2.1　石灰

石灰是土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一，属于气硬性胶凝材料。由于石灰的原料来源广泛，生产工艺简单，成本低廉，所以至今仍被广泛用于工程中。

2.1.1　石灰的生产

生产石灰的原料主要是石灰石，也可利用含有碳酸钙成分的天然物质或化工副产品做原料。

石灰石的主要成分是碳酸钙（CaCO3），其次是碳酸镁（MgCO3）和少量黏土杂质。一般生产石灰的石灰石化学成分要求碳酸钙含量在80％以上，碳酸镁含量在20％以下，黏土质含量在8％以下。

将石灰石置于窑内高温下煅烧，碳酸钙和碳酸镁受热分解，分解出二氧化碳（CO2）气体后，得到以氧化钙（CaO）为主要成分的呈白色或灰白色的块状成品即为生石灰，又称块灰。

考虑到煅烧过程中的热量损耗，实际窑内煅烧温度常控制在1000～1100℃。碳酸钙分解时，约释放出占原重44％的CO2气体，但煅烧所得的生石灰体积却仅比碳酸钙体积减小10％～15％，所以正常温度下煅烧得到的石灰具有多孔结构，即内部孔隙大、晶粒细小、体积密度小，与水反应快。原料纯净，煅烧良好的正火石灰，质轻色白，呈疏松多孔块状结构，密度3.1～3.4g/cm3，堆积密度800～1000kg/m3。

由于石灰石的致密程度、块形大小、杂质含量不同，加之煅烧火候的不均匀，生产过程常出现欠火石灰或过火石灰。欠火石灰是由于煅烧温度较低、石灰石尺寸过大或煅烧时间过短，碳酸钙未能完全分解，外部为正常煅烧的石灰，内部尚有未分解的石灰石内核，不能消解，因而欠火石灰的产浆量低，质量较差，降低了石灰的利用率。过火石灰是由于煅烧温度过高或煅烧时间过长，使内部孔隙减小、密度增大、晶粒变大，而且石灰石中的二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）等杂质发生熔结，使石灰颗粒表面部分被玻璃状物质（即釉状物）所包覆，使石灰遇水难以水化延缓了熟化速度。若使用在工程中，过火石灰颗粒往往会在正火石灰硬化后才吸湿消解而发生体积膨胀，这使已硬化的灰浆表面会产生膨胀而引起崩裂或隆起，直接影响工程质量。

建筑石灰按氧化镁含量分为钙质石灰（w（MgO）≤5％）和镁质石灰（w（MgO）≥5％）。镁质石灰熟化较慢，但硬化后强度稍高。

按成品加工方法除了块状生石灰外，还有磨细生石灰、消石灰粉、石灰浆等产品广泛用于工程。

2.1.2　石灰的熟化（消解）与陈伏

生产石灰胶凝材料时，煅烧得到的块状生石灰只是半成品，工程上使用石灰之前，需经过熟化后方能使用（除磨细生石灰外）。“熟化”（又称石灰的“消解”）通常是指将生石灰加水，反应生成消石灰（氢氧化钙）的过程，反应式如下：

CaO+H2O→Ca（OH）2+64.9kJ/mol

石灰熟化过程中伴随体积膨胀和放热。质纯且煅烧良好的生石灰，在熟化过程中体积将膨胀倍含杂质且煅烧不良的生石灰体积也有倍的膨胀值

根据用途不同，石灰消化时加水量不同，消化方法有所区别。当用于调制砂浆时，利用化灰池，将生石灰熟化成石灰浆，如图2.1所示。生石灰在化灰池中加水熟化成含有大量水的石灰乳，石灰乳浆体和尚未熟化的小颗粒通过筛网流入储灰坑，而大块的欠火石灰、过火石灰则予以清除。石灰浆在储灰坑中沉淀并除去上层水分后称石灰膏，石灰膏的堆积密度为1300～1400kg/m3，1kg生石灰可熟化1.5～3L石灰膏。为了消除熟石灰中过火石灰颗粒的危害，石灰浆应在储灰坑中静置2周以上再使用，此过程称为“陈伏”，陈伏期间，石灰浆表面保持一层水分，使之与空气隔绝，防止或减缓石灰膏与二氧化碳发生碳化反应。

当用于拌制灰土（石灰、黏土）、三合土（石灰、黏土、砂石或炉渣等）时，采用分层喷淋法将生石灰熟化成消石灰粉。消化时将生石灰块平铺在能吸水的地面上，每堆放0.20m高后淋适量的水，共堆放5～7层，最后用土或砂覆盖，以防水分蒸发及碳化，其加水量是否适度，以能充分消解而又不过湿成团为标准，一般为生石灰质量的60％～80％。消石灰粉在使用前，也有类似灰浆的陈伏处理，即在上述消化的条件下放置2周以上再使用。

2.1.3　石灰的硬化

石灰浆体的硬化包括两个同时进行的过程：干燥结晶和碳化作用。

（1）干燥结晶

石灰浆体在干燥环境中，多余的游离水分逐渐蒸发，也有部分为附着基面吸收，使石灰浆内部形成大量毛细孔隙，残留在孔隙内的游离水由于水的表面张力的作用形成弯月面，从而产生毛细管压力，使得氢氧化钙颗粒间的接触紧密，产生一定强度；石灰浆体液相中呈胶体分散状态的氢氧化钙颗粒，表面吸附一层厚的水膜，当水分蒸发时，水膜逐渐减薄，胶体粒子在分子力作用下互相黏结，形成凝聚结构的空间网；水分蒸发至氢氧化钙溶液达到饱和时，胶体开始逐渐转变为晶体，析出氢氧化钙晶粒，晶粒不断长大、交错结合，形成结晶结构网，强度由此产生并得到发展。

（2）碳化作用

碳化作用是指氢氧化钙与空气中的二氧化碳在有水的条件下生成碳酸钙晶体的过程，反应式如下：

碳化作用实际是二氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙。所以这个作用不能在没有水分的全干状态下进行。碳酸钙的固相体积比氢氧化钙固相体积稍有增大，使石灰浆体的结构更加致密。碳化作用在长时间内只限于表层，氢氧化钙的结晶作用则主要在内部发生。当材料表面形成碳酸钙达到一定厚度时，碳化作用极为缓慢，而且阻止了内部水分的析出，使氢氧化钙结晶速度缓慢，这是石灰凝结硬化缓慢的主要原因。

2.1.4　石灰的技术指标

根据《建筑生石灰》（JC/T479—2013），将建筑生石灰按生石灰的化学成分分为钙质石灰和镁质石灰两类。根据化学成分的含量每类又分成各个等级，各等级相应指标如表2.1所示。

建筑生石灰的化学成分应符合表2.2要求，而其物理性质应符合表2.3要求。生石灰块在代号后面加Q，生石灰粉在代号后面加QP。

根据《建筑消石灰》（JC/T481—2013），建筑消石灰按扣除游离水和结合水后（CaO+MgO）的百分含量分类，见表2.4所示；建筑消石灰的化学成分应符合表2.5要求，其物理性质应符合表2.6要求。

2.1.5　石灰的性质

（1）良好的保水性、可塑性

生石灰熟化成石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径约为1μm）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，其表面吸附一层较厚的水膜。由于颗粒数量多、总表面积大，可吸附大量水，这是保水性良好的主要原因。由于颗粒间的水膜较厚，颗粒间的滑移较易进行。因此，用石灰调成的石灰浆具有良好的可塑性。利用这一性质，在水泥砂浆中加入石灰浆，使保水性显著提高，克服了水泥砂浆保水性差的缺点。

（2）凝结硬化慢、强度低

由于空气中二氧化碳含量低，而且碳化后形成的碳酸钙硬壳阻止了二氧化碳向内部渗透，也阻止水分向外蒸发，结果使碳酸钙和氢氧化钙结晶体生成量少且缓慢。已硬化的石灰强度很低，1∶3石灰砂浆28d抗压强度通常仅为0.2～0.5MPa。

（3）耐水性差

潮湿环境中石灰浆体不会产生凝结硬化。已硬化的石灰，长期受潮或受水浸泡，由于氢氧化钙晶体微溶于水，会使已硬化的石灰溃散，因而耐水性差。所以，石灰不宜用于潮湿环境及易受水浸泡的建筑部位。

（4）体积收缩大

氢氧化钙颗粒吸附的大量水分，在石灰硬化过程中不断蒸发，并产生很大的毛细管压力，使石灰浆体产生显著收缩而开裂。所以，除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。工程应用时，常在石灰中掺入砂、麻刀、纸筋等材料，防止收缩变形产生的开裂，并增加抗拉强度。

2.1.6　石灰的应用

（1）石灰乳涂料和石灰砂浆

指将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入水搅拌稀释，成为石灰乳涂料，主要用于内墙和天棚刷白，增加室内美观和亮度。利用石灰膏或消石灰粉配制成的石灰砂浆或水泥石灰砂浆是砌筑工程中常用的胶凝材料。

（2）灰土和三合土

消石灰粉与黏土按一定比例配合称为灰土，再加入煤渣、炉灰、砂等，即成三合土。灰土或三合土在强力夯打之下，大大提高了紧密度，而且黏土颗粒表面的少量活性氧化硅和氧化铝与石灰中的氢氧化钙起化学反应，生成不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙，将黏土颗粒黏结起来，因而提高了黏土的强度和耐水性，广泛用于建筑物基础和道路的基层。

（3）硅酸盐制品

指将消石灰粉或磨细生石灰与砂或粉煤灰、火山灰、煤矸石等硅质材料，经配合拌匀，加水搅拌、成型、养护（常压或高压蒸汽养护）等工序制得的制品。因其内部的胶凝材料基本上是水化硅酸钙，所以称为硅酸盐制品。常用的有蒸养粉煤灰砖及砌块、蒸压灰砂砖及砌块等。

（4）碳化石灰板

指将磨细生石灰、纤维状填料或轻质集料加水搅拌成型为坯体，然后再通入高浓度二氧化碳进行人工碳化（12～24h）以加速石灰硬化而制成的一种轻质板材。为减轻自重，提高碳化效果，多制成薄壁或空心制品。碳化石灰板的可加工性好，适合做非承重的内隔墙板、天花板等。

（5）无熟料水泥

石灰与含有活性SiO2和Al2O3的矿物材料（如粉煤灰、高炉矿渣、煤矸石等）混合，并掺入适量石膏，磨细后得到的水硬性胶凝材料称为无熟料水泥。无熟料水泥一般强度较低，但生产工艺简单，原料可就地取材，能综合利用工业废渣，具有一定经济价值。

2.1.7　石灰的运输和储存

生石灰块及生石灰粉在运输时要采取防水措施，不能与易燃、易爆及液体物品同时装运。运到现场的石灰产品，不宜长期储存。因石灰存放时间过长，会从空气中吸收水分而消解，再与二氧化碳作用，形成碳酸钙，就会失去胶凝能力，所以储存期不宜超过1个月。储运中的石灰遇水，不仅自行消解，而且会因体积膨胀，撑破包装袋，还会因放热导致易燃物燃烧。熟化好的石灰膏，也不宜长期暴露在空气中，表面应加以覆盖，以防碳化结硬。