《土木工程材料》
第三章 无机气硬性胶凝材料
董 祥
第四章 无机气硬性胶凝材料
胶凝材料： 土木工程中用来将散粒材料（如砂、石子 等）或块状材料（如砖、石块等）粘结为整体 的材料。
南京工程学院 建筑工程学院
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第四章 无机气硬性胶凝材料
胶凝材料的分类：
第四章 无机气硬性胶凝材料
各种胶凝材料的适用范围： 气硬性胶凝材料： 只适用于地上或干燥环境，不宜用于潮湿 环境，更不可用于水中。 水硬性胶凝材料： 既适用于地上，也可用于地下或水中环 境。
第六章
无机气硬性胶凝材料
第一节 建筑石膏
一、石膏的原料、生产与种类
第一节
建筑石膏
1. 石膏的原料 生产各种石膏胶凝材料的原理主要是天然 二水石膏（CaSO4·2H2O），也可采用化工石 膏。
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第一节 建筑石膏
2. 石膏的生产与种类 将天然二水石膏（CaSO4·2H2O）在不同压力和温度下加 热，可值得多种石膏胶凝材料。
①压蒸条件（0.13MPa、124℃）下加热，生成α型半水石膏，即高强石膏 （α-CaSO4·1/2H2O）。 ②加热温度为107～170℃时，生成β型半水石膏，即建筑石膏（βCaSO4·1/2H2O）。 CaSO4·2H2O → β-CaSO4·1/2H2O＋3/2H2O ③加热温度为170～200℃时，生成可溶性硬石膏（CaSO4Ⅲ）。 ④加热温度高于400℃，生成不溶性硬石膏（CaSO4Ⅱ）。 ⑤加热温度高于800℃，生成高温煅烧石膏（CaSO4），又称地板石膏。
第一节 建筑石膏
在土木工程中，使用最多的是建筑石膏（主要 用于制作石膏建筑制品）、其次是高强石膏。 建筑石膏晶体较细，调制成一定稠度的浆体时 需水量较大，因而强度较低； 高强石膏晶粒粗大，调制成一定稠度的浆体 时需水量较小，因而强度较高。
第一节 建筑石膏
二、建筑石膏的水化与硬化
建筑石膏与适量的水相混合，最初成为可塑的浆体，但 很快就失去塑性并产生强度，并发展成为坚硬的固体。 这一过程可分为水化和硬化两部分。 建筑石膏与适量水拌和后，发生如下反应： CaSO4·1/2H2O+3/2H2O → CaSO4·2H2O 由于CaSO4·2H2O的溶解度比CaSO4·1/2H2O小，不断转化 为CaSO4·2H2O结晶析出，伴随着水分的蒸发，最终逐渐硬 化。
第一节 建筑石膏
建筑石膏凝结硬化示意图
１－半水石膏；２－二水石膏胶体微粒；３－二水石膏晶体；４－交错的晶体
第一节 建筑石膏
三、建筑石膏的技术性质 1. 建筑石膏的等级及质量标准 建筑石膏按抗折强度（最重要指标）、抗压强 度、细度三项指标， 分为优等品、一等品、合格品三个等级。 建筑石膏产品的标记顺序： 产品名称、抗折强度、标准号
抗折强度为2.5MPa的建筑石膏，标记为：建筑石膏2.5GB9776。
第一节 建筑石膏
2. 建筑石膏的特性 （1）凝结硬化快
建筑石膏的凝结硬化过程很快，其终凝时间不超过30min、一周 左右完全硬化，故实际施工时往往需加入适量的缓凝剂。
（2）硬化时体积略有膨胀
石灰和水泥等胶凝材料硬化时体积收缩，而建筑石膏却略有膨胀 （膨胀率为0.05％～0.15％），这使石膏制品表面光滑饱满、棱角清 晰、干燥时不开裂，对制作石膏模型等有利。
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第一节 建筑石膏
（3）硬化后孔隙率大，表观密度和强度较低 （4）硬化体绝热性和吸音性能良好，但耐水性 和抗冻性较差
可在建筑石膏中加入适量水泥、粉煤灰、磨细的粒化高 炉矿渣以及各种有机防水剂，以提高石膏制品的耐水性。
第一节 建筑石膏
（5）具有一定的调温调湿性 （6）防火性能良好 （7）硬化体的可加工性能好 （8）装饰性好
注意： 建筑石膏的许多技术特性都与其结构特点——多孔有 关，如：（3）、（4）、（5）、（6）、（7）。
<观察与讨论> 硬化石膏的结构与性能
第一节 建筑石膏
从图中可见建筑石膏制品的结构特点是多孔。 ①隔热吸声性良好。因多封闭的细微孔，导热 系数也就较低，且其大是微孔，尤为表面微孔会 使声音反射或传导的能力显著下降从而有好的吸 声性能。 ②防火性能好。 ③具一定的阻湿阻温性。 ④耐水性及防冻性差。 ⑤加工性能好。
请观察图中硬化石膏的结构特点，分析硬化石膏的结构与 性能的关联。
<观察与讨论> 建筑石膏粉的质量问题
第一节 建筑石膏
从中可见该建筑石膏粉已吸潮结粒，对凝结硬 化性能及强度均有影响，已不宜使用。 由于建筑石膏粉易吸潮，影响其以后使用时 的凝结硬化性能和强度，长期储存也会降低强 度，因此建筑石膏粉存贮时必须防潮，储存时间 不得过长，一般不得超过三个月。
请观察建筑石膏粉，并分析是否宜用此石膏粉作粘结或制 作石膏制品。
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<观察与讨论> 石膏饰条粘贴失效
<观察与讨论> 石膏饰条粘贴失效
实例分析： ①建筑石膏拌水后一般于数分钟至半小时左右 凝结，后来粘贴石膏饰条的石膏浆已初凝，粘结 性能差。可掺入缓凝剂，延长凝结时间；或者分 多次配制石膏浆，即配即用。 ②在光滑的天花板上直接贴石膏条，粘贴难以 牢固，宜对表面予以打刮，以利粘贴。或者，在 粘结的石膏浆中掺入部分粘结性强的粘结剂。
工程实例： 某工人用建筑石膏粉拌水为一桶石膏浆，用以 在光滑的天花板上直接粘贴，石膏饰条前后半小 时完工。几天后最后粘贴的两条石膏饰条突然坠 落，请分析原因。
第一节 建筑石膏
四、建筑石膏的应用 1. 粉刷石膏
粉刷石膏是 由建筑石膏 和CaSO4Ⅱ两 者混合后掺入 外加剂、也可 再掺入细集料 等制成的气硬 性胶凝材料。
（βCaSO4·1/2H2O）
第一节 建筑石膏
粉刷石膏按用途分为： 面层粉刷石膏（Ｍ）、底层粉刷石膏（Ｄ）和 保温层粉刷石膏（Ｗ）。 粉刷石膏按强度分为： 优等品（Ａ）、一等品（B）、合格品（C）。 粉刷石膏是一种高档抹面材料，可用于办公 室、住宅等的墙面、顶棚等。
第一节 建筑石膏
2. 建筑石膏制品 （1）纸面石膏板
第一节 建筑石膏
纸面石膏板分为三类： ①普通纸面石膏板 以重磅纸为护 面纸。 可用于室内吊 顶和内隔墙（可钉 在金属、木材或石 膏龙骨上，也可直 接粘贴在砖墙 上）。
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第一节 建筑石膏
②耐水纸面石膏板 采用耐水护面 纸。 主要用于厨房、 卫生间等潮湿场 合。
第一节 建筑石膏
③耐火纸面石膏板 芯材中掺入 了适量无机耐火 纤维增强材料。 适用于耐火 性能要求高的内 隔墙、吊顶和装 饰用板。
<发展现状>
轻钢龙骨石膏板墙体体系（简称QST）： 在美国已有70%以上的民用住宅的内隔墙采用了该种墙 体体系，亦是我国将来轻质墙体的发展方向之一。
第一节 建筑石膏
（2）石膏空心条板 （3）纤维石膏板 石膏板芯材中掺入了玻璃纤维、纸筋或矿棉等 纤维材料。 纤维石膏板的抗弯强度和弹性模量均高于纸面 石膏板。
第一节 建筑石膏
（4）石膏砌块
第一节 建筑石膏
（5）装饰石膏制品 ①装饰石膏板 ②嵌装式装饰石膏板 ③艺术装饰石膏制品 如：石膏角线、灯圈、 罗马柱等
装饰石膏板
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石膏装饰角线
<工程实例> 石膏制品发霉变形
某住户喜爱石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕 板作装饰。使用一段时间后，客厅、卧室效果相 当好，但厨房、厕所、浴室的石膏制品出现发霉 变形。请分析原因。
<工程实例> 石膏制品发霉变形
实例分析： 厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，普通石膏 制 品 具 有 强 的 吸 湿 性 和吸 水 性 ， 在潮 湿 的 环 境 中，晶体间的粘结力削弱，强度下降、变形，且 还会发霉。 建筑石膏一般不宜在潮湿和温度过高的环境中 使用。欲提高其耐水性，可于建筑石膏中掺入一 定量的水泥或其它含活性SiO2 、Al2O3 及CaO的材 料。如粉煤灰、石灰。掺入有机防水剂亦可改善 石膏制品的耐水性。
第六章
无机气硬性胶凝材料
第二节
石灰
第二节 石灰
石灰是一类产品的统称 石灰是一种传统的气硬性胶凝材料。原料 来源广、生产工艺简单、成本低，并具有某些 优异性能，至今仍为土木工程广泛使用。
第二节 石灰
一、石灰的原料与生产
1. 生产石灰的原料 含CaCO3、MgCO3的石灰石（主要）、白云 石（其次）和白垩。
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第二节 石灰
2. 石灰的生产 将石灰石在石灰窑高温煅烧，使碳酸钙分解 成为CaO和CO2，CO2以气体逸出。 CaCO3 → CaO+CO2 通常煅烧温度控制在900℃。 实 际 上， CaCO3 在 500 ～ 600℃时分解；在 900℃时，CaCO3分解比较完全。 煅烧温度既不宜过低、也不宜过高。 —
第二节 石灰
石灰的生产应控制好煅烧温度和煅烧时间—
若煅烧温度不够，CaCO3分解不完全，会产 生“欠火石灰”（胶凝性下降）； 若煅烧温度过高、或煅烧时间过长，生成的 CaO变密实、表面形成致密的釉状物，影响其 与水结合，成为“过火石灰”。
第二节 石灰
3. 生石灰的品种 生石灰：以CaO为主要成分的石灰产品，包 括两大类： （1）块状生石灰 为多孔结构（原因？），洗潮能力强 （2）生石灰粉（亦称“磨细生石灰”） 块状生石灰在球磨机中磨细所得的粉末状石 灰产品 生石灰粉与水接触的面积比生石灰大，更易 与水结合；但成本变高，且保存不宜。
第二节 石灰
二、石灰的消化（亦称“熟化”）
1. 消化的过程 在生石灰中加水，使生石灰中的CaO转变为 Ca(OH)2的过程，即为生石灰的消化。 CaO+H2O=Ca(OH)2 生成物Ca(OH)2 称为消石灰、消解石灰或熟 石灰。
第二节 石灰
2. 消化过程的特点 （1）放热量大
石灰消解1小时的放热量 1156J/g 普通水泥水化1天的放热量 125.6J/g 普通水泥水化28天的放热量 401.9J/g
第二节 石灰
（3）反应速度快 煅烧良好的CaO与水接触，几秒钟内即可反 应完毕。 正常煅烧的石灰：与水反应速度快； 欠火石灰：与水反应速度较慢； 过火石灰：与水反应速度很慢。
（2）有显著的体积膨胀 CaO 与 水 反 应 生 成 Ca(OH)2 时 ， 体 积 增 大 1.5～2.0倍。
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第二节 石灰
3. 消化后的石灰品种 （1）消石灰粉 在生石灰中加入适量（60%～80%）的水， 消解得到的粉末状的石灰产品。 消石灰粉在道路工程中常用——可在块状生 石灰内部插水管，灌水，使其消解；若场地不 够，可分层消解。 工地上可通过人工分层喷淋消解石灰；但通 常是在工厂集中生产消石灰粉，作为产品销 售。
第二节 石灰
（2）石灰浆、石灰膏 在生石灰中加入大量（生石灰体积的3～4 倍）的水，消解得到的浆体状或膏状石灰产 品。
第二节 石灰
三、石灰的硬化
1. 石灰凝结硬化的过程
主要包括干燥和碳化两个过程： （1）干燥硬化 其一，石灰浆失水产生的毛细管压力使得石灰颗粒 相互靠紧，从而获得强度。 其二，石灰浆中多余水分蒸发或被基体吸收， Ca(OH)2以晶体形态析出，石灰浆体逐渐失去塑性，并 凝结硬化产生强度。即：Ca(OH)2结晶，使强度变高。
第二节 石灰
（2）碳化硬化 空 气 中 的 CO2 遇 水 生 成 弱 碳 酸 ， 再 与 Ca(OH)2 发生化学反应生成CaCO3 晶体。由于 生成的CaCO3 自身强度较高、且填充孔隙使得 石灰固化体更加致密，故强度进一步提高。 Ｃa(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O 注意：此过程必须有水。 碳化硬化的时间很长（原因？）；但只要有 Ca(OH)2存在，其终将进行完。
第二节 石灰
2. 石灰凝结硬化过程的特点 （1）速度慢 原因 加速方法：加强通风、提高空气中CO2的浓
度
（2）体积收缩大 石灰浆体凝结硬化过程中，蒸发出大量水 分，体积缩小，容易产生收缩裂缝
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第二节 石灰
建筑石膏与石灰的凝结硬化对比 半小时后的凝结情况： 建筑石膏 石 灰
石灰砂浆硬化 体积收缩造 成的裂纹
第二节 石灰
石灰不 宜单独使 用，通常 掺 入 砂 子 、 麻 刀、纸筋 等以减小 收缩、提 高抗裂能 力。
第二节 石灰
石灰消化的过程体积膨胀，硬化的过程体积收缩！
过火石灰的危害： 过火石灰消化速度很慢，往往要在正常煅烧 的石灰硬化后才开始消化，从而产生局部的体 积膨胀，影响工程质量。 CaCO3 → CaO → Ca(OH)2 → CaCO3
过程1－煅烧；过程2－消化，体积膨胀；过程3－ 硬化，体积收缩。过火石灰危害的根源在于过程2
缓慢。
过火石灰膨胀 导致石灰砂 浆开裂
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第二节 石灰
过火石灰危害的防止措施 ： 由于过火石灰在生产中是很难避免的（正常 煅烧的石灰中一般都含有过火石灰），为保证 过火石灰完全消解，故石灰膏在使用前应留有 足够的消化时间，将消化后的石灰在消化池中 储存两周以上，此过程称为“陈伏”。 注意：陈伏期间，石灰膏表面要覆一层水， 以隔绝空气，防止与CO2作用发生碳化。 石灰消化试验
第二节 石灰
<实例1——内外墙粉刷层爆裂> 上海某新村四幢六层楼1989年9～11月进行内外墙粉 刷，1990年4月交付甲方使用。此后陆续发现内外墙粉 刷层发生爆裂。至5月份阴雨天，爆裂点迅速增多，破 坏范围上万平方米。爆裂源为微黄色粉粒或粉料。该 内外墙粉刷用的“水灰”，系宝山某厂自办的“三产”性质 的部门供应，该部门由个人承包。 经了解，粉刷过程已发现有“水灰”中有一些粗颗 粒。对爆裂采集的微黄色爆裂物作X射线衍射分析，证 实除含石英、长石、CaO、Ca(OH)2、CaCO3外，还含 有较多的MgO、Mg(OH)2以及少量白云石。
第二节 石灰
<实例2——石灰的选用> 某工地急需配制石灰砂浆。当时有消石灰 粉、生石灰粉及生石灰材料可供选用。因生石 灰价格相对较便宜，便选用，并马上加水配制 石灰膏，再配制石灰砂浆。使用数日后，石灰 砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝。
第二节 石灰
四、石灰的技术性质
1. 石灰的特性 （1）保水性与可塑性好 原因：Ca(OH)2颗粒极细（直径约为1μm） 应用：常将石灰掺入水泥砂浆中制成混合砂浆，用 以改善水泥砂浆保水性和塑性差的缺陷。 （2）凝结硬化慢 （3）硬化时体积收缩大 （4）强度低 （5）耐水性差 措施：将固化后的石灰制品人工碳化处理，可提高 其耐水性。
第二节 石灰
2. 石灰的技术标准 ①《建筑生石灰》（JC/T 479） ②《建筑生石灰粉》（JC/T 480） ③《建筑消石灰粉》（JC/T 481） 钙质石灰与镁质石灰： 原料中常含有MgCO3，煅烧后会生成MgO，《建筑 生石灰》（JC/T479－92）规定：MgO含量≤5%的称 为钙质生石灰；MgO含量＞5%的称为镁质生石灰。 同等级的钙质石灰质量优于镁质石灰。
第二节 石灰
3. 石灰的技术指标 ①有效CaO和MgO含量（对生石灰、生石灰 粉、消石灰粉） （最重要的指标！） ②生石灰产浆量和未消化残渣含量（对生石 灰） ③CO2含量（对生石灰、生石灰粉） ④消石灰粉游离水含量（对消石灰粉） ⑤细度（对生石灰粉、消石灰粉）
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第二节 石灰
有效CaO和MgO：可与水反应的CaO、MgO 石灰的强度主要来源于Ca(OH)2碳化形成CaCO3、以 及Ca(OH)2结晶；而Ca(OH)2是由活性CaO消化而得。 有效CaO和MgO含量越多越好。
第二节 石灰
五、石灰的应用 1. 消石灰粉 （1）消石灰粉大量应用在道路工程中（配 制石灰土、二灰土、二灰碎石、二灰砂等）， 是修筑现代半刚性路面基层的重要材料 石灰和土均为气硬性材料，石灰土却是水 硬性材料！ （2）在建筑工程中，消石灰粉用来配制三 合土（消石灰粉＋粘土＋砂）、四合土，用于 建筑物的基础
有效CaO和MgO含量可通过中和滴定、络合 滴定来确定——
活性CaO的测定，是采用蔗糖与其形成蔗糖钙，然 后用HCI滴定的中和滴定法求得活性CaO含量； 活 性 MgO 的 测 定 ， 是 采 用 EDTA 络 合 滴 定 法 确 定 MgO含量。
第二节 石灰
2. 石灰膏
（1）配制石灰砂浆、混合砂浆等，用于砌 筑工程、抹面工程 石灰浆会收缩（如将其用于墙体易开裂）， 故要在石灰浆中加入砂石、纤维等材料。 （2）稀释成石灰乳涂料，用于内墙、平 顶等的刷白
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第二节 石灰
3. 生石灰粉 可配制三合土（生石灰粉（或消石灰粉）： 土：砂＝1：2：3）、灰土（生石灰粉：土＝ 1：2～4）等，具有强度、耐水性、抗渗性。 生石灰粉比消石灰效果好，但其价格高、难 保存（易受潮），故直接使用较少。 目前用于建筑工程中的建筑基础、地面垫层 等；交通土建工程中的软土地基处理、桥梁桩 基础等；大量用于生产硅酸盐制品。
第三章 无机气硬性胶凝材料 思考题
工程中，石灰常不单独使用，而采用石灰砂 浆，原因何在？石灰掺入水泥砂浆中为何能改 善其和易性，但使其耐水性变差？用作基础垫 层和路基的石灰土、三合土为何具有一定的水 硬性？
（1999年天津大学硕士入学《建筑材料》 12分）
第三章 无机气硬性胶凝材料 作业题
论述题： 用于道路工程的石灰有哪些技术性质要求？ 简述石灰的强度形成原理（写出化学反应 式）。
（2006年长安大学硕士入学《道路建筑材料》 10分）
本 章 结 束
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