建筑石灰的应用及生产工艺简介

建筑石灰简称石灰或生石灰，其主要化学成分是CaO，含有少量MgO等杂质。外观上石灰是白色微黄、具有疏松结构的块状物体。建筑石灰是将石灰石（主要成分为CaCO3）在适当温度范围内煅烧，使其分解并排除二氧化碳后所得到的以CaO为主要成分的生石灰及其制品，包括生石灰粉、熟石灰（或消石灰）以及石灰膏等品种。生产建筑石灰的原材料石灰石分布范围广泛，蕴藏量大，生产工艺简单，成本低廉，所以生石灰在建筑领域其应用十分广泛。

1.建筑石灰的生产与品种

生产建筑石灰的原料主要有石灰石或白垩，其主要成分为碳酸钙（CaCO3）。理论上CaCO3在898°C（分解压力达到1×105Pa）时分解为CaO和CO2，但由于石灰石中含有一些杂质，同时以块状煅烧，为了使石灰石充分分解，在实际生产中通常在900～1000°C温度下煅烧使其分解，得到以CaO为主要成分的产品称为生石灰。煅烧反应式为式（4-3）：

根据反应方程式计算，正常煅烧的石灰石平均分解出44％的CO2气体，而所得到的生石灰外观体积与石灰石相比只缩小10％～15％，因此，正常烧成的生石灰具有多孔、疏松的内部结构，其晶粒尺寸为0.3～1μm。生石灰的活性主要取决于内比表面积和晶粒的大小，所以煅烧温度和时间对生石灰的结构特性和质量影响很大。煅烧温度过高或煅烧时间过长，生石灰将逐步烧结，密度不断增大。正常煅烧的块状生石灰其表观密度为800～1000 kg/m3，完全烧结时密度可达3340kg/m3。石灰在烧结过程中，晶粒尺寸不断增大，而内比表面积则不断减小，表4-2所示为不同煅烧温度下生石灰的晶粒尺寸，可见温度越高，晶粒尺寸越大，则活性越低。

除了烧结作用之外，石灰石中通常含有一些熔点较低的粘土杂质，煅烧温度过高时，这些杂质成分将发生熔融，流入CaO晶粒的孔隙内或包裹在表面形成釉质物，阻碍石灰与水的直接接触，也会极大地降低生石灰的活性。这种在过高温度下煅烧得到的结构比较密实、晶粒粗大、比表面积小、活性较低的石灰称为“过火石灰”。过火石灰的水化反应极慢，通常要在正常的石灰浆体水化结束、硬化后才发生水化作用，产生热量并膨胀，使石灰硬化体因膨胀而引起崩裂或隆起而导致破坏。所以在使用生石灰时，为了避免存在过火石灰的危险，可将生石灰放入储灰池中加水“陈伏”两周以上，使其中的过火石灰有充分时间与水反应，可避免危害，但“陈伏”过程较长，需要建专用的储灰池，并且造成危险。所以这种做法已经不常用，而是将块状生石灰磨细，制成生石灰粉，由于生石灰粉颗粒很细，与水接触的面积大，有利于石灰与水很快进行水化反应，则可避免过火石灰的危害。但是生石灰磨细后不易储存，容易吸收空气中的水分和二氧化碳，生成碳酸钙而失去胶凝性，最好是随磨随用。在煅烧时要控制温度不可过高，尽量减少过火石灰的生成量。如果煅烧温度过低，则石灰产品中将含有较多的“欠烧石灰”，即尚未分解的石灰石，它不能产生水化反应，降低石灰浆体的有效成分。所以掌握合适的煅烧温度十分重要。

表4-2　不同煅烧温度与生石灰的晶粒尺寸

石灰石原料中常含有一些碳酸镁等杂质成分，在煅烧过程中将分解为氧化镁，所以生石灰中含有一定量的氧化镁杂质。按照氧化镁含量的多少，石灰分为钙质石灰（氧化镁含量小于5％）和镁质石灰。

根据石灰产品的加工方法，建筑石灰有以下四个品种：

（1）块状生石灰。由石灰石煅烧生成的白色疏松结构的块状物，主要成分为CaO。

（2）生石灰粉。由块状生石灰磨细而成，主要成分为CaO。

（3）消石灰粉（也叫熟石灰）。将生石灰用适量的水经消化和干燥制成的粉末，主要成分为Ca（OH）2。

（4）石灰膏。将块状生石灰用过量水（约为生石灰体积的3～4倍）消化，或将消石灰粉与水拌合，所得具有一定稠度的膏状物，主要成分为Ca（OH）2和水。

石灰石煅烧后首先得到块状生石灰。在实际使用中，通常要根据用途以及施工条件将块状生石灰加工成不同的物理形态，以便使用。

2.石灰的水化

生石灰（CaO）与水发生化学反应，生成Ca（OH）2的过程称为生石灰的水化，也叫做消解或熟化，反应方程式如（4-4）所示：

生石灰的水化反应有以下特点：

（1）反应具有可逆性，在常温下反应向右进行，当温度升高至547°C时Ca（OH）2将分解为CaO和H2O，为了保证水化反应顺利向右进行，要控制温度不能升得过高。

（2）水化热大，水化放热速率快。每公斤生石灰消解放热1160kJ，而且放热量几乎集中在早期放出，最初1h放出的热量几乎是硅酸盐水泥水化1d放热量的9倍。其原因是正常的生石灰属于多孔结构，CaO的晶粒细小，内比表面积大，与水接触面积大，水化反应在短时间内迅速进行。(www.xing528.com)

（3）水化过程中体积膨胀。生石灰消化过程中外观体积可增大1.5～2.0倍，这一性质容易导致工程中造成事故，应予重视。

3.建筑石灰的硬化机理

生石灰与水拌合形成石灰浆体，经过一定时间石灰浆体将逐步硬化，产生强度并具有胶结能力。石灰浆体的硬化是结晶作用和碳化作用两个同时进行的过程。结晶作用是石灰浆体中的游离水蒸发，使Ca（OH）2逐步从饱和溶液中结晶析出；碳化作用是Ca（OH）2与空气中的CO2在有水分存在的条件下反应生成CaCO3结晶的过程，其反应方程式如式（4-5）所示：

结晶作用依赖于浆体中水分的蒸发才能使Ca（OH）2从饱和溶液中结晶析出，因此，石灰浆体的硬化必须在干燥的条件下进行。而碳化作用需要与空气中的CO2接触，所以碳化反应是在石灰浆体的表面进行，生成的CaCO3固相体积比Ca（OH）2固相体积略微增大，因此在浆体表面将形成致密的膜层，妨碍CO2向浆体内部渗透，所以碳化作用只限于浆体的表层。内部则以水分的蒸发、Ca（OH）2结晶作用为主。由于碳化作用使表层形成致密的碳酸钙膜层，将阻碍水分的蒸发，所以石灰浆体的硬化过程比较缓慢。并且只能在空气中才能提供CO2，并实现水分的蒸发，石灰浆体才能硬化，这就决定了石灰属于气硬性胶凝材料。

由以上石灰的硬化机理可见，石灰的硬化速度较慢，同时石灰硬化体的主要成分是Ca（OH）2晶体，强度较低，28d石灰砂浆的强度只有0.2～0.5MPa。Ca（OH）2受潮或遇水将溶解溃散，所以石灰硬化体的耐水性很差，只能用于干燥环境。由于硬化过程中大量水分蒸发，所以体积收缩变形比较严重，容易产生开裂，因此石灰浆体在使用时要掺一定量的砂子或纤维材料，以提高硬化体的抗裂性能。

4.建筑石灰的特性与技术要求

由上述石灰的水化反应特点及机理可知建筑石灰具有如下特性：

（1）可塑性好。由生石灰直接消化所得到的石灰浆体中，能形成颗粒极细的Ca（OH）2粒子，表面能吸附一层较厚的水膜，使颗粒间的摩擦力减小，具有良好的可塑性，叫做白灰膏。将白灰膏掺入水泥砂浆中，可配制成混合砂浆，能显著提高砂浆的保水性，适用于吸水性砌体材料的砌筑砂浆。

（2）硬化缓慢。石灰浆体的硬化只能在空气中进行，由于空气中CO2的含量较少，不能提供足够的反应物，使碳化反应进行缓慢，同时已硬化的表层对内部的结晶硬化起阻碍作用，所以石灰浆体的硬化过程缓慢。

（3）硬化后强度低。生石灰消化理论上需要32.13％的水，但实际消化时用水量很大，多余的水分蒸发后在硬化体内将留下大量孔隙，使硬化后的石灰强度很低，28d抗压强度只有0.2～0.5MPa。所以用做砌体结构的胶凝材料时一般不单独使用石灰浆体，而是使用由水泥、石灰膏和砂子组成的混合砂浆。

（4）硬化过程中体积收缩大。由于游离水的大量蒸发，导致内部毛细管失水紧缩，引起体积收缩变形，使石灰硬化体产生裂纹。故石灰浆不宜单独使用，要掺一定量的骨料或纤维。

（5）耐水性差。石灰硬化体的主要成分是Ca（OH）2晶体，遇水或受潮时易溶解，使硬化体溃散，所以石灰硬化体不能用于潮湿环境。

5.建筑石灰的应用

（1）室内粉刷。将消石灰粉（或消石灰浆）与适当的水拌合，调制成稠度合适的消石灰乳，用于粉刷室内的墙面和顶棚。

（2）拌制建筑砂浆。以消石灰浆（或消石灰粉＋水）、砂子为原料拌制石灰砂浆，或以消石灰浆（或消石灰粉＋水）、水泥、砂子为原料拌制混合砂浆，用于墙体砌块之间的胶结材料，或者作为墙体、地面的基层抹灰材料。

（3）配制三合土和灰土。将生石灰粉、粘土、砂子按1∶2∶3比例配合，并加水拌合得到的混合料叫做三合土，夯实作为路基或垫层。将生石灰粉、粘土按1∶（2～4）的比例配合，并加水拌合得到的混合料叫做灰土，将三合土或灰土夯实可作为建筑物的基础、道路路基或垫层等。

此外，石灰作为生产硅酸盐制品的原材料，与硅质材料一起加水拌合，经成型、蒸养或蒸压湿热养护制成硅酸盐制品，利用过烧石灰水化慢且伴随体积膨胀这一特性，可用来配制静态破碎剂和膨胀剂，用于混凝土和钢筋混凝土构筑物的拆除，以及岩石的破碎和割断等。