[科普中國]-膠凝材料

定義

在建筑材料中，經(jīng)過一系列物理作用、化學(xué)作用，能從漿體變成堅固的石狀體，并能將其他固體物料膠結(jié)成整體而具有一定機械強度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠凝材料。

膠凝材料是指通過自身的物理化學(xué)作用，由可塑性漿體變?yōu)閳杂彩癄铙w的過程中，能將散?；驂K狀材料粘結(jié)成為整體的材料，亦稱為膠結(jié)材料。

分類根據(jù)化學(xué)組成的不同，膠凝材料可分為無機與有機兩大類。石灰、石膏、水泥等工地上俗稱為“灰”的建筑材料屬于無機膠凝材料；而瀝青、天然或合成樹脂等屬于有機膠凝材料。

無機膠凝材料按其硬化條件的不同又可分為氣硬性和水硬性兩類。

1、水硬性膠凝材料

和水成漿后，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化、保持和繼續(xù)發(fā)展其強度的稱水硬性膠凝材料。這類材料通稱為水泥，如硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥等。

2、氣硬性膠凝材料

非水硬性膠凝材料的一種。只能在空氣中硬化，也只能在空氣中保持和發(fā)展其強度的稱氣硬性膠凝材料，如石灰、石膏和水玻璃等；氣硬性膠凝材料一般只適用于干燥環(huán)境中，而不宜用于潮濕環(huán)境，更不可用于水中。

膠凝材料水玻璃

無色正交雙錐結(jié)晶或白色至灰白色塊狀物或粉末。能風(fēng)化。在100℃時失去6分子結(jié)晶水。易溶于水，溶于稀氫氧化鈉溶液，不溶于乙醇和酸。熔點40～ 48℃。低毒，半數(shù)致死量(大鼠，經(jīng)口)1280mg/kg(無結(jié)晶水)。

用途：

水玻璃的用途非常廣泛，幾乎遍及國民經(jīng)濟的各個部門。在化工系統(tǒng)被用來制造硅膠、白炭黑、沸石分子篩、五水偏硅酸鈉、硅溶膠、層硅及速溶粉狀硅酸鈉、硅酸鉀鈉等各種硅酸鹽類產(chǎn)品，是硅化合物的基本原料。在經(jīng)濟發(fā)達國家，以硅酸鈉為原料的深加工系列產(chǎn)品已發(fā)展到50余種，有些已應(yīng)用于高、精、尖科技領(lǐng)域；在輕工業(yè)中是洗衣粉、肥皂等洗滌劑中不可缺少的原料，也是水質(zhì)軟化劑、助沉劑；在紡織工業(yè)中用于助染、漂白和漿紗；在機械行業(yè)中廣泛用于鑄造、砂輪制造和金屬防腐劑等；在建筑行業(yè)中用于制造快干水泥、耐酸水泥防水油、土壤固化劑、耐火材料等；在農(nóng)業(yè)方面可制造硅素肥料；另外用作石油催化裂化的硅鋁催化劑、肥皂的填料、瓦楞紙的膠粘劑、實驗室坩堝等耐高溫材料、金屬防腐劑、水軟化劑、洗滌劑助劑、耐火材料和陶瓷原料、紡織品的漂、染和漿料、礦山選礦、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制膠粘劑等。

膠凝材料石灰

石灰一種以氧化鈣為主要成分的氣硬性無機膠凝材料。石灰是用石灰石、白云石、白堊、貝殼等碳酸鈣含量高的原料，經(jīng)900～1100℃煅燒而成。石灰是人類最早應(yīng)用的膠凝材料。石灰在土木工程中應(yīng)用范圍很廣，在我國還可用在醫(yī)藥用途。為此，古代流傳下以石灰為題材的詩詞，千古吟頌。

石灰粒子形成氫氧化鈣膠體結(jié)構(gòu)，顆粒極細(粒徑約為1μm)，比表面積很大(達10～30 m2/g)，其表面吸附一層較厚的水膜，可吸附大量的水，因而有較強保持水分的能力，即保水性好。將它摻入水泥砂漿中，配成混合砂漿，可顯著提高砂漿的和易性。

石灰依靠干燥結(jié)晶以及碳化作用而硬化，由于空氣中的二氧化碳含量低，且碳化后形成的碳酸鈣硬殼阻止二氧化碳向內(nèi)部滲透，也妨礙水分向外蒸發(fā)，因而硬化緩慢，硬化后的強度也不高，1：3的石灰砂漿28 d的抗壓強度只有0.2～0.5 MPa。在處于潮濕環(huán)境時，石灰中的水分不蒸發(fā)，二氧化碳也無法滲入，硬化將停止；加上氫氧化鈣易溶于水，已硬化的石灰遇水還會溶解潰散。因此，石灰不宜在長期潮濕和受水浸泡的環(huán)境中使用。

石灰在硬化過程中，要蒸發(fā)掉大量的水分，引起體積顯著收縮，易出現(xiàn)干縮裂縫。所以，石灰不宜單獨使用，一般要摻入砂、紙筋、麻刀等材料，以減少收縮，增加抗拉強度，并能節(jié)約石灰。

石灰具有較強的堿性，在常溫下，能與玻璃態(tài)的活性氧化硅或活性氧化鋁反應(yīng)，生成有水硬性的產(chǎn)物，產(chǎn)生膠結(jié)。因此，石灰還是建筑材料工業(yè)中重要的原材料。

膠凝材料石膏

石膏膠凝材料是一種以硫酸鈣（CaSO4）為主要成分的氣硬性無機膠凝材料。其品種主要有建筑石膏、高強石膏、粉刷石膏、無水石膏水泥、高溫煅燒石膏等。其中，以半水石膏（CaSO4·1/2H2O）為主要成分的建筑石膏和高強石膏在建筑工程中應(yīng)用較多，最常用的是建筑石膏。

建筑石膏是以β型半水石膏β-CaSO4·1/2H2O）為主要成分，不添加任何外加劑的粉狀膠結(jié)料，主要用于制作石膏建筑制品。建筑石膏色白，雜質(zhì)含量很少，粒度很細，亦稱型石膏，也是制作裝飾制品的主要原料。由于建筑石膏顆粒較細，比表面積較大，故拌合時需水量較大，因而強度較低。

建筑石膏的技術(shù)性質(zhì)

1.凝結(jié)硬化快。石膏漿體的初凝和終凝時間都很短，一般初凝時間為幾分鐘至十幾分鐘，終凝時間在半小時以內(nèi)，大約一星期左右完全硬化。為滿足施工要求，需要加入緩凝劑，如硼砂、酒石酸鉀鈉、檸檬酸、聚乙烯醇、石灰活化骨膠或皮膠等。

2.硬化時體積微膨脹。石膏漿體凝結(jié)硬化時不像石灰、水泥那樣出現(xiàn)收縮，反而略有膨脹（膨脹率約為1%），使石膏硬化體表面光滑飽滿，可制作出紋理細致的浮雕花飾。

3.硬化后孔隙率高。石膏漿體硬化后內(nèi)部孔隙率可達50～60%，因而石膏制品具有表觀密度較小、強度較低、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸聲性強、吸濕性大、可調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度的特點。

4.防火性能好。石膏制品在遇火災(zāi)時，二水石膏將脫出結(jié)晶水，吸熱蒸發(fā)，并在制品表面形成蒸汽幕和脫水物隔熱層，可有效減少火焰對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的危害。建筑石膏制品在防火的同時自身也會遭到損壞，而且石膏制品也不宜長期用于靠近65℃以上高溫的部位，以免二水石膏在此溫度下失去結(jié)晶水，從而失去強度。

5.耐水性和抗凍性差。建筑石膏硬化體的吸濕性強，吸收的水分會減弱石膏晶粒間的結(jié)合力，使強度顯著降低；若長期浸水，還會因二水石膏晶體逐漸溶解而導(dǎo)致破壞石膏制品吸水飽和后受凍，會因孔隙中水分結(jié)晶膨脹而破壞。所以，石膏制品的耐水性和抗凍性較差，不宜用于潮濕部位。為提高其耐水性，可加入適量的水泥、礦渣等水硬性材料，也可加入有機防水劑等，可改善石膏制品的孔隙狀態(tài)或使孔壁具有憎水性。1

石灰質(zhì)量要求石灰中產(chǎn)生膠結(jié)性的成分是有效氧化鈣和氧化鎂，其含量是評價石灰質(zhì)量的主要指標(biāo)。石灰中的有效氧化鈣和氧化鎂的含量可以直接測定，也可以通過氧化鈣與氧化鎂的總量和二氧化碳的含量反映，生石灰還有未消化殘渣含量的要求；生石灰粉有細度的要求；消石灰粉則還有體積安定性、細度和游離水含量的要求。

石灰應(yīng)用石灰在土木工程中應(yīng)用范圍很廣主要用途如下：

（1）石灰乳和砂漿 消石灰粉或石灰膏摻加大量粉刷。用石灰膏或消石灰粉可配制石灰砂漿或水泥石灰混合砂漿，用于砌筑或抹灰工程。

（2）石灰穩(wěn)定土 將消石灰粉或生石灰粉摻人各種粉碎或原來松散的土中，經(jīng)拌合、壓實及養(yǎng)護后得到的混合料，稱為石灰穩(wěn)定土。它包括石灰土、石灰穩(wěn)定砂礫土、石灰碎石土等。石灰穩(wěn)定土具有一定的強度和耐水性。廣泛用作建筑物的基礎(chǔ)、地面的墊層及道路的路面基層。

（3）硅酸鹽制品 以石灰(消石灰粉或生石灰粉)與硅質(zhì)材料(砂、粉煤灰、火山灰、礦渣等)為主要原料，經(jīng)過配料、拌合、成型和養(yǎng)護后可制得磚、砌塊等各種制品。因內(nèi)部的膠凝物質(zhì)主要是水化硅酸鈣，所以稱為硅酸鹽制品，常用的有灰砂磚、粉煤灰磚等。

發(fā)展史膠凝材料的發(fā)展，有著極為悠久的歷史。新石器時代，由于石器工具的進步，掘穴建室的建筑活動已經(jīng)興起。人類最早使用的膠凝材料——粘土來抹砌簡易的建筑物。在粘土中拌以植物纖維（稻草、殼皮）可以起到加筋增強作用。但是粘土的強度很低，遇水自行散解，不能抵抗雨水的侵蝕。隨著火的發(fā)現(xiàn)，煅燒所得石膏和石灰被用來調(diào)制建筑砂漿。公元初，古希臘人和羅馬人發(fā)現(xiàn)在石灰中摻入某些火山灰沉積物，不僅能提高強度，而且能御水的侵蝕。到10世紀(jì)后半期，先后出現(xiàn)了用粘土質(zhì)石灰石經(jīng)煅燒后制成的水硬性石灰和羅馬水泥。并在此基礎(chǔ)上，發(fā)展到用天然泥灰?guī)r（粘土含量在20%-25%左右的石灰石）煅燒，磨細制的天然水泥。 19世紀(jì)初，用人工配料，再經(jīng)煅燒、磨細以制造水硬性凝膠材料的方法，已經(jīng)開始組織生產(chǎn)。英國阿斯普丁于1824年首先取得了該項產(chǎn)品的專利權(quán)。他將石灰石粉碎后煅燒，將所得石灰與粘土混合在類似燒石灰的窯中煅燒。將煅燒所得混合物磨成細粉，再用來制造水泥和人工石。因為這種膠凝材料結(jié)硬后的外觀顏色和抗水性與當(dāng)時建筑上常用的英國波特蘭地區(qū)生產(chǎn)的石灰石相似，故稱之為波特蘭水泥。由于波特蘭水泥含有較多的具有水化活性的碳酸鈣。后來，不但能在水中硬化，而且能夠長期抗水，強度甚高。其首批大規(guī)模使用的實例是1825-1843年修建的泰晤士河道工程。

大多數(shù)的早期水泥廠都設(shè)在英國的泰晤士河和半得威河附近。后來水泥生產(chǎn)遍及全世界，應(yīng)用日益普遍。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，到20世紀(jì)初，就逐漸出現(xiàn)各種不同用途的硅酸鹽水泥，如快硬水泥、抗硫酸鹽水泥、大壩水泥以及油井水泥等。同期發(fā)明了高鋁水泥。近30年來，又陸續(xù)出現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥等品種，從而使水硬性膠凝材料又進一步發(fā)展成為更多類別。