工程材料第二章-1n

1、第 二 章 无机胶凝材料Inorganic BindersorInorganic Cementitous materials本 章 主 要 内 容v石膏v石灰v水玻璃v硅酸盐水泥v掺混合材的硅酸盐水泥v其它品种水泥教 学 大 纲v石膏石膏：石膏的生产与品种。建筑石膏的凝结与硬化。石膏的生产与品种。建筑石膏的凝结与硬化。建筑石膏的特性、质量要求与应用。建筑石膏的特性、质量要求与应用。 v石灰石灰：石灰的原料与生产。石灰的熟化与硬化。石灰石灰的原料与生产。石灰的熟化与硬化。石灰的特性、质量要求与应用。的特性、质量要求与应用。v水玻璃水玻璃：水玻璃的组成；水玻璃的硬化；水玻璃的性水玻璃的组成；水玻璃

2、的硬化；水玻璃的性质；水玻璃的应用。质；水玻璃的应用。v硅酸盐水泥硅酸盐水泥：硅酸盐水泥的生产过程与硅酸盐水泥熟硅酸盐水泥的生产过程与硅酸盐水泥熟料的矿物组成。硅酸盐水泥的凝结与硬化。硅酸盐水泥料的矿物组成。硅酸盐水泥的凝结与硬化。硅酸盐水泥的技术要求。水泥石的腐蚀与防止。硅酸盐水泥的性质、的技术要求。水泥石的腐蚀与防止。硅酸盐水泥的性质、应用与存放。应用与存放。v掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥：混合材料。普通硅酸混合材料。普通硅酸盐水泥。矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉盐水泥。矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的特点与应用。煤灰硅酸盐水泥、复

3、合硅酸盐水泥的特点与应用。v其它品种水泥其它品种水泥：快硬硅酸盐水泥、白色及彩色硅快硬硅酸盐水泥、白色及彩色硅酸盐水泥、膨胀水泥、道路水泥、中低热水泥和抗酸盐水泥、膨胀水泥、道路水泥、中低热水泥和抗硫酸盐水泥等的特点与应用。硫酸盐水泥等的特点与应用。 v高铝水泥高铝水泥：高铝水泥的主要矿物成分与水化产物。高铝水泥的主要矿物成分与水化产物。高铝水泥的技术要求。高铝水泥的性质与应用。高铝水泥的技术要求。高铝水泥的性质与应用。概述v基本概念v胶凝材料的分类v学习要求基本概念：什么是胶凝材料？v定义： 经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。v特征：

4、严格意义上胶凝材料应指浆体；能在常温下凝结硬化为固体；有较强的胶结能力；具有一定的使用性能。胶凝材料的种类？v按其化学组成： 有机胶凝材料：沥青、树脂等。 无机胶凝材料：水泥、石膏、石灰等。 复合胶凝材料：牙齿水泥、酸碱水泥。v按其硬化条件： 气硬性胶凝材料 石膏、石灰等； 水硬性胶凝材料 各种水泥等。气硬性与水硬性胶凝材料的特点v气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且在空气中保持和发展其强度； 关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！v水硬性胶凝材料不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持并发展其强度。 关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！学习要求三问？v胶凝材料凝结硬化机理

5、及其影响因素是什么(What)？v土木工程对胶凝材料有哪些性能要求(Which)？v怎样正确选择和使用胶凝材料(How)？第一节 石 膏Plasterv石膏的组成与结构 Composition and Structure of Plasterv石膏的生产 Plaster Productionv建筑石膏的凝结与硬化 Setting and Hardening of Plastterv建筑石膏的性质 Properties of Plaster and its Articlesv建筑石膏的应用 Utilization of Plaster and its ArticlesSummaryv性质石膏是气

6、硬性胶凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏CaSO40.5H2O; v生产方法建筑石膏可用天然二水石膏或化学石膏在120180 C干燥下脱水制备；v凝结硬化机理“溶解沉淀”理论，即通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化；v性能浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人体和环境无害。v应用各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。进一步研究开发的课题v先进纤维石膏基复合材料v高强石膏及其制品v提高石膏及其制品的耐水性v外墙保温砂浆及其装饰v钢结构

7、防火涂层石膏应用的历史v9000年前，叙利亚和土耳其的安那托力亚就有古迹；v5000年前，埃及人就在敞开的火炉中煅烧石膏，然后破碎磨成粉末，再与水拌和制得用于金字塔建造中石块得粘结材料灰浆；v372-287 BC，古希腊人采用天然透明石膏（亚硒酸石膏）做神庙得窗户；v古罗马人用石膏浇注了成千上万座古希腊得雕塑。v十七世纪，法国巴黎的木质房的所有墙壁均用石膏灰浆（plaster）覆盖，以提高防火性能，因而，法国巴黎有“石膏的首都（capital of plaster）之称。v石膏灰浆又称为“Plaster of Paris”它是半水硫酸钙(CaSO4 H2O)，二水硫酸钙 (CaSO42H2O)

8、称为 gypsum 一、石膏的组成与结构v石膏的矿物组成： CaSO4xH2Ox0，硬石膏(无水石膏)x0.5 ，熟石膏(半水石膏)x2，生石膏(二水石膏)v石膏胶凝材料(Gypsum binder )的组成： CaSO4 0.5H2O或或CaSO4 。v石膏是晶体结构二水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌二、石膏的生产v原料：天然二水石膏；天然无水石膏；工业副产物磷石膏、氟石膏等。v生产工序： 原料(破碎) 脱水 磨细v生产(脱水)的工艺：非密闭煅烧(干燥空气中)： 密闭蒸练(湿的水蒸气)：v不同工艺得到不同组成的石膏胶凝材料天然石膏矿纤维状晶体我国石膏矿分布非常广泛非密闭煅烧脱水工艺及其产品 1

9、20180C可溶无水石膏-半水石膏 200360C 400500 C难溶无水石膏 500750C不溶无水石膏随着煅烧温度升高：二水石膏转变为-型半水石膏-型转变可溶性无水石膏可溶性转变为难溶性无水石膏难溶性转变为不溶性无水石膏 密闭蒸练工艺及其产品：125180C水蒸气-型半水石膏200360C可溶无水石膏400800C不溶无水石膏1不溶无水石膏CaSO4()8001180C地板石膏CaSO4与CaO生产工艺与产品的组成CaSO42H2O 120180C干燥空气125180C水蒸气 -CaSO4 0.5H2O -CaSO4 0.5H2O -CaSO4()可溶 -CaSO4()可溶200360C

10、 200360C 400800C400800CCaSO4()不溶 8001180CCaSO4()不溶CaO非密闭煅烧工艺及其产品组成密闭蒸炼工艺及其产品组成石膏生产流程图熟石膏高强石膏原料入口产 品废气排放三、建筑石膏的凝结硬化v凝结硬化过程中的水化反应：凝结硬化过程中的水化反应： CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应v凝结硬化机理凝结硬化机理“溶解沉淀理论溶解沉淀理论”l 溶解溶解l 沉淀沉淀l 硬化硬化 半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L

11、)，因此，前者在水中不断溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。 二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网凝结硬化的物理化学过程 石膏浆体 半水石膏颗粒 二水石膏晶体石膏胶体石膏硬化体水孔隙水化初期：二水石膏晶体较少随着水化反应进行二水石膏晶体量石膏硬化体中晶体堆积体 半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子水化成二水石膏晶体。石膏颗粒表面分子首先水化颗粒表面二水石膏晶体不断增多半水石膏全部水化成二水石膏 所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！石膏凝结硬化的影响因素v石膏的组成v石膏浆

12、体的用水量v外加剂v细度凝结硬化速度的排序： 可溶性无水石膏半水石膏难溶性无水石膏不溶性无水石膏 用水量越大，石膏晶体颗粒越大；凝结硬化所需时间增加 一些无机盐(如硫酸钾)可以促进凝结硬化，而一些有机酸(如柠檬酸)可以延缓凝结硬化细度越细，凝结硬化越快。加水量50的硬化石膏的晶体较粗加水量24的硬化石膏的晶体较细 硫酸钾可以促进石膏浆体的凝结硬化(曲线a)，而柠檬酸可以使石膏浆体缓凝(曲线b)时间(s)四、建筑石膏的性质v建筑石膏的技术要求(GB977688)：密度：密度：2.502.70;强度：抗折强度、抗压强度强度：抗折强度、抗压强度; 细度：细度：0.2mm方孔筛筛余方孔筛筛余; 凝结时

13、间：初凝、终凝时间凝结时间：初凝、终凝时间;v石膏硬化体及制品的特性：表观密度较小表观密度较小孔隙率较大孔隙率较大强度较低强度较低耐水性和抗冻性较差耐水性和抗冻性较差防火性较好防火性较好隔热性和吸声性良好隔热性和吸声性良好装饰性装饰性 学会分析、思考和回答问题！1. 石膏硬化体的表观密度小，孔隙率大，Why？ 答：答：半水石膏需加水半水石膏需加水6080，才能使浆体达到成型所需可，才能使浆体达到成型所需可塑性；而半水石膏全部水化成二水石膏只需塑性；而半水石膏全部水化成二水石膏只需18.6的水量；的水量；即，有即，有4060多的水不能参与反应，硬化后多余水分的挥多的水不能参与反应，硬化后多余水分

14、的挥发留下大量孔隙。发留下大量孔隙。2、孔隙率较大在应用上，有哪些优点和缺点Which？ 答：答：优点优点保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、天花板、墙面粉刷砂浆等。天花板、墙面粉刷砂浆等。 缺点缺点强度低、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构强度低、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构材料，不宜用于潮湿环境等。材料，不宜用于潮湿环境等。3. 为什么石膏制品的耐水性差Why？ 答：答：石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明显的解理面，层间和晶体颗粒间是较弱的氢键结合，因此，显的解理面，层间和晶

15、体颗粒间是较弱的氢键结合，因此，水分子进入，降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导水分子进入，降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导致强度下降；其软化系数只有致强度下降；其软化系数只有0.300.45； 另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品长期在水中的强度将更低长期在水中的强度将更低 。学会分析、思考和回答问题！4、如何改善石膏制品的耐水性 How? 答：答：降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处理，以减小吸水率；处理，以减小吸水率； 掺加其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，掺加

16、其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用。阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用。二水石膏晶体解理面5、为什么石膏制品的防火性好Why? 答：答：石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，有两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高，因并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高，因此，在高温下，主要发生脱水和烧结。此，在高温下，主要发生脱水和烧结。学会分析、思考和回答问题！6、进一步思考的问题:v警察在勘察

17、犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原警察在勘察犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？理是什么？v试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？v如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？调湿作用红线条表示室内湿度变化蓝线条表示室外湿度变化五、建筑石膏的应用v建筑石膏是一种很好的绿色建材！v应用中扬长避短，正确应用！v建筑上的主要应用有：建筑石膏制品：各种板材：墙板、天花板等艺术装饰品粉刷石膏：墙面粉刷雕饰各种墙板德国一所教堂的外墙面雕饰室内墙面和天花板的雕饰纸面石膏板的生产工艺流

18、程纸面石膏板生产线第二节 石 灰limev建筑石灰的组成与品种建筑石灰的组成与品种v建筑石灰的制备建筑石灰的制备v石灰的硬化石灰的硬化v石灰的性质石灰的性质v石灰的应用石灰的应用一、石灰的组成与品种v气硬性石灰 粘土杂质含量8%的石灰石热分解物及其水化物：生石灰粉：CaO；熟(消)石灰粉：Ca(OH)2；石灰膏(浆)：Ca(OH)2、H2O；v水硬性石灰 粘土杂质含量8%的石灰石热分解物： CaO、活性Si2O、Al2O3等二、石灰的制备v原料：原料： 以以CaCO3为主要成分的天然岩石，如：石灰石、为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。白垩等。v石灰的石灰的制备制备：石灰石的热分解反应：

19、石灰石的热分解反应： CaCO3 CaOCO2制备工艺：制备工艺： 岩石岩石 破碎破碎 煅烧煅烧 粉磨粉磨(消解消解)制备工艺与产品石灰石10001200C磨细生石灰粉生石灰水喷淋熟石灰粉(水)化灰池石灰浆浓缩石灰膏陈伏煅烧温度较低，时间较短时， 欠火石灰煅烧温度较高，时间较长时， 过火石灰减轻或消除过火石灰的危害石灰浆体 氢氧化钙晶体 碳酸钙晶体石灰凝胶体石灰碳化体水孔隙水分损失碳化三、石灰的硬化v结晶作用结晶作用生石灰或熟石灰水成为生石灰或熟石灰水成为Ca(OH)2浆体；浆体；浆体中游离水的不断损失，导致浆体中游离水的不断损失，导致Ca(OH)2结晶；结晶；晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网晶

20、粒长大、交错堆聚成晶粒结构网硬化。硬化。v碳化作用碳化作用Ca(OH)2与空气中的与空气中的CO2气体反应，在表面形成气体反应，在表面形成CaCO3膜层。膜层。提高耐久性。提高耐久性。四、石灰的性质v建筑石灰的技术要求：建筑石灰的技术要求： CaO的含量的含量 CO2的含量的含量(欠火石灰欠火石灰) 细度细度 体积安定性体积安定性(过火石灰过火石灰)v建筑石灰的特性：建筑石灰的特性： 表观密度较小表观密度较小 浆体的可塑性好浆体的可塑性好 硬化后的强度较低硬化后的强度较低 耐水性差耐水性差 浆体硬化中容易开裂浆体硬化中容易开裂v过火石灰的危害过火石灰的危害 与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发

21、生体积膨胀与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨胀而引起开裂而引起开裂 。 问 题？1. 过火石灰有什么危害？应如何消除？过火石灰有什么危害？应如何消除？ 答：答：过火石灰密度较大，且颗粒表面有玻璃釉状物包过火石灰密度较大，且颗粒表面有玻璃釉状物包裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸湿裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸湿水化，产生体积膨胀，影响体积稳定性。可采用延水化，产生体积膨胀，影响体积稳定性。可采用延长石灰的熟化和陈伏期，或过滤掉。长石灰的熟化和陈伏期，或过滤掉。2.2.石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应如何避免？如何避免

22、？ 答：答：石灰浆体的硬化是靠水分的大量挥发，体积显著收石灰浆体的硬化是靠水分的大量挥发，体积显著收缩，因而容易导致开裂。在使用时，避免单独使用，缩，因而容易导致开裂。在使用时，避免单独使用，可掺加一些砂子、麻刀丝或纸筋等。可掺加一些砂子、麻刀丝或纸筋等。五、石灰的应用v配制建筑砂浆和石灰乳配制建筑砂浆和石灰乳v配制无熟料水泥配制无熟料水泥 石灰火山灰活性材料石灰火山灰活性材料v配制三合土配制三合土 石灰粘土砂水石灰粘土砂水v作为其它建材制品的原料作为其它建材制品的原料 如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等。如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等。v软土地基加固软土地基加固第三节 水玻璃v水玻璃的组

23、成水玻璃的组成v水玻璃的制备水玻璃的制备v水玻璃的硬化水玻璃的硬化v水玻璃的性质水玻璃的性质v水玻璃的应用水玻璃的应用v什么是水玻璃？什么是水玻璃？ 碱金属硅酸盐的水溶液：碱金属硅酸盐的水溶液： R2O nSiO2 + H2O 其中其中R=Na、Kv什么是水玻璃的模数？什么是水玻璃的模数？ n: 氧化硅氧化硅SiO2与碱金属氧化物与碱金属氧化物R2O的摩尔比。的摩尔比。v模数对水玻璃性能的影响模数对水玻璃性能的影响 模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好。模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好。v水玻璃的制备方法：水玻璃的制备方法： 湿法：湿法： R2OnSiO2 + H2O 水玻璃水玻璃 干

24、法：干法： R2OnSiO2 R2O nSiO2 R2O nSiO2 + H2O 水玻璃水玻璃v水玻璃硬化过程水玻璃硬化过程 水玻璃与空气中的水玻璃与空气中的CO2反应，生成无定型的硅酸凝反应，生成无定型的硅酸凝胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成SiO2而硬化。而硬化。v水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠 其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和SiO2的形成。的形成。v水玻璃的特性水玻璃的特性 良好的胶结能力良好的胶结能力 耐热性好、不燃烧耐热性好、不燃烧 较好的耐酸性能较好的耐酸性能 耐水性

25、和耐碱性差耐水性和耐碱性差水玻璃硬化过程水玻璃硬化过程水玻璃溶液水玻璃溶液 硅酸凝胶硅酸凝胶 二氧化硅玻璃体二氧化硅玻璃体RSiO4-4RRSiO4-4RRRRRH4SiO4H4SiO4H4SiO4H4SiO4RCO3SiO2SiO2SiO2SiO2R2CO3酸 化脱水交联v水玻璃在建筑上应用水玻璃在建筑上应用u 配制耐酸混凝土与砂浆配制耐酸混凝土与砂浆u 配制耐热混凝土与砂浆配制耐热混凝土与砂浆u 配制快凝防水剂配制快凝防水剂u 加固地基基础加固地基基础问 题？v为什么水玻璃能配制耐酸混凝土和砂浆？ 答：答：水玻璃溶液的凝结硬化是在酸作用下，使硅酸根水玻璃溶液的凝结硬化是在酸作用下，使硅酸根离子逐步缩聚交联成二氧化硅玻璃体，因此，酸性离子逐步缩聚交联成二氧化硅玻璃体，因此，酸性条件只会使水玻璃中硅酸根离子的交联度提高，更条件只会使水玻璃中硅酸根离子的交联度提高，更加密实和耐水。加密实和耐水。v为什么水玻璃模数n越大，粘结力越强，耐水性越好？ 答：答：n是是SiO2/R2O的摩尔比，的摩尔比，n越