工学第二篇品种各论之第一章.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二篇,主要品种各论,问题：,1.,胶凝材料如何分类？,2.,石膏受热时，将进行怎样的相变过程？,3.,建筑石膏为何能硬化，其性能和应用如何？,4.,石灰的生产过程、硬化机理及其主要用途如何？,5.,水玻璃为何能硬化，有何用途？,1.,定义：,凡能在物理、化学作用下，从具有可塑性的浆体逐渐变成坚固石状体的过程中，能将其他物料（如砂和石子或块状材料砖和石块）粘结为一个整体，并具有一定机械物质，统称为胶凝材料，又称胶结料。,第一章 气硬性无机胶凝材料,2.,分类,（,1,）有机胶凝材料,石油沥青、煤沥青及各种天然和人造树脂。,（,2,）无机胶凝材料,a.,气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，保持或继续发展其强度。如石膏、石灰、菱苦土和水玻璃等。,b.,水硬性胶凝材料：拌水后，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能保持或继续发展其强度。如：各种水泥。,石膏有：天然,二水石膏,，又称软石膏或生石膏，分子式为：CaSO,4,.2H,2,O；,天然无水石膏，又称天然硬石膏，分子式为：CaSO,4,;,半水石膏，分子式为：CaSO,4,.1/2H,2,O;,含CaSO,4,.2H,2,O或含CaSO,4,混合物的化工副产品及废渣（化工石膏）。如磷石膏、脱硫石膏等。,天然二水石膏,是所有石膏相中最常见的一种，通常称石膏。石膏由于含有砂、粘土、碳酸盐矿物以及氧化铁等各种杂质而呈灰、褐、赤色或灰黄色及淡红色等各中颜色。石膏矿常呈板状、叶片状、针状和纤维状晶型，少数呈柱状，有事也可见燕尾形的连生双晶。,天然二水石膏,二水石膏属单斜晶系，Ca,2+,联结SO,4,2-,四面体，构成双层的结构层，水分子则分布于双层之间。由于水分子与层状结构之间的结合力较弱，因此当加热时，层间水首先脱出而使其结晶结构发生变化。,天然硬石膏,硬石膏属正交晶系，它的单晶体呈等轴状可厚板状，集合体常呈块状可粒状，有时为纤维状。,半水石膏的结构与特性,半水石膏有型和型两面个变种它们的精细结构还不十分清楚。它们在微观结构上没有本质的区别,但两者在宏观特性上相差较大。如标准稠度需水量,前者为0.40.45,后者为0.70.85。抗压强度,前者为2440MPa,后者为710MPa。,石膏胶凝材料的制备，一般是指将二水石膏脱水成为半水石膏或其它类型的脱水石膏。,石膏制品的制备过程则是将这种半水石膏或其它脱水石膏与适当的水溶液拌合成为石膏浆，由于水化硬化作用而成为二水石膏晶体，使石膏浆体硬化并成为具有一定外形和强度的石膏制品。,二水石膏,加热脱水成为,半水石膏或其它脱水石膏；然后将脱水石膏,加水水化硬化,二水石膏结晶结构的硬化体。前一过程是石膏胶凝材料的制备过程，后一个是石膏制品的硬化过程。,一、建筑石膏,6575,C时，二水石膏开始脱水；,107170,C时，生成半水石膏；（加热条件不同，有液态水、干燥条件下分别生成 型和,型半水石膏）,170200,C时，石膏继续脱水，成为可溶性硬石膏；,200250,C时，石膏中残留很少的水，凝结硬化非常缓慢；,400,C时，石膏完全失去水分，成为不溶性硬石膏，失去凝结硬化能力，成为死烧石膏。,将天然石膏或化工石膏加热到107170,C时，转化为熟石膏（半水石膏）,CaSO,4,.2H,2,O,107170,C,CaSO,4,.1/2H,2,O+1.5H,2,O,生石膏 熟石膏,建筑石膏是将熟石膏磨细而成的白色粉末，密度为2.602.75kg/cm,3,堆积密度001000kg/m,3,。,二、半水石膏的凝结于硬化,半水石膏与适量的水相混合，最初成为可塑的浆体，但很快就失去塑性而产生强度，并发展成为坚硬的固体。发生这种现象的实质，是由于浆体内部经历了一系列的物理化学变化。,CaSO,4,0.5,H,2,O+1.5H,2,O=CaSO,4,2,H,2,O,半水石膏加水后发生溶解，并生成不稳定的过饱和溶液，溶液中的半水石膏经过水化而成为二水石膏。由于二水石膏比半水石膏具有小得多的溶解度，所以溶液对二水石膏是高度饱和的，因此很快析晶。由于二水石膏析出，便破坏了原有半水石膏溶解的平衡状态，半水石膏会进一步溶解；,影响半水石膏的水化反应的因素为：石膏煅烧的温度、粉磨细度、结晶形态，杂质情况以及水化条件。在条件相同的情况下，,型半水石膏水化速度大于型半水石膏，在常温下前者完全水化时间为712分钟;后者为1720分钟。,影响石膏浆体结构强度发展的因素为：温度（温度高强度高）、水固比（其值大小对不同的温度条件影响不同）、分散度（随比表面的增加，强度增加，达到一定值后则强度会下降）。,硬化浆体的最高塑性强度随浆体硬化时的温度时而变，60时比20时大。,硬化浆体产生初始结构强度时，所需的水化物业随硬化时的温度而变，60 时为25%，20 时仅为10%左右。,在温度为60，硬化浆体达到最大塑性强度时间基本与水化结束时间一致；而在20 时，硬化浆体达到最大塑性强度时间早于水化结束时间。,从图1-13中可以看出当水固比较低时，浆体硬化温度为60 较温度20 时的塑性强度高。这是由于温度高，石膏饱和度降低，减少了结构结晶应力，也就减少了结构破坏而使之具有较高强度。,当水固比大时，浆体硬化为60 时结构强度反而比20 低。水固比高，硬化结构空隙率大，形成结晶结构网所需水化产物量就要多，虽然温度高结晶应力减少，同时由于饱和度小，形成的晶核数量也少，结晶接触点也较少，故强度降低。,工业副产品石膏,1.磷石膏,它是合成洗衣粉厂、磷肥厂等制造磷酸时的废渣，主要是磷灰石或含氟磷灰石和硫酸反应的产物，每生产1吨磷酸约排出5吨磷石膏。现在我国每年排放800万吨以上磷石膏。,2.氟石膏,氟石膏像是制取氢氟酸时所产生的废渣。是萤石粉（CaF,2,)和硫酸按一定比例配合经加热反应所得的产物。每生产1吨HF约产生3.6吨无水氟石膏。,工业副产石膏的资源化利用，是当前的一个紧迫任务。,三、建筑石膏的性质和技术要求,（1）凝结硬化快。,（2）孔隙率大、表观密度小，保温、吸声性能好。,（3）耐水性和抗冻性差。,（4）具有一定的调温调湿性能。,（5）防火性好。,（6）凝固时体积微膨胀。,建筑石膏的技术要求（GB9776）主要有：细度、凝结时间和强度。按强度和细度的差别，建筑石膏划分为优等品、一等品和合格品三个等级。,四、石膏制品,石膏板,具有轻质、绝热、吸声、不燃和可锯钉等性能，是当前着重发展的新型轻质板材之一。,（1）、纸面石膏板,纸面石膏板是在建筑石膏中加入适量的轻质填材、纤维、发泡剂、缓凝剂等，加水搅拌成料浆，浇注在行进中的纸（重磅纸）面上，形成后覆以上面纸，结果凝固、切割、烘干而成。,（2）空心石膏条板,生产方法同普通混凝土空心板类似。这种板不用纸和粘结剂，施工时不用龙骨。,高强度石膏,将二水石膏放在高压锅内，在0.13MPa（124度）下蒸炼生成的型半水石膏。较建筑石膏粗，比表面积要小，调制成塑性浆体时需水量为35%45%，只有建筑石膏的一半左右。3小时抗压强度可达924MPa,7天1540MPa，初凝时间不早于3min终凝时间530min。,第二节 石灰,一、慨述,石灰是一种气硬性胶凝材料。它是将以碳酸钙为主要成分的原料（如石灰石），经过10001100,C下煅烧，尽可能分解和排出二氧化碳后所得的成品。主要成分为氧化钙（CaO）。,（1）块状生石灰 原料煅烧而得到的产品。,（2）磨细,生石灰,块状石灰磨细后产品。筛余小于15%,（3）消石灰 将生石灰用适量是水消化的得到粉末。主要成分Ca(OH),2,（4）石灰浆 将生石灰用多量的水消化得到的可塑浆 体。主要成分Ca(OH),2,和水。,二、石灰石的煅烧和结构,1、石灰煅烧,石灰是在石灰石煅烧过程中，有碳酸钙分解而成。分解反应的进行要吸收热量。反应为：,CaCO,3+,42.52,千卡/克分子,CaO+CO,2,碳酸钙的分解取决于煅烧温度。碳酸钙开始分解温度为 550 。此时由于分解压力低，反应很容易达到平衡，碳酸钙分解速度很小。800850 时分解加快。到898 时，分解压力达到1个大气压，通常就把这个温度作为碳酸钙分解温度。继续提高温度，分解反应继续加快。,根据文献介绍，1100 时纯石灰石的分解速度为900 时的4.67倍。考虑到提高石灰的产质量，以及煅烧损失等，一般实际石灰煅烧温度在10001100 左右。石灰石的煅烧温度随石灰石成分、质量、块度的不同而作相应的变化。,石灰石愈密，煅烧温度愈高；,菱镁矿含量高，煅烧温度相应降低;,快度大，煅烧温度高。,石灰石杂质含量一般不得大于8%。,2、煅烧石灰活性和结构,新制备石灰的活性即与水反应的能力，主要由两种因素决定：,内比表面积和晶格变形程度。,形成氧化钙所用的原料、煅烧温度、煅烧时间以及煅烧环境（在真空或空气中）对其活性有巨大影响。,石灰煅烧经历三个过程：,（1）碳酸钙分解，形成具有碳酸钙假晶的氧化钙。也称为亚稳的氧化钙。,（2）亚稳的氧化钙再结晶成更稳定的氧化钙 其内比表面达到最大。,（3）再结晶的氧化钙。内比表面积降低。,3、,生石灰的熟化,CaO+HO,2,Ca(OH),2,+64.79kj,上述反应是可逆反应，反应方向取决于温度和周围介质中蒸汽压在常温下反应向右进行。,石灰熟化反应为放热反应，熟化时体积增大12.5倍。煅烧良好时熟化较快，放热量体积增大也较多。,影响石灰水化反应的因素,（1）煅烧条件 有15%欠烧的石灰，拌水5分钟就达到最高温度，而15%过烧的石灰，27分钟才达到最高温度。较低温度多少的石灰具有较高内比表面积。0.3微米的氧化钙较10微米消化速度大120倍左右。过烧的石灰具有较小内比表面积，晶粒较大，反应能力小。,（2）水化温度 石灰水化反应随着水化温度的提高而显著增加。,（3）外加剂的影响 如氯盐加快水化；磷酸盐、草酸盐、硫酸盐和碳酸盐延缓消化速度。,一般而言，某种外加剂和石灰作用，生成比氢氧化钙易溶的物质则加速其反应；反之，生成比氢氧化钙难溶物质，延缓其消化反应。,4、石灰水化时的体积变化,石灰水化过程，除强烈的发热反应外，还伴随着体积的显著增加。,石灰水化反应后生成氢氧化钙，固相体积增加97.92%，但对石灰-水系统而言，反应后体积不仅没有增加，反而减少了4.54%。也就是说向石膏、水泥一样其和水进行化学反应时，都不可避免的产生了化学收缩。,然而在实际上，石灰与水作用后，外观体积明显增大。原因可能为：,（1）从水化过程中物质的转移的观点分析:由于实际反应中往往水化速度远大于水化产物的转,移速度，新反应的产物将冲破原来的反应层，使粒子产生机械跳跃，而产生膨胀。,（2）从空隙体积增加的观点分析 水化过程按理想的紧密六角形堆积。固相粒子体积为总体积的74%，固相粒子之间的空隙为总体积的26%。在保持两者比例不变的情况下，随固相粒子直径的增加，空隙体积显然增加。即球体的绝对体积每增加1%，空隙绝对体积增加0.351%。所以石灰水化时，固相体积增加，必然会引起空隙的增加，固相体积和空隙体积之和就可能超过石灰-水系统的空间，从而引起石灰浆体的体积增大。,控制石灰水化反应体积的主要方法,（1）改变石灰细度：石灰细度对石灰消化时产生的体积有显著影响。石灰越细，体积变化越小。,（2）改变石灰水灰比 ：随水灰比增大，石灰在水化期的膨胀值减少。要注意随水灰比增加，石灰浆体的强度也所降低。,（3）介质温度的影响：随消化时介质温度的提高，石灰浆体的体积明显增加；同时由于水化速度加快，膨胀极限值在更早时间内达到。,（4）石膏掺合料的影响：在石灰中加入5%石膏，在任何水灰比和介质温度下，体积膨胀值均显著减少。由于其为石灰水化抑制剂；同时压缩了石灰水化时吸附水扩散层的厚度,5、石灰浆体的硬化,干燥硬化,石灰浆体在干燥过程中，由于水分蒸发形成空隙网，留在空隙内的自由水由于表面张力的作用，在最窄处具有凹形弯月面，从而产生毛细管压力，使石灰粒子更加紧密获得附加强度。当再遇到水时，其强度会丧失。,石灰浆体的碳酸化,硬化石灰浆体从空气中吸收碳酸气，生成实际上不溶解的碳酸钙。碳酸钙晶粒或是相互共生，或与石灰粒子及砂粒共生，由表面逐渐向内部增加从而提高强度 。,6、石灰的应用,（,1）.石灰乳和石灰砂浆,石灰乳用于内墙和天棚刷白。石灰砂浆分为砌筑和抹灰砂浆。,（2）.石灰土和三合土,一般石灰用量为石灰土总量的10%或更低。,（3）.硅酸盐制品,由石灰、含硅质原料（砂、粉煤灰、炉渣、矿渣、尾矿等）和水按一定比例配制而成。,思考题,1.,石膏受热时，将进行怎样的相变过程？,2.,建筑石膏为何能硬化，其性能和应用如何？,3.一座用砖和石灰砂浆砌筑的古寺,在拆迁时发现石灰砂浆的强度特别高,有人由此断言,古代石灰的质量比我们现代生产的石灰质量要好,这是否正确?为什么？,4.我们常见一些用石灰砂浆抹面的墙体,有时会出鼓包或颗粒周围呈放射状,有时甚至会出局部崩裂,请分析其原因。,第三节 水玻璃,水玻璃俗称泡花碱,是一种能溶于水的硅酸盐,由不同比例的碱金属和二氧化硅组成,常见的是硅酸钠水玻璃Na,2,O.nSiO,2,。,生产水玻璃的有两种：干法与湿法,n称为水玻璃的模数，模数越大，越难溶于水，但粘结力却越大。为提高粘结力，在液体水玻璃中加入尿素，在不改变其粘度下可提高粘结力25%左右。,一.水玻璃的硬化,液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸，并逐渐干燥而硬化：,Na,2,O.nSiO,2,+CO,2,+mH,2,O=Na,2,CO,3,+nSiO,2,.mH,2,O,这个过程进行很慢，为了加速硬化，可将水玻璃加热或加入硅氟酸钠，作为促硬剂。加入量宜控制在1215%，加入过少，不但硬化速度缓慢，强度降低，而且未经反应的水玻璃易溶于水，因而耐水性差。但如果用量过多，又会引起凝结过速，使施工困难，而且渗透性大，强度也低。,二.水玻璃的性质与应用,水玻璃有良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有堵塞毛细孔隙而防止水渗透的作用。水玻璃不燃烧，在高温下硅酸凝胶干燥得更加强烈，强度并不降低，甚至有所增加。水玻璃具有高度耐酸性能，能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用。,1.涂刷建筑材料表面,提高抗风化能力,2.配制防水剂,3.配制水玻璃矿渣砂浆,修补砖墙裂缝,4.用于土壤加固,第四节 镁质胶凝材料,镁质胶凝材料是由磨细的苛性苦土(MgO)或苛性白云石(MgO和CaCO,3,)为主要组成的一种气硬性胶凝材料。,一、原料,天然菱镁矿（MgCO,3,)和白云石（碳酸镁与碳酸钙的复盐）。,二、煅烧,在煅烧分解过程中，因分解出二氧化碳与水，所以MgO具有多孔结构。由于煅烧温度与煅烧时间直接影响原料的分解程度及产物(MgO)的结晶状态，因此宜控制在能使原料充分分解又不至于使MgO晶体致密（过烧）时，所得产品的活性最好。,碳酸镁一般在400开始分解，600650分解反应剧烈进行。实际生产时，煅烧温度常控制在800850。,MgO的活性与煅烧温度有极大的关系。研究表明，煅烧MgO的活性随所用原料、煅烧温度及煅烧时间而异，其中影响最大的因素就是煅烧温度。当达到MgCO,3,分解温度后，随着煅烧温度的上升，MgO的活性随之下降。,三、水化,1.MgO+H,2,O,上述反应生成Mg(OH),2,。由于有两方面的原因，导致该体系在应用上产生障碍。一是由于MgO在水中的溶解度本来就比较小，二是如果提高MgO的内比表面积，虽然可以相应地增大MgO的溶解度和溶解速度，加快水化过程，但是其过饱和度太大，会产生很大的结晶应力，并导致结构破坏，使强度显著降低。,2.MgO+MgCl,2,+H,2,O,经研究，在该体系中，可以很好解决以上两个问题。,MgO与MgCl,2,溶液拌和后，立即发生急剧反应。水化动力学过程与普通硅酸盐水泥基本相似。水化产物主要相3和相5和Mg(OH),2,。,水化产物,3.1.8相 3Mg(OH),2,.MgCl,2,.8H,2,O,5.1.8相 5Mg(OH),2,.MgCl,2,.8H,2,O,MgO首先在MgCl,2,水溶液中溶解，形成Mg,2+,和OH,-,当体系中的Mg,2+,、Cl,-,、OH,-,达到一定浓度后直接与水反应生成相3和相5。在一定条件下，相5可以自发地转变为相3和Mg(OH),2,。因此，镁水泥的产物是不稳定的,镁水泥制品耐水性和耐久性较差，根本原因是在于相5和相3不稳定。因此，要改善其性能，关键是要改善相5和相3的稳定性。,