土木工程材料土木工程材料 (2).pdf

第第4章章 无机气硬性胶凝材料无机气硬性胶凝材料 4.2 石灰石灰 石灰是在土木工程中最早使用的一种无机气硬性胶凝材料。公元前 8 世纪古希腊人已用于建筑，中国也在公元前 7 世纪开始使用石灰。其主要成分为氧化钙或氢氧化钙。石灰的原料来源广泛，生产工艺简单，成本低廉，并具有良好的使用性能，目前在工程中仍然广泛使用。用于生产石灰的原材料是以碳酸钙为主要成分的石灰石、白垩土、白云石和贝壳等，以上原材料中常含有部分黏土杂质，一般用于生产的原材料中的黏土杂质不超过 8%。石灰的另一来源是化学工业副产品，比如用碳化钙制取乙炔时产生的电石渣，其主要成分是氢氧化钙，即消石灰（或称为熟石灰）；或者用氨碱法制碱所得的残渣，其主要成分为碳酸钙。以碳酸钙为主要成分的石灰石原料在高温下煅烧，碳酸钙将分解，释放出二氧化碳，得到以氧化钙为主要成分的生石灰。石灰石的分解温度在 900 C 左右，但为了加速分解过程，使原料充分煅烧，并考虑到热损失，在实际生产中，我们通常将煅烧温度提高至 1000 C1200 C。具体反应式如下：CaCO3 CaO 10001100 C CO2 MgCO3 MgO 因石灰石原料中常含有一些碳酸镁成分，所以煅烧生成的生石灰常含有氧化镁。当氧化镁含量小于或等于 5%时，称为钙质生石灰；当氧化镁含量大于 5%时，称为镁质生石灰。在生产石灰的过程中，采用的石灰石、白垩土、白云石和贝壳等原料经煅烧后，即得到块状生石灰，其主要成分为氧化钙。块状生石灰再经过不同的加工，还可得到另外三种石灰产品。由块状生石灰磨细而成的生石灰粉；将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为氢氧化钙，亦称熟石灰。将块状生石灰用过量水（约为生石灰体积的 34 倍）消化，或将消石灰粉与水拌和，得到一定稠度的石灰膏，其主要成分是氢氧化钙和水。煅烧良好的生石灰孔隙率、表观密度较小、晶粒细小、与水反应快，这种石灰称为正火石灰。若煅烧温度过低或煅烧时间不足，使得碳酸钙不能完全分解，将生成欠火石灰，降低石灰的利用率。若煅烧温度过高或煅烧时间过长，将生成颜色较深的过火石灰，过火石灰的结构较为致密，其表面常被黏土杂质熔融形成的玻璃釉状物所覆盖，与水反应很慢，石灰硬化后它仍继续熟化而产生体积膨胀，引起局部起鼓和开裂而影响工程质量。工地上在使用石灰的时候，通常将生石灰加水，使之消解为膏状或粉末状的消石灰，这个过程称为石灰的熟化，又称石灰的消化或消解。煅烧良好的石灰的熟化反应速度快，同时会放出大量的热，反应过程中固相体积增大 1.52 倍。QOHCaOHCaO22)(如上所述，过火石灰水化极慢，它要在占绝大多数的正常石灰凝结硬化后才开始慢慢熟化，并产生体积膨胀，从而引起已硬化的石灰体发生鼓包、开裂而被破坏。为了消除过火石灰的危害，通常将生石灰放在消化池中“陈伏”14d 以上才能使用。陈伏期间，石灰浆表面应保持一层水来隔绝空气，防止碳化。这是现场用来进行石灰“陈伏”的化灰池。石灰的硬化是指石灰浆体由塑性状态逐步转化为具有一定强度的固体的过程。石灰浆体在空气中逐渐硬化，主要包括干燥结晶过程和碳化过程。石灰浆体在干燥过程中，其游离水分蒸发或被周围砌体吸收，各个颗粒间形成网状孔隙结构，在毛细管压力的作用下，颗粒间的距离逐渐减小，因而产生一定强度。同时氢氧化钙逐渐从过饱和溶液中结晶析出，促进石灰浆体的硬化。这就是干燥结晶过程。石灰浆体中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳和水反应，生成碳酸钙晶体，释放出的水分则被逐渐蒸发，即为碳化过程。由于碳化作用实际上是氢氧化钙与二氧化碳和水形成的碳酸反应，此过程不能在没有水分的全干状态下进行。由于碳化作用主要发生在与空气接触的表层，随时间延长，生成的碳酸钙层达到一定厚度且较为致密，会阻碍二氧化碳的渗入，也阻碍其内部水分向外蒸发，因此碳化过程非常缓慢。生灰浆凝结硬化时间一般需要数周，硬化后的强度一般小于1MPa。例如 1:3 的石灰砂浆强度仅为 0.20.5MPa。但通过人工碳化，可使强度大幅度提高。这个方法可以用来生产碳化石灰板及其制品。氢氧化钙颗粒极细，比表面积很大，每一颗粒均吸附一层水膜，使得石灰浆具有良好的保水性和塑性。因此，土木工程中常用来改善水泥砂浆保水性和塑性差的缺陷。灰浆体中游离水，特别是吸附水蒸发，引起硬化时体积收缩、开裂。碳化过程也引起体积收缩。因此，石灰一般不宜单独使用，通常掺入砂子、麻刀、纸筋等减少收缩或提高抗裂能力。石灰浆在水中或潮湿环境中没有强度，在流水中还会溶解流失。但固化后的石灰制品经人工碳化处理后，耐水性大大提高。目前，石灰广泛用于建筑工程。石灰乳通常采用石灰浆（膏）加入大量水调制成稀浆，用于要求不高的室内粉刷，目前已很少使用。石灰膏掺入麻刀或纸筋作为墙面抹面材料，也称之为黄灰，过去比较常用。目前主要采用石灰膏与水泥、砂或直接与砂配制成混合砂浆或石灰砂浆抹面。石灰、水泥和砂按一定比例与水配制成混合砂浆，用于砌筑和抹面。消石灰粉和粘土拌合后称为石灰土。石灰土中再加入砂和石屑、炉渣等即为三合土。由于氢氧化钙能和粘土中少量的活性氧化硅和氧化铝反应生成具有水硬性的产物，使密实度、强度和耐水性得到改善。因此广泛用于建筑物的基础和道路垫层。如石灰桩加固地基等。但是，目前更常用的方法是石灰、粉煤灰和石子混合成“三合土”作为道路垫层，由于粉煤灰中活性氧化硅和氧化铝的含量高，三合土的固结强度高于粘土，并且更为环保。