張冬梅

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢 430212）

1 石灰的原料和生產(chǎn)

1.1 石灰的原料

“千錘萬(wàn)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(shī)人于謙的一首詩(shī)。從古詩(shī)“千錘萬(wàn)鑿出深山”這句話中可以看出，生產(chǎn)石灰的原料就是山里其化學(xué)成分主要是碳酸鈣的天然巖石。

1.2 石灰的生產(chǎn)

從詩(shī)中“烈火焚燒若等閑”這句話中可以看出石灰的生產(chǎn)過(guò)程，是將天然巖石從深山里開(kāi)采出來(lái)，經(jīng)破碎，然后放到窯里高溫煅燒，經(jīng)過(guò)煅燒之后，碳酸鈣發(fā)生分解，產(chǎn)生了氧化鈣和二氧化碳?xì)怏w。原料經(jīng)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(xué)反應(yīng)式為：

在生產(chǎn)石灰的時(shí)候，為了加速分解，一般把煅燒溫度提高到1000～1100℃，煅燒時(shí)溫度的高低及時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)石灰質(zhì)量有很大的影響。所以在生產(chǎn)的時(shí)候因?yàn)闇囟燃皶r(shí)間控制問(wèn)題，生產(chǎn)出來(lái)的石灰可能會(huì)出現(xiàn)欠火石灰、正火石灰和過(guò)火石灰三種。

1.2.1 欠火石灰

在煅燒的過(guò)程中，溫度控制時(shí)，溫度如果過(guò)低，達(dá)不到分解溫度或者煅燒時(shí)間過(guò)短，碳酸鈣是不能夠完全分解的，這種情況生產(chǎn)出來(lái)的石灰就是欠火石灰，原因就是石灰石表面的溫度達(dá)到分解溫度，它就發(fā)生了分解，變成了氧化鈣，但由于石灰石里面有地方達(dá)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(jié)構(gòu)外面是氧化鈣，里面是碳酸鈣，這種主要是由于煅燒溫度過(guò)低或時(shí)間過(guò)短，碳酸鈣沒(méi)有完全分解造成的，特點(diǎn)是石灰石未充分利用，石灰產(chǎn)量低，粘結(jié)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(jié)構(gòu)主要以氧化鈣為主，這種石灰煅燒良好，質(zhì)量輕并且顏色均勻，呈白色或灰白色，性能優(yōu)良。

1.2.3 過(guò)火石灰

如果煅燒溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)品中就會(huì)出現(xiàn)第三種石灰，就是過(guò)火石灰。過(guò)火石灰的特點(diǎn)是外殼較硬，結(jié)構(gòu)緊密，顏色深，重量大，熟化慢。生產(chǎn)出這種石灰的原因是石灰石外面和里面都達(dá)到了分解溫度，碳酸鈣都能發(fā)生分解，變成氧化鈣。但是煅燒溫度過(guò)高以后，在石灰石表面的粘土或者是熔點(diǎn)比較低的其他物質(zhì)，在高溫下會(huì)發(fā)生熔融，所以，在石灰顆粒的外面，就會(huì)有一層熔融物包裹著石灰顆粒。這個(gè)熔融物比較硬，導(dǎo)致后期熟化的時(shí)候水往里滲透會(huì)有較大阻力，滲透速度慢，與水反應(yīng)的速度就慢，當(dāng)正火石灰熟化的時(shí)候，過(guò)火石灰還沒(méi)有充分熟化，這樣就會(huì)使它后期在使用的過(guò)程中有一定的危害，它的危害主要體現(xiàn)在石灰在硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生隆起、開(kāi)裂、脫落，所以過(guò)火石灰是有危害性的，在使用的時(shí)候要多加注意。對(duì)于過(guò)火石灰，在工程上使用的時(shí)候，要事先處理，處理完以后才能應(yīng)用到工程當(dāng)中，下面來(lái)看石灰的熟化和硬化，以及對(duì)過(guò)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成熟石灰的過(guò)程，又稱消化或消解。熟石灰的主要成分為氫氧化鈣，其化學(xué)反應(yīng)式為：

氫氧化鈣俗稱為熟石灰，又稱消石灰。這個(gè)化學(xué)反應(yīng)有兩大特點(diǎn)：一是石灰在熟化過(guò)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(shí)候，過(guò)火石灰因?yàn)闇囟冗^(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，表面會(huì)有一層結(jié)構(gòu)致密的熔融物，所以和水反應(yīng)的速度慢，熟化需要較長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)石灰用在工程上已經(jīng)硬化后，過(guò)火石灰仍會(huì)吸收空氣中的水分繼續(xù)熟化，導(dǎo)致成型的結(jié)構(gòu)體積膨脹，引起結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生隆起和開(kāi)裂。為了消除過(guò)火石灰的這種危害，要把石灰漿在儲(chǔ)灰坑中“陳伏”兩周以上，陳伏就是指石灰漿在儲(chǔ)灰坑里長(zhǎng)時(shí)間保存的意思。放置兩周以上是為了通過(guò)充分浸泡，把較硬的外殼泡軟，保證水能進(jìn)入到石灰的內(nèi)部，使過(guò)火石灰顆粒和水發(fā)生反應(yīng)充分熟化，把過(guò)火石灰的危害消滅在使用之前。要注意的是，“陳伏”過(guò)程當(dāng)中，石灰漿表面應(yīng)保證有一層水分，目的是與空氣隔絕，以防止石灰會(huì)碳化。

石灰加水以后開(kāi)始是塑性漿體，那么它是怎樣凝結(jié)硬化，并慢慢產(chǎn)生強(qiáng)度的呢？下面分析石灰的硬化。

2.2 石灰的硬化

2.2.1 結(jié)晶過(guò)程

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

2.2.2 碳化過(guò)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(xué)反應(yīng)式如下：

此時(shí)，生成的碳酸鈣和氫氧化鈣在石灰漿體中交叉共生，構(gòu)成緊密的結(jié)晶網(wǎng)，強(qiáng)度進(jìn)一步提高。從化學(xué)式可以看出，反應(yīng)需要二氧化碳，所以碳化作用主要發(fā)生在與空氣接觸的表面，當(dāng)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(qiáng)度，它會(huì)覆蓋在工程結(jié)構(gòu)體的表面，使空氣中的二氧化碳?xì)怏w不好向里滲透，導(dǎo)致碳化速度減慢；同時(shí)因?yàn)闈{體表面有一層較硬的碳酸鈣薄膜，里面的水分也不好蒸發(fā)出來(lái)，因此，石灰漿的硬化是一個(gè)較緩慢的過(guò)程。從化學(xué)反應(yīng)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(jié)硬化，保持并發(fā)展強(qiáng)度，所以說(shuō)石灰屬于氣硬性膠凝材料，它只能在干燥環(huán)境的工程中使用。

由以上可知，石灰的硬化是兩個(gè)過(guò)程，一是干燥結(jié)晶，二是碳化，這兩個(gè)過(guò)程交叉進(jìn)行。那么石灰這種材料有哪些性能呢？在工程上都應(yīng)用在哪些方面呢？性能決定應(yīng)用，只有了解石灰的性能，才能合理應(yīng)用，下面來(lái)看看石灰的性能及應(yīng)用。

3 石灰的性能及應(yīng)用

3.1 石灰的性能

3.1.1 凝結(jié)硬化慢，強(qiáng)度低

凝結(jié)硬化慢的原因是因?yàn)榭諝庵械亩趸紳舛鹊?，且漿體表面生成一層碳酸鈣薄膜后，阻止了二氧化碳向內(nèi)部滲透，同時(shí)也妨礙了內(nèi)部水分向外蒸發(fā)，故凝結(jié)硬化慢。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，硬化后的石灰強(qiáng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)和潮濕環(huán)境[3]。

3.1.2 硬化時(shí)體積收縮大

在拌制石灰的時(shí)候，為了保證它的施工和易性，水加的很多，石灰漿在硬化過(guò)程中，水分蒸發(fā)，體積產(chǎn)生收縮而開(kāi)裂，所以石灰這種材料一般不單獨(dú)使用。為防止或減少收縮，避免建筑物產(chǎn)生裂縫，常在石灰中摻入砂、紙筋、麻刀、無(wú)機(jī)纖維等材料來(lái)提高抗拉強(qiáng)度，抵抗因?yàn)槭湛s引起的開(kāi)裂，同時(shí)也節(jié)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(qiáng)度會(huì)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(gè)共性，氣硬性膠凝材料都具有這樣一個(gè)特點(diǎn)，所以石灰不能使用在潮濕的環(huán)境或水中的建筑物中，因?yàn)樵谶@些環(huán)境下，它的強(qiáng)度會(huì)有較大降低，它的軟化系數(shù)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(xì)，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(rùn)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(qiáng)，容易攤鋪成均勻細(xì)致的薄層，利用這個(gè)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(yīng)，生成具有水硬性的膠凝物質(zhì)

這個(gè)性能在工程上是應(yīng)用較多的，石灰本身是氣硬性的膠凝材料，與活性SiO2反應(yīng)之后，由氣硬性轉(zhuǎn)變?yōu)樗残缘?，性質(zhì)發(fā)生了變化，這是一個(gè)非常好的性能，并利用這個(gè)性能將石灰制品應(yīng)用到工程上，使石灰的應(yīng)用范圍更廣，灰土和三合土就是典型的例子。

3.2 石灰的應(yīng)用

從前面古詩(shī)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(dāng)然，石灰的功用也并不僅僅以清白留在人間，它可應(yīng)用于很多方面，下面主要談?wù)勈以谕聊竟こ讨械挠猛綶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(chǔ)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(huán)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(yīng)生成水硬性產(chǎn)物，從本質(zhì)上發(fā)生了變化。在分層夯實(shí)的情況下，三合土和灰土的密實(shí)程度增加，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和密實(shí)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(jiǎn)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(qū)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?yàn)槭沂菤庥残缘哪z凝材料，只能在干燥的環(huán)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?yàn)槭矣幸欢ǖ臍⒕饔?，不容易生蟲(chóng)、發(fā)霉，造價(jià)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(nèi)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(nèi)隔墻板等。

3.2.3 加固含水的軟土地基

生石灰塊可以用來(lái)加固含水的軟土地基，其機(jī)理是把塊狀生石灰灌入軟土地基的樁孔內(nèi)，利用前面講過(guò)的生石灰吸水熟化會(huì)產(chǎn)生體積膨脹的特點(diǎn)，對(duì)樁的周圍土壤起擠壓和密實(shí)作用，利用黏土礦物和生石灰之間產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)使四周土體固結(jié)，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(zhì)材料作為原料，經(jīng)過(guò)配料、攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)等一系列工序得到的，在工程上應(yīng)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]。