1.1　气硬性胶凝材料

建筑上能将散粒状材料(如砂、石等)或块状材料(如砖、石块、混凝土砌块等)黏结成为整体的材料,称为胶凝材料,其分类见图1.1。气硬性胶凝材料是指只能在空气中凝结硬化的胶凝材料；水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中凝结硬化,而且能更好地在水中硬化,保持和发展其强度的胶凝材料。

1.1.1　石灰

1.1.1.1　生石灰的生产

生石灰是以CaCO3为主要成分的石灰石、白垩、白云石等为原料(图1.2和图1.3),在低于烧结温度下煅烧所得的产物,其主要成分是CaO。煅烧反应如下：

生石灰生产中为了使CaCO3能充分分解生成CaO,必须提高温度,但煅烧温度过高过低,或煅烧时间过长过短都会影响烧成生石灰的质量。生石灰煅烧过程见图1.4。

由于煅烧的不均匀性,或多或少的都存在少量的欠火石灰和过火石灰。

(1)欠火石灰中CaO的含量低,会降低石灰的质量等级和利用率。

(2)过火石灰结构密实,且表面有一层深褐色的玻璃状外壳,熟化极其缓慢。当用这种未充分熟化的石灰抹灰后,会吸收空气中大量的水蒸气,继续熟化,体积膨胀,致使墙面砂浆隆起、开裂,从而引起裂缝和局部脱落现象,严重影响工程质量。

1.1.1.2　生石灰的熟化

生石灰的熟化(又称消化或消解)是指生石灰与水发生化学反应生成熟石灰的过程,见图1.5。其反应式如下：

生石灰遇水反应剧烈,放出大量的热,同时体积膨胀1～2.5倍。

块状生石灰熟化后体积膨胀,产生的膨胀压力会致使石灰块自动分散成为粉末,应用此法可将块状生石灰加工成为消石灰粉,见图1.6。

熟化后的石灰在使用前必须进行“陈伏”。这是因为生石灰中存在着过火石灰。过火石灰结构密实,熟化极其缓慢,当这种未充分熟化的石灰抹灰后,会吸收空气中大量的水蒸气,继续熟化,体积膨胀,致使墙面砂浆隆起、开裂,严重影响工程质量。为了消除过火石灰的危害,生石灰在使用前应提前化灰,使石灰浆在灰坑中储存两周以上,以使生石灰得到充分熟化,这一过程称为“陈伏”。陈伏期间,为了防止石灰碳化,应在其表面保留一定厚度的水层,用以隔绝空气。

1.1.1.3　石灰的硬化

石灰的硬化速度很缓慢,且硬化体强度很低。石灰浆体在空气中逐渐硬化,主要是干燥结晶和碳化这两个过程同时进行来完成的。

石灰的硬化主要依靠结晶作用,而结晶作用又主要依靠水分蒸发速度。由于自然界中水分的蒸发速度是有限的,因此石灰的硬化速度很缓慢。

1.1.1.4　石灰的技术性质

按石灰中氧化镁的含量分类,生石灰可分为钙质生石灰和镁质生石灰。镁质生石灰的熟化速度较慢,但硬化后其强度较高。根据建材行业标准,建筑生石灰可划分为优等品、一等品和合格品共三个质量等级,见表1.1。

1.1.1.5　石灰的特性、应用及储存

1.石灰的特性

(1)凝结硬化缓慢,强度低。石灰浆在空气中的碳化过程很缓慢,且结晶速度主要依赖于浆体中水分蒸发的速度,因此,石灰的凝结硬化速度是很缓慢的。

(2)可塑性好,保水性好。生石灰熟化为石灰浆时,能形成颗粒极细(粒径为0.001mm)呈胶体分散状态的氢氧化钙粒子,表面吸附一层厚厚的水膜,使颗粒间的摩擦力减小,因而具有良好的可塑性。

(3)硬化后体积收缩较大。石灰浆中存在大量的游离水,硬化后大量水分蒸发,导致石灰内部毛细管失水收缩,引起显著的体积收缩变形。这种收缩变形使得硬化石灰体产生开裂,因此,石灰浆不宜单独使用,通常工程施工中要掺入一定量的骨料(砂子)或纤维材料(麻刀、纸筋等)。

(4)吸湿性强,耐水性差。生石灰具有很强的吸湿性,传统的干燥剂常采用这类材料。生石灰水化后的产物其主要成分是Ca(OH)2,能溶解在水中,若长期受潮或被水侵蚀,会使硬化的石灰溃散,因此它是一种气硬性胶凝材料,不宜用于潮湿的环境中,更不能用于水中。

2.石灰的应用

石灰是建筑工程中面广量大的建筑材料之一,其常见的用途如下：

(1)广泛用于建筑室内粉刷。石灰乳是一种廉价的涂料,且施工方便,颜色洁白,能为室内增白添亮,因此在建筑中应用十分广泛。墙体砌筑见图1.7。

(2)用于配制建筑砂浆。石灰和砂或麻刀、纸筋配制成石灰砂浆、麻刀灰、纸筋灰,主要用于内墙、顶棚的抹面砂浆。石灰与水泥和砂可配制成混合砂浆,主要用于墙体砌筑或抹面之用,见图1.8。

(3)配制三合土和灰土。三合土是采用生石灰粉(或消石灰粉)、黏土和砂子按1：2：3的比例,再加水拌和,经夯实后而成。灰土是用生石灰粉和黏土按1：2～4的比例加水拌和,经夯实后而成。经夯实后的三合土和灰土广泛应用于建筑物的基础、路面或地面垫层,见图1.9。

(4)制作碳化石灰板。碳化石灰板是将磨细生石灰、纤维状填料(如玻璃纤维等)或轻质骨料(如矿渣等)经搅拌、成型,然后人工碳化而成的一种轻质板材。这种板材能锯、刨、钉,适宜作非承重内墙板、天花板等。

(5)生产硅酸盐制品。以石灰和硅质材料(如石英砂、粉煤灰等)为原料,加水拌和,经成型,蒸养或蒸压处理等工序而制成的建筑材料,统称为硅酸盐制品。如粉煤灰砖、灰砂砖、加气混凝土砌块等。

(6)配制无熟料水泥。将具有一定活性的混合材料,按适当比例与石灰配合,经共同磨细,可得到水硬性的胶凝材料,即为无熟料水泥。

3.石灰的储存

生石灰具有很强的吸湿性,在空气中放置太久,会吸收空气中的水分而消化成消石灰粉而失去胶凝能力。因此储存生石灰时,一定要注意防潮防水,而且存期不宜过长。

另外,生石灰熟化时会释放大量的热,且体积膨胀,故在储存和运输生石灰时,还应注意将生石灰与易燃易爆物品分开保管,以免引起火灾和爆炸。

1.1.2　石膏

建筑中使用最多的石膏胶凝材料是建筑石膏,其次是高强石膏。建筑石膏及其制品具有许多优良性能,如轻质、耐火、隔音、绝热等,是一种比较理想的高效节能的材料。天然石膏见1.10。

1.1.2.1　建筑石膏的生产

天然石膏或工业副产石膏是经脱水处理制得的,以β半水硫酸钙(β-CaSO4·1/2H2O)为主要成分,不预加任何外加剂或添加物的粉状凝胶材料。

1.1.2.2　建筑石膏的凝结硬化

建筑石膏与适量的水相混合,最初形成具有良好可塑性的浆体,但很快就失去可塑性而发展成为具有一定强度的固体,这个过程就称为石膏的凝结硬化。其原因是由于浆体内部发生了一系列的物理化学变化,随着水化反应不断进行,水分不断蒸发,浆体失去可塑性,这一过程称为凝结；其后,晶体颗粒逐渐长大、连生、相互交错,使得强度不断增长,直到剩余水分完全蒸发,这一过程称为硬化。

1.1.2.3　建筑石膏的技术性质

建筑石膏为白色粉末状材料,建筑石膏技术性质主要有强度、细度、凝结时间。建筑石膏按其强度、细度的不同可划分为优等品、一等品和合格品三个质量等级。具体情况见表1.2。

建筑石膏是在高温条件下煅烧而成的一种白色粉末状材料,本身易吸湿受潮,而且其凝结硬化速度很快,因此在储存和运输过程中,一定要注意防潮防水。同时,石膏若长期存放,强度也会降低,一般储存三个月后强度会下降30%左右,因此建筑石膏储存时间不宜过长,一般不超过三个月。若超过三个月,应重新检验并确定其质量等级。

1.1.2.4　建筑石膏及其制品的特性

(1)凝结硬化很快,强度较低。由于凝结快,在实际工程中使用时往往需要掺入适量的缓凝剂,如动物胶、亚硫酸盐酒精溶液、硼砂等。建筑石膏的强度较低,其抗压强度仅为3.0～5.0MPa,只能满足作为隔墙和饰面的要求。

(2)硬化时体积略微膨胀。建筑石膏在凝结硬化时具有微膨胀性,其体积一般膨胀0.05%～0.15%。这种特性可使硬化成型的石膏制品表面光滑饱满,干燥时不开裂,且能使制品造型棱角清晰,尺寸准确,有利于制造复杂花纹图案的石膏装饰制品,见图1.11。

(3)孔隙率大,体积密度小,保温隔热性能好,吸声性能好等。建筑石膏水化时的理论需水量仅为其质量的18.6%,但施工中为了保证浆体具有足够的流动性,其实际加水量常常达60%～80%,大量的水分会逐渐蒸发出来,而在硬化体内留下大量的孔隙,其孔隙率可达50%～60%。由于孔隙率大,因此石膏制品的体积密度小,属于轻质材料,而且具有良好的保温隔热性能和吸声性能。

(4)耐水性差,抗冻性差。石膏是气硬性胶凝材料,水会削弱其晶体粒子间的结合力,从而导致破坏,因此在使用时应注意所处环境的条件。

(5)防火性能良好。建筑石膏硬化后的主要成分是二水石膏,当其遇火时,二水石膏释放出部分结晶水,而水的热容量很大,蒸发时会吸收大量的热,并在制品表面形成蒸汽幕,可有效地防止火势的蔓延。

(6)具有一定的调温调湿性能。由于石膏制品具有多孔结构,且其热容量较大,吸湿性强,当室内温度、湿度发生变化时,石膏制品能吸入水分或呼出水分,吸收热量或放出热量,可使环境的温度和湿度得到一定的调节,石膏板见图1.12。

(7)石膏制品具有良好的可加工性,且装饰性能好。石膏制品可锯、可钉、可刨,便于施工操作。并且其表面细腻平整,色泽洁白,具有典雅的装饰效果,见图1.13。

1.1.2.5　建筑石膏的应用

(1)用作室内粉刷和抹灰。石膏洁白细腻,用于室内粉刷、抹灰,具有良好的装饰效果。经石膏抹灰后的内墙面、顶棚,还可直接涂刷涂料、粘贴壁纸。但在施工时应注意：由于建筑石膏凝结很快,施工时应掺入适量的缓凝剂,以保证施工质量。

(2)制作石膏制品。建筑石膏制品的种类较多,我国生产的石膏制品主要有纸面石膏板、空心石膏条板、纤维石膏板、石膏砌块和其他石膏装饰板等。建筑石膏配以纤维增强材料、黏结剂等,还可以制作各种石膏角线、线板、角花、雕塑艺术装饰制品等。

(3)生石膏可作为水泥生产的原料。水泥生产过程中必须掺入适量的石膏作为缓凝剂,不掺、少掺或多掺都会导致水泥无法正常使用或根本无法使用。

1.1.3　水玻璃

硅酸钠俗称泡花碱,是一种水溶性硅酸盐,其水溶液俗称水玻璃,是一种矿黏合剂。其化学式为R2O·nSiO2,式中R2O为碱金属氧化物,n为水玻璃的摩数,n值越大,水玻璃的密度和黏度越大,硬化速度越快,硬化后的黏结力越强。建筑上常用的水玻璃是硅酸钠(Na2O·nSiO2)的水溶液,广泛应用于以下几个方面：

1.1.3.1　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。

1.1.3.2　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。

1.1.3.3　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。

1.1.3.4　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。

1.1.3.5　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。

1.1.3.6　防腐工程应用

改性水玻璃耐酸泥是耐酸腐蚀重要材料,主要特性是耐酸、耐温、密实抗渗、价格低廉、使用方便。可拌和成耐酸胶泥、耐酸砂浆和耐酸混凝土,适用于化工、冶金、电力、煤炭、纺织等部门各种结构的防腐蚀工程,是纺酸建筑结构储酸池、耐酸地坪以及耐酸表面砌筑的理想材料。