第一节 胶凝材料

胶凝材料是指在物理化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，同时可将砂、石、砖、砌块等散粒或块状材料胶结成整体并有一定强度的材料。常见的胶凝材料有石膏、水泥、石灰、沥青和各种树脂材料。石膏和石灰等胶凝材料只能在空气中硬化，可称之为气硬性胶凝材料。水泥等胶凝材料不但可以在空气中硬化，而且可以在水中硬化，并保持或提高其强度，可称之为水硬性胶凝材料。

1．沥青

沥青是复杂高分子碳氢化合物及非金属衍生物的混合物，呈黑褐色—黑色，常温下呈固体、半固体或液体状态，可溶于二氧化碳等有机溶液中。土木工程中常用的沥青主要有石油沥青、煤沥青和改性沥青。

石油沥青是石油经蒸馏炼出轻质油品及润滑油以后的残留物，经再加工得到的产品，呈黑色或棕褐色，为黏稠或固体状态，略有松香气味。石油沥青可用于屋面、地下防水、防腐蚀、道路路面或工业厂房地面等领域。

煤沥青为煤干馏为煤焦油，然后经分馏加工，提炼出各种油质后的产品，具有毒性和臭味，有较好的抗微生物腐蚀作用，常用于做防腐材料。

改性沥青是在沥青中掺入橡胶、树脂或高分子聚合物等外掺剂，或对沥青进行氧化、乳化或催化，使其性质得到改善，主要用于高等级道路路面。

将碎石、石屑、砂或矿粉等矿料与沥青拌合，可以形成沥青混合物，是高等级公路最主要的路面材料。

2．石灰

石灰是石灰石经900～1100℃高温下煅烧形成的以CaO为主要成分的气硬性胶凝材料，又称生石灰。石灰硬化后强度低，耐水性差，故不宜在潮湿环境中使用，也不宜单独使用。

生石灰熟化为石灰膏时，氢氧化钙表面吸附一层水膜，使得由石灰配置的砂浆具有良好的可塑性。石灰浆体硬化后强度不高，配比为1∶3的石灰砂浆28d抗压强度通常只有0.2～0.5MPa。硬化后的石灰受潮后，结晶析出的碳酸钙会再次微溶，因此石灰不宜用在潮湿环境中。

工程使用时常将生石灰进行熟化，可以制成石灰膏，主要用于拌制砌筑砂浆和抹面砂浆。也可将生石灰淋以适当的水，消解成氢氧化钙，磨细筛分得到干粉，称之为消石灰粉，可用来拌制灰土和三合土，但不宜拌制砂浆。

石灰还可以制作碳酸盐制品，生产加气混凝土制品，如轻质墙板、切块、隔热保温制品及碳化石灰板等。

3．石膏

石膏是以天然二水石膏矿石或含二水石膏的化学副产品和废渣为原料，以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料。工程中常用的是建筑石膏，它是天然二水石膏经过烘干和120～140℃的煅烧，脱水形成的半水石膏，再磨细制成的一定细度的粉料。建筑石膏加水拌制后的浆体具有良好的可塑性，具有较好的防火、隔热、和吸声性能，有良好的装饰性和可加工性。建筑石膏除用于室内抹面、粉刷外，更多用于制成各种石膏制品。

建筑石膏制品容易吸湿和吸水，在水中二水石膏还会溶解，耐水性差。另外，建筑石膏制品中的水分受冻后体积膨胀产生崩裂，抗冻性差。

石膏可以生产各种浮雕和装饰品，如浮雕饰线、角花和艺术灯圈等。石膏制品轻质、美观、新颖、价廉，但强度低，耐水性差。为了提高石膏的强度及耐水性，近年来我国科研工作先后研制了多种石膏外加剂，扩展了石膏的应用范围。

4．水泥

水泥是一种粉末状材料，加适当水调制后，经物理化学作用，可由可塑浆体变成坚硬石状体，水泥不但强度较高，而且还可以将散状、块状材料黏结成整体，可在水中或空气中凝结硬化，并保持发展其强度，是典型的水硬性胶凝材料。

水泥是土木工程中重要的建筑材料之一，其品种繁多，按其物质组成，可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等。其中，应用最广泛的是硅酸盐水泥。

硅酸盐水泥由熟料、0～5%石灰石或粒化高炉矿渣和适量石膏磨细而成，国外称之为波兰特水泥。硅酸盐水泥的优点是凝结硬化速度快、水化热大、抗冻性和耐磨性好、强度高，缺点是抗腐蚀性和耐热性差。硅酸盐水泥适用于早期强度高的工程、冬季施工工程、高强混凝土和预应力混凝土工程，不能用于大体积混凝土工程、高温环境工程、海水及侵蚀性介质存在的工程。

硅酸盐水泥可以和其他材料拌合成普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥及石灰石硅酸盐水泥等。另外还有一些特殊水泥，如快硬硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、高铝水泥、膨胀水泥等。

水泥生产的主要工艺流程如图2.1所示。

水泥加水拌合后即成为可塑的水泥浆，其后水泥浆逐渐变稠而失去塑性，但不具备强度，这一过程称为水泥的“凝结”。此后，强度逐渐提高，并变成坚硬的石状物体，即水泥石，称为水泥的“硬化”。水泥的凝结与硬化，除了与水泥熟料的矿物组成有关外，还与水泥的细度、加水量、硬化环境和硬化时间有关。

细度是影响水泥性能的重要物理指标。水泥颗粒粒径一般为0.007～0.2mm范围内，颗粒越细，与水发生反应的速度和凝结硬化速度就越快，强度也高，但是硬化后体积收缩较大，生产成本也较高。