淺析建筑材料石灰的性能及應用

張冬梅

（長江工程職業技術學院， 湖北 武漢 430212）

1 石灰的原料和生產

1.1 石灰的原料

“千錘萬鑿出深山，烈火焚燒若等閑；粉身碎骨渾不怕，要留清白在人間。”這里引用明代詩人于謙的一首詩。從古詩“千錘萬鑿出深山”這句話中可以看出，生產石灰的原料就是山里其化學成分主要是碳酸鈣的天然巖石。

1.2 石灰的生產

從詩中“烈火焚燒若等閑”這句話中可以看出石灰的生產過程，是將天然巖石從深山里開采出來，經破碎，然后放到窯里高溫煅燒，經過煅燒之后，碳酸鈣發生分解，產生了氧化鈣和二氧化碳氣體。原料經高溫煅燒而得的白色或灰白色的塊狀材料就是石灰，我們稱它為生石灰，它的主要成分是氧化鈣，其化學反應式為：

在生產石灰的時候，為了加速分解，一般把煅燒溫度提高到1000～1100℃，煅燒時溫度的高低及時間的長短對石灰質量有很大的影響。所以在生產的時候因為溫度及時間控制問題，生產出來的石灰可能會出現欠火石灰、正火石灰和過火石灰三種。

1.2.1 欠火石灰

在煅燒的過程中，溫度控制時，溫度如果過低，達不到分解溫度或者煅燒時間過短，碳酸鈣是不能夠完全分解的，這種情況生產出來的石灰就是欠火石灰，原因就是石灰石表面的溫度達到分解溫度，它就發生了分解，變成了氧化鈣，但由于石灰石里面有地方達不到分解溫度，所以它里面仍然是以碳酸鈣為主，這樣的石灰顆粒就稱為欠火石灰，它的結構外面是氧化鈣，里面是碳酸鈣，這種主要是由于煅燒溫度過低或時間過短，碳酸鈣沒有完全分解造成的，特點是石灰石未充分利用，石灰產量低，粘結力差[1]。

1.2.2 正火石灰

這種情況是石灰石中的碳酸鈣剛好完全分解，結構主要以氧化鈣為主，這種石灰煅燒良好，質量輕并且顏色均勻，呈白色或灰白色，性能優良。

1.2.3 過火石灰

如果煅燒溫度過高或時間過長，產品中就會出現第三種石灰，就是過火石灰。過火石灰的特點是外殼較硬，結構緊密，顏色深，重量大，熟化慢。生產出這種石灰的原因是石灰石外面和里面都達到了分解溫度，碳酸鈣都能發生分解，變成氧化鈣。但是煅燒溫度過高以后，在石灰石表面的粘土或者是熔點比較低的其他物質，在高溫下會發生熔融，所以，在石灰顆粒的外面，就會有一層熔融物包裹著石灰顆粒。這個熔融物比較硬，導致后期熟化的時候水往里滲透會有較大阻力，滲透速度慢，與水反應的速度就慢，當正火石灰熟化的時候，過火石灰還沒有充分熟化，這樣就會使它后期在使用的過程中有一定的危害，它的危害主要體現在石灰在硬化過程中會產生隆起、開裂、脫落，所以過火石灰是有危害性的，在使用的時候要多加注意。對于過火石灰，在工程上使用的時候，要事先處理，處理完以后才能應用到工程當中，下面來看石灰的熟化和硬化，以及對過火石灰怎么處理。

2 石灰的熟化和硬化

2.1 石灰的熟化

石灰的熟化，顧名思義，就是指生石灰與水發生化學反應生成熟石灰的過程，又稱消化或消解。熟石灰的主要成分為氫氧化鈣，其化學反應式為：

氫氧化鈣俗稱為熟石灰，又稱消石灰。這個化學反應有兩大特點：一是石灰在熟化過程中放出大量的熱，二是體積增大，這也是和其他材料不同的地方[2]。

在熟化的時候，過火石灰因為溫度過高或時間過長，表面會有一層結構致密的熔融物，所以和水反應的速度慢，熟化需要較長時間，當石灰用在工程上已經硬化后，過火石灰仍會吸收空氣中的水分繼續熟化，導致成型的結構體積膨脹，引起結構表面產生隆起和開裂。為了消除過火石灰的這種危害，要把石灰漿在儲灰坑中“陳伏”兩周以上，陳伏就是指石灰漿在儲灰坑里長時間保存的意思。放置兩周以上是為了通過充分浸泡，把較硬的外殼泡軟，保證水能進入到石灰的內部，使過火石灰顆粒和水發生反應充分熟化，把過火石灰的危害消滅在使用之前。要注意的是，“陳伏”過程當中，石灰漿表面應保證有一層水分，目的是與空氣隔絕，以防止石灰會碳化。

石灰加水以后開始是塑性漿體，那么它是怎樣凝結硬化，并慢慢產生強度的呢？下面分析石灰的硬化。

2.2 石灰的硬化

2.2.1 結晶過程

在石灰熟化的時候，為了使氧化鈣和水能充分的反應，使石灰漿體有良好的可塑性，所以加的水較多，但隨著時間變化，石灰漿體中的水分在空氣中一部分被蒸發，一部分被石灰坑里面的砌體吸收，一部分被反應掉，水分越來越少，石灰漿體越來越稠，固體顆粒之間相互靠攏，氫氧化鈣結晶析出，強度逐漸產生。

2.2.2 碳化過程

氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳作用生成碳酸鈣，并釋放出水分，稱為碳化。其化學反應式如下：

此時，生成的碳酸鈣和氫氧化鈣在石灰漿體中交叉共生，構成緊密的結晶網，強度進一步提高。從化學式可以看出，反應需要二氧化碳，所以碳化作用主要發生在與空氣接觸的表面，當石灰漿體表面生成一層碳酸鈣薄膜后，這層薄膜較硬，有一定強度，它會覆蓋在工程結構體的表面，使空氣中的二氧化碳氣體不好向里滲透，導致碳化速度減慢；同時因為漿體表面有一層較硬的碳酸鈣薄膜，里面的水分也不好蒸發出來，因此，石灰漿的硬化是一個較緩慢的過程。從化學反應式也可以看出，石灰的硬化需要與空氣接觸，它只能在空氣中凝結硬化，保持并發展強度，所以說石灰屬于氣硬性膠凝材料，它只能在干燥環境的工程中使用。

由以上可知，石灰的硬化是兩個過程，一是干燥結晶，二是碳化，這兩個過程交叉進行。那么石灰這種材料有哪些性能呢？在工程上都應用在哪些方面呢？性能決定應用，只有了解石灰的性能，才能合理應用，下面來看看石灰的性能及應用。

3 石灰的性能及應用

3.1 石灰的性能

3.1.1 凝結硬化慢，強度低

凝結硬化慢的原因是因為空氣中的二氧化碳濃度低，且漿體表面生成一層碳酸鈣薄膜后，阻止了二氧化碳向內部滲透，同時也妨礙了內部水分向外蒸發，故凝結硬化慢。經試驗測定，硬化后的石灰強度較低，石灰和砂用1：3的比例配制成的石灰砂漿，28天的抗壓強度僅有0.2～0.5Mpa，特別是受潮以后，石灰容易變軟潰散，故工程中石灰不宜用于承重結構和潮濕環境[3]。

3.1.2 硬化時體積收縮大

在拌制石灰的時候，為了保證它的施工和易性，水加的很多，石灰漿在硬化過程中，水分蒸發，體積產生收縮而開裂，所以石灰這種材料一般不單獨使用。為防止或減少收縮，避免建筑物產生裂縫，常在石灰中摻入砂、紙筋、麻刀、無機纖維等材料來提高抗拉強度，抵抗因為收縮引起的開裂，同時也節約了石灰。

3.1.3 耐水性差

由于氫氧化鈣易溶于水，遇潮濕和水后石灰強度會下降或完全喪失，使耐水性差。耐水性差是氣硬性膠凝材料的一個共性，氣硬性膠凝材料都具有這樣一個特點，所以石灰不能使用在潮濕的環境或水中的建筑物中，因為在這些環境下，它的強度會有較大降低，它的軟化系數很小，甚至是接近零的。

3.1.4 可塑性和保水性好

石灰熟化后的主要成分氫氧化鈣顆粒很細，比表面積較大，表面能吸附一層較厚的水膜，水膜可降低顆粒之間的摩擦力，有一定的潤滑作用，使石灰拌制的拌和物均勻，其可塑性好，保持水分的能力強，容易攤鋪成均勻細致的薄層，利用這個性能可配制混合砂漿，能夠使砂漿的施工性能得到明顯改善。

3.1.5 可與活性SiO2反應，生成具有水硬性的膠凝物質

這個性能在工程上是應用較多的，石灰本身是氣硬性的膠凝材料，與活性SiO2反應之后，由氣硬性轉變為水硬性的，性質發生了變化，這是一個非常好的性能，并利用這個性能將石灰制品應用到工程上，使石灰的應用范圍更廣，灰土和三合土就是典型的例子。

3.2 石灰的應用

從前面古詩后兩句“粉身碎骨渾不怕，要留清白在人間”中可以看出石灰的功用，當然，石灰的功用也并不僅僅以清白留在人間，它可應用于很多方面，下面主要談談石灰在土木工程中的用途[4]。

3.2.1 配制灰土和三合土

灰土，由石灰和粘土按一定比例配合制成。三合土，是由三種材料制成，石灰、粘土再加入砂可制成三合土，可用于建筑物的基礎和道路工程的墊層。那么，石灰是氣硬性的膠凝材料，為什么可以用于地下潮濕環境呢？原理就是石灰中的氫氧化鈣可與粘土中的三氧化二鋁和二氧化硅反應生成水硬性產物，從本質上發生了變化。在分層夯實的情況下，三合土和灰土的密實程度增加，提高了結構的強度和密實度，也提高了耐水性，這就是三合土和灰土可用于地下的原因，三合土和灰土資源豐富，可就地取材，施工工藝簡單，成本低廉，在土木工程中常用。

3.2.2 配制混合砂漿、石灰砂漿和石灰乳涂料等

混合砂漿是由石灰、水泥、砂和水按一定比例拌和制成，石灰砂漿是由石灰、砂和水按一定比例拌和制成，兩者的區別是前者中膠凝材料不僅有石灰，還有水泥；后者的膠凝材料只有石灰。因為石灰是氣硬性的膠凝材料，只能在干燥的環境中使用，所以這兩種砂漿一般用于地面以上的抹面工程和砌筑工程。另外，混合砂漿、石灰砂漿、石灰粉煤灰砂漿還可廣泛用于橋梁工程中的圬工砌體。又因為石灰有一定的殺菌作用，不容易生蟲、發霉，造價低，可用石灰加大量的水制成石灰乳涂料，石灰乳涂料可用于要求不高的室內墻面和頂層的粉刷；石灰還可制作碳化石灰板，用于不承受重量的頂棚、內隔墻板等。

3.2.3 加固含水的軟土地基

生石灰塊可以用來加固含水的軟土地基，其機理是把塊狀生石灰灌入軟土地基的樁孔內，利用前面講過的生石灰吸水熟化會產生體積膨脹的特點，對樁的周圍土壤起擠壓和密實作用，利用黏土礦物和生石灰之間產生的化學反應使四周土體固結，繼而提高地基承載力。

3.2.4 硅酸鹽混凝土及其制品

硅酸鹽混凝土及其制品是一種人造石材，主要由石灰和硅質材料作為原料，經過配料、攪拌、成型、養護等一系列工序得到的，在工程上應用較多的硅酸鹽混凝土制品有灰砂磚、粉煤灰磚及砌塊等[5]。