第一节 石灰
石灰是人类在建筑中最早使用的胶凝材料之一，由于其原材料蕴藏丰富、分布广泛、生产工艺简单、成本低廉、使用方便，所以至今仍广泛应用于各种工程中。
一、石灰的原料、生产与分类
1.石灰的原料
生产石灰的主要原料是以碳酸钙为主要成分的天然岩石，常用的有石灰石、白云石、白垩等。这些天然原料中常含有黏土杂质，一般要求黏土杂质控制在8%以内。生产石灰的原料，除了用天然原料外，另一种原料是利用化学工业副产品。例如，用电石（碳化钙）制取乙炔时的电石渣，其主要成分是氢氧化钙（消石灰）。
2.石灰的生产
将石灰的原料石灰石在一定的温度下煅烧，碳酸钙将分解成为生石灰，其主要成分为氧化钙，化学反应表示如下：
在石灰的实际生产中，由于石灰石致密程度、块体大小及杂质含量不同，并考虑到热量损失，所以为了加速碳酸钙的分解，煅烧温度常控制在1000～1100℃。若煅烧温度过低或煅烧时间不充足，则碳酸钙不能完全分解，将生成“欠火石灰”，严重降低石灰利用率；若煅烧时间过长或温度过高，将生成颜色较深、密度较大、消化缓慢、体积收缩明显的“过火石灰”，使用时会影响工程质量。
3.石灰的分类
JC/T 479—1992《建筑生石灰》规定，按氧化镁含量的多少，建筑生石灰可分为钙质和镁质两类。当石灰中MgO含量小于或等于5%时，称为钙质石灰；当MgO含量大于5%时，称为镁质石灰。将煅烧成块状的生石灰经过不同的加工方法，还可得到石灰的另外几种产品。
（1）生石灰粉。由块状生石灰磨细而得的细粉，主要成分仍为CaO。
（2）消石灰。将生石灰用适量的水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为Ca（OH）2，也称熟石灰。
（3）石灰浆（石灰膏）。将块状生石灰用多量水（为石灰体积的3～4倍）消化或将消石灰粉和水拌和，所得的有一定稠度的可塑性浆体，主要成分为Ca（OH）2和水。
（4）石灰乳。生石灰加较多的水消化而得的白色悬浮液，主要成分为Ca（OH）2和水。
二、石灰的熟化与硬化
1.石灰的熟化
烧制成的生石灰为块状，在使用时必须加水进行熟化，使氧化钙消化成为粉状的“消石灰”，这一过程也称为石灰的“消化”。其化学反应为
石灰的熟化过程会放出大量的热，熟化时体积增大1～2.5倍。在石灰熟化时，应注意加水速度。对活泼性大的石灰，如果加水速度过慢或加水量不足，则已消化的石灰颗粒生成的氢氧化钙包围在未消化颗粒的周围，使内部石灰不易消化，这种现象称为“过烧”；相反，对于活泼性差的石灰，如果加水的速度过快，则发热量少，水温过低，增加了未消化颗粒，这种现象称为“过冷”。
为了消除“过火石灰”的危害，石灰膏在使用之前应进行陈伏。陈伏是指石灰膏在储灰坑中放置两周以上的过程。过火石灰在这一期间将慢慢熟化。陈伏期间，石灰膏表面应留有一层水分，使其与空气隔绝，以免与空气中的二氧化碳发生碳化反应。
2.石灰的硬化
石灰的硬化过程包括干燥硬化（结晶作用）和碳化硬化（碳化作用）两个同时进行的过程。
（1）石灰浆的干燥硬化。由于水分的蒸发，氢氧化钙晶体从饱和溶液中析出，并产生“结晶强度”，结晶主要在石灰内部进行。但此时从溶液中析出的氢氧化钙数量不多，因此强度增长也不显著。
（2）石灰浆的碳化硬化。结晶后氢氧化钙与空气中的二氧化碳作用，生成不溶解于水的碳酸钙晶体，析出的水分逐渐被蒸发，产生“碳化强度”。其化学反应式为
这个反应在没有水分的条件下无法进行；当水分过多、二氧化碳渗入量少时，碳化仅限于表层；在孔壁充水而孔内无水的条件下碳化最快。石灰碳化硬化后，密实度进一步增加，强度进一步提高。因此，碳化层越厚，石灰强度越高。
三、石灰的技术要求和技术指标
1.石灰的技术要求
（1）有效氧化钙和氧化镁的含量。石灰中产生黏结性的有效成分是活性氧化钙（CaO）和氧化镁（MgO），它们的含量是评价石灰质量好坏的主要指标。有效氧化钙的含量是指石灰中活性的游离氧化钙占石灰试样的质量百分率；氧化镁的含量是指石灰中氧化镁占石灰试样的质量百分率。
（2）生石灰产浆量和未消化残渣含量。产浆量是单位质量（1kg）的生石灰经消化后，所产石灰浆体的体积（L）。石灰产浆量愈高，则表示石灰的质量愈好。未消化残渣含量是生石灰消化后，未能消化而存留在5mm圆孔筛上的残渣占试样的百分率。
（3）二氧化碳（CO2）的含量。生石灰或生石灰粉中二氧化碳含量指标，是为了控制石灰石在煅烧时“欠火”造成产品中未分解完全的碳酸盐含量。二氧化碳含量越高，即表示未分解完全的碳酸盐含量越高，则有效氧化钙和氧化镁含量相对降低，导致影响石灰的胶结性能。
（4）消石灰粉游离水含量。消石灰粉中游离水的含量，指化学结合水以外的含水量。在理论上Ca（OH）2中结合水占24.32%，但由于消化是一个放热反应，部分水被蒸发，所以实际加水量是理论值的一倍左右。多加的水残留于氢氧化钙中，残余的水分蒸发后，留下孔隙会加剧消石灰粉碳化现象的产生，从而影响其使用质量。
（5）细度。细度与石灰的质量有密切关系，现行标准中以0.9mm和0.125mm筛余百分率控制。0.125mm筛余量包括：消化过程中未消化的“过烧”石灰颗粒；含有大量钙盐的石灰颗粒；以及“欠火”石粒或未燃尽的煤渣等。
2.石灰的技术指标
（1）建筑生石灰。根据JC/T 479—1992《建筑生石灰》的规定，生石灰按有效氧化钙+氧化镁含量、产浆量、未消化残渣和二氧化碳含量等4个项目的指标，分为优等品、一等品和合格品三个等级，如表2-1所示。
（2）建筑生石灰粉。根据JC/T 480—1992《建筑生石灰粉》的规定，按有效氧化钙+氧化镁含量、二氧化碳含量和细度等3个项目的指标，将生石灰粉分为优等品、一等品和合格品三个等级，如表2-2所示。
表2-1 建筑生石灰技术指标
表2-2 建筑生石灰粉技术指标
（3）建筑熟石灰粉。根据JC/T 481—1992《建筑熟石灰粉》的规定，按氧化镁含量不同可分为钙质熟石灰粉（MgO含量＜4%）、镁质熟石灰粉（4%≤MgO含量＜24%）和白云石熟石灰粉（24%≤MgO含量＜30%）三类。按有效氧化钙+氧化镁含量、游离水、体积安定性和细度等4个项目的指标，每一类分为优等品、一等品和合格品三个等级，如表2-3所示。
表2-3 建筑消石灰粉技术指标
四、石灰的性质、应用与储存
1.石灰的性质
（1）可塑性好。生石灰熟化为水泥浆时，能形成颗粒极细（直径约为1μm）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚厚的水膜，因此具有良好的可塑性。将石灰掺入水泥砂浆中，可显著改善其可塑性。
（2）凝结硬化慢、强度低。由于空气中二氧化碳含量低，石灰浆体碳化缓慢且仅限于表层，致密的碳化层既不利于二氧化碳渗入也不利于内部水分的蒸发。因此，石灰的凝结硬化缓慢，硬化后强度低。配合比为1：3（石灰：砂）的石灰砂浆，28d的强度仅有0.2～0.5MPa。
（3）硬化时体积收缩大。石灰在硬化过程中，由于大量的游离水蒸发，引起显著的体积收缩，使硬化石灰体表面出现大量的无规则裂纹。除调成石灰乳作薄层涂刷外，石灰不宜单独使用。实际工程中常加入适量纤维状材料（如麻刀、纸筋等）或骨料（砂）来抑制石灰的收缩。
（4）耐水性差。石灰硬化缓慢，强度低。在潮湿环境条件下，未干燥硬化的石灰，由于水分无法蒸发而终止硬化。未碳化的氢氧化钙溶于水，使其强度降低甚至溃散。所以，石灰不宜在潮湿的环境中使用，也不宜单独用于建筑物基础。在石灰中加入少量的磨细粒化高炉矿渣和粉煤灰，可提高石灰的耐水性。
2.石灰的应用
石灰在建筑工程中应用广泛，主要种类如下。
（1）石灰乳涂料和砂浆。在熟石灰粉或石灰膏中加入过量的水，可配制成石灰乳涂料，其价格低廉、颜色洁白、施工方便，调入耐碱颜料还可使色彩丰富；调入聚乙烯醇、干酪素、氧化钙或明矾可减少涂层粉化现象，可用于内墙和天棚的刷白。
石灰膏或熟石灰粉可用于配制石灰砂浆和水泥石灰砂浆，具有很好的可塑性，主要用作砌筑砂浆和抹面砂浆。
（2）石灰土和三合土。将生石灰粉或熟石灰粉和黏土按一定比例混合，可配制成石灰土；如在石灰土中加入适量的砂、炉渣等材料即成为三合土。石灰土和三合土经夯实后可获得一定的强度和耐久性。因为石灰中氧化钙或者氢氧化钙与黏土中的二氧化硅和三氧化二铝，在有水存在条件下，反应生成具有水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，能把黏土颗粒黏结在一起，因此提高了黏土的强度和耐久性。主要应用于建筑物基础、地面的垫层，还可用于路面垫层。
（3）制作硅酸盐制品。以生石灰粉或熟石灰粉与硅质材料（如粉煤灰、矿渣、砂等）为主要原材料，经配料、搅拌、成型和养护（一般采用蒸汽养护或蒸压养护）等工序，可制得硅酸盐制品。因为在蒸养或蒸压条件下，生成的主要产物为水化硅酸钙，因此得名。产品包括蒸压粉煤灰砖、蒸压灰砂砖和蒸压加气混凝土砌块，还可用于生产蒸压加气板材，主要用作墙体材料。
（4）加固地基。块状生石灰可用于加固含水的软土地基，也称为石灰桩。将块状生石灰灌入桩孔内，由于生石灰的熟化膨胀而使地基密度提高。
3.石灰的储存
块状生石灰在放置过程中，会缓慢吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙，失去胶结能力。因此储存石灰应注意防潮，储存期不宜过久。最好是将石灰运到工地立即熟化成石灰膏，把储存期变成陈伏期。由于石灰熟化过程中，放出大量的热并伴随着体积膨胀，所以储存和运输生石灰时应注意安全。