2.1　石灰

石灰是土木工程中使用較早的礦物膠凝材料之一，屬于氣硬性膠凝材料。由于石灰的原料來源廣泛，生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，所以至今仍被廣泛用于工程中。

2.1.1　石灰的生產(chǎn)

生產(chǎn)石灰的原料主要是石灰石，也可利用含有碳酸鈣成分的天然物質(zhì)或化工副產(chǎn)品做原料。

石灰石的主要成分是碳酸鈣（CaCO3），其次是碳酸鎂（MgCO3）和少量黏土雜質(zhì)。一般生產(chǎn)石灰的石灰石化學(xué)成分要求碳酸鈣含量在80％以上，碳酸鎂含量在20％以下，黏土質(zhì)含量在8％以下。

將石灰石置于窯內(nèi)高溫下煅燒，碳酸鈣和碳酸鎂受熱分解，分解出二氧化碳（CO2）氣體后，得到以氧化鈣（CaO）為主要成分的呈白色或灰白色的塊狀成品即為生石灰，又稱塊灰。

考慮到煅燒過程中的熱量損耗，實(shí)際窯內(nèi)煅燒溫度常控制在1000～1100℃。碳酸鈣分解時(shí)，約釋放出占原重44％的CO2氣體，但煅燒所得的生石灰體積卻僅比碳酸鈣體積減小10％～15％，所以正常溫度下煅燒得到的石灰具有多孔結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部孔隙大、晶粒細(xì)小、體積密度小，與水反應(yīng)快。原料純凈，煅燒良好的正火石灰，質(zhì)輕色白，呈疏松多孔塊狀結(jié)構(gòu)，密度3.1～3.4g/cm3，堆積密度800～1000kg/m3。

由于石灰石的致密程度、塊形大小、雜質(zhì)含量不同，加之煅燒火候的不均勻，生產(chǎn)過程常出現(xiàn)欠火石灰或過火石灰。欠火石灰是由于煅燒溫度較低、石灰石尺寸過大或煅燒時(shí)間過短，碳酸鈣未能完全分解，外部為正常煅燒的石灰，內(nèi)部尚有未分解的石灰石內(nèi)核，不能消解，因而欠火石灰的產(chǎn)漿量低，質(zhì)量較差，降低了石灰的利用率。過火石灰是由于煅燒溫度過高或煅燒時(shí)間過長，使內(nèi)部孔隙減小、密度增大、晶粒變大，而且石灰石中的二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）等雜質(zhì)發(fā)生熔結(jié)，使石灰顆粒表面部分被玻璃狀物質(zhì)（即釉狀物）所包覆，使石灰遇水難以水化延緩了熟化速度。若使用在工程中，過火石灰顆粒往往會(huì)在正火石灰硬化后才吸濕消解而發(fā)生體積膨脹，這使已硬化的灰漿表面會(huì)產(chǎn)生膨脹而引起崩裂或隆起，直接影響工程質(zhì)量。

建筑石灰按氧化鎂含量分為鈣質(zhì)石灰（w（MgO）≤5％）和鎂質(zhì)石灰（w（MgO）≥5％）。鎂質(zhì)石灰熟化較慢，但硬化后強(qiáng)度稍高。

按成品加工方法除了塊狀生石灰外，還有磨細(xì)生石灰、消石灰粉、石灰漿等產(chǎn)品廣泛用于工程。

2.1.2　石灰的熟化（消解）與陳伏

生產(chǎn)石灰膠凝材料時(shí)，煅燒得到的塊狀生石灰只是半成品，工程上使用石灰之前，需經(jīng)過熟化后方能使用（除磨細(xì)生石灰外）。“熟化”（又稱石灰的“消解”）通常是指將生石灰加水，反應(yīng)生成消石灰（氫氧化鈣）的過程，反應(yīng)式如下：

CaO+H2O→Ca（OH）2+64.9kJ/mol

石灰熟化過程中伴隨體積膨脹和放熱。質(zhì)純且煅燒良好的生石灰，在熟化過程中體積將膨脹倍含雜質(zhì)且煅燒不良的生石灰體積也有倍的膨脹值

根據(jù)用途不同，石灰消化時(shí)加水量不同，消化方法有所區(qū)別。當(dāng)用于調(diào)制砂漿時(shí)，利用化灰池，將生石灰熟化成石灰漿，如圖2.1所示。生石灰在化灰池中加水熟化成含有大量水的石灰乳，石灰乳漿體和尚未熟化的小顆粒通過篩網(wǎng)流入儲(chǔ)灰坑，而大塊的欠火石灰、過火石灰則予以清除。石灰漿在儲(chǔ)灰坑中沉淀并除去上層水分后稱石灰膏，石灰膏的堆積密度為1300～1400kg/m3，1kg生石灰可熟化1.5～3L石灰膏。為了消除熟石灰中過火石灰顆粒的危害，石灰漿應(yīng)在儲(chǔ)灰坑中靜置2周以上再使用，此過程稱為“陳伏”，陳伏期間，石灰漿表面保持一層水分，使之與空氣隔絕，防止或減緩石灰膏與二氧化碳發(fā)生碳化反應(yīng)。

當(dāng)用于拌制灰土（石灰、黏土）、三合土（石灰、黏土、砂石或爐渣等）時(shí)，采用分層噴淋法將生石灰熟化成消石灰粉。消化時(shí)將生石灰塊平鋪在能吸水的地面上，每堆放0.20m高后淋適量的水，共堆放5～7層，最后用土或砂覆蓋，以防水分蒸發(fā)及碳化，其加水量是否適度，以能充分消解而又不過濕成團(tuán)為標(biāo)準(zhǔn)，一般為生石灰質(zhì)量的60％～80％。消石灰粉在使用前，也有類似灰漿的陳伏處理，即在上述消化的條件下放置2周以上再使用。

2.1.3　石灰的硬化

石灰漿體的硬化包括兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：干燥結(jié)晶和碳化作用。

（1）干燥結(jié)晶

石灰漿體在干燥環(huán)境中，多余的游離水分逐漸蒸發(fā)，也有部分為附著基面吸收，使石灰漿內(nèi)部形成大量毛細(xì)孔隙，殘留在孔隙內(nèi)的游離水由于水的表面張力的作用形成彎月面，從而產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，使得氫氧化鈣顆粒間的接觸緊密，產(chǎn)生一定強(qiáng)度；石灰漿體液相中呈膠體分散狀態(tài)的氫氧化鈣顆粒，表面吸附一層厚的水膜，當(dāng)水分蒸發(fā)時(shí)，水膜逐漸減薄，膠體粒子在分子力作用下互相黏結(jié)，形成凝聚結(jié)構(gòu)的空間網(wǎng)；水分蒸發(fā)至氫氧化鈣溶液達(dá)到飽和時(shí)，膠體開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，析出氫氧化鈣晶粒，晶粒不斷長大、交錯(cuò)結(jié)合，形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)，強(qiáng)度由此產(chǎn)生并得到發(fā)展。

（2）碳化作用

碳化作用是指氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳在有水的條件下生成碳酸鈣晶體的過程，反應(yīng)式如下：

碳化作用實(shí)際是二氧化碳與水形成碳酸，然后與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣。所以這個(gè)作用不能在沒有水分的全干狀態(tài)下進(jìn)行。碳酸鈣的固相體積比氫氧化鈣固相體積稍有增大，使石灰漿體的結(jié)構(gòu)更加致密。碳化作用在長時(shí)間內(nèi)只限于表層，氫氧化鈣的結(jié)晶作用則主要在內(nèi)部發(fā)生。當(dāng)材料表面形成碳酸鈣達(dá)到一定厚度時(shí)，碳化作用極為緩慢，而且阻止了內(nèi)部水分的析出，使氫氧化鈣結(jié)晶速度緩慢，這是石灰凝結(jié)硬化緩慢的主要原因。

2.1.4　石灰的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《建筑生石灰》（JC/T479—2013），將建筑生石灰按生石灰的化學(xué)成分分為鈣質(zhì)石灰和鎂質(zhì)石灰兩類。根據(jù)化學(xué)成分的含量每類又分成各個(gè)等級(jí)，各等級(jí)相應(yīng)指標(biāo)如表2.1所示。

建筑生石灰的化學(xué)成分應(yīng)符合表2.2要求，而其物理性質(zhì)應(yīng)符合表2.3要求。生石灰塊在代號(hào)后面加Q，生石灰粉在代號(hào)后面加QP。

根據(jù)《建筑消石灰》（JC/T481—2013），建筑消石灰按扣除游離水和結(jié)合水后（CaO+MgO）的百分含量分類，見表2.4所示；建筑消石灰的化學(xué)成分應(yīng)符合表2.5要求，其物理性質(zhì)應(yīng)符合表2.6要求。

2.1.5　石灰的性質(zhì)

（1）良好的保水性、可塑性

生石灰熟化成石灰漿時(shí)，能自動(dòng)形成顆粒極細(xì)（直徑約為1μm）的呈膠體分散狀態(tài)的氫氧化鈣，其表面吸附一層較厚的水膜。由于顆粒數(shù)量多、總表面積大，可吸附大量水，這是保水性良好的主要原因。由于顆粒間的水膜較厚，顆粒間的滑移較易進(jìn)行。因此，用石灰調(diào)成的石灰漿具有良好的可塑性。利用這一性質(zhì)，在水泥砂漿中加入石灰漿，使保水性顯著提高，克服了水泥砂漿保水性差的缺點(diǎn)。

（2）凝結(jié)硬化慢、強(qiáng)度低

由于空氣中二氧化碳含量低，而且碳化后形成的碳酸鈣硬殼阻止了二氧化碳向內(nèi)部滲透，也阻止水分向外蒸發(fā)，結(jié)果使碳酸鈣和氫氧化鈣結(jié)晶體生成量少且緩慢。已硬化的石灰強(qiáng)度很低，1∶3石灰砂漿28d抗壓強(qiáng)度通常僅為0.2～0.5MPa。

（3）耐水性差

潮濕環(huán)境中石灰漿體不會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)硬化。已硬化的石灰，長期受潮或受水浸泡，由于氫氧化鈣晶體微溶于水，會(huì)使已硬化的石灰潰散，因而耐水性差。所以，石灰不宜用于潮濕環(huán)境及易受水浸泡的建筑部位。

（4）體積收縮大

氫氧化鈣顆粒吸附的大量水分，在石灰硬化過程中不斷蒸發(fā)，并產(chǎn)生很大的毛細(xì)管壓力，使石灰漿體產(chǎn)生顯著收縮而開裂。所以，除調(diào)成石灰乳作薄層涂刷外，不宜單獨(dú)使用。工程應(yīng)用時(shí)，常在石灰中摻入砂、麻刀、紙筋等材料，防止收縮變形產(chǎn)生的開裂，并增加抗拉強(qiáng)度。

2.1.6　石灰的應(yīng)用

（1）石灰乳涂料和石灰砂漿

指將消石灰粉或熟化好的石灰膏加入水?dāng)嚢柘♂專蔀槭胰橥苛希饕糜趦?nèi)墻和天棚刷白，增加室內(nèi)美觀和亮度。利用石灰膏或消石灰粉配制成的石灰砂漿或水泥石灰砂漿是砌筑工程中常用的膠凝材料。

（2）灰土和三合土

消石灰粉與黏土按一定比例配合稱為灰土，再加入煤渣、爐灰、砂等，即成三合土。灰土或三合土在強(qiáng)力夯打之下，大大提高了緊密度，而且黏土顆粒表面的少量活性氧化硅和氧化鋁與石灰中的氫氧化鈣起化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，將黏土顆粒黏結(jié)起來，因而提高了黏土的強(qiáng)度和耐水性，廣泛用于建筑物基礎(chǔ)和道路的基層。

（3）硅酸鹽制品

指將消石灰粉或磨細(xì)生石灰與砂或粉煤灰、火山灰、煤矸石等硅質(zhì)材料，經(jīng)配合拌勻，加水?dāng)嚢琛⒊尚汀B(yǎng)護(hù)（常壓或高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)）等工序制得的制品。因其內(nèi)部的膠凝材料基本上是水化硅酸鈣，所以稱為硅酸鹽制品。常用的有蒸養(yǎng)粉煤灰磚及砌塊、蒸壓灰砂磚及砌塊等。

（4）碳化石灰板

指將磨細(xì)生石灰、纖維狀填料或輕質(zhì)集料加水?dāng)嚢璩尚蜑榕黧w，然后再通入高濃度二氧化碳進(jìn)行人工碳化（12～24h）以加速石灰硬化而制成的一種輕質(zhì)板材。為減輕自重，提高碳化效果，多制成薄壁或空心制品。碳化石灰板的可加工性好，適合做非承重的內(nèi)隔墻板、天花板等。

（5）無熟料水泥

石灰與含有活性SiO2和Al2O3的礦物材料（如粉煤灰、高爐礦渣、煤矸石等）混合，并摻入適量石膏，磨細(xì)后得到的水硬性膠凝材料稱為無熟料水泥。無熟料水泥一般強(qiáng)度較低，但生產(chǎn)工藝簡單，原料可就地取材，能綜合利用工業(yè)廢渣，具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.1.7　石灰的運(yùn)輸和儲(chǔ)存

生石灰塊及生石灰粉在運(yùn)輸時(shí)要采取防水措施，不能與易燃、易爆及液體物品同時(shí)裝運(yùn)。運(yùn)到現(xiàn)場的石灰產(chǎn)品，不宜長期儲(chǔ)存。因石灰存放時(shí)間過長，會(huì)從空氣中吸收水分而消解，再與二氧化碳作用，形成碳酸鈣，就會(huì)失去膠凝能力，所以儲(chǔ)存期不宜超過1個(gè)月。儲(chǔ)運(yùn)中的石灰遇水，不僅自行消解，而且會(huì)因體積膨脹，撐破包裝袋，還會(huì)因放熱導(dǎo)致易燃物燃燒。熟化好的石灰膏，也不宜長期暴露在空氣中，表面應(yīng)加以覆蓋，以防碳化結(jié)硬。