第二章-石灰.ppt

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1、第二章第二章-石灰石灰掌握石灰胶凝材料的原料种类、性质及特点；熟悉石灰胶凝材料的水化硬化过程及强度发展过程等；了解石灰胶凝材料在水化硬化过程中体积变化的原因。本章要求第一节概述石灰是将以碳酸钙为主要成分的原料经适当的温度煅烧，分解后得到固体物质，其主要成分为CaO按使用性质不同，可分为两种气硬性石灰由碳酸钙含量较高，粘土杂质含量小于8的石灰石到煅烧而成。我国大部分石灰属于此类水硬性石灰用粘土杂质含量大于8的石灰石煅烧而成，其成分中CaO外，含有一定量的硅酸钙、铝酸钙等，呈现出水硬性。按加工方法，可分为1.块状石灰由原料煅烧而成，主要是CaO2.生石灰粉由块状石灰磨细而成，其细度一般在0.125

2、mm方孔筛的筛余量为7-18，主要成分为CaO3.消石灰粉将生石灰粉用适量的水消化二得到的粉末，也称熟石灰，主要成分Ca(OH)24.石灰浆将生石灰用过量的水消化得到的粘稠浆体，也称石灰膏，主要成分Ca(OH)2和水。石灰的消化速度指在一定条件下，从生石灰与水混合，到达最高温度需要的时间。根据消化速度，可分为（1）快速消化石灰：消化速度在10min以内（2）中速消化石灰：消化速度在10-30min之间（3）慢速消化石灰：消化速度在30min以上按消化达到的最高温度，分为（1）低热石灰：消化温度低于70（2）高热石灰：消化温度高于70第二节石灰的原料主要以含碳酸钙的为主的天然岩石，如石灰石、方解

3、石等常用的原料有1.致密石灰石即普通石灰石：煅烧石灰的主要原料，CaCO3含量在90以上2.大理石：含CaCO3最多的岩石，主要用于装饰工程，某些不使用装修的大理石和碎块，可以用于烧制石灰，所得几乎全是石灰3.贝壳石灰石：由碳酸钙粘合各种大小的贝壳而成的松软石灰岩，其力学强度和硬度均低，很难用立窑煅烧，需要选择合适的煅烧设备4.白垩：是一种松软石灰石，由小动物的外壳、贝壳等沉积物而成，CaCO3含量高，因结构疏松，易粉碎，在立窑难煅烧，若在旋窑中，较为方便。此外，还可以利用有机合成工业中消化电石得到的电石渣（主要成分为Ca(OH)2）,以及用氨碱法制碱的残渣（主要成分为CaCO3）等，生产石灰

4、。第三节 石灰石的煅烧及石灰特性一、碳酸钙的分解反应由于煅烧后石灰的体积比原来缩小10-20，形成一种多孔结构煅烧石灰的微观形貌虚线分别表示CO2的分压为0.1和0.2MPa碳酸钙从500开始分解，800-850分解加快，到898分解压力达到0.1MPa，通常把这个温度作为碳酸钙的分解温度。只有CO2的分解压力大于周围介质的环境介质的压力，反应才能向正方向进行，所以需要提高煅烧温度，并及时排除CO2，以降低周围介质CO2分压二、碳酸钙的分解设备有土窑、轮窑、立窑、回转窑、沸腾炉、烧结机等，常用的是立窑、回转窑（1）立窑立窑窑内从上到下分为三个区：预热区、煅烧区、冷却区石灰石和煤块从上部加入，石

5、灰从下部卸出石灰立窑（2）回转窑可用于煅烧松软、强度低的石灰石，如白垩、贝壳石等，装置同水泥回转窑。石灰回转窑三、碳酸钙的分解温度石灰石块的分解是以一定速度由表及里进行，如900计算得分解速度为3mm/h，1100以14mm/h。因此为了提高产量，实际温度高于理论分解温度（898）。石灰石的致密度、料块大小、杂质含量对煅烧制度有较大影响致密度高，煅烧温度高；块体越大，煅烧时间越长V.J.Azbe通过煅烧温度、时间以及热量转换提出“煅烧能耗”的概念，认为煅烧能耗与颗粒平均直径成正比J.Wuhrer对片状石灰石，假定表面恒温，提出分解温度的公式为堆积密度；a为一半厚度；R为单位质量的石灰石在煅烧时

6、流经单位面积的热量；导热系数；为表面温度与分解温度之差对于其它形状的石灰，采用形状修正因子F，圆柱状修正因子F为0.55；立方体为0.48；球状为0.37球状颗粒分解时间要短，因此最好是球状颗粒a.CaCO3SiO2b.CaCO3+C2Sd.CaCO3杂质的影响杂质会降低碳酸钙的分解温度当MgCO3（600-650）含量高，应适当降低煅烧温度，以减少死烧MgO的影响一般石灰石的工业煅烧温度在1000-1200四、CaO的活性与结构的关系CaO的活性指与水反应的能力，主要取决于内比表面面积和晶格变形程度，此外，原料的结构、煅烧温度、煅烧时间等都有影响。DR格拉森把石灰煅烧过程分为三个变化阶段：C

7、aCO3分解形成具有CaCO3假结晶的CaO。Ca2+和O2-均保持在原来的晶格位置上，故可以认为此时的CaO是亚稳的 亚稳的CaO晶体再结晶形成更稳定的相同面心立方体的CaO晶体，此时内比表面积增加并达到最大值；再结晶的CaO烧结，这时内比表面积逐渐降低。实际上CaO烧结在第二阶段完成前就开始了，只是第二阶段主要是大量亚稳的CaO再结晶，因此内比表面积增加。到了第三阶段，CaO的烧结成了主要的，因此内比表面积减少。CaO内比表面积随煅烧时间的变化随煅烧时间延长，内表面积先增加，随后减小随煅烧温度升高，内比表面积减小内比表面积减小意味着活性降低CaO的煅烧机理CaCO3分解是由CO32-分解引

8、起的第一阶段，分解的CO2向外逸出，此时Ca2+和O2-仍保留在CaCO3原来的晶格位置，即CaO假晶第二阶段，Ca2+和O2-化合形成新相CaO，晶格为面心立方，即假晶的再结晶，第三阶段，提高煅烧温度，则使颗粒增大，内比表面积减小第二阶段由于CO2逸出后，石灰石的体积实际没有变化，所形成CaO是多孔的，内比表面积大900颗粒尺寸为0.5-0.6m，1200达6-13m第四节 石灰的水化反应一、石灰的水化反应过程及影响因素石灰的水化（消化或熟化）石灰与水发生化学反应生成氢氧化钙的过程，产物称为消石灰或熟石灰在常温下，反应向右进行，当温度达到547，反应向左进行A.巴克曼认为生石灰的消化要经过以

9、下几个步骤（1）CaO吸水（2）中间产物CaO2H2O（3）转化反应CaO2H2OCa(OH)2H2O（4）凝聚、硬化J.伍勒等认为CaO水化按下式进行Km最大传导率，Kt是时间t时的传导率影响石灰水化的因素1.煅烧条件煅烧条件、水化温度、外加剂等在不同温度下，煅烧石灰的物理特征有很大差异，主要表现为CaO的内比表面积大小和晶粒大小（1）正火石灰在煅烧时间刚好分解完全的石灰颗粒。色淡，无明显烧结和体积收缩，无裂缝或微裂缝，质量好，主要成分是CaO，其晶体尺寸一般为26m，块体容重为2.22.5g/cm3。（2）过火石灰已经完全分解但还继续煅烧，即煅烧时间长或温度高的石灰颗粒。表明出现裂缝或玻璃

10、状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，块体容重大，CaO晶体的尺寸一般大于10m，水化很慢。（3）欠火石灰由于煅烧温度低或煅烧时间短，而没有烧透，内部有未分解核的石灰颗粒。一般容重比较大，降低石灰整体的胶凝能力。前面的快速、中速、慢速石灰实际是煅烧温度不同造成的1-有15的欠火石灰；2煅烧正常的石灰3-有15的过火石灰；4含32的MgO2.水化温度水化反应速度随温度升高而增加。反应温度由20升高到100，石灰的反应速度提高256倍。3.外加剂氯盐可以加快石灰的水化速度，而磷酸盐、草酸盐、硫酸盐、碳酸盐会延缓水化。如果生成比Ca(OH)2易溶的化合物，可以消除CaO颗粒周围过饱和现象，就能加速水

11、化如果生成比Ca(OH)2更难溶的化合物，会沉淀在CaO的颗粒表面，就会延缓水化二、石灰水化特点（一）水化热高（2）需水量大好处是可以加速凝结硬化坏处是产生的水蒸气造成石灰浆体沸腾，破坏石灰的凝聚结构有效控制放热理论用水量是仅为32，而实际过程，水分蒸发了37，造成实际加入量要到达70，才能得到体积疏送的消石灰粉（三）体积膨胀在没有荷载条件下膨胀率达44，若完全控制膨胀需要加入14MPa的外力很容易造成制品破坏固相体积反应前后增加98，而对于石灰与水体系，反应前后总体积减小5？体积膨胀1.水化过程物质转移原因（1）水分子进入石灰颗粒内部，并与水发生反应，生成水化产物（2）水化产物向原来的水空间

12、转移由于石灰水化速度大于转移速度，使石灰颗粒周围积累了水化产物，而由生石灰变成熟石灰，体积增大，随着反应进行，内部因体积增大对外部产生膨胀应力，导致开裂2.孔隙体积增加小、大球代表水化前后的体积阴影部分代表增加的孔隙体积小颗粒变成大颗粒后，孔隙体积增加了阴影部分的面积球体体积为增加1，孔隙体积增加0.35因此，固相体积增大，必然导致孔隙增大，从而引起CaO和水体系总体积增大为了有效控制体积变化：1.生石灰细度石灰磨得越细，体积变化越小。2.水灰比随水灰比增大，体积膨胀率减小3.介质温度随温度增大，体积膨胀率增大，同时膨胀的极限值提前达到4.石膏掺量随石膏掺量增大，体积膨胀率减小延缓石灰水化速率

13、，使水化速率与转移速率的差异减小；石膏压缩了石灰水化时吸附水扩散层的厚度，减小孔隙体积增量三、石灰的消化方法（一）消石灰粉人工消化有喷淋法和浸水法喷淋法将生石灰块分层平铺在吸水地面上，每层厚度20cm，每铺一层洒一次水，直至石灰厚度达1-1.5m左右，注意每次洒水量需逐渐增加浸水法将生石灰块放在金属丝编成的篮子里，一起浸入水中，直到气泡停止冒出，开始出现石灰乳为止。然后取出篮子，让水滴尽，将石灰倒出，堆成1-1.5m高。最后进行储存及筛分机械消化小于15mm生石灰块锤式破碎机料库螺旋搅拌器水消化槽小颗粒排出大颗粒继续细化振动筛大颗粒为残渣排除消石灰粉小颗粒人工消化将生石灰块加入大量的水在消化箱

14、内，消化成石灰乳。待完全消化后，过网储存在消化池内，一般储存在两周以上（二）石灰浆机械消化将生石灰块粉碎成5cm的块，然后在消化器内加入40-50的水，消化成石灰乳，在流入澄清池浓缩为石灰浆石灰消解第五节 石灰在水作用下的分散与浆体的结构形成过程一、石灰在水作用下的溶解和分散当加水后，颗粒表面立即开始水化，形成了含钙离子和氢氧根离子的溶液：随着水化的进行，钙离子浓度逐渐趋于饱和。Ca(OH)2的溶解度并不是很大，而且随温度升高而降低。当达到Ca(OH)2饱和后，水化作用没有停止。因为吸附分散和化学分散吸附分散和化学分散的存在，促进了水化继续进行化学分散当Ca离子达到饱和后，水分子或氢氧根离子与

15、CaO反应，将直接形成Ca(OH)2晶体。当CaO转变为Ca(OH)2时，固相体积增大，这种膨胀使石灰粒子分散。吸附分散水分子和氢氧根离子在石灰颗粒的微裂缝的缝壁上形成吸附层，使此处的表面张力降低，从而加速石灰颗粒沿着裂缝分裂成更细的颗粒。石灰颗粒在水作用下的吸附分散和化学分散过程，存在以下特点：（1）由于石灰粒子的分散是一个放热过程，因此表现为放热现象，温度迅速上升。（2）由于吸附分散和化学分散，形成大量胶体尺寸的新生成物，使固相比表面积急剧增大。（3）固相体积明显增大标准磨细石灰的比表面积一般为0.2-0.4m2/g；消石灰的比表面积达10-30m2/g。（4）在固体核周围产生双电子层结构

16、，即一层Ca 2+构成的吸附层，和OH-构成反离子扩散层。扩散层吸附了水分子，使石灰浆体流动性降低。二、石灰浆体凝聚结构的形式及其特征石灰粒子在吸附分散和化学分散后，形成相当数量的胶体粒子，这些胶体粒子在重力下相互靠近，但由于胶体粒子带电，使它们之间保持一定的距离。同时，胶粒内部的石灰粒子从扩散层吸入水分子继续水化，生成新胶体物质，胶体粒子的水膜变薄，胶体扩散层逐渐压缩，形成凝聚结构。在这凝聚结构中存在吸附水和游离水。这种凝聚结构具有触变性，即在外力作用下，结构会发生破坏，变成流态影响石灰浆凝聚结构的因素1.单位体积固相粒子的数目和粒子细度粒子越小，单位体积的粒子数目越多，形成凝聚结构的接触点

17、就越多，凝聚结构就易形成2.粒子间扩散层的厚度扩散层厚度越大，游离水越多，凝聚结构越疏松。3.电解质当电解质的阴离子比OH-更易被Ca 2+吸附，就会使OH-释放出来，并使扩散层厚度减小，就会使胶体粒子的间距减小，更易形成凝聚结构 如加入石膏对于石灰浆体而言，从凝聚向结晶结构转变是通过细分散状态的氢氧化钙晶粒溶解和较粗大的氢氧化钙长大并互相连生而成。固体分散度越大，即粒子越小，溶解度越大。因此，对于微细粒子的饱和溶液，相对于大颗粒是过饱和溶液，即小粒子溶解，大粒子长大三、石灰浆体结晶结构的形成及条件在凝聚结构向结晶结构转变过程中，剧烈放热、显著体积增大、过大水灰比以及重新搅拌等因素，极易破坏结

18、晶网形成，使石灰无法正常硬化。石灰硬化后，由于晶体接触点溶解度高，在潮湿的环境下，很容易使晶体接触点溶解，引起强度降低。结晶压力的存在也会引起强度降低随着水化进行，浆体的塑性强度逐渐增大，但水化临近结束时，强度开始明显降低。水固比越大，浆体塑性强度降低越明显。总体而言，石灰水化快，并伴随剧烈放热和体积膨胀，对于凝聚结构向结晶结构转变是非常不利的。同时，晶体接触点溶解和结晶压力等会造成强度降低。因此，应注意选取合适的水固比，采取传导热量，抑制石灰膨胀以及避免重新搅拌。第六节 石灰浆体的硬化石灰浆体在空气中逐渐结晶和碳化而使其硬化并具有强度一、结晶与干燥附加强度由于水分蒸发，引起石灰浆体过饱和度提

19、高，并促使氢氧化钙再结晶，由于析出的氢氧化钙数量较少，因此引起强度增加并不显著，但是干燥引起孔隙网形成。孔隙中的水分由于毛细孔压力，使石灰颗粒更加紧密，而获得附加强度，但这个强度很低，在遇水后会失去二、碳酸化石灰浆从空气中吸收CO2，生成溶解度低的碳酸钙晶粒，这些晶粒与氢氧化钙晶粒共生，产生强度。同时，碳酸化增加了固相体积，使浆体更加紧密。碳酸化只有在水条件下才能进行。在露天放置的石灰水中，会形成很薄一层碳酸钙。碳酸化的速率取决于环境中CO2浓度，溶解石灰的浓度以及接触面积。在自然条件下，碳化速度很慢。可以通过提高CO2的浓度，来增加碳酸化速度，以获得较高强度 提高CO2的浓度，强度 提高人工

20、加速碳化可以采用：增大空气中的CO2浓度；提高石灰的浓度；增大溶液气体的界面。第七节 石灰的应用一、石灰的技术性质1.建筑生石灰JC-T 479-1992 建筑生石灰建筑生石灰2.建筑生石灰粉JC-T 480-1992 建筑生石灰粉建筑生石灰粉3.建筑消石灰粉JC-T 481-1992 建筑消石灰粉建筑消石灰粉MgO含量：钙质消石灰粉要求小于4；镁质消石灰粉要求在4-24；白云石消石灰粉24-30二、石灰的应用（一）石灰乳和石灰砂浆用已熟化的石灰膏或消石灰粉加入多量的水稀释至密度1070-1200kg/m3的石灰乳，用于表面刷白，以增加亮度，为减少粉化，可加入适量水溶性胶和颜料1.砌筑砂浆石灰

21、浆单独或与其它胶凝材料一起配制成砂浆，如石灰水泥砂浆2.抹灰砂浆石灰砂浆可用于砖墙和混凝土墙的抹灰，但面层多用混合砂浆、麻刀石灰浆、纸筋石灰浆石灰膏石灰砂浆层大面积开裂、脱落用手轻摸砂浆纷纷脱落湖南湘西洪江古商城之厘金局，墙体均用石灰砂浆粉敷。湖南湘西洪江古商城之厘金局，墙体均用石灰砂浆粉敷。苏州双塔的外壁外墙有一层石灰砂浆砌筑、糯米汁石灰胶泥勾缝的外壳，与外壁内部砖砌体不相结合，使塔体在地震发生时能够有力削弱共振，起到缓冲和抵消震力的作用。玉津桥始建于明末，桥墩台为石灰砂浆灌筑，拱圈为糯米纸浆灰黏结糯米纸浆灰是由糯米粥、棉纸浆以及石灰搅拌成的黏稠物。没有杂质的细净红土,再按一定的比例掺以细河

22、沙、水田底层的淤泥和年代久远的老墙泥，这样按比例配合而成的泥土被称之为三合土,还必须加入上好的红塘、打散起泡的鸡蛋清、不见米粒的糯米汤。夯建土墙时,还要加入一些木片、竹片或是大块的山石以加固墙体。这样夯成的土楼外墙将不惧水浸,坚如磐石。传统英国工匠通常混合牛毛和石灰，以增加石灰的强度和韧性，施用于建筑物的墙面。随着长毛牛数量锐减，牛毛供不应求。女工匠葆拉森夏恩想出一个妙招：用人发替代牛毛，制成“人发石灰”抹墙（二）三合土石灰与粘土以1：24的质量比拌制成灰土，或与粘土、炉渣或砂等按1：2：3拌制成三合土，加水量应与土壤含水率相近利用粘土中活性SiO2、Al2O3与石灰中的Ca(OH)2，反应生

23、成水硬性胶凝材料，将粘土颗粒胶结起来，因而提高了粘土的强度和耐水性。主要用于基础、路面的垫层广西上思县思阳镇广元村出土了两口由石灰石、粗砂、糯米等材料混合制成的“三合土”棺椁石灰水泥土加固基层形成稳定层（三）配制无熟料水泥及其制品将具有火山灰活性的粒化高炉矿渣、粉煤灰、煤矸石等工业废渣加入一定量的石灰，共同研磨值得水硬性胶凝材料磨细石灰与砂子、粒化高炉矿渣、炉渣、粉煤灰等混合，成型养护，制成砖、砌块等（四）碳化制品将石灰与纤维状填料（如玻璃纤维）或轻骨料搅拌成型，然后用较浓的CO2气体进行人工碳化，以加速硬化而得到的一种制品。CO2浓度在30-40，碳化时间在12-24h。此外，可用于软土基加固。把生石灰灌入到柱孔内，利用石灰吸水膨胀而产生的膨胀压力，使地基加固，即石灰桩。生石灰储存要防潮，以防消化和碳化。1.在煅烧石灰石时，为什么要特别注意窑炉的通风？2.简述石灰的水化硬化过程3.石灰在水化时为什么会发生体积膨胀？思考题结束结束