无机气硬性胶凝材料-现代建筑材料科学成果

4　无机气硬性胶凝材料

学习指导

本章共3节。本章的学习目标是：

(1)掌握石灰的品种、技术要求、主要性质及应用，理解石灰的熟化与凝结硬化原理，了解石灰的原料和生产工艺。

(2)理解石膏的凝结与硬化原理，掌握石膏的主要性质、应用及质量要求。

(3)掌握水玻璃的硬化、主要性质及应用，理解水玻璃的硬化原理，了解水玻璃的生产工艺。

本章的难点是对各种无机气硬性胶凝材料的凝结与硬化机理的理解，我们应通过熟悉胶凝材料的相应性质以及组成构造来分析它的机理。

胶凝材料是指具有一定的机械强度并经过一系列物理作用、化学作用，能将散粒状或块状材料黏结成整体的材料。根据胶凝材料的化学组成，可将其分为无机胶凝材料和有机胶凝材料。如下所示：

有机胶凝材料是以天然的化合物或合成的有机高分子化合物为基本成分的胶凝材料，常用的有沥青、各种合成树脂等。

无机胶凝材料是以无机化合物为基本成分的胶凝材料，根据其凝结硬化条件的不同，又可分为气硬性和水硬性两类。

气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，也只能在空气中保持并发展其强度。常用的气硬性胶凝材料有石膏、石灰、水玻璃等。气硬性胶凝材料一般只适用于干燥环境中，而不宜用于潮湿环境，更不可以用于水中。

水硬性胶凝材料既能在空气中，还能更好地在水中硬化、保持并继续发展其强度。常用的水硬性胶凝材料包括各种水泥。水硬性胶凝材料既适用于干燥环境，又适用于潮湿环境或水下工程。

4.1　石灰

石灰是最早使用的矿物胶凝材料之一。石灰是不同化学成分和物理形态的生石灰、消石灰、水硬性石灰的统称。水硬性石灰是以泥质石灰石为原料，经高温煅烧后所得的产品，除含CaO外，还含有一定量的MgO、硅酸二钙、铝酸三钙等成分而具有水硬性。建筑工程中的石灰通常指气硬性石灰。由于原材料资源丰富，生产工艺简单，成本低廉，石灰在建筑工程中的应用很广。

4.1.1　生石灰的生产

生石灰是以碳酸钙为主要成分的石灰石、白垩等为原料，在低于烧结温度下煅烧所得的产物，其主要成分是氧化钙。煅烧反应如下：

CaO+CO2

石灰生产中为了使CaCO3能充分分解生成CaO，必须提高温度，但煅烧温度过高过低，或煅烧时间过长过短，都会影响烧成生石灰的质量。由于煅烧的不均匀性，在所烧成的正火石灰中，或多或少的都存在少量的欠火石灰(煅烧温度过低或煅烧时间过短而生成)和过火石灰(煅烧温度过高或煅烧时间过长而生成)。欠火石灰中CaO的含量低，会降低石灰的质量等级和利用率；过火石灰结构密实，熟化极其缓慢，当这种未充分熟化的石灰抹灰后，会吸收空气中大量的水蒸气，继续熟化，体积膨胀，致使墙面砂浆隆起、开裂，严重影响工程质量。

4.1.2　生石灰的熟化

生石灰的熟化(又称消化或消解)是指生石灰与水发生化学反应生成熟石灰的过程。其反应式如下：

Ca(OH)2+64.9 J

生石灰遇水反应剧烈，同时放出大量的热。生石灰的熟化反应为放热反应，在最初1 h所放出的热量几乎是硅酸盐水泥1 d放热量的9倍。

生石灰熟化后体积膨胀1～2.5倍。块状生石灰熟化后体积膨胀，产生的膨胀压力致使石灰块自动分散成为粉末，应用此法可将块状生石灰加工成为消石灰粉。

生石灰熟化的方法有淋灰法和化灰法。淋灰法就是在生石灰中均匀加入70%左右的水(理论值为31.2%)便可得到颗粒细小、分散的熟石灰粉。工地上调制熟石灰粉时，每堆放半米高的生石灰块，淋60%～80%的水，再堆放，再淋，使之成粉且不结块为止。目前，多用机械方法将生石灰熟化为熟石灰粉。化灰法是在生石灰中加入适量的水(约为块灰质量的2.5～3倍)，得到的浆体称为石灰乳，石灰乳沉淀后除去表层多余水分后得到的膏状物称为石灰膏。调制石灰膏通常在化灰池和储灰坑完成。

熟化后的石灰在使用前必须进行“陈伏”。这是因为生石灰中存在着过火石灰。为了消除过火石灰的危害，生石灰在使用前应提前化灰，使石灰浆在灰坑中储存两周以上，以使生石灰得到充分熟化，这一过程称为“陈伏”。陈伏期间，为了防止石灰碳化，应在其表面保留一定厚度的水层，用以隔绝空气。

4.1.3　石灰的硬化

石灰的硬化速度很缓慢，且硬化体强度很低。石灰浆体在空气中逐渐硬化，主要是干燥结晶和碳化这两个过程同时进行来完成的。

1)干燥结晶作用

石灰浆体中的游离水分逐渐蒸发，Ca(OH)2逐渐从饱和溶液中结晶析出，形成结晶结构网，从而获得一定的强度。

2)碳化作用

Ca(OH)2与空气中的CO2和H2O发生化学反应，生成碳酸钙，并释放出水分，使强度提高。其反应式如下：

CaCO3+(n+1)H2O

石灰的硬化主要依靠结晶作用，而结晶作用又主要依靠水分蒸发速度。由于自然界中水分的蒸发速度是有限的，因此石灰的硬化速度很缓慢。

4.1.4　石灰的品种及技术要求

石灰的品种很多，通常有以下两种分类方法：

1)按石灰中氧化镁的含量分类

(1)生石灰可分为钙质生石灰(MgO含量≤5%)和镁质生石灰(MgO含量>5%)。镁质生石灰的熟化速度较慢，但硬化后其强度较高。生石灰的质量是以石灰中活性氧化钙和氧化镁含量高低，过火石灰和欠火石灰及其他杂质含量的多少作为主要指标来评价其质量优劣的。根据建材行业标准(JC/T479—2013和JC/T480—2013)，将建筑生石灰和建筑生石灰粉划分三个等级，具体指标见表4-1、表4-2。

表4-1　建筑生石灰技术指标

表4-2　建筑生石灰粉技术指标

(2)建筑消石灰(熟石灰)粉按氧化镁含量分为钙质消石灰粉、镁质消石灰粉和白云石消石灰粉，其分类界限见表4-3。

表4-3　建筑消石灰粉按氧化镁含量的分类界限

熟化石灰粉的品质与有效物质和水分的相对含量及细度有关，熟石灰粉颗粒愈细，有效成分愈多，其品质愈好。建筑消石灰粉的质量按《建筑消石灰粉》(JC/T 479—2013)规定也可分为三个等级，具体指标见表4-4。

表4-4　建筑消石灰粉的技术指标

2)按加工方法分类

(1)块灰　直接高温煅烧所得的块状生石灰，其主要成分是CaO。块灰是所有石灰品种中最传统的一个品种。

(2)磨细生石灰粉　将块灰破碎、磨细并包装成袋的生石灰粉。它克服了一般生石灰熟化时间较长，且在使用前必须陈伏等缺点，在使用前不用提前熟化，直接加水即可使用，不需进行陈伏。使用磨细生石灰粉不仅能提高施工效率，节约场地，改善施工环境，加快硬化速度，而且还可以提高石灰的利用率。但其缺点是成本高，且不易储存。其技术指标见表4-2所示。

(3)消石灰粉　由生石灰加适量水充分消化所得的粉末，主要成分是Ca(OH)2，其技术指标见表4-4所示。

(4)石灰膏　消石灰和一定量的水组成的具有一定稠度的膏状物，其主要成分是Ca(OH)2和H2O。

(5)石灰乳　生石灰加入大量水熟化而成的一种乳状液，主要成分是Ca(OH)2和H2O。

4.1.5　石灰的主要技术性质

(1)良好的保水性。石灰具有较强的保水性(即材料保持水分不泌出的能力)。这是由于生石灰熟化为石灰浆时，氢氧化钙粒子呈胶体分散状态。其颗粒极细，直径约为1 μm，颗粒表面吸附一层较厚的水膜。由于粒子数量很多，其总表面积很大，这是它保水性良好的主要原因。利用这一性质，将其掺入水泥砂浆中，配合成混合砂浆，克服了水泥砂浆容易泌水的缺点。

(2)凝结硬化慢、强度低。由于空气中的CO2含量低，而且碳化后形成的碳酸钙硬壳阻止CO2向内部渗透，也阻止水分向外蒸发，结果使CaCO3和Ca(OH)2结晶体生成量少且缓慢。已硬化的石灰强度很低。如1∶3的石灰砂浆28 d的强度只有0.2～0.5 MPa。

(3)吸湿性强。生石灰吸湿性强，保水性好，是传统的干燥剂。

(4)体积收缩大。石灰浆体凝结硬化过程中蒸发大量水分，由于硬化石灰中的毛细管失水收缩，引起体积收缩，使制品开裂。因此，石灰不宜单独用来制作建筑构件及制品。

(5)耐水性差。若石灰浆体尚未硬化之前就处于潮湿环境中，由于石灰中水分不能蒸发出去，则其硬化停止；若是已硬化的石灰，长期受潮或受水浸泡，则由于Ca(OH)2易溶于水，会使已硬化的石灰溃散。因此，石灰不宜用于潮湿环境及易受水浸泡的部位。

(6)化学稳定性差。石灰是碱性材料，与酸性物质接触时容易发生化学反应，生成新物质。因此，石灰及含石灰的材料长期处在潮湿空气中，容易与二氧化碳作用生成碳酸钙，即“碳化”。石灰材料还容易遭受酸性介质的腐蚀。

4.1.6　石灰的应用

石灰是建筑工程中面广量大的建筑材料之一，其常见的用途如下：

(1)广泛用于建筑室内粉刷。石灰乳是一种廉价的涂料，且施工方便，颜色洁白，能为室内增白添亮，因此在建筑中应用十分广泛。

(2)用于配制建筑砂浆。石灰和砂或麻刀、纸筋配制成石灰砂浆、麻刀灰、纸筋灰，主要用于内墙、顶棚的抹面砂浆。石灰与水泥和砂可配制成混合砂浆，主要用于墙体砌筑或抹面。

(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，经夯实后而成。灰土是用生石灰粉和黏土按1∶(2～4)的比例加水拌和，经夯实后而成。经夯实后的三合土和灰土广泛应用于建筑物的基础、路面或地面垫层。三合土和灰土经强力夯打之后，其密实度大大提高，且黏土颗粒表面少量的活性SiO2和Al2O3与石灰发生化学反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等不溶于水的水化产物，因而具有一定的抗压强度、耐水性和相当高的抗渗能力。

(4)制作碳化石灰板。碳化石灰板是将磨细生石灰、纤维状填料(如玻璃纤维等)或轻质骨料(如矿渣等)经搅拌、成型，然后人工碳化而成的一种轻质板材。这种板材能锯、刨、钉，适宜用作非承重内墙板、天花板等。

(5)生产硅酸盐制品。以石灰和硅质材料(如石英砂、粉煤灰等)为原料，加水拌和，经成型，蒸养或蒸压处理等工序而制成的建筑材料，统称为硅酸盐制品。如粉煤灰砖、灰砂砖、加气混凝土砌块等。

(6)配制无熟料水泥。将具有一定活性的混合材料，按适当比例与石灰配合，经共同磨细，可得到水硬性的胶凝材料，即为无熟料水泥。

4.1.7　石灰的储存

生石灰具有很强的吸湿性，在空气中放置太久，会吸收空气中的水分，消化成消石灰粉而失去胶凝能力。因此储存生石灰时，一定要注意防潮防水，而且存期不宜过长。另外，生石灰熟化时会释放大量的热，且体积膨胀，故在储存和运输生石灰时，还应注意将生石灰与易燃易爆物品分开保管，以免引起火灾和爆炸。

【工程案例分析4-1】

石灰砂浆层拱起开裂

现象：某住宅使用石灰厂处理的下脚石灰作粉刷。数月后粉刷层多处向外拱起，还看见一些裂缝。

原因分析：石灰厂处理的下脚石灰往往含有过烧的氧化钙或较高的氧化镁，其水化速度慢于正常的石灰。这些过烧的氧化钙或氧化镁在已经水化硬化的石灰砂浆缓慢水化，体积膨胀，就会导致砂浆层拱起和开裂。

4.2　石膏

石膏是我国一种应用历史悠久的气硬性胶凝材料。石膏及石膏制品具有许多优良性能，如轻质、高强、隔热、耐火、吸声、容易加工、形体饱满、线条清晰、表面光滑等，因此是建筑室内工程常用的装饰材料。特别是近年来在建筑中广泛采用框架轻板结构，作为轻质板材主要品种之一的石膏板受到普遍重视，其生产和应用都得到迅速发展。生产石膏胶凝材料的原料有二水石膏和天然无水石膏以及来自化学工业的各种副产物化学石膏。

4.2.1　石膏的生产与品种

石膏的主要生产过程是由天然二水石膏(或称生石膏)经过破碎、煅烧和磨细而制成的。天然石膏矿，因其主要化学成分为CaSO4·2H2O，又由于其质地较软，也被称为软石膏。将二水石膏在不同的压力和温度下煅烧，可以得到结构和性质均不同的下列品种的石膏产品。

1)建筑石膏和模型石膏

建筑石膏是将二水石膏(生石膏)加热至107～170℃时，部分结晶水脱出后得到半水石膏(熟石膏)，再经磨细得到粉状的建筑中常用的石膏品种，故称“建筑石膏”。

反应式如下：

H2O

将这种常压下的建筑石膏称为β型半水石膏。若在上述条件下煅烧一等或二等的半水石膏，然后磨得更细些，这种类型半水石膏称为模型石膏，是建筑装饰制品的主要原料。

2)高强度石膏

将二水石膏在0.13 MPa、124℃的压蒸锅内蒸压脱水，则生成比β型半水石膏晶体粗大的α型半水石膏，称为高强度石膏。由于高强度石膏晶体粗大，比表面小，调成可塑性浆体时需水量(35%～45%)仅为建筑石膏需求量的一半，因此硬化后具有较高的密实度和强度。其3 h的抗压强度可达9～24 MPa，其抗拉强度也很高，7 d的抗压强度可达15～39 MPa。高强度石膏的密度为2.6～2.8 g/cm3。高强度石膏可以用于室内抹灰，制作装饰制品和石膏板。若掺入防水剂可制成高强度抗水石膏，在潮湿环境中使用。

石膏的品种很多，主要有建筑石膏、模型石膏、高强度石膏、粉刷石膏等，但是在建筑装饰工程中用量最多、运用最广的是建筑石膏。

4.2.2　石膏的凝结与硬化

建筑石膏加水拌和后，起初形成均匀的石膏浆体，很快石膏浆体失去塑性，但是强度很低，此过程称为石膏的凝结，然后浆体开始产生强度，并逐渐发展，此过程称为石膏的硬化。反应式如下：

CaSO4·2H2O

其凝结硬化过程的机理如下：半水石膏遇水后发生溶解，并生成不稳定的过饱和溶液，溶液中的半水石膏经过水化成为二水石膏。由于二水石膏在水中的溶解度(20℃为2.05 g/L)较半水石膏的溶解度(20℃为8.16 g/L)小得多，所以二水石膏溶液会很快达到过饱和，因此很快析出胶体微粒并且不断转变为晶体。由于二水石膏的析出便破坏了原来半水石膏溶解的平衡状态，这时半水石膏会进一步溶解，以补偿二水石膏析晶而在液相中减少的硫酸钙含量。如此不断地进行半水石膏的溶解和二水石膏的析出，直到半水石膏完全水化为止。与此同时，由于浆体中自由水因水化和蒸发逐渐减少，浆体变稠，失去塑性。以后水化物晶体继续增长，直至完全干燥，强度发展到最大值，达到石膏的硬化。建筑石膏凝结硬化过程见图4-1。

图4-1　建筑石膏的凝结与硬化示意图

4.2.3　石膏的技术要求

1)组分

建筑石膏组成中β型半水硫酸钙H2O)的含量(质量分数)应不小于60.0%。

2)物理性能

建筑石膏呈洁白色粉末状，其技术要求主要有细度、凝结时间和强度。根据国家标准GB/T 9776—2008，建筑石膏分为3.0、2.0和1.6三个等级。建筑石膏技术要求的具体指标见表4-5。

表4-5　建筑石膏等级标准(www.xing528.com)

4.2.4　石膏的技术性质

(1)凝结硬化快。建筑石膏的初凝和终凝时间很短，加水后3 min即开始凝结，终凝不超过30 min，在室温自然干燥条件下，约1周时间可完全硬化。为施工方便，常掺加适量缓凝剂，如硼砂、纸浆废液、骨胶、皮胶等。

(2)孔隙率大，表观密度小，保温、吸声性能好。建筑石膏水化反应的理论需水量仅为其质量的18.6%，但施工中为了保证浆体有必要的流动性，其加水量常达60%～80%，多余水分蒸发后，将形成大量孔隙，硬化体的孔隙率可达50%～60%。由于硬化体的多孔结构特点，而使建筑石膏制品具有表观密度小、质轻、保温隔热性能好和吸声性强等优点。

(3)具有一定的调湿性。由于多孔结构的特点，石膏制品的热容量大、吸湿性强，当室内温度变化时，由于制品的“呼吸”作用，使环境温度、湿度能得到一定的调节。

(4)耐水性、抗冻性差。石膏是气硬性胶凝材料，吸水性大。长期在潮湿环境中，其晶体粒子间的结合力会削弱，直至溶解，因此不耐水、不抗冻。

(5)凝固时体积微膨胀。建筑石膏在凝结硬化时具有微膨胀性，其体积膨胀率为0.05%～ 0.15%。这种特性可使成型的石膏制品表面光滑、轮廓清晰、线角饱满、尺寸准确，干燥时不产生收缩裂缝。

(6)防火性好。二水石膏遇火后，结晶水蒸发，形成蒸汽幕，可阻止火势蔓延，起到防火作用。但建筑石膏不宜长期在65℃以上的高温部位使用，以免二水石膏缓慢脱水分解而降低强度。

4.2.5　石膏的应用

不同品种的石膏性质各异，用途也不一样。二水石膏可以作石膏工业的原料，水泥的调节剂等；煅烧的硬石膏可用来浇筑地板和制造人造大理石，也可以作为水泥的原料；建筑石膏(半水石膏)在建筑工程中可用作室内抹灰、粉刷、油漆打底等材料，还可以制造建筑装饰制品、石膏板，以及水泥原料中的调凝剂和激发剂。此处重点学习建筑石膏的应用。

1)室内抹灰及粉刷

将建筑石膏加水调成浆体，用作室内粉刷材料。石膏浆中还可以掺入部分石灰，或将建筑石膏加水、砂拌和成石膏砂浆，用于室内抹灰或作为油漆打底使用。石膏砂浆隔热保温性能好，热容量大，吸湿性大，因此能够调节室内温度和湿度，使其保持均衡状态，给人以舒适感。粉刷后表面光滑，细腻，洁白美观。这种抹灰墙面还具有绝热、阻火、吸声以及施工方便、凝结硬化快、黏结牢固等特点，所以称其为室内高级粉刷和抹灰材料。石膏抹灰的墙面及顶棚，可以直接涂刷油漆及粘贴墙纸。

2)建筑装饰制品

以模型石膏为主要原料，掺加少量纤维增强材料和胶料，加水搅拌成石膏浆体。将浆体注入各种各样的金属(或玻璃)模具中，就获得了花样、形状不同的石膏装饰制品。如平板、多孔板、花纹板、浮雕板等。石膏装饰板具有色彩鲜艳、品种多样、造型美观、施工方便等优点，是公用建筑物和顶棚常用的装饰制品。

3)石膏板

近年来随着框架轻板结构的发展，石膏板的生产和应用也迅速地发展起来。石膏板具有轻质、隔热保温、吸声、不燃以及施工方便等性能。除此之外，还具有原料来源广泛、燃料消耗低、设备简单、生产周期短等优点。常见的石膏板主要有纸面石膏板、纤维石膏板和空心石膏板。另外，新型石膏板材也不断地涌现。

4)石膏墙体材料

石膏墙体材料主要有纸面石膏板、纤维石膏板、空心石膏板和石膏砌块等。

4.2.6　建筑石膏及其制品的储运

建筑石膏在储运过程中，应防止受潮及混入杂物。储存期不宜超过三个月，超过三个月，强度将降低30%左右，超过储存期限的石膏应重新进行质量检验，以确定其等级。

储存板材时应按不同品种、规格及等级在室内分类、水平堆放，底层用垫条与地面隔开，堆高不超过300 mm。在储存和运输过程中，应防止板材受潮和碰损。

【工程案例分析4-2】

石膏饰条粘贴失效

现象：某工人用建筑石膏粉加水，拌成一桶石膏浆，用来在光滑的天花板上直接粘贴石膏饰条，前后半小时完工。几天后，最后粘贴的两条石膏饰条突然坠落。

原因分析：厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，普通石膏制品具有较强的吸湿性和吸水性，在潮湿的环境中，晶体间的黏结力削弱，强度下降、变形，而且还会发霉。

建筑石膏一般不宜在潮湿和温度过高的环境中使用。欲提高其耐水性，可在建筑石膏中掺入一定量的水泥或其他含活性SiO2、Al2O3及CaO的材料，如粉煤灰、石灰等。掺入有机防水剂亦可改善石膏制品的耐水性。

4.3　其他气硬性胶凝材料

水玻璃俗称“泡花碱”，属于气硬性胶凝材料，在建筑工程中常用来配制水玻璃胶泥和水玻璃砂浆、水玻璃混凝土，以及单独使用水玻璃为主要原料配制涂料。水玻璃在防酸工程和耐热工程中的应用甚为广泛。

4.3.1　水玻璃

1)水玻璃的组成与生产

(1)水玻璃的组成

水玻璃是一种无色或淡黄、青灰色的透明或半透明的黏稠液体，是一种能溶于水的碱金属硅酸盐，其化学通式为：R2O·nSiO2。建筑工程中最常用的水玻璃是硅酸钠水玻璃(Na2O·nSiO2，简称钠水玻璃)和硅酸钾水玻璃(K2O·nSiO2，简称钾水玻璃)。最常用的钠水玻璃的生产方法有湿法和干法两种。

水玻璃的模数指硅酸钠中氧化硅和氧化钠的分数之比 ，一般在1.5～3.5之间。固体水玻璃在水中溶解的难易随模数而定，模数为1时能溶解于常温的水中，模数加大，则只能在热水中溶解；当模数大于3时，要在4个大气压以上的蒸汽中才能溶解于水。低模数水玻璃的晶体组分较多，黏结能力较差。模数愈高，胶体组分相对增多，黏结能力、强度、耐酸性和耐热性愈高，但难溶于水，不易稀释，不便施工。

液体水玻璃因所含杂质不同而呈青灰色、绿色或微黄色，无色透明的液体水玻璃最好。液体水玻璃可以与水按任意比例混合成不同溶度(或比重)的溶液。同一模数的液体水玻璃，其溶度越稠，则密度越大，黏结力越强，常用水玻璃的密度为1 300～1 500 kg/m3。在液体水玻璃中加入尿素，在不改变其黏度的情况下可提高其黏结力25%左右。

(2)水玻璃的生产

制造水玻璃的方法很多，大体分为湿制法和干制法两种。它的主要原料是以含SiO2为主的石英岩、石英砂、砂岩、无定形硅石及硅藻土和含Na2O为主的纯碱(Na2CO3)、小苏打、硫酸钠(Na2SO4)及苛性钠(NaOH)等。湿制法生产硅酸钠水玻璃是根据石英砂能在高温烧碱中溶解生成硅酸钠的原理进行的。干制法生产是根据纯碱(Na2CO3)与石英砂(SiO2)在高温(1 350℃)熔融状态下反应后生成硅酸钠的原理进行的。

2)水玻璃的硬化

液体水玻璃会吸收空气中的二氧化碳，发生如下反应：

nSiO2·mH2O+Na2CO3

上述反应析出无定形二氧化硅凝胶，并逐渐干燥而硬化。这个过程进行得很慢，为了加速硬化，常加入氟硅酸钠(Na2SiF6)作为促硬剂，促使硅酸凝胶加速析出，其反应如下：

(2n+1)SiO2·mH2O+6NaF

氟硅酸钠的适宜用量为水玻璃质量的12%～15%，如果用量太少，不但硬化速度缓慢，强度降低，而且未经反应的水玻璃易溶于水，因而耐水性差。但如果用量过多，又会引起凝结速度过快，使施工困难，而且硬化渗水性大，强度也低。加入适量氟硅酸钠的水玻璃7 d基本可达到最高强度。

3)水玻璃的性质

(1)黏结力和强度较高。水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶和固体，比表面积大，因而具有较高的黏结力。但水玻璃自身质量、配合料性能及施工养护对强度有显著影响。

(2)耐酸性好。可以抵抗除氢氟酸(HF)、热磷酸和高级脂肪酸以外的几乎所有无机和有机酸。

(3)耐热性好。硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降很小，当采用耐热耐火骨料配制水玻璃砂浆和混凝土时，耐热度可达1 000℃。因此，水玻璃混凝土的耐热度，也可以理解为主要取决于骨料的耐热度。

(4)不耐水。水玻璃再加入氟硅酸钠后仍不能完全硬化，仍然有一定量Na2O·nSiO2。由于Na2O·nSiO2可溶于水，所以水玻璃硬化后不耐水。

(5)不耐碱。硬化后水玻璃中的Na2O·nSiO2和SiO2均可溶于碱，因而水玻璃不耐碱。

4)水玻璃的应用

水玻璃具有黏结和成膜性好、不燃烧、不易腐蚀、价格便宜、原料易得等优点，多用于建筑涂料、胶结材料及防腐、耐酸材料。

(1)提高抗风化能力。水玻璃溶液涂刷或浸渍材料后，能渗入缝隙和孔隙中，固化的硅凝胶能堵塞毛细孔通道，提高材料的密度和强度，从而提高材料的抗风化能力。但水玻璃不得用来涂刷或浸渍石膏制品。因为水玻璃与石膏反应生成硫酸钠(Na2SO4)，在制品孔隙内结晶膨胀，导致石膏制品开裂破坏。

(2)加固土壤。将水玻璃与氯化钙溶液交替注入土壤中，两种溶液迅速反应生成硅胶和硅酸钙凝胶，起到胶结和填充孔隙的作用，使土壤的强度和承载能力提高。常用于粉土、砂土和填土的地基加固，称为双液注浆。

(3)配制速凝防水剂。水玻璃可与多种矾配制成速凝防水剂，用于堵漏、填缝等局部抢修。这种多矾防水剂的凝结速度很快，一般为几分钟，其中四矾防水剂不超过1 min，故工地上使用时必须做到即配即用。

(4)配制耐酸胶凝。耐酸胶凝是用水玻璃和耐酸粉料(常用石英粉)配制而成。与耐酸砂浆和混凝土一样，主要用于有耐酸要求的工程，如硫酸池等。

(5)配制耐热砂浆。水玻璃胶凝主要用于耐火材料的砌筑和修补。水玻璃耐热砂浆和混凝土主要用于高炉基础和其他有耐热要求的结构部位。

(6)防腐工程应用。改性水玻璃耐酸泥是耐酸腐蚀重要材料，主要特性是耐酸、耐温、密实抗渗、价格低廉、使用方便，可拌和成耐酸胶泥、耐酸砂浆和耐酸混凝土，适用于化工、冶金、电力、煤炭、纺织等部门各种结构的防腐蚀工程，是防酸建筑结构储酸池、耐酸地坪以及耐酸表面砌筑的理想材料。

4.3.2　菱苦土

菱苦土，又称镁质胶凝材料或氯氧镁水泥，其主要成分为MgO。菱苦土硬化后的主要产物为xMg(OH)2·yMgCl2·zH2O，其吸湿性大，耐水性差，遇水或吸湿后易产生翘曲变形，表面泛霜，且强度大大降低。因此，菱苦土制品不宜用于潮湿环境。

使用玻璃纤维增强的菱苦土制品具有很高的抗折强度和抗冲击能力，其主要产品为玻璃纤维增强菱苦土波瓦。

【工程案例分析4-3】

水玻璃与铝合金窗表面的斑迹

现象：在某些建筑物的室内墙面装修过程中可以观察到，使用以水玻璃为成膜物质的腻子作为底层涂料，施工过程往往会散落到铝合金窗上，造成了铝合金窗外表形成有损美观的斑迹。

原因分析：一方面铝合金制品不耐酸碱，而另一方面水玻璃呈强碱性。当含碱涂料与铝合金接触时，引起铝合金窗表面发生腐蚀反应：

2NaAlO2+H2O

2NaAlO2+3H2↑

从而使铝合金表面锈蚀而形成斑迹。

【现代建筑材料知识拓展】菱 苦 土 地 面

菱苦土地面是用菱苦土、锯末、滑石粉和矿物颜料干拌均匀后，加入氯化镁溶液调制成胶泥，铺抹压光，硬化稳定后，用磨光机磨光打蜡而成。菱苦土地面易于清洁，有一定弹性，热工性能好，适用于有清洁、弹性要求的房间。由于这种地面不耐水，也不耐高温，因此，不宜用于经常有水存留及地面温度经常处在35℃以上的房间。

菱苦土楼地面是用菱苦土、锯木屑和氯化镁溶液等拌合料铺设而成的。菱苦土楼地面可铺设成单层或双层。单层楼地面厚度一般为12～15 mm，双层楼地面的面层厚度一般为8～10 mm，下层厚度一般为12～15 mm。为使菱苦土面层表面美观、耐磨、光滑，可在面层拌合料中掺入适量的颜料、砂(石屑)和滑石粉。其拌合料用氯化镁溶液拌制。菱苦土面层达到一定强度后还要进行磨光、涂油、打蜡抛光。

课后思考题

一、填空题

1.石灰石的主要成分是__________，生石灰的主要成分是__________，消石灰的主要成分是__________。

2.石灰的凝结硬化过程主要包括__________和__________两个过程。

3.建筑石膏凝结硬化的速度__________，硬化后孔隙率__________，强度__________，导热系数__________，耐水性__________，体积有__________。

4.水玻璃Na2O·nSiO2中的n称为__________，该值越大，水玻璃黏性越__________。

二、单项选择题

1.(　　)属于水硬性胶凝材料。

A.石灰　B.水泥　C.石膏　D.沥青

2.建筑石灰熟化时进行陈伏的目的是(　　)。

A.消除过火石灰的危害　B.使Ca(OH)2结晶与碳化

C.消除欠火石灰的危害　D.减少熟化产生的热量并增加产量

3.石灰不适用于(　　)。

A.基础垫层　B.抹面砂浆

C.砌筑砂浆　D.屋面防水隔热层

4.石膏制品抗火性好的主要原因是(　　)。

A.制品内部孔隙率大　B.含有大量结晶水

C.吸水性强　D.硬化快

三、名词解释

1.石灰土　2.三合土　3.石灰的陈伏　4.建筑石膏

5.高强石膏　6.水玻璃模数　7.菱苦土

四、简答题

1.什么是胶凝材料、气硬性胶凝材料、水硬性胶凝材料?

2.生石膏和建筑石膏的成分分别是什么?石膏浆体是如何凝结硬化的?

3.为什么说建筑石膏是功能性较好的建筑材料?

4.建筑石灰按加工方法不同可分为哪几种?它们的主要化学成分各是什么?

5.什么是欠火石灰和过火石灰?它们对石灰的使用有什么影响？

6.试从石灰浆体硬化原理来分析石灰为什么是气硬性胶凝材料。

7.石灰是气硬性胶凝材料，耐水性较差，但为什么拌制的灰土、三合土却具有一定的耐水性?