第 3章 气硬性胶凝材料
? 胶凝材料 (cements,binding materials)
? 胶凝材料概念：在土木工程材料中，凡是经过
一系列的物理、化学作用，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
有机胶凝材料：如沥青, 树脂等
无机胶凝材料
气硬性：如石膏, 石灰, 菱苦土,
水玻璃
水硬性：各种水泥
? 气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，且
只能在空气中保材或发展其强度。而水
硬性不仅在空气中，而且能更好的在水
中硬化，并保持、发展其强度。
? 第一节,石膏 (gypsum) 膏 —— plaster
? 一,原材料
? 二、生产及产品
? 三、水化硬化过程
? 四、应用
? 石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料，
其原料来源有：
? (1)天然二水石膏，又称软石膏或生石膏。
? (2)天然硬石膏 —— 无水硫酸钙。
? (3)化工废石膏 (含有二水石膏 (CaSO4·2H2O)
或含有 CaSO4·2H2O与 CaSO4的混合物的化工
副产品及废渣 ) —— 脱硫石膏、磷石膏、氟石
膏、硼石膏等。
一、石膏原料
二、石膏的生产及品种
? 石膏胶凝材料的主要生产原料是天然的二水石
膏。在将原料加热时，不同的温度和不同的压
力下所得 CaSO42H2O，石膏产品的结晶类型、
结晶水含量不同，因而有不同的性能指标。
蒸炼
炒制
品种
?(1)建筑石膏 (calcined gypsum)
?(2)高强石膏 (high strength gypsum/plaster)
?(3)硬石膏, 无水石膏 (anhydrite,anhydrous
gypsum)
? 1,高强石膏
? ?型半水石膏的晶粒较粗, 也比较密, 因此比表面积
较小, 将此种石膏加水硬化后, 具有较高的密实度
和强度, 3小时的抗压强度即可达到 9~24MPa,7天
抗压强度可达 15-40MPa,因此, 将之称为高强石膏 。
? 高强石膏在应用中, 一般用于强度要求较高的抹灰
工程, 装饰制品和石膏板, 加入防水剂后, 还可用
于温度较高的环境中, 加入有机物如聚乙烯醇水溶
液等可配制成粘结剂, 其特点是无收缩 。
? 2,建筑石膏
? β 型半水石膏的晶体较细，所以调制成一定稠
度的浆体时，需水量也比型半水石膏的需水量
大，导致建筑石膏的孔隙率也大，因而强度较
低。
? 在实际生产与工程中，建筑石膏的应用更广泛
一些。
建筑石膏的技术性质
凝结迅速：可以考虑加入缓凝剂 (retarder)来缓凝
水化反应理论需水量为 18.6％，但为了使石膏浆体
具有可塑性，通常实际加水为 60％ ~80%
石膏制品堆密度小，保温绝热性能好，吸音性强，
吸水率大，抗渗性、抗冻性和耐水性差 (石膏硬化体
的软化系数在 0.2～ 0.3之间 )。
建筑石膏硬化后体积略有膨胀 —— 不会出现裂纹。
颜色洁白，质感饱和。
性能 α型半水石膏（高强石膏） β型半水石膏（建筑石膏）
强度（ MPa） 10以上 5～ 10
标准调度
（％） 40～ 50 60～ 80
凝结时间
（ min） 17～ 20 7～ 12
3,可溶性硬石膏
4,不溶性硬石膏
5,高温煅烧石膏
? 1,胶凝理论
? 2,结晶理论
三、石膏水化硬化过程
)2(23)
2
1(2
24224 OHC a S OOHOHC a S O ?? ??
（ 1）半水石膏晶体结构中内在的残余力将水吸
附在颗粒的表面；
（ 2）水进入半水石膏的细孔内，并保持物理吸
附状态，形成胶凝结构，这就是初凝；
（ 3）水进入分子间或离子间间隙内，胶凝体发
生膨胀；
（ 4）水由物理吸附状态过渡到化学吸附状态，
产生水化作用，温度升高，形成二水石膏晶体，
晶体逐渐长大，互相交错形成密实结构，这就
是终凝。
? 在各种化学变形体中，无水石膏先要生成半水
石膏，然后在形成二水石膏。
? 可溶性硬石膏相对来讲反应活性最强。不溶性
硬石膏单独存在时不具有水化硬化能力，必须
加入激发剂。而高温煅烧石膏由于含有少量石
膏分解后的石灰，具有自激发性。
四, 石膏的应用
? 1,石膏的特点：
? （ 1）抗水性差：原因、软化系数、解决途径；
? （ 2）强度较低；
? （ 3）孔隙率高；
? （ 4）颜色洁白、质感好；
? （ 5）一定的防火性
2,应用
? （ 1）水泥的缓凝；
? （ 2）石膏制品
? 建筑石膏：装饰板材、雕塑、装饰型材、抹灰工程、
砌块等；
? 高强石膏：抹灰工程、装饰板材、砌块等；
? 可溶性硬石膏一般不用，避免出现；
? 不溶性硬石膏：加入激发剂后配制成硬石膏水泥；
? 激发剂：硫酸盐激发、碱激发
? 高温煅烧石膏：此时其中的石灰作为激发剂，耐磨
性和抗水性提高，又称为地板石膏。
作为石膏制品时，因为石膏凝
结速度很快，需要进行调节，
此时可以加入促凝剂和缓凝剂。
– 3.2.4 建筑石膏的应用
?(1)纸面石膏板,两面用坚韧的纸做护面
?(2)纤维石膏板：含 纤维材料
?(3)装饰石膏板,造型美观，品种多样
?(4)空心石膏条板：空心
?(5)石膏蜂窝板、石膏矿棉复合板、防潮石膏板
等
? （ 1）石膏浆
体强度发展
过程
3,强度发展
时间
强
度
（ 2）影响强度发展的因素
? 温度；
? 水灰比
（ 4）陈化
? 由于新烧制的熟石膏为多相体的混合物，如建
筑石膏在 120-140℃ 下也只是形成以
（ β ·CaSO4·1/2 H2O）为主，还有很多未烧的石
膏及其他化合物，因此，性能很不稳定，将其
静放一段时间后，待性能稳定以后在应用，这
一过程即为“陈化”。
成品熟石膏生石膏 天陈化煅烧 ????? ???? ?? 105 ~
( )
( )
( )
半水石膏
少量二水石膏
少量型石膏
主要的半水石膏
二水石膏变化矿物
保温
吸湿
再结晶
-
???
???
?
???
???
?
?? ??
?? ??
??? ??-
b
b
III
?
?
?
???
?
?
?
?
?
性能稳定性能不稳定
强度增加强度较低
凝结时间正常凝结时间不正常
减少标准稠度标准稠度较大
变化
性能
第二节 石灰 (lime,CaO)
? 一、石灰分类
? 二、生石灰的原料与生产
? 三、生石灰的性质
? 四、熟石灰的制造（石灰的熟化） (slake)
? 五、熟石灰的性质
? 六、生石灰和熟石灰的应用
一、石灰的分类
? 根据石灰加工方法：块状生石灰, 磨细生石灰,
石灰浆, 石灰乳, 石灰水等；
? 石灰石中含有杂质氧化镁 （ MgO）, 根据 MgO的
多少, 将生石灰中 MgO含量 ≤ 5%的称为钙质石
灰 （ 低镁石灰 ）, 5%~20%的称为中镁石灰 。
20%~40%为高镁石灰；
? 根据消化速度：快速消化石灰、中速消化石灰
和满素消化石灰，消化速度分别,小于 10min、
10~30min,30min以上。
? 根据消化时所达到的温度指标，又有高热石灰
（ ?高于 70° C）和低热石灰（ ?70° C）
二、生石灰的原材料和生产
? 原料：
? 以含碳酸钙为主的天然岩石和化工副产品。
? 天然岩石主要有石灰石、大理石、白云石、方
解石、白垩、石灰华等；
? 化工副产品主要有电石渣（消化电石而得）等,
CaC2+2H2O=C2H2?+Ca(OH)2
制造,CaCO3+178?103J/mol?CaO+CO2?
? 最佳煅烧温度 —— 过火石灰和欠火石灰
? 碳酸钙的分解取决于温度、压力、介质和石灰石原
料的致密度及块度的形状和均匀度。
? 原料中含有的 MgO杂质 对生石灰的制造也有影响，
MgCO3比 CaCO3煅烧温度低，因而先分解，等
CaCO3分解时,MgO的致密度大增，消化性能降低，
影响了生石灰的性能。
? 所以生石灰的最佳煅烧温度不是一成不变的。
三,生石灰的性质
? （一）物理性能
? 1,晶形和晶格结构
? CaO具有面心立方晶格，晶格常数 a=0.48nm，
MgO也是面心立方晶格,a=0.4203nm，所以
白云石（ CaCO3:MgCO3=1:1）密度比石灰石
（主要是 CaCO3 ）高。
? 2,煅烧度 —— 石灰被煅烧的程度
? 轻烧石灰、中烧石灰和硬烧石灰及死烧石灰
? 3,体积密度 —— 随煅烧度的增加而增大。
? 4,气孔率 开口（连通、半连通）及全封闭孔
? 5,颜色 —— 与比表面积和杂质含量有关。
（二）化学性质
? 1,与水的作用 —— 消化、熟化
? CaO+H2O?Ca(OH)2+6.49?104J
? 消化与煅烧度、颗粒大小、外加剂、温度有关
? 石灰的消化特点：
? （ 1）大量放热；
? （ 2）比表面积急剧增加，以及块状生石灰变
为粉末状消石灰；
? （ 3）石灰粒子在水中形成石灰胶团结构。
2,与 CO2作用 —— 碳化
? Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O
? CO2与 H2O先形成 H2CO3，然后与 Ca（ OH） 2发生
反应, 因此 只有在半潮湿、升压和升温状态下的
CaO或 CO2浓度大的条件下，碳化作用才明显。
? 碳化与石灰乳的形成及硬化有关。
? 3,与 SiO2的作用 —— 在高温下（ 1000~1200），
与 SiO2反应形成 C2S。
? 4,其他反应
四、熟石灰的制造
? 1,湿消化：在消化槽中，给石灰块和石灰粉不停
的浇水，并不断搅拌，直至放热结束。
? 2,干消化：石灰工业企业中，常用到。见图 1-17
? 3,加压消化：常见于难消化的石灰，如硬烧石灰、
镁质石灰等。
? 4,工业副产品：生产乙炔工业中：
? CaC2+2H2O=C2H2?+Ca(OH)2
五、熟石灰的性质
? （一）物理性质
? 1,晶形和晶体结构
? 2,密度和堆积密度
? 3,硬度
? 4,粒度和比表面积
? 5,溶解度
? 6,热性能
? 7,颜色
（二）化学性质
（三） 其他性质
? 1,流动性
? 2,可塑性及和易性
? 3,产浆量
? 4,沉降体积
? 5,均匀性
六、应用
–石灰的技术性质
?(1)良好的保水性,直径约为 1μ m的呈胶
体分散状态的氢氧化钙，其表面吸附一层
较厚的水膜。
?(2)凝结硬化慢、强度低,碳酸钙和氢氧化
钙结晶体
?(3)耐水性差,氢氧化钙结晶易溶于水
?(4)体积收缩大,蒸发大量的游离水
?1．石灰乳涂料
? 将热化好的消石灰加入水稀释，直接用于室内墙壁
和天棚的涂料。
? —— 加入各种耐碱颜料，可变成彩色涂料。
? —— 加入少量磨细 slag或 flyash,提高其耐水性。
? —— 加入明矾，氯化钙，聚乙烯醇等减少涂层粉化。
（一）建筑业
? 2,石灰砂浆
? ① 石灰膏 +砂 +水 +拌制, 既可用作砌筑砂浆又可
用作抹面 。
? ② 石灰膏 +纤维 +水拌制, 多用于抹面 。
? 3,石灰土和三合土
? 石灰土 （ 石灰 +粘土 ） 和三合土 （ 石灰 +粘土 +砂
碱炸渣等填料 ）, 多用于加固地面, 密实地面,
稳定地基 。
? 4,制作硅酸盐制品
? 将石灰与硅质材料磨细后, 一起加压成型, 再经过蒸汽
养护, 生成以水化硅酸钙为主要产物的砼 。
? 反应式如下：
? Ca(OH)2+SiO2+aq→ CaO·SiO2·aq
? 硅酸盐砼制品有：灰砂砖, 灰砂构件, 加气砼等 。
? 5．碳化石灰板
? 将磨细生石灰、纤维状填料或轻质骨料搅拌成型，
然后用 CO2进行人碳化，而成的一种轻质板材。
? 6．将生石灰用于惰性胶凝材料的激发剂，如 FA，
slay等。
? 7．接触硬化胶凝材料。
四、关于石灰用于建筑中的一些注意事项：
? 1,陈伏,生石灰中, 一些石灰石在烧制过程中由于矿
石品质的不均匀及温度的不均匀, 生成的生石灰中即有
可能含有欠火石灰和过水石灰 。 对于欠火石灰, 降低了
石灰的利用率, 而对于过火石灰, 由于其表面常被粘土
类杂质融化形成的玻璃釉状物包裹, 熟化很慢, 就有可
能在实际工程应用中, 石灰已经硬化, 而过火石灰才开
始热化, 热石灰体积比生石灰体积大 1~2.5倍, 引起隆
起和开裂 。 为了消除这一危害, 就有必要将石灰浆, 在
储存坑中, 陈伏, 两星期以上, 等待过火石灰的完全
,热化, 。
?, 陈伏, 期间, 石灰浆表面应保有一层水分, 与空气隔
绝, 以免碳化 。
? 2,消化时的温度与石灰粒度
? 石灰在消化期间的温度应注意石灰的粒度大小, 研
究结论指出, 粒度较大的生石灰应在较低的温度下
消化, 而粒度小的应在较高温度下进行消化 。 这主
要是与形成的石灰浆达到最好的塑性有关 。
? 3,石灰制品受潮后易溶解, 致使强度下降所以不宜
在潮湿环境中使用, 若必须要用, 就必须进行处理 。
（二）钢铁工业
（三）化学工业
第三节 镁质胶凝材料（菱苦土）
? 菱苦土是一种白色或浅黄色的粉末, 其主要成
分是氧化镁 （ MgO）, 菱苦土作为胶凝材料与
石灰的原理不同, 石灰的最终反应化学原理是
Ca(OH)2→ CaCO3生成物要求是 CaCO3,而菱苦
土的反应生成物是 Mg(OH)2。
一、菱苦土原料
? （一）菱镁矿
? （二）白云石
? （三）蛇纹石
? （四）化工副产品
二、菱苦土的生产
? MgCO3?MgO+CO2?
? 在原材料煅烧过程中，应使 MgCO3充分分解，而
其中的 CaCO3避免分解，这样所得到的菱苦土材
料就是活性 MgO和惰性的 CaCO3，这主要是因为
若生成 CO2，会对菱苦土性能产生负面影响。
? 煅烧最适宜温度与原材料中的化学组成、结构状
态有关。
? 煅烧温度也直接影响菱苦土的水化速度，煅烧温
度低，则烧结速度快，但可能 MgCO3又不能充分
分解。
三、菱苦土的硬化与调和
? MgO+H2O=Mg(OH)2
? 在纯水中，这个反应很慢，且硬化后的强度很
低,因此，一般不用水来调配菱苦土浆体，而
是用某些盐水。最常用的就是 MgCl2，其次还
有 MgSO4,FeSO4等。
? 用 MgCl2作为调凝剂，硬化后强度最高，但吸
湿性较大，抗水性差；而用 MgSO4作为调凝剂，
制品吸湿小，但强度较低；用 FeSO4,吸湿性强
度都还可以，但时间一长，制品表面容易出现
锈斑。
? 在实际中, 多采用 MgCl2（ 此时又叫氯镁水泥 ） 作为调
凝剂, 同时辅以采取抗水措施：
? 1,加入 H3PO4,加入 H3PO4后, 可与 MgCl2生成不溶于
水的 2MgHPO4·3H2O的结构物 。 （ 掺量 1%左右 ）
? 2,有机外加剂, 有水溶性和水乳性的高聚物和有机硅,
如丙烯酸聚合乳液, 砖酸乙酯等 。 它们自力交联聚合,
可以包裹 Mg(OH)2晶体, 形成良好的防水保护层 。
? 3,加入 FeCl3，可以增加硬化体强度，并堵塞
毛细管，增加抗渗性。
? 4．掺入某些水硬性胶凝混合材如浮石粉，红
砖等。混合材中的 SiO2,Al2O3可与 Mg(OH)2
作用生成耐水性强的物质。
四、应用
? 菱苦土硬化后与植物纤维的粘结性很好, 且碱性
较弱, 对植物纤维腐蚀性也小, 可以用做,（ 1）
制作构件 。 常将菱苦土与木纤维, 如木屑, 刨花,
芦苇, 竹筋等制成一些板材及其他构件 。 这些板
材及构件包括：刨花板, 人造大理石, 隔热材料
等 。
? （ 2）制作菱苦土木屑地面，此时可以再加入
石棉、硅藻土、石英和颜料等。特点是强度较
高，弹性好，不起灰，，放火、碰撞不起火花，
但不常用于潮湿环境。
? （ 3）加入气泡或泡沫后，制成保温隔热材料。
? （ 4）耐水性处理好的话，还可以用于浴缸等
生活用具。
? （ 5）其他
菱苦土一些注意事项：
? （ 1） 仍是保存与运输中的防潮以及其制品不宜用
于室外和多水的地方, 要么耐水性处理的很好 。
? （ 2） 调和剂的掺量 。 MgCl2,MgO,4~6之间 。
? （ 3） 与玻璃制品隔开, 因为菱苦土的弱碱性对玻
璃有腐蚀性, 所以若用到玻璃纤维, 耐久性要注
意 。
第四节 水玻璃 (water glass)
– 一、组成及分类
– 二、水玻璃的生产
– 三、水玻璃的凝结硬化
– 四、水玻璃的性质
– 五、水玻璃的应用
一、水玻璃组成及分类
? 水玻璃俗称为泡花碱, 是一种易溶于水的碱金
属硅酸盐, 最常用的是硅酸钠和硅酸钾两种 —
— R2O?nSiO2。 (又称钠水玻璃, 钾水玻璃 )也
可将二者按比例混合, 又叫混合水玻璃 。
? n：氧化硅与氧化钠的分子比, 它被称为水玻
璃的模数 。
水玻璃分类
? 1,按模数大小：高模数水玻璃和低模数水玻璃
? 2,按碱金属氧化物：钾水玻璃、钠水玻璃和混
合水玻璃；
? 3,按融制时的原料，特别是碱金属氧化物原料：
纯碱（碳酸盐）水玻璃和硫酸钠水玻璃；
? 4,改性水玻璃：掺有外加剂的水玻璃；
? 5,按水玻璃中二氧化硅含量多少，有中性和碱
性水玻璃 —— 水解后都为碱性。
? 工业上水玻璃形态有三种：
? ①块状或粉状水玻璃，溶解慢，且易潮解。
? ②含有化合水的固体水玻璃，称之为水合水玻
璃溶解度大。
? ③由①而得的液体水玻璃，可与水按任意比例
混合。
二、水玻璃的生产
? （一）原料：
? 1,SiO2 原料：石英砂、砂岩、燧石、硅藻土等；
? 2,Na2O原料：纯碱 (Na2CO3)、硫酸钠 (Na2SO4)、
苛性钠 (NaOH)、小苏打 (NaHCO3)等；
? 3,其他原料：炭，在用硫酸盐生产时采用。
（二）生产
? 1,干法
? （ 1）碳酸盐熔融法
? Na2CO3+nSiO2?CO2?+Na2O·nSIO2
? （ 2）硫酸盐法
? 4Na2SO4+2C+4SiO2=4NaO·SiO+4SO2+2CO2
? 2,湿法 —— 蒸压法
? 国内多用碳酸盐法
三、水玻璃的凝结硬化
? Na2·nSiO2+CO2+mH2O=Na2CO3+nSiO2· mH2O
? 这个反应在空气中进行, 反应速度偏慢, 一般加入
硅氟酸钠 （ Na2SiF6） 作为促硬剂 。
? 但 Na2SiF6有毒, 使用要注意安全 。 掺量 12-15%。
掺量过多或过少的都有弊端 。
? 水玻璃的模数和相对密度，对于凝结和硬化影
响也很大。当模数高时，硅胶容易析出，水玻
璃凝结硬化快。当水玻璃相对密度小时，反应
产物扩散速度快，水玻璃凝结硬化速度也快。
而模数又低且相对密度又大时，凝结硬化就很
慢。
? 环境温度和湿度对凝结硬化影响也大，温度高、
湿度低时放映速度也加快。
四、水玻璃性质
五、水玻璃的应用
?1,涂刷土木工程材料表面可提高抗风化能力, 并
可掺入耐碱颜料 。
?2,配制防水剂 。
?3,配制水玻璃矿渣砂浆, 修补砖墙, 裂缝 。
?4,用于加固土壤 。
?5,碱矿渣砼中的碱 。
?6,配制耐酸砼 。
?7,配制耐热砂浆和耐热混凝土 。
水玻璃性能的调配
? 因为水玻璃在工程中应用主要与其粘度和粘结力有关,
而这两点又分别与水玻璃的浓度和模数有关 。
? 1,不考虑浓度与模数改变, 可加入尿素, 在不提高
粘度的同时, 增加粘结力 。
? 2,模数的调查：若水玻璃在使用中模数不合要求,
导致粘结力等性能不符, 则通过加入 NaOH来降低模
数, 或加入硅酸或无定形 SlO2来提高模数 。
? 3,浓度可通过加水稀释或加热浓缩来实现 。
注意事项：
? 1,运输与存放的容器：
? ① 不能用木质容器或用木塞：因为木材被碱性溶液浸蚀, 使水
玻璃着色而影响质量 。
? ② 不能用镀锌 （ Zn）, 因 Zn太活泼, 易与碱反应生成氢气 。
? 故而可用玻璃桶, 铁桶, 砼桶, 塑料桶等 。 但不论何种容器,
应注意密封, 以防与 CO2和 H2O反应, 而表面结皮 。
? 2,水玻璃在 +10℃ 下有结冰的可能, 故应保持贮存处温度 。
? 3,加入促硬剂 （ 如 Na2SiF6） 时应注意安全, NaSiF6为白色结
晶, 在水玻璃工地易当成白糖或食盐 。
? 4,不能长时间敞开有放, 由于表面水分蒸发, 表面易结皮,
结皮又因沉降作用而沉淀, 从而影响质量 。 模数大的水玻璃易
结皮 。
? 思考题
?(1)气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料有何区别?
?(2)石灰熟化成石灰浆使用时，一般应在储灰坑
中“陈伏”两星期以上，为什么?
?(3)何为欠火石灰、过火石灰?各有何特点?
?(4)试述石灰的技术性能与应用?
?(5)试述建筑石膏的技术性能与应用。
?(6)水玻璃有哪些用途?
?(7)
? 胶凝材料 (cements,binding materials)
? 胶凝材料概念：在土木工程材料中，凡是经过
一系列的物理、化学作用，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
有机胶凝材料：如沥青, 树脂等
无机胶凝材料
气硬性：如石膏, 石灰, 菱苦土,
水玻璃
水硬性：各种水泥
? 气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，且
只能在空气中保材或发展其强度。而水
硬性不仅在空气中，而且能更好的在水
中硬化，并保持、发展其强度。
? 第一节,石膏 (gypsum) 膏 —— plaster
? 一,原材料
? 二、生产及产品
? 三、水化硬化过程
? 四、应用
? 石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料，
其原料来源有：
? (1)天然二水石膏，又称软石膏或生石膏。
? (2)天然硬石膏 —— 无水硫酸钙。
? (3)化工废石膏 (含有二水石膏 (CaSO4·2H2O)
或含有 CaSO4·2H2O与 CaSO4的混合物的化工
副产品及废渣 ) —— 脱硫石膏、磷石膏、氟石
膏、硼石膏等。
一、石膏原料
二、石膏的生产及品种
? 石膏胶凝材料的主要生产原料是天然的二水石
膏。在将原料加热时，不同的温度和不同的压
力下所得 CaSO42H2O，石膏产品的结晶类型、
结晶水含量不同，因而有不同的性能指标。
蒸炼
炒制
品种
?(1)建筑石膏 (calcined gypsum)
?(2)高强石膏 (high strength gypsum/plaster)
?(3)硬石膏, 无水石膏 (anhydrite,anhydrous
gypsum)
? 1,高强石膏
? ?型半水石膏的晶粒较粗, 也比较密, 因此比表面积
较小, 将此种石膏加水硬化后, 具有较高的密实度
和强度, 3小时的抗压强度即可达到 9~24MPa,7天
抗压强度可达 15-40MPa,因此, 将之称为高强石膏 。
? 高强石膏在应用中, 一般用于强度要求较高的抹灰
工程, 装饰制品和石膏板, 加入防水剂后, 还可用
于温度较高的环境中, 加入有机物如聚乙烯醇水溶
液等可配制成粘结剂, 其特点是无收缩 。
? 2,建筑石膏
? β 型半水石膏的晶体较细，所以调制成一定稠
度的浆体时，需水量也比型半水石膏的需水量
大，导致建筑石膏的孔隙率也大，因而强度较
低。
? 在实际生产与工程中，建筑石膏的应用更广泛
一些。
建筑石膏的技术性质
凝结迅速：可以考虑加入缓凝剂 (retarder)来缓凝
水化反应理论需水量为 18.6％，但为了使石膏浆体
具有可塑性，通常实际加水为 60％ ~80%
石膏制品堆密度小，保温绝热性能好，吸音性强，
吸水率大，抗渗性、抗冻性和耐水性差 (石膏硬化体
的软化系数在 0.2～ 0.3之间 )。
建筑石膏硬化后体积略有膨胀 —— 不会出现裂纹。
颜色洁白，质感饱和。
性能 α型半水石膏（高强石膏） β型半水石膏（建筑石膏）
强度（ MPa） 10以上 5～ 10
标准调度
（％） 40～ 50 60～ 80
凝结时间
（ min） 17～ 20 7～ 12
3,可溶性硬石膏
4,不溶性硬石膏
5,高温煅烧石膏
? 1,胶凝理论
? 2,结晶理论
三、石膏水化硬化过程
)2(23)
2
1(2
24224 OHC a S OOHOHC a S O ?? ??
（ 1）半水石膏晶体结构中内在的残余力将水吸
附在颗粒的表面；
（ 2）水进入半水石膏的细孔内，并保持物理吸
附状态，形成胶凝结构，这就是初凝；
（ 3）水进入分子间或离子间间隙内，胶凝体发
生膨胀；
（ 4）水由物理吸附状态过渡到化学吸附状态，
产生水化作用，温度升高，形成二水石膏晶体，
晶体逐渐长大，互相交错形成密实结构，这就
是终凝。
? 在各种化学变形体中，无水石膏先要生成半水
石膏，然后在形成二水石膏。
? 可溶性硬石膏相对来讲反应活性最强。不溶性
硬石膏单独存在时不具有水化硬化能力，必须
加入激发剂。而高温煅烧石膏由于含有少量石
膏分解后的石灰，具有自激发性。
四, 石膏的应用
? 1,石膏的特点：
? （ 1）抗水性差：原因、软化系数、解决途径；
? （ 2）强度较低；
? （ 3）孔隙率高；
? （ 4）颜色洁白、质感好；
? （ 5）一定的防火性
2,应用
? （ 1）水泥的缓凝；
? （ 2）石膏制品
? 建筑石膏：装饰板材、雕塑、装饰型材、抹灰工程、
砌块等；
? 高强石膏：抹灰工程、装饰板材、砌块等；
? 可溶性硬石膏一般不用，避免出现；
? 不溶性硬石膏：加入激发剂后配制成硬石膏水泥；
? 激发剂：硫酸盐激发、碱激发
? 高温煅烧石膏：此时其中的石灰作为激发剂，耐磨
性和抗水性提高，又称为地板石膏。
作为石膏制品时，因为石膏凝
结速度很快，需要进行调节，
此时可以加入促凝剂和缓凝剂。
– 3.2.4 建筑石膏的应用
?(1)纸面石膏板,两面用坚韧的纸做护面
?(2)纤维石膏板：含 纤维材料
?(3)装饰石膏板,造型美观，品种多样
?(4)空心石膏条板：空心
?(5)石膏蜂窝板、石膏矿棉复合板、防潮石膏板
等
? （ 1）石膏浆
体强度发展
过程
3,强度发展
时间
强
度
（ 2）影响强度发展的因素
? 温度；
? 水灰比
（ 4）陈化
? 由于新烧制的熟石膏为多相体的混合物，如建
筑石膏在 120-140℃ 下也只是形成以
（ β ·CaSO4·1/2 H2O）为主，还有很多未烧的石
膏及其他化合物，因此，性能很不稳定，将其
静放一段时间后，待性能稳定以后在应用，这
一过程即为“陈化”。
成品熟石膏生石膏 天陈化煅烧 ????? ???? ?? 105 ~
( )
( )
( )
半水石膏
少量二水石膏
少量型石膏
主要的半水石膏
二水石膏变化矿物
保温
吸湿
再结晶
-
???
???
?
???
???
?
?? ??
?? ??
??? ??-
b
b
III
?
?
?
???
?
?
?
?
?
性能稳定性能不稳定
强度增加强度较低
凝结时间正常凝结时间不正常
减少标准稠度标准稠度较大
变化
性能
第二节 石灰 (lime,CaO)
? 一、石灰分类
? 二、生石灰的原料与生产
? 三、生石灰的性质
? 四、熟石灰的制造（石灰的熟化） (slake)
? 五、熟石灰的性质
? 六、生石灰和熟石灰的应用
一、石灰的分类
? 根据石灰加工方法：块状生石灰, 磨细生石灰,
石灰浆, 石灰乳, 石灰水等；
? 石灰石中含有杂质氧化镁 （ MgO）, 根据 MgO的
多少, 将生石灰中 MgO含量 ≤ 5%的称为钙质石
灰 （ 低镁石灰 ）, 5%~20%的称为中镁石灰 。
20%~40%为高镁石灰；
? 根据消化速度：快速消化石灰、中速消化石灰
和满素消化石灰，消化速度分别,小于 10min、
10~30min,30min以上。
? 根据消化时所达到的温度指标，又有高热石灰
（ ?高于 70° C）和低热石灰（ ?70° C）
二、生石灰的原材料和生产
? 原料：
? 以含碳酸钙为主的天然岩石和化工副产品。
? 天然岩石主要有石灰石、大理石、白云石、方
解石、白垩、石灰华等；
? 化工副产品主要有电石渣（消化电石而得）等,
CaC2+2H2O=C2H2?+Ca(OH)2
制造,CaCO3+178?103J/mol?CaO+CO2?
? 最佳煅烧温度 —— 过火石灰和欠火石灰
? 碳酸钙的分解取决于温度、压力、介质和石灰石原
料的致密度及块度的形状和均匀度。
? 原料中含有的 MgO杂质 对生石灰的制造也有影响，
MgCO3比 CaCO3煅烧温度低，因而先分解，等
CaCO3分解时,MgO的致密度大增，消化性能降低，
影响了生石灰的性能。
? 所以生石灰的最佳煅烧温度不是一成不变的。
三,生石灰的性质
? （一）物理性能
? 1,晶形和晶格结构
? CaO具有面心立方晶格，晶格常数 a=0.48nm，
MgO也是面心立方晶格,a=0.4203nm，所以
白云石（ CaCO3:MgCO3=1:1）密度比石灰石
（主要是 CaCO3 ）高。
? 2,煅烧度 —— 石灰被煅烧的程度
? 轻烧石灰、中烧石灰和硬烧石灰及死烧石灰
? 3,体积密度 —— 随煅烧度的增加而增大。
? 4,气孔率 开口（连通、半连通）及全封闭孔
? 5,颜色 —— 与比表面积和杂质含量有关。
（二）化学性质
? 1,与水的作用 —— 消化、熟化
? CaO+H2O?Ca(OH)2+6.49?104J
? 消化与煅烧度、颗粒大小、外加剂、温度有关
? 石灰的消化特点：
? （ 1）大量放热；
? （ 2）比表面积急剧增加，以及块状生石灰变
为粉末状消石灰；
? （ 3）石灰粒子在水中形成石灰胶团结构。
2,与 CO2作用 —— 碳化
? Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O
? CO2与 H2O先形成 H2CO3，然后与 Ca（ OH） 2发生
反应, 因此 只有在半潮湿、升压和升温状态下的
CaO或 CO2浓度大的条件下，碳化作用才明显。
? 碳化与石灰乳的形成及硬化有关。
? 3,与 SiO2的作用 —— 在高温下（ 1000~1200），
与 SiO2反应形成 C2S。
? 4,其他反应
四、熟石灰的制造
? 1,湿消化：在消化槽中，给石灰块和石灰粉不停
的浇水，并不断搅拌，直至放热结束。
? 2,干消化：石灰工业企业中，常用到。见图 1-17
? 3,加压消化：常见于难消化的石灰，如硬烧石灰、
镁质石灰等。
? 4,工业副产品：生产乙炔工业中：
? CaC2+2H2O=C2H2?+Ca(OH)2
五、熟石灰的性质
? （一）物理性质
? 1,晶形和晶体结构
? 2,密度和堆积密度
? 3,硬度
? 4,粒度和比表面积
? 5,溶解度
? 6,热性能
? 7,颜色
（二）化学性质
（三） 其他性质
? 1,流动性
? 2,可塑性及和易性
? 3,产浆量
? 4,沉降体积
? 5,均匀性
六、应用
–石灰的技术性质
?(1)良好的保水性,直径约为 1μ m的呈胶
体分散状态的氢氧化钙，其表面吸附一层
较厚的水膜。
?(2)凝结硬化慢、强度低,碳酸钙和氢氧化
钙结晶体
?(3)耐水性差,氢氧化钙结晶易溶于水
?(4)体积收缩大,蒸发大量的游离水
?1．石灰乳涂料
? 将热化好的消石灰加入水稀释，直接用于室内墙壁
和天棚的涂料。
? —— 加入各种耐碱颜料，可变成彩色涂料。
? —— 加入少量磨细 slag或 flyash,提高其耐水性。
? —— 加入明矾，氯化钙，聚乙烯醇等减少涂层粉化。
（一）建筑业
? 2,石灰砂浆
? ① 石灰膏 +砂 +水 +拌制, 既可用作砌筑砂浆又可
用作抹面 。
? ② 石灰膏 +纤维 +水拌制, 多用于抹面 。
? 3,石灰土和三合土
? 石灰土 （ 石灰 +粘土 ） 和三合土 （ 石灰 +粘土 +砂
碱炸渣等填料 ）, 多用于加固地面, 密实地面,
稳定地基 。
? 4,制作硅酸盐制品
? 将石灰与硅质材料磨细后, 一起加压成型, 再经过蒸汽
养护, 生成以水化硅酸钙为主要产物的砼 。
? 反应式如下：
? Ca(OH)2+SiO2+aq→ CaO·SiO2·aq
? 硅酸盐砼制品有：灰砂砖, 灰砂构件, 加气砼等 。
? 5．碳化石灰板
? 将磨细生石灰、纤维状填料或轻质骨料搅拌成型，
然后用 CO2进行人碳化，而成的一种轻质板材。
? 6．将生石灰用于惰性胶凝材料的激发剂，如 FA，
slay等。
? 7．接触硬化胶凝材料。
四、关于石灰用于建筑中的一些注意事项：
? 1,陈伏,生石灰中, 一些石灰石在烧制过程中由于矿
石品质的不均匀及温度的不均匀, 生成的生石灰中即有
可能含有欠火石灰和过水石灰 。 对于欠火石灰, 降低了
石灰的利用率, 而对于过火石灰, 由于其表面常被粘土
类杂质融化形成的玻璃釉状物包裹, 熟化很慢, 就有可
能在实际工程应用中, 石灰已经硬化, 而过火石灰才开
始热化, 热石灰体积比生石灰体积大 1~2.5倍, 引起隆
起和开裂 。 为了消除这一危害, 就有必要将石灰浆, 在
储存坑中, 陈伏, 两星期以上, 等待过火石灰的完全
,热化, 。
?, 陈伏, 期间, 石灰浆表面应保有一层水分, 与空气隔
绝, 以免碳化 。
? 2,消化时的温度与石灰粒度
? 石灰在消化期间的温度应注意石灰的粒度大小, 研
究结论指出, 粒度较大的生石灰应在较低的温度下
消化, 而粒度小的应在较高温度下进行消化 。 这主
要是与形成的石灰浆达到最好的塑性有关 。
? 3,石灰制品受潮后易溶解, 致使强度下降所以不宜
在潮湿环境中使用, 若必须要用, 就必须进行处理 。
（二）钢铁工业
（三）化学工业
第三节 镁质胶凝材料（菱苦土）
? 菱苦土是一种白色或浅黄色的粉末, 其主要成
分是氧化镁 （ MgO）, 菱苦土作为胶凝材料与
石灰的原理不同, 石灰的最终反应化学原理是
Ca(OH)2→ CaCO3生成物要求是 CaCO3,而菱苦
土的反应生成物是 Mg(OH)2。
一、菱苦土原料
? （一）菱镁矿
? （二）白云石
? （三）蛇纹石
? （四）化工副产品
二、菱苦土的生产
? MgCO3?MgO+CO2?
? 在原材料煅烧过程中，应使 MgCO3充分分解，而
其中的 CaCO3避免分解，这样所得到的菱苦土材
料就是活性 MgO和惰性的 CaCO3，这主要是因为
若生成 CO2，会对菱苦土性能产生负面影响。
? 煅烧最适宜温度与原材料中的化学组成、结构状
态有关。
? 煅烧温度也直接影响菱苦土的水化速度，煅烧温
度低，则烧结速度快，但可能 MgCO3又不能充分
分解。
三、菱苦土的硬化与调和
? MgO+H2O=Mg(OH)2
? 在纯水中，这个反应很慢，且硬化后的强度很
低,因此，一般不用水来调配菱苦土浆体，而
是用某些盐水。最常用的就是 MgCl2，其次还
有 MgSO4,FeSO4等。
? 用 MgCl2作为调凝剂，硬化后强度最高，但吸
湿性较大，抗水性差；而用 MgSO4作为调凝剂，
制品吸湿小，但强度较低；用 FeSO4,吸湿性强
度都还可以，但时间一长，制品表面容易出现
锈斑。
? 在实际中, 多采用 MgCl2（ 此时又叫氯镁水泥 ） 作为调
凝剂, 同时辅以采取抗水措施：
? 1,加入 H3PO4,加入 H3PO4后, 可与 MgCl2生成不溶于
水的 2MgHPO4·3H2O的结构物 。 （ 掺量 1%左右 ）
? 2,有机外加剂, 有水溶性和水乳性的高聚物和有机硅,
如丙烯酸聚合乳液, 砖酸乙酯等 。 它们自力交联聚合,
可以包裹 Mg(OH)2晶体, 形成良好的防水保护层 。
? 3,加入 FeCl3，可以增加硬化体强度，并堵塞
毛细管，增加抗渗性。
? 4．掺入某些水硬性胶凝混合材如浮石粉，红
砖等。混合材中的 SiO2,Al2O3可与 Mg(OH)2
作用生成耐水性强的物质。
四、应用
? 菱苦土硬化后与植物纤维的粘结性很好, 且碱性
较弱, 对植物纤维腐蚀性也小, 可以用做,（ 1）
制作构件 。 常将菱苦土与木纤维, 如木屑, 刨花,
芦苇, 竹筋等制成一些板材及其他构件 。 这些板
材及构件包括：刨花板, 人造大理石, 隔热材料
等 。
? （ 2）制作菱苦土木屑地面，此时可以再加入
石棉、硅藻土、石英和颜料等。特点是强度较
高，弹性好，不起灰，，放火、碰撞不起火花，
但不常用于潮湿环境。
? （ 3）加入气泡或泡沫后，制成保温隔热材料。
? （ 4）耐水性处理好的话，还可以用于浴缸等
生活用具。
? （ 5）其他
菱苦土一些注意事项：
? （ 1） 仍是保存与运输中的防潮以及其制品不宜用
于室外和多水的地方, 要么耐水性处理的很好 。
? （ 2） 调和剂的掺量 。 MgCl2,MgO,4~6之间 。
? （ 3） 与玻璃制品隔开, 因为菱苦土的弱碱性对玻
璃有腐蚀性, 所以若用到玻璃纤维, 耐久性要注
意 。
第四节 水玻璃 (water glass)
– 一、组成及分类
– 二、水玻璃的生产
– 三、水玻璃的凝结硬化
– 四、水玻璃的性质
– 五、水玻璃的应用
一、水玻璃组成及分类
? 水玻璃俗称为泡花碱, 是一种易溶于水的碱金
属硅酸盐, 最常用的是硅酸钠和硅酸钾两种 —
— R2O?nSiO2。 (又称钠水玻璃, 钾水玻璃 )也
可将二者按比例混合, 又叫混合水玻璃 。
? n：氧化硅与氧化钠的分子比, 它被称为水玻
璃的模数 。
水玻璃分类
? 1,按模数大小：高模数水玻璃和低模数水玻璃
? 2,按碱金属氧化物：钾水玻璃、钠水玻璃和混
合水玻璃；
? 3,按融制时的原料，特别是碱金属氧化物原料：
纯碱（碳酸盐）水玻璃和硫酸钠水玻璃；
? 4,改性水玻璃：掺有外加剂的水玻璃；
? 5,按水玻璃中二氧化硅含量多少，有中性和碱
性水玻璃 —— 水解后都为碱性。
? 工业上水玻璃形态有三种：
? ①块状或粉状水玻璃，溶解慢，且易潮解。
? ②含有化合水的固体水玻璃，称之为水合水玻
璃溶解度大。
? ③由①而得的液体水玻璃，可与水按任意比例
混合。
二、水玻璃的生产
? （一）原料：
? 1,SiO2 原料：石英砂、砂岩、燧石、硅藻土等；
? 2,Na2O原料：纯碱 (Na2CO3)、硫酸钠 (Na2SO4)、
苛性钠 (NaOH)、小苏打 (NaHCO3)等；
? 3,其他原料：炭，在用硫酸盐生产时采用。
（二）生产
? 1,干法
? （ 1）碳酸盐熔融法
? Na2CO3+nSiO2?CO2?+Na2O·nSIO2
? （ 2）硫酸盐法
? 4Na2SO4+2C+4SiO2=4NaO·SiO+4SO2+2CO2
? 2,湿法 —— 蒸压法
? 国内多用碳酸盐法
三、水玻璃的凝结硬化
? Na2·nSiO2+CO2+mH2O=Na2CO3+nSiO2· mH2O
? 这个反应在空气中进行, 反应速度偏慢, 一般加入
硅氟酸钠 （ Na2SiF6） 作为促硬剂 。
? 但 Na2SiF6有毒, 使用要注意安全 。 掺量 12-15%。
掺量过多或过少的都有弊端 。
? 水玻璃的模数和相对密度，对于凝结和硬化影
响也很大。当模数高时，硅胶容易析出，水玻
璃凝结硬化快。当水玻璃相对密度小时，反应
产物扩散速度快，水玻璃凝结硬化速度也快。
而模数又低且相对密度又大时，凝结硬化就很
慢。
? 环境温度和湿度对凝结硬化影响也大，温度高、
湿度低时放映速度也加快。
四、水玻璃性质
五、水玻璃的应用
?1,涂刷土木工程材料表面可提高抗风化能力, 并
可掺入耐碱颜料 。
?2,配制防水剂 。
?3,配制水玻璃矿渣砂浆, 修补砖墙, 裂缝 。
?4,用于加固土壤 。
?5,碱矿渣砼中的碱 。
?6,配制耐酸砼 。
?7,配制耐热砂浆和耐热混凝土 。
水玻璃性能的调配
? 因为水玻璃在工程中应用主要与其粘度和粘结力有关,
而这两点又分别与水玻璃的浓度和模数有关 。
? 1,不考虑浓度与模数改变, 可加入尿素, 在不提高
粘度的同时, 增加粘结力 。
? 2,模数的调查：若水玻璃在使用中模数不合要求,
导致粘结力等性能不符, 则通过加入 NaOH来降低模
数, 或加入硅酸或无定形 SlO2来提高模数 。
? 3,浓度可通过加水稀释或加热浓缩来实现 。
注意事项：
? 1,运输与存放的容器：
? ① 不能用木质容器或用木塞：因为木材被碱性溶液浸蚀, 使水
玻璃着色而影响质量 。
? ② 不能用镀锌 （ Zn）, 因 Zn太活泼, 易与碱反应生成氢气 。
? 故而可用玻璃桶, 铁桶, 砼桶, 塑料桶等 。 但不论何种容器,
应注意密封, 以防与 CO2和 H2O反应, 而表面结皮 。
? 2,水玻璃在 +10℃ 下有结冰的可能, 故应保持贮存处温度 。
? 3,加入促硬剂 （ 如 Na2SiF6） 时应注意安全, NaSiF6为白色结
晶, 在水玻璃工地易当成白糖或食盐 。
? 4,不能长时间敞开有放, 由于表面水分蒸发, 表面易结皮,
结皮又因沉降作用而沉淀, 从而影响质量 。 模数大的水玻璃易
结皮 。
? 思考题
?(1)气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料有何区别?
?(2)石灰熟化成石灰浆使用时，一般应在储灰坑
中“陈伏”两星期以上，为什么?
?(3)何为欠火石灰、过火石灰?各有何特点?
?(4)试述石灰的技术性能与应用?
?(5)试述建筑石膏的技术性能与应用。
?(6)水玻璃有哪些用途?
?(7)
