气硬性胶凝材料

胶凝材料是建筑工程中不可或缺的基础材料，在各类结构和构件中都起到“粘结剂”的作用。通过物理和化学反应，胶凝材料能够将松散的各类骨料（如砂、石等）粘结成坚固的整体，从而形成具有一定力学强度和耐久性的人工石材。胶凝材料广泛应用于砌筑、抹灰、浇筑、修补等众多建筑领域，对提高工程质量和耐久性具有决定性影响。

按照硬化条件的不同，胶凝材料大致可以分为两大类：气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，通过与空气中的水分或二氧化碳反应获得强度，典型代表有石灰和石膏。这类材料在水中不能持续硬化或保持强度，若长期受潮或浸水，其结构会被破坏，因此一般只用于室内或干燥环境。水硬性胶凝材料则能在水或潮湿环境下正常硬化并保持强度，如常见的水泥和部分特种胶凝材料。水硬性胶凝材料抗水性、耐久性更好，适用于更广泛的工程领域。

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石灰的原料与生产工艺

石灰是人类使用历史最悠久的建筑材料之一。在中国古代建筑中，石灰作为主要的胶凝材料被广泛应用于砌筑和抹灰工程。石灰的生产原料主要是含碳酸钙为主要成分的天然岩石，常见的有石灰岩、白垩、白云质石灰岩等。这些岩石中碳酸钙（CaCO₃）含量一般在90%以上，是生产优质石灰的理想原料。

石灰的生产工艺相对简单，主要是将石灰石在高温下煅烧，使碳酸钙分解生成氧化钙。这个过程称为煅烧或焙烧。煅烧反应的化学方程式为：CaCO₃ → CaO + CO₂↑，反应温度通常需要达到1000℃以上。传统的石灰生产采用竖窑煅烧，将石灰石和燃料（如煤炭）分层装入窑内，从窑底点火，热气流由下向上穿过料层，使石灰石逐步分解。现代化的石灰生产则多采用回转窑或沸腾炉，这些设备生产效率高、产品质量稳定、能源利用率高。

煅烧后得到的产物称为生石灰，主要成分是氧化钙（CaO）。生石灰呈块状，颜色为白色或灰白色，具有强烈的吸湿性。生石灰的质量受原料纯度和煅烧温度的影响较大。煅烧温度过低会导致分解不完全，产品中残留较多的碳酸钙；煅烧温度过高或保温时间过长则会使氧化钙发生过火，晶粒长大，活性降低，这种石灰称为过火石灰。过火石灰熟化很慢，体积膨胀发生在硬化后期，会造成建筑物开裂，因此在使用中要特别注意。

上图展示了石灰煅烧过程中窑内温度随时间的变化。从图中可以看出，煅烧过程大致分为三个阶段：预热阶段（0-4小时）、分解阶段（4-12小时）和冷却阶段（12-20小时）。在分解阶段，温度需要维持在1000℃以上，才能保证碳酸钙充分分解。

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石灰的熟化

生石灰在使用前必须经过熟化处理，这是石灰应用中的关键环节。熟化是指生石灰与水发生化学反应，生成氢氧化钙的过程。熟化反应的化学方程式为：CaO + H₂O → Ca(OH)₂，该反应是强烈的放热反应，每克生石灰熟化时放出约1.15千焦的热量。反应过程中温度可升高至150℃以上，同时伴随体积膨胀约1-2.5倍。

石灰的熟化方法根据加水量的不同可分为消化法和淋灰法。消化法是将生石灰放入消化池中，加入约为生石灰质量3-4倍的水，使其充分反应，得到石灰浆。消化过程中要不断搅拌，使生石灰与水充分接触，加快反应速度。消化完成后，石灰浆需要在化灰池中陈伏至少两周以上。陈伏的目的是让未完全熟化的颗粒继续反应，同时使石灰浆的性质更加均匀稳定。

淋灰法则是将生石灰堆放在地面或灰坑中，洒水使其初步消化，经过一定时间的陈伏后，再将其磨细成石灰粉。这种方法适用于需要粉状石灰的场合。无论采用哪种方法，充分熟化都是保证工程质量的前提。未充分熟化的石灰如果用于工程，其中的生石灰颗粒会在使用后继续吸水膨胀，导致墙面起鼓、开裂等质量问题，这种现象称为“石灰爆裂”。

石灰熟化过程中温度变化如图所示。从开始加水到温度达到峰值通常需要8-10分钟，随后温度逐渐下降。温度峰值的高低与生石灰的活性、加水量、环境温度等因素有关。

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石灰的技术性质

熟化后的石灰主要以氢氧化钙的形式存在，具有一系列重要的技术性质。理解这些性质对于正确使用石灰至关重要。

石灰的保水性是指石灰浆体保持水分的能力。石灰浆的保水性较好，这使得用石灰配制的砂浆具有良好的和易性，便于施工操作。在砌筑和抹灰时，砂浆中的水分不易被砖等基层材料快速吸走，工人有充足的时间进行找平和压光操作。保水性好的石灰砂浆还能减少施工时的分层离析现象。

石灰的硬化是一个缓慢的过程，主要通过两种方式进行。第一种是干燥硬化，石灰浆体中的水分蒸发，氢氧化钙晶体相互结合，产生一定的强度。第二种是碳化硬化，空气中的二氧化碳溶于石灰浆体的水分中，与氢氧化钙反应生成碳酸钙，反应式为：Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O。碳化硬化是石灰硬化的主要方式，生成的碳酸钙结晶相互交织，使砂浆逐渐硬化并增长强度。

由于碳化反应需要二氧化碳的参与，石灰的硬化速度较慢，强度发展也慢。在空气中，二氧化碳只能从表面逐渐向内部渗透，因此石灰硬化是一个由外向内的过程。对于厚度较大的石灰浆层，内部碳化需要很长时间。石灰硬化过程中会发生较大的收缩，容易产生裂缝。为了减少收缩开裂，实际使用中很少单独使用纯石灰，通常要掺入砂子等材料配制成砂浆使用。

石灰的强度相对较低。纯石灰硬化后的抗压强度一般只有0.5-1.0 MPa，远低于水泥等水硬性胶凝材料。但石灰具有良好的可塑性和粘结性，用它配制的砂浆柔软性好，便于施工。石灰还具有一定的吸湿性，能够调节室内湿度，这一特点使其在传统建筑中被广泛用于室内抹灰。

石灰的耐水性较差。由于氢氧化钙能够溶于水（虽然溶解度不大），在潮湿环境或水中，石灰会逐渐溶解流失，导致强度降低甚至完全丧失。因此，石灰及其制品只能用于干燥环境，不能用于潮湿部位或水中。这是气硬性胶凝材料的共同特点。

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石灰的检测与储存

石灰的质量检测主要包括有效氧化钙和氧化镁含量、未消化残渣含量等指标。根据中国国家标准GB/T 5762《建筑用生石灰》，建筑生石灰按照钙质生石灰和镁质生石灰分类，每类又根据有效氧化钙加氧化镁的含量分为优等品、一等品和合格品三个等级。

有效氧化钙含量是评价生石灰质量的重要指标，它反映了生石灰中能够参与熟化反应的氧化钙数量。钙质生石灰优等品的有效氧化钙含量应不低于85%，一等品不低于80%，合格品不低于70%。氧化镁含量一般要求不超过5%，因为氧化镁熟化速度极慢，过多的氧化镁会造成后期膨胀破坏。

未消化残渣是指生石灰经标准方法消化后剩余的不溶物，主要包括煅烧不充分的石灰石、过火石灰以及杂质等。未消化残渣含量越低，说明石灰的熟化质量越好。标准要求优等品的未消化残渣不大于7%，一等品不大于11%，合格品不大于14%。

生石灰的储存需要特别注意防潮。由于生石灰具有强烈的吸水性，在空气中会吸收水分而自发熟化，同时也会吸收二氧化碳而碳化。生石灰一旦受潮熟化或碳化，活性就会大幅降低，甚至完全失去使用价值。因此，生石灰必须储存在干燥的仓库中，包装要密封良好，堆放时要与地面和墙壁保持一定距离，避免受潮。储存期不宜过长，一般不超过3个月，超期的生石灰使用前应重新检验。

熟石灰粉也需要妥善储存。虽然熟石灰粉不会像生石灰那样大量放热，但它仍会吸收空气中的二氧化碳而逐渐碳化，失去胶凝能力。熟石灰粉应储存在干燥环境中，与空气接触面积要尽量减小。石灰浆则应在储灰池中加水覆盖，隔绝空气，防止碳化和水分蒸发。

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石膏的种类与原料

石膏是另一种重要的气硬性胶凝材料，与石灰相比，石膏具有凝结硬化快、硬化后体积微膨胀、表面光滑细腻等优点，在建筑装饰工程中应用广泛。石膏的化学成分主要是硫酸钙（CaSO₄），根据结晶水含量不同，天然石膏主要以二水硫酸钙（CaSO₄·2H₂O）的形式存在，称为生石膏。

中国石膏资源丰富，主要分布在山东、湖北、宁夏、内蒙古等地。天然石膏矿床主要形成于海相沉积作用，当含硫酸盐的海水在封闭的泻湖或海湾中蒸发浓缩时，硫酸钙逐渐析出沉淀，经过漫长的地质年代形成石膏矿床。除天然石膏外，工业副产石膏也是重要的石膏来源，如磷石膏（磷肥生产的副产品）、脱硫石膏（燃煤电厂烟气脱硫的产物）、氟石膏（氟化工的副产品）等。这些工业副产石膏经过适当处理后，性能可达到甚至超过天然石膏，利用工业副产石膏既可节约天然资源，又能减少工业废弃物排放。

建筑石膏是使用最广泛的一种石膏胶凝材料。它是将生石膏在150-170℃温度下煅烧，使二水硫酸钙脱去大部分结晶水，转变为半水硫酸钙（CaSO₄·½H₂O），然后磨细而成。煅烧反应为：CaSO₄·2H₂O → CaSO₄·½H₂O + 1½H₂O↑。建筑石膏呈白色粉末状，细度越高，质量越好。高质量的建筑石膏洁白细腻，手感光滑。

高强石膏是在饱和蒸汽介质中，采用蒸压法在较高温度（120-130℃）和压力下蒸炼生石膏制得的。高强石膏的晶体结构更加致密，强度比建筑石膏高2-3倍。高强石膏主要用于制作装饰制品、模型等对强度要求较高的场合。

粉刷石膏是在建筑石膏基础上，加入适量的缓凝剂、保水剂、憎水剂等外加剂，以及细集料等材料配制而成的抹灰材料。粉刷石膏可直接兑水使用，施工方便，抹灰质量好，是现代建筑内墙抹灰的优选材料。

石膏自流平是一种专门用于地面找平的石膏基材料，具有良好的流动性，倾倒在地面上能自动流平，不需要人工抹平。石膏自流平凝结硬化后表面平整光滑，可作为地板、地砖等的基层。

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石膏的凝结与硬化

建筑石膏的凝结硬化过程与石灰有本质区别。当建筑石膏与水拌合后，半水硫酸钙迅速与水反应，重新转化为二水硫酸钙，反应式为：CaSO₄·½H₂O + 1½H₂O → CaSO₄·2H₂O。这是一个溶解-结晶的过程：半水硫酸钙先溶解在水中，当溶液达到过饱和状态后，二水硫酸钙晶体开始析出。析出的晶体相互交错、搭接，形成网状结构，宏观上表现为浆体凝结。

石膏凝结硬化的速度很快，这是石膏区别于石灰的显著特点。一般情况下，建筑石膏从加水拌和到开始失去流动性（初凝）只需要几分钟，从初凝到完全失去塑性（终凝）也只需十几分钟。快速凝结虽然有利于加快施工进度，但也给施工操作带来困难。为了满足不同施工要求，通常需要在石膏中掺入缓凝剂来延长凝结时间。

常用的石膏缓凝剂有柠檬酸、酒石酸、蛋白质、硼砂等。这些物质能够吸附在二水硫酸钙晶体表面，阻碍晶体生长，从而延缓凝结。相反，如果需要加快石膏凝结，可以掺入氯化钠、硫酸钾等促凝剂，或者加入少量二水石膏粉作为晶核，加速结晶过程。

石膏硬化时会发生微膨胀，这是由于二水硫酸钙晶体的体积大于半水硫酸钙晶体和水的总体积。微膨胀使石膏制品表面光滑平整，与模具紧密贴合，这一特性使石膏成为制作装饰构件和雕塑模型的理想材料。但膨胀率过大会导致制品翘曲变形，因此要控制好水膏比。

石膏硬化后的强度发展较快。一般情况下，石膏制品在终凝后1-2小时就可以达到设计强度的60%以上，完全干燥后可达到最高强度。建筑石膏制品的抗压强度一般在6-12 MPa之间，抗折强度为2-3 MPa。虽然强度不如水泥，但对于装饰和非承重用途来说已经足够。

上图显示了建筑石膏硬化后强度随时间的发展规律。可以看出，石膏在最初的几小时内强度增长很快，之后增长速度放缓。这种快速硬化的特性使得石膏制品可以快速脱模和使用，大大缩短了生产周期。

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石膏的技术性质

石膏具有一系列优良的技术性质，这些性质决定了石膏在建筑工程中的应用范围和使用方法。

石膏的凝结硬化速度快，这既是优点也带来施工难度。从加水拌和到初凝通常只有5-15分钟，终凝时间也不超过30分钟。快凝特性使得石膏施工效率高，但要求施工人员动作迅速，一次拌和的量不能太多。在实际应用中，通常通过掺加缓凝剂将初凝时间延长至30-60分钟，以满足施工需要。

石膏硬化时体积微膨胀约0.5-1%，这与大多数胶凝材料硬化收缩的特性不同。适度的膨胀可以使石膏与基层结合紧密，制品表面光滑细腻，不易出现收缩裂缝。但膨胀率如果控制不当，过大的膨胀会导致制品翘曲变形。水膏比是影响膨胀率的主要因素，水膏比越大，膨胀率越小。

石膏的强度与水膏比密切相关。理论上，半水硫酸钙完全水化只需要18.6%的水（按重量计），但实际施工中需要更多的水来保证流动性。通常建筑石膏的水膏比为0.6-0.8（水:石膏=0.6-0.8:1），此时既能保证良好的施工性能，又能获得较高的强度。水膏比越大，强度越低，因为多余的水分蒸发后会在石膏制品中留下孔隙，降低密实度。

石膏的孔隙率较大，一般在40-60%，这使得石膏制品具有轻质、保温、隔热、吸音等优点。石膏的密度较小，约为900-1200 kg/m³，比普通混凝土轻得多，可以减轻建筑物自重。多孔结构使石膏具有良好的保温隔热性能，导热系数约为0.2-0.3 W/(m·K)，适合用作室内装饰材料。

石膏对钢材没有锈蚀作用，这是因为石膏水化后呈中性或弱碱性，不像石灰那样具有强碱性。这一特性使得石膏可以与金属材料接触使用，在制作带金属龙骨的吊顶、隔墙时无需担心腐蚀问题。

石膏具有良好的防火性能。石膏的主要成分二水硫酸钙在受热时，结晶水会逐渐蒸发，吸收大量热量，可以延缓火势蔓延。当温度达到120-170℃时，二水硫酸钙失去结晶水，转变为半水石膏，这个过程吸收大量热量。因此石膏板具有良好的耐火性能，广泛用作防火隔墙和防火吊顶材料。

石膏的耐水性较差，这是气硬性胶凝材料的共同缺点。石膏在水中会缓慢溶解，长期浸水后强度会显著降低甚至完全丧失。二水硫酸钙在20℃时的溶解度约为每升水溶解2克石膏，虽然溶解度不大，但在长期浸水条件下仍会造成石膏流失。因此，石膏及其制品只能用于室内干燥部位，不能用于卫生间、厨房等潮湿环境，更不能用于室外和水中。

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石膏制品的应用

石膏制品在建筑工程中应用广泛，主要包括石膏板、石膏砌块、装饰石膏制品等。这些制品充分发挥了石膏轻质、防火、装饰性好的优势。

石膏板是应用最广泛的石膏制品。纸面石膏板是以建筑石膏为主要原料，掺入纤维、助剂等制成芯材，两面粘贴护面纸而成的轻质薄板材。纸面石膏板具有重量轻、强度高、防火性能好、加工性能优良等特点，广泛用于室内隔墙、吊顶等部位。标准纸面石膏板的厚度一般为9.5mm、12mm、15mm等规格，幅面通常为1200mm×2400mm或1200mm×3000mm。根据功能不同，纸面石膏板又分为普通型、耐水型、耐火型等品种。

纤维石膏板是在石膏中掺入大量的纤维增强材料制成的无纸面石膏板。纤维石膏板的强度和韧性比纸面石膏板更好，可以用于要求较高的部位。装饰石膏板表面有各种浮雕图案或穿孔造型，既有实用功能又有装饰效果，常用于公共建筑的吊顶装饰。

石膏砌块是一种新型墙体材料，由建筑石膏、轻集料、纤维等材料制成，具有空心和实心两种类型。石膏砌块采用榫槽连接方式，施工时不需要抹灰，只在接缝处填充石膏胶即可。石膏砌块隔墙具有自重轻、施工速度快、隔声性能好、节约资源等优点，是替代传统砖墙的理想选择。

石膏装饰制品种类繁多，包括石膏线条、石膏浮雕、石膏造型构件等。这些制品利用石膏细腻洁白、可塑性强、硬化微膨胀的特性，能够制作出形状复杂、线条清晰、表面光滑的装饰效果。石膏装饰制品广泛应用于欧式风格、古典风格的室内装饰，如顶角线、灯盘、柱头、壁炉等。

石膏粉刷材料包括底层粉刷石膏和面层粉刷石膏。底层粉刷石膏用于墙面的基层抹灰，找平墙面；面层粉刷石膏用于墙面的罩面层，要求表面光滑细腻。与传统的水泥砂浆抹灰相比，石膏粉刷具有粘结强度高、不易空鼓开裂、表面质量好、节约材料等优点。现代建筑的室内抹灰越来越多地采用石膏粉刷材料。

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气硬性胶凝材料的应用范围与限制

气硬性胶凝材料的应用受其硬化特性的制约。由于只能在空气中硬化并保持强度，气硬性胶凝材料的使用范围相对有限，但在适宜的场合仍有不可替代的作用。

石灰在现代建筑中的应用逐渐减少，但仍在某些领域发挥作用。石灰砂浆主要用于干燥环境下的次要建筑物砌筑和室内抹灰。在农村建筑、维修工程、古建筑修缮中仍有应用。石灰的调湿性能使其特别适合用于传统民居的室内抹灰，能够吸收室内多余的湿气，在干燥时释放水分，起到调节室内湿度的作用。石灰还是配制混合砂浆的重要组分，在水泥石灰砂浆中，石灰能够改善砂浆的和易性和保水性。

石灰在建筑之外的领域也有重要用途。在道路工程中，石灰可用于土壤稳定处理，石灰与粘性土拌和后能够改善土的性质，降低含水量，提高承载力。在环境工程中，石灰用于废水处理、烟气脱硫等领域，利用其强碱性中和酸性物质。在冶金工业中，石灰是炼钢的助熔剂。生石灰还可用作干燥剂。

石膏的应用则呈现上升趋势。随着人们对建筑功能和居住舒适度要求的提高，石膏制品在建筑装饰中的应用越来越广泛。石膏板已成为室内隔墙和吊顶的主流材料，逐步替代传统的砖墙和木板。粉刷石膏也在取代传统的水泥砂浆抹灰。这些变化不仅改善了施工效率和工程质量，也符合建筑节能和环境保护的要求。

气硬性胶凝材料的主要限制是耐水性差。这从根本上决定了它们不能用于潮湿环境、地下工程、水中工程等部位。在卫生间、厨房等湿度较大的房间，以及建筑物的外墙、基础、地下室等部位，必须使用水硬性胶凝材料如水泥。即使在室内使用，也要注意防止长期受潮，否则会导致强度损失。

气硬性胶凝材料的强度相对较低，不能用于承重结构。无论是石灰还是石膏，其硬化后的强度都远低于水泥混凝土，只能用于非承重的砌筑、抹灰、装饰等部位。对于需要承受荷载的结构，如柱、梁、楼板、基础等，必须使用强度更高的水硬性胶凝材料。

气硬性胶凝材料的硬化过程对环境条件有一定要求。石灰的碳化硬化需要空气中的二氧化碳参与，在密闭或二氧化碳浓度很低的环境中硬化很慢。石膏的凝结硬化虽然不需要二氧化碳，但对温度有要求，温度过低会延缓凝结，过高则会加速凝结影响施工。冬季施工时要注意采取保温措施。

上图对比了三种砂浆的主要性能指标。石灰砂浆强度最低但施工时间最长，适合慢工细作；石膏砂浆强度适中、施工时间较短、收缩小，是理想的室内抹灰材料；水泥砂浆强度最高但收缩较大，适用于承重和潮湿环境。三种材料各有特点，应根据具体工程要求合理选用。

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小结

气硬性胶凝材料是建筑材料中的重要一类，石灰和石膏是最主要的两种气硬性胶凝材料。它们的共同特点是只能在空气中硬化并保持强度，不能在水中硬化或长期保持强度，因此只能用于干燥环境。

石灰是历史最悠久的建筑材料，生产工艺简单，主要通过煅烧石灰石制得生石灰，再经熟化处理成为熟石灰。石灰的硬化主要通过干燥和碳化两种方式，硬化速度慢，强度较低，但具有良好的保水性和可塑性。石灰在现代建筑中的应用逐渐减少，但在某些领域仍有价值。

石膏是另一种重要的气硬性胶凝材料，其最大特点是凝结硬化快、硬化时微膨胀、表面光滑细腻。建筑石膏由生石膏煅烧制得，与水拌和后能迅速凝结硬化。石膏制品种类繁多，包括石膏板、石膏砌块、装饰石膏制品等，在现代建筑装饰中应用广泛。

理解气硬性胶凝材料的性质和应用特点，对于正确选择和使用建筑材料至关重要。在工程实践中，要根据工程部位的环境条件、强度要求、功能需求等因素，合理选择材料。对于干燥的非承重部位，气硬性胶凝材料是经济合理的选择；对于潮湿环境或承重结构，则必须选用水硬性胶凝材料。只有正确选材、科学施工，才能保证工程质量和使用安全。