石灰的消解与凝结硬化在土木工程材料中的应用

（1）生石灰的消解

石灰的消解（消化）是指生石灰加水后产生水化反应，并自动松散为粉末或浆体的过程，经过消解的石灰称为消石灰（熟石灰）——氢氧化钙。其反应式如下：

生石灰消解的特点：

①反应可逆。在常温下反应向右进行，在547℃下，反应向左进行，即Ca（OH）2分解为CaO和H2O，其水蒸气分解压力可达0.1 MPa，为使消化过程顺利进行，必须提高周围介质中的蒸汽压力，并且不要使温度升得过高。

②水化热大，水化速度快。生石灰的消化反应为放热反应。由于生石灰结构多孔、CaO的晶粒细小、内比表面积大，所以生石灰消化时不但水化热大而且放热速度也快。1 kg生石灰消化放热1 160 kJ，它在最初1 h放出的热量几乎是硅酸盐水泥1 d放热量的9倍，28 d放热量的3倍。过火石灰的结构致密、晶粒大，水化速度慢。当生石灰块太大时，表面生成的Ca（OH）2层厚，易阻碍水分进入，故此时消解需强烈搅拌。

③水化过程中体积增大。块状生石灰消化过程中其体积增大1~2.5倍，这一性质易在工程中造成事故，应予以重视。但也可加以利用，即由于水化时体积增大，造成膨胀压力，致使石灰块自动分散成粉末，故可用此法将块状生石灰加工成消石灰粉。

④熟化时，煅烧良好，氧化钙含量高的石灰熟化较快，放热量和体积增大较多。

生石灰的消解方法有人工消解和机械消解。人工消解常用于现场配制石灰膏、石灰浆或消石灰粉等，机械消解多用于生产成品消石灰粉。

1）人工消解法

①湿消解法。它适用于现场制备石灰浆或石灰膏。其方法是：将消化池和储灰池按高低位置布置，如图3.3所示。消解时，将生石灰置于消解池中，加水消解并适当搅拌；消解后，石灰浆用筛网过滤后流入储灰池中。

图3.3　化灰池

1—化灰池；2—储灰坑(www.xing528.com)

生石灰熟化时要控制温度，防止过高或过低。煅烧良好的钙质石灰，熟化很快并强烈放热，熟化时应加入大量的水，并用搅拌帮助散热，以防温度过高。如果温度过高而水又不足，易使形成的Ca（OH）2凝聚在CaO周围，妨碍继续熟化。当温度达到547℃时，反应还会逆向继续，Ca（OH）2又分解为CaO和H2O。对于熟化慢的生石灰，则加水应少而慢，保持较高温度，促使熟化较快完成。

生石灰中含有的过火石灰，因为其熟化很慢，当石灰已经硬化后，其中过火颗粒才开始熟化，体积膨胀，引起隆起和开裂。为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中“陈伏”两星期以上。为了避免已经形成的消石灰（熟石灰）与空气接触而被碳化，消石灰在“陈伏”期间应在其浆体表面保持2 cm以上的隔离水层。

②干消解法。工程中需要粉状消石灰（如拌制石灰土、石灰三合土等）时，应将生石灰消化成消石灰粉。其方法是：将生石灰块分层铺放，并分层喷洒加水，每层生石灰厚约50 cm；或在生石灰堆中插入有孔水管，缓慢地向内部加水，使生石灰逐渐消化。在消化石灰粉时，应注意其加水量，因为石灰水化的理论需水量为32.1%，由于一部分水分消耗于蒸发，实际加水量通常为生石灰质量的60%~80%，以能使生石灰充分消化而又不会湿成团为度。

2）机械消解法

机械消解法是通过一定的机械设备将生石灰消化成消石灰粉，其特点是：劳动强度低，消化时间短，质量均匀。针对不同的生石灰性能，其消化方法也有所不同。

①干消解法。将生石灰用破碎机破碎成15 mm以下的颗粒，并加入两倍理论需水量的水后，在螺旋搅拌机中搅拌，使所有颗粒与水接触成湿料，再进入消化槽消化。由于消化发热产生大量的蒸汽，形成一个流化床，已消化的消石灰颗粒较轻而经溢流装置排出，从而获得白色粉末状的消石灰成品。未消化颗粒继续消化或经筛分设备而被排出。

②加压消解法。它是在高压容器中消化以加速其反应的一种消化工艺。消化时，石灰的加水量为两倍理论需水量：出料时，利用物料进入“降压室”迅速减压时快速蒸发而使过剩的水分排出，从而获得较干的消石灰粉料。该方法主要用于难消化的石灰。

（2）石灰的凝结硬化

石灰浆体在空气中逐渐硬化，包括了同时进行的两个过程：结晶作用和碳化作用。

①结晶作用。随着游离水分的不断减少，石灰浆体溶液中氢氧化钙浓度很快达到过饱和，并不断从溶液中结晶析出。晶体逐渐发育长大，相互交叉搭接形成结晶结构网，不断结晶和长大的晶体，又使结晶结构网被填充和加强，使其逐渐趋于致密，结构强度提高。由于氢氧化钙是可溶于水的晶体，其结晶结构网的接触点溶解度较高，当再次遇水时，也会引起强度下降。

②碳化作用。氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙晶体，释放出水分并被蒸发。其反应式为：

Ca(OH)2+CO2+n H2O══CaCO3+(n+1)H2O

碳化作用是二氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙，这个作用不能在没有水分的全干状态下进行，而且碳化作用在长时间内只限于表层，随时间增长，表层碳酸钙的厚度逐渐增加。氢氧化钙的结晶作用则主要在内部发生。因此，石灰浆体硬化，是由表里两种不同的晶体组成的。当材料表面形成碳酸钙达到一定厚度时，碳化作用极为缓慢，而且阻止了内部水分的脱出，使氢氧化钙结晶速度变慢，这是石灰凝结硬化缓慢的主要原因。