第3章 气硬性胶凝材料 教学提示：气硬性胶凝材料的特点是只能在空气中凝结硬化，产生和发展强度，一般 仅适用于地上和干燥环境中。本章可根据“原材料—生产—水化硬化—硬化体结构—性质 —应用”这一主线来学习。 教学要求：掌握石膏、石灰、水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理、性质和主要用途， 了解它们的原材料和生产。 在土木工程中，将散粒状材料（如砂和石子）或块状材料（如砖块和石块）粘结成整体的材 料，统称为胶凝材料。胶凝材料按其化学组成成分的不同，可分为无机胶凝材料和有机胶 凝材料两大类，无机胶凝材料按硬化条件不同又分为气硬性和水硬性两种。相比较而言， 无机胶凝材料在土木工程中的应用更加广泛。 气硬性胶凝材料只能在空气中凝结硬化和增长强度，所以只适用于地上和干燥环境中， 不能用于潮湿环境，更不能用于水中。如建筑石膏、石灰和水玻璃等。而水硬性胶凝材料 不但能在空气中凝结硬化和增长强度，在潮湿环境甚至水中能更好地凝结硬化和增长强度， 因此它既适用于地上，也能适用于潮湿环境或水中。如各种水泥。本章主要论述气硬性胶 凝材料。 有机胶凝材料是以天然或人工合成高分子化合物为主要成分的胶凝材料。常用的有机 胶凝材料主要有石油沥青、煤沥青和各种天然或人造树脂。 胶凝材料分类如下： 气硬性胶凝材料：如石灰、石膏、水玻璃 无机胶凝材料 水硬性胶凝材料：如各种水泥 胶凝材料 有机胶凝材料：如沥青、树脂 3.1石膏 石膏胶凝材料是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。石膏胶凝材料及其制品 是一种理想的高效节能材料，在建筑中已得到广泛应用。其制品具有质量轻、抗火、隔音、 绝热效果好等优点，同时生产工艺简单，资源丰富。它不仅是一种有悠久历史的胶凝材料， 而且是一种有发展前途的新型建筑材料。如美国目前80%的住宅用石膏板作内墙和吊顶， 在日本、欧洲，石膏板的应用也很普遍。我国石膏板的应用正越来越多
第3章气硬性胶凝材料· 33 *3.1.1石膏的种类和建筑石膏的生产1.石膏的种类根据硫酸钙所含结晶水数量的不同，石宫分为二水石膏（CaSO42H2O)、半水石膏一H,O)和无水石膏(CaSO4)。(CaSO,*二水石膏有两个来源，是天然石膏矿，这种石膏义称为软石膏或生石膏：二是化工石膏，这种石膏是含有较大量CaSO4-2H2O的化学T业副品，是种废渣或废液，如磷化）的废渣为磷石膏，氟化1厂的废渣为氟石膏。此外，还有脱硫排烟石膏、硼石膏、盐石膏、钛石膏等。无水石膏办有两个求源，一是人然石膏矿，这种石膏又称为硬石膏：二是来源丁二水石膏高温缎烧后的产物，这种石膏有三个形态(如图3.1所示)。半水石膏是水石膏加热后生成的产物（见图3.1)。2.建筑石膏的生产生产建筑石膏的原材料主要是天然二水石膏，也可采用化工石膏。纯净的天然二水石膏矿石品无色透明或白色，但在含杂质时可呈灰色、褐色、黄色、红色等。根据CaSO42HO的含量，天然二水石育量分为五个等级（JC16一82），如表3-1所示采用化工石育时作为生产原料时应注意，如废渣（液）中含有酸性成分时，须预先用水洗涤或用石灰中和后才能使用。用化工石膏生产建筑石膏，可扩大石膏原料的来源，变废为宝，达到综合利用的目的。表3-1天然二水石膏的等级级-二三四五等≥9584~75CaSO42H,O含量(%)94~8574~6564~55将CaSO4-2H2O在不同缎烧条件下、不同压力和温度下加热，可制得晶体结构和性质各异的多种石膏胶凝材料，如图3.1所示。107℃~170℃β-CaSO4-1/2H,Oβ-CasO,IlI320℃~360℃（β型可溶硬石膏）在T燥条件下（β型半水石齐）(炒锅、回转窑）补400C-750 CasO,II125℃0.13MPa230℃α-CasO.ll（不溶硬石膏）Lα-CaSO-1/2H,O有液态水存在（α型半水石膏）（α型可溶硬石膏）A（蒸压锅）Cas041≥800'℃（殿烧石膏）图3.1二水石膏的加热变种从上图可知，CaSO4·2H2O在干燥条件下经过低温熳烧，可得到β型半水石膏(β-CaSO4-1/2HzO)，这种石膏磨纵加工即为建筑石膏。建筑石膏为白色粉末，密度约为2.60g/cm2~2.75g/cm2，堆积密度约为800kg/m~1000kg/m2。:33-
土木工程材料·34 ·3.1.2建筑石膏的水化与凝结硬化建筑石膏与适量的水拌和后，最初形成可塑性良好的浆休，但很快就失去塑性而产生凝结硬化，继而发展成为固体。发生这种现象的实质，是由于浆体内部经历了一系列的物理化学变化。首先，β型半水石膏溶解于水，与水化合形成了二水石膏。水化反应按下式进行。CasOH,O,+1H,O,→CaSO,2H,O1由于二水石育在常温下的溶解度半水仅为平水石膏溶解度的1/5，故二水石膏胶体微粒就从溶液中结品析出。这时济液浓度降低，并促使新的一批半水石膏又可继续济解和水化。如此循环进行，点到半水石膏全部耗尽，转化为二水石膏。在这个过程巾，随着水化的进行，二水石膏生成量不断增加，水分逐渐减少，浆体开始失去可塑性，这称为初凝。而后浆体继续变稠，颗粒之间的摩擦力和粘结力增加，完全失去可塑性，并开始产生结构强度，称为终凝。石膏终凝后，其品体颗粒仍在不断长大并连生并互相交错，结构中孔隙率逐渐减小，石膏强度也不断增长，直牟剩余水分完全蒸发后，强度才停止发展，形成硬化后的石膏结构。这就是建筑石膏的硬化过程(如图3.2所示)。12(a)胶化(b）结晶开始(c）结品长人与交错图3.2建筑石膏凝结硬化示意图1.半水石膏2．水石膏胶体微粒3．水石膏晶体4.交错的晶体3.1.3建筑石膏及其制品的技术性质1.等级及质量标准根据《建筑石》（GB9776一88)的规定，建筑石育按抗折、抗压强度和细度分为优等品、一等品和合格品三个等级，具体质量指标见表3-2所示。表3-2建筑石膏技术指标技术指标优等品等品合格品-I2.5抗折强度(MPa)2.11.8M4.93.92.9抗压强度(MPa)≤细度（0.2mm方孔筛筛余）%）5.010.015.0凝结时间初凝时间不早于6min：终凝时间不巡于30min· 34 -
第3章气硬性胶凝材料· 35 .建筑石膏产品的标记顺序为产品名称、抗折强度、标准号。例如，抗折强度为2.5MPa的建筑石育标记为建筑石膏2.5GB9776。2.建筑石膏的特性1）凝结硬化快建筑石膏凝结硬化过程很快，初凝时问不小于6min，终凝时问不超过30min，在室内自然干燥条件下，一星期左右完全硬化。所以在施工时往往要根据实际需要掺加适量的缓凝剂，如0.1%~0.2%的动物胶、0.1%~0.5%的硼砂等。2）硬化时体积微膨胀建筑石育硬化时体积微膨胀(胀率为0.05%～0.15%)，这使石膏制品表而光滑饱满、棱角清晰，干燥时不开裂。3）硬化后空隙率大、表观密度和强度较低建筑石育在使用时为获得良好的流动性，加入的水量往往比水化所需水分多。石育凝结后，多余水分蒸发，在石旁硬化体内留下人量孔隙（孔隙率高达50%～60%)，故表观密度小，强度低，其硬化后的强度仅为3MPa～5MPa，但这已能满足用作隔墙和饰面的要求。不同品种的石宫胶凝材料硬化后的强度差别很大。高强石宫硬化后的强度通常比建筑音要高2倍~7倍。建筑石膏粉易吸潮，长期储存会降低强度，因此建筑石膏粉在贮存及运输期问必须防潮，储存时间一般不得超过三个月。4）绝热、吸声性良建筑石育制品的导热系数较小，一般为0.121W/(mK)～0.205W/(mK)，几有良好的绝热能力；5）防火性能良好建筑石膏硬化后生成二水石膏，遇火时，出于石膏中结晶水吸收热量蒸发，在制品表面形成蒸汽幕，有效阻山火的蔓延。制品厚度越大，防火性能越好。6）有一定的调温调湿性建筑石膏热容量大、吸湿性强，所以能对室内温度和湿度起到一定的调节作用。7）耐水性、抗冻性差因建筑石音硬化后具有很强的吸湿性，在潮湿环境巾会削弱晶体间结合力，使强度显著下降。调水时晶体溶解而引起破坏，吸水后再受冻，孔隙内水分结冰而制品崩裂。因此，建筑石膏不耐水，不抗冻。8）加工性和装饰性好石膏硬化体可锯、可钉、可刨、可打眼，便丁施工；其制品表而细腻平整，色洁白，极富装饰性。3.1.4建筑石膏的应用石膏在建筑中的应用于分厂泛，可用来制作各种石音板、各种建筑艺术配件及建筑装饰、彩色石音制品、石膏砖、空心石音砌块、石音混凝工、粉刷石音和人造大理石等。另外，石膏也作为重要的外加剂，用于水泥及硅酸盐制品中。·35
土木工程村料*36 ·1.粉刷石膏粉刷石膏是由建筑石膏或由建筑石右膏和CaSO4II一者混合后再加入外加剂、细骨料等而制成的气硬性胶凝材料。其按用途可分为面层粉刷石膏(M)、底层粉刷石膏(D)和保温层粉刷石膏（W)二类粉刷石膏产品标记的顺序为产品名称、代号、等级和标准号。例如优等品而层粉刷石膏的标记为：粉刷石膏MA一JC/T517。2.建筑石膏制品建筑石膏制品的种类很多，如纸面石膏板、空心石膏条板、石膏砌块和装饰石膏制品等。主要用作分室墙、内隔墙、吊顶和装饰。纸面石膏板是以建筑石膏为主要原料，掺入纤维、外加剂和适量的轻质填料等，加水拌成料浆，浇注在行进中的纸面上，成型后再覆以上层面纸。料浆经过凝固形成芯材，经切断、烘十，使芯材与护面纸宋固地结合在一起空心石宫条板生产方法与普通混凝上空心板类似。生产时常加入纤维材料或轻质填料，以提高板的抗折强度和减轻自重。多用丁民用住宅的分室墙建筑石膏配以纤维增强材料、胶粘剂等可制成石膏角线、线板、角花、灯圈、罗马柱和雕塑等艺术装饰石育制品。灰3.2石仁灰是以氧化钙或氢氧化钙为主要成分的气硬性胶凝材料，是一种传统而义古老的建筑材料。石灰的原料米源广泛，生产工艺简单，使用方便，成本低廉，并具有良好的建筑性能，所以目前仍然是一种使用十分广泛的建筑材料3.2.1石灰的种类和建筑石灰的生产1.石灰的种类根据石灰成品的加工方法不同，石灰有以下四种成品。(1）生石灰。由石灰石殿烧成的白色或浅灰色疏松结构块状物，主要成分为CaO。(2）牛石灰粉。由块状牛石灰磨细而成。(3）消石灰粉。将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉，主要成分为Ca(OH)2，亦称熟石灰。(4）石灰膏。将块状生石灰用过量水(约为生石灰体积的3倍～4倍)消化，或将消石灰粉和水拌和，所得达定稠度的膏状物，主要成分是Ca(OH2和水。2.建筑石灰的原材料与生产用于制备石灰的原料有石灰石、白垩、口云石和贝壳等，它们的主要成分都是碳酸钙，在低于烧结温度下缎烧所得到的块状物质即生石灰。反应式如下：CacO, —00-1 0->CaO+Co, 1· 36