3.1 石灰

石灰一般是包括不同化學組成和物理形態的生石灰、消石灰、水硬性石灰，氣硬性石灰的總稱，是建筑上最早使用的膠凝材料之一。因其原料分布廣泛，生產工藝簡單，成本比較低廉，使用方便，所以一直得到廣泛應用。水硬性石灰是以泥灰質石灰石（含碳酸鈣50%～70%，黏土礦物25%～50%）為原料，經較高溫度（約1100℃）煅燒后所得的產品。除含CaO外，石灰還含有一定量的MgO、硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、鋁酸一鈣（CaO·Al2O3）等。本節主要討論的是氣硬性石灰。

3.1.1 石灰的生產和分類

生產石灰的主要原材料是以含碳酸鈣為主的天然巖石，如石灰巖。其中可能會含有少量的碳酸鎂及黏土等雜質。石灰巖經過高溫煅燒后，碳酸鈣將分解成為CaO和CO2, CO2以氣體逸出，其化學反應式如下：

生產所得的CaO稱為生石灰，是一種白色或灰色的塊狀物質。煅燒溫度一般以1000℃為宜。在煅燒過程中，若溫度過低或煅燒時間不足，使得CaCO3不能完全分解，將生成“欠火石灰”，導致石灰石有效利用率下降。如果煅燒時間過長或溫度過高，將生成顏色較深、塊體致密的“過火石灰”，它的特點是密度較大，與水反應水化的速度較慢，往往在石灰固化后才開始水化，從而產生局部體積膨脹，引起鼓包開裂，影響工程質量。

由于原料中常含有碳酸鎂（MgCO3），煅燒后會產生MgO，根據建筑材料行業標準《建筑生石灰》（JC/T479—2013）的規定，將MgO含量小于等于5%的生石灰稱為鈣質生石灰；MgO含量大于5%的生石灰稱為鎂質生石灰。同等級的鈣質生石灰質量優于鎂質生石灰。

將塊狀生石灰經過加工，可得到另外三種工業產品：①生石灰粉：由塊狀生石灰磨細生成，主要成分為CaO; ②消石灰粉：將生石灰用適量水（60%～80%）經消化和干燥而成的粉末，主要成分為Ca（OH）2，也稱為熟石灰粉；③石灰膏：將塊狀生石灰用大量的水（生石灰體積的3～4倍）消化，或將消石灰粉和水拌合所得的一定稠度的膏狀物，主要成分為Ca（OH）2和H2O。

3.1.2 石灰的消化與硬化

1．石灰的消化

石灰的消化（又稱熟化或消解），是指生石灰與水作用生成氫氧化鈣的化學反應過程。其反應方程式如下：

CaO+H2O—→Ca（OH）2+64.9kJ

熟化過程有以下特點：

（1）速度快。煅燒良好的CaO與水接觸時幾秒鐘內反應完畢；

（2）體積膨脹。CaO與水反應生成Ca（OH）2時，體積增大1.5～2.0倍；

（3）放出大量的熱。1molCaO熟化生成1molCa（OH）2約產生64.9kJ熱量。

經消化所得的氫氧化鈣稱為消石灰（又稱熟石灰）。生石灰具有強烈的水化能力，水化時放出大量的熱，同時體積膨脹1～2.5倍。一般煅燒良好、氧化鈣含量高、雜質少的生石灰，消化速度快，放熱量大，而且體積膨脹也大。

過火石灰消化速度極慢，當石灰抹灰層中含有這種顆粒時，由于它吸收空氣中的水分繼續消化，體積膨脹，致使墻面隆起、開裂，嚴重影響施工質量。為了消除這種危害，生石灰在使用前應提前洗灰，使灰漿在灰坑中儲存陳伏一周以上，以使石灰得到充分消化。陳伏期間，為防止石灰碳化，應在其表面保存一定厚度的水層，使之與空氣隔絕。

2．石灰的硬化

石灰的硬化是指石灰由塑性狀態逐漸轉化為具有一定強度的固體的過程。石灰漿體的硬化過程包括干燥硬化和碳化硬化兩部分。

（1）干燥硬化。

石灰漿體在干燥過程中，毛細孔隙失水，由于水的表面張力的作用，毛細孔隙中的水面呈彎月面，從而產生毛細管壓力，使得氫氧化鈣顆粒間距逐漸減小，進而產生一定的強度。干燥過程中因水分的蒸發，氫氧化鈣也會在過飽和溶液中結晶，但結晶數量很少，也會產生很低的強度。前述兩種情況下，氫氧化鈣的強度增加都很有限，因此對石灰漿體的強度增加不大，若再遇水，因毛細管壓力消失，氫氧化鈣顆粒間緊密程度降低，且氫氧化鈣微溶于水、強度喪失。

（2）碳化硬化。

氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣晶體的過程稱為碳化。其反應方程式如下：

Ca（OH）2+CO2+nH2O—→CaCO3+（n+1）H2O

石灰的碳化硬化放出大量的水，其體積發生收縮。生成的碳酸鈣具有相當高的強度。由于空氣中二氧化碳的含量很低，因此，碳化過程極為緩慢。當石灰漿體含水率過小，處于干燥狀態時，碳化反應幾乎停止。當石灰漿體含水率高時，孔隙中幾乎充滿水，二氧化碳氣體難以滲透，碳化作用僅在表面進行，生成的碳酸鈣達到一定厚度時，阻礙二氧化碳向內滲透，同時也阻礙內部水分向外蒸發，從而減慢了碳化速度。由此可見，石灰是一種碳化慢、強度低的氣硬性膠凝材料。

3.1.3 石灰的特性和技術指標

1．石灰的特性

（1）保水性與可塑性好。

生石灰消化為石灰漿時，能自動形成極微細的呈膠體狀態的氫氧化鈣，表面吸附一層較厚的水膜，由于顆粒數量較多，比表面積大，可吸附大量水，并形成膠體分散狀態，保持水分不泌出的能力較強，即保水性好。顆粒表面吸附較厚的水膜，也降低了顆粒間的摩擦力，顆粒間的滑移較易進行，即可塑性好，易攤鋪成均勻的薄層。因此，在水泥砂漿中摻入石灰膏，能使其可塑性和保水性（保持漿體結構中的游離水不離析的性質）顯著提高。

（2）凝結硬化慢、強度低。

石灰漿凝結硬化時間一般需要幾周，硬化后的強度一般小于1MPa。如1∶3的石灰砂漿強度僅為0.2～0.5MPa。但通過人工碳化，可使強度大幅度提高，如碳化石灰板及其制品，強度可達10MPa。

（3）耐水性差。

在石灰硬化體中，大部分是尚未碳化的氫氧化鈣，由于氫氧化鈣結晶微溶于水，因而其耐水性差，在潮濕環境中強度會很低，遇水還會溶解潰散。所以，石灰不宜用于潮濕環境，也不宜單獨用于建筑物的基礎。

（4）硬化時體積收縮大。

石灰漿體在凝結硬化過程中，蒸發出大量水分，由于毛細管失水收縮，引起體積收縮變形，使已硬化的石灰出現干縮裂紋。所以，除調成石灰乳用于薄層粉刷外，石灰不宜單獨使用，施工時常在其中摻入一定量的砂、紙筋、麻刀等加強材料，以減少收縮和節約石灰。

（5）吸濕性強。

生石灰吸濕性強，保水性好，是傳統的干燥劑。

2．石灰的技術指標

土木工程中所用的石灰，分為三個品種：建筑生石灰、建筑生石灰粉和建筑消石灰粉。若將塊狀生石灰磨細，則可得到生石灰粉。根據《建筑生石灰粉》（JC/T480—1992）的規定，按石灰粉中MgO的質量分數的多少，將生石灰粉分為鈣質生石灰粉（MgO的質量分數不大于5%）和鎂質生石灰粉（MgO的質量分數大于5%）兩類。生石灰和生石灰粉按技術指標又可分為優等品、一等品和合格品三個等級，它們的主要技術指標見表3.1和表3.2。

根據《建筑消石灰粉》（JC/T481—1992）的規定，建筑消石灰粉分為鈣質消石灰粉（MgO的質量分數＜4%）、鎂質消石灰粉（4%≤MgO的質量分數＜24%）和白云石消石灰粉（24%≤MgO的質量分數＜30%）三類，并按它們的技術指標分為優等品、一等品和合格品三個等級，主要技術指標見表3.3。

3.1.4 石灰的應用與儲存

1．石灰的應用

（1）配制石灰砂漿和石灰乳涂料。

用石灰膏和砂或麻刀、紙筋配制成的石灰砂漿、麻刀灰、紙筋灰等廣泛用作內墻、頂棚的抹面工具。用石灰膏和水泥、砂配制成的混合砂漿通常作墻體砌筑或抹灰之用。用石灰膏稀釋成的石灰乳常用作內墻和頂棚的粉刷涂料。

（2）配制灰土和三合土。

灰土（石灰+黏土）和三合土（石灰+黏土+砂、石或爐渣等填料）的應用，在我國有很長的歷史。經夯實后的灰土或三合土廣泛用作建筑物的基礎、路面或地面的墊層，其強度和耐水性比石灰或黏土都高。其原因是黏土顆粒表面的少量活性氧化硅、氧化鋁與石灰起反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等不溶于水的水化礦物。另外，石灰改善了黏土的可塑性，在強力夯打下密實度提高，也是其強度和耐水性改善的原因之一。在灰土和三合土中，石灰的用量為灰土總質量的6%～12%。

（3）硅酸鹽混凝土及其制品。

硅酸鹽混凝土是以石灰與硅質材料（如砂、粉煤灰、粒化高爐礦渣、煤矸石、頁巖、爐渣等）為主要原料，經過配料、加水拌合、成型、養護（常壓蒸汽養護或高壓蒸汽養護）等工序制得的產品，其主要產物為水化硅酸鈣。常用的硅酸鹽混凝土制品有各種粉煤灰磚及砌塊、灰砂磚及砌塊、加氣混凝土砌塊等，主要應用于墻體材料。

（4）配制無熟料水泥。

將具有一定活性的材料（如粒化高爐礦渣、粉煤灰、煤矸石灰渣等工業廢渣），按適當比例與石灰配合，經共同磨細，可得到具有水硬性的膠凝材料，即為無熟料水泥。

（5）制作碳化石灰板。

碳化石灰板是將磨細生石灰、纖維狀填料（如玻璃纖維）或輕質骨料（如礦渣）攪拌、成型，然后經人工碳化而成的一種輕質板材。為了減小體積密度和提高碳化效果，多制成空心板。這種板材能鋸、刨、釘，適宜作非承重內墻板、天花板等。

2．生石灰的儲存

塊狀生石灰放置太久，會吸收空氣中的水分消化成消石灰粉，然后再與空氣中CO2作用形成CaCO3，而失去膠凝能力。所以，儲存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜久存，最好運到使用地后即消化成石灰漿，變儲存期為陳伏期。另外，生石灰受潮消化要放出大量的熱，且體積膨脹，故儲存和運輸生石灰時，要注意安全，并應將生石灰與易燃物分開保管，以免引起火災。