任务二
掌握气硬性胶凝材料
——石灰、石膏的性能

任务描述与分析

石灰、石膏是土木工程中使用较早的矿物胶凝材料。因其原材料蕴藏丰富、分布广，生产工艺简单，成本较低，使用方便，具有较好的建筑性能，至今仍有广泛用途。本任务主要学习石灰的熟化，石灰、石膏的硬化，石灰及石膏的性能等知识。

知识与技能

（一）石灰

1.石灰的生产及分类

1）石灰的生产

生产石灰的主要原料是以碳酸钙（CaCO ₃ ）为主要成分的天然岩石，如石灰石（图2-2）、白云石等，原料中要求黏土杂质含量应小于 8%。将石灰原料在窑炉（图2-3）中高温煅烧，可分解成块状、粒状或粉状生石灰，简称石灰（图2-4），生石灰的主要成分是氧化钙（CaO）。

生产石灰时，煅烧温度的高低对石灰质量有很大影响。正常煅烧温度（1 000℃左右）和煅烧时间所得的煅烧良好的石灰称为正火石灰，其质轻色匀，产浆量高。若煅烧温度低或煅烧时间短，石灰表层部分为正火石灰，而内部会有未分解的石灰石硬心，则称为欠火石灰。欠火石灰产浆量低，降低了石灰的利用率，属于废品石灰。若煅烧温度过高或高温持续时间过长，则产生过火石灰。过火石灰颜色较深，密度较大，表面常被黏土杂质融化形成的玻璃釉状物包裹，熟化很慢，当石灰浆体硬化后，其中过火颗粒才开始熟化，使局部体积膨胀，引起硬化砂浆或石灰制品隆起和开裂，影响工程质量。过火石灰经陈伏后可以使用。

石灰原料中还含有少量的碳酸镁（MgCO ₃ ），经煅烧后生成氧化镁（MgO）。由于MgO的烧成温度比CaO低，当石灰烧成时，MgO已达到过火状态，结构致密，水化速度很慢。因此，当其含量过多时，对石灰的使用也会产生不利影响。

2）石灰的分类

（1）石灰按煅烧温度不同，分为欠火石灰、过火石灰、正火石灰。

（2）石灰按MgO含量不同，分为钙质石灰（MgO的质量分数≤5%时）、镁质石灰（MgO的质量分数> 5%时）。

2.石灰的熟化和硬化

1）石灰的熟化

石灰在使用前，一般要加水拌和，生石灰与水作用生成熟石灰的过程称为石灰的熟化（也叫石灰的消化、消解），生石灰又称为消石灰，即氢氧化钙[Ca（OH） ₂ ]。

生石灰在熟化过程中放出大量热量（称水化热），体积迅速增加 1~2.5 倍。一般煅烧良好、杂质少、氧化钙含量高的生石灰熟化较快，放出的热量和体积增大也较多。

根据熟化时加水量的多少，可将生石灰分别熟化为石灰膏、石灰乳（浆）、消石灰粉三种成品。

（1）石灰膏。将块状生石灰放入化灰池中，用过量的水熟化成石灰乳，然后经筛网流入储灰池，石灰乳经沉淀两周后除去多余的水分得到的膏状物即为石灰膏，其主要成分为氢氧化钙和水。为了消除过火石灰对工程的危害，在使用前必须使其完全熟化或将其去除。常采用的方法是在熟化过程中先将较大的过火石灰块利用筛网等去除（同时也去除较大的欠火石灰块），然后让石灰乳浆在储灰池中存放两周以上，即“陈伏”，使较小的过火石灰块熟化，如图25 所示。陈伏期间，石灰乳浆表面应保持一定厚度的水层，以隔绝空气，避免碳化。

（2）石灰乳（浆）。石灰乳（浆）是由石灰加过量的水而得到的浆体，其主要成分为氢氧化钙和水。

（3）消石灰粉（又称熟石灰粉）。消石灰粉是在生石灰中均匀加入适量的水，熟化得到的粉状熟石灰粉，其主要成分为氢氧化钙，加水量以能充分熟化而又不过湿成团为宜。工地现场常采用淋灰（在生石灰中均匀加入适量的水，熟化得到的粉状熟石灰粉）的方法制得。

由于工地现场石灰熟化释放热量和粉尘不符合施工现场环保的要求，目前已较少在施工现场陈伏处理和喷淋熟化，多在工厂中将块状生石灰加工成生石灰粉、消石灰粉、石灰膏或石灰乳（浆），再供应使用，如图2-6 所示。现在市场上出现的袋装生石灰粉，可不预先熟化、陈伏而直接使用，既环保又省时，因其施工质量好等优点而被大量广泛地使用，如图2-7 和图2-8 所示。

2）石灰的硬化

石灰在空气中的硬化，包括以下两个同时交错进行的过程：

（1）干燥结晶过程。石灰浆体在干燥过程中水分逐渐蒸发，氢氧化钙逐渐结晶析出，并使浆体紧缩而产生强度。

（2）碳化过程。浆体中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳和水作用，生成碳酸钙并析出水，蒸发而使石灰硬化。

氢氧化钙的结晶作用主要发生在内部，碳化作用主要发生在与空气接触的表面。当表面生成致密的碳酸钙薄膜后，不但阻碍二氧化碳往内部渗入，同时也阻碍了内部水分向外蒸发，使氢氧化钙结晶、碳化作用进行得也较慢，因此石灰的硬化是一个相当缓慢的过程。

从上述两个硬化过程可以看出，它们都需要在空气中才能进行，也只能在空气中才能继续发展并提高其强度。因此石灰是气硬性胶凝材料，只能用于干燥环境的建筑工程中，不能用于潮湿环境或水中，否则不能完成硬化。

3.石灰的特性

（1）可塑性和保水性好。因氢氧化钙离子表面可吸附水膜，降低颗粒之间的摩擦，所以生石灰熟化成的石灰膏具有良好的可塑性和保水性。将其掺入水泥砂浆中，砂浆的和易性显著提高，便于施工。

（2）凝结硬化慢、强度低。从石灰浆体的硬化过程可以看出，石灰是硬化缓慢的材料。硬化浆体的主要水化产物是氢氧化钙和表面少量的碳酸钙，由于氢氧化钙强度较低，故硬化浆体的强度也较低，不能用于强度要求较高的部位。

（3）耐水性（材料抵抗水破坏作用的性质）差。石灰水化产物氢氧化钙易溶于水，硬化后若长期受潮或被水浸泡会溶解溃散，因此石灰不能用于潮湿环境和水中，也不宜单独用于建筑物基础。

（4）硬化时体积收缩大。石灰浆体在硬化过程中，由于蒸发出大量的水分，引起体积收缩，会使石灰制品开裂，所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。工程上应用时，常在石灰中掺入砂、麻刀、纸筋等，以抵抗收缩引起的开裂，增加抗拉强度。

（5）吸湿性强。块状生石灰在放置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。储存生石灰，不但要防止其受潮，而且不宜储存过久。

4.石灰的质量评定

建筑工程中所用的石灰常分三个品种：建筑生石灰、建筑生石灰粉和建筑消石灰粉。在评定它们的质量时，应按照国家技术标准，对石灰进行有效成分含量、未消化残渣含量、产浆量等项目的测定来评定其等级。生石灰中正火石灰含量越多，熟化产浆量越多，未消化残渣含量越少，石灰质量越好。此外，还可进行外观检测，欠火石灰中部颜色比边缘深，质量重，外部疏松中间硬；过火石灰色暗带灰黑色，质量重，质硬，结构紧密；正火石灰呈白色或灰黄色，质量轻，疏松均匀。石灰中的有效成分是指CaO和MgO；未消化残渣是指粒径大于 5 mm的过火石灰颗粒和欠火石灰颗粒。

（二）石膏

1.建筑石膏的生产与凝结硬化

1）建筑石膏的生产

将石膏生产原料经过破碎、加热、磨细制得的一种白色粉末状材料称为石膏胶凝材料，简称石膏。

生产建筑石膏的主要原料是天然二水石膏（又称生石膏或软石膏，见图2-9）或工业副产石膏（化学石膏），其主要成分为二水硫酸钙（CaSO ₄ ·2H ₂ O）。

将二水石膏（CaSO ₄ ·2H ₂ O）在不同温度和压力下煅烧，会得到结构和性能都不同的石膏产品。

（1）建筑石膏。建筑石膏又称为β型半水石膏（图2-10），是由天然石膏或工业副产石膏经加热脱水处理制得的，以β型半水硫酸钙 为主要成分，不预加任何外加剂或添加物的粉状胶凝材料（图2-11）。生产建筑石膏的温度（107~170℃）较低，工艺简单，能耗小，成本低，因此石膏是一种理想的高效节能新型建筑材料，在建筑工程中应用最为广泛。建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时间三个指标。

（2）高强石膏。高强石膏又称为α型半水石膏，将二水石膏在 0.13 MPa的水蒸气（125 ℃）中蒸炼而得的α型半水石膏 ，经磨细而得到的白色粉末称为高强石膏。该石膏硬化后结构密实、强度高，但生产成本高，主要用于室内高级抹灰，制作石膏线、石膏板等。β型半水石膏与α型半水石膏统称为熟石膏。

（3）硬石膏。硬石膏又称无水石膏，是将天然二水石膏在较高温度（大于 170℃）下煅烧后磨细而得到的产品。硬化后，强度和耐磨性较高，抗水性也较好，可用于制作石膏砂浆、铺设地面等。

2）建筑石膏的凝结硬化

建筑石膏（β型半水石膏或β型半水硫酸钙）与适量水拌和后，很快与水发生化学反应（水化）生成二水石膏，最初形成可塑性良好的浆体，但很快就失去塑性而发生凝结硬化，继而发展成为固体，这个过程称为建筑石膏的凝结硬化。在这个过程中，随着水分的蒸发和水化的进行，水分逐渐减少，浆体逐渐变稠而开始失去可塑性，称为初凝。之后，随着时间的增加，浆体继续变稠而完全失去可塑性，并开始产生结构强度，称为终凝。石膏终凝后，直到水分完全蒸发，结构强度得以充分增长，这个过程即为建筑石膏的硬化。

2.建筑石膏的特性

（1）凝结硬化快。初凝不小于 3 min，终凝不大于 30 min，7 d左右完全硬化。由于初凝快，为满足施工操作往往需要掺适量的缓凝剂，如动物胶、硼砂或柠檬酸等。

（2）凝结硬化时体积微膨胀。与一般胶凝材料凝结硬化时常常产生收缩不同，石膏在凝结硬化初期会产生体积微膨胀，这使得石膏制品表面光滑细腻，轮廓清晰，形状饱满，而且干燥时不易开裂。

（3）硬化后孔隙率（在材料自然体积中孔隙体积所占的比例）高，质轻但强度低。石膏制品硬化后的孔隙率可达 50%~60%，从而使石膏制品质量轻、强度低，因此不能用于制作承重构件。

（4）保温、隔热性和吸声性良好。石膏制品孔隙率大、吸声性好、导热性能小，因此常用于制作吸声及保温制品。

（5）防火性较好，但耐火性较差。建筑石膏制品的主要成分二水石膏遇火后，结晶水蒸发，并吸收能量，在制品表面形成蒸汽幕，能有效阻止火势蔓延。但石膏制品不宜长期在 65℃以上的高温环境中使用，以免因二水石膏脱水而降低强度。

（6）具有一定的调温、调湿性。石膏制品多孔，吸湿性（材料在潮湿空气中吸收水分的性质）强，当空气湿度过大时，能很快地吸水，起到调节室内湿度的作用。由于热容量[材料受热（或冷却）时吸收（或放出）热量的性质]大，室内温度可得到一定的调节。

（7）耐水性、抗冻性（材料在吸水饱和状态下能经受多次冻融循环作用而不被破坏，同时也不严重降低强度的性质）差。石膏制品多孔、吸水性强，受水浸湿后产生变形且强度低，受冻后会结冰而产生崩裂，故不宜用于室外和潮湿部位。

（8）加工性能及装饰性能好。石膏制品表面光滑细腻，图案清晰饱满，轮廓分明，且可锯、可刨、可钉。

拓展与提高

水玻璃

水玻璃是由不同比例的碱金属和二氧化硅组成的一种能溶于水的硅酸盐，俗称泡花碱，是一种气硬性胶凝材料。其主要技术性能有黏结性好、耐高温、耐酸性好，主要用于配制耐酸、耐热砂浆和混凝土，加固地基，作为涂刷或浸渍材料。

思考与练习

（一）填空题

1.生石灰的主要成分是___。生产建筑石膏的主要原料是___或___，其主要成分为___。

2.按煅烧温度不同，石灰分为___、___、___；氧化镁的质量分数大于 5%时，称为___石灰。

3.石灰加工后的产品主要有___、___、___、石灰乳（浆）。

4.生石灰在熟化时放出大量___，体积迅速___；石灰硬化时蒸发大量的___，体积收缩___。

5.石灰乳浆陈伏时，表面应保持一定厚度的水层，主要是为了防止石灰___。

6.生石灰与水作用生成熟石灰的过程称为石灰的___。

7.建筑石膏从加水拌和直到浆体开始失去可塑性的过程称为___；从加水拌和直到浆体完全失去可塑性的过程称为___。

（二）简答题

1.生石灰、熟石灰、硬化中的石灰、生石膏、熟石膏的主要成分分别是什么？

2.何谓石灰熟化？何谓淋灰？石灰硬化包括哪些过程？

3.何谓陈伏？石灰在使用前为什么要进行陈伏？

4.石灰的特性有哪些？石膏的特性有哪些？

5.如何评定石灰的质量好坏？

6.为什么说石灰的硬化是一个相当缓慢的过程？

7.简述建筑石膏生产制备方法及凝结硬化机理。 4xA/aN42eCnu5faDgKxVpkx8ZgpllSU/+kOMnB/bRiIcDchP/amKeSayQB10Udqd