《建筑材料》课程教学资源（教案讲义）第四章 无机气硬性胶凝材料

第四章气硬性胶凝材料建筑上能将砂、石子、砖、砌块等散粒或块状材料粘结为一体的材料称为胶凝材料。胶凝材料分类如下：4.1石膏4.1.1石膏胶凝材料的生产天然石膏矿有天然二水石膏（CaSO4.2H20）及天然无水石膏（CaSO4）。天然二水石膏质地较软，称为软石膏：天然无水石膏质地较硬，称为硬石膏。生产石膏胶凝材料的主要原料是软石膏，以及CaSO4.2H20或CaSO4.2H20与CaSO,的混合物的化工副产品及废渣，如磷石膏、氟石膏、硼石膏等。生产石膏胶凝材料的主要工序是破碎、加热与磨细。由于加热方式和温度不同，可生产出不同性质的石膏胶凝材料品种。4.1.2建筑石膏将二水石膏在常压非密闭状态下加热至107~170℃时，二水石膏脱水可得到β型半水石膏。建筑石膏是以β型半水石膏为主要成分，不预加任何外加剂的粉状胶结料，主要用于制作石膏制品。建筑石膏色白，杂质含量很少，粒度很细，亦称模型石膏，是制作装饰制品的主要原料。1）建筑石膏的凝结硬化CaSO4.H:O+1±H0=CaSO.2H:O建筑石膏与适量的水混合，最初成为可塑的浆体，但很快失去塑性，这个过程称为凝结；以后迅速产生强度，并发展成为坚硬的固体，这个过程称为硬化。石膏的凝结硬化是一个连续的溶解、水化、胶化、结晶过程。2）建筑石膏的技术性质1.孔隙率大（约占5060%），强度低。2.凝结硬化快。3~5分钟内即可凝结，终凝不超过30分钟。在应用时需掺加缓凝剂。3.硬化后体积微膨胀，膨胀率约1%。4.耐水性、抗冻性差。5．防火性好。遇火灾时，二水石膏的结晶水蒸发，吸收热量，表面生成的无水石膏是良好的绝缘体。3）建筑石膏的应用及保管1.石膏抹灰材料。2.石膏板材：纸面石膏板、石膏空心条板、纤维石膏板等

第四章 气硬性胶凝材料 建筑上能将砂、石子、砖、砌块等散粒或块状材料粘结为一体的材料称为胶凝材 料。胶凝材料分类如下： 4.1 石膏 4.1.1 石膏胶凝材料的生产 天然石膏矿有天然二水石膏（CaSO4.2H2O）及天然无水石膏 （CaSO4）。天然二水石膏质地较软，称为软石膏；天然无水石膏质地较硬，称 为硬石膏。生产石膏胶凝材料的主要原料是软石膏，以及 CaSO4.2H2O 或 CaSO4.2H2O 与 CaSO4的混合物的化工副产品及废渣，如磷石膏、氟石膏、硼石膏等。生产石 膏胶凝材料的主要工序是破碎、加热与磨细。由于加热方式和温度不同，可生产 出不同性质的石膏胶凝材料品种。 4.1.2 建筑石膏 将二水石膏在常压非密闭状态下加热至 107~170℃时，二水石 膏脱水可得到 β 型半水石膏。建筑石膏是以 β 型半水石膏为主要成分，不预加 任何外加剂的粉状胶结料，主要用于制作石膏制品。建筑石膏色白，杂质含量很 少，粒度很细，亦称模型石膏，是制作装饰制品的主要原料。 1）建筑石膏的凝结硬化 CaSO4. H2O+1 H2O= CaSO4.2H2O 建筑石膏与适量的水混合，最初成为可塑的浆体，但很快失去 塑性，这个过程称为凝结；以后迅速产生强度，并发展成为坚硬的固体，这个过 程称为硬化。 石膏的凝结硬化是一个连续的溶解、水化、胶化、结晶过程。 2）建筑石膏的技术性质 1. 孔隙率大（约占 50~60%），强度低。 2. 凝结硬化快。3~5 分钟内即可凝结，终凝不超过 30 分钟。在应用 时需掺加缓凝剂。 3. 硬化后体积微膨胀，膨胀率约 1%。 4. 耐水性、抗冻性差。 5. 防火性好。遇火灾时，二水石膏的结晶水蒸发，吸收热量，表面生 成的无水石膏是良好的绝缘体。 3）建筑石膏的应用及保管 1. 石膏抹灰材料。 2. 石膏板材：纸面石膏板、石膏空心条板、纤维石膏板等

0.13 Mpa+a-CaSO4.H2O+1HaOCaSO4.2H0125℃3.石膏砌快。建筑石膏在运输和贮存中要注意防止受潮，一般贮存3个月后，其强度会降低约30%。4.1.3高强石膏Caco, onn , Cao+CoatCao+Ho+Ca(OH),+Q将二水石膏在0.13MPa密闭状态下加热至125℃时，二水石膏脱水可得到α型半水石膏。α半水石膏结晶良好，晶粒坚实、粗大，因而比表面积较小，需水量约为3545%，所以此石膏硬化后具有较高密实度和强度。3小时抗压强度可达9~24PMa，7天抗压强度可达15~40PMa，故名高强石膏。高强石膏适用于强度要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。掺入防水剂，可用于湿度较高的环境中。加入有机材料，如聚乙烯醇水溶液、聚醋酸乙烯乳液等，可配成黏结剂，其特点是无收缩。4.1.4粉刷石膏是由β型半水石膏和其它石膏相（硬石膏或烧黏土质石膏）各种外加剂（木质磺酸钙、柠檬酸、酒石酸等缓凝剂）及附加材料（石灰、烧黏土、氧化铁红等）所组成的一种新型抹灰材料。粉刷石膏具有表面坚硬、光滑细腻、不起灰的优点，还可调节室内空气湿度，提高舒适度的功能。4.1.5无水石膏水泥和地板石膏将天然二水石膏加热至400℃以上（400--750℃），石膏完全失去水分，成为不溶性硬石膏，失去凝结硬化能力，但当加入适量激发剂混合磨细后，又能凝结硬化，称为无水石膏水泥。无水石膏水泥宜用于室内，主要用作石膏板或其它制品，也可用于室内抹灰。将天然二水石膏加热到800℃以上，得到的地板石膏，由于部分石膏分解出的氧化钙起催化作用，具有凝结硬化性能。地板石膏有较高的强度和耐磨性，抗冻性也较好。4.2石灰石灰是一种古老的建筑材料，是以石灰石为原料经殿烧而成的。石灰石在窑炉内缎烧常会产生不熟化的欠火石灰和熟化过缓的过火石灰。过火石灰熟化十分缓慢，可能造成硬化砂浆“崩裂”或“鼓泡”现象，影响工程质量。4.2.1生石灰的熟化生石灰加水后生成Ca（OH)2的过程，称为石灰的“消化”或“熟化

3. 石膏砌快。 建筑石膏在运输和贮存中要注意防止受潮，一般贮存 3 个月后，其强度会降低约 30%。 4.1.3 高强石膏 将二水石膏在 0.13MPa 密闭状态下加热至 125℃时，二水石膏 脱水可得到 α 型半水石膏。α 半水石膏结晶良好，晶粒坚实、粗大，因而比表 面积较小，需水量约为 35~45%，所以此石膏硬化后具有较高密实度和强度。3 小时抗压强度可达 9~24PMa，7 天抗压强度可达 15~40PMa，故名高强石膏。高强 石膏适用于强度要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。掺入防水剂，可用于 湿度较高的环境中。加入有机材料，如聚乙烯醇水溶液、聚醋酸乙烯乳液等，可 配成黏结剂，其特点是无收缩。 4.1.4 粉刷石膏 是由 β 型半水石膏和其它石膏相（硬石膏或煅烧黏土质石膏）、 各种外加剂（木质磺酸钙、柠檬酸、酒石酸等缓凝剂）及附加材料（石灰、烧黏 土、氧化铁红等）所组成的一种新型抹灰材料。 粉刷石膏具有表面坚硬、光滑 细腻、不起灰的优点，还可调节室内空气湿度，提高舒适度的功能。 4.1.5 无水石膏水泥和地板石膏 将天然二水石膏加热至 400℃以上（400-750℃）,石膏完全失 去水分，成为不溶性硬石膏，失去凝结硬化能力，但当加入适量激发剂混合磨细 后，又能凝结硬化，称为无水石膏水泥。 无水石膏水泥宜用于室内，主要用作 石膏板或其它制品，也可用于室内抹灰。 将天然二水石膏加热到 800℃以上， 得到的地板石膏，由于部分石膏分解出的氧化钙起催化作用，具有凝结硬化性能。 地板石膏有较高的强度和耐磨性，抗冻性也较好。 4.2 石 灰 石灰是一种古老的建筑材料，是以石灰石为原料经煅烧而成的。 石灰石在窑炉内煅烧常会产生不熟化的欠火石灰和熟化过缓的 过火石灰。过火石灰熟化十分缓慢，可能造成硬化砂浆“崩裂”或“鼓泡”现象， 影响工程质量。 4.2.1 生石灰的熟化 生石灰加水后生成 Ca(OH)2的过程，称为石灰的“消化”或“熟 化

生石灰熟化过程中，体积膨胀12.5倍。搬烧良好，Ca0含量高的石灰熟化较快，放热量和体积增大也较多。石灰熟化的方法有两种：1.用于调制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆时，需将生石灰熟化成石灰浆（膏）。生石灰在化灰池中熟化。为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中“陈伏”两个星期以上。2.用于拌制石灰土（石灰、黏土）、三合土（石灰、黏土、砂石或炉渣等）时，将生石灰熟化成消石灰粉。工地上调制消石灰粉时，将生石灰块堆放0.5m高后淋适量水。目前多用机械方法在工厂中将生石灰熟化成消石灰粉，在工地调水使用。4.2.2石灰的凝结硬化石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的。1.结晶作用：游离水蒸发，Ca（OH)2逐渐从饱和溶液中结晶。2.碳化作用：Ca（OH)2与空气中CO,化合生成CaCO3晶体，释放出水分并被蒸发。一般纯石灰浆，不易硬化，强度、硬度不高，收缩大，易产生裂缝，所以石灰浆不能单独使用，必须掺入填充材料，如掺砂子配成石灰砂浆使用。掺入砂子可减少收缩，更主要的是砂子的掺入能在石灰浆内形成连通的毛细孔道，使内部水分蒸发并进一步碳化，以加速硬化。为了避免收缩裂缝，常加纤维材料，制成石灰麻刀灰、石灰纸筋灰等。4.2.3石灰的技术性质1.良好的保水性。是因为生石灰熟化生成颗粒极细（粒径为1m）呈胶体态分散的Ca（OH)2，其表面吸附一层较厚的水膜。2.凝结硬化慢、强度低。1:3石灰砂浆，硬化28天后抗压度只有0.2~0.5Mpa。3.耐水性差。已硬化的石灰，由于Ca（OH)2易溶于水，因而耐水性差。4.体积收缩大。由于石灰硬化过程中，大量水分的蒸发引起。4.2.4石灰在建筑中的应用1.石灰乳涂料和石灰砂浆。2.灰土和三合土。熟石灰粉与粘土按一定比例配合称为灰土，再加入煤渣、炉渣、砂等，即为三合土。用于建筑物基础和地面的垫层。3.硅酸盐制品。蒸压灰砂砖、蒸养粉煤灰砖、碳化灰砂砖及硅酸盐混凝土等。4.碳化石灰板。将磨细生石灰、纤维状填料或轻质骨料混合后搅拌成型，然后通入高浓度CO2进行人工碳化（约12~24h）制成的一种轻质板材

生石灰熟化过程中，体积膨胀 1~2.5 倍。煅烧良好，CaO 含量 高的石灰熟化较快，放热量和体积增大也较多。 石灰熟化的方法有两种： 1. 用于调制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆时，需将生石灰熟化成石灰浆 (膏)。生石灰在化灰池中熟化。为了消除过火石灰的危害，石灰浆 应在储灰坑中“陈伏”两个星期以上。 2. 用于拌制石灰土（石灰、黏土）、三合土（石灰、黏土、砂石或炉 渣等）时，将生石灰熟化成消石灰粉。工地上调制消石灰粉时，将 生石灰块堆放 0.5m 高后淋适量水。目前多用机械方法在工厂中将 生石灰熟化成消石灰粉，在工地调水使用。 4.2.2 石灰的凝结硬化 石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来 完成的。 1. 结晶作用：游离水蒸发，Ca(OH)2逐渐从饱和溶液中结晶。 2. 碳化作用；Ca(OH)2与空气中 CO2化合生成 CaCO3晶体，释放出水分 并被蒸发。 一般纯石灰浆，不易硬化，强度、硬度不高，收缩大，易产生 裂缝，所以石灰浆不能单独使用，必须掺入填充材料，如掺砂子配成石灰砂浆使 用。掺入砂子可减少收缩，更主要的是砂子的掺入能在石灰浆内形成连通的毛细 孔道，使内部水分蒸发并进一步碳化，以加速硬化。为了避免收缩裂缝，常加纤 维材料，制成石灰麻刀灰、石灰纸筋灰等。 4.2.3 石灰的技术性质 1. 良好的保水性。是因为生石灰熟化生成颗粒极细（粒径为 1µm）呈 胶体态分散的 Ca(OH)2，其表面吸附一层较厚的水膜。 2. 凝结硬化慢、强度低。1:3 石灰砂浆，硬化 28 天后抗压度只有 0.2~0.5Mpa。 3. 耐水性差。已硬化的石灰，由于 Ca(OH)2易溶于水，因而耐水性差。 4. 体积收缩大。由于石灰硬化过程中，大量水分的蒸发引起。 4.2.4 石灰在建筑中的应用 1. 石灰乳涂料和石灰砂浆。 2. 灰土和三合土。熟石灰粉与粘土按一定比例配合称为灰土，再加入 煤渣、炉渣、砂等，即为三合土。用于建筑物基础和地面的垫层。 3. 硅酸盐制品。蒸压灰砂砖、蒸养粉煤灰砖、碳化灰砂砖及硅酸盐混 凝土等。 4. 碳化石灰板。将磨细生石灰、纤维状填料或轻质骨料混合后搅拌成 型，然后通入高浓度 CO2进行人工碳化（约 12~24h）制成的一种轻 质板材

石灰还可配制无熟料水泥，如石灰矿渣水泥、石灰粉煤灰水泥等。建筑工程中大量采用磨细生石灰代替石灰膏和消石灰粉配制砂浆和灰土，或直接用于制造硅酸盐制品。磨细生石灰有以下优点：（1颗粒细小（80um方孔筛筛余小于30%），表面积极大，水化反应速度提高30~50倍，水化时体积膨胀均匀，避免产生局部膨胀过大现象，所以可不经预先消化和陈伏而直接应用：②将石灰的熟化过程与硬化过程合二为一，熟化过程中所放热量又可加速硬化过程，从而改善石灰硬化缓慢的缺点，并可提高石灰浆体硬化后的密实度、强度和抗水性；③石灰中的过火石灰和欠火石灰被磨细，提高了石灰的质量和利用率。石灰在运输贮存中，应注意防潮、防爆。4.3菱苦土菱苦土是将天然菱镁矿(MgCO3）烧、磨细而成的粉状物质。菱苦土密度为3.1~3.4g/cm3，堆积密度为800~900kg/m3。MgCO3 750-850 MgO+CO2MgO+H20+Mg(OH)2+XMgO.YMgCl2.ZH20XMgO+Y MgCl.6H0用水调制菱苦土时，生成Mg（OH)2，浆体凝结硬化慢，强度低。一般可用氯化镁（MgC12.6H20）、硫酸镁、氯化铁、硫酸亚铁等盐类的溶液调拌，最常用的时氯化镁。菱苦土吸湿性大，抗水性差，易变形和在表面泛霜。菱苦土最突出的优点是与植物纤维有良好的黏结力，且碱性较弱。建筑工程中常用来制造菱苦土木屑地面、木屑板和木丝板。4.4水玻璃4.4.1水玻璃的化学组成和生产水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，由不同比例的碱金属和二氧化硅所组成。最常用的是硅酸钠水玻璃Na20.nSi02，还有硅酸钾水玻璃K20.nSi02等。水玻璃的主要原料是石英砂、纯碱、烧碱。水玻璃是一种气硬性胶凝材料，在水中溶解的难易随水玻璃模数n（SiO2与Na20分子数比)的大小而异。Ⅱ大，水玻璃粘度大，较难溶于水，但较易硬化。建筑上常用的水玻璃的模数为2.6~2.8，密度为1.36~1.50g/cm3。4.4.2水玻璃的硬化水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成硅酸凝胶，并逐渐于燥而硬化。为了加速硬化，常加入固化剂Na2SiF6，掺量为12~15%。Na20.nSi02+C02+mH20=Na2CO03+nSi02.mH202(Na20.nSi02)+mH,0+Na,SiF=(2n+1)Si02.mH,0+6NaF4.4.3水玻璃的性质及应用水玻璃的粘结性好，硬化后有较高的强度。水玻璃可配制如下材料：

石灰还可配制无熟料水泥，如石灰矿渣水泥、石灰粉煤灰水泥 等。建筑工程中大量采用磨细生石灰代替石灰膏和消石灰粉配制砂浆和灰土，或 直接用于制造硅酸盐制品。磨细生石灰有以下优点：①颗粒细小（80μm 方孔筛 筛余小于 30%），表面积极大，水化反应速度提高 30~50 倍，水化时体积膨胀均 匀，避免产生局部膨胀过大现象，所以可不经预先消化和陈伏而直接应用；②将 石灰的熟化过程与硬化过程合二为一，熟化过程中所放热量又可加速硬化过程， 从而改善石灰硬化缓慢的缺点，并可提高石灰浆体硬化后的密实度、强度和抗水 性；③石灰中的过火石灰和欠火石灰被磨细，提高了石灰的质量和利用率。石灰 在运输贮存中，应注意防潮、防爆。 4.3 菱 苦 土 菱苦土是将天然菱镁矿(MgCO3)煅烧、磨细而成的粉状物质。菱 苦土密度为 3.1~3.4g/cm3，堆积密度为 800~900kg/m3。 用水调制菱苦土时，生成 Mg(OH)2，浆体凝结硬化慢，强度低。 一般可用氯化镁（MgCl2.6H2O）、硫酸镁、氯化铁、硫酸亚铁等盐类的溶液调拌， 最常用的时氯化镁。 菱苦土吸湿性大，抗水性差，易变形和在表面泛霜。菱苦土最突出的优点是与植 物纤维有良好的黏结力，且碱性较弱。建筑工程中常用来制造菱苦土木屑地面、 木屑板和木丝板。 4.4 水 玻 璃 4.4.1 水玻璃的化学组成和生产 水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，由不同比例的 碱金属和二氧化硅所组成。最常用的是硅酸钠水玻璃 Na2O.nSiO2，还有硅酸钾水 玻璃 K2O.nSiO2等。水玻璃的主要原料是石英砂、纯碱、烧碱。水玻璃是一种气 硬性胶凝材料，在水中溶解的难易随水玻璃模数 n (SiO2与 Na2O 分子数比)的大 小而异。n 大，水玻璃粘度大，较难溶于水，但较易硬化。建筑上常用的水玻璃 的模数为 2.6~2.8，密度为 1.36~1.50g/cm3。 4.4.2 水玻璃的硬化 水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成硅酸凝胶，并逐渐干燥而 硬化。为了加速硬化，常加入固化剂 Na2SiF6，掺量为 12~15%。 Na2O.nSiO2＋CO2+mH2O=Na2CO3+nSiO2.mH2O 2(Na2O.nSiO2)+mH2O+ Na2SiF6=(2n+1) SiO2.mH2O+6NaF 4.4.3 水玻璃的性质及应用 水玻璃的粘结性好，硬化后有较高的强度。水玻璃可配制如下 材料：

1.耐酸材料。水玻璃硬化后主要成分是硅酸凝胶，除氢氟酸、过热磷酸等少数酸外，几乎在所有的酸性介质中都有较高的稳定性。可用水玻璃配制耐酸胶泥、砂浆及混凝土，广泛用于防腐工程。2.耐热材料。水玻璃硬化后形成硅酸凝胶空间网状骨架，因此具有良好的耐热性。采用耐热的砂、石，可配制成水玻璃耐热混凝土，耐热温度达1200℃。3.涂料。用于涂刷建筑材料（天然石材、混凝土及硅酸盐制品）表面，可提高材料的密实度、强度和抗风化能力。注意水玻璃不能涂刷石膏制品，因为硅酸钠与硫酸钙发生反应生成硫酸钠，在制品孔隙中结晶，体积显著膨胀，会导致制品破坏。4.灌浆材料。用水玻璃和氯化钙水溶液交替灌入土壤中，两种溶液反应生成硅酸凝胶，为一种吸水膨胀的冻状凝胶，可加固土壤，提高抗渗性。5.保温绝热材料。以水玻璃为胶结材料，膨胀珍珠岩或膨胀蛭石为骨料，加入一定赤泥或氟硅酸钠，经配料、搅拌、成型、干燥、焙烧而成的制品，具有良好的绝热性能。配制防水剂。以水玻璃为基料，加入蓝矾（硫酸铜）、明矾（钾铝矾）、红矾（重铬酸钾）和紫矾（铬矾）配制防水剂，适应与水泥浆调和，堵塞漏洞、缝隙等局部抢修工程。由于凝结过速，不能用于屋面、地面防水砂浆

1. 耐酸材料。水玻璃硬化后主要成分是硅酸凝胶，除氢氟酸、过热磷 酸等少数酸外，几乎在所有的酸性介质中都有较高的稳定性。可用 水玻璃配制耐酸胶泥、砂浆及混凝土，广泛用于防腐工程。 2. 耐热材料。水玻璃硬化后形成硅酸凝胶空间网状骨架，因此具有良 好的耐热性。采用耐热的砂、石，可配制成水玻璃耐热混凝土，耐 热温度达 1200℃。 3. 涂料。用于涂刷建筑材料（天然石材、混凝土及硅酸盐制品）表面， 可提高材料的密实度、强度和抗风化能力。注意水玻璃不能涂刷石 膏制品，因为硅酸钠与硫酸钙发生反应生成硫酸钠，在制品孔隙中 结晶，体积显著膨胀，会导致制品破坏。 4. 灌浆材料。用水玻璃和氯化钙水溶液交替灌入土壤中，两种溶液反 应生成硅酸凝胶，为一种吸水膨胀的冻状凝胶，可加固土壤，提高 抗渗性。 5. 保温绝热材料。以水玻璃为胶结材料，膨胀珍珠岩或膨胀蛭石为骨 料，加入一定赤泥或氟硅酸钠，经配料、搅拌、成型、干燥、焙烧 而成的制品，具有良好的绝热性能。 配制防水剂。以水玻璃为基料，加入蓝矾（硫酸铜）、明矾（钾铝矾）、红矾（重 铬酸钾）和紫矾（铬矾）配制防水剂，适应与水泥浆调和，堵塞漏洞、缝隙等局 部抢修工程。由于凝结过速，不能用于屋面、地面防水砂浆