主要授课内容：石灰石膏水玻璃

2006年 2月西安欧亚学院建工系

主要授课内容：石灰石膏水玻璃

第三章气硬性胶凝材料

第三章气硬性胶凝材料主要授课内容



胶凝材料是指能将其他材料胶结成整体，并具有一定强度的材料。其中，其他材料包括粉状材料（石粉等）、纤维材料（钢纤维、矿棉、玻纤、聚酯纤维等）、散粒材料（砂子、石子等）、块状材料（砖、砌块等）、板材（石膏板、水泥板等）。胶凝材料通常分为有机胶凝材料和无机胶凝材料两大类。

引言


引言第三章气硬性胶凝材料

有机胶凝材料是指以天然或人工合成高分子化合物为基本组成的一类胶凝材料。最常用的有沥青、树脂、橡胶等。无机胶凝材料是指以无机氧化物或矿物为主要组成的一类胶凝材料。最常用的有石灰、石膏、水玻璃、菱苦土和各种水泥；有时也包括沸石粉、粉煤灰、矿渣、火山灰等活性混合材料。根据凝结硬化条件和使用特性，无机胶凝材料通常又分为气硬性和水硬性两类。



第一节石灰一、石灰的品种与生产1. 石灰的品种生石灰、生石灰粉、熟石灰粉和石灰膏等生产石灰的原料主要是含碳酸钙为主的天然岩石，

如石灰石、白垩等。正常温度下煅烧得到的石灰具有多孔结构，内部孔隙率大，晶体粒小，体积密度小，与水作用快。

第一节石灰


第三章气硬性胶凝材料第一节石灰2.石灰的生产石灰的生产，实际上就是将石灰石在高温下

煅烧，使碳酸钙分解成为 CaO 和 CO2 ， CO2 以气体逸出。

生产所得的 CaO 称为生石灰，是一种白色或灰色的块状物质。生石灰的特性：遇水快速产生水化反应，体积

膨胀，并放出大量热。煅烧良好的生石灰能在几秒钟内与水反应完毕，体积膨胀两倍左右。

21200~900

3 COCaOCaCO


第三章气硬性胶凝材料第一节石灰

注意：生产时，由于火候或温度控制不均，常会含有欠火石灰或过火石灰。欠火石灰中含有未分解的碳酸钙内核，外部为正常煅烧的石灰，它只是降低了石灰的利用率，不会带来危害；过火石灰的结构致密，孔隙率小，体积密度大，并且晶粒粗大，表面常被熔融的黏土杂质形成的玻璃物质所包覆，与水作用的速度很慢，须数天甚至数年，对石灰的使用极为不利。常采用的去除方法是在熟化过程中，利用筛网除掉较大尺寸过火石灰颗粒，而较小的过火石灰颗粒在储灰坑中至少存放二周以上，使其充分熟化，此即所谓的“陈伏”。陈伏时为防止石灰炭化，石灰膏的表面须保存有一层水。



二、石灰的熟化和硬化1. 石灰的熟化生石灰 CaO加水反应生成 Ca（ OH） 2的

过程称为熟化。生成物 Ca（ OH） 2称为熟石灰。

KJOHCaOHCaO 9.64)( 22


熟化过程的特点（ 1）速度快煅烧良好的 CaO 与水接触时几秒钟内即反应完毕。（ 2）体积膨胀 CaO 与水反应生成 Ca（ OH） 2时，体积增大 1.5 ～ 2.0倍。（ 3）放出大量的热 1 克分子 CaO 熟化生成 1 克分子 Ca（ OH） 2约产

生 64.9kJ热量。




2. 石灰的硬化石灰在空气中硬化主要包括结晶和碳化两个过程。结晶作用指的是石灰浆中多余水分蒸发或被砌体吸收，使 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的过程。碳化作用指的是空气中的 CO2 遇水生成弱碳酸，再

与 Ca （ OH） 2发生化学反应生成 CaCO3晶体的过程。生成的 CaCO3 自身强度较高，且填充孔隙使石灰固化体更加致密，强度进一步提高。即

OHnCaCOOnHCOOHCa 23222 )1()(



石灰凝结硬化过程的特点1. 速度慢水分从内部迁移到表层被蒸发或被吸收的过程

本身较慢，若表层 Ca （ OH） 2被碳化，生成的 CaCO3在石灰表面形成更加致密的膜层，使水分子和 CO2 的进出更加困难。因此，石灰的凝结硬化过程极其缓慢，通常需要几周的时间。加快硬化速度的简易方法有加强通风和提高空气中 CO2 的浓度。2. 体积收缩大容易产生收缩裂缝。



三、石灰的技术要求1. 建筑生石灰根据 MgO 含量分为钙质石灰和镁质石灰；又根据 Ca

O 和 MgO总含量及残渣、 CO2 含量和产浆量分为优等、一等和合格三个等级。见表 3-1-1。

表 3-1-1 建筑生石灰的技术指标

项目钙质生石灰镁质生石灰

优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO 含量（ % ，

≮） 90 85 80 85 80 75

未消化残渣含量（ 5mm 圆孔筛余， % ，

≯）5 10 15 5 10 15

二氧化碳（ % ， ≯ ） 5 7 9 6 8 10

产浆量（ L/kg ， ≮ ） 2.8 2.8 2.0 2.8 2.3 2.0



2.建筑生石灰粉与生石灰一样分为钙质和镁质生石灰粉；又根据 CaO 和 MgO总含量、 CO2 含量和细度分为优等、一等和合格。见表 3-1-2 。

表 3-1-2 建筑生石灰粉的技术指标

项目钙质生石灰镁质生石灰

优等品

一等品

合格品

优等品一等品合格

品CaO+MgO 含量（ % ， ≮ ） 85 80 75 80 75 70

二氧化碳（ % ， ≯ ） 7 9 11 8 10 12

细度

0.90mm 筛筛余（ % ， ≯ ） 0.2 0.5 1.5 0.2 0.5 1.5

0.125mm 筛筛余（ % ， ≯ ） 7.0 12.0 18.0 7.0 12.0

18.0


第三章气硬性胶凝材料第一节石灰3. 建筑消石灰粉根据 MgO 含量分钙质（ MgO＜ 4%）、镁质（ 4%≤MgO＜

24%）和白云石消石灰粉（ 24%≤MgO＜ 30%），并根据 CaO和 MgO总含量、体积安定性和细度分优等、一等和合格。见表3-1-3。表 3-1-3 建筑消石灰粉的技术指标

项目钙质消石灰镁质消石灰白云石消石灰

优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO 含量(% ，≮）

70 65 60 65 60 55 65 60 55

游离水（ % ） 0.4 ～ 2 0.4 ～2 0.4 ～ 2 0.4 ～

20.4 ～

20.4 ～

20.4 ～

20.4 ～

20.4 ～

2体积安定性合格合格 - 合格合格 - 合格合格

细度

0.90mm 筛筛余（ % ，

≯）0 0 0.5 0 0 0.5 0 0 0.5

0.125mm 筛筛余（ % ，≯ ）

3 10 15 3 10 15 3 10 15



四、石灰的技术性质和应用1. 石灰的主要技术性质（ 1）保水性与可塑性好 Ca （ OH） 2颗粒极细，比表面积很大，每一颗粒均吸附一层水膜，使石灰浆具有良好的保水性和塑性。工程中常用来改善水泥砂浆保水性和塑性差的缺陷。（ 2）凝结硬化慢、强度低石灰浆凝结硬化时间一般需要数周，硬化后的强度一般小于 1MPa 。如 1:3的石灰砂浆强度仅为 0.2～ 0.5MPa 。但通过人工碳化，可使强度大幅度提高。



（ 3）耐水性差石灰浆在水中或潮湿环境中没有强度，在流水

中还会溶解流失。但固化后的石灰制品经人工碳化处理后，耐水性大大提高。（ 4）干燥收缩大石灰浆体中游离水，特别是吸附水蒸发，引起

硬化时体积收缩、开裂。碳化过程也引起体积收缩。因此，石灰一般不宜单独使用，通常掺入砂子、麻刀、纸筋等以减少收缩或提高抗裂能力。



2. 石灰的应用（1）石灰乳涂料和抹面（2）石灰混合砂浆（3）石灰土和三合土（4）用于生产硅酸盐制品



（ 1）石灰乳涂料和抹面石灰乳通常采用石灰浆（膏）加入大量水调制成稀浆，用于要求不高的室内粉刷。石灰膏掺入麻刀或纸筋作为墙面抹面材料，也称之为黄灰，过去较常用。目前主要采用石灰膏与水泥、砂或直接与砂配制成混合砂浆或石灰砂浆抹面。（ 2）石灰混合砂浆石灰、水泥和砂按一定比例与水配制成混合砂浆，用于砌筑和抹面。

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第三章气硬性胶凝材料（ 3）石灰土和三合土消石灰粉和粘土拌合后称为石灰土。石灰土中再加入砂和石屑、炉渣等即为三合土。

由于 Ca （ OH） 2能和粘土中少量的活性 SiO2 和Al2O3反应生成具有水硬性的产物，使密实度、强度和耐水性得到改善。因此广泛用于建筑物的基础和道路垫层。如石灰桩加固地基等。但是，目前更常用的方法是石灰、粉煤灰和石子

混合成“三合土”作为道路垫层，其固结强度高于粘土（因粉煤灰中活性 SiO2 和 Al2O3的含量高），且利用废渣。

第一节石灰

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（ 4）用于生产硅酸盐制品硅酸盐制品主要包括粉煤灰混凝土、粉煤灰砖、硅酸盐砌块、灰砂砖、加气混凝土等等。硅酸盐制品主要以石英砂、粉煤灰、矿渣、炉渣

等为原料，其中的 SiO2 、 Al2O3与石灰在蒸汽养护或蒸压养护条件下生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水硬性产物，产生强度。若没有 Ca （ OH） 2参与反应，则强度很低。

第一节石灰

生石灰块和粉料在运输和储存过程中应注意密封防潮，否则吸水潮解后与空气中 CO2 作用生成碳酸钙，使石灰胶结能力下降。

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第二节石膏一、石膏的生产与品种1．石膏的生产将生石膏在 107 ～ 170℃条件下煅烧脱去部

分结晶水而制得的半水石膏，称为建筑石膏，又称为熟石膏。

OHOHCaSOOHCaSO C224

170~10724 2

11

2

12

0

第二节石膏



生石膏在加热过程中，随着温度和压力不同，其产品的性能也随之变化。上述条件下生产的为型半水石膏，也是最常用的建筑石膏。当煅烧温度升高到170 ～ 300℃时，半水石膏继续脱水，生成可溶性硬石膏（ CaSO4-Ⅲ），凝结速度比半水石膏快，但需水量大，强度低。温度继续升高到 400 ～ 1000℃，则生成慢溶性硬石膏（ CaSO4-Ⅱ）。这种石膏难溶于水，只有当加入某些激发剂后，才具有水化硬化能力，但强度较高，耐磨性能较好。将 CaSO4-Ⅱ与激发剂混磨后的产品称为硬石膏水泥。

第二节石膏



2．石膏的品种生产石膏的原料主要为含硫酸钙的天然石膏

（又称生石膏）或含硫酸钙的化工副产品和磷石膏、氟石膏、硼石膏等废渣，其化学式为 CaSO4.2H2O,也称二水石膏。将天然二水石膏在不同的温度下煅烧可得到不同的石膏品种（建筑石膏、模型石膏、高强度石膏、硬石膏）。如将天然二水石膏在 107-1700c的干燥条件下加热可得建筑石膏。

第二节石膏



二、建筑石膏的凝结与硬化将建筑石膏加水后，它首先溶解于水，然后生成二水石膏析出。

OHCaSOOHOHCaSO 24224 22

11

2

1

第二节石膏


随着水化的不断进行，生成的二水石膏胶体微粒不断增多，这些微粒比原先更加细小，比表面积很大，吸附着很多的水分；同时浆体中的自由水分由于水化和蒸发而不断减少，浆体的稠度不断增加，胶体微粒间的黏结逐步增强，颗粒间产生摩擦力和黏结力，使浆体逐渐失去可塑性，即浆体逐渐产生凝结。继续水化，胶体转变成晶体。晶体颗粒逐渐长大，使浆体完全失去可塑性，产生强度，即浆体产生了硬化。这一过程不断进行，直至浆体完全干燥，强度不在增加，此时浆体已硬化人造成石材。

第二节石膏第三章气硬性胶凝材料



建筑石膏凝结硬化过程最显著的特点1．速度快水化过程一般为 7 ～ 12min，整个凝

结硬化过程只需 20 ～ 30min。2 ．体积微膨胀建筑石膏凝结硬化过程产生约 1%

左右的体积膨胀。这是其它胶凝材料所不具有的特性。浆体的凝结硬化过程是一个连续进行的过程。从加水开始拌合直到浆体开始失去可塑性的过程称为浆体的初凝，对应的时间称为初凝时间；从加水拌合开始直到浆体完全失去可塑性，并开始产生强度的过程称为浆体的硬化，对应的时间称为终凝时间。

第二节石膏



三、建筑石膏的技术要求建筑石膏为粉状胶凝材料，堆积密度 800 ～ 1000kg/m3，密度约为 2.5 ～ 2.8g/cm3。根据 GB9776—88 规定，建筑石膏按照强度、细度和凝结时间划分为优等品、一等品和合格品。见表 3-2-1。

表 3-2-1 建筑石膏的质量指标等级优等品一等品合格品

抗折强度 2.5 2.1 1.8

抗压强度 4.9 3.9 2.0 ～ 2.9细度 0.2mm 方孔筛筛余（ % ），

≯5.0 10.0 15.011

第二节石膏



四、石膏的性质与应用1. 石膏的性质（ 1）凝结硬化快建筑石膏加水拌合后 10min内便失去塑性而初凝，30min内即终凝硬化，并产生强度。（ 2）强度较高建筑石膏的强度发展快，一般 7h即可达最大值。抗压强度约为 8 ～ 12MPa 。

第二节石膏


（ 3）体积微膨胀建筑石膏凝结硬化过程的体积微膨胀特性，使得石

膏制品表面光滑、体形饱满，特别适用于刷面。（ 4）色白可加彩色建筑石膏颜色洁白，杂质含量越少，颜色越白。可加入各种颜料调制成彩色石膏制品，且保色性好。（ 5）保温性能好由于石膏制品生产时加入过量的水，蒸发后形成大

量内部毛细孔，孔隙率达 50% ～ 60%，表观密度小（ 800 ～ 1000kg/m3），导热系数小，故具有良好保温绝热性能，常作保温材料，并具有一定的吸声效果。

第三章气硬性胶凝材料第二节石膏


（ 6）耐水性差 ,但具有一定的调湿功能建筑石膏制品的软化系数只有 0.2～ 0.3，不耐

水。但由于毛细孔隙较多，比表面积大，当空气过于潮湿时能吸收水分；而当空气过于干燥时则能释放出水分，从而调节空气中的相对湿度。（ 7）防火性好建筑石膏制品的导热系数小，传热慢，比热又大，更重要的是二水石膏遇火脱水，产生的水蒸汽能有效阻止火势蔓延，起到防火作用。但脱水后制品强度要下降。



2. 建筑石膏的应用（ 1）室内抹灰及粉刷抹灰指的是以建筑石膏为胶凝材料，加入水和砂

子配成石膏砂浆，作为内墙面抹平用。由于不耐水，故不宜在外墙使用。粉刷指的是建筑石膏加水和适量外加剂，调制成涂料，涂刷装修内墙面。（ 2）建筑装饰制品以杂质含量少的建筑石膏加入少量纤维增强材料

和建筑胶水等制作成各种装饰制品。也可制成彩色制品。



（ 3）石膏板这是土木工程中使用量最大的一类板材。包括石

膏装饰板、空心石膏板、蜂窝板等，作为装饰吊顶、隔板或保温、隔声、防火等使用。（ 4）其他用途建筑石膏可作为生产某些硅酸盐制品时的增强剂，

如粉煤灰砖、炉渣制品等；也可用作油漆或粘贴墙纸等的基层找平。


建筑石膏在运输和储存时要注意防潮，储存期一般不宜超过 3 个月，否则将使石膏制品的质量下降。


第三节水玻璃

一、水玻璃的组成水玻璃分为钠水玻璃和钾水玻璃两类，俗称泡花碱。钠水玻璃为硅酸钠水溶液；钾水玻璃为硅酸钾水溶液。土木工程中主要使用钠水玻璃。当工程技术要求较高时也可采用钾水玻璃。优质纯净的水玻璃为无色透明的粘稠液体，溶于

水。当含有杂质时呈淡黄色或青灰色。

第三章气硬性胶凝材料第三节水玻璃


钠水玻璃分子式中的 n称为水玻璃的模数，代表 Na2O 和SiO2 的分子数比，是非常重要的参数。 n 值越大，水玻璃的粘性和强度越高，但水中的溶解能力下降。 n 值越小，水玻璃的粘性和强度越低，越易溶于水。故土木工程中常用模数 n为2.6 ～ 2.8，既易溶于水又有较高的强度。我国生产的水玻璃模数一般在 2.4 ～ 3.3 之间。水玻璃在水溶液中的含量（或称浓度）常用密度或者波美度表示。土木工程中常用水玻璃的密度一般为 1.36 ～ 1.50g/cm3，相当于波美度 38.4 ～ 48.3。密度越大，水玻璃含量越高，粘度越大。水玻璃通常采用石英粉（ SiO2 ）加上纯碱（ NaCO3），在 1300 ～ 1400℃的高温下煅烧生成固体，再在高温或高温高压水中溶解，制得溶液状水玻璃产品。

第三节水玻璃第三章气硬性胶凝材料


二、水玻璃的硬化水玻璃在空气中的凝结固化与石灰的凝结固化非常相似，主要通过碳化和脱水结晶固结两个过程实现。

随着碳化反应的进行，硅胶含量增加，接着自由水分蒸发和硅胶脱水成固体 SiO2 而凝结硬化，其特点是：

1．速度慢空气中 CO2浓度低，故碳化反应及整个凝结固化过程缓慢。

2．体积收缩3．强度低

OmHnSiOCONaCOOmHSiOONa 22322222



为加速水玻璃的凝结固化速度和提高强度，水玻璃使用时一般要求加入固化剂氟硅酸钠。

氟硅酸钠的掺量一般为 12% ～ 15%。掺量少，凝结固化慢，且强度低；掺量太多，则凝结硬化过快，不便施工操作，而且硬化后的早期强度虽高，但后期强度明显降低。因此，使用时应严格控制固化剂掺量，并根据气温、湿度、水玻璃的模数、密度在上述范围内适当调整。

NaFOmHSiOnSiFNaOmHnSiOONa 6)12()(2 2262222



三、水玻璃的性质1 粘结力和强度较高水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶和固体，比

表面积大，因而具有较高的粘结力。但水玻璃自身质量、配合料性能及施工养护对强度有显著影响。

2 耐酸性好可以抵抗除氢氟酸（ HF）、热磷酸和高级脂肪

酸以外的几乎所有无机和有机酸。



3 耐热性好硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度

下降很小，当采用耐热耐火骨料配制水玻璃砂浆和混凝土时，耐热度可达 1000℃。因此水玻璃混凝土的耐热度，也可以理解为主要取决于骨料的耐热度。

4 耐碱性和耐水性差因和均溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。同样由于、 NaF、 Na2CO3均溶于水而不耐水，但可采用中等浓度的酸对已硬化水玻璃进行酸洗处理，提高耐水性。



四、水玻璃的应用1 涂刷材料表面，提高抗风化能力水玻璃溶液涂刷或浸渍材料后，能渗入缝隙和孔隙中，固化的硅凝胶能堵塞毛细孔通道，提高材料的密度和强度，从而提高材料的抗风化能力。但水玻璃不得用来涂刷或浸渍石膏制品。因为水玻璃与石膏反应生成硫酸钠（ Na2SO4），在制品孔隙内结晶膨胀，导致石膏制品开裂破坏。

2 加固土壤将水玻璃与氯化钙溶液交替注入土壤中，两种溶液迅

速反应生成硅胶和硅酸钙凝胶，起到胶结和填充孔隙的作用，使土壤的强度和承载能力提高。常用于粉土、砂土和填土的地基加固，称为双液注浆。



3 配制速凝防水剂水玻璃可与多种矾配制成速凝防水剂，用于堵漏、填缝等局部抢修。这种多矾防水剂的凝结速度很快，一般为几分钟，其中四矾防水剂不超过 1min，故工地上使用时必须做到即配即用。多矾防水剂常用胆矾（硫酸铜）、红矾（重铬酸钾， K2Cr2O7）、明矾（也称白矾，硫酸铝钾）、紫矾等四种矾。



4 配制耐酸胶凝、耐酸砂浆和耐酸混凝土耐酸胶凝是用水玻璃和耐酸粉料（常用石英粉）配制而成。与耐酸砂浆和混凝土一样，主要用于有耐酸要求的工程。如硫酸池等。5 配制耐热胶凝、耐热砂浆和耐热混凝土水玻璃胶凝主要用于耐火材料的砌筑和修补。水玻璃耐热砂浆和混凝土主要用于高炉基础和其他有耐热要求的结构部位。



第三章气硬性胶凝材料复习思考题与习题

习题与复习思考题 1. 下列名词的基本概念：胶凝材料、气硬性

胶凝材料、水硬性胶凝材料、生石灰、熟石灰、消石灰、过火石灰、欠火石灰、石灰的陈伏、石灰土、三合土、生石膏、熟石膏、建筑石膏、二水石膏、半水石膏、硬石膏、无水石膏、高强石膏、水玻璃、水玻璃的模数、菱苦土。

2. 石灰熟化过程的特点。 3. 磨细生石灰为什么不经“陈伏”可直接使

用？


4. 石灰的凝结硬化过程、特点是什么？提高凝结硬化速度的简易措施有哪些？

5. 生石灰的主要技术性质有哪些？使用时掺入麻刀、纸筋等的作用是什么 ?

6. 石灰的主要用途有哪些 ?

7. 某多层住宅楼室内抹灰采用的是石灰砂浆，交付使用后出现墙面普遍鼓包开裂，试分析其原因。欲避免这种情况发生，应采取什么措施 ?




8. 石灰是气硬性胶凝材料，为什么由它配制的石灰土和三合土可以用来建造灰土渠道、三合土滚水坝等水工建筑物 ?

9. 建筑石膏凝结硬化过程的特点是什么？与石灰凝结硬化过程相比怎样？

10. 建筑石膏的主要技术性质有哪些？

11. 建筑石膏的主要用途有哪些？



12. 用于墙面抹灰时，建筑石膏与石灰比较具有哪些优点 ?

13. 水玻璃（ Na2O·nSiO2 ）中 n的大小与水玻璃哪些性能有关？建筑工程常用 n 值范围是多少？

14. 水玻璃中掺入固化剂的目的及常用固化剂名称是什么？

15. 水玻璃的主要技术性质和用途。

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