无机结合料

导读:第二章无机结合料,统称为胶凝材料或结合料,胶凝材料按其化学成分不同分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类,石膏、石灰、水泥等属于无机胶凝材料,无机胶凝材料(结合料)根据硬化条件不同,一类是结合氧化钙,结合氧化钙是在煅烧中生成的钙盐,第一篇基础篇第二章无机结合料在建筑工程中,能以自身的物理化学作用将松散材料(如砂、石等)胶结成为具有一定强度的整体结构的材料,统称为胶凝材料或结合料。胶凝材料按其化学

无机结合料

第一篇 基础篇

第二章 无机结合料

在建筑工程中,能以自身的物理化学作用将松散材料(如砂、石等)胶结成为具有一定强度的整体结构的材料,统称为胶凝材料或结合料。胶凝材料按其化学成分不同分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类,石膏、石灰、水泥等属于无机胶凝材料,沥青、各种天然树脂、合成树脂等则属于有机胶凝材料。

无机胶凝材料(结合料)根据硬化条件不同,又可分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化、保持或继续提高强度,包括石灰、石膏、镁质胶凝材料和水玻璃等;水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化,而且能更好地在水中硬化,且可在水中或适宜的环境中保持并继续提高强度,各种水泥都属于水硬性胶凝材料。

2.1 石灰

石灰是一种有着长久历史的胶凝材料,1000多年来,石灰作为主要的胶凝材料被广泛用作砌筑石灰砂浆等工程材料,在提高建筑物强度和抗水性能方面发挥了巨大的作用。在现代建筑工程中,石灰不仅可以用作涂料,而且还可用来制造灰砂砖以及碳化石灰板等。在道路工程中,随着半刚性基层在高等级路面中的应用,石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土及其稳定碎石等被广泛用于路面基层,大大增强了基层的板体性。在桥梁工程中,石灰砂浆、石灰水泥砂浆、石灰粉煤灰砂浆等也被广泛用于圬工砌体。

2.1.1 原料及生产工艺

用于煅烧石灰的原料,主要以富含氧化钙的岩石为主,亦可使用含有氧化钙和部分氧化镁的岩石。将生产石灰的原料经高温煅烧(加热至900℃以上),逸出CO2气体,得到的白色或灰白色的块状材料即为生石灰,其化学反应可表示如下:

>900℃

CaCO3 178kJ/mol

CaO+CO2↑

生石灰的品质不仅与原料有关,生产石灰的窑型及煅烧也直接影响其质量。煅烧石灰的窑型种类很多,应根据原料的性质、生产的规模、燃料的种类以及对石灰质量的要求选用煅烧窑,如土窑、立窑、回转窑等。煅烧时还要注意煅烧温度,为了使石灰岩能够完全分解,通常煅烧温度略高于反应温度。图2.1显示了石灰石的分解时间与其块度和形状的关系。

图2.1 石灰石的分解时间与其块度和形状的关系

优质的石灰呈洁白或带灰色,质量较轻,质地松软,块状石灰的堆积密度为800~1000kg/m3。石灰在烧制过程中,如果温度控制不好,常会出现“欠火”或“过火”现象。“欠火”往往是由石灰岩原料尺寸过大、料块粒径搭配不当、装料过多或是煅烧温度不够、时间不足等原因造成的。欠火石灰的密度较质量好的生石灰大,颜色发青,由于“欠火”,石灰岩中的碳酸钙未完全分解,氧化钙含量低,使用时粘结力差。“过火”多是由煅烧温度过高、时间过长而引起的。过火石灰的表面一般会出现裂缝或有玻璃状外壳,颜色呈灰黑色,体积收缩明显,块体密度大,消化缓慢。过火石灰用于建筑工程中仍能继续消化,以致引起成型的结构物体积膨胀,导致结构物表面产生鼓包、剥落及裂缝等破坏现象,危害极大。块状石灰经磨细后,活性较熟石灰好,且过火和欠火颗粒呈粉状均匀分布,可消除过火颗粒的有害作用,是一种有前途的材料,但其主要缺点是不易久存。

2.1.2 组成及结构

碳酸钙分解时,每100分质量的CaCO3,可以得到56分质量的CaO,并失去44分质量的CO2。但煅烧后实际得到的生石灰(CaO)体积,仅比原来石灰石(CaCO3)的体积减小10%~15%,这说明石灰是一种多孔结构。

在石灰的各组分中,产生粘结性的有效成分是活性氧化钙和氧化镁。石灰中

的氧化钙分为两类,一类是结合氧化钙,另一类是游离氧化钙,结合氧化钙是在煅烧中生成的钙盐,在石灰中不起胶凝作用。游离氧化钙包括活性和非活性两种,非活性氧化钙是由“渣化”或“过烧”造成的,若通过粉碎,可变成活性的氧化钙。有效氧化钙是指在普通条件下能与水反应的那部分氧化钙,主要来源于活性的游离氧化钙。此外,在煅烧过程中,石灰石中的粘土杂质(酸性氧化物)还会与石灰石分解后所得的CaO反应生成β型硅酸二钙(β-C2S)、铝酸一钙(CA)和铁酸二钙(C2F),研究表明,上述化合过程会影响石灰石的分解温度。

对于石灰的结构形成过程,D.R.格拉森的研究表明:石灰石煅烧过程经历了三个阶段,其结构变化见表2.1。

表2.1 石灰石煅烧时的结构变化过程

阶段 I II III 主 要 性 状 碳酸钙分解,形成具有碳酸钙(或氢氧化钙)假晶的氧化钙 亚稳形氧化钙晶体再结晶形成更稳定的氧化钙晶体,晶格为面心立方体 再结晶的氧化钙烧结 特点 氧化钙属亚稳状态 内比表面积最大 内比表面积逐渐降低 2.1.3 水化及强度形成机理

烧制成的生石灰,在使用时必须加水使其“消化”成为“消石灰”,这一过程亦称为“熟化”,故消石灰又称“熟石灰”。石灰与水作用的化学反应式为:

CaO?H2O?Ca(OH)2?64.9kJ/mol

此反应是可逆反应,反应方向取决于温度及周围介质中水蒸汽的压力。在常温时,反应向右方进行;在547℃时,反应向左方进行,即Ca(OH)2分解为CaO和H2O。当水蒸汽分解压力达到一个大气压时,在较低温度下,Ca(OH)2也能部分分解。

(1)消化(水化)

块状生石灰与水相遇后,即迅速水化、崩解成高度分散的Ca(OH)2细粒,并放出大量的热,质纯且煅烧良好的石灰体积可增大1~2.5倍。在消解过程中,消解石灰的理论加水量仅为石灰质量的32%,但由于石灰消化是一个放热反应过程,实际加水量达70%以上。在石灰消解期间,应严格控制加水量和加水速度。对消解速度快、活泼性大的石灰,若加水过慢、水量不够,则已消化石灰颗粒生成的Ca(OH)2将包裹于未消化颗粒周围,使内部石灰不易消化,这种现象称

为“过烧”。反之,对于消解速度慢、活泼性差的石灰,若加水速度过快,则发热量少、水温过低,增加了未消化颗粒,这种现象称为“过冷”。石灰消化时,为了消除“过火石灰”的危害,可在消化后“陈伏”半月左右再使用。石灰浆在陈伏期间,其表面应有一层水分,使之与空气隔绝,以防碳化。

石灰具有强烈的水化反应能力,影响其水化反应能力的因素主要有: ①石灰煅烧条件

石灰的煅烧条件不同,其产物CaO的内比表面积和晶粒大小不同,因而物理结构特征存在较大差异。不同煅烧条件下烧制成的石灰与水作用时,石灰类型与水化速度和水化温度的关系如图2.2所示。

(1-15%欠烧的石灰;2-煅烧正常的石灰;3-15%过烧的石灰;4-含32%MgO的苦土石灰)

图2.2 石灰类型与水化温度和水化速度的关系

②水化温度

无论是石灰温度还是水的温度都影响着水化速度,温度越高则速度越快。G.费兰克得出了石灰在液相中消化时,速度常数与温度的关系:

KT?K0?1.035?T

式中:KT-温度T时的速度常数;K0-温度T0时的速度常数;?T?T?T0。

③外加剂

在水中加入氯盐(NaCl、CaCl2)能加快石灰消化速度,而磷酸盐、草酸盐等则能延缓石灰消化速度。有些表面活性物质也会使石灰水化速度降低,例如木质磺酸素是强减速剂,即便是在湿磨时,它对石灰的水化过程还会起到抑制作用。 (2)硬化及强度形成机理

石灰的硬化过程包括干燥硬化和碳酸化两部分。 ①石灰浆的干燥硬化(结晶作用)

石灰浆体干燥过程中,由于水分蒸发形成网状孔隙,使石灰粒子更加密实,从而获得“附加强度”。此外,随着石灰浆中游离水逐渐蒸发或被周围砌体吸收,引起Ca(OH)2从饱和溶液中结晶析出,还会产生“结晶强度”,但这部分强度增长并不显著,其反应式为:

晶化Ca(OH)2?nH2O????Ca(OH)2?nH2O

②硬化石灰浆的碳化(碳化作用)

Ca(OH)2与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙晶体,称为熟石灰的“碳化”。石灰浆体经碳化后获得最终强度,称为“碳化强度”。石灰的碳化作用只有在有水的条件下才能进行,其化学反应式为:

Ca(OH)2?CO2?nH2O?CaCO3?(n?1)H2O

该反应主要发生在与空气接触的表面,碳化过程从膏体表层开始,逐渐深入到内部。但当浆体表面生成一层CaCO3薄膜后,碳酸钙结晶不仅阻碍了CO2的深入,也影响了内部水分的蒸发,碳化过程减慢,所以石灰的硬化速度随时间增长逐渐减慢。

2.1.4 技术性质及技术标准

(1)技术性质

生石灰的主要技术性质见表2.2。

表2.2 生石灰的主要技术性质

序号 1 2 3 4 5 6 7 技术性质 颜色 煅烧度 密度(g/cm3) 气孔率(%) 莫氏硬度 强度 比表面 说 明 白色。含有杂质时,可呈灰色、淡黄色、褐色甚至黑色 按石灰的煅烧度与温度的作用时间可分为轻烧石灰、中烧石灰和硬烧石灰。轻烧石灰晶体小、反应性强 密度平均值约为3.15~3.40 平均值为35 轻烧石灰约为2,硬烧石灰约为3 备 注 抗压强度与石灰石种类、煅烧温度、时间及煅烧度有关,生石灰的强度一般为3~7MPa 主要取决于石灰的煅烧度 对贮运很重要

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