1.1　氣硬性膠凝材料

建筑上能將散粒狀材料(如砂、石等)或塊狀材料(如磚、石塊、混凝土砌塊等)黏結成為整體的材料,稱為膠凝材料,其分類見圖1.1。氣硬性膠凝材料是指只能在空氣中凝結硬化的膠凝材料；水硬性膠凝材料是指不僅能在空氣中凝結硬化,而且能更好地在水中硬化,保持和發展其強度的膠凝材料。

1.1.1　石灰

1.1.1.1　生石灰的生產

生石灰是以CaCO3為主要成分的石灰石、白堊、白云石等為原料(圖1.2和圖1.3),在低于燒結溫度下煅燒所得的產物,其主要成分是CaO。煅燒反應如下：

生石灰生產中為了使CaCO3能充分分解生成CaO,必須提高溫度,但煅燒溫度過高過低,或煅燒時間過長過短都會影響燒成生石灰的質量。生石灰煅燒過程見圖1.4。

由于煅燒的不均勻性,或多或少的都存在少量的欠火石灰和過火石灰。

(1)欠火石灰中CaO的含量低,會降低石灰的質量等級和利用率。

(2)過火石灰結構密實,且表面有一層深褐色的玻璃狀外殼,熟化極其緩慢。當用這種未充分熟化的石灰抹灰后,會吸收空氣中大量的水蒸氣,繼續熟化,體積膨脹,致使墻面砂漿隆起、開裂,從而引起裂縫和局部脫落現象,嚴重影響工程質量。

1.1.1.2　生石灰的熟化

生石灰的熟化(又稱消化或消解)是指生石灰與水發生化學反應生成熟石灰的過程,見圖1.5。其反應式如下：

生石灰遇水反應劇烈,放出大量的熱,同時體積膨脹1～2.5倍。

塊狀生石灰熟化后體積膨脹,產生的膨脹壓力會致使石灰塊自動分散成為粉末,應用此法可將塊狀生石灰加工成為消石灰粉,見圖1.6。

熟化后的石灰在使用前必須進行“陳伏”。這是因為生石灰中存在著過火石灰。過火石灰結構密實,熟化極其緩慢,當這種未充分熟化的石灰抹灰后,會吸收空氣中大量的水蒸氣,繼續熟化,體積膨脹,致使墻面砂漿隆起、開裂,嚴重影響工程質量。為了消除過火石灰的危害,生石灰在使用前應提前化灰,使石灰漿在灰坑中儲存兩周以上,以使生石灰得到充分熟化,這一過程稱為“陳伏”。陳伏期間,為了防止石灰碳化,應在其表面保留一定厚度的水層,用以隔絕空氣。

1.1.1.3　石灰的硬化

石灰的硬化速度很緩慢,且硬化體強度很低。石灰漿體在空氣中逐漸硬化,主要是干燥結晶和碳化這兩個過程同時進行來完成的。

石灰的硬化主要依靠結晶作用,而結晶作用又主要依靠水分蒸發速度。由于自然界中水分的蒸發速度是有限的,因此石灰的硬化速度很緩慢。

1.1.1.4　石灰的技術性質

按石灰中氧化鎂的含量分類,生石灰可分為鈣質生石灰和鎂質生石灰。鎂質生石灰的熟化速度較慢,但硬化后其強度較高。根據建材行業標準,建筑生石灰可劃分為優等品、一等品和合格品共三個質量等級,見表1.1。

1.1.1.5　石灰的特性、應用及儲存

1.石灰的特性

(1)凝結硬化緩慢,強度低。石灰漿在空氣中的碳化過程很緩慢,且結晶速度主要依賴于漿體中水分蒸發的速度,因此,石灰的凝結硬化速度是很緩慢的。

(2)可塑性好,保水性好。生石灰熟化為石灰漿時,能形成顆粒極細(粒徑為0.001mm)呈膠體分散狀態的氫氧化鈣粒子,表面吸附一層厚厚的水膜,使顆粒間的摩擦力減小,因而具有良好的可塑性。

(3)硬化后體積收縮較大。石灰漿中存在大量的游離水,硬化后大量水分蒸發,導致石灰內部毛細管失水收縮,引起顯著的體積收縮變形。這種收縮變形使得硬化石灰體產生開裂,因此,石灰漿不宜單獨使用,通常工程施工中要摻入一定量的骨料(砂子)或纖維材料(麻刀、紙筋等)。

(4)吸濕性強,耐水性差。生石灰具有很強的吸濕性,傳統的干燥劑常采用這類材料。生石灰水化后的產物其主要成分是Ca(OH)2,能溶解在水中,若長期受潮或被水侵蝕,會使硬化的石灰潰散,因此它是一種氣硬性膠凝材料,不宜用于潮濕的環境中,更不能用于水中。

2.石灰的應用

石灰是建筑工程中面廣量大的建筑材料之一,其常見的用途如下：

(1)廣泛用于建筑室內粉刷。石灰乳是一種廉價的涂料,且施工方便,顏色潔白,能為室內增白添亮,因此在建筑中應用十分廣泛。墻體砌筑見圖1.7。

(2)用于配制建筑砂漿。石灰和砂或麻刀、紙筋配制成石灰砂漿、麻刀灰、紙筋灰,主要用于內墻、頂棚的抹面砂漿。石灰與水泥和砂可配制成混合砂漿,主要用于墻體砌筑或抹面之用,見圖1.8。

(3)配制三合土和灰土。三合土是采用生石灰粉(或消石灰粉)、黏土和砂子按1：2：3的比例,再加水拌和,經夯實后而成。灰土是用生石灰粉和黏土按1：2～4的比例加水拌和,經夯實后而成。經夯實后的三合土和灰土廣泛應用于建筑物的基礎、路面或地面墊層,見圖1.9。

(4)制作碳化石灰板。碳化石灰板是將磨細生石灰、纖維狀填料(如玻璃纖維等)或輕質骨料(如礦渣等)經攪拌、成型,然后人工碳化而成的一種輕質板材。這種板材能鋸、刨、釘,適宜作非承重內墻板、天花板等。

(5)生產硅酸鹽制品。以石灰和硅質材料(如石英砂、粉煤灰等)為原料,加水拌和,經成型,蒸養或蒸壓處理等工序而制成的建筑材料,統稱為硅酸鹽制品。如粉煤灰磚、灰砂磚、加氣混凝土砌塊等。

(6)配制無熟料水泥。將具有一定活性的混合材料,按適當比例與石灰配合,經共同磨細,可得到水硬性的膠凝材料,即為無熟料水泥。

3.石灰的儲存

生石灰具有很強的吸濕性,在空氣中放置太久,會吸收空氣中的水分而消化成消石灰粉而失去膠凝能力。因此儲存生石灰時,一定要注意防潮防水,而且存期不宜過長。

另外,生石灰熟化時會釋放大量的熱,且體積膨脹,故在儲存和運輸生石灰時,還應注意將生石灰與易燃易爆物品分開保管,以免引起火災和爆炸。

1.1.2　石膏

建筑中使用最多的石膏膠凝材料是建筑石膏,其次是高強石膏。建筑石膏及其制品具有許多優良性能,如輕質、耐火、隔音、絕熱等,是一種比較理想的高效節能的材料。天然石膏見1.10。

1.1.2.1　建筑石膏的生產

天然石膏或工業副產石膏是經脫水處理制得的,以β半水硫酸鈣(β-CaSO4·1/2H2O)為主要成分,不預加任何外加劑或添加物的粉狀凝膠材料。

1.1.2.2　建筑石膏的凝結硬化

建筑石膏與適量的水相混合,最初形成具有良好可塑性的漿體,但很快就失去可塑性而發展成為具有一定強度的固體,這個過程就稱為石膏的凝結硬化。其原因是由于漿體內部發生了一系列的物理化學變化,隨著水化反應不斷進行,水分不斷蒸發,漿體失去可塑性,這一過程稱為凝結；其后,晶體顆粒逐漸長大、連生、相互交錯,使得強度不斷增長,直到剩余水分完全蒸發,這一過程稱為硬化。

1.1.2.3　建筑石膏的技術性質

建筑石膏為白色粉末狀材料,建筑石膏技術性質主要有強度、細度、凝結時間。建筑石膏按其強度、細度的不同可劃分為優等品、一等品和合格品三個質量等級。具體情況見表1.2。

建筑石膏是在高溫條件下煅燒而成的一種白色粉末狀材料,本身易吸濕受潮,而且其凝結硬化速度很快,因此在儲存和運輸過程中,一定要注意防潮防水。同時,石膏若長期存放,強度也會降低,一般儲存三個月后強度會下降30%左右,因此建筑石膏儲存時間不宜過長,一般不超過三個月。若超過三個月,應重新檢驗并確定其質量等級。

1.1.2.4　建筑石膏及其制品的特性

(1)凝結硬化很快,強度較低。由于凝結快,在實際工程中使用時往往需要摻入適量的緩凝劑,如動物膠、亞硫酸鹽酒精溶液、硼砂等。建筑石膏的強度較低,其抗壓強度僅為3.0～5.0MPa,只能滿足作為隔墻和飾面的要求。

(2)硬化時體積略微膨脹。建筑石膏在凝結硬化時具有微膨脹性,其體積一般膨脹0.05%～0.15%。這種特性可使硬化成型的石膏制品表面光滑飽滿,干燥時不開裂,且能使制品造型棱角清晰,尺寸準確,有利于制造復雜花紋圖案的石膏裝飾制品,見圖1.11。

(3)孔隙率大,體積密度小,保溫隔熱性能好,吸聲性能好等。建筑石膏水化時的理論需水量僅為其質量的18.6%,但施工中為了保證漿體具有足夠的流動性,其實際加水量常常達60%～80%,大量的水分會逐漸蒸發出來,而在硬化體內留下大量的孔隙,其孔隙率可達50%～60%。由于孔隙率大,因此石膏制品的體積密度小,屬于輕質材料,而且具有良好的保溫隔熱性能和吸聲性能。

(4)耐水性差,抗凍性差。石膏是氣硬性膠凝材料,水會削弱其晶體粒子間的結合力,從而導致破壞,因此在使用時應注意所處環境的條件。

(5)防火性能良好。建筑石膏硬化后的主要成分是二水石膏,當其遇火時,二水石膏釋放出部分結晶水,而水的熱容量很大,蒸發時會吸收大量的熱,并在制品表面形成蒸汽幕,可有效地防止火勢的蔓延。

(6)具有一定的調溫調濕性能。由于石膏制品具有多孔結構,且其熱容量較大,吸濕性強,當室內溫度、濕度發生變化時,石膏制品能吸入水分或呼出水分,吸收熱量或放出熱量,可使環境的溫度和濕度得到一定的調節,石膏板見圖1.12。

(7)石膏制品具有良好的可加工性,且裝飾性能好。石膏制品可鋸、可釘、可刨,便于施工操作。并且其表面細膩平整,色澤潔白,具有典雅的裝飾效果,見圖1.13。

1.1.2.5　建筑石膏的應用

(1)用作室內粉刷和抹灰。石膏潔白細膩,用于室內粉刷、抹灰,具有良好的裝飾效果。經石膏抹灰后的內墻面、頂棚,還可直接涂刷涂料、粘貼壁紙。但在施工時應注意：由于建筑石膏凝結很快,施工時應摻入適量的緩凝劑,以保證施工質量。

(2)制作石膏制品。建筑石膏制品的種類較多,我國生產的石膏制品主要有紙面石膏板、空心石膏條板、纖維石膏板、石膏砌塊和其他石膏裝飾板等。建筑石膏配以纖維增強材料、黏結劑等,還可以制作各種石膏角線、線板、角花、雕塑藝術裝飾制品等。

(3)生石膏可作為水泥生產的原料。水泥生產過程中必須摻入適量的石膏作為緩凝劑,不摻、少摻或多摻都會導致水泥無法正常使用或根本無法使用。

1.1.3　水玻璃

硅酸鈉俗稱泡花堿,是一種水溶性硅酸鹽,其水溶液俗稱水玻璃,是一種礦黏合劑。其化學式為R2O·nSiO2,式中R2O為堿金屬氧化物,n為水玻璃的摩數,n值越大,水玻璃的密度和黏度越大,硬化速度越快,硬化后的黏結力越強。建筑上常用的水玻璃是硅酸鈉(Na2O·nSiO2)的水溶液,廣泛應用于以下幾個方面：

1.1.3.1　涂刷材料表面,提高抗風化能力

水玻璃溶液涂刷或浸漬材料后,能滲入縫隙和孔隙中,固化的硅凝膠能堵塞毛細孔通道,提高材料的密度和強度,從而提高材料的抗風化能力。但水玻璃不得用來涂刷或浸漬石膏制品。因為水玻璃與石膏反應生成硫酸鈉(Na2SO4),在制品孔隙內結晶膨脹,導致石膏制品開裂破壞。

1.1.3.2　加固土壤

將水玻璃與氯化鈣溶液交替注入土壤中,兩種溶液迅速反應生成硅膠和硅酸鈣凝膠,起到膠結和填充孔隙的作用,使土壤的強度和承載能力提高。常用于粉土、砂土和填土的地基加固,稱為雙液注漿。

1.1.3.3　配制速凝防水劑

水玻璃可與多種礬配制成速凝防水劑,用于堵漏、填縫等局部搶修。這種多礬防水劑的凝結速度很快,一般為幾分鐘,其中四礬防水劑不超過1min,故工地上使用時必須做到即配即用。

1.1.3.4　配制耐酸膠凝、耐酸砂漿和耐酸混凝土

耐酸膠凝是用水玻璃和耐酸粉料(常用石英粉)配制而成。與耐酸砂漿和混凝土一樣,主要用于有耐酸要求的工程。如硫酸池等。

1.1.3.5　配制耐熱膠凝、耐熱砂漿和耐熱混凝土

水玻璃膠凝主要用于耐火材料的砌筑和修補。水玻璃耐熱砂漿和混凝土主要用于高爐基礎和其他有耐熱要求的結構部位。

1.1.3.6　防腐工程應用

改性水玻璃耐酸泥是耐酸腐蝕重要材料,主要特性是耐酸、耐溫、密實抗滲、價格低廉、使用方便。可拌和成耐酸膠泥、耐酸砂漿和耐酸混凝土,適用于化工、冶金、電力、煤炭、紡織等部門各種結構的防腐蝕工程,是紡酸建筑結構儲酸池、耐酸地坪以及耐酸表面砌筑的理想材料。