第三章 气硬性胶凝材料
本章介绍气硬性胶凝材料的概念，着重介绍石灰、石膏、水玻璃的组成、特性、技术要求及在土木工程中的应用。
土木工程中，能将散粒状材料（如砂、石子等）或块状材料（如砖、石块等）粘结成为整体的材料，统称为胶凝材料。按化学成分将胶凝材料分为有机胶凝材料（如各种沥青及树脂）和无机胶凝材料。无机胶凝材料按其硬化条件的不同又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。
气硬性胶凝材料是指只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料，如石膏、石灰、水玻璃等。水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，并保持和继续发展其强度的胶凝材料，如各种水泥。
3.1 石膏
石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。它具有许多优良的建筑性能，在土木工程材料领域中得到了广泛的应用。石膏胶凝材料品种很多，建筑上使用较多的是建筑石膏，其次是高强石膏。此外，还有无水石膏水泥。
3.1.1 石膏的原料、生产及品种
1. 石膏的原料
生产石膏胶凝材料的原料主要是天然二水石膏、天然无水石膏，也可采用化工石膏。 天然二水石膏（CaSO 4·2H 2O ）又称软石膏或生石膏，是生产建筑石膏和高强石膏的主要原料。
天然无水石膏（CaSO 4）又称硬石膏，其结晶致密、质地坚硬，不能用来生产建筑石膏和高强石膏，仅用于生产硬石膏水泥及水泥调凝剂等。 化工石膏是指含有CaSO 4·2H 2O 成分的化学工业副产品。化工石膏经适当处理后可代替天然二水石膏。
2. 石膏的生产与品种
将天然二水石膏或化工石膏经加热煅烧、脱水、磨细即得石膏胶凝材料。由于加热温度和方式的不同，可以得到不同性质的石膏产品。现简述如下：
（1）建筑石膏
当常压下加热温度达到107~170℃时，二水石膏脱水变成β型半水石膏（即建筑石膏，又称熟石膏），反应式为：
11107~170 C
CaSO 4⋅2H 2O −−−−→β-CaSO 4⋅H 2O +1H 2O
22
（2）高强石膏
若在压蒸条件下（0.13MPa 、125℃）加热可产生α型半水石膏（即高强石膏）。其反应式为：
11
CaSO 4⋅2H 2O −−−−→α-CaSO 4⋅H 2O +1H 2O
22
125 C
0.13MPa
（3）可溶性硬石膏
当加热温度升高到170~200℃时，半水石膏继续脱水，生成可溶性硬石膏（CaSO 4Ⅲ），
与水调和后仍能很快硬化。当温度升高到200~250℃时，石膏中仅残留很少的水，凝结硬化非常缓慢，但遇水后还能逐渐生成半水石膏直至二水石膏。
（4）死烧石膏 当温度高于400℃时，石膏完全失去水分，成为不溶性硬石膏（CaSO 4Ⅱ），失去凝结硬化能力，成为死烧石膏。但加入某些激发剂（如各种硫酸盐、石灰、煅烧白云石、粒化高炉矿渣等）混合磨细后，则重新具有水化硬化能力，成为无水石膏水泥（或称硬石膏水泥）。无水石膏水凝可制作石膏灰浆、石膏板和其他石膏制品等。
（5）高温煅烧石膏 温度高于800℃时，部分硬石膏分解出CaO ，磨细后的产品成为高温煅烧石膏，此时CaO 起碱性激发性的作用，硬化后有较高的强度和耐水性，抗水性也较好，又称地板石膏。
3.1.2 石膏的水化和硬化
石膏与适量的水相混合，最初成为可塑的浆体，但很快失去塑性并产生强度，并发展成为坚硬的固体。这一过程可从水化和硬化两方面分别说明。 1. 石膏的水化
石膏加水后，与水发生化学反应，生成二水石膏并放出热量。反应式如下：
β-CaSO 4⋅H 2O +1H 2O →CaSO 4⋅2H 2O +15.4kJ
石膏加水后首先溶解于水，由于二水石膏在常温(20℃) 下的溶解度仅为半水石膏的溶解度的五分之一，半水石膏的饱和溶液对于二水石膏就成了过饱和溶液。所以二水石膏胶体颗粒不断从过饱和溶液中析出。二水石膏的析出，使溶液中的二水石膏含量减少，浓度下降，破坏了原有半水石膏的平衡浓度，促使一批新的半水石膏继续溶解和水化，直至半水石膏全部转化为二水石膏为止。这一过程进行地很快，大约需7~12min。 2. 石膏的凝结硬化
随着水化的进行，二水石膏胶体颗粒不断增多，它比原来半水石膏颗粒细小，即总表面积增大，可吸附更多的水分；同时石膏浆体中的水分因水化和蒸发逐渐减少，浆体逐渐变稠，颗粒间的摩擦力逐渐增大而使浆体失去流动性，可塑性也开始减小，此时称为石膏的初凝。随着水分的进一步蒸发和水化的继续进行，浆体完全失去可塑性，开始产生结构强度，则称为终凝。其后，随着水分的减少，石膏胶体凝集并逐步转变为晶体，且晶体间相互搭接、交错、连生，使浆体逐渐变硬产生强度，即为硬化。
1212
3.1.3 石膏的性质
1. 石膏的特性
（1）凝结硬化快
石膏一般在加水后30min 左右即可完全凝结，在室内自然干燥条件下，一周左右能完全硬化。为满足施工操作的要求，往往需掺加适量的缓凝剂。
（2）硬化时体积微膨胀
石灰和水泥等胶凝材料硬化时往往产生收缩，而建筑石膏却略有膨胀（膨胀率为0.05%~0.15%），这能使石膏制品表面光滑饱满、棱角清晰、干燥时不开裂，有利于制造复杂图案花形的石膏装饰制品。
（3）硬化后孔隙率较大，表观密度和强度较低
建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，加入的水量往往比水化所需的水分多。石膏凝结后，多余水分蒸发，在石膏硬化体内留下大量空隙，故其表观密度小，强度较低。
（4）隔热、吸声性良好
石膏硬化体孔隙率高，且均为微细的毛细孔，故导热系数小，具有良好的绝热能力; 石膏的大量微孔，尤其是表面微孔使声音传导或反射的能力也显著下降，从而具有较强的吸声
能力。
（5）防火性能良好 遇火时，石膏硬化后的主要成分二水石膏中的结晶水蒸发并吸收热量，制品表面形成蒸汽幕，能有效阻止火的蔓延。
（6）具有一定的调温调湿性
由于石膏制品空隙率大，当空气湿度过大时，能通过毛细孔很快地吸水，在空气干燥时又很快地向周围扩散水分，知道空气湿度达到相对平衡，起到调节室内湿度的作用。同时由于其导热系数小，热容量大，可改善室内空气，形成舒适的表面温度，这一性质和木材相近。
（7）耐水性和抗冻性差
石膏硬化体空隙率高，吸水性强，并且二水石膏微溶于水，长期浸水会使其强度显著下降，所以耐水性差。若吸水后再受冻，会因结冰而产生崩裂，故抗冻性差。 2. 石膏的技术要求
建筑石膏为白色粉状材料，密度为2.60~2.75g/cm3，堆积密度为800~1000 g/cm3。根据《建筑石膏》（GB9776-2008）规定，建筑石膏按强度、细度、凝结时间指标分为优等品、一等品和合格品三个等级（见表3-1）。
由于建筑石膏粉易吸潮，会影响其以后使用时的凝结硬化性能和强度，长期储存也会降低其强度，因此建筑石膏粉储运时必须防潮，储存时间不得过长，一般不得超过3个月。
建筑石膏产品的标记顺序为：产品名称，抗折强度值，标准号。例如，抗折强度为2.5MPa 的建筑石膏标记为：建筑石膏2.5GB9776。
3.1.4 石膏的应用
1. 制备石膏砂浆和粉刷石膏
由于石膏的优良特性，常被用于室内高级抹灰和粉刷。建筑石膏加水、砂及缓凝剂拌合成石膏砂浆，可用于室内抹灰。石膏粉刷层表面坚硬、光滑细腻、不起灰，便于进行再装饰，如粘墙纸、刷涂料等。 2. 石膏板及装饰制品
建筑石膏可与石棉、玻璃纤维、轻质填料等配制成各种石膏板材，它具有轻质、保温隔热、吸声、防火、尺寸稳定及施工方便等性能，广泛应用于高层建筑及大跨度建筑的隔墙。
建筑石膏还广泛应用于石膏角线等装饰制品。
3.2 石灰
石灰是使用较早的矿物胶凝材料之一。其原料分布广，生产工艺简单，成本低
廉，在土木工程中应用广泛。
3.2.1 石灰的生产
石灰是用石灰石、白云石、白垩、贝壳等碳酸钙含量高的原料，经900～1000℃煅烧，碳酸钙分解，释放出二氧化碳后，得的以氧化钙(CaO)为主要成分的产品，又称
生石灰。煅烧反应式如下：
~1000C
CaCO 3−900−−−→CaO +CO 2
由于石灰原料中会含有一些碳酸镁，所以石灰中也会含有一定量的MgO 。按照
JC/T497-1992《建筑生石灰》规定，按氧化镁含量的多少，建筑石灰分为钙质和镁质两类。当生石灰中的MgO≤5%的石灰称为钙质石灰，否则为镁质石灰。
在实际生产中，为加快石灰石分解，煅烧温度常提高到1000～1100℃。由于石灰石原料的尺寸大或煅烧时窑中温度分布不匀等原因，石灰中常含有欠火石灰和过火石灰。欠火石灰中的碳酸钙未完全分解，使用时缺乏粘结力。过火石灰结构密实，表面常包覆一层玻璃釉状物，熟化很慢，若在石灰浆体硬化后再发生熟化，会因熟化产生的膨胀而引起隆起和开裂。为了消除过火石灰的这种危害，石灰在熟化后，还应“陈伏”2周左右。生石灰熟化成石灰膏时，“陈伏”期间，储灰坑内的石灰膏表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。
将煅烧成的块状生石灰经过不同的加工，还可得到石灰的另外三种产品： 生石灰粉：由块状石灰磨细制成。
消石灰粉：将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为 Ca(OH)2，亦称熟石灰。
石灰膏：将块状生石灰用过量水消化，或将消石灰粉和水拌和，所得到道具有一定稠度的膏状物，主要成分为Ca(OH)2和水。
3.2.2 石灰的水化和硬化 1. 生石灰的水化
生石灰的水化是指生石灰与水反应生成氢氧化钙的过程，又称为生石灰的熟化或消化，其反应式如下：
CaO +H 2O →Ca(OH)2+64.9kJ
根据加水量的不同，石灰可熟化成熟石灰粉或石灰膏。石灰熟化的理论需水量为石灰重量的32％。在生石灰中，均匀加入60％～80％的水，可得到颗粒细小、分散均匀的消石灰粉，其主要成分是Ca(OH)2。若用过量的水(约为生石灰体积的3~4倍) 熟化块状生石灰，将得到具有一定稠度的石灰膏，其主要成分也是Ca(OH)2。石灰熟化时放出大量的热，体积增大1~2.5倍。
图3-1 熟化为石灰膏
2. 石灰浆体的硬化
石灰浆体在空气中的硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成：
（1）结晶作用
由于干燥失水，引起浆体中氢氧化钙溶液过饱和，结晶出氢氧化钙晶体，产生强度；
（2）碳化作用
在大气环境中，氢氧化钙在潮湿状态下会与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙，并释放出水分，即发生碳化。其反应式为：
Ca(OH)2+ CO 2+nH 2O →CaCO 3+(n+1)H 2O
由于碳化作用主要发生在与空气接触的表层，且生成的碳酸钙膜层较致密，阻碍了空气中二氧化碳的渗入，也阻碍了内部水分向外蒸发，因此硬化较慢。
3.2.3 石灰的性质 1. 石灰的特性
（1）可塑性和保水性好
生石灰熟化后形成的石灰浆中，石灰粒子形成氢氧化钙胶体结构，颗粒极细(粒径约为1μm)，比表面积很大(达10～30 m2/g)，其表面吸附一层较厚的水膜，降低了颗粒之间的摩擦力，具有良好的塑性。同时可吸附大量的水，因而有较强保持水分的能力，即保水性好。将它掺入水泥砂浆中，配成混合砂浆，可显著提高砂浆的可塑性及和易性。
（2）生石灰水化时水化热大，体积增大 （3）硬化缓慢
石灰浆的硬化只能在空气中进行，由于空气中 CO 2 含量少，使碳化作用进程缓慢，加之已硬化的表层对内部的硬化起阻碍作用，所以石灰浆的硬化过程较长。
（4）硬化时体积收缩大
由于石灰浆中存在大量游离水，硬化时大量水分蒸发，导致内部毛细管失水紧缩，引起显著的体积收缩变形，使硬化石灰体产生裂纹。故石灰浆体不易单独使用，通常施工时常掺入一定量的骨料（砂子）或纤维材料（麻刀、纸筋等）。
（5）硬化后强度低
生石灰消化时的理论需水量为32.13%，但为了使石灰浆具有一定的可塑性便于应用，同时考虑到一部分水因消化时水化热大而被蒸发掉，故实际消化用水量很大，多余水分在硬化后蒸发，留下大量孔隙，使硬化石灰体密实度小，强度低。
（6）耐水性差
由于石灰浆硬化慢、强度低，当受潮后，其中尚未碳化的Ca(OH)2易产生溶解，硬化石灰体与水会产生溃散，故石灰不易用于潮湿环境。 2. 石灰的技术要求
（1）建筑生石灰的技术性质
按标准JC/T479-1992规定，钙质石灰和镁质石灰根据其主要技术指标，又可分为优等品、一等品和合格品三个等级，它们的具体指标见表3-2。
（2）建筑生石灰粉的技术性质
建筑生石灰粉由块状生石灰磨细而成，按化学成分分为钙质生石灰粉和镁质生石灰粉，按标准 JC/T480-1992 ,每种生石灰粉又分为三个等级，其主要技术指标见表3-3。.
（3）建筑消石灰粉的技术性质见表3-4。
（4）在交通行业，JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》将生石灰和消石灰划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，见表3-5。
表3-2 建筑生石灰技术指标
表3-3 建筑生石灰粉技术指标
表3-4 建筑消石灰粉技术指标
石灰在土木工程中应用范围很广。 （1）建筑室内粉刷
消石灰乳由消石灰粉或消石灰浆与水调制而成。
消石灰乳大量用于建筑室内和顶棚粉刷。石灰乳是一种廉价的涂料，施工方便，在建筑中应用广泛。
（2）石灰砂浆
由石灰膏、砂和水按一定配比制成，一般用于强度要求不高、不受潮湿的砌体和抹灰层。
（3）混合砂浆
用石灰膏或消石灰粉与水泥、砂和水按一定比例可配制水泥石灰混合砂浆，用于砌筑或抹灰工程。
表3-5石灰的技术指标
（4）硅酸盐制品
以石灰(消石灰粉或生石灰粉) 与硅质材料(砂、粉煤灰、火山灰、矿渣等) 为主要原料，经过配料、拌合、成型和养护后可制得砖、砌块等各种制品。因内部的胶凝物质主要是水化硅酸钙，所以称为硅酸盐制品，常用的有灰砂砖、粉煤灰砖等。
（5）制备生石灰粉
目前，土木工程中大量采用块状生石灰磨细制成的磨细生石灰粉，可不经熟化和“陈伏”直接应用于工程或硅酸盐制品中，提高功效，节约场地，改善了环境。
主要优点如下： ①磨细生石灰细度高，表面积大，水化需水量增大，水化速度提高，水化时体积膨胀均匀。
②生石灰粉的熟化与硬化过程彼此渗透，熟化过程中所放热量加速了硬化过程。 ③过火石灰和欠烧石灰均被磨细，提高了石灰利用率和工程质量。 （6）石灰稳定土
将消石灰粉或生石灰粉掺入各种粉碎或原来松散的土中，经拌合、压实及养护后得到的混合料，称为石灰稳定土。它包括石灰土、石灰稳定砂砾土、石灰碎石土等，广泛用作建筑物的基础、地面的垫层及道路的路面基层。
将石灰粉加到土中并加水拌和后，土的性质和结构很快开始变化。根据化学分析和微观结构分析，通常认为：石灰加入土中后，发生一系列的化学反应和物埋化学反应，主要有离子交换反应、Ca(OH)2的结晶反应和碳酸化反应以及火山灰反应。这些反应的结果使粘土颗粒絮凝，生成晶体氢氧化钙、碳酸钙和含水硅铝酸钙等凝胶结构。这些胶结物逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，致使石灰稳定土的刚度不断增大，强度和水稳性不断提高。
石灰稳定土具有下列一些主要的优点： ①石灰稳定土具有较高的抗压强度和一定的抗拉强度。强度形成较好的石灰稳定土是一种整体性材料，具有较好的板体作用。石灰稳定土具有较好的水稳性和一定的冰冻稳定性。 ②多数土都可以用石灰进行稳定，石灰特别适合用来稳定不适用其他结合料稳定的塑性指数高的粘性土。但是，至少需要拌和两次，第一次拌和后需要闷放1～2d 。 ③由于石灰稳定土是一种缓凝慢硬材料，从加水拌和到完成压实的延迟时间(甚至达2～3d) 对其压实度和强度没有明显影响。因此，石灰稳定土便于施工。既可以用就地路拌法施工，又可以用集中厂拌法施工，特殊情况下，甚至可用人工拌和。 ④在缺乏优质粒料的地区，采用石灰稳定土做路面基层(高速和一级公路除外) 和底基层，
经常是比较经济的。
石灰稳定土的缺点： ①石灰稳定土的强度有一定的限制，强度的可调节范围不大，特别是它的抗拉强度较低。因此，它不适宜用做重交通高等级道路路面的基层。 ②塑性指数小的土，即使用12％以上的石灰剂量进行稳定，也达不到较高的强度。 ③石灰土基层的表层较水泥土基层和石灰粉煤灰基层的表层更容易因水浸入而软化，在路面裂缝处的冲刷唧浆现象也更严重。 ④石灰稳定土的早期强度低，在温度较低时，其强度随龄期增长缓慢。需要在第一次重冰冻到来之前，30～45d 就停止施工。因此，石灰稳定土的施工期短于水泥稳定土的施工期。这一点在实际工作中常常被忽视。 （7）石灰工业废渣稳定土
石灰工业废渣稳定土可分为石灰粉煤灰类和石灰其他废渣类。
石灰粉煤灰稳定土是用石灰和粉煤灰按一定比例与土混合后的一种无机材料。它的具体名称视所用土的不同而定，二灰与砂砾称二灰砂砾土，二灰与碎石称二灰碎石土，二灰土与细粒土称二灰土。近二十多年来，石灰、粉煤灰用作添加于天然细粒土或粘土中的稳定性材料越来越常见，特别在道路工程中的路基施工中，这主要是路基填料用量大，石灰和粉煤灰的材料来源比较广泛，而且价格低廉，施工简单，力学性能和水稳性好，成为土质改良的重要方法。我国公路部门在许多公路建设中（特别是高等级公路）都有用二灰稳定土，铁路部门在路基病害的治理方法也大量应用了改良土。特别需注意的是由于二灰土强度、密度的影响因素比较多，也比较复杂，轻则影响质量，重则导致失败。
3.3 水玻璃
水玻璃俗称“泡花碱”，是一种由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的水溶性硅酸盐材料，其化学通式为R 2O·nSiO 2. 其中，n 是氧化硅与碱金属氧化物之间的摩尔比，为水玻璃模数，一般在1.5～3.5之间。固体水玻璃是一种无色、天然色或黄绿色的颗粒，高温高压溶解后是无色或略带色的透明或半透明粘稠液体。常见的有硅酸钠水玻璃(Na2O·nSiO 2) 和硅酸钾水玻璃（K 2O·nSiO 2）等，钾水玻璃在性能上优于钠水玻璃，但其价格较高，故建筑上最常用的是钠水玻璃。
3.3.1 水玻璃的生产
生产硅酸钠水玻璃的主要原料是石英砂、纯碱或含碳酸钠的原料。 生产方法有湿法和干法两种。 1. 湿法生产
将石英砂和苛性钠液体在压蒸锅内(0.2～0.3MPa) 用蒸汽加热，并加以搅拌，使其直接反应而成液体水玻璃。 2. 干法生产
将各原料磨细，按比例配合，在熔炉内加热至1300～1400℃，熔融而成硅酸钠，冷却后即为固态水玻璃，其反应式如下：
1300~1400C
Na 2CO 3+n SiO 2−−−−−→Na 2O ⋅n SiO 2+CO 2↑
然后将固态水玻璃在水中加热溶解成无色、淡黄或青灰色透明或半透明的胶状玻璃溶
液，即为液态水玻璃。
3.3.2 水玻璃的硬化
水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形的二氧化硅凝胶（又称硅酸凝胶），凝胶脱
水变为二氧化硅而硬化。其反应式为：
Na 2O ⋅n SiO 2+CO 2+m H 2O →Na 2CO 3+n SiO 2⋅m H 2O
由于空气中二氧化碳含量极少，上述硬化过程极慢，为加速硬化，可掺入适量促硬剂，如氟硅酸钠，促使硅胶析出速度加快，从而加快水玻璃的凝结与硬化。反应式为：
2(Na2O ⋅n SiO 2) +m SiO 2+Na 2SiF 6→(2n +1)SiO 2⋅m H 2O +6NaF
氟硅酸钠的适宜掺量为12%～15%（占水玻璃质量）。用量太少，硬化速度慢，强度低，且未反应的水玻璃易溶于水，导致耐水性差；用量过多会引起凝结硬化过快，造成施工困难。氟硅酸钠有一定的毒性，操作时应注意安全。
3.3.3 水玻璃的性质
1. 粘结性能较好
水玻璃硬化后的主要成分为硅酸凝胶和固体，比表面积大，因而有良好的粘结性能。对于不同模数的水玻璃，模数越大，粘结力越大；当模数相同时，浓度越稠，粘结力越大。另外，硬化时析出的硅酸凝胶还可以堵塞毛细空隙，起到防止液体渗漏的作用。
2. 耐热性好、不燃烧
水玻璃硬化后形成的SiO 2网状框架在高温下强度不下降，用它和耐热集料配制的耐热混凝土可耐1000℃的高温而不破坏。
3. 耐酸性好
硬化后的水玻璃主要成分是SiO 2，在强氧化性酸中具有较好的化学稳定性。因此能抵抗大多数无机酸（氢氟酸除外）与有机酸的腐蚀。
4. 耐碱性与耐水性差 因SiO 2和Na 2O·nSiO 2均为酸性物质，溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。而硬化产物NaF 、Na 2CO 3等又均溶于水，因此耐水性差。
3.3.4 水玻璃的应用
1. 涂刷或浸渍材料
直接将液体水玻璃涂刷或浸渍多孔材料（天然石材、黏土砖、混凝土以及硅酸盐制品）时，能在材料表面形成SiO 2膜层，提高其抗水性及抗风华能力，又因材料密实度提高，还可提高强度和耐久性。
石膏制品表面不能涂刷水玻璃，因二者反应，在制品孔隙中生成硫酸钠结晶，体积膨胀，将制品胀裂。
2. 配制防水剂
以水玻璃为基料，加入两种、三种或四种矾可制成二矾、三矾或四矾防水剂。此类防水剂凝结迅速，一般不超过1min ，适用于与水泥浆调和，堵塞漏洞、缝隙等局部抢修。因为凝结过速，不宜用于调配防水砂浆。
3. 用于土壤加固
将模数为2.5～3的液体水玻璃和氯化钙溶液通过金属管轮流向地层压入，两种溶液发生化学反应，析出硅酸胶体将土壤颗粒包裹并填实其空隙。硅酸胶体是一种吸水膨胀的果冻状凝胶，因吸收地下水而经常处于膨胀状态，阻止水分的渗透和使土壤固结，由这种方法加固的砂土，抗压强度可达3～6MPa 。
4. 其他
水玻璃还可用于配制耐酸、耐热混凝土和砂浆等。 【工程实例分析3-1】 工程背景:
某单位四幢六层楼内外墙采用石灰砂浆粉刷，十月进行内外墙粉刷，次年四月交付业主使用。此后陆续发现内外墙粉刷层发生爆裂。至五月份阴雨天，爆裂点迅速增多，破坏范围上万平方米。爆裂源为微黄色粉粒或粉料。经了解，粉刷过程已发现石灰中有一些粗颗粒。 原因分析：
对采集的微黄色爆裂物作X 射线衍射分析，证实除含石英、长石、CaO 、Ca(OH)2、CaCO3外，还含有较多的MgO 、Mg(OH)2以及少量白云石。这说明粗颗粒中相当部分为CaO 与MgO ，这些未充分消解的CaO 和MgO 在潮湿的环境下缓慢水化，分别生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，固相体积膨胀约2倍，从而产生爆裂破坏。还需说明的是，MgO 的水化速度更慢，更易造成危害。所以石灰的陈伏时间一定要达标。避免过火石灰在已硬化的石灰砂浆中熟化，体积膨胀，产生膨胀性破坏。因工期紧，若无现成合格的石灰膏，可选用消石灰粉或生石灰粉。消石灰粉在磨细过程中，把过火石灰磨成细粉，克服了过火石灰在熟化时造成的体积安定性不良的危害。故可不必陈伏可直接使用，且生石灰熟化时放出的热可大大加快砂浆的凝结硬化，加水量亦较少，硬化后的砂浆强度亦较高。
【工程实例分析3-2】 工程背景:
某小区住户喜爱石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕板作装饰。膏装饰品使用一段时间后，客厅、卧室效果相当好，但厨房、厕所、浴室的石膏制品出现发霉变形。 原因分析:
厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，普通石膏制品具有强的吸湿性和吸水性，在潮湿的环境中，晶体间的粘结力削弱，强度下降、变形，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，可于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。掺入有机防水剂亦可改善石膏制品的耐水性。
【工程实例分析3-3】 工程背景:
某市建筑物的室内墙面装修过程中观察到，铝合金窗外表出现了有损美观的斑迹。装修中使用了以水玻璃为成膜物质的腻子作为底层涂料，施工过程往往散落到铝合金窗上。 原因分析:
铝合金制品不耐酸碱。水玻璃呈碱性。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，使铝合金表面锈蚀而形成斑迹。
练习题（3）
1、石灰的技术性质及应用。 2、石灰有哪些主要的应用？
3、石灰为什么在使用前一般要进行陈伏？过火石灰的危害有哪些？ 4、建筑石膏的化学成分是什么？
5、与石灰等胶凝材料相比，石膏具有哪些性质特点？ 6、石膏主要应用有哪些？
7、水玻璃在使用时为什么掺入一定量的氟硅酸钠（Na2SiF6）
8、何谓水玻璃的模数？水玻璃的模数和密度对凝结、硬化速度有何影响？ 9、试述水玻璃的性质及用途？
第三章 气硬性胶凝材料
本章介绍气硬性胶凝材料的概念，着重介绍石灰、石膏、水玻璃的组成、特性、技术要求及在土木工程中的应用。
土木工程中，能将散粒状材料（如砂、石子等）或块状材料（如砖、石块等）粘结成为整体的材料，统称为胶凝材料。按化学成分将胶凝材料分为有机胶凝材料（如各种沥青及树脂）和无机胶凝材料。无机胶凝材料按其硬化条件的不同又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。
气硬性胶凝材料是指只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料，如石膏、石灰、水玻璃等。水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，并保持和继续发展其强度的胶凝材料，如各种水泥。
3.1 石膏
石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。它具有许多优良的建筑性能，在土木工程材料领域中得到了广泛的应用。石膏胶凝材料品种很多，建筑上使用较多的是建筑石膏，其次是高强石膏。此外，还有无水石膏水泥。
3.1.1 石膏的原料、生产及品种
1. 石膏的原料
生产石膏胶凝材料的原料主要是天然二水石膏、天然无水石膏，也可采用化工石膏。 天然二水石膏（CaSO 4·2H 2O ）又称软石膏或生石膏，是生产建筑石膏和高强石膏的主要原料。
天然无水石膏（CaSO 4）又称硬石膏，其结晶致密、质地坚硬，不能用来生产建筑石膏和高强石膏，仅用于生产硬石膏水泥及水泥调凝剂等。 化工石膏是指含有CaSO 4·2H 2O 成分的化学工业副产品。化工石膏经适当处理后可代替天然二水石膏。
2. 石膏的生产与品种
将天然二水石膏或化工石膏经加热煅烧、脱水、磨细即得石膏胶凝材料。由于加热温度和方式的不同，可以得到不同性质的石膏产品。现简述如下：
（1）建筑石膏
当常压下加热温度达到107~170℃时，二水石膏脱水变成β型半水石膏（即建筑石膏，又称熟石膏），反应式为：
11107~170 C
CaSO 4⋅2H 2O −−−−→β-CaSO 4⋅H 2O +1H 2O
22
（2）高强石膏
若在压蒸条件下（0.13MPa 、125℃）加热可产生α型半水石膏（即高强石膏）。其反应式为：
11
CaSO 4⋅2H 2O −−−−→α-CaSO 4⋅H 2O +1H 2O
22
125 C
0.13MPa
（3）可溶性硬石膏
当加热温度升高到170~200℃时，半水石膏继续脱水，生成可溶性硬石膏（CaSO 4Ⅲ），
与水调和后仍能很快硬化。当温度升高到200~250℃时，石膏中仅残留很少的水，凝结硬化非常缓慢，但遇水后还能逐渐生成半水石膏直至二水石膏。
（4）死烧石膏 当温度高于400℃时，石膏完全失去水分，成为不溶性硬石膏（CaSO 4Ⅱ），失去凝结硬化能力，成为死烧石膏。但加入某些激发剂（如各种硫酸盐、石灰、煅烧白云石、粒化高炉矿渣等）混合磨细后，则重新具有水化硬化能力，成为无水石膏水泥（或称硬石膏水泥）。无水石膏水凝可制作石膏灰浆、石膏板和其他石膏制品等。
（5）高温煅烧石膏 温度高于800℃时，部分硬石膏分解出CaO ，磨细后的产品成为高温煅烧石膏，此时CaO 起碱性激发性的作用，硬化后有较高的强度和耐水性，抗水性也较好，又称地板石膏。
3.1.2 石膏的水化和硬化
石膏与适量的水相混合，最初成为可塑的浆体，但很快失去塑性并产生强度，并发展成为坚硬的固体。这一过程可从水化和硬化两方面分别说明。 1. 石膏的水化
石膏加水后，与水发生化学反应，生成二水石膏并放出热量。反应式如下：
β-CaSO 4⋅H 2O +1H 2O →CaSO 4⋅2H 2O +15.4kJ
石膏加水后首先溶解于水，由于二水石膏在常温(20℃) 下的溶解度仅为半水石膏的溶解度的五分之一，半水石膏的饱和溶液对于二水石膏就成了过饱和溶液。所以二水石膏胶体颗粒不断从过饱和溶液中析出。二水石膏的析出，使溶液中的二水石膏含量减少，浓度下降，破坏了原有半水石膏的平衡浓度，促使一批新的半水石膏继续溶解和水化，直至半水石膏全部转化为二水石膏为止。这一过程进行地很快，大约需7~12min。 2. 石膏的凝结硬化
随着水化的进行，二水石膏胶体颗粒不断增多，它比原来半水石膏颗粒细小，即总表面积增大，可吸附更多的水分；同时石膏浆体中的水分因水化和蒸发逐渐减少，浆体逐渐变稠，颗粒间的摩擦力逐渐增大而使浆体失去流动性，可塑性也开始减小，此时称为石膏的初凝。随着水分的进一步蒸发和水化的继续进行，浆体完全失去可塑性，开始产生结构强度，则称为终凝。其后，随着水分的减少，石膏胶体凝集并逐步转变为晶体，且晶体间相互搭接、交错、连生，使浆体逐渐变硬产生强度，即为硬化。
1212
3.1.3 石膏的性质
1. 石膏的特性
（1）凝结硬化快
石膏一般在加水后30min 左右即可完全凝结，在室内自然干燥条件下，一周左右能完全硬化。为满足施工操作的要求，往往需掺加适量的缓凝剂。
（2）硬化时体积微膨胀
石灰和水泥等胶凝材料硬化时往往产生收缩，而建筑石膏却略有膨胀（膨胀率为0.05%~0.15%），这能使石膏制品表面光滑饱满、棱角清晰、干燥时不开裂，有利于制造复杂图案花形的石膏装饰制品。
（3）硬化后孔隙率较大，表观密度和强度较低
建筑石膏在使用时，为获得良好的流动性，加入的水量往往比水化所需的水分多。石膏凝结后，多余水分蒸发，在石膏硬化体内留下大量空隙，故其表观密度小，强度较低。
（4）隔热、吸声性良好
石膏硬化体孔隙率高，且均为微细的毛细孔，故导热系数小，具有良好的绝热能力; 石膏的大量微孔，尤其是表面微孔使声音传导或反射的能力也显著下降，从而具有较强的吸声
能力。
（5）防火性能良好 遇火时，石膏硬化后的主要成分二水石膏中的结晶水蒸发并吸收热量，制品表面形成蒸汽幕，能有效阻止火的蔓延。
（6）具有一定的调温调湿性
由于石膏制品空隙率大，当空气湿度过大时，能通过毛细孔很快地吸水，在空气干燥时又很快地向周围扩散水分，知道空气湿度达到相对平衡，起到调节室内湿度的作用。同时由于其导热系数小，热容量大，可改善室内空气，形成舒适的表面温度，这一性质和木材相近。
（7）耐水性和抗冻性差
石膏硬化体空隙率高，吸水性强，并且二水石膏微溶于水，长期浸水会使其强度显著下降，所以耐水性差。若吸水后再受冻，会因结冰而产生崩裂，故抗冻性差。 2. 石膏的技术要求
建筑石膏为白色粉状材料，密度为2.60~2.75g/cm3，堆积密度为800~1000 g/cm3。根据《建筑石膏》（GB9776-2008）规定，建筑石膏按强度、细度、凝结时间指标分为优等品、一等品和合格品三个等级（见表3-1）。
由于建筑石膏粉易吸潮，会影响其以后使用时的凝结硬化性能和强度，长期储存也会降低其强度，因此建筑石膏粉储运时必须防潮，储存时间不得过长，一般不得超过3个月。
建筑石膏产品的标记顺序为：产品名称，抗折强度值，标准号。例如，抗折强度为2.5MPa 的建筑石膏标记为：建筑石膏2.5GB9776。
3.1.4 石膏的应用
1. 制备石膏砂浆和粉刷石膏
由于石膏的优良特性，常被用于室内高级抹灰和粉刷。建筑石膏加水、砂及缓凝剂拌合成石膏砂浆，可用于室内抹灰。石膏粉刷层表面坚硬、光滑细腻、不起灰，便于进行再装饰，如粘墙纸、刷涂料等。 2. 石膏板及装饰制品
建筑石膏可与石棉、玻璃纤维、轻质填料等配制成各种石膏板材，它具有轻质、保温隔热、吸声、防火、尺寸稳定及施工方便等性能，广泛应用于高层建筑及大跨度建筑的隔墙。
建筑石膏还广泛应用于石膏角线等装饰制品。
3.2 石灰
石灰是使用较早的矿物胶凝材料之一。其原料分布广，生产工艺简单，成本低
廉，在土木工程中应用广泛。
3.2.1 石灰的生产
石灰是用石灰石、白云石、白垩、贝壳等碳酸钙含量高的原料，经900～1000℃煅烧，碳酸钙分解，释放出二氧化碳后，得的以氧化钙(CaO)为主要成分的产品，又称
生石灰。煅烧反应式如下：
~1000C
CaCO 3−900−−−→CaO +CO 2
由于石灰原料中会含有一些碳酸镁，所以石灰中也会含有一定量的MgO 。按照
JC/T497-1992《建筑生石灰》规定，按氧化镁含量的多少，建筑石灰分为钙质和镁质两类。当生石灰中的MgO≤5%的石灰称为钙质石灰，否则为镁质石灰。
在实际生产中，为加快石灰石分解，煅烧温度常提高到1000～1100℃。由于石灰石原料的尺寸大或煅烧时窑中温度分布不匀等原因，石灰中常含有欠火石灰和过火石灰。欠火石灰中的碳酸钙未完全分解，使用时缺乏粘结力。过火石灰结构密实，表面常包覆一层玻璃釉状物，熟化很慢，若在石灰浆体硬化后再发生熟化，会因熟化产生的膨胀而引起隆起和开裂。为了消除过火石灰的这种危害，石灰在熟化后，还应“陈伏”2周左右。生石灰熟化成石灰膏时，“陈伏”期间，储灰坑内的石灰膏表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。
将煅烧成的块状生石灰经过不同的加工，还可得到石灰的另外三种产品： 生石灰粉：由块状石灰磨细制成。
消石灰粉：将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为 Ca(OH)2，亦称熟石灰。
石灰膏：将块状生石灰用过量水消化，或将消石灰粉和水拌和，所得到道具有一定稠度的膏状物，主要成分为Ca(OH)2和水。
3.2.2 石灰的水化和硬化 1. 生石灰的水化
生石灰的水化是指生石灰与水反应生成氢氧化钙的过程，又称为生石灰的熟化或消化，其反应式如下：
CaO +H 2O →Ca(OH)2+64.9kJ
根据加水量的不同，石灰可熟化成熟石灰粉或石灰膏。石灰熟化的理论需水量为石灰重量的32％。在生石灰中，均匀加入60％～80％的水，可得到颗粒细小、分散均匀的消石灰粉，其主要成分是Ca(OH)2。若用过量的水(约为生石灰体积的3~4倍) 熟化块状生石灰，将得到具有一定稠度的石灰膏，其主要成分也是Ca(OH)2。石灰熟化时放出大量的热，体积增大1~2.5倍。
图3-1 熟化为石灰膏
2. 石灰浆体的硬化
石灰浆体在空气中的硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成：
（1）结晶作用
由于干燥失水，引起浆体中氢氧化钙溶液过饱和，结晶出氢氧化钙晶体，产生强度；
（2）碳化作用
在大气环境中，氢氧化钙在潮湿状态下会与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙，并释放出水分，即发生碳化。其反应式为：
Ca(OH)2+ CO 2+nH 2O →CaCO 3+(n+1)H 2O
由于碳化作用主要发生在与空气接触的表层，且生成的碳酸钙膜层较致密，阻碍了空气中二氧化碳的渗入，也阻碍了内部水分向外蒸发，因此硬化较慢。
3.2.3 石灰的性质 1. 石灰的特性
（1）可塑性和保水性好
生石灰熟化后形成的石灰浆中，石灰粒子形成氢氧化钙胶体结构，颗粒极细(粒径约为1μm)，比表面积很大(达10～30 m2/g)，其表面吸附一层较厚的水膜，降低了颗粒之间的摩擦力，具有良好的塑性。同时可吸附大量的水，因而有较强保持水分的能力，即保水性好。将它掺入水泥砂浆中，配成混合砂浆，可显著提高砂浆的可塑性及和易性。
（2）生石灰水化时水化热大，体积增大 （3）硬化缓慢
石灰浆的硬化只能在空气中进行，由于空气中 CO 2 含量少，使碳化作用进程缓慢，加之已硬化的表层对内部的硬化起阻碍作用，所以石灰浆的硬化过程较长。
（4）硬化时体积收缩大
由于石灰浆中存在大量游离水，硬化时大量水分蒸发，导致内部毛细管失水紧缩，引起显著的体积收缩变形，使硬化石灰体产生裂纹。故石灰浆体不易单独使用，通常施工时常掺入一定量的骨料（砂子）或纤维材料（麻刀、纸筋等）。
（5）硬化后强度低
生石灰消化时的理论需水量为32.13%，但为了使石灰浆具有一定的可塑性便于应用，同时考虑到一部分水因消化时水化热大而被蒸发掉，故实际消化用水量很大，多余水分在硬化后蒸发，留下大量孔隙，使硬化石灰体密实度小，强度低。
（6）耐水性差
由于石灰浆硬化慢、强度低，当受潮后，其中尚未碳化的Ca(OH)2易产生溶解，硬化石灰体与水会产生溃散，故石灰不易用于潮湿环境。 2. 石灰的技术要求
（1）建筑生石灰的技术性质
按标准JC/T479-1992规定，钙质石灰和镁质石灰根据其主要技术指标，又可分为优等品、一等品和合格品三个等级，它们的具体指标见表3-2。
（2）建筑生石灰粉的技术性质
建筑生石灰粉由块状生石灰磨细而成，按化学成分分为钙质生石灰粉和镁质生石灰粉，按标准 JC/T480-1992 ,每种生石灰粉又分为三个等级，其主要技术指标见表3-3。.
（3）建筑消石灰粉的技术性质见表3-4。
（4）在交通行业，JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》将生石灰和消石灰划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，见表3-5。
表3-2 建筑生石灰技术指标
表3-3 建筑生石灰粉技术指标
表3-4 建筑消石灰粉技术指标
石灰在土木工程中应用范围很广。 （1）建筑室内粉刷
消石灰乳由消石灰粉或消石灰浆与水调制而成。
消石灰乳大量用于建筑室内和顶棚粉刷。石灰乳是一种廉价的涂料，施工方便，在建筑中应用广泛。
（2）石灰砂浆
由石灰膏、砂和水按一定配比制成，一般用于强度要求不高、不受潮湿的砌体和抹灰层。
（3）混合砂浆
用石灰膏或消石灰粉与水泥、砂和水按一定比例可配制水泥石灰混合砂浆，用于砌筑或抹灰工程。
表3-5石灰的技术指标
（4）硅酸盐制品
以石灰(消石灰粉或生石灰粉) 与硅质材料(砂、粉煤灰、火山灰、矿渣等) 为主要原料，经过配料、拌合、成型和养护后可制得砖、砌块等各种制品。因内部的胶凝物质主要是水化硅酸钙，所以称为硅酸盐制品，常用的有灰砂砖、粉煤灰砖等。
（5）制备生石灰粉
目前，土木工程中大量采用块状生石灰磨细制成的磨细生石灰粉，可不经熟化和“陈伏”直接应用于工程或硅酸盐制品中，提高功效，节约场地，改善了环境。
主要优点如下： ①磨细生石灰细度高，表面积大，水化需水量增大，水化速度提高，水化时体积膨胀均匀。
②生石灰粉的熟化与硬化过程彼此渗透，熟化过程中所放热量加速了硬化过程。 ③过火石灰和欠烧石灰均被磨细，提高了石灰利用率和工程质量。 （6）石灰稳定土
将消石灰粉或生石灰粉掺入各种粉碎或原来松散的土中，经拌合、压实及养护后得到的混合料，称为石灰稳定土。它包括石灰土、石灰稳定砂砾土、石灰碎石土等，广泛用作建筑物的基础、地面的垫层及道路的路面基层。
将石灰粉加到土中并加水拌和后，土的性质和结构很快开始变化。根据化学分析和微观结构分析，通常认为：石灰加入土中后，发生一系列的化学反应和物埋化学反应，主要有离子交换反应、Ca(OH)2的结晶反应和碳酸化反应以及火山灰反应。这些反应的结果使粘土颗粒絮凝，生成晶体氢氧化钙、碳酸钙和含水硅铝酸钙等凝胶结构。这些胶结物逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，致使石灰稳定土的刚度不断增大，强度和水稳性不断提高。
石灰稳定土具有下列一些主要的优点： ①石灰稳定土具有较高的抗压强度和一定的抗拉强度。强度形成较好的石灰稳定土是一种整体性材料，具有较好的板体作用。石灰稳定土具有较好的水稳性和一定的冰冻稳定性。 ②多数土都可以用石灰进行稳定，石灰特别适合用来稳定不适用其他结合料稳定的塑性指数高的粘性土。但是，至少需要拌和两次，第一次拌和后需要闷放1～2d 。 ③由于石灰稳定土是一种缓凝慢硬材料，从加水拌和到完成压实的延迟时间(甚至达2～3d) 对其压实度和强度没有明显影响。因此，石灰稳定土便于施工。既可以用就地路拌法施工，又可以用集中厂拌法施工，特殊情况下，甚至可用人工拌和。 ④在缺乏优质粒料的地区，采用石灰稳定土做路面基层(高速和一级公路除外) 和底基层，
经常是比较经济的。
石灰稳定土的缺点： ①石灰稳定土的强度有一定的限制，强度的可调节范围不大，特别是它的抗拉强度较低。因此，它不适宜用做重交通高等级道路路面的基层。 ②塑性指数小的土，即使用12％以上的石灰剂量进行稳定，也达不到较高的强度。 ③石灰土基层的表层较水泥土基层和石灰粉煤灰基层的表层更容易因水浸入而软化，在路面裂缝处的冲刷唧浆现象也更严重。 ④石灰稳定土的早期强度低，在温度较低时，其强度随龄期增长缓慢。需要在第一次重冰冻到来之前，30～45d 就停止施工。因此，石灰稳定土的施工期短于水泥稳定土的施工期。这一点在实际工作中常常被忽视。 （7）石灰工业废渣稳定土
石灰工业废渣稳定土可分为石灰粉煤灰类和石灰其他废渣类。
石灰粉煤灰稳定土是用石灰和粉煤灰按一定比例与土混合后的一种无机材料。它的具体名称视所用土的不同而定，二灰与砂砾称二灰砂砾土，二灰与碎石称二灰碎石土，二灰土与细粒土称二灰土。近二十多年来，石灰、粉煤灰用作添加于天然细粒土或粘土中的稳定性材料越来越常见，特别在道路工程中的路基施工中，这主要是路基填料用量大，石灰和粉煤灰的材料来源比较广泛，而且价格低廉，施工简单，力学性能和水稳性好，成为土质改良的重要方法。我国公路部门在许多公路建设中（特别是高等级公路）都有用二灰稳定土，铁路部门在路基病害的治理方法也大量应用了改良土。特别需注意的是由于二灰土强度、密度的影响因素比较多，也比较复杂，轻则影响质量，重则导致失败。
3.3 水玻璃
水玻璃俗称“泡花碱”，是一种由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的水溶性硅酸盐材料，其化学通式为R 2O·nSiO 2. 其中，n 是氧化硅与碱金属氧化物之间的摩尔比，为水玻璃模数，一般在1.5～3.5之间。固体水玻璃是一种无色、天然色或黄绿色的颗粒，高温高压溶解后是无色或略带色的透明或半透明粘稠液体。常见的有硅酸钠水玻璃(Na2O·nSiO 2) 和硅酸钾水玻璃（K 2O·nSiO 2）等，钾水玻璃在性能上优于钠水玻璃，但其价格较高，故建筑上最常用的是钠水玻璃。
3.3.1 水玻璃的生产
生产硅酸钠水玻璃的主要原料是石英砂、纯碱或含碳酸钠的原料。 生产方法有湿法和干法两种。 1. 湿法生产
将石英砂和苛性钠液体在压蒸锅内(0.2～0.3MPa) 用蒸汽加热，并加以搅拌，使其直接反应而成液体水玻璃。 2. 干法生产
将各原料磨细，按比例配合，在熔炉内加热至1300～1400℃，熔融而成硅酸钠，冷却后即为固态水玻璃，其反应式如下：
1300~1400C
Na 2CO 3+n SiO 2−−−−−→Na 2O ⋅n SiO 2+CO 2↑
然后将固态水玻璃在水中加热溶解成无色、淡黄或青灰色透明或半透明的胶状玻璃溶
液，即为液态水玻璃。
3.3.2 水玻璃的硬化
水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形的二氧化硅凝胶（又称硅酸凝胶），凝胶脱
水变为二氧化硅而硬化。其反应式为：
Na 2O ⋅n SiO 2+CO 2+m H 2O →Na 2CO 3+n SiO 2⋅m H 2O
由于空气中二氧化碳含量极少，上述硬化过程极慢，为加速硬化，可掺入适量促硬剂，如氟硅酸钠，促使硅胶析出速度加快，从而加快水玻璃的凝结与硬化。反应式为：
2(Na2O ⋅n SiO 2) +m SiO 2+Na 2SiF 6→(2n +1)SiO 2⋅m H 2O +6NaF
氟硅酸钠的适宜掺量为12%～15%（占水玻璃质量）。用量太少，硬化速度慢，强度低，且未反应的水玻璃易溶于水，导致耐水性差；用量过多会引起凝结硬化过快，造成施工困难。氟硅酸钠有一定的毒性，操作时应注意安全。
3.3.3 水玻璃的性质
1. 粘结性能较好
水玻璃硬化后的主要成分为硅酸凝胶和固体，比表面积大，因而有良好的粘结性能。对于不同模数的水玻璃，模数越大，粘结力越大；当模数相同时，浓度越稠，粘结力越大。另外，硬化时析出的硅酸凝胶还可以堵塞毛细空隙，起到防止液体渗漏的作用。
2. 耐热性好、不燃烧
水玻璃硬化后形成的SiO 2网状框架在高温下强度不下降，用它和耐热集料配制的耐热混凝土可耐1000℃的高温而不破坏。
3. 耐酸性好
硬化后的水玻璃主要成分是SiO 2，在强氧化性酸中具有较好的化学稳定性。因此能抵抗大多数无机酸（氢氟酸除外）与有机酸的腐蚀。
4. 耐碱性与耐水性差 因SiO 2和Na 2O·nSiO 2均为酸性物质，溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。而硬化产物NaF 、Na 2CO 3等又均溶于水，因此耐水性差。
3.3.4 水玻璃的应用
1. 涂刷或浸渍材料
直接将液体水玻璃涂刷或浸渍多孔材料（天然石材、黏土砖、混凝土以及硅酸盐制品）时，能在材料表面形成SiO 2膜层，提高其抗水性及抗风华能力，又因材料密实度提高，还可提高强度和耐久性。
石膏制品表面不能涂刷水玻璃，因二者反应，在制品孔隙中生成硫酸钠结晶，体积膨胀，将制品胀裂。
2. 配制防水剂
以水玻璃为基料，加入两种、三种或四种矾可制成二矾、三矾或四矾防水剂。此类防水剂凝结迅速，一般不超过1min ，适用于与水泥浆调和，堵塞漏洞、缝隙等局部抢修。因为凝结过速，不宜用于调配防水砂浆。
3. 用于土壤加固
将模数为2.5～3的液体水玻璃和氯化钙溶液通过金属管轮流向地层压入，两种溶液发生化学反应，析出硅酸胶体将土壤颗粒包裹并填实其空隙。硅酸胶体是一种吸水膨胀的果冻状凝胶，因吸收地下水而经常处于膨胀状态，阻止水分的渗透和使土壤固结，由这种方法加固的砂土，抗压强度可达3～6MPa 。
4. 其他
水玻璃还可用于配制耐酸、耐热混凝土和砂浆等。 【工程实例分析3-1】 工程背景:
某单位四幢六层楼内外墙采用石灰砂浆粉刷，十月进行内外墙粉刷，次年四月交付业主使用。此后陆续发现内外墙粉刷层发生爆裂。至五月份阴雨天，爆裂点迅速增多，破坏范围上万平方米。爆裂源为微黄色粉粒或粉料。经了解，粉刷过程已发现石灰中有一些粗颗粒。 原因分析：
对采集的微黄色爆裂物作X 射线衍射分析，证实除含石英、长石、CaO 、Ca(OH)2、CaCO3外，还含有较多的MgO 、Mg(OH)2以及少量白云石。这说明粗颗粒中相当部分为CaO 与MgO ，这些未充分消解的CaO 和MgO 在潮湿的环境下缓慢水化，分别生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，固相体积膨胀约2倍，从而产生爆裂破坏。还需说明的是，MgO 的水化速度更慢，更易造成危害。所以石灰的陈伏时间一定要达标。避免过火石灰在已硬化的石灰砂浆中熟化，体积膨胀，产生膨胀性破坏。因工期紧，若无现成合格的石灰膏，可选用消石灰粉或生石灰粉。消石灰粉在磨细过程中，把过火石灰磨成细粉，克服了过火石灰在熟化时造成的体积安定性不良的危害。故可不必陈伏可直接使用，且生石灰熟化时放出的热可大大加快砂浆的凝结硬化，加水量亦较少，硬化后的砂浆强度亦较高。
【工程实例分析3-2】 工程背景:
某小区住户喜爱石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕板作装饰。膏装饰品使用一段时间后，客厅、卧室效果相当好，但厨房、厕所、浴室的石膏制品出现发霉变形。 原因分析:
厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，普通石膏制品具有强的吸湿性和吸水性，在潮湿的环境中，晶体间的粘结力削弱，强度下降、变形，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，可于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。掺入有机防水剂亦可改善石膏制品的耐水性。
【工程实例分析3-3】 工程背景:
某市建筑物的室内墙面装修过程中观察到，铝合金窗外表出现了有损美观的斑迹。装修中使用了以水玻璃为成膜物质的腻子作为底层涂料，施工过程往往散落到铝合金窗上。 原因分析:
铝合金制品不耐酸碱。水玻璃呈碱性。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，使铝合金表面锈蚀而形成斑迹。
练习题（3）
1、石灰的技术性质及应用。 2、石灰有哪些主要的应用？
3、石灰为什么在使用前一般要进行陈伏？过火石灰的危害有哪些？ 4、建筑石膏的化学成分是什么？
5、与石灰等胶凝材料相比，石膏具有哪些性质特点？ 6、石膏主要应用有哪些？
7、水玻璃在使用时为什么掺入一定量的氟硅酸钠（Na2SiF6）
8、何谓水玻璃的模数？水玻璃的模数和密度对凝结、硬化速度有何影响？ 9、试述水玻璃的性质及用途？