3.1 石灰

石灰一般是包括不同化学组成和物理形态的生石灰、消石灰、水硬性石灰，气硬性石灰的总称，是建筑上最早使用的胶凝材料之一。因其原料分布广泛，生产工艺简单，成本比较低廉，使用方便，所以一直得到广泛应用。水硬性石灰是以泥灰质石灰石（含碳酸钙50%～70%，黏土矿物25%～50%）为原料，经较高温度（约1100℃）煅烧后所得的产品。除含CaO外，石灰还含有一定量的MgO、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸一钙（CaO·Al2O3）等。本节主要讨论的是气硬性石灰。

3.1.1 石灰的生产和分类

生产石灰的主要原材料是以含碳酸钙为主的天然岩石，如石灰岩。其中可能会含有少量的碳酸镁及黏土等杂质。石灰岩经过高温煅烧后，碳酸钙将分解成为CaO和CO2, CO2以气体逸出，其化学反应式如下：

生产所得的CaO称为生石灰，是一种白色或灰色的块状物质。煅烧温度一般以1000℃为宜。在煅烧过程中，若温度过低或煅烧时间不足，使得CaCO3不能完全分解，将生成“欠火石灰”，导致石灰石有效利用率下降。如果煅烧时间过长或温度过高，将生成颜色较深、块体致密的“过火石灰”，它的特点是密度较大，与水反应水化的速度较慢，往往在石灰固化后才开始水化，从而产生局部体积膨胀，引起鼓包开裂，影响工程质量。

由于原料中常含有碳酸镁（MgCO3），煅烧后会产生MgO，根据建筑材料行业标准《建筑生石灰》（JC/T479—2013）的规定，将MgO含量小于等于5%的生石灰称为钙质生石灰；MgO含量大于5%的生石灰称为镁质生石灰。同等级的钙质生石灰质量优于镁质生石灰。

将块状生石灰经过加工，可得到另外三种工业产品：①生石灰粉：由块状生石灰磨细生成，主要成分为CaO; ②消石灰粉：将生石灰用适量水（60%～80%）经消化和干燥而成的粉末，主要成分为Ca（OH）2，也称为熟石灰粉；③石灰膏：将块状生石灰用大量的水（生石灰体积的3～4倍）消化，或将消石灰粉和水拌合所得的一定稠度的膏状物，主要成分为Ca（OH）2和H2O。

3.1.2 石灰的消化与硬化

1．石灰的消化

石灰的消化（又称熟化或消解），是指生石灰与水作用生成氢氧化钙的化学反应过程。其反应方程式如下：

CaO+H2O—→Ca（OH）2+64.9kJ

熟化过程有以下特点：

（1）速度快。煅烧良好的CaO与水接触时几秒钟内反应完毕；

（2）体积膨胀。CaO与水反应生成Ca（OH）2时，体积增大1.5～2.0倍；

（3）放出大量的热。1molCaO熟化生成1molCa（OH）2约产生64.9kJ热量。

经消化所得的氢氧化钙称为消石灰（又称熟石灰）。生石灰具有强烈的水化能力，水化时放出大量的热，同时体积膨胀1～2.5倍。一般煅烧良好、氧化钙含量高、杂质少的生石灰，消化速度快，放热量大，而且体积膨胀也大。

过火石灰消化速度极慢，当石灰抹灰层中含有这种颗粒时，由于它吸收空气中的水分继续消化，体积膨胀，致使墙面隆起、开裂，严重影响施工质量。为了消除这种危害，生石灰在使用前应提前洗灰，使灰浆在灰坑中储存陈伏一周以上，以使石灰得到充分消化。陈伏期间，为防止石灰碳化，应在其表面保存一定厚度的水层，使之与空气隔绝。

2．石灰的硬化

石灰的硬化是指石灰由塑性状态逐渐转化为具有一定强度的固体的过程。石灰浆体的硬化过程包括干燥硬化和碳化硬化两部分。

（1）干燥硬化。

石灰浆体在干燥过程中，毛细孔隙失水，由于水的表面张力的作用，毛细孔隙中的水面呈弯月面，从而产生毛细管压力，使得氢氧化钙颗粒间距逐渐减小，进而产生一定的强度。干燥过程中因水分的蒸发，氢氧化钙也会在过饱和溶液中结晶，但结晶数量很少，也会产生很低的强度。前述两种情况下，氢氧化钙的强度增加都很有限，因此对石灰浆体的强度增加不大，若再遇水，因毛细管压力消失，氢氧化钙颗粒间紧密程度降低，且氢氧化钙微溶于水、强度丧失。

（2）碳化硬化。

氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙晶体的过程称为碳化。其反应方程式如下：

Ca（OH）2+CO2+nH2O—→CaCO3+（n+1）H2O

石灰的碳化硬化放出大量的水，其体积发生收缩。生成的碳酸钙具有相当高的强度。由于空气中二氧化碳的含量很低，因此，碳化过程极为缓慢。当石灰浆体含水率过小，处于干燥状态时，碳化反应几乎停止。当石灰浆体含水率高时，孔隙中几乎充满水，二氧化碳气体难以渗透，碳化作用仅在表面进行，生成的碳酸钙达到一定厚度时，阻碍二氧化碳向内渗透，同时也阻碍内部水分向外蒸发，从而减慢了碳化速度。由此可见，石灰是一种碳化慢、强度低的气硬性胶凝材料。

3.1.3 石灰的特性和技术指标

1．石灰的特性

（1）保水性与可塑性好。

生石灰消化为石灰浆时，能自动形成极微细的呈胶体状态的氢氧化钙，表面吸附一层较厚的水膜，由于颗粒数量较多，比表面积大，可吸附大量水，并形成胶体分散状态，保持水分不泌出的能力较强，即保水性好。颗粒表面吸附较厚的水膜，也降低了颗粒间的摩擦力，颗粒间的滑移较易进行，即可塑性好，易摊铺成均匀的薄层。因此，在水泥砂浆中掺入石灰膏，能使其可塑性和保水性（保持浆体结构中的游离水不离析的性质）显著提高。

（2）凝结硬化慢、强度低。

石灰浆凝结硬化时间一般需要几周，硬化后的强度一般小于1MPa。如1∶3的石灰砂浆强度仅为0.2～0.5MPa。但通过人工碳化，可使强度大幅度提高，如碳化石灰板及其制品，强度可达10MPa。

（3）耐水性差。

在石灰硬化体中，大部分是尚未碳化的氢氧化钙，由于氢氧化钙结晶微溶于水，因而其耐水性差，在潮湿环境中强度会很低，遇水还会溶解溃散。所以，石灰不宜用于潮湿环境，也不宜单独用于建筑物的基础。

（4）硬化时体积收缩大。

石灰浆体在凝结硬化过程中，蒸发出大量水分，由于毛细管失水收缩，引起体积收缩变形，使已硬化的石灰出现干缩裂纹。所以，除调成石灰乳用于薄层粉刷外，石灰不宜单独使用，施工时常在其中掺入一定量的砂、纸筋、麻刀等加强材料，以减少收缩和节约石灰。

（5）吸湿性强。

生石灰吸湿性强，保水性好，是传统的干燥剂。

2．石灰的技术指标

土木工程中所用的石灰，分为三个品种：建筑生石灰、建筑生石灰粉和建筑消石灰粉。若将块状生石灰磨细，则可得到生石灰粉。根据《建筑生石灰粉》（JC/T480—1992）的规定，按石灰粉中MgO的质量分数的多少，将生石灰粉分为钙质生石灰粉（MgO的质量分数不大于5%）和镁质生石灰粉（MgO的质量分数大于5%）两类。生石灰和生石灰粉按技术指标又可分为优等品、一等品和合格品三个等级，它们的主要技术指标见表3.1和表3.2。

根据《建筑消石灰粉》（JC/T481—1992）的规定，建筑消石灰粉分为钙质消石灰粉（MgO的质量分数＜4%）、镁质消石灰粉（4%≤MgO的质量分数＜24%）和白云石消石灰粉（24%≤MgO的质量分数＜30%）三类，并按它们的技术指标分为优等品、一等品和合格品三个等级，主要技术指标见表3.3。

3.1.4 石灰的应用与储存

1．石灰的应用

（1）配制石灰砂浆和石灰乳涂料。

用石灰膏和砂或麻刀、纸筋配制成的石灰砂浆、麻刀灰、纸筋灰等广泛用作内墙、顶棚的抹面工具。用石灰膏和水泥、砂配制成的混合砂浆通常作墙体砌筑或抹灰之用。用石灰膏稀释成的石灰乳常用作内墙和顶棚的粉刷涂料。

（2）配制灰土和三合土。

灰土（石灰+黏土）和三合土（石灰+黏土+砂、石或炉渣等填料）的应用，在我国有很长的历史。经夯实后的灰土或三合土广泛用作建筑物的基础、路面或地面的垫层，其强度和耐水性比石灰或黏土都高。其原因是黏土颗粒表面的少量活性氧化硅、氧化铝与石灰起反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等不溶于水的水化矿物。另外，石灰改善了黏土的可塑性，在强力夯打下密实度提高，也是其强度和耐水性改善的原因之一。在灰土和三合土中，石灰的用量为灰土总质量的6%～12%。

（3）硅酸盐混凝土及其制品。

硅酸盐混凝土是以石灰与硅质材料（如砂、粉煤灰、粒化高炉矿渣、煤矸石、页岩、炉渣等）为主要原料，经过配料、加水拌合、成型、养护（常压蒸汽养护或高压蒸汽养护）等工序制得的产品，其主要产物为水化硅酸钙。常用的硅酸盐混凝土制品有各种粉煤灰砖及砌块、灰砂砖及砌块、加气混凝土砌块等，主要应用于墙体材料。

（4）配制无熟料水泥。

将具有一定活性的材料（如粒化高炉矿渣、粉煤灰、煤矸石灰渣等工业废渣），按适当比例与石灰配合，经共同磨细，可得到具有水硬性的胶凝材料，即为无熟料水泥。

（5）制作碳化石灰板。

碳化石灰板是将磨细生石灰、纤维状填料（如玻璃纤维）或轻质骨料（如矿渣）搅拌、成型，然后经人工碳化而成的一种轻质板材。为了减小体积密度和提高碳化效果，多制成空心板。这种板材能锯、刨、钉，适宜作非承重内墙板、天花板等。

2．生石灰的储存

块状生石灰放置太久，会吸收空气中的水分消化成消石灰粉，然后再与空气中CO2作用形成CaCO3，而失去胶凝能力。所以，储存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜久存，最好运到使用地后即消化成石灰浆，变储存期为陈伏期。另外，生石灰受潮消化要放出大量的热，且体积膨胀，故储存和运输生石灰时，要注意安全，并应将生石灰与易燃物分开保管，以免引起火灾。