作者：何云晓
出版社：东南大学出版社
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园林建筑材料实用教程试读：
前言
本书根据高等学校风景园林学科专业指导委员会编写颁布的《高等学校风景园林本科指导性专业规范（2013）》对“园林建筑材料”的能力要求为指导，结合我国最新修订的相关规范、标准编写而成。
国家教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见中明确要求加大应用型、复合型、技能型人才的培养力度。进行风景园林设计和工程建设，必须掌握一定的园林建筑材料知识，因而园林建筑材料在风景园林建筑设计、园林规划设计、城市规划以及环境艺术设计、园林工程中均占有重要地位。
随着新结构、新构造、新技术、新材料在风景园林建筑设计中的不断推陈出新和广泛应用，许多建筑材料技术标准均已更新，为了适应新形势下我国园林建筑材料的发展要求，本书在编写过程中注重参考最新规范和标准。
全书由绵阳师范学院何云晓统稿，何云晓、欧阳纯烈、朱兵担任主编。其中欧阳纯烈（概述、第1章）、朱兵（第2章、第3章）、甘廷江（第4～10章中的材料“在园林工程中的应用”部分）、陈娟（第4章、第5章）、唐碧兰（第6章、第7章）、宋晓霞（第8章）、杨锋利（第9章）、梁明霞（第10章）、蒙宇（第11章）、龙艳萍（第12章）、罗国容（第13章），本教程参编人员还有郭英、韩周林、杨子宜、熊英伟。本教程插图、电子文档整理由兰雪珍、郑秀、张鹏、邱林娜、罗彬等完成。
本教程是为园林、风景园林、环境艺术设计、景观设计等专业的园林建筑材料课程编写，也可作为建筑学、建筑工程等相关专业的参考教材，还可作为建筑设计与建筑施工相关技术人员的参考资料。
鉴于编者水平有限，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正！编者0概论0.1园林建筑
建筑泛指生产性建筑物和非生产性建筑物的总称。生产性建筑又可细分成工业建筑、农业建筑；非生产性建筑又称民用建筑，包括居住建筑和公共建筑。园林建筑横跨生产性、非生产性建筑两大类，并隶属于公共建筑和农业建筑之小类。
尽管园林建筑在建筑的分类问题上相对统一。但长久以来，园林业界内对于园林建筑定义并不一致，总体来讲可概括为广义园林建筑和狭义园林建筑，前者将景观辖区内一切人工建筑物与构筑物都视为园林建筑范畴，是风景园林景观整体中的一个组成部分，或作为景观供游人观赏，或为游客提供休憩场所。后者认为园林建筑是指具备特定使用功能和相应建筑形象，包括兼具一般使用功能、特殊工程设施以及园林点缀小品的一类建筑。
狭义的园林建筑观点将园林建筑局限于园林营造四大要素，与造园构景的山石、水体、植物共体并论。更强调园林建筑与环境、造园景观在空间尺度、大小尺度范围、比例、色彩等方面的协调性。狭义的园林建筑把这类建筑的特点和作用仅限于点缀风景、观赏风景、围合园林空间和构建浏览路线。因此，狭义园林建筑也相应地分为四类，即风景游览建筑、庭院建筑、建筑小品和交通建筑。
不论上述广义概念还是狭义定义，园林建筑都具有如下的特点：首先，伴随园林现代化的发展与进步，园林建筑在形式上和内容方面愈来愈复杂化和多样化，它不仅仅涉及建筑学、城市规划、环境艺术、园艺，还与林学、生态学、人文科学等众多学科高度融合。它既是物质产品，又具有特定的艺术形象。其次，园林建筑必须与周围环境构成有机融合关系，并达到和谐统一的效果。在营造景观所运用的手段中最灵活、最积极的是园林建筑，所以要求这类建筑既能满足景观美学需要，又可维护风景园林的环境质量，同时也要受到景观及环境的制约。0.2园林建筑分类
本教程以上述广义园林建筑的定义为基础：将园林建筑类型分为两个大类，即民用公共建筑以及农业建筑。其亚类型见表0-1。表0-1 园林建筑分类表0.3园林建筑材料
依照上述园林建筑的涵盖内容，景观工程的区域内几乎所有建筑和硬质景观都隶属于园林建筑的范畴，因此，构成这些园林建筑的物质基础——园林建筑材料具有种类繁多、组分复杂的特征。
在我国历史上的园林建设所采用的材料比较单一，以木材和天然石材两大材料为主，这是由古代生产力水平的局限性造成的，材料的选择和利用依靠简单加工和就地取材方式。随着技术的进步和发展，现代仿古园林虽然某种程度上依然保留了传统材料的使用，但越来越多的园林建筑的结构工程材料被现代工程材料取代。结构工程材料更多地选择钢筋混凝土材料，石材和木材的应用逐步减少。
人工材料的开发和运用为现代园林建设提供了丰富的材料选择，包括形形色色的饰面和铺地的陶瓷砖及非烧结的混凝土铺装材料。结合天然材料的朴实，通过人工材料的靓丽和色彩，不仅仅实现了园林建筑的功能，同时大大提高了材料的景观表现效果。例如现代园林中，玻璃和金属被广泛应用，有的作为结构材料，有的制成园林小品；由于这些现代材料独特的质地、变化的形态、丰富的色彩等因素，在古代园林中极少看到，因此给人以焕然一新的感受。
在现代材料取代传统材料的进程中，绿色、生态和环境保护概念应始终贯彻其中，因此要注重园林建筑的环保性，要重点扶持和研发绿色园林建筑材料。
绿色园林建筑材料是指，采用清洁生产技术、少用天然资源和能源，大量使用工业或城市固态废弃物生产出的无毒、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料。当前，绿色、环保混凝土研发成功，这些新型混凝土可能包括：利用工业废料、建筑垃圾生产的混凝土，高性能、自密实混凝土，等等。0.4园林建筑材料种类
现代园林建筑材料与建筑材料的种类相通用，某种程度上高度重合。
园林建筑材料品种丰富、种类繁多，其分类方法各异，例如按化学成分分类和按工程使用功能分类。
按化学成分分类：亚类包括无机材料、有机材料和复合材料。
无机材料可分为两类，即金属材料和非金属材料。金属材料包括黑色金属和有色金属：普通钢材、非合金钢、低合金钢、合金钢等均属于黑色金属范畴，有色金属类包括铝材、铝合金、铜材和铜合金等。非金属材料包括天然石材、烧土制品、玻璃及熔融制品、胶凝材料和混凝土类，其中，天然石材主要由岩性为岩浆岩、沉积岩和变质岩的岩石构成，烧土制品包括烧结砖、陶器、瓷器等。
有机材料亚类包括植物材料、高分子材料和沥青材料。其中植物材料：木材、竹板、植物纤维制品等；高分子材料：塑料、橡胶、胶黏剂等；沥青材料：石油沥青、沥青制品。
复合材料亚类包括金属-非金属复合材料、非金属-有机材料复合。其中金属-非金属复合材料：钢筋混凝土、预应力混凝土、钢纤维混凝土；非金属-有机材料复合：沥青混凝土、聚合物混凝土、玻璃纤维增强塑料等。
按工程使用功能分类：建筑结构材料、墙体材料、建筑功能材料和建筑器材四个亚类。
建筑结构材料是指构成基础、柱、梁、框架、屋架、板等承重系统的材料，例如：砖、石材、钢材、钢筋、混凝土、木材等。
墙体材料是指构成建筑物内、外承重墙体及内分隔墙体材料，例如：石材、砖、空心砖、加气混凝土、各种砌块、混凝土墙板、石膏板、复合墙板等。
建筑功能材料是指不作为承受荷载，且具有某种特殊功能的材料，包括：保温材料、吸声材料、采光材料、防水材料、防腐材料、装饰材料等。
建筑器材是指为了满足使用功能要求与建筑配套的各种设备，例如：电工器材及工具、水暖及空调设备、环保材料、五金配件。1园林建筑材料基本性质1.1材料的组成和结构1.1.1 材料的组成
材料的组成是决定材料各种性质的重要因素，园林建筑材料组成应包括化学组成和矿物组成。
化学组成是指构成材料的各种化学元素和氧化物含量。化学组成为材料的某些性质提供初步判断的依据，如耐火性、化学稳定性等。化学组成不同的材料其性质不同，例如碳素钢中含碳量的变化，碳素钢的强度、硬度、塑性、冲击韧性等将发生变化；同时，化学组成相同的材料其性质也可能不相同，如金刚石和石墨。所以，建筑材料化学组成的分析中应避免采用化学元素的分析方法。
矿物是指非金属材料中具固定化学成分和结构特征的单质和化合物，包括天然矿物和人造矿物。研究材料矿物组成是要探究其构成材料的矿物种类与含量。在无机非金属材料中，各种矿物的相对含量就决定了材料的性质。如硅酸盐水泥中，若熟料矿物硅酸三钙含量高，则该水泥的硬化强度就高；若熟料矿物硅酸二钙含量较多，则水泥的水化速度较慢，为低热水泥。1.1.2 材料的结构
材料的结构是指用肉眼或放大镜可以观察到或不能观察到的材料内部的组织状态，前者为宏观结构，后者为亚微观结构、微观结构。材料的结构是决定材料性能最重要的因素。材料的结构见表1-1。表1-1 材料的结构1.2材料的物理性质1.2.1 材料的密度、表观密度、堆积密度
材料的密度：材料在绝对密实状态下单位体积的干质量。按下列公式计算：3式中：ρ——密度，kg/m；
m——材料的质量，kg；3
V——材料在绝对密实状态下的体积，m。
材料的表观密度：块体材料在自然状态下，单位体积的干质量。按下列公式计算：30式中：ρ——表观密度，kg/m；
m——材料的质量，kg；30
V——材料在自然状态下的体积，m。
材料的堆积密度：散粒状材料在堆积状态下，单位体积的干质量。按下列公式计算：3式中：ρ′0——堆积密度，kg/m；
m——材料的质量，kg；3′
V0——材料在堆积状态下的体积，m。1.2.2 材料密实度、孔隙度
密实度（D）：是指材料体积内被固体物质充实的程度。按下列公式计算：
孔隙率（P）：是指材料体积内孔隙体积所占的比例。按下列公式计算：
可见，密实度与孔隙率的关系为
D+P=11.2.3 填充率、空隙率
填充率（D′）：是指散粒材料在某堆积体积中，被其颗粒填充的程度。按下列公式计算：
空隙率（P′）：是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒间的空隙体积所占的比例。按下列公式计算：
同样，填充率与空隙率的关系为
D′+P′=11.2.4 与水有关的性质
润湿角（接触角θ）是气、固、液三相的交点沿液面切线与液相和固相相接触的方向所成的角。材料与水有关的性质见表1-2。表1-2 材料与水有关的性质1．吸水性和吸湿性（1）吸水性
材料与水接触吸收水分的性质，用吸水率表示。
质量吸水率：材料在水中吸水达到饱和时，吸入水的质量占材料干质量的百分率。m式中：W——材料的质量吸水率，%；b
m——材料在吸水饱和状态下的质量，g或kg；g
m——材料在干燥状态下的质量，g或kg。
体积吸水率：材料在水中吸水达到饱和时，吸入水的体积占材料自然状态下体积的百分率。V式中：W——材料体积吸水率，%；b
m——材料吸水饱和状态下的质量，g或kg；g
m——材料干燥状态下的质量，g或kg；330
V——材料在自然状态下的体积，cm 或m ；333ww
ρ——水的密度，g/cm 或kg/m ，常温下取ρ=0.1/cm 。
质量吸水率与体积吸水率存在以下关系：Vm0
W =W×ρ330式中：ρ——材料干燥时的表观密度，g/cm或kg/m。
材料的吸水率和孔隙特征决定孔隙率大小。材料的水分通过开口孔吸入，并经过连通孔渗入材料内部。材料连接外界的细微孔隙越多，吸水性就越强。水分不易进入闭口孔隙，而开口的粗大孔隙，水分容易进入，但不能存留，故吸水性较小。
园林建筑材料的吸水率差别很大，例如，花岗石由于结构致密，其质量吸水率为0.2%～0.7%，混凝土的质量吸水率为2%～3%，烧结普通黏土砖的质量吸水率为8%～20%，木材或其他轻质材料的质量吸水率常大于100%。（2）吸湿性
材料在潮湿空气中吸收水分的性质，用含水率表示。当较潮湿的材料处在较干燥的空气中时，水分向空气中放出，是材料的干燥过程。反之，为材料的吸湿过程。由此可见，在空气中，材料的含水率是随空气的湿度变化的。其含水率计算公式为b式中：W——材料的含水率，%；s
m——材料在吸湿状态下的质量，g或kg；g
m——材料在干燥状态下的质量，g或kg。
当空气中湿度在较长时间内稳定时，材料的吸湿和干燥过程处于平衡状态，此时材料的含水率保持不变，其含水率叫做材料的平衡含水率。2．材料的耐水性
耐水性是指材料长期在饱和水作用下而不被破坏，其强度也不显著降低的性质。材料的耐水性用软化系数表示，按下式计算：软式中：K——材料软化系数；饱
f——材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；干
f——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。
软化系数的范围波动在0～1之间，当软化系数大于0.80时，认为是耐水性的材料。受水浸泡或处于潮湿环境的建筑物，则必须选用软化系数不低于0.85的材料建造。3．材料的抗渗性
材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质。抗渗性用渗透系数来表示，可通过下式计算：式中：K——渗透系数，cm/h；3
Q——渗水量，cm ；2
A——渗水面积，cm ；
H——材料两侧的水压差，cm；
d——试件厚度，cm；
t——渗水时间，h。
园林建筑材料中势必存在孔隙、孔洞及其他缺陷，所以当材料两侧水压差较高时，水可能透过孔隙或缺陷由高压侧向低压侧渗透，即发生压力水渗透，造成材料不能正常使用，产生材料腐蚀，造成材料破坏。
材料的抗渗性可以用抗渗等级来表示。抗渗等级是以标准试件在标准试验方法下，材料不透水时所能承受的最大水压力来确定。抗渗等级越高，材料的抗渗性能就越好。
材料抗渗性的高低与材料的孔隙率和孔隙特征有关。密实度大且具有较多封闭孔或极小孔隙的材料不易被水渗透。4．材料的抗冻性
材料的抗冻性是指材料在水饱和状态下，能经反复冻融而不被破坏的能力。用冻融循环次数表示。
材料吸水后，在零下负温条件下，材料中毛细孔内的水冻结冰、体积膨胀所产生的冻胀压力造成材料的内应力，导致材料遭到局部破坏。当反复冻融循环时，破坏作用会逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。材料受冻融破坏表现在表面剥落、裂纹、质量损失和强度降低等方面。材料的抗冻性与其内孔隙构造特征、材料强度、耐水性和吸水饱和程度等因数有关。
材料抗冻性用抗冻等级表示，根据试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来标定。
材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。抗冻性良好的材料，对于抵抗温度变化、干湿交替等破坏作用的能力也较强。所以，抗冻性常作为评价材料耐久性的一个指标。1.2.5 材料与热有关的性质1．材料的导热性
当材料两面存在温差时，热量从材料的一面通过材料传导到材料的另一面的性质。用导热系数表示。
导热性用导热系数λ表示。导热系数的定义和计算式如下所示：式中：λ——导热系数，W/（m·K）；
Q——传导的热量，J；2
F——热传导面积，m；
Z——热传导的时间，s；
d——材料厚度，m；21
t-t——材料两侧温度差，K。
在物理意义上，导热系数为单位厚度（1m）的材料、两面温度2差为1K时、在单位时间（1s）内通过单位面积（1m）的热量。
导热系数是评定材料保温隔热性能的重要指标，导热系数小，其保温隔热性能好。一般来说，金属材料的导热系数大，无机非金属材料适中，有机材料最小。例如，铁的导热系数比石灰石大，大理石的导热系数比塑料大，水晶的导热系数比玻璃大。这说明材料的导热系数主要取决于材料的组成与结构。孔隙率大且为闭口微孔的材料导热系数小。此外，材料的导热系数还与其含水率有关，含水率增大，其导热系数明显增大。2．热容量
材料在受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质称为材料的热容量。单位质量材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量称为热容量系数或比热容。比热容的计算式如下所示：式中：c——材料的比热容，J/（g·K）；
Q——材料吸收或放出的热量，J；21
t-t——材料两侧温度差，K；
m——材料的质量，g。
材料的热容量为比热容与材料质量的乘积。使用热容量较大的材料，对于保持室内温度稳定具有很重要的意义。例如，墙体、屋面等围护结构的热容量越大，其保温隔热性能就越好。在夏季户外温度很高，如果建筑材料的热容量大，升高温度所需吸收的热量就多，因此室内温度升高较慢。在冬季，房屋采暖后，热容量较大的建筑物，材料本身储存的热量较多，停止采暖后短时间内室内温度降低不会很快。
几种常用材料导热系数和比热容参见表1-3。表1-3 几种常用材料导热系数和比热容3．耐燃性和耐火性
耐燃性是指材料在火焰或高温作用下可否燃烧的性质。按照遇火时的反应将材料分为非燃烧材料、难燃烧材料和燃烧材料三类。
① 非燃烧材料。在空气中受到火烧或高温作用时，不起火、不炭化、不微烧的材料，称为非燃烧材料，如：砖、混凝土、砂浆、金属材料和天然或人工的无机矿物材料等。
② 难燃烧材料。在空气中受到火烧或高温作用时，难起火、难炭化，离开火源后燃烧或微烧立即停止的材料，称为难燃烧材料，如石膏板、水泥石棉板、水泥刨花板等。
③ 燃烧材料。在空气中受到火烧或高温作用时，立即起火或燃烧，离开火源后继续燃烧或微燃的材料，称为燃烧材料，如胶合板、纤维板、木材、织物等。
耐火性是指材料在火焰或高温作用下，保持其不破坏、性能不明显下降的能力。用其耐火时间（h）来表示，称为耐火极限。通常耐燃的材料不一定耐火，如钢筋，耐火的材料一般耐燃。1.3材料的力学性质1.3.1 材料的强度
材料强度是指材料受外力作用直至破坏时，单位面积上所承受的最大荷载。有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度，见表1-4。表1-4 材料试验强度分类2注：p——破坏载荷（N）; A——受荷面积（mm）; L——试验标距（mm）; b——断面宽度（mm）; d——断面高度（mm）。影响因素：①内因：指组成、结构的影响。②外因：包括试件尺寸和形状、加荷速度、环境温湿度等。1.3.2 弹性和塑性
弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状，这种完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。
塑性：材料在外力作用下产生变形，如果外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝，这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。1.3.3 脆性和韧性
脆性：当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时并无明显的塑性变形的性质。
韧性（冲击韧性）：在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质。1.3.4 材料的耐久性
材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗其自身及环境因素、有害介质的破坏，能长久地保持其原有性能不变质、不破坏的性质。材料在使用过程中，会受到多种因素的作用，除了受各种外力的作用外，还受到各种环境因素的作用，通常可分为物理作用、化学作用、生物作用三个方面。
物理作用是指材料在使用环境中的受冻融循环、风力、湿度变化、温度变化等破坏，导致材料体积收缩和膨胀，并使材料产生裂缝，最终使材料发生破坏。
化学作用是指材料受到酸、碱、盐等物质的水溶液或有害气体的侵蚀，使材料的组成成分发生质的变化而致破坏。
生物作用是指生物对材料的破坏，例如，昆虫或菌类对材料的腐蚀作用。
材料可同时受到多种不利因素的联合破坏，所以，材料在使用中受到的破坏作用可以不止一种。材料的耐久性直接影响建筑物的安全性和经济性，正确地设计、合理选择材料，正确施工、使用、维护，可以提高材料的耐久性，延长建筑物的寿命，降低使用过程中的运行费用和维修费用，从而获得较佳的社会效益和经济效益。复习思考题
1．什么叫做材料的组成？举例说明组成与材料性质的联系。
2．什么叫做材料的密度、表观密度、堆积密度？
3．什么是材料的空隙率和填充率？如何进行计算？
4．什么是材料的吸水性？用什么技术指标表示？如何计算？
5．什么是材料的含水率？在工程中有何实用意义？
6．什么是材料的抗渗性、抗冻性和耐水性？各用什么指标表示？如何通过改善材料孔隙的构造来提高这些性能？
7．材料的导热系数、比热容和热容量与建筑物的使用功能有何联系？
8．材料理论强度公式的物理意义是什么？材料实际强度为什么与理论强度存在巨大差异？
9．影响材料强度的因素有哪些？
10．在园林工程实践中如何对不同材料的强度进行合理利用？
11．材料的弹性、塑性、韧性、脆性的定义各是什么？
12．什么叫做材料的耐久性？影响材料耐久性的因素有哪些？
13．高耐久性材料的应用对现代建筑有何意义？2气硬性胶凝材料
建筑材料中，凡是材料自身或与其他物质（如水等）混合后，经过一系列化学变化、物理变化或物理化学变化，能逐渐硬化形成人造石，并且能将散粒材料（如砂、石子等）和块、片状材料（如砖、石块等）胶结成具有强度的整体，这一类材料称为建筑用胶凝材料。
胶凝材料，又称胶结材料，是指在物理、化学作用下，从具有可塑性的浆体逐渐变成坚固石状体，并能将其他物料胶结为整体、具有一定机械强度的物质。胶凝材料的发展有着悠久的历史，人们使用最早的胶凝材料——黏土来抹砌简易的建筑物；接着出现的水泥等建筑材料都与胶凝材料有着很大的关系。胶凝材料具有一些优异的性能，在日常生活中应用较为广泛。随着胶凝材料科学的发展，胶凝材料及其制品工业必将产生新的飞跃。
胶凝材料按其化学组成，可分为有机胶凝材料、无机胶凝材料和复合胶凝材料；按其获得方式可分为天然胶凝材料和人工胶凝材料。目前，在建筑工程中使用量最大的是人工的无机胶凝材料。
无机胶凝材料通常是一些粉状的矿物质材料，其加水后可进行水化、凝结硬化而具有胶凝性能。无机胶凝材料按其硬化时的条件可分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。
气硬性胶凝材料只能在空气中进行硬化，并且只能在空气中保持或发展其强度，如石灰、石膏、水玻璃等；水硬性胶凝材料不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化并保持、发展其强度，如各种水泥。2.1建筑石膏4
石膏是单斜晶系矿物，主要化学成分是硫酸钙（CaSO）。石膏是一种用途广泛的工业材料和建筑材料。可用于水泥缓凝剂、石膏建筑制品、模型制作、医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填料等。
石膏作为建筑胶凝材料，公元前2500年建造的古埃及胡夫金字塔就采用了石膏砂浆作为胶凝材料来黏结和砌筑石块。现代建筑中，石膏作为胶凝材料仍有着广泛的应用。石膏原料丰富，生产工艺简单，生产能耗低，价格低廉，不污染环境。石膏具有许多优良的性能，特别适用于现代建筑的室内隔断、装饰、装修工程。另外，石膏作为原材料还可应用于混凝土工程、硅酸盐制品和水泥工业等方面。总之，石膏作为一种环保型建筑材料已引起人们越来越多的重视。2.1.1 石膏的原料和生产42
生产石膏的原料有天然二水石膏（CaSO·2HO）、天然无水石4膏（CaSO）和化工石膏。
天然二水石膏质地较软，故又称为软石膏，是石膏胶凝材料的主要原料。纯净的二水石膏呈透明无色或白色状，天然二水石膏矿物因常含有砂、黏土、碳酸盐矿物以及氧化铁等各种杂质而呈灰色、褐色、赤色、淡黄色等颜色。天然二水石膏矿物晶形呈板状、叶片状、针状和纤维状，也有呈可见柱状晶形和燕尾形的双生连晶。天然二水石膏3的密度介于2.20～2.40g/cm，莫氏硬度为2。
天然无水石膏质地较硬，又称为硬石膏，其密度为2.90～3.00g/3cm，莫氏硬度为3～4。硬石膏一般呈白色或透明无色，因含有杂质，多呈浅蓝、浅灰或浅红色。
化工石膏是化工生产中的副产品或废料，主要化学成分是硫酸钙，常用作生产石膏的原料，如磷石膏、氟石膏、芒硝石膏等。
石膏胶凝材料经过原料破碎、加热和熟料磨细等生产工序加工而成。
在温度120～180℃ 的加热条件下，天然二水石膏脱去112个结晶水成为半水石膏，称这种半水石膏通常为低温煅烧石膏。
低温煅烧的半水石膏在不同加热环境、压力下生成不同的品种：当二水石膏在蒸压条件下加热脱出液体结晶水后，生成α型半水石膏；当二水石膏在缺少水蒸气的干燥（常压）条件下加热脱出水蒸气后，生成β型半水石膏。加热化学反应式如下：
α型半水石膏又称为高强石膏，加热的原材料要求为杂质含量较少的天然二水石膏。因α型半水石膏晶粒较粗大，在水中的分散度较小，用其制备成标准稠度的净浆时需水量较小，故其浆体硬化后孔隙率较低，强度较高。
β型半水石膏又称为普通建筑石膏，在建筑材料上应用最多。β型半水石膏的晶粒较细小，在水中的分散度较大，需水量较大，硬化时水化产物不能充分地占据浆体的原充水空间，其硬化浆体孔隙率较大，强度较低。2.1.2 煅烧温度和石膏变种
随着煅烧温度的增高，石膏生成品的组成、结构会发生改变，从而形成不同的石膏变种。在石膏胶凝材料生产中，可通过改变煅烧温度来得到更多的石膏品种。4
在不同的煅烧温度下，石膏的变种有可溶性硬石膏（CaSOⅢ）、44不溶性硬石膏（CaSOⅡ）和高温煅烧石膏（CaSOⅠ+CaO）三种。
当煅烧温度升至230～360℃时，生成可溶性硬石膏。该石膏变种已无结晶水，但石膏晶体仍基本保持原来半水石膏的结晶格子形式。因水分子的失去使可溶性硬石膏的结构比较疏松，它的标准稠度需水量比半水石膏多25%～30%，所以硬化后强度较低。因此，在石膏生产中应尽量避免出现可溶性硬石膏这一石膏变种。
当煅烧温度升至500～750℃时，能得到不溶性硬石膏变种。此时石膏晶体已不同于原来半水石膏的结晶格子形式，结构比较致密，难溶于水。由于溶解度较小，不溶性硬石膏水化反应能力降低很多，如没有激发剂，不溶性硬石膏几乎不能发生水化反应。生产中常将不溶性硬石膏磨成细粉并加入石灰等激发剂，使其具备一定的水硬胶凝性能，这些物质混合体称为硬石膏水泥或无水石膏水泥。
当煅烧温度达到800～1100℃时，生成高温煅烧石膏。高温煅烧4石膏除了完全脱水的无水石膏外，还有部分CaSO发生分解得到的游离CaO。此石膏变种较好地保持了硬石膏的结晶格子形式，由于分解出部分三氧化硫而导致其结构较疏松，在没有激发剂参与的情况下，也具有水化、硬化的能力。这一石膏变种凝结较缓慢，但耐水性、耐磨性较好，适用于制作地板，又称为地板石膏。2.1.3 建筑石膏的水化、凝结与硬化1．建筑石膏的水化
建筑石膏加水后立即会与水发生化学反应生成二水石膏。反应式为：
化学反应主要关心反应方向和反应速度，用溶解-结晶理论能够解释石膏化学反应的方向问题。
半水石膏加水后很快溶解，迅速形成半水石膏的饱和溶液。因二水石膏具有比半水石膏小得多的溶解度，该溶液对二水石膏来说呈高度过饱和状态，会很快析出二水石膏晶体。由于二水石膏晶体析出使溶液的浓度降低，打破了溶液的溶解平衡，半水石膏会进一步溶解以补偿溶液中减少的离子浓度。如此不断地发生半水石膏的溶解和二水石膏的析晶过程，直到半水石膏完全水化为止。
半水石膏的溶解度与同条件下二水石膏的平衡溶解度之比称为石膏溶液的过饱和度。石膏的水化反应速度取决于溶液的过饱和度；过饱和度越大，水化反应速度越快。工程上可采用增添外加剂的方法来改变半水石膏的溶解度，以此控制石膏溶液的过饱和度和水化速度，以满足施工需要。2．建筑石膏的凝结与硬化
石膏的凝结硬化过程为物理或物理化学变化过程，通常情况下，可采用一些重要的物理参数，如流动性、放热量、强度和时间参数的关系来进行研究。
研究结果表明，石膏浆体在不同的龄期有不同的结构特征，依据这些结构特征可将石膏浆体的凝结硬化过程划分为以下三个阶段。
第一阶段，对应于石膏浆体的悬浮体结构生成。石膏加水后因水的溶解与分散作用，致使细微的固体粒子悬浮在水中，水为连续相，固体为分散相。过饱和溶液中有少量晶体析出，浆体因快速溶解而有明显的放热现象，此时浆体的流动性和可塑性较好。此阶段发生时间较短。
第二阶段，对应于凝聚结构的生成。此时，随着水化的进行，虽然在半水石膏固体粒子表面水化产物不断析出，固相尺寸和比例不断增大，由于固体粒子之间存在一层水膜，未能直接接触，粒子之间通过水膜以分子力相互作用，故这种结构无实质性的强度，并具有触变复原的特性。在此阶段，浆体的流动性与可塑性随时间的增加而降低。
第三阶段，对应于结晶结构网的生成和发展。在此阶段，由于晶核的大量形成、长大以及晶体之间相互接触连生，进而在整个浆体中生成结晶结构网。固相成为连续相，水成为分散相，浆体已有强度并随时间的增长而增强，直至水化过程终结时，强度才停止发展，也不再具有触变复原性。此阶段发生时间较长。2.1.4 建筑石膏的性质
通常的建筑石膏指β型半水石膏磨细而成的白色粉末材料，其密33度为2.50～2.70g/cm，堆积密度800～1450kg/m。
国家规定的建筑石膏技术指标有强度、细度和凝结时间，按2h强度（抗折）分为3.0、2.0、1.6三个等级，见表2-1。表2-1 物理力学性能（GB9776—2008）
建筑石膏的强度包括抗压强度和抗折强度，是按规定的方法用标准稠度的石膏强度试件测定；建筑石膏的凝结时间包括初凝时间和终凝时间，是用标准稠度的石膏浆体在凝结时间测定仪上测定；建筑石膏的细度用筛分法测定。
建筑石膏的凝结硬化速度较快。正常情况下，石膏加水拌和几分钟后浆体就开始失去塑性达到初凝，20～30min后浆体即完全失去塑性达到终凝。当初凝时间较短导致施工成型困难时，可掺入缓凝剂（如1%的亚硫酸盐酒精废液、0.1%～0.5%的硼砂、0.1%～0.2%的动物胶等）来延缓初凝时间，以降低半水石膏溶解度或溶解速度，减慢水化速度。
建筑石膏在硬化过程中体积略有膨胀，线膨胀率为1%左右，这一性质与其他多数胶凝材料有显著不同。因无收缩裂缝生成，石膏可以单独使用。特别是在装饰、装修工程中，其微膨胀性能塑造的各种建筑装饰制品形体饱满密实，表面光滑细腻，装饰效果很好。
半水石膏的理论水化需水量约为其质量的18.6%，为使石膏浆体具有一定的流动性和可塑性，施工中通常要加入60%～80%的水。这些多余的自由水在石膏浆体硬化后蒸发而留下大量的孔隙，其孔隙度可达40%～60%。由于具有多孔构造，石膏制品具有密度较小、质量较轻、强度低、隔热保温性好、吸湿性大、吸声性强等特性。
气硬性胶凝材料的硬化体的共有性能特点是耐水性差、强度低。耐水性差主要是其水化产物的多孔构造和溶解度较大。二水石膏的溶解度是水泥石中水化硅酸钙的30倍左右。另外，石膏硬化体中的结晶接触点区段因晶格的变形和扭曲而具有更高的溶解度，在潮湿条件下易溶解和再结晶成较大晶体，从而导致石膏硬化浆体的强度降低。石膏硬化浆体强度低主要是因为多孔构造性以及水化产物本身强度较低。石膏硬化浆体在干燥环境下的抗压强度为3～10 MPa，而在吸水饱和状态时其强度降低可达70%左右，软化系数为0.20～0.30。
建筑石膏硬化后的主要成分是带有结晶水的二水石膏。二水石膏遇火时可分解出结晶水并吸收热量，脱出的水分在制品表面形成蒸汽幕层。在结晶水完全分解以前，温度的上升十分缓慢，生成的无水石膏为良好的绝热体，防火性能较好。但石膏制品不宜长期在高温环境中使用，因为二水石膏脱水过多会降低强度。
石膏硬化浆体孔隙率大、孔径细小且分布均匀，因此石膏制品具有较高的吸湿透气性能，对室内湿度有一定的调节作用。此外，二水石膏质地较软，可锯、可钉而不开裂，加工性好。2.1.5 石膏的应用
建筑石膏分布广泛、原料丰富，其生产工艺简单、无污染、价格便宜，是现代建筑材料中非常重要的品种。建筑石膏主要应用于室内装饰、装修、吊顶、隔断、吸声、保温、隔热及防火等方面，一般做成石膏抹灰砂浆、石膏装饰制品、石膏板制品等。另外，在建筑工程的其他方面也有广泛的用途。1．制作石膏抹灰砂浆
建筑石膏中加入水、细骨料和外加剂等可制成石膏抹灰砂浆，石膏抹灰墙面和顶棚具有不开裂、保温、调湿、隔音、美观等特点。抹灰后的墙面和顶棚还可以直接涂刷油漆、涂料及粘贴墙纸。建筑石膏中加入水和石灰可用作室内粉刷涂料，粉刷后的墙面和顶棚表面光滑、细腻、美观。2．制作石膏装饰制品
在建筑石膏中加入水、少量的纤维增强材料和胶料后，拌和均匀制成石膏浆体，利用石膏硬化时体积膨胀的性质，可成型制成各种石膏雕塑、饰面板及各种建筑装饰零件，如石膏角线、角花、罗马柱、线板、灯圈、雕塑等艺术装饰石膏制品。3．制作各种石膏板制品
建筑石膏是制作各种石膏板材的主要原料，石膏板是一种强度较高、质量轻、可锯可钉、绝热、防火、吸声的建筑板材，是当前重点发展的新型轻质板材。石膏板广泛地应用于各种建筑物的墙体覆面板、天花板、内隔墙和各种装饰板。
在石膏板的生产制作过程中，为了获得更多优良的性能，通常加入一些其他材料和外加剂。制造石膏板时加入膨胀珍珠岩、陶粒、锯末、膨胀矿渣、膨胀蛭石等轻质多孔材料，或加入加气剂、泡沫剂等可减小其表观密度并提高隔音性、保温性；在石膏板中加入石棉、麻刀、纸筋、玻璃纤维等增强材料，或在石膏板表面粘贴纸板，可以提高其抗裂性、抗弯强度并减小脆性；在石膏板中加入粒化矿渣、粉煤灰、水泥以及各种有机防水剂可以提高其耐水性。加入沥青质防水剂并在板面包覆防水纸或乙烯基树脂的石膏板，不仅可以用于室外，也可以用于室内，甚至可以用于浴室的墙板。
我国目前生产的石膏板，主要有纸面石膏装饰板、空心石膏条板、纤维石膏板和石膏板等。
纸面石膏板以建筑石膏作芯材，两面用纸护面而成，主要用于内墙、隔墙和天花板处，安装时需先架设龙骨。
石膏空心条板以建筑石膏为主要原料，加入纤维等材料以类似于混凝土空心板生产工艺制成。石膏空心条板孔数为7～9个，孔洞率为30%～40%，不需设置龙骨，施工方便，主要用于内墙和隔墙。
石膏装饰板的主要原料为建筑石膏、少量的矿物短纤维和胶料。石膏装饰板是具有多种图案和花饰的正方形板材，边长为300～900mm，有平板、多孔板、印花板、压花板、浮雕板等，造型美观多样，主要用于公共建筑的墙面装饰和天花板等。
纤维石膏板是以建筑石膏、纸浆、玻璃或矿棉短纤维为原料制成的无纸面石膏板。这种石膏板的抗弯强度和弹性模量都高于纸面石膏板，可用于内墙和隔墙，也可用来代替木材制作家具。
另外，还有石膏矿棉复合板、防潮石膏板、石膏蜂窝板、穿孔石膏板等，可分别用作吸声板、绝热板，以及顶棚、墙面、地面基层板材料。4．石膏的其他用途
石膏除了广泛地应用于建筑装修、装饰工程外，还大量地应用于建筑工程中的其他方面。例如，加入泡沫剂或加气剂可制成多孔石膏砌块制品，用作建筑物的填充墙材料，能改善绝热、隔音等性能，并能降低建筑物自重。
在硅酸盐水泥生产中必须加入石膏作为缓凝剂；石膏可生产无熟料水泥，如石膏矿渣无熟料水泥等；石膏可制造硫铝酸盐膨胀水泥和自应力水泥；石膏可生产各种硅酸盐制品和用作混凝土的早强剂等。高温煅烧石膏可做成无缝地板、人造大理石、地面砖以及墙板和代替白水泥用于建筑装修。
建筑石膏在运输和储存过程中应防止受潮，储存期一般不宜超过三个月，超过三个月后，其强度可降低30%。2.2建筑石灰
石灰是一种古老的建筑胶凝材料。在距今已有三千多年历史的陕西岐山凤雏西周遗址中，其土坯墙就采用了三合土（石灰、黄沙、黏土）抹面。石灰原材料储量大、分布广，其成本低廉、生产工艺简单、性能优良，至今仍被广泛地应用于建筑工程和建筑材料生产。2.2.1 石灰的原料与生产
制造石灰的原料是天然岩石，以碳酸钙为主要成分，如白云石、石灰石、大理石碎块、白垩等，另外还可利用电石渣（主要成分为氢氧化钙）等工业废渣来生产石灰。
将主要成分为碳酸钙的原料，在适当的温度下进行煅烧，分解出二氧化碳，得到以氧化钙为主要成分的气硬性胶凝材料——生石灰。反应式如下：
碳酸钙的分解过程是可逆的，为了使反应向正方向进行，需要在石灰煅烧过程中适当提高煅烧温度并及时排出二氧化碳气体。
天然石灰原料常含有黏土等杂质，当黏土杂质含量超过8%时，由于固相反应生成较多的水硬性矿物，如β型硅酸二钙等，会使石灰性质发生变化，即由气硬性石灰转向水硬性石灰，因此在石灰生产中应控制黏土杂质的含量。
另外，石灰原料中还常含有碳酸镁成分，在石灰煅烧时会形成氧化镁。根据生石灰中氧化镁的含量可分为钙质生石灰（氧化镁含量不大于5%）和镁质生石灰（氧化镁含量大于5%）。
碳酸钙分解时，失去原质量44%的二氧化碳气体，而煅烧石灰的表观体积仅比石灰石表观体积减小10%～15%，因此生石灰具有多孔结构。
常压下，碳酸钙的理论分解温度为898℃，实际生产中煅烧温度受到原材料种类、结构、料块尺寸、致密程度、杂质含量以及窑体热损失等诸多因素的影响，实际煅烧温度应显著高于理论温度，一般控制在1000～1200℃或者更高一些。
控制适宜的煅烧温度和煅烧时间是获得优质生石灰的必要条件。
在煅烧温度过低、煅烧时间不充分的情况下，碳酸钙不能完全分解，将生成欠火石灰。欠火石灰会降低生石灰的产浆量，使生石灰的胶凝性能变差。在煅烧温度过高、煅烧时间过长的情况下，则生成过火石灰。过火石灰结构致密，具有较小的内比表面积、晶粒粗大，此时氧化钙处于烧结状态，其表面常被原料中易熔黏土杂质熔化时所形成的玻璃釉状物包覆，因此过火石灰的消解很慢。过火石灰用于工程中时会发生质量事故，在正常煅烧石灰硬化以后过火石灰才缓慢地吸湿消解，放出热量并产生体积膨胀，引起石灰硬化浆体的隆起和开裂。
石灰原料中所含的菱镁矿杂质，其分解温度比碳酸钙低很多，在煅烧过程中氧化镁处于过烧状态，从而影响石灰的质量。故当原料中菱镁矿含量较多时，应在保证碳酸钙充分分解的前提下尽量降低煅烧温度。对于硅酸盐制品，为避免引起体积安定性不良，应限制原料中菱镁矿的含量。2.2.2 石灰的消解
建筑工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为氢氧化钙即熟石灰后，再进行施工，这个过程称为石灰的消解或熟化。反应式如下：
生石灰熟化时放出大量的热量，其最初1h的放热量是半水石膏的10倍和普通硅酸盐水泥的9倍；生石灰熟化时体积膨胀1～2.5倍。石灰水化时的上述特征，在使用过程中必须予以特别的重视。
在生石灰的消解过程中应注意温度的控制：温度过低时消解速度较慢，温度过高时又会引起可逆反应，使氢氧化钙重新分解，从而影响消解质量。生石灰在消解过程中的体积膨胀会产生14MPa以上的膨胀压力，当使用生石灰来制作石灰制品和硅酸盐制品时，如果不设法抑制或消除生石灰的这种有害膨胀，它就会使制品发生破坏性的体积变形。因此，在建筑工程中采用熟石灰进行施工不失为一种安全可靠的方法。
生石灰消解的理论用水量为其质量的32%，由于石灰消解时温度较高，水分蒸发较多，为了保证氧化钙的充分水化，实际的用水量明显地多于理论用水量。
根据用水量的不同，可将生石灰消解成消石灰粉和石灰膏两种熟石灰。
加入适量的水（一般为生石灰质量的60%～80%）可得到消石灰粉，具体的加水量按实际情况以经验确定，加入的水分应保证生石灰充分消解又不致过湿成团。消解过程在密闭的容器中进行较佳，此时既可减少热量损失和水分蒸发，又能防止碳化。工地上常采用分层喷淋法生产消石灰粉。将生石灰碎块平铺于不能吸水的平地上，每层厚约20cm，用水喷淋一次，然后上面再铺一层生石灰，接着再喷淋一次，直至5～7层为止，最后用砂或土予以覆盖，以保持温度、防止水分蒸发，使石灰充分消解，同时又可阻止产生碳化作用。在此条件下静置14d以上即可取出使用。消石灰粉用于拌制石灰土（黏土、石灰）和三合土（石灰、碎砖、黏土或炉渣、砂石等骨料），应用于地面、道路基层、建筑物基础等工程。
加入大量的水可制得消石灰膏。石灰膏是将生石灰在化灰池或熟化机中加水搅拌，先消解成稀薄乳状的石灰浆，然后经滤网过滤除去未消解颗粒或杂质后流入储灰池，石灰浆的表面应覆盖一层水，以隔绝空气防止石灰浆碳化。在此条件下静置14d以上后，除去上层水分取出储灰池中沉淀物即石灰膏进行施工。石灰膏用于调制石灰砂浆或水泥石灰混合砂浆，应用于工业与民用建筑的砌筑工程和抹灰工程。
上述两种熟石灰消解时静置14d以上的过程称为石灰的陈伏。石灰陈伏的目的是消除过火石灰的危害，得到质地较软、可塑性较好的熟石灰。在陈伏过程中应注意防止石灰的碳化。
建筑工程中采用熟石灰进行施工主要是为了避免生石灰由于水化时的放热和体积膨胀所带来的破坏。但熟石灰的硬化速度较慢，强度较低。用球磨机将块状生石灰磨细而得到的粉末状产品称为磨细生石灰粉，磨细生石灰水化时放热均匀且无明显的体积膨胀，因此磨细生石灰可不经消解，加入适量的水（一般占石灰质量的100%～150%）拌匀后即可使用。这时熟化和硬化成为一个连续的过程，由于磨得很细，过火石灰的体积膨胀危害得到了很好的抑制，因此磨细生石灰使用时不需陈伏。与一般使用方法相比，磨细生石灰制品具有较快的硬化速度和较高的强度。目前，磨细生石灰工艺不仅大量地应用于建筑材料工业生产，而且也越来越多地直接应用于建筑工程中。2.2.3 石灰的硬化
气硬性石灰在空气中的硬化是通过结晶和碳化两个同时进行的过程来完成的。1．结晶过程
石灰浆体在干燥环境中，其自由水逐渐蒸发或被基层材料所吸收，将引起氢氧化钙溶液的过饱和，从而产生结晶过程。氢氧化钙晶粒随结晶的进行不断长大并彼此靠近，最后交错结合在一起，形成一个整体。另外，石灰浆体由于失水收缩产生毛细管压力，使石灰粒子互相紧密靠拢而获得强度。2．碳化过程
石灰浆体表面的氢氧化钙与空气中的二氧化碳进行反应，生成实际上不溶于水的碳酸钙晶体，释放出的水分则被逐渐蒸发。反应式如下：
上述反应只是在有水存在的情况下才能进行。
生成碳酸钙时体积有所膨胀且碳酸钙的强度明显高于氢氧化钙，碳化后石灰浆体的密实度和强度均有明显的提高。由于空气中二氧化碳的浓度很小，按体积计算仅占整个空气的0.03%，并且石灰浆体表面已形成的致密的碳化层，使二氧化碳很难再深入其内部，因此碳化的过程更加缓慢；同时，已形成的碳化层也阻止了浆体内部水分的蒸发，使氢氧化钙的结晶速度减缓。因而石灰浆体的硬化是非常缓慢的。2.2.4 建筑石灰的技术要求与性质
建筑石灰根据成品加工方法的不同可分为块状的建筑生石灰、磨细的建筑生石灰粉、建筑消石灰膏和建筑消石灰粉。根据氧化镁含量的多少可分为钙质石灰、镁质石灰。根据有关的技术要求及指标划分为优等品、一等品和合格品三个等级（表2-2～表2-7）。表2-2 建筑生石灰的分类（JC/T479—2013）表2-3 钙质、镁质石灰的分类界限（氧化镁含量） （%）表2-4 建筑生石灰的化学成分（JC/T479—2013） （%）表2-5 建筑生石灰的物理性质（JC/T479—2013）表2-6 建筑生石灰技术要求 （%）
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]