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胶凝资料

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  胶凝材料,又称胶结料。在物理、化学作用下,能从浆体变成坚固的石状体,并能胶结其他物料,制成有一定机械强度的复合固体的物质。土木工程材料中,凡是经过一系列物理、化学变化能将散粒状或块状材料粘结成整体的材料,统称为胶凝材料。胶凝材料是指通过自身的物理化学作用,由可塑性浆体变为坚硬石状体的过程中,能将散粒或块状材料粘结成为整体的材料,亦称为胶结材料。

  在建筑材料中,经过一系列物理作用、化学作用,能从浆体变成坚固的石状体,并能将其他固体物料

  是指通过自身的物理化学作用,由可塑性浆体变为坚硬石状体的过程中,能将散粒或块状材料粘结成为整体的材料,亦称为

  “灰”的建筑材料属于无机胶凝材料;而沥青、天然或合成树脂等属于有机胶凝材料。

  和水成浆后,既能在空气中硬化,又能在水中硬化、保持和继续发展其强度的称水硬性胶凝材料。这类材料通称为水泥,如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。

  非水硬性胶凝材料的一种。只能在空气中硬化,也只能在空气中保持和发展其强度的称气硬性胶凝材料,如石灰、石膏和水玻璃等;气硬性胶凝材料一般只适用于干燥环境中,而不宜用于潮湿环境,更不可用于水中。

  无色正交双锥结晶或白色至灰白色块状物或粉末。能风化。在100℃时失去6分子结晶水。易溶于水,溶于稀氢氧化钠溶液,不溶于乙醇和酸。熔点40~ 48℃。低毒,半数致死量(大鼠,经口)1280mg/kg(无结晶水)。

  水玻璃的用途非常广泛,几乎遍及国民经济的各个部门。在化工系统被用来制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛、五水偏硅酸钠、硅溶胶、层硅及速溶粉状硅酸钠、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品,是硅化合物的基本原料。在经济发达国家,以硅酸钠为原料的深加工系列产品已发展到50余种,有些已应用于高、精、尖科技领域;在轻工业中是洗衣粉、肥皂等洗涤剂中不可缺少的原料,也是水质软化剂、助沉剂;在纺织工业中用于助染、漂白和浆纱;在机械行业中广泛用于铸造、砂轮制造和金属防腐剂等;在建筑行业中用于制造快干水泥、耐酸水泥防水油、土壤固化剂、耐火材料等;在农业方面可制造硅素肥料;另外用作石油催化裂化的硅铝催化剂、肥皂的填料、瓦楞纸的胶粘剂、实验室坩埚等耐高温材料、金属防腐剂、水软化剂、洗涤剂助剂、耐火材料和陶瓷原料、纺织品的漂、染和浆料、矿山选矿、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制胶粘剂等。

  石灰一种以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。石灰是用石灰石、白云石、白垩、贝壳等碳酸钙含量高的原料,经900~1100℃煅烧而成。石灰是人类最早应用的胶凝材料。石灰在土木工程中应用范围很广,在我国还可用在医药用途。为此,古代流传下以石灰为题材的诗词,千古吟颂。

  石灰粒子形成氢氧化钙胶体结构,颗粒极细(粒径约为1μm),比表面积很大(达10~30 m2/g),其表面吸附一层较厚的水膜,可吸附大量的水,因而有较强保持水分的能力,即保水性好。将它掺入水泥砂浆中,配成混合砂浆,可显着提高砂浆的和易性。

  石灰依靠干燥结晶以及碳化作用而硬化,由于空气中的二氧化碳含量低,且碳化后形成的碳酸钙硬壳阻止二氧化碳向内部渗透,也妨碍水分向外蒸发,因而硬化缓慢,硬化后的强度也不高,1:3的石灰砂浆28 d的抗压强度只有0.2~0.5 MPa。在处于潮湿环境时,石灰中的水分不蒸发,二氧化碳也无法渗入,硬化将停止;加上氢氧化钙易溶于水,已硬化的石灰遇水还会溶解溃散。因此,石灰不宜在长期潮湿和受水浸泡的环境中使用。

  石灰在硬化过程中,要蒸发掉大量的水分,引起体积显着收缩,易出现干缩裂缝。所以,石灰不宜单独使用,一般要掺入砂、纸筋、麻刀等材料,以减少收缩,增加抗拉强度,并能节约石灰。

  石灰具有较强的碱性,在常温下,能与玻璃态的活性氧化硅或活性氧化铝反应,生成有水硬性的产物,产生胶结。因此,石灰还是建筑材料工业中重要的原材料。

  石膏胶凝材料是一种以硫酸钙(CaSO4)为主要成分的气硬性无机胶凝材料。其品种主要有建筑石膏、高强石膏、粉刷石膏、无水石膏水泥、高温煅烧石膏等。其中,以半水石膏(CaSO4·1/2H2O)为主要成分的建筑石膏和高强石膏在建筑工程中应用较多,最常用的是建筑石膏。

  建筑石膏是以β型半水石膏β-CaSO4·1/2H2O)为主要成分,不添加任何外加剂的粉状胶结料,主要用于制作石膏建筑制品。建筑石膏色白,杂质含量很少,粒度很细,亦称型石膏,也是制作装饰制品的主要原料。由于建筑石膏颗粒较细,比表面积较大,故拌合时需水量较大,因而强度较低。

  1.凝结硬化快。石膏浆体的初凝和终凝时间都很短,一般初凝时间为几分钟至十几分钟,终凝时间在半小时以内,大约一星期左右完全硬化。为满足施工要求,需要加入缓凝剂,如硼砂、酒石酸钾钠、柠檬酸、聚乙烯醇、石灰活化骨胶或皮胶等。

  2.硬化时体积微膨胀。石膏浆体凝结硬化时不像石灰、水泥那样出现收缩,反而略有膨胀(膨胀率约为1%),使石膏硬化体表面光滑饱满,可制作出纹理细致的浮雕花饰。

  3.硬化后孔隙率高。石膏浆体硬化后内部孔隙率可达50~60%,因而石膏制品具有表观密度较小、强度较低、导热系数小、吸声性强、吸湿性大、可调节室内温度和湿度的特点。

  4.防火性能好。石膏制品在遇火灾时,二水石膏将脱出结晶水,吸热蒸发,并在制品表面形成蒸汽幕和脱水物隔热层,可有效减少火焰对内部结构的危害。建筑石膏制品在防火的同时自身也会遭到损坏,而且石膏制品也不宜长期用于靠近65℃以上高温的部位,以免二水石膏在此温度下失去结晶水,从而失去强度。

  5.耐水性和抗冻性差。建筑石膏硬化体的吸湿性强,吸收的水分会减弱石膏晶粒间的结合力,使强度显著降低;若长期浸水,还会因二水石膏晶体逐渐溶解而导致破坏石膏制品吸水饱和后受冻,会因孔隙中水分结晶膨胀而破坏。所以,石膏制品的耐水性和抗冻性较差,不宜用于潮湿部位。为提高其耐水性,可加入适量的水泥、矿渣等水硬性材料,也可加入有机防水剂等,可改善石膏制品的孔隙状态或使孔壁具有憎水性。

  石灰中产生胶结性的成分是有效氧化钙和氧化镁,其含量是评价石灰质量的主要指标。石灰中的有效氧化钙和氧化镁的含量可以直接测定,也可以通过氧化钙与氧化镁的总量和二氧化碳的含量反映,生石灰还有未消化残渣含量的要求;生石灰粉有细度的要求;消石灰粉则还有体积安定性、细度和游离水含量的要求。

  (1)石灰乳和砂浆 消石灰粉或石灰膏掺加大量粉刷。用石灰膏或消石灰粉可配制石灰砂浆或水泥石灰混合砂浆,用于砌筑或抹灰工程。

  (2)石灰稳定土 将消石灰粉或生石灰粉掺人各种粉碎或原来松散的土中,经拌合、压实及养护后得到的混合料,称为石灰稳定土。它包括石灰土、石灰稳定砂砾土、石灰碎石土等。石灰稳定土具有一定的强度和耐水性。广泛用作建筑物的基础、地面的垫层及道路的路面基层。

  (3)硅酸盐制品 以石灰(消石灰粉或生石灰粉)与硅质材料(砂、粉煤灰、火山灰、矿渣等)为主要原料,经过配料、拌合、成型和养护后可制得砖、砌块等各种制品。因内部的胶凝物质主要是水化硅酸钙,所以称为硅酸盐制品,常用的有灰砂砖、粉煤灰砖等。

  胶凝材料的发展,有着极为悠久的历史。新石器时代,由于石器工具的进步,掘穴建室的建筑活动已经兴起。人类最早使用的胶凝材料——粘土来抹砌简易的建筑物。在粘土中拌以植物纤维(稻草、壳皮)可以起到加筋增强作用。但是粘土的强度很低,遇水自行散解,不能抵抗雨水的侵蚀。随着火的发现,煅烧所得石膏和石灰被用来调制建筑砂浆。公元初,古希腊人和罗马人发现在石灰中掺入某些火山灰沉积物,不仅能提高强度,而且能御水的侵蚀。到10世纪后半期,先后出现了用粘土质石灰石经煅烧后制成的水硬性石灰和罗马水泥。并在此基础上,发展到用天然泥灰岩(粘土含量在20%-25%左右的石灰石)煅烧,磨细制的天然水泥。 19世纪初,用人工配料,再经煅烧、磨细以制造水硬性凝胶材料的方法,已经开始组织生产。英国阿斯普丁于1824年首先取得了该项产品的专利权。他将石灰石粉碎后煅烧,将所得石灰与粘土混合在类似烧石灰的窑中煅烧。将煅烧所得混合物磨成细粉,再用来制造水泥和人工石。因为这种胶凝材料结硬后的外观颜色和抗水性与当时建筑上常用的英国波特兰地区生产的石灰石相似,故称之为波特兰水泥。由于波特兰水泥含有较多的具有水化活性的碳酸钙。后来,不但能在水中硬化,而且能够长期抗水,强度甚高。其首批大规模使用的实例是1825-1843年修建的泰晤士河道工程。

  大多数的早期水泥厂都设在英国的泰晤士河和半得威河附近。后来水泥生产遍及全世界,应用日益普遍。随着现代工业的发展,到20世纪初,就逐渐出现各种不同用途的硅酸盐水泥,如快硬水泥抗硫酸盐水泥大坝水泥以及油井水泥等。同期发明了高铝水泥。近30年来,又陆续出现硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥等品种,从而使水硬性胶凝材料又进一步发展成为更多类别。

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