第一节 气硬性胶凝材料

一、石灰

石灰是人类在建筑中最早使用的胶凝材料之一，由于其原材料蕴藏丰富、分布广泛、

生产工艺简单、成本低廉、使用方便，所以至今仍广泛应用于各种工程中。

（一）石灰的原料、生产与分类1.石灰的原料

生产石灰的主要原料是以碳酸钙为主要成分的天然岩石，常用的有石灰石、白云石、白垩等。这些天然原料中常含有黏土杂质，一般要求黏土杂质控制在8%以内。生产石灰的原料，除了用天然原料外，另一种原料是利用化学工业副产品。例如，用电石（碳化钙）制取乙炔时的电石渣，其主要成分是氢氧化钙（消石灰）。

2.石灰的生产

将石灰的原料石灰石在一定的温度下煅烧，碳酸钙将分解成为生石灰，其主要成分为氧化钙，化学反应表示如下：

CaCO₃—9—0—0℃→CaO+CO₂↑

在石灰的实际生产中，由于石灰石致密程度、块体大小及杂质含量不同，并考虑到热量损失，所以为了加速碳酸钙的分解，煅烧温度常控制在1000～1100℃。若煅烧温度过低或煅烧时间不充足，则碳酸钙不能完全分解，将生成“欠火石灰”，严重降低石灰利用率；若煅烧时间过长或温度过高，将生成颜色较深、密度较大、消化缓慢、体积收缩明显的“过火石灰”，使用时会影响工程质量。

3.石灰的分类

《建筑生石灰》（JC/T479—1992）规定，按氧化镁含量的多少，建筑生石灰可分为钙质和镁质两类。当石灰中MgO含量小于等于5%时，称为钙质石灰；当MgO含量大于5%时，称为镁质石灰。将煅烧成块状的生石灰经过不同的加工方法，还可得到石灰的另外几种产品。

（1）生石灰粉。由块状生石灰磨细而得的细粉，主要成分仍为CaO。

（2）消石灰。将生石灰用适量的水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为Ca（OH）₂ ，也称熟石灰。

（3）石灰浆（石灰膏）。将块状生石灰用多量水（为石灰体积的3～4倍）消化或将消石灰粉和水拌合，所得的有一定稠度的可塑性浆体，主要成分为Ca（OH）₂和水。

（4）石灰乳。生石灰加较多的水消化而得的白色悬浮液，主要成分为Ca（OH）₂和水。（二）石灰的熟化与硬化

1.石灰的熟化

烧制成的生石灰为块状，在使用时必须加水进行熟化，使氧化钙消化成为粉状的“消石灰”，这一过程也称为石灰的“消化”。其化学反应为：

CaO+H₂O—→Ca（OH）₂+64.9kJ

石灰的熟化过程会放出大量的热，熟化时体积增大1～2.5倍。在石灰熟化时，应注意加水速度。对活泼性大的石灰，如果加水速度过慢或加水量不足，则已消化的石灰颗粒生成的氢氧化钙包围在未消化颗粒的周围，使内部石灰不易消化，这种现象称为“过烧”；相反，对于活泼性差的石灰，如果加水的速度过快，则发热量少，水温过低，增加了未消化颗粒，这种现象称为“过冷”。

为了消除“过火石灰”的危害，石灰膏在使用之前应进行陈伏。陈伏是指石灰膏在储灰坑中放置两周以上的过程。若是用磨细生石灰粉生产石灰膏，则陈伏时间为2d以上。过火石灰在这一期间将慢慢熟化。陈伏期间，石灰膏表面应留有一层水分，使其与空气隔绝，以免与空气中的二氧化碳发生碳化反应。

2.石灰的硬化

石灰的硬化过程包括干燥硬化（结晶作用）和碳化硬化（碳化作用）两个同时进行的过程。

（1）石灰浆的干燥硬化。由于水分的蒸发，氢氧化钙晶体从饱和溶液中析出，并产生“结晶强度”，结晶主要在石灰内部进行。但此时从溶液中析出的氢氧化钙数量不多，因此强度增长也不显著。

（2）石灰浆的碳化硬化。结晶后氢氧化钙与空气中的二氧化碳作用，生成不溶解于水的碳酸钙晶体，析出的水分逐渐被蒸发，产生“碳化强度”。其化学反应式为：

Ca（OH）₂+CO₂+nH₂O—碳→化CaCO₃+（n+1）H₂O

这个反应在没有水分的条件下无法进行；当水分过多、二氧化碳渗入量少时，碳化仅限于表层；在孔壁充水而孔内无水的条件下碳化最快。石灰碳化硬化后，密实度进一步增加，强度进一步提高。因此，碳化层越厚，石灰强度越高。

（三）石灰的技术要求和技术指标1.石灰的技术要求

（1）有效氧化钙（CaO）和氧化镁（MgO）的含量。石灰中产生黏结性的有效成分是活性氧化钙和氧化镁，它们的含量是评价石灰质量好坏的主要指标。有效氧化钙的含量是指石灰中活性的游离氧化钙占石灰试样的质量百分率；氧化镁的含量是指石灰中氧化镁占石灰试样的质量百分率。

（2）生石灰产浆量和未消化残渣含量。产浆量是单位质量（1kg）的生石灰经消化后，所产生石灰浆体的体积（L）。石灰产浆量愈高，则表示石灰的质量愈好。未消化残渣含量是生石灰消化后，未能消化而存留在5mm圆孔筛上的残渣占试样的百分率。

（3）二氧化碳（CO₂）的含量。生石灰或生石灰粉中二氧化碳含量指标，是为了控制石灰石在煅烧时“欠火”造成产品中未分解完全的碳酸盐含量。二氧化碳含量越高，即表示未分解完全的碳酸盐含量越高，则有效氧化钙和氧化镁含量相对降低，从而影响石灰的胶结性能。

（4）消石灰粉游离水含量。消石灰粉中游离水的含量，指化学结合水以外的含水量。在理论上氢氧化钙中结合水占24.32%，但由于消化是一个放热反应，部分水被蒸发，所以实际加水量是理论值的一倍左右。多加的水残留于氢氧化钙中，残余的水分蒸发后，留下孔隙会加剧消石灰粉碳化现象的产生，从而影响其使用质量。

（5）细度。细度与石灰的质量有密切关系，现行标准中以0.9mm和0.125mm筛余百分率控制。0.125mm筛余量包括：消化过程中未消化的“过烧”石灰颗粒；含有大量钙盐的石灰颗粒；以及“欠火”石粒或未燃尽的煤渣等。

2.石灰的技术指标（1）建筑生石灰。

根据《建筑生石灰》（JC/T479—1992）的规定，生石灰按有效氧化钙+氧化镁含量、产浆量、未消化残渣和二氧化碳含量等4个项目的指标，分为优等品、一等品和合格品3个等级，见表22。

表2 2

建筑生石灰技术指标

（2）建筑生石灰粉。

根据《建筑生石灰粉》（JC/T480—1992）的规定，按有效氧化钙+氧化镁含量、二氧化碳含量和细度等3个项目的指标，将生石灰粉分为优等品、一等品和合格品3个等

级，见表2 3。

表2 3

建筑生石灰粉技术指标

（3）建筑熟石灰粉。

根据《建筑熟石灰粉》（JC/T481—1992）的规定，按氧化镁含量不同可分为钙质熟

石灰粉（MgO含量＜4%）、镁质熟石灰粉（4%≤MgO含量＜24%）和白云石熟石灰粉

（24%≤MgO含量＜30%）3类。按有效氧化钙+氧化镁含量、游离水、体积安定性和细度等4个项目的指标，每一类分为优等品、一等品和合格品3个等级，见表24。

表2 4

建筑消石灰粉技术指标

（四）石灰的性质、应用与储存1.石灰的性质

（1）可塑性好。

生石灰熟化为石灰浆时，能形成颗粒极细（直径约为1μm）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚厚的水膜，因此具有良好的可塑性。将石灰掺入水泥砂浆中，可显著改善其和易性。

（2）凝结硬化慢、强度低。

由于空气中二氧化碳含量低，石灰浆体碳化缓慢且仅限于表层，致密的碳化层既不利于二氧化碳渗入也不利于内部水分的蒸发。因此，石灰的凝结硬化缓慢，硬化后强度低。

配合比为1∶3（石灰∶砂）的石灰砂浆，28d的强度仅有0.2～0.5MPa。

（3）硬化时体积收缩大。

石灰在硬化过程中，由于大量的游离水蒸发，引起显著的体积收缩，使硬化石灰体表面出现大量的无规则裂纹，因此除调成石灰乳作薄层涂刷外，石灰不宜单独使用。实际工程中常加入适量纤维状材料（如麻刀、纸筋等）或骨料（砂）来抑制石灰的收缩。

（4）耐水性差。

石灰硬化缓慢，强度低。在潮湿环境条件下，未干燥硬化的石灰，由于水分无法蒸发而终止硬化。未碳化的氢氧化钙溶于水，使其强度降低甚至溃散。所以，石灰不宜在潮湿的环境中使用。在石灰中加入少量的磨细粒化高炉矿渣和粉煤灰，可提高石灰的耐水性。

2.石灰的应用

石灰在建筑工程中应用广泛，主要有：（1）石灰乳涂料和砂浆。

在熟石灰粉或石灰膏中加入过量的水，可配制成石灰乳涂料。

石灰膏或磨细生石灰粉可用于配制石灰砂浆和水泥石灰砂浆，具有很好的可塑性，主要用作砌筑砂浆和抹面砂浆。但是掺加石灰膏会降低水泥砂浆的强度和黏结力，并改变砂浆使用范围。

（2）石灰土和三合土。

将生石灰粉或熟石灰粉和黏土按一定比例[1∶（2～4）体积比]混合，可配制成石灰土；如在石灰土中加入适量的砂、炉渣等材料即成为三合土，一般体积比约为1∶2∶3。石灰土和三合土经夯实后可获得一定的强度和耐久性。因为石灰中氧化钙或者氢氧化钙与黏土中的二氧化硅和三氧化二铝，在有水存在条件下，反应生成具有水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，能把黏土颗粒黏结在一起，再经强力夯实，提高了密实度。因此提高了灰土的强度和耐久性。主要应用于建筑物基础和地面的垫层，还可用做道路路基。

（3）制作硅酸盐制品。

以生石灰粉或熟石灰粉与硅质材料（如粉煤灰、矿渣、砂等）为主要原材料，经配料、搅拌、成型和养护（一般采用蒸汽养护或蒸压养护）等工序，可制得硅酸盐制品。因为在蒸养或蒸压条件下，生成的主要产物为水化硅酸钙，因此得名。产品包括蒸压粉煤灰砖、蒸压灰砂砖和蒸压加气混凝土砌块，还可用于生产蒸压加气混凝土板材，主要用作墙

体材料。

（4）加固地基。

块状生石灰可用于加固含水的软土地基，也称为石灰桩。将块状生石灰灌入桩孔内，由于生石灰的熟化膨胀而使地基密度提高。

3.石灰的储存

块状生石灰在存放过程中，会缓慢吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙，失去胶结能力。因此储存石灰应注意防潮，储存期不宜过久。可将石灰熟化成石灰膏，把储存期变成陈伏期。由于石灰熟化过程中，放出大量的热并伴随着体积膨胀，所以储存和运输生石灰时应注意安全。

二、石膏

石膏胶凝材料是以硫酸钙为主要成分的无机气硬性胶凝材料。由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优良的性质，原料来源丰富，生产能耗较低，因而在建筑工程中得到广泛应用。目前常用的石膏胶凝材料有建筑石膏、高强石膏等。

（一）石膏的原料、生产及品种1.石膏的原料

（1）天然二水石膏。

天然二水石膏（CaSO₄·2H₂O）又称生石膏或软石膏。它是生产石膏胶凝材料的主要原料。纯净的天然二水石膏矿石呈无色透明或白色，常因含有各种杂质而呈灰色、褐色、黄色、红色、黑色等颜色。

（2）天然无水石膏。

天然无水石膏（CaSO₄）结构比天然二水石膏致密，质地较硬，难溶于水，又称硬石膏，一般作为生产水泥的原料。

（3）工业副产石膏。

工业副产石膏是指一些含有CaSO₄·2H₂O与CaSO₄混合物的化工副产品及废渣，也可作为生产石膏的原料，例如磷石膏是制造磷酸时的废渣。此外还有盐石膏、硼石膏、钛石膏等。

2.石膏的生产及品种

生产石膏胶凝材料的主要工序是破碎、加热与磨细，制备方法、加热方式和温度不同，可生产出不同性质的石膏胶凝材料。

（1）建筑石膏。

将主要成分为二水石膏的原材料加热至107～170℃时，产物为β型半水石膏，其化学反应式如下：

CaSO₄·2H₂O—10—7—～—17—0°C→β-CaSO₄·12H₂O+112H₂O

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，主要用于制作石膏建筑制品。它的晶体较细，调制成一定稠度的浆体时需水量较大，大量水分在石膏硬化时蒸发，使石膏内部形成许多孔隙，强度较低。

（2）高强石膏。

若将二水石膏置于具有0.13MPa、124℃的过饱和蒸汽条件下蒸压，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的α型半水石膏，即高强石膏。它与建筑石膏相比，高强石膏的晶粒较粗，需水量较小，硬化后的石膏内部孔隙较少，强度较高。

（二）建筑石膏的凝结与硬化

建筑石膏加水拌合，与水发生水化反应：

CaSO₄·12H₂O+112H₂O—→CaSO₄·2H₂O

当建筑石膏加水时，半水石膏迅速溶解并达到平衡状态，即饱和状态。由于半水石膏在水中的溶解度是二水石膏溶解度的4～5倍，故半水石膏的饱和溶液对于二水石膏来说就是过饱和溶液，因此发生了上述水化反应。二水石膏以胶体微粒形式从溶液中析出，从而破坏了半水石膏的溶解平衡，半水石膏继续溶解，达到平衡和水化。此循环过程一直进行到所有的半水石膏都转化为二水石膏为止。在此过程进行中，最初形成的可塑性浆体中的水分由于水化和蒸发而逐渐减少，二水石膏的胶体微粒不断增多，浆体稠度逐渐增大，直到完全失去可塑性，此过程称为石膏的凝结。随着浆体变稠，胶体微粒凝聚成晶体，晶体逐渐长大、共生和相互交错，浆体开始产生强度，最后发展成具有一定强度的固体，这一过程称为石膏的硬化过程。

（三）建筑石膏的技术要求

建筑石膏为白色粉末，密度为2.60～2.75g/cm³，堆积密度为800～1000kg/m³。按《建筑石膏》（GB/T9776-2008）规定，建筑石膏根据2h抗折强度分为3.0、2.0和1.6

共3个等级，其物理力学性能，见表25。

表2 5

建筑石膏的技术要求

（四）建筑石膏的性质、应用与储存1.建筑石膏的性质

（1）凝结硬化快。

建筑石膏加水拌合后，凝结硬化快，凝结时间很短，一般终凝时间不超过半小时。由于建筑石膏的初凝时间很短，无法施工，工程中常加入适量硼砂、动物胶和柠檬酸等作为缓凝剂，以延缓凝结时间满足施工要求。

（2）凝结硬化时体积略膨胀。

建筑石膏浆体凝结硬化时体积微膨胀，一般膨胀量为0.5%～1%。此性质使石膏制品表面光滑细腻，形体饱满，干燥时不开裂。因此，建筑石膏可用于雕塑和建筑装饰制品。

（3）硬化后孔隙率高。

建筑石膏的理论需水量仅为18.6%，为满足施工要求的可塑性，加水量常为60%～80%。石膏硬化后由于多余水分的蒸发，在内部形成大量毛细孔，石膏制品孔隙率可达

50%～60%，表观密度约800～1000kg/m³。由此石膏制品具有以下性质：

1）强度低。一等品建筑石膏凝结硬化1d的强度为5～8MPa，7d后达到的最高强度

为8～12MPa。

2）保温隔热性能好，吸声性强。硬化的建筑石膏中具有许多开口和闭口孔隙，因此

其保温隔热性和吸声性能好，导热系数一般为0.121～0.205W/（m·K）。

3）吸湿性大，耐水性和抗冻性差。建筑石膏制品的吸湿性大，可调节室内的温湿度。但在潮湿条件下，石膏吸湿后，水分会减弱晶粒之间的联系，导致石膏的强度降低（软化系数约为0.3～0.45）。如果长时间浸在水中，会因为二水石膏晶体的离散，导致石膏破坏。石膏制品吸水后受冻，由于其孔隙率大、强度低，很容易因抗冻性差遭到破坏。

（4）防火性能好。

建筑石膏遇火时，二水石膏中的结晶水蒸发成水蒸气，吸收量热，可降低制品表面的温度；同时在其制品表面形成了水蒸气幕，能阻碍火势蔓延；脱水后的石膏制品隔热性能更好，形成隔热层且无有害气体产生。因此，建筑石膏制品防火性能好。

建筑石膏制品在防火的同时自身将被破坏，而且石膏制品不宜长期用于靠近65℃以上高温度部位，以免二水石膏在此温度作用下失去结晶水，从而失去强度。

（5）可加工性好。

建筑石膏硬化后具有良好的可加工性能，如可钉、可锯和可刨等，因此施工方便。2.建筑石膏的应用

（1）可配制成石膏腻子、砂浆和涂料，用于内墙的刮腻子、抹灰和粉刷涂料。

（2）可生产墙体材料如纸面石膏板、石膏空心板、纤维石膏板及石膏砌块等，均可用于内墙和隔墙，有些石膏板也可用作吊顶材料。石膏空心砌块，因质轻，绝热性好施工便捷，是一种应大力推广应用的新型墙体材料。

（3）可生产装饰石膏板、绝热板和吸音板等，用于室内装饰或作为内墙的内保温材料和吸音材料。

3.建筑石膏的储存

建筑石膏在运输及储存时应注意防潮，一般储存3个月后，强度将降低30%左右。所以储存期超过3个月的建筑石膏应重新进行质量检验，以确定其等级。

三、水玻璃

水玻璃俗称泡花碱，属于气硬性胶凝材料，是一种能溶于水的硅酸盐。它是由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅结合而成，建筑工程中常用的是硅酸钠水玻璃（Na₂O·

nSiO₂）。

1.水玻璃的生产

水玻璃的生产方法有湿法和干法两种。湿法是将石英砂加入到氢氧化钠溶液中，进行蒸压使其直接反应生成液态水玻璃；干法是把石英砂和碳酸钠按比例混合磨细，在1300～1400℃高温的熔炉内熔化，生成固态水玻璃。

水玻璃的模数指硅酸钠中氧化硅和氧化钠的分子数之比，一般在1.5～3.5之间。固

体水玻璃在水中溶解的难易随模数而定，模数为1时能溶解于常温的水中，模数加大，则只能在热水中溶解；当模数大于3时，要在4个大气压以上的蒸汽中才能溶解于水。低模数水玻璃的晶体组分较多，黏结能力较差。模数越高，胶体组分相对增多，黏结能力、强度、耐酸性和耐热性越高，但难溶于水，不易稀释，不便施工。

建筑工程中常用的为液态水玻璃，其模数为2.6～2.8。液态水玻璃由于含有不同杂质，会呈现出青灰色、绿色或微黄色，无色透明的最好。液态水玻璃可与水按任意比例混合。同一模数的液态水玻璃，其浓度越稠，则密度越大，黏结力越强。

2.水玻璃的硬化

水玻璃在空气中吸收二氧化碳，生成无定型硅酸凝胶，因干燥而逐渐硬化，化学反应如下。

Na₂O·nSiO₂+CO₂+mH₂O═══nSiO₂·mH₂O+Na₂CO₃

水玻璃的硬化过程十分缓慢。为了加速水玻璃的硬化，常加入适量的氟硅酸钠作为促硬剂以加速无定形硅酸凝胶的析出，化学反应如下。

2（Na₂O·nSiO₂）+Na₂SiF₆+mH₂O═══6NaF+（2n+1）SiO₂·mH₂O

氟硅酸钠的适宜掺量为水玻璃质量的13%～15%。若掺量过少，则使硬化速度缓慢，强度降低；掺量过多，会引起凝结速度过快，不便于施工，而且强度和抗渗性均降低。

3.水玻璃的性质与应用

水玻璃有良好的黏结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有堵塞毛细孔隙，防止水渗透的作用。水玻璃不燃烧，在高温下硅酸凝胶干燥得更加强烈，强度甚至有所增加。水玻璃具有很好的耐酸性能，能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用。水玻璃在建筑工程中主要用于：

（1）涂刷材料表面，提高抗风化性能。

用水玻璃浸渍或涂刷多孔材料表面，可提高其密实度、强度、耐水性和抗风化性能。如涂刷硅酸盐制品、混凝土和砖等具有良好的效果。严禁用于浸渍或涂刷石膏制品，因为二者反应的产物硫酸钠会在孔隙内结晶膨胀，导致制品破坏。

（2）配制耐酸和耐热砂浆和混凝土。

以水玻璃为胶凝材料，与耐酸骨料可配制成耐酸砂浆和耐酸混凝土，应用于耐酸工程中；在水玻璃中加入耐热骨料可配制成耐热砂浆和耐热混凝土，长期在高温条件下，强度也不降低，应用于耐热工程中。

（3）配制防水剂。

以水玻璃为基料，掺入适量的两种、三种或四种矾配制成两矾、三矾或四矾防水剂。如在配制四矾防水剂时，先将明矾（钾铝矾）、蓝矾（硫酸铜）、红矾（重铬酸钾）和紫矾（铬矾）各1份，加入到60份100℃水中溶解，然后将四矾水溶液放入400份水玻璃溶液中，搅拌均匀即可。四矾防水剂在1min内凝结，如将四矾防水剂与水泥浆混合，可用于堵塞漏洞、裂缝和局部抢修。因为凝结过快，不宜用于调配防水砂浆。

（4）加固地基。

将模数为2.5～3的液态水玻璃和氯化钙溶液交替压入地基，两种溶液发生化学反应如下：

Na₂O·nSiO₂+CaCl₂+xH₂O—→2NaCl+nSiO₂ ·（x-1）H₂O+Ca（OH）₂

产物中的硅酸胶体，将土壤颗粒包裹并填充其孔隙；它是一种吸水膨胀的凝胶，可因吸收地下水而经常处于膨胀状态，阻止水分的渗透和使土壤固结。产物中的氢氧化钙也可与氯化钙反应生成氧氯化钙，同样也起胶结和填充孔隙的作用。

四、镁质胶凝材料

镁质胶凝材料主要化学成分为氧化镁，是一种白色或浅黄色粉末，又称菱苦土。它是一种气硬性胶凝材料，其原材料有天然菱镁矿、蛇纹石或者从海水中提炼的菱苦土等。菱苦土的生产与石灰相近，原料中的碳酸镁经高温（750～850℃）煅烧生成氧化镁。火候适

当的菱苦土密度为3.1～3.4g/cm³，堆积密度一般为800～900kg/m³。

1.菱苦土的水化及特性

菱苦土直接加水搅拌，生成氢氧化镁，松散无胶结能力。常用制备好的氯化镁、硫酸镁、氯化铁或硫酸亚铁等溶液拌和，其中效果最好的是氯化镁溶液。采用氯化镁拌和菱苦土时，凝结硬化快，硬化后强度可达40～60MPa，常称为氯氧镁水泥。

硬化后的菱苦土具有一定强度；吸湿性强、耐水性差；硬化过程中体积微膨胀；硬化后呈弱碱性，对钢筋有腐蚀作用。

2.菱苦土的应用

（1）地面材料。

用菱苦土、木屑、滑石粉和石英砂等制作的地面，具有隔热、防火、无噪声、防爆及一定弹性等特点。

（2）制作平瓦、波瓦等。

以玻璃纤维为加筋材料，可制成抗折强度高的玻纤波形瓦。掺入适量的粉煤灰、沸石粉等改性材料，并经过防水处理，可制成氯氧镁水泥平瓦、波瓦等。

（3）刨花板。

将刨花、亚麻或其他木质纤维材料与菱苦土混合后，压制成平板，主要用于墙的复合板、隔板和屋面板等。

菱苦土运输和储存时应避光和免于受潮，并不可久存。