1、,土木工程材料Building and Construction Material,土木与交通工程学院材料工程系,北京建筑工程学院,胶凝材料的定义与分类,在土木工程中，经过一系列的物理化学变化，可以将砂、石子等散状颗粒或砖等片、块材料粘结成一个整体，并具有机械强度的材料，统称为胶凝材料。,有机胶凝材料,无机胶凝材料,气硬性（非水硬性）,水硬性,胶凝材料,有机胶凝材料,有机胶凝材料是以高分子化合物为主要成分的胶凝材料。如：石油沥青；煤沥青；各种天然和人造树脂；,气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，适合于地上或干燥环境，不宜用于潮湿环境，更不可用于水中。如：石灰、菱苦土、水玻璃、石膏水硬性胶凝材料不仅
2、能在空气中，而且能更好地在水中硬化。既适用于地上，也适用于地下或水中。如：各种水泥,无机胶凝材料,3 气硬性胶凝材料,6,北京修复明长城遗址拒绝水泥 始建于明代的北京古城墙，正是用这种以石灰、石膏为主要原料的黏合剂配以巨大的城砖砌成。新修复的城墙在用料和工艺上都与老城墙相同。 确保“修旧如旧”效果沿用明代古方城砖、黏合剂选择灰白色的石灰膏。,3.1 石膏,经过了600多年的风风雨雨，这些残墙岿然不倒，就是石灰膏耐久性的明证,3.1 石灰(Lime),石灰用途,3.1 石灰(Lime),能耗高； 年耗标煤2000多万吨，是建材第三大耗煤大户。（水泥、粘土砖） 生产水平低； 多为立窑 产品结构单一
3、。 多为块状产品,中国石灰质量差的原因,石灰石块进口CaCO3,块状生石灰出口CaO,1000-1100,3.1 石灰(Lime),石灰石生石灰（石灰）钙质石灰：石灰中MgO含量5%镁质石灰：石灰中MgO含量5%,3.1.1 石灰的生产,CaCO3 CaO + CO2,3.1.1 石灰的生产,欠火石灰：烧成温度低，分解不完全，产浆量低，减少了石灰的利用率。过火石灰：烧成温度高，表面致密，延缓了产物熟化速度，其过烧成分可能在石灰应用后熟化，这时硬化的水泥浆中会产生膨胀而引起崩裂或隆起，直接影响工程质量。,3.1.1 石灰的生产,CaO + H2O Ca(OH)2 + 64.9kJ特点：体积增大1
4、2.5倍，同时放出大量热，几个术语： 石灰乳 石灰膏 消石灰粉 生石灰粉 块状生石灰,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),3.1.1 生石灰的熟化(消化),化浆池,过筛,储灰池,石灰浆,生石灰块,石灰浆在储灰池中需放置15天以上，消除过火石灰的危害，才能使用，这个过程叫陈伏。,3.1.2 石灰浆的调制,石灰浆的可塑性和保水性,生石灰熟化后形成的石灰浆，是球状细颗粒高度分散的胶体，具有很强的吸附力，表面附有较厚的水膜，降低了颗粒之间的磨擦力，具有良好的塑性，易铺成均匀的薄层。在水泥砂浆中加入石灰浆，可使可塑性和保水性显著提高。,Ca(OH)2水膜,3.
5、1.2 石灰浆的调制,石灰水化后的逐渐凝结硬化，主要包括下面两个同时进行的过程： 结晶过程： 石灰浆体在干燥过程中，游离水分蒸发，使Ca(OH)2从饱和溶液中结晶析出。 碳化过程：Ca(OH)2 + CO2 + nH2O = CaCO3 + (n+1)H2O 碳化过程极为缓慢,3.1.3 石灰的硬化,可塑性和保水性好生石灰水化时水化热大，体积增大；硬化缓慢；硬化时体积收缩大：硬化过程中， 蒸发大量的游离水而引起显著收缩，促使制品开裂。硬化后强度低；耐水性差：氢氧化钙晶体易溶于水。 。,3.1.4 石灰的特性,3.1.5 石灰在建筑上的应用,工程案例分析某单位宿舍楼的内墙使用石灰砂浆抹面，数月后
6、，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。石灰砂浆抹面的干墙面上出现不规则的网状裂纹，引发原因很多，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的呈放射状的裂纹，是由于配制石灰砂浆时所用的石灰中存在没有熟化的过火石灰，以致于在砂浆硬中，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。,3.1.5 石灰在建筑上的应用,22,1. 原料：天然生石膏和化工石膏,建筑石膏的生产,3.2 建筑石膏,2. 生产：二水石膏的脱水过程,二水石膏,- CaSO4H2O：建筑石膏-
7、CaSO4H2O：高强石膏,不熔性硬石膏、死烧石膏,高温煅烧石膏,3.2.1 建筑石膏的生产,产品建筑石膏,建筑石膏为-CaSO4H2O，为二水石膏在常压下经过107-170脱水而形成。 -CaSO4H2O的需水量60-80%，为-型的1倍左右。 硬化后由于多余水分蒸发，内部具有很大的孔隙率（约占总体积的50-60%）。 强度低，如1级石膏7d强度8-12MPa。,3.2.1 建筑石膏的生产,产品高强石膏,高强石膏为-CaSO4H2O，为二水石膏在具有一定压力的密闭容器中在饱和蒸汽条件下蒸炼，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的-CaSO4H2O。 -CaSO4H2O晶体粗于-Ca
8、SO4H2O，比表面积相对要小，需水量35-45%，硬化后具有较高的密实度和强度。 3h抗压强度9-24MPa，7d强度15-40 MPa，初凝3min，终凝5-30min。,3.2.1 建筑石膏的生产,溶解度20时为8.16g/L，而的溶解度为2.05g/L，在此过程中产生较高过饱和度，导致了 迅速沉淀而析出。析出的颗粒细小，总表面积大，可吸附更多水分，同时浆体中的水分由于水化和蒸发逐渐增大，强度随之增加，一直发展致最大值，这就是硬化过程。（a）胶化（b）结晶（c）结晶长大与交错,3.2.2 建筑石膏的水化与硬化,建筑石膏与适当的水拌合，开始形成塑性浆体，但很快就失去塑性并产生强度，发展为坚
9、硬的固体。,建筑石膏凝结硬化过程,(a) 胶化,(b) 结晶开始,(C) 结晶长大与交错,(D) 实际石膏制品显微结构,半水石膏,二水石膏胶体微粒,二水石膏晶体,交错的晶体,二水石膏交错晶体,3.2.2 建筑石膏的水化与硬化,半水石膏溶解于水，很快成为饱和溶液。溶液中的半水石膏与水化合，生成二水石膏； 二水石膏在水中的溶解度仅为半水石膏的1/5，形成高度过饱和度,故二水石膏胶体微粒很快从溶液中析出。并促使一批新的半水石膏溶解和水化，直至耗尽。,3.2.2 建筑石膏的水化与硬化,在这个过程中，浆体中的水分因水化和蒸发而逐渐减少，浆体变稠而失去流动性，可塑性也开始下降，称为石膏的初凝。 随着水分蒸
10、发和水化的继续进行，微粒间的摩擦力和粘结力逐渐增大，浆体完全失去可塑性，开始产生结构强度，则称为终凝。标准稠度石膏浆的初凝不早于4分钟，终凝不早于6分钟，不迟于30分钟。,3.2.2 建筑石膏的水化与硬化,石膏的初凝、终凝,建筑石膏硬化速度比水泥和石灰都快得多，对成型带来困难，但时可以加入缓凝剂，以降低半水石膏的溶解度和溶解速度。 硬化体孔隙率大，表观密度较小，强度低，导热性较低，吸音性较强。 硬化时，略有膨胀（膨胀率为0.050.15%），硬化时不出现裂缝，制品外表光滑细致，建筑石膏颜色洁白，如加入颜料可成各种色彩，装饰性好。,3.2.3 建筑石膏的特性,抗火性好，遇火灾时二水石膏中的结晶水
11、蒸发，吸收热量，表面生成的无水物为良好的热绝缘体； 建筑石膏的热容量大，吸湿性大故能调节室内温度和湿度，保持室内“小气候”的均衡状态； 建筑石膏硬化后具有很强的吸湿性，其耐火性、抗冻性较差； 施工性好，可锯、可钉、可刨等。,3.2.3 建筑石膏的特性,建筑石膏适用于室内装饰、绝热保温、吸音和防火等。建筑石膏制品不宜在超过65以上高温使用，二水石膏在此温度以上开始脱水分解。 建筑石膏一般做成石膏抹面灰浆、装饰制品和石膏板。加入颜料，硬化抛光，可成为人造大理石，用于内墙装饰。,3.2.4 建筑石膏的应用,石膏板,多作平顶和内墙面装饰，可直接粘贴在墙上，或钉在木龙骨两边而成隔墙。石膏板具有长期徐变的
12、性质，不宜用于承受结构荷载。常见的石膏板有：纸面石膏板；空心石膏条板；纤维石膏板；装饰石膏板等。,3.2.4 建筑石膏的应用,纸面石膏板,因质轻，而且隔音性能优越，与轻钢龙骨复合，特别适合于作为高层建筑的轻质隔断。 我国纸面石膏板的年生产能力已达2.6亿m2，但1998年的实际产量仅为生产能力的1/3左右，原因是价格较高。 但可用工业副产品化学石膏替代天然石膏，如上海博罗公司用安徽铜陵的磷石膏作原料生产纸面石膏板，获得较好的经济效益。,3.2.4 建筑石膏的应用,3.2.4 建筑石膏的应用,36,空心石膏条板,生产方法与普通混凝土空心板类似。常加入纤维材料和轻质填料。这种板不用纸和粘结剂，也不
13、用龙骨，施工方便，是发展较快的一种轻板。,3.2.4 建筑石膏的应用,纤维石膏板和装饰石膏板,纤维石膏板用玻璃纤维、纸浆或矿棉作为纤维增强材料与石膏复合。纤维石膏板抗弯强度和弹性模量都高于纸面石膏板，除用于建筑外，还可代替木材作家具。 装饰石膏板可制成平板、多孔板、花纹板、浮雕板等。,3.2.4 建筑石膏的应用,硅酸钠水玻璃：Na2OnSiO2(常用)；硅酸钾水玻璃：K2OnSiO2；n水玻璃模数，一般n=1.5-3.5。n越大，固体水玻璃在水中溶解越难，但粘结能力增大。n=1时，能溶于常温中；n3，要在4atm下蒸汽中溶解。工程上常用的水玻璃模数为2.6-2.8。,3.3 水玻璃（泡花碱）,
14、水玻璃溶液在空气中吸收CO2，发生如下反应： Na2OnSiO2+CO2+m H2O = Na2CO3 + nSiO2mH2O上述反应速度很慢，常加入促硬剂Na2SiF6 ：2Na2OnSiO2+Na2SiF6+mH2O = 6NaF+(2n+1)SiO2mH2ONa2SiF6加入量为水玻璃质量的12-15%,3.3.1 水玻璃的硬化,良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有填充毛细孔而防止液体渗透的作用，硬化后具有较高的粘结强度。水玻璃不燃烧，高温下强度不仅不会降低，甚至会有提高，因此具有良好的耐热性能。水玻璃具有较高的耐酸性能。,3.3.2 水玻璃的性质,用水玻璃涂刷建材表面提高耐久性。 固
15、结土壤。 配制耐酸砂浆、耐酸混凝土。 配制耐热砂浆、耐热混凝土。 以水玻璃为胶材，加珍珠岩、蛭石为骨料制备保温绝热材料。,3.3.3 水玻璃在建筑中的应用,练 习,1、石灰不可以单独应用是因为其硬化后_大，而石膏可以单独应用是因为其硬化过程中具有_的特性。,答案,体积收缩、体积微膨胀,2、按消防要求我们尽可能用石膏板代替木制板材，是因为石膏板具有_好的特性。3、试分析下列工程，哪些工程不适于选用石膏和石膏制品()。A.影剧院的穿孔贴面板B.冷库内的墙贴面C.非承重隔墙板,答案,防火性,答案,B,4、石灰的特性有：可塑性_、硬化_、硬化时体积_及耐水性_等。 5、石灰的硬化包括_和_。,答案,好缓慢收缩大差,答案,结晶、碳化,6、在维修古建筑时，发现古建筑中石灰砂浆坚硬，强度较高。有人认为是古代生产的石灰质量优于现代石灰。此观点对否？为什么？ 错误。因为石灰的硬化包括干燥结晶硬化过程及碳化过程。但由于碳化作用是一个很缓慢的过程。碳化时表层生成的CaCO3膜层阻碍空气中CO2的渗入，此过程相当漫长。古建筑所用的石灰年代久远，碳化非常充分，故其强度较高。,答案,
