01.12.2020 42 将生石灰块淋水,使石灰充分熟化,又 不会过湿成团,此时得到的产品就是熟 石灰粉(消石灰粉)。 熟化为熟石灰粉(水要适量): 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”。 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。 01.12.2020 43 包含结晶、碳化 碳化两个过程 22、石灰的硬化、石灰的硬化 结晶: 结晶:石灰浆体在干燥过程中,游离水分蒸 石灰浆体在干燥过程中,游离水分蒸 发,使Ca(OH)Ca(OH) 22 从饱和溶液中逐渐结晶析出。 从饱和溶液中逐渐结晶析出。 碳化: 碳化: 01.12.2020 44 结晶和碳化两个过程同时进行,但极 为缓慢。碳化过程长时间只限于表面,结 晶过程主要在内部发生。 原因 原因 空气中CO 含量稀薄,使碳化反应进展缓慢,同时表面的石灰浆一旦硬化就形成 外壳,阻止了CO 的渗入,同时又使内部的水分无法析出,影响硬化过程的进行。 01.12.2020 45 a、可塑性好和保水性好 b、水化时水化热大,体积增大 、凝结硬化慢Ca(OH) 粒子表面可以吸附水膜 2.2.3 2.2.3 石灰的性质 石灰的性质 1.石灰的特性 生石灰可以用来 做干燥剂 01.12.2020 46 石灰硬化收缩产生的裂缝 石灰砂浆墙面因受潮而脱落 e、强度低 f、体积收缩大 g、耐水性差 01.12.2020 47 22、石灰的技术要求 、石灰的技术要求 有效成分含量未消化残渣含量 生石灰的技术要求 欠火程度 有效成分含量游离水含量 熟石灰粉的技术要求 体积安定性 见表2-2、2-3(P15) 见表2-4 (P15) 01.12.2020 48 2.2.4 2.2.4 石灰的应用 石灰的应用 11、常用建筑石灰的品种 、常用建筑石灰的品种 石灰乳石灰膏 消石灰粉 磨细生石灰粉 01.12.2020 49 石灰岩 生石灰块 熟石灰粉 生石灰粉 石灰膏 石灰乳 煅烧 磨细 加过量水 进行陈伏 加水稀释 多用来拌制灰 土和三合土 使用时可以 不进行陈伏 浆或抹面砂浆粉刷墙壁 01.12.2020 50 2.石灰的应用 三合土用作铺筑步道砖的垫层 加固含水的软土地基01.12.2020 51 3、石灰的储存 1.防潮、防水; 2.不宜久存; 3.防火,注意安全. 01.12.2020 52 ((22)过火石灰膨胀裂纹 )过火石灰膨胀裂纹 ((11)石灰网状收缩裂纹 )石灰网状收缩裂纹 原因:(1)石灰在凝结硬化过程中产生较大收缩而引起的。可以通过增加砂 用量、润湿墙体基层、降低一次抹灰的厚度等措施加以改善。 (2)石灰中含有过火石灰。在砂浆硬化后,过火石灰吸收空气中的水蒸 气继续熟化,体积膨胀,从而出现上述现象。 01.12.2020 53 2.3 水玻璃 01.12.2020 54 水玻璃:俗称泡花碱,是由不同比例的碱金 属氧化物和二氧化硅结合而成的 可溶于水的一种硅酸盐物质. 碱金属氧化物水玻璃模数 01.12.2020 55 01.12.2020 56 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。直接反应生成液体水玻璃。 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1300~1400C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: COnSiO NanSiO CO Na 其中,氧化硅与氧化钠的分子比 其中,氧化硅与氧化钠的分子比nn为为水玻璃的模数 水玻璃的模数,, 一般在 一般在1.5 1.5~~3.5 3.5,模数越大,其水溶性越差。 ,模数越大,其水溶性越差。 01.12.2020 57 2.3.2 22NaOnSiOCOmHOnSiOmHONaCO 因上述过程反应慢,常需加入促硬剂氟硅酸钠 ,适宜掺量为12%~ 15%. NaSiF 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: 01.12.2020 58 2.3.3 1.粘结力强; 2.耐酸能力强; 3.耐热性能好; 4.耐碱性和耐水性差。 01.12.2020 59 2.3.4 1.配制耐酸砂浆和混凝土; 2.配制耐热砂浆和混凝土; 3.涂刷于材料表面,提高抗风化能力; 4.加固地基; 5.修补裂缝、堵漏; 6.配制速凝防水剂 01.12.2020 60 镁质胶凝材料 菱苦土,又称镁质胶凝材料,是以天然菱镁矿 (MgCO3)为主要原料,经700~850C煅 烧后再经磨细而得的以氧化镁(MgO)为主 要成分的气硬性胶凝材料。 MgCO3 700~850C MgO+CO2 01.12.2020 61 1.菱苦土能与植物纤维及矿物纤维很好的结 合,因此可与刨花、木丝等复合成刨花板、 木丝板等,作内、隔墙、天花板等用。 2.与木屑、颜料等配制成的板材,称为菱苦 土地板,具有保温、防火、防爆及一定的 弹性。 3.掺入一定的泡沫,可制成泡沫菱苦土,是 一种多孔轻质的保温材料。 01.12.2020 62 思考: 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. 01.12.2020 63 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。 01.12.2020 64 2.既然石灰不耐水,为什么由它配制 成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? 01.12.2020 65 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。 01.12.2020 66 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? 01.12.2020 67 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: 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; 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。 01.12.2020 68 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。 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 所以不适用于室外使用。01.12.2020 69 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? 01.12.2020 70 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nSiO O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Na 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。 01.12.2020 71 1.简述气硬性胶凝材料的特点及使用环境.2.石膏制品有哪些特点?建筑石膏可用于哪 些方面? 3.什么是欠火石灰和过火石灰?各有何特点? 施工过程中如何防止其危害? 4.何谓陈伏,石灰在使用前为什么要进行陈