3.1 气硬性胶凝材料

3.1.1 石灰

石灰是一种古老的建筑材料，具有原材料蕴藏丰富、分布广、生产工艺简单、成本低廉、使用方便等特点，所以至今仍被广泛应用于建筑工程中。

1.生石灰的生产

生石灰（图3-2）是以碳酸钙为主要成分的石灰石、白垩等为原料，在高温煅烧下所得的产物，其主要成分是氧化钙。煅烧反应如下：

生石灰是一种白色或灰色块状物质，主要成分是氧化钙。正常温度下煅烧得到的石灰具有多孔结构，内部孔隙率大，晶粒细小，表观密度小，与水作用速度快。烧制过程中，往往由于石灰石原料尺寸过大或窑中温度不均匀等原因，生石灰中残留有未烧透的内核，这种石灰称为“欠火石灰”。另一种情况是由于烧制过程中温度过高或时间过长，使得石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰熟化十分缓慢，使用时会影响工程质量。

2.生石灰的熟化与硬化

（1）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。其反应式如下：

（2）熟化特点：①石灰熟化时放出大量的热量，②体积膨胀1～2.5倍。

（3）过火石灰的危害及消除：生石灰中常含有过火石灰，过火石灰表面有一层深褐色熔融物。石灰熟化极慢，为了避免过火石灰在使用后，因吸收空气中的水蒸气而逐步水化膨胀，造成硬化砂浆或石灰制品产生隆起、开裂等破坏，石灰浆应在储灰池中“陈伏”两周以上。陈伏期间，石灰浆表面应留有一层水，与空气隔绝，以免石灰碳化。

（4）石灰的硬化

石灰浆体的硬化包含干燥、结晶和碳化3个交错进行的过程。在石灰浆体中由于水分的蒸发或被砌体吸收使Ca（OH） ₂ 的浓度增加，获得一定的强度。随着水分继续减少,Ca（OH） ₂ 逐渐从溶液中结晶出来，形成结晶结构，使强

度继续增加。Ca（OH） ₂ 与潮湿空气中的CO ₂ 反应生成CaCO ₃ （称为碳化），新生成的CaCO ₃ 晶体相互交叉连生或与Ca（OH） ₂ 共生，构成紧密交织的结晶网，使硬化浆体的强度进一步提高。由于空气中的CO ₂ 浓度低，且表面形成碳化层后,CO ₂ 较难深入内部，故自然状态下的碳化过程十分缓慢。

从石灰浆体的硬化过程可以看出，石灰浆体硬化速度慢，硬化后强度低，耐水性差。

3.石灰的品种及技术性质

石灰有以下两种分类方法。

（1）按化学成分分类

按生石灰的化学成分分为钙质石灰和镁质石灰两类。钙质石灰主要由氧化钙或氢氧化钙组成，镁质生石灰主要由氧化钙和氧化镁（MgO>5%）或氢氧化钙和氢氧化镁组成。根据化学成分的含量每类分成各个等级，见表3-1。

（2）按加工情况分类

按石灰加工方法不同分为块灰和石灰粉、消石灰粉、石灰膏及石灰乳。

块灰是直接高温煅烧所得的块状生石灰，其主要成分是CaO。块灰是所有石灰品种中最传统的一个品种。

磨细生石灰粉由块灰经破碎、磨细而成，然后包装成袋待用。

生石灰粉熟化快，不需提前消化，直接加水使用即可。生石灰粉具有提高功效、节约场地、改善施工环境、硬化速度快、强度提高等优点及成本高、不易储存等缺点。

（3）石灰的技术性质

建筑生石灰的技术要求见表3-2及3-3。

石灰膏是由消石灰和一定量的水组成的具有一定稠度的膏状物，其主要成分是Ca（OH） ₂ 和H ₂ O。

石灰乳是由生石灰加入大量水熟化而成的一种乳状液，主要成分是Ca（OH） ₂ 和H ₂ O。

4.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。石灰浆的碳化很慢，且Ca（OH） ₂ 结晶量很少，因而硬化慢、强度很低。如石灰砂浆（1∶3）28 d的抗压强度通常只有0.2～0.5 MPa,不宜用于重要建筑物的基础。

②可塑性好，保水性好。生石灰熟化成的石灰浆具有良好的保水性和可塑性，用来配制建筑砂浆可显著提高砂浆的和易性，便于施工。

③硬化后体积收缩较大（图3-4）。石灰浆在硬化过程中要蒸发掉大量水分，引起体积收缩，易出现干缩裂缝，因此除调成石灰乳做薄层粉刷外，不宜单独使用。使用时常在其中掺加砂、麻刀、纸筋等，以抵抗收缩引起的开裂和增加抗拉强度。

④耐水性差（图3-5）。石灰不宜用于潮湿环境及受水侵蚀部位。

⑤吸湿性强。石灰吸湿性强，保水性好，是传统的干燥剂。

（2）石灰的应用

石灰是建筑工程中应用量较大的建筑材料之一，其常见的用途如下。

①广泛用于建筑室内粉刷。石灰砂浆和石灰乳涂料将熟化好的石灰膏或石灰粉加水稀释成石灰乳，用作内墙及天棚粉刷的涂料，起增强室内美观和亮度的作用。目前基本被各类装修涂料代替。

②用于配制建筑砂浆。如果掺入适量的砂或水泥和砂，即可配制成石灰砂浆或混合砂浆，用于墙体砌筑或内墙、顶棚抹面。

③配制三合土和灰土（图3 6）。石灰粉与黏土按一定比例加水拌合后，可制成石灰土，或与黏土、砂石、炉渣等填料拌制成三合土，夯实后主要用在一些建筑物的基础、地面的垫层和公路的路基上。其强度和耐久性比石灰或黏土都要高。

④制作碳化石灰板。石灰粉还可与纤维材料（如玻璃纤维）或轻质骨料加水拌合成型，然后用CO ₂ 进行人工碳化，制成碳化石灰板。其加工性能好，适合做非承重的内隔墙板、天花板。

⑤生产硅酸盐制品。石灰粉可与含硅材料混合（如天然砂、粉煤灰、炉渣等）经加工制成硅酸盐制品，如灰砂砖、粉煤灰砖、砌块等，主要用作墙体材料。

（3）石灰的储存

生石灰会吸收空气中的水分和CO ₂ 生成CaCO ₃ 固体，从而失去胶凝性能。所以生石灰在储存时要防止受潮，且时间不宜太长。另外，石灰熟化时要放出大量的热，因此应将生石灰与可燃物分开保管，以免引起火灾。

3.1.2 建筑石膏

石膏资源丰富，生产工艺简单。它是以硫酸钙为主要成分的矿物，以石膏中结晶水的多少不同，可形成多种性能不同的石膏。石膏及石膏制品具有轻质、高强、隔热、耐火、吸声、容易加工等一系列优良性能，是一种有发展前途的新型建筑材料。

1.石膏的生产

将天然二水石膏或工业副产石膏（主要成分为CaSO ₄ ·2H ₂ O），经加热脱水后，制得的主要成分为β型半水石膏，即为熟石膏。其反应式如下：

将此熟石膏磨细得到的白色粉末为建筑石膏。其晶粒细小，需水量较大，因而孔隙率较大，强度较低。但若将二水石膏蒸压加热至125℃时，则能得到α型半水石膏，将其磨细得到的白色粉末为高强石膏。其晶粒较大，比表面积小，需水量也很小，硬化后密实度大，强度高。主要用于室内高级抹灰、装饰制品和石膏板等，若掺入防水胶可制成高强度抗水石膏，在潮湿的环境中使用。

2.建筑石膏的凝结硬化

建筑石膏与水拌合后，很快与水发生水化反应，反应式如下：

建筑石膏与适量的水混合后，起初形成均匀的石膏浆体，半水石膏遇水后生成二水石膏；而二水石膏的溶解度仅为半水石膏溶解度的1/5,所以二水石膏很快饱和，不断从过饱和溶液中沉淀而析出胶体微粒。随着水化的不断进行，石膏浆体中的水分因水化和蒸发而减少，浆体的稠度不断增加，胶体凝聚并转变为晶体。晶体颗粒间相互搭接、交错、共生，使浆体完全失去可塑性，产生强度、硬化，最终成为具有一定强度的人造石材。

3.建筑石膏的技术性质

建筑石膏呈白色粉末状，密度一般为2.60～2.75 g/cm ³ ,堆积密度一般为800～1 000 kg/m ³ 。根据《建筑石膏》（GB/T 9776—2022）规定，建筑石膏按2h湿抗折强度分为4.0、3.0、2.0三个等级。其中强度、细度和凝结时间三个指标均应满足各等级的技术要求，见表3-4。

指标中若有一项不合格，则判定该产品不合格。

4.建筑石膏及其制品的特性

（1）凝结硬化很快，强度较低。建筑石膏与水拌合后，在常温下几分钟可初凝,30 min以内可达终凝。在室内自然干燥状态下，达到完全硬化约需一周。若要加快石膏的硬化，可以对制品进行加热或掺促凝剂。

（2）硬化时体积略微膨胀。建筑石膏硬化过程中体积略有膨胀，膨胀值约1%，硬化时不出现裂缝，硬化后表面光滑饱满，干燥时不开裂，能够制成造型棱角分明的石膏饰件。

（3）孔隙率大，体积密度小，保温隔热性能好，吸声性能好等。为了保证石膏浆体在施工中有一定的流动性，实际加水量是理论上的好几倍，多余水分挥发后，留下大量孔隙，石膏硬化后孔隙率可达50%～60%。因此建筑石膏质轻、隔热、吸声性好，且具有一定的调温调湿性，是良好的室内装饰材料，但石膏制品的强度低、吸水率大。

（4）耐水性差，抗冻性差。石膏制品软化系数小，耐水性差，若吸水后受冻，将因水分结冰而崩裂，故建筑石膏的耐水性和抗冻性都较差，不宜用于室外。

（5）防火性能良好。石膏硬化后的结晶物CaSO ₄ ·2H ₂ O遇火时，石膏制品中一部分结晶水蒸发吸收热量，并在表面生成具有良好绝热性的无水石膏，起到阻止火焰蔓延和温度升高的作用，所以石膏有良好的防火性。

（6）具有一定的调温调湿性能。石膏凝结硬化后，开口孔和毛细孔的数量增多，使其具有较强的吸湿性，可以调节室内空气的湿度。

（7）石膏制品具有良好的可加工性，且装饰性能好。建筑石膏在加工时可以采用多种加工方式，如锯、刨、钉、钻、螺栓连接等。石膏颜色洁白、材质细密，采用模具经浇筑成型后，可形成各种图案，质感光滑，具有较好的装饰效果。

5.石膏的应用

建筑石膏不仅具有如上所述的许多优良性能，而且还具有无污染、保温绝热、吸声、阻燃等方面的优点，一般做成石膏抹面灰浆、建筑装饰制品和石膏板等。

（1）室内抹灰及粉刷

建筑石膏加水和砂拌合成石膏砂浆，可用于室内抹灰面，具有绝热、阻火、隔音、舒适、美观等特点。抹灰后的墙面和天棚还可以直接涂刷油漆及粘贴墙纸。建筑石膏加水和缓凝剂调成石膏浆体，掺入部分石灰可用做室内粉刷涂料，粉刷后的墙面光滑、细腻、洁白美观。

（2）装饰制品

以石膏为主要原料，掺加少量的纤维增强材料和凝胶料，加水搅拌成石膏浆体，利用石膏硬化时体积微膨胀的性能，可制成各种石膏雕塑、饰面板及各种装饰品（图3-7）。

（3）石膏板

石膏板具有轻质、隔热保温、吸声、防火、尺寸稳定和施工方便等性能，在建筑工程中得到广泛使用。我国目前生产的石膏板主要有纸面石膏板、石膏空心条板、石膏装饰板、纤维石膏板等（图3 8）。

（4）水泥生产中，做水泥的缓凝剂

为了延缓水泥的凝结，在生产水泥时需要加入天然二水石膏或无水石膏作为水泥的缓凝剂。

6.建筑石膏运输及储存

建筑石膏在存储和运输的过程中，应防止受潮和混入杂物。储存时间不宜超过三个月，超过三个月的建筑石膏，应重新进行检验，然后确定其等级。建筑石膏一般是采用袋装，包装袋上应标有产品标记、生产厂名、生产批号、出厂日期、质量等级、商标和防潮标志。

3.1.3 水玻璃

水玻璃（图3-9）又称泡花碱，由不同比例的碱金属化合物（如纯碱）和二氧化硅（如石英砂）在玻璃熔炉中熔融而成的一种气硬性胶凝材料。水玻璃可分为硅酸钠水玻璃和硅酸钾水玻璃等，其中硅酸钠水玻璃最常用。

1.水玻璃的硬化

水玻璃溶液在空气中吸收二氧化碳形成无定形硅酸凝胶，并逐渐干燥而硬化。

这一过程进行得很慢，在使用过程中，需将水玻璃加热或加入氟硅酸钠作为促硬剂，促进硅酸凝胶析出，加快水玻璃的硬化速度。

氟硅酸钠的适宜用量为水玻璃质量的12%～15%，若掺量太少，则硬化慢、强度低，未反应的水玻璃易溶于水，耐水性变差；若掺量太多，又会引起凝结过速，施工困难，且渗透性大、强度低。

2.水玻璃的特性

（1）耐热性好

硬化后的水玻璃的主要成分是硅酸凝胶，在高温下分解，强度不因此降低，反而有所增加。

（2）耐酸性好

水玻璃硬化后的硅酸凝胶，具有很强的耐酸腐蚀性，能抵抗多数无机酸、有机酸侵蚀，尤其是在强氧化酸中，其化学稳定性仍较强，可以配制耐酸砂浆和耐酸混凝土。

（3）黏结性能强

水玻璃硬化后具有较高的强度，用水玻璃拌制的混凝土抗压强度能达到15～40 MPa。

3.水玻璃的应用

（1）水玻璃可用做涂料材料。水玻璃可以涂刷在天然石材、烧结砖、水泥混凝土和硅酸盐制品表面或侵入到多孔材料，从而提高其密实度，可以在材料原有的基础上增强强度、耐久性。

（2）配制防水剂。以水玻璃和二、三、四、五种矾制成的防水剂，分别成为二矾、三矾、四矾或五矾防水剂。这种防水剂凝结时间很快，适用于抢修工程，如堵洞、缝隙。

（3）配制耐酸材料。水玻璃与耐酸粉料、粗细骨料作用在一起，可以配制耐酸砂浆和耐酸混凝土等，用于防腐工程中。

（4）配制耐热材料、耐火材料。水玻璃耐高温性能良好，能承受一定高温作用而强度不降低，可与耐热骨料一起配制成耐热砂浆、耐热混凝土。

（5）加固土壤和地基。将水玻璃液与氯化钙溶液交替灌入土壤中，两种溶液发生化学反应，能析出硅酸胶体起胶凝作用，可以填充土壤孔隙，增加土壤的密实度和强度，可加固地基（图3-10）。 Vgudya4h8L+cNWoEBrkhIdswg6Jq6kHNDsBD02v1sbgBPlUKyuOxKLGeV1HA5g7o