第一節 膠凝材料

膠凝材料是指在物理化學作用下，從漿體變成堅固的石狀體，同時可將砂、石、磚、砌塊等散?；驂K狀材料膠結成整體并有一定強度的材料。常見的膠凝材料有石膏、水泥、石灰、瀝青和各種樹脂材料。石膏和石灰等膠凝材料只能在空氣中硬化，可稱之為氣硬性膠凝材料。水泥等膠凝材料不但可以在空氣中硬化，而且可以在水中硬化，并保持或提高其強度，可稱之為水硬性膠凝材料。

1．瀝青

瀝青是復雜高分子碳氫化合物及非金屬衍生物的混合物，呈黑褐色—黑色，常溫下呈固體、半固體或液體狀態，可溶于二氧化碳等有機溶液中。土木工程中常用的瀝青主要有石油瀝青、煤瀝青和改性瀝青。

石油瀝青是石油經蒸餾煉出輕質油品及潤滑油以后的殘留物，經再加工得到的產品，呈黑色或棕褐色，為黏稠或固體狀態，略有松香氣味。石油瀝青可用于屋面、地下防水、防腐蝕、道路路面或工業廠房地面等領域。

煤瀝青為煤干餾為煤焦油，然后經分餾加工，提煉出各種油質后的產品，具有毒性和臭味，有較好的抗微生物腐蝕作用，常用于做防腐材料。

改性瀝青是在瀝青中摻入橡膠、樹脂或高分子聚合物等外摻劑，或對瀝青進行氧化、乳化或催化，使其性質得到改善，主要用于高等級道路路面。

將碎石、石屑、砂或礦粉等礦料與瀝青拌合，可以形成瀝青混合物，是高等級公路最主要的路面材料。

2．石灰

石灰是石灰石經900～1100℃高溫下煅燒形成的以CaO為主要成分的氣硬性膠凝材料，又稱生石灰。石灰硬化后強度低，耐水性差，故不宜在潮濕環境中使用，也不宜單獨使用。

生石灰熟化為石灰膏時，氫氧化鈣表面吸附一層水膜，使得由石灰配置的砂漿具有良好的可塑性。石灰漿體硬化后強度不高，配比為1∶3的石灰砂漿28d抗壓強度通常只有0.2～0.5MPa。硬化后的石灰受潮后，結晶析出的碳酸鈣會再次微溶，因此石灰不宜用在潮濕環境中。

工程使用時常將生石灰進行熟化，可以制成石灰膏，主要用于拌制砌筑砂漿和抹面砂漿。也可將生石灰淋以適當的水，消解成氫氧化鈣，磨細篩分得到干粉，稱之為消石灰粉，可用來拌制灰土和三合土，但不宜拌制砂漿。

石灰還可以制作碳酸鹽制品，生產加氣混凝土制品，如輕質墻板、切塊、隔熱保溫制品及碳化石灰板等。

3．石膏

石膏是以天然二水石膏礦石或含二水石膏的化學副產品和廢渣為原料，以CaSO4為主要成分的氣硬性膠凝材料。工程中常用的是建筑石膏，它是天然二水石膏經過烘干和120～140℃的煅燒，脫水形成的半水石膏，再磨細制成的一定細度的粉料。建筑石膏加水拌制后的漿體具有良好的可塑性，具有較好的防火、隔熱、和吸聲性能，有良好的裝飾性和可加工性。建筑石膏除用于室內抹面、粉刷外，更多用于制成各種石膏制品。

建筑石膏制品容易吸濕和吸水，在水中二水石膏還會溶解，耐水性差。另外，建筑石膏制品中的水分受凍后體積膨脹產生崩裂，抗凍性差。

石膏可以生產各種浮雕和裝飾品，如浮雕飾線、角花和藝術燈圈等。石膏制品輕質、美觀、新穎、價廉，但強度低，耐水性差。為了提高石膏的強度及耐水性，近年來我國科研工作先后研制了多種石膏外加劑，擴展了石膏的應用范圍。

4．水泥

水泥是一種粉末狀材料，加適當水調制后，經物理化學作用，可由可塑漿體變成堅硬石狀體，水泥不但強度較高，而且還可以將散狀、塊狀材料黏結成整體，可在水中或空氣中凝結硬化，并保持發展其強度，是典型的水硬性膠凝材料。

水泥是土木工程中重要的建筑材料之一，其品種繁多，按其物質組成，可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥和氟鋁酸鹽水泥等。其中，應用最廣泛的是硅酸鹽水泥。

硅酸鹽水泥由熟料、0～5%石灰石或?；郀t礦渣和適量石膏磨細而成，國外稱之為波蘭特水泥。硅酸鹽水泥的優點是凝結硬化速度快、水化熱大、抗凍性和耐磨性好、強度高，缺點是抗腐蝕性和耐熱性差。硅酸鹽水泥適用于早期強度高的工程、冬季施工工程、高強混凝土和預應力混凝土工程，不能用于大體積混凝土工程、高溫環境工程、海水及侵蝕性介質存在的工程。

硅酸鹽水泥可以和其他材料拌合成普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥及石灰石硅酸鹽水泥等。另外還有一些特殊水泥，如快硬硅酸鹽水泥、快凝快硬硅酸鹽水泥、白色硅酸鹽水泥、高鋁水泥、膨脹水泥等。

水泥生產的主要工藝流程如圖2.1所示。

水泥加水拌合后即成為可塑的水泥漿，其后水泥漿逐漸變稠而失去塑性，但不具備強度，這一過程稱為水泥的“凝結”。此后，強度逐漸提高，并變成堅硬的石狀物體，即水泥石，稱為水泥的“硬化”。水泥的凝結與硬化，除了與水泥熟料的礦物組成有關外，還與水泥的細度、加水量、硬化環境和硬化時間有關。

細度是影響水泥性能的重要物理指標。水泥顆粒粒徑一般為0.007～0.2mm范圍內，顆粒越細，與水發生反應的速度和凝結硬化速度就越快，強度也高，但是硬化后體積收縮較大，生產成本也較高。