第三章無機膠凝材料之一石膏

教學重點：1.掌握氣硬性膠凝材料的硬化機理、性質和應用2.了解石膏、水玻璃的結構和性質穩定，使用中或破壞時不會釋放出有害氣體，因此是理想的綠色建筑材料。教學難點：：1.石膏、水玻璃氣硬性膠凝材料凝結硬化機理的特點及區別。2.石膏、水玻璃的性能特點及應用、保管的注意事項。教學方法：多媒體教學課時：2時4.2建筑石膏石膏是以硫酸鈣為主要成分的礦物，當石膏中含有結晶水不同時可形成多種性能不同的石膏。2.1石膏的原料、分類及生產根據石膏中含有結晶水的多少不同可分為：（1）無水石膏（ＣaSO4）：也稱硬石膏，它結晶緊密，質地較硬，是生產硬石膏水泥的原料。（2）天然石膏（ＣaSO4·2H2O）：也稱生石膏或二水石膏，大部分自然石膏礦為生石膏，是生產建筑石膏的主要原料。（３）建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）也稱熟石膏或半水石膏。它是由生石膏加工而成的，根據其內部結構不同可分為α型半水石膏和β型半水石膏：

建筑石膏通常是由天然石膏經壓蒸或煅燒加熱而成的。常壓下煅燒加熱到107℃～170℃，可產生β型建筑石膏：

（二水石膏） （β型半水石膏）124℃條件下壓蒸（1.3大氣壓）加熱可產生α型建筑石膏：

（二水石膏） （α型半水石膏）α型半水石膏與β型半水石膏相比，結晶顆粒較粗，比表面積較小，強度高，因此又稱為高強石膏。當加熱溫度超過170℃時，可生成無水石膏，只要溫度不超過200℃，此無水石膏就具有良好的凝結硬化性能。2.2建筑石膏的水化與硬化建筑石膏與適量水拌合后，能形成可塑性良好的漿體，隨著石膏與水的反應，漿體的可塑性很快消失而發生凝結，此后進一步產生和發展強度而硬化。建筑石膏與水之間產生化學反應的反應式為：此反應實際上也是半水石膏的溶解和二水石膏沉淀的可逆反應，因為二水石膏溶解度比半水石膏的溶解度小得多，所以此反應總體表現為向右進行，二水石膏以膠體微粒自水中析出。

隨著二水石膏沉淀的不斷增加，就會產生結晶，結晶體的不斷生成和長大，晶體顆粒之間便產生了磨擦力和粘結力，造成漿體的塑性開始下降，這一現象稱為石膏的初凝；而后隨著晶體顆粒間磨擦力和粘結力的增大，漿體的塑性很快下降，直至消失，這種現象為石膏的終凝。石膏終凝后，其晶體顆粒仍在不斷長大和連生，形成相互交錯且孔隙率逐漸減小的結構，其強度也會不斷增大，直至水分完全蒸發，形成硬化后的石膏結構，這一過程稱為石膏的硬化。石膏漿體的凝結和硬化，實際上是交叉進行的。2.3建筑石膏的技術要求建筑石膏的技術要求有強度、細度和凝結時間。并按強度和細度分為優等品、一等品和合格品。具體技術要求見GB9776-1988。”建筑材料“P28表4-4）建筑石膏的技術性質（１）凝結硬化速度快建筑石膏的漿體，凝結硬化速度很快。一般石膏的初凝時間僅為10min左右，終凝時間不超過30min，這對于普通工程施工操作十分方便。有時需要操作時間較長，可加入適量的緩凝劑，如硼砂、動物膠、亞硫酸鹽酒精廢液等（２）凝結硬化時的膨脹性

建筑石膏凝結硬化是石膏吸收結晶水后的結晶過程，其體積不僅不會收縮，而且還稍有膨脹（0.2%~1.5%），這種膨脹不會對石膏造成危害，還能使石膏的表面較為光滑飽滿，棱角清晰完整、避免了普通材料干燥時的開裂。（３）硬化后的多孔性，重量輕，但強度低建筑石膏在使用時，為獲得良好的流動性，常加入的水分要比水化所需的水量多，因此，石膏在硬化過程中由于水分的蒸發，使原來的充水部分空間形成孔隙，造成石膏內部的大量微孔，使其重量減輕，但是抗壓強度也因此下降。通常石膏硬化后的表觀密度約為８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3，抗壓強度約為３ＭPa～5ＭPa。（４）良好的隔熱和吸音和“呼吸”功能

石膏硬化體中大量的微孔，使其傳熱性顯著下降，因此具有良好的絕熱能力；石膏的大量微孔，特別是表面微孔對聲音傳導或反射的能力也顯著下降，使其具有較強的吸聲能力。大熱容量和大的孔隙率及開口孔結構，使石膏具有呼吸水蒸氣的功能。（５）防火性好，但耐水性差硬化后石膏的主要成分是二水石膏，當受到高溫作用時或遇火后會脫出21%左右的結晶水，并能在表面蒸發形成水蒸氣幕，可有效地阻止火勢的蔓延，具有良好的防火效果。由于硬化石膏的強度來自于晶體粒子間的粘結力，遇水后粒子間連接點的粘結力可能被削弱。部分二水石膏溶解而產生局部潰散，所以建筑石膏硬化體的耐水性較差。（6）有良好的裝飾性和可加工性

石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質地細膩，具有良好的裝飾性。微孔結構使其脆性有所改善，硬度也較低，所以硬化石膏可鋸、可刨、可釘。具有良好的可加工性。2.4建筑石膏的應用（1）

石膏砂漿及粉刷石膏（2）

建筑石膏制品：石膏板、石膏砌塊等

(3）制作建筑雕塑和模型4.3.水玻璃

水玻璃俗稱泡花堿，由堿金屬氧化物和二氧化硅組成，屬可溶性的硅酸鹽類。根據堿金屬氧化物的不同，水玻璃有: 硅酸鈉水玻璃（Na2O·ｎSiO2）、硅酸鉀水玻璃Ｋ2Ｏ·ｎSiO2）、硅酸鋰水玻璃（Ｌi2O·ｎSiO2）等品種，最常用的是硅酸鈉水玻璃。（ 稱為水玻璃模數）根據水玻璃模數的不同，又分為“堿性”水玻璃（ｎ＜３和“中性”水玻璃（ｎ≥3）。實際上中性水玻璃和堿性水玻璃的溶液都呈明顯的堿性反應。3.1水玻璃的生產生產水玻璃的方法分為濕法和干法兩種。濕法生產硅酸水玻璃是將石英砂和苛性鈉溶液在壓蒸鍋內用蒸汽加熱。直接反應生液體水玻璃。干法生產硅酸鈉水玻璃是將石英砂和碳酸鈉磨細拌勻，在熔爐中于1300~1400?C溫度下熔化，按下式反應生成固體水玻璃。固體水玻璃于水中加熱溶解而生成液體水玻璃。其反應式為：3.2水玻璃的硬化液體水玻璃在空氣中吸收二氧化碳，形成無定形硅酸凝膠，并逐漸干燥而硬化：由于空氣中CO2濃度較低，這個過程進行的很慢，為了加速硬化和提高硬化后的防水性，常加入氟硅酸鈉Na2SiF6作為促硬劑，促使硅酸凝膠加速析出。氟硅酸鈉的適宜用量為水玻璃重量的12％～１５％。3.3水玻璃的技術性質（１）粘結力強。水玻璃硬化后具有較高的粘結強度、抗拉強度和抗壓強度。另外，水玻璃硬化析出的硅酸凝膠還有堵塞毛細孔隙而防止水分滲透的作用。（２）耐酸性好。硬化后的水玻璃，其主要成分是ＳiO2，具有高度的耐酸性能，能抵抗大多數無機酸和有機酸的作用。但其不耐堿性介質侵蝕。（３）耐熱性高水玻璃不燃燒，硬化后形成ＳiO2空間網狀骨架，在高溫下硅酸凝膠干燥得更加強烈，強度并不降低，甚至有所增加。3.4水玻璃的應用（１）用作涂料，涂刷材料表面直接將液體水玻璃涂刷在建筑物表面，或涂刷粘土磚、硅酸鹽制品、水泥混凝土等多孔材料，可使材料的密實度、強度、抗滲性、耐水性均得到提高。這是因為水玻璃與材料中的Ｃa（OH）2反應生成硅酸鈣凝膠，填充了材料間孔隙。反應式為：同時硅酸鈉本身硬化所析出的硅酸凝膠也有利于材料保護。選用不同的耐火填料，還可配制不同耐熱度的水玻璃耐熱涂料。（2）配制防水劑以水玻璃為基料，配制防水劑。例如：四礬防水劑是以藍礬(硫酸銅)、明礬（鉀鋁礬）、紅礬（重鉻酸鉀）和紫礬（鉻礬）各１份，溶于60份的沸水中，降溫至５０℃，投入400份水玻璃溶液中，攪拌均勻而成的。這種防水劑可以在1min內凝結,適用于堵塞漏洞、縫隙等局部搶修。（3）加固土壤將模數為２.５～３的液體水玻璃和氯化鈣溶液通過金屬管交替向地層壓入，兩種溶液發生化學反應，可析出吸水膨脹的硅酸膠體，包裹土壤顆粒并填充其空隙，阻止水分滲透并使土壤固結。用這種方法加固的砂土，抗壓強度可達３～６ＭＰａ。(4)配制水玻璃砂漿。

將水玻璃、礦渣粉、砂和氟硅酸鈉按一定比例配合成砂漿,可用于修補墻體裂縫。（５）配制耐酸砂漿、耐酸混凝土、耐熱混凝土用水玻璃作為膠凝材料，選擇耐酸骨料，可配制滿足耐酸工程要求的耐酸砂漿、耐酸混凝土。選擇不同的耐熱骨料，可配制不同耐熱度的水玻璃耐熱混凝土。

例3-1

某單位宿舍樓的內墻使用石灰砂漿抹面。數月后，墻面上出現了許多不規則的網狀裂紋。同時在個別部位還發現了部分凸出的放射狀裂紋。試分析上述現象產生的原因。

例3-2

既然石灰不耐水，為什么由它配制的灰土或三合土卻可以用于基礎的墊層、道路的基層等潮濕部位？例3-3

建筑石膏及其制品為什么適用于室內，而不適用于室外使用？

例3-4

水玻璃的化學組成是什么？水玻璃的模數、密度（濃度）對水玻璃的性能有什么影響？例3-1某單位宿舍樓的內墻使用石灰砂漿抹面。數月后，墻面上出現了許多不規則的網狀裂紋。同時在個別部位還發現了部分凸出的放射狀裂紋。試分析上述現象產生的原因。

解

石灰砂漿抹面的墻面上出現不規則的網狀裂紋，引發的原因很多，但最主要的原因在于石灰在硬化過程中，蒸發大量的游離水而引起體積收縮的結果。

墻面上個別部位出現凸出的呈放射狀的裂紋，是由于配制石灰砂漿時所用的石灰中混入了過火石灰。這部分過火石灰在消解、陳伏階段中未完全熟化，以致于在砂漿硬化后，過火石灰吸收空氣中的水蒸汽繼續熟化，造成體積膨脹。從而出現上述現象。

例3-2既然石灰不耐水，為什么由它配制的灰土或三合土卻可以用于基礎的墊層、道路的基層等潮濕部位？解：石灰土或三合土是由消石灰粉和粘土等按比例配制而成的。加適量的水充分拌合后，經碾壓或夯實，在潮濕環境中石灰與粘土表面的活性氧化硅或氧化鋁反應，生成具有水硬性的水化硅酸鈣或水化鋁酸鈣，所以灰土或三合土的強度和耐水性會隨使用時間的延長而逐漸提高，適于在潮濕環境中使用。再者，由于石灰的可塑性好，與粘土等拌合后經壓實或夯實，使灰土或三合土的密實度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大為減少。因此灰土或三合土可以用于基礎的墊層、道路的基層等潮濕部位。例3-3建筑石膏及其制品為什么適用于室內，而不適用于室外使用？

解

建筑石膏及其制品適用于室內裝修，主要是由于建筑石膏及其制品在凝結硬化后具有以下的優良性質：

（1）

石膏表面光滑飽滿，顏色潔白，質地細膩，具有良好的裝飾性。加入顏料后，可具有各種色彩。建筑石膏在凝結硬化時產生微膨脹，故其制品的表面較為光滑飽滿，棱角清晰完整，形狀、尺寸準確、細致，裝飾性好；

（2）

硬化后的建筑石膏中存在大量的微孔，故其保溫性、吸聲性好。

（3）

硬化后石膏的主要成分是二水石膏，當受到高溫作用時或遇火后會脫出21%左右的結晶水，并能在表面蒸發形成水蒸氣幕，可有效地阻止火勢的蔓延，具有一定的防火性。

（4）

建筑石膏制品還具有較高的熱容量和一定的吸濕性，故可調節室內的溫度和濕度，改變室內的小氣候。

在室外使用建筑石膏制品時，必然要受到雨水冰凍等的作用，而建筑石膏制品的耐水性差，且其吸水率高，抗滲性差、抗凍性差,所以不適用于室外使用.

例3-4水玻璃的化學組成是什么？水玻璃的模數、密度（濃度）對水玻璃的性能有什么影響？

解

通常使用的水玻璃都是Na2O·nSiO2的水溶液，即