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石灰是建筑史上使用最早的胶凝材料之一。因其原材料分布范围广，生产工艺简单，成本低，使用方便，所以在建筑工程中仍被广泛应用。
石灰的生产原料是以碳酸钙（CaCO 3 ）为主要化学成分的石灰石（图3.1）、白云石、白垩、贝壳等，其中也含有少量碳酸镁和黏土等杂质。
图3.1 石灰石
图3.2 生石灰
石灰在窑内煅烧，在适当的温度（900~1 000℃）下，碳酸钙加热分解，得到以氧化钙为主要成分的物质——生石灰（图3.2）。工艺流程如图3.3所示，其煅烧化学反应式为：
图3.3 石灰窑工艺流程
煅烧后的生石灰（CaO）呈白色或微黄的块状，将其磨成细粉可以得到生石灰粉。若煅烧温度过高或煅烧试件过长，会生成颜色较深、密度较大的过火石灰；若煅烧温度过低、煅烧时间不足或原料尺寸过大，会生成未烧透的欠火石灰。过火石灰熟化慢，硬化后体积膨胀会引起墙体鼓包和开裂，影响工程质量。欠火石灰产浆量低，黏结能力差，从而降低了石灰的利用率。
石灰吟
千锤万凿出深山，
烈火焚烧若等闲。
粉骨碎身浑不怕，
要留清白在人间。
石灰的熟化又称为石灰的消化或消解，是指生石灰（CaO）与水反应生成熟石灰[Ca（OH） 2 ]的过程。熟石灰又称为消石灰，其化学反应式为：
CaO+H 2 O→Ca（OH） 2 +64.9 kJ
石灰的熟化过程速度非常快，并释放出大量的热，体积膨胀1~2.5倍，故石灰在熟化过程中应注意安全，防止烫伤。
工程中石灰熟化的方法有两种：
①制消石灰粉。工地调制消石灰粉时常用淋灰法（图3.4），即每堆放50 cm高的生石灰块，淋60%~80%的水，直到数层，使之充分消解而又不过湿成团。工厂集中生产的消石灰粉可作为产品销售。
②化灰法。石灰在化灰池中熟化成石灰浆，通过筛网流入储灰坑，石灰浆在储灰坑中沉淀并除去上层水分后形成石灰膏，主要用于拌制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆，如图3.5所示。
如石灰中混有过火石灰，会给工程质量造成严重影响。过火石灰结构致密，熟化速度较慢。当石灰抹灰层中含有这种石灰时，正常石灰都已经硬化了，它才开始慢慢吸收空气中的水分继续熟化，产生体积膨胀，致使墙面出现鼓包、开裂。为了消除这种影响，生石灰在使用前要进行沉伏处理。沉伏是指把熟化好的石灰膏或石灰乳放在储灰坑中两周以上，使过火石灰得到充分熟化的过程。沉伏期间，为防止石灰和空气中的二氧化碳发生碳化反应，石灰膏表面应保留一层水分，使其与空气隔绝。
图3.4 淋灰法
图3.5 化灰法
石灰浆体在空气中硬化是两个同时进行的物理变化和化学反应的过程。
石灰浆体中的游离水分一部分被蒸发掉（会引起体积收缩），另一部分被砌体吸收。微溶于水的Ca（OH） 2 从溶液中结晶析出，生成的晶体颗粒越来越多，相互靠拢粘连，逐渐结合成固体。
石灰浆体表面的氢氧化钙与空气中的二氧化碳结合，反应生成碳酸钙，其化学反应式为：
Ca（OH） 2 +CO 2 +H 2 O→CaCO 3 +H 2 O
该反应实际上是二氧化碳与水结合生成碳酸，再与氢氧化钙作用生成碳酸钙。碳化作用生成的碳酸钙晶体与氢氧化钙晶体交叉连接，形成网状结构，使石灰具有一定的强度。表面形成的碳酸钙结构致密，会阻碍二氧化碳进入内部，且空气中的二氧化碳浓度很低，因此，石灰的硬化是一个非常缓慢的过程。
分析图3.6中两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别？并说明其成因。
图3.6 两种已硬化的石灰砂浆
根据石灰中氧化镁含量的多少，可以分为钙质生石灰和镁质生石灰。钙质生石灰中MgO的含量不高于5%，镁质生石灰中MgO的含量高于5%。
按煅烧温度和时间不同，可以分为欠火石灰、正火石灰和过火石灰。
按成品加工方法的不同，可以分为生石灰块、生石灰粉（图3.7）、消石灰粉（图3.8）、石灰乳（图3.9）、石灰膏（图3.10）。
图3.7 生石灰粉
图3.8 消石灰粉
图3.9 石灰乳
图3.10 石灰膏
土木工程中用的建筑生石灰的技术性能应满足《建筑生石灰》（JC/T 479—2013）规定的技术指标要求，见表3.1—表3.3。
标记：生石灰的识别标志由产品名称、加工情况和产品依据标准编号组成。生石灰块在代号后加Q，生石灰粉在代号后加QP。
示例：符合JC/T 479—2013的钙质生石粉90，标记为CL 90-QP JC/T 479—2013。
说明：CL——钙质石灰；90——（CaO + MgO）百分含量；QP——粉状；JC/T 479—2013——产品依据标准。
表3.1 建筑生石灰的分类
表3.2 建筑生石灰的化学成分
表3.3 建筑生石灰的物理性质
续表
土木工程中用的建筑消石灰的技术性能应满足《建筑消石灰》（JC/T 481—2013）规定的技术指标要求，见表3.4和表3.5。
标记：消石灰的识别标志由产品名称和产品依据标准编号组成。
示例：符合JC/T 481—2013的钙质消石灰90标记为HCL 90 JC/T 481—2013。
说明：HCL——钙质消石灰；90——（CaO+MgO）百分含量；JC/T 479—2013——产品依据标准。
表3.4 建筑消石灰的化学成分
注：表中数值以试样扣除游离水和结合水后的干基为基准。
表3.5 建筑消石灰的物理性质
①有良好的保水性和可塑性。生石灰熟化成石灰浆时，形成了颗粒极细的、呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚水膜。用石灰调成的石灰砂浆其突出的优点是具有良好的可塑性，使用时易铺成均匀的薄层。因此，通常在水泥砂浆中掺入石灰浆可以提高其可塑性和保水性。
②凝结硬化慢、强度低。从石灰浆体的硬化过程可以看出，由于空气中的二氧化碳稀薄，碳化甚为缓慢。而且表面碳化后，形成紧密外壳，不利于碳化作用的深入，也不利于内部水分的蒸发，因此，石灰是硬化缓慢的材料。石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后的强度也不高，如石灰砂浆（1∶3）28 d强度仅为0.2~0.5 MPa。
③吸湿性强、耐水性差。生石灰在存放过程中，会吸收空气中的水分而熟化。如存放时间过长还会发生碳化反应使石灰变质，因此在储存和运输生石灰时，要防水防潮且不宜长期储存。最好运到后即熟化成石灰浆，将储存期变为陈伏期。硬化后的石灰如果长期处于潮湿环境或水中，石灰还会溶解，强度更低。因为石灰在水中还会溃散，所以不宜用于潮湿环境或水下工程。
④硬化后体积收缩大。在石灰浆体硬化的过程中，因为大量水分蒸发，使内部网状毛细孔失水收缩，导致表面开裂，所以工程中常常需要在石灰膏中掺入砂子、纸筋、麻刀等纤维材料以减小收缩。
①配置建筑砂浆和石灰乳。用水泥、石灰膏、砂子配制成的水泥石灰混合砂浆广泛用于墙体砌筑和抹灰。用石灰膏和砂子及纸筋、麻刀配置成石灰砂浆、石灰纸筋灰、石灰麻刀灰广泛用于内墙、天棚的抹灰。
将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入大量的水搅拌稀释成为石灰乳，主要用于内墙和顶棚粉刷，可增加室内美观和亮度，是一种廉价的刷浆材料。
②配置灰土和三合土。灰土是用生石灰粉或消石灰粉和黏土按一定比例加水拌和均匀夯实而成的（图3.11）。三合土是用生石灰粉或消石灰粉、黏土、砂作为原料，按一定比例加水拌和均匀夯实而成（图3.12）。在潮湿环境中，石灰和黏土中的活性氧化硅和活性氧化铝发生化学反应，生成具有水硬性的胶凝物质——水化硅酸钙和水化铝酸钙。其强度、耐水性都得到提高，所以可用于道路基层、基础垫层。其化学反应式为：
Ca（OH） 2 +SiO 2 +H 2 O→CaO·SiO 2 +2H 2 O
图3.11 灰土
图3.12 三合土
③硅酸盐制品。用生石灰粉和硅质材料（如粉煤灰、粒化高炉矿渣、煤矸石等）加水拌和，必要时加入少量石膏，经过成型、压蒸处理等工序而制成的建筑材料，统称为硅酸盐制品，如蒸压灰砂砖（图3.13、图3.14）、加气混凝土等（图3.15）。
图3.13 灰砂空心砖
图3.14 灰砂墙体砖
图3.15 加气混凝土砌块砌体
图3.16 硅酸钙板
④硅酸钙板。硅酸钙板是一种由硅质材料（主要成分是SiO 2 ，如石英粉、粉煤灰、硅藻土等）、钙质材料（主要成分是CaO，如石灰、电石泥、水泥等）、增强纤维材料、助剂等按一定比例配合，经抄取或模压、蒸压养护等工序制成的一种新型的无机建筑材料（图3.16）。硅酸钙板是不燃A级板材，它可以在1 000℃的高温下，保证3 h不燃烧。当发生火灾时，板材不会燃烧，也不会产生有毒烟雾。硅酸钙板可以用作楼房的墙体、隔断、吊顶等，从而替代传统的红砖和砌块。
⑤加固软土地基。石灰可以用来加固软土地基。生石灰在加水熟化的过程中，体积膨胀1~2.5倍，可利用它的体积膨胀性来加固含水软土的地基。
生石灰、消石灰应分类、分等级储存在干燥的仓库内，且不宜长期储存，运到工地后最好应消化成石灰浆，将储存期变成陈伏期。
生石灰受潮消化会释放出大量热量，且体积膨胀，故储存运输要注意安全，应与可燃物分开保管，避免引起火灾。
石膏是以硫酸钙为主要成分的矿物，当石膏中含有结晶水不同时可形成多种性能不同的石膏。根据石膏中含有结晶水的多少，可分为硬石膏、天然石膏和熟石膏。
①硬石膏：以无水硫酸钙（CaSO 4 ）为主要成分的天然矿石，也称为无水石膏。结晶紧密，质地较硬，是生产硬石膏水泥的重要辅助原料。
②天然石膏（CaSO 4 ·2H 2 O）：也称为生石膏或二水石膏。大部分天然石膏为生石膏，是生产建筑石膏的主要原料。
③熟石膏（CaSO 4 ·1/2H 2 O）：也称为熟石膏或半水石膏。由生石膏加工而成，根据内部结构不同可分为α型半水石膏和β型半水石膏。
将天然石膏压蒸或煅烧加热，随温度和压力条件不同，可分别得到β型半水石膏和α型半水石膏。α型半水石膏与β型半水石膏相比，其结晶颗粒较粗，比表面积较小，拌制石膏浆体时的需水量较小，硬化后强度高，因此，α型半水石膏又称为“高强石膏”。
生产石膏的原料可以是天然石膏（CaSO 4 ·2H 2 O），也可以是一些含有硫酸钙的化工副产品及废渣。生产程序主要是低温煅烧、脱水和粉磨。二水石膏在加热时随着温度和压力条件的不同，所得产物的结构和性能各不相同。
在常压下温度达到107~170℃时，二水石膏脱水变成β型半水石膏（即建筑石膏，又称为熟石膏）。其化学反应式为：
二水石膏在0.13 MPa蒸汽压和125℃条件下，制成晶体短粗、需水量较小、强度较高的α型半水石膏，也称为高强石膏。其化学反应式为：
将天然二水石膏加热至400~700℃，石膏将完全失去水分，成为不溶性硬石膏，将其加入适量激发剂混合磨细后即为无水石膏。无水石膏主要用来制作石膏板或其他制品，也可用于室内抹灰。
建筑石膏的水化是指建筑石膏加水拌和后与水反应生成二水硫酸钙的过程。其化学反应式为：
建筑石膏与适量水拌和后，能形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体的可塑性很快消失而发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。因此，石膏易于加工成各种模型、石膏制品和板材。石膏的凝结硬化是一个连续的水解、水化、胶化和结晶的过程，如图3.17所示。
图3.17 建筑石膏凝结硬化示意图
1—半水石膏；2—二水石膏胶体微粒；3—二水石膏结晶；4—交错的晶体
二水石膏溶解度比半水石膏溶解度小很多，所以二水石膏先从饱和溶液中析晶沉淀，破坏了原有半水石膏的平衡浓度，促使半水石膏继续溶解，这一反应过程连续不断进行，直至半水石膏全部水化生成二水石膏。
随着水化反应的进行，浆体中的自由水分因水化和蒸发而不断减少，二水石膏胶体微粒数量不断增加，浆体的稠度逐渐增大，可塑性逐渐减小，表现为石膏的“凝结”。
石膏终凝后，其晶体颗粒仍在不断长大和连生，形成相互交错且孔隙率逐渐减小的结构，其强度也在不断增大，直至水分完全蒸发，形成硬化石膏结构，这一过程称为石膏的“硬化”。需要理解的是，石膏浆体的凝结和硬化实际上是交叉进行的，贯穿于整个凝结硬化全过程。
建筑石膏与石灰凝结硬化的区别。
建筑石膏为白色粉末，密度为2.60~2.75 g/cm 3 ，堆积密度为800~1 000 kg/m 3 。技术要求主要有强度、细度和凝结时间。根据《建筑石膏》（GB/T 9776—2008），按2 h强度（抗折强度）分为3.0，2.0和1.6三个等级，见表3.6。
表3.6 建筑石膏的技术要求
①凝结硬化快，硬化后体积膨胀。建筑石膏凝结硬化快，一般初凝时间不小于3 min，终凝时间不超过30 min。在室内干燥状态下，达到完全硬化需一周时间。建筑石膏在硬化过程中体积略有膨胀（0.2%~1.5%），这种微膨胀不会对石膏制品造成危害，反而能使石膏表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，没有其他材料干燥时的开裂现象。
②孔隙率大，体积密度小，强度低，保温、吸声、吸湿性能好。使用建筑石膏时，为了获得良好的流动性，加入的拌和水要比水化的理论需水量多得多。因此，石膏在硬化过程中由于多余水分的蒸发，使原来的水空间形成孔隙，造成硬化后的石膏内部形成大量微孔，硬化后的体积密度为800~1 000 kg/m 3 ，质量较小。但是抗压强度也因此下降，为3~5 MPa。受力时，石膏制品很容易被损坏。石膏孔隙率大，故导热系数小，有良好的绝热能力。其表面微孔对声音传导或反射的能力也明显下降，因而具有较强的吸声能力。大孔隙率以及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。
③耐水性和抗冻性差。建筑石膏吸湿性、吸水性大，在潮湿环境中，晶粒间结合力削弱，强度下降。在水中，甚至会溶解溃散，因此其耐水性差。另外，石膏制品受冻后会产生崩裂，故抗冻性差。
④具有短时间抗火性。硬化后的石膏主要成分是二水石膏，受高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效阻止火势的蔓延，具有良好的防火效果。
⑤洁白、细腻、装饰效果好。石膏制品表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。微孔结构使其脆性有所改善，硬度也较低，因此硬化石膏可锯、可刨、可钉，具有良好的可加工性。
①室内抹灰及粉刷。建筑石膏加砂子、水拌和成石膏砂浆，用于室内抹灰，其表面光滑、细腻、洁白、美观。石膏砂浆也可作为腻子，填平墙面的凹凸不平。
②制作各种石膏制品。建筑石膏制品种类较多，我国目前主要生产各类石膏板、石膏砌块和装饰石膏制品。
石膏板主要有纸面石膏板（图3.18）、纤维石膏板及空心石膏板等。装饰石膏制品主要有装饰石膏板、嵌装式石膏板和艺术石膏制品（图3.19—图3.21）。
图3.18 纸面石膏板
图3.19 石膏吊顶
图3.20 石膏浮雕装饰板
图3.21 石膏装饰墙板
石膏板具有质轻、保温、隔热、吸声、防火、抗震、调湿、尺寸稳定及成本低等优良性能，且可锯、可刨、可钉，加工性能好，施工方便、节能，是一种有广阔发展前景的新型轻质材料之一。
建筑石膏在运输、储存时不得受潮和混入杂物，不同等级的石膏应分别储运，不得混杂。自生产日期起算，储存期为3个月。3个月后重新进行质量检验，以确定等级。
水玻璃俗称泡花碱，是以石英砂和纯碱为原材料，在玻璃熔炉中熔融，冷却后溶解于水制成的气硬性无机胶凝材料（图3.22）。常见的水玻璃有硅酸钠水玻璃（Na 2 O· n SiO 2 ）和硅酸钾水玻璃（K 2 O·SiO 2 ）。纯净的水玻璃溶液应为无色透明液体，但因含杂质，常呈青灰色或黄绿色。
钠水玻璃分子式中的 n ，称为水玻璃模数。 n <3为碱性水玻璃， n ≥3为中性水玻璃。 n 值越大，硬化后的黏结强度、抗压强度等越高，耐水性越好，抗渗性及耐酸性也越好。因此，工程中常用的水玻璃模数为2.6~2.8，既易溶于水，又有较高的强度。
图3.22 水玻璃
水玻璃通常采用石英粉（SiO 2 ）加纯碱（Na 2 O）在1 300~1 400℃的高温下煅烧成固体水玻璃，然后在热水中溶解制得液体水玻璃产品。
水玻璃在空气中吸收二氧化碳生成无定形硅胶，并逐渐脱水干燥硬化。其化学反应式为：
Na 2 O·SiO 2 + m H 2 O+CO 2 →Na 2 CO 3 + n SiO 2 · m H 2 O
因空气中的二氧化碳含量很低，凝结硬化过程缓慢，可加热水玻璃或在其中加入硅酸氟钠Na 2 ·（Na 2 SiF 6 ），加速硅酸凝胶的析出。硅酸凝胶的适用量为水玻璃质量的12%~15%。
①黏结力强。水玻璃是建筑上常用的黏结材料和胶凝材料，硬化后具有较高的黏结强度、抗拉强度和抗压强度。
②耐酸不耐碱。硬化后的水玻璃，其主要成分是SiO 2 ，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，但不耐碱性介质侵蚀。
③耐热性好。水玻璃不燃烧，高温下硅酸凝胶更易于干燥，其强度并未降低，反而有所增加。
①涂刷材料表面，提高抗风化能力。水玻璃可以直接涂刷在黏土砖、硅酸盐制品、水泥混凝土等多孔材料表面。水玻璃硬化析出的硅酸凝胶能堵塞毛细孔隙，可使材料的密实度、强度、抗渗性、耐水性均得到提高。
②配置速凝防水剂。以水玻璃为基料，与多种矾配制成速凝防水剂，能在1 min内凝结，故工地上使用时必须做到即配即用。水玻璃适用于堵塞漏洞、缝隙等局部抢险。
③加固土壤。将模数为2.5~3的液体水玻璃和氯化钙溶液通过金属管交替向地层压入，使两种溶液发生化学反应，可析出吸水膨胀的硅酸胶体，胶结土壤颗粒并填充其空隙，阻止水分渗透并使土壤固结，常用于粉土、砂土和填土的地基加固，称为双液注浆（图3.23）。用这种方法加固的砂土，抗压强度可达3~6 MPa。
④配置耐酸、耐热砂浆和混凝土。以水玻璃为胶凝材料，选择耐酸骨料，配制耐酸砂浆、耐酸混凝土。主要用于有耐酸要求的工程，如硫酸池等。水玻璃配置的耐热砂浆和混凝土，主要用于高炉基础和其他有耐热要求的结构部位。
图3.23 双液注浆