無(wú)機(jī)膠凝材料之一石膏

第三章無(wú)機(jī)膠凝材料之一石膏

教學(xué)重點(diǎn)：1.掌握氣硬性膠凝材料的硬化機(jī)理、性質(zhì)和應(yīng)用2.了解石膏、水玻璃的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)穩(wěn)定，使用中或破壞時(shí)不會(huì)釋放出有害氣體，因此是理想的綠色建筑材料。教學(xué)難點(diǎn)：：1.石膏、水玻璃氣硬性膠凝材料凝結(jié)硬化機(jī)理的特點(diǎn)及區(qū)別。2.石膏、水玻璃的性能特點(diǎn)及應(yīng)用、保管的注意事項(xiàng)。教學(xué)方法：多媒體教學(xué)課時(shí)：2時(shí)4.2建筑石膏石膏是以硫酸鈣為主要成分的礦物，當(dāng)石膏中含有結(jié)晶水不同時(shí)可形成多種性能不同的石膏。2.1石膏的原料、分類及生產(chǎn)根據(jù)石膏中含有結(jié)晶水的多少不同可分為：（1）無(wú)水石膏（ＣaSO4）：也稱硬石膏，它結(jié)晶緊密，質(zhì)地較硬，是生產(chǎn)硬石膏水泥的原料。（2）天然石膏（ＣaSO4·2H2O）：也稱生石膏或二水石膏，大部分自然石膏礦為生石膏，是生產(chǎn)建筑石膏的主要原料。（３）建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）也稱熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同可分為α型半水石膏和β型半水石膏：

建筑石膏通常是由天然石膏經(jīng)壓蒸或煅燒加熱而成的。常壓下煅燒加熱到107℃～170℃，可產(chǎn)生β型建筑石膏：

（二水石膏） （β型半水石膏）124℃條件下壓蒸（1.3大氣壓）加熱可產(chǎn)生α型建筑石膏：

（二水石膏） （α型半水石膏）α型半水石膏與β型半水石膏相比，結(jié)晶顆粒較粗，比表面積較小，強(qiáng)度高，因此又稱為高強(qiáng)石膏。當(dāng)加熱溫度超過(guò)170℃時(shí)，可生成無(wú)水石膏，只要溫度不超過(guò)200℃，此無(wú)水石膏就具有良好的凝結(jié)硬化性能。2.2建筑石膏的水化與硬化建筑石膏與適量水拌合后，能形成可塑性良好的漿體，隨著石膏與水的反應(yīng)，漿體的可塑性很快消失而發(fā)生凝結(jié)，此后進(jìn)一步產(chǎn)生和發(fā)展強(qiáng)度而硬化。建筑石膏與水之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)式為：此反應(yīng)實(shí)際上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反應(yīng)，因?yàn)槎嗳芙舛缺劝胨嗟娜芙舛刃〉枚?，所以此反?yīng)總體表現(xiàn)為向右進(jìn)行，二水石膏以膠體微粒自水中析出。

隨著二水石膏沉淀的不斷增加，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶，結(jié)晶體的不斷生成和長(zhǎng)大，晶體顆粒之間便產(chǎn)生了磨擦力和粘結(jié)力，造成漿體的塑性開(kāi)始下降，這一現(xiàn)象稱為石膏的初凝；而后隨著晶體顆粒間磨擦力和粘結(jié)力的增大，漿體的塑性很快下降，直至消失，這種現(xiàn)象為石膏的終凝。石膏終凝后，其晶體顆粒仍在不斷長(zhǎng)大和連生，形成相互交錯(cuò)且孔隙率逐漸減小的結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度也會(huì)不斷增大，直至水分完全蒸發(fā)，形成硬化后的石膏結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程稱為石膏的硬化。石膏漿體的凝結(jié)和硬化，實(shí)際上是交叉進(jìn)行的。2.3建筑石膏的技術(shù)要求建筑石膏的技術(shù)要求有強(qiáng)度、細(xì)度和凝結(jié)時(shí)間。并按強(qiáng)度和細(xì)度分為優(yōu)等品、一等品和合格品。具體技術(shù)要求見(jiàn)GB9776-1988?！苯ㄖ牧稀癙28表4-4）建筑石膏的技術(shù)性質(zhì)（１）凝結(jié)硬化速度快建筑石膏的漿體，凝結(jié)硬化速度很快。一般石膏的初凝時(shí)間僅為10min左右，終凝時(shí)間不超過(guò)30min，這對(duì)于普通工程施工操作十分方便。有時(shí)需要操作時(shí)間較長(zhǎng)，可加入適量的緩凝劑，如硼砂、動(dòng)物膠、亞硫酸鹽酒精廢液等（２）凝結(jié)硬化時(shí)的膨脹性

建筑石膏凝結(jié)硬化是石膏吸收結(jié)晶水后的結(jié)晶過(guò)程，其體積不僅不會(huì)收縮，而且還稍有膨脹（0.2%~1.5%），這種膨脹不會(huì)對(duì)石膏造成危害，還能使石膏的表面較為光滑飽滿，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥時(shí)的開(kāi)裂。（３）硬化后的多孔性，重量輕，但強(qiáng)度低建筑石膏在使用時(shí)，為獲得良好的流動(dòng)性，常加入的水分要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化過(guò)程中由于水分的蒸發(fā)，使原來(lái)的充水部分空間形成孔隙，造成石膏內(nèi)部的大量微孔，使其重量減輕，但是抗壓強(qiáng)度也因此下降。通常石膏硬化后的表觀密度約為８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3，抗壓強(qiáng)度約為３ＭPa～5ＭPa。（４）良好的隔熱和吸音和“呼吸”功能

石膏硬化體中大量的微孔，使其傳熱性顯著下降，因此具有良好的絕熱能力；石膏的大量微孔，特別是表面微孔對(duì)聲音傳導(dǎo)或反射的能力也顯著下降，使其具有較強(qiáng)的吸聲能力。大熱容量和大的孔隙率及開(kāi)口孔結(jié)構(gòu)，使石膏具有呼吸水蒸氣的功能。（５）防火性好，但耐水性差硬化后石膏的主要成分是二水石膏，當(dāng)受到高溫作用時(shí)或遇火后會(huì)脫出21%左右的結(jié)晶水，并能在表面蒸發(fā)形成水蒸氣幕，可有效地阻止火勢(shì)的蔓延，具有良好的防火效果。由于硬化石膏的強(qiáng)度來(lái)自于晶體粒子間的粘結(jié)力，遇水后粒子間連接點(diǎn)的粘結(jié)力可能被削弱。部分二水石膏溶解而產(chǎn)生局部潰散，所以建筑石膏硬化體的耐水性較差。（6）有良好的裝飾性和可加工性

石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的裝飾性。微孔結(jié)構(gòu)使其脆性有所改善，硬度也較低，所以硬化石膏可鋸、可刨、可釘。具有良好的可加工性。2.4建筑石膏的應(yīng)用（1）

石膏砂漿及粉刷石膏（2）

建筑石膏制品：石膏板、石膏砌塊等

(3）制作建筑雕塑和模型4.3.水玻璃

水玻璃俗稱泡花堿，由堿金屬氧化物和二氧化硅組成，屬可溶性的硅酸鹽類。根據(jù)堿金屬氧化物的不同，水玻璃有: 硅酸鈉水玻璃（Na2O·ｎSiO2）、硅酸鉀水玻璃Ｋ2Ｏ·ｎSiO2）、硅酸鋰水玻璃（Ｌi2O·ｎSiO2）等品種，最常用的是硅酸鈉水玻璃。（ 稱為水玻璃模數(shù)）根據(jù)水玻璃模數(shù)的不同，又分為“堿性”水玻璃（ｎ＜３和“中性”水玻璃（ｎ≥3）。實(shí)際上中性水玻璃和堿性水玻璃的溶液都呈明顯的堿性反應(yīng)。3.1水玻璃的生產(chǎn)生產(chǎn)水玻璃的方法分為濕法和干法兩種。濕法生產(chǎn)硅酸水玻璃是將石英砂和苛性鈉溶液在壓蒸鍋內(nèi)用蒸汽加熱。直接反應(yīng)生液體水玻璃。干法生產(chǎn)硅酸鈉水玻璃是將石英砂和碳酸鈉磨細(xì)拌勻，在熔爐中于1300~1400?C溫度下熔化，按下式反應(yīng)生成固體水玻璃。固體水玻璃于水中加熱溶解而生成液體水玻璃。其反應(yīng)式為：3.2水玻璃的硬化液體水玻璃在空氣中吸收二氧化碳，形成無(wú)定形硅酸凝膠，并逐漸干燥而硬化：由于空氣中CO2濃度較低，這個(gè)過(guò)程進(jìn)行的很慢，為了加速硬化和提高硬化后的防水性，常加入氟硅酸鈉Na2SiF6作為促硬劑，促使硅酸凝膠加速析出。氟硅酸鈉的適宜用量為水玻璃重量的12％～１５％。3.3水玻璃的技術(shù)性質(zhì)（１）粘結(jié)力強(qiáng)。水玻璃硬化后具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。另外，水玻璃硬化析出的硅酸凝膠還有堵塞毛細(xì)孔隙而防止水分滲透的作用。（２）耐酸性好。硬化后的水玻璃，其主要成分是ＳiO2，具有高度的耐酸性能，能抵抗大多數(shù)無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸的作用。但其不耐堿性介質(zhì)侵蝕。（３）耐熱性高水玻璃不燃燒，硬化后形成ＳiO2空間網(wǎng)狀骨架，在高溫下硅酸凝膠干燥得更加強(qiáng)烈，強(qiáng)度并不降低，甚至有所增加。3.4水玻璃的應(yīng)用（１）用作涂料，涂刷材料表面直接將液體水玻璃涂刷在建筑物表面，或涂刷粘土磚、硅酸鹽制品、水泥混凝土等多孔材料，可使材料的密實(shí)度、強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐水性均得到提高。這是因?yàn)樗Ａc材料中的Ｃa（OH）2反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，填充了材料間孔隙。反應(yīng)式為：同時(shí)硅酸鈉本身硬化所析出的硅酸凝膠也有利于材料保護(hù)。選用不同的耐火填料，還可配制不同耐熱度的水玻璃耐熱涂料。（2）配制防水劑以水玻璃為基料，配制防水劑。例如：四礬防水劑是以藍(lán)礬(硫酸銅)、明礬（鉀鋁礬）、紅礬（重鉻酸鉀）和紫礬（鉻礬）各１份，溶于60份的沸水中，降溫至５０℃，投入400份水玻璃溶液中，攪拌均勻而成的。這種防水劑可以在1min內(nèi)凝結(jié),適用于堵塞漏洞、縫隙等局部搶修。（3）加固土壤將模數(shù)為２.５～３的液體水玻璃和氯化鈣溶液通過(guò)金屬管交替向地層壓入，兩種溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可析出吸水膨脹的硅酸膠體，包裹土壤顆粒并填充其空隙，阻止水分滲透并使土壤固結(jié)。用這種方法加固的砂土，抗壓強(qiáng)度可達(dá)３～６ＭＰａ。(4)配制水玻璃砂漿。

將水玻璃、礦渣粉、砂和氟硅酸鈉按一定比例配合成砂漿,可用于修補(bǔ)墻體裂縫。（５）配制耐酸砂漿、耐酸混凝土、耐熱混凝土用水玻璃作為膠凝材料，選擇耐酸骨料，可配制滿足耐酸工程要求的耐酸砂漿、耐酸混凝土。選擇不同的耐熱骨料，可配制不同耐熱度的水玻璃耐熱混凝土。

例3-1

某單位宿舍樓的內(nèi)墻使用石灰砂漿抹面。數(shù)月后，墻面上出現(xiàn)了許多不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋。同時(shí)在個(gè)別部位還發(fā)現(xiàn)了部分凸出的放射狀裂紋。試分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

例3-2

既然石灰不耐水，為什么由它配制的灰土或三合土卻可以用于基礎(chǔ)的墊層、道路的基層等潮濕部位？例3-3

建筑石膏及其制品為什么適用于室內(nèi)，而不適用于室外使用？

例3-4

水玻璃的化學(xué)組成是什么？水玻璃的模數(shù)、密度（濃度）對(duì)水玻璃的性能有什么影響？例3-1某單位宿舍樓的內(nèi)墻使用石灰砂漿抹面。數(shù)月后，墻面上出現(xiàn)了許多不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋。同時(shí)在個(gè)別部位還發(fā)現(xiàn)了部分凸出的放射狀裂紋。試分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

解

石灰砂漿抹面的墻面上出現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋，引發(fā)的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化過(guò)程中，蒸發(fā)大量的游離水而引起體積收縮的結(jié)果。

墻面上個(gè)別部位出現(xiàn)凸出的呈放射狀的裂紋，是由于配制石灰砂漿時(shí)所用的石灰中混入了過(guò)火石灰。這部分過(guò)火石灰在消解、陳伏階段中未完全熟化，以致于在砂漿硬化后，過(guò)火石灰吸收空氣中的水蒸汽繼續(xù)熟化，造成體積膨脹。從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

例3-2既然石灰不耐水，為什么由它配制的灰土或三合土卻可以用于基礎(chǔ)的墊層、道路的基層等潮濕部位？解：石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加適量的水充分拌合后，經(jīng)碾壓或夯實(shí)，在潮濕環(huán)境中石灰與粘土表面的活性氧化硅或氧化鋁反應(yīng)，生成具有水硬性的水化硅酸鈣或水化鋁酸鈣，所以灰土或三合土的強(qiáng)度和耐水性會(huì)隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸提高，適于在潮濕環(huán)境中使用。再者，由于石灰的可塑性好，與粘土等拌合后經(jīng)壓實(shí)或夯實(shí)，使灰土或三合土的密實(shí)度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大為減少。因此灰土或三合土可以用于基礎(chǔ)的墊層、道路的基層等潮濕部位。例3-3建筑石膏及其制品為什么適用于室內(nèi)，而不適用于室外使用？

解

建筑石膏及其制品適用于室內(nèi)裝修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝結(jié)硬化后具有以下的優(yōu)良性質(zhì)：

（1）

石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的裝飾性。加入顏料后，可具有各種色彩。建筑石膏在凝結(jié)硬化時(shí)產(chǎn)生微膨脹，故其制品的表面較為光滑飽滿，棱角清晰完整，形狀、尺寸準(zhǔn)確、細(xì)致，裝飾性好；

（2）

硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保溫性、吸聲性好。

（3）

硬化后石膏的主要成分是二水石膏，當(dāng)受到高溫作用時(shí)或遇火后會(huì)脫出21%左右的結(jié)晶水，并能在表面蒸發(fā)形成水蒸氣幕，可有效地阻止火勢(shì)的蔓延，具有一定的防火性。

（4）

建筑石膏制品還具有較高的熱容量和一定的吸濕性，故可調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度，改變室內(nèi)的小氣候。

在室外使用建筑石膏制品時(shí)，必然要受到雨水冰凍等的作用，而建筑石膏制品的耐水性差，且其吸水率高，抗?jié)B性差、抗凍性差,所以不適用于室外使用.

例3-4水玻璃的化學(xué)組成是什么？水玻璃的模數(shù)、密度（濃度）對(duì)水玻璃的性能有什么影響？

解

通常使用的水玻璃都是Na2O·nSiO2的水溶液，即