无机结合料-道路工程：气硬性和水硬性类别及强度形成原因

无机结合料分为气硬性和水硬性两类。气硬性结合材料只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续增长其强度，石灰、石膏、水玻璃等属此类；水硬性胶结材料不仅能在空气中而且也能在水中保持或继续增长强度，硅酸盐水泥及其他品种的水泥均属此类。

（一）石灰

1.原料与制造工艺

工程中广泛使用的石灰均属于气硬性石灰，其主要原料为石灰石，主要成分为碳酸钙（CaCO3），其他如白垩与白云质石灰岩等天然原料也可用作制造石灰的原料。将上述原料加温锻烧，碳酸钙分解为氧化钙（CaO）即为生石灰：

实际生产中，由于石块尺寸和坚硬程度不均一，以及含有杂质和窑的构造等因素，煅烧温度常达1000～1100℃。生石灰为白色或灰白色块状，容重约为1000kg/m3，由于原料中还常含有少量碳酸镁，因此生石灰中常含有氧化镁（MgO），氧化镁含量大于7%者称为镁石灰，小于7%者称钙石灰。

2.石灰的熟化与硬化

使用时通常将生石灰（CaO）加水，使之消解为熟石灰Ca（OH）2，这个过程称为石灰的熟化，其反应式如下：

石灰的熟化为放热反应，熟化时体积增大1～2.5倍，煅烧良好，氧化钙含量高的石灰熟化快，放热量与体积增大也较多。

按石灰用途不同，工地上熟化石灰有以下两种方法。

其一，用于拌制石灰土、二渣、三渣等时，将生石灰熟化成熟石灰后使用，这时理论的加水量为31.2%，但为了防止温度升高致使水分蒸发而不能充分熟化，以致引起过烧现象，故实际加水量为生石灰重量的60%～80%，使其充分消解又不过湿成团，工地上常用分层浇水法，每层厚约为50cm。生石灰中常含有欠火石灰和过火石灰。由于欠火石灰不能全部消解，导致石灰利用率降低。过火石灰颜色深、密度大，表层常被粘土杂质融化形成的玻璃状物质覆裹，消解慢。石灰在硬化后，过火石灰颗粒才逐渐消解，体积膨胀，引起隆起和开裂。为了消除这一危害，一般在石灰熟化后需“陈伏”两星期以上才使用。

其二，制造石灰膏，通常用于调制石灰砌筑砂浆。熟化时需将生石灰制成石灰浆。

石灰浆在空气中硬化有下列两个过程：

（1）结晶作用。游离水分蒸发，使氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶出来。

（2）碳化作用。氢氧化钙与空气中的二氧化碳和水分化合生成碳酸钙结晶，析出水分并蒸发：

碳化作用实际上是CO2与H2O形成H2CO3，然后与Ca（OH）2反应生成CaCO3，因此这个作用过程不能在没有水分的全干状态下进行。

这两个过程Ca（OH）2结晶主要在内部发生，而碳化主要在表层，随时间增加，碳化层厚度增加，但发展较为缓慢。

3.石灰的技术标准与应用

从石灰浆的硬化过程可以看出，碳化与结晶过程都较缓慢，硬化只能在空气中进行（若将石灰直接用于地下或水中，由于水分不能蒸发，碳化不能进行，同时Ca（OH）2本身又不溶于水，因而硬化不能进行），且硬结后强度不高，1∶3石灰砂浆28d的抗压强度通常只有0.2～0.5MPa，因此不宜在潮湿环境中使用，也不宜用于重要结构物的基础。石灰浆收缩性大，因此常加入砂子或砂浆后用于干燥环境中且强度要求不高的结构物。

道路工程中常把石灰掺入土中拌成石灰土，石灰土板体性好、价廉、工艺简单，但不耐磨，只适宜做路面基层。石灰土强度形成，主要是由于石灰中的钙离子与土粒表面的钾、钠离子发生交换，使土的结合水膜变薄而成团粒，增大了土的内摩阻力。还由于石灰土压实时粘土颗粒表面的少量活性氧化硅、氧化铝和Ca（OH）2反应，生成不溶的含水硅酸钙与铝酸钙，粘结土颗粒，改善了石灰土的强度与水稳性。石灰土中的石灰剂量根据石灰中活性CaO和MgO的含量而定，一般石灰用量约为石灰土总重的10%左右。

生石灰在储运中应注意防潮，并且不能存放太久，宜在三个月内投入使用，否则会吸附空气中的水分，自动消解和碳化而失效。

石灰的技术标准见表2-12。

表2-12　石灰的技术标准

道路工程中还常采用石灰煤渣土、石灰水淬化铁炉渣、石灰粉煤灰（又称二灰）稳定土或集料来修筑路面基层。石灰煤渣土有较高的强度、较小的弯沉值、良好的荷载分布能力。其强度随龄期而增加，可作柔性路面与刚性路面的基层，它的良好的整体性，对于改善黑色面层的工作条件，保证软弱土基上的路面的正常使用是很有益的，它的早期性能近于柔性路面，后期性能接近刚性路面。石灰水淬渣有很好的板体性与水稳性，比石灰煤渣路强度高，有一定的抗弯强度及较小的弯沉值，是一种优良的半刚性路面，适宜于修筑不同交通量下各类路面的基层与底基层。

二灰土路面具有较石灰土稍高的强度，有一定板体性。较好的水稳性，但耐磨耗性差，宜于作稳定路基、市郊区路面的底基层，以及交通量及轴重不大的基层。

（二）水泥

水泥是重要的建筑材料之一。它呈粉状，与水混合成浆体，逐渐结硬为石状体，称为水泥石。水泥还具有将松散材料胶结成整体的性能，它不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，并保持与继续增加强度，故水泥属水硬性结合料。

水泥品种繁多，但硅酸盐水泥是最基本的品种。

1.硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的一般情况

硅酸盐水泥是指凡以适当成分的生料，烧至部分熔融，所得的以硅酸钙为主要成分的碳酸盐水泥熟料，加入适量的石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料。普通硅酸盐水泥指凡由硅酸盐水泥熟料、少量混合材料、适当石膏磨细制成的水硬性胶凝材料（简称普通水泥）。

水泥的生产工艺一般分为生料制备、燃烧及熟料粉磨三个步骤。

硅酸盐水泥中所含化学成分的大致范围如下：

以上化学成分不是单独存在的，水泥生料在窑中燃烧时经过复杂的化学过程生成硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写为C3S）、硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写为C2S）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写为C3A）、铝铁酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为，C4AF）等四种主要矿物成分。

2.水泥的凝结硬化

水泥加水后发生水化作用而凝结硬化，其过程是一种很复杂的物理—化学过程。根据现有研究，可从两方面加以说明：

其一为水泥的水化作用。水泥颗粒加水后，在表面的矿物立即与水发生水化，形成新生的水化物，并放出一定热量，水泥水化后，其主要水化生成物为氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙、水化铁酸钙。水泥在混凝土中所表现的各种特性，将主要决定于这些水化生成物的性质和相对含量。(www.xing528.com)

其二为水泥的物理变化过程。水泥加入适量水调成水泥浆，初始呈流动状态，具有一定的粘性和塑性，而后逐渐失去塑性，凝结而成固体，产生强度，最后形成坚固的水泥石。通常把由流动状态转变为固体状态的阶段称为凝固过程，以后逐渐产生强度的阶段称为硬化过程，实际上两个阶段是不能截然划分的。一般认为，水泥的凝结硬化过程，可分为三个阶段。

（1）预备期。在溶解期中，当水泥颗粒与水接触后，颗粒表面的矿物立即与水起水化作用，生成各种可溶性生成物，并迅速溶于周围水中，使水泥颗粒新表面层又暴露出来，再与水作用，再溶解，直至使水溶液很快达到饱和。

（2）凝结期。由于溶液已达饱和，水分继续深入颗粒内部，并生成新的各种水化生成物，但是这些新生水化物不再发生溶解，而是以极微细的颗粒分散于溶液中，微粒聚集而成胶体。但此时水泥颗粒间仍有大量游离水未被吸收，胶体尚甚稀薄，故水泥浆仍具有塑性。随着化学反应的继续进行，水泥浆中肢体微粒逐渐增加；同时水泥颗粒的内核部分也从周围的凝胶包裹膜中吸取水分，继续发生水解、水化作用。所有这些，都使水泥浆中的游离水分逐渐减少，胶体逐渐变稠，失去塑性，变成固体，但还只有很低的强度。

（3）硬化期。在上述凝胶体生成过程中，氢氧化钙和水化铝酸钙的凝胶开始结晶，而水化硅酸钙则长期地呈胶体状态。此时水泥石已有一定的强度，而后由于水分的蒸发、干涸和水泥颗粒的继续水化，胶体逐渐脱水而更加紧密，同时部分地转变为晶体，与凝胶体互相交错结合，使水泥石产生强度，且不断增加。

影响水泥凝结硬化的因素有矿物成分、水泥细度、拌和用水量、养护温度、外加剂等。

矿物成分的影响参见表2-13。

表2-13　水泥矿物成分与特性

细度：水泥粉越磨细，颗粒表面积就越大，与水接触面积也越大，水化作用快且充分。因而凝结硬化的速度也快，故早期强度亦较高。

拌和用水量：用水量较少时则水泥浆较稠，易于形成结晶网状结构，故凝结硬化较快。反之，则凝结硬化较慢。

养护温度：水泥在高温下（如热水或蒸气内）的凝结与硬化速度显著加快，低温时显著减慢。强度越低的水泥对温度敏感性越强，一般每上升5℃（以20℃为标准温度），凝结时间约缩短1h。硅酸盐水泥在70～80℃的湿热条件下，24h就能达到正常养护条件下28d强度的60%左右。

外加剂：在水泥中掺入各种外加剂，如促凝剂、缓凝剂或混合材料，均能改变凝结硬化速度。通常，掺石膏可起缓凝作用，掺氯化钙及氯化钠可起促凝快硬作用。

此外，水泥在储存与运输过程中，应防止受潮，否则水泥颗粒表面水化而结块，丧失胶结能力，强度大为降低。因此对受潮或储存过久的水泥应重新检验其实际强度。

3.硅酸盐水泥的技术性质

（1）比重与容重。硅酸盐水泥比重为3.0～3.15之间，计算配合比时可取3.10。水泥中掺有混合材料时比重稍有降低。其容重根据松紧程度变动在1000～1600kg/m3之间，在配制砂浆或混凝土时，水泥的容重一般可取1300kg/m3。

（2）细度。水泥细度对水泥的凝结硬化速度、强度、需水量、泌水性、体积收缩等性质都有微小影响。水泥愈细，其水化作用愈快，强度也愈高，但水泥细度过细则放热量大，收缩大，且不易保存，水泥成本也提高。国标规定：硅酸盐水泥细度采用透气法比表面积仪（GB8074—87）检验，要求其比表面积不小于300m2/kg；普通水泥、矿渣水泥、火山灰质水泥、粉煤灰水泥及道路水泥的细度用筛析法检验，要求在80μm方孔筛上筛余量不大于10%。

（3）需水量。水泥净浆达到标准稠度所需要拌和水的数量为需水量。加水量的多少对硬化时体积的收缩及硬化后水泥的强度及密实度均有影响，为相互比较测定结果，必须在标准稠度条件下测定。水泥标准调度需水量一般在23%～30%。

（4）凝结时间。凝结时间可分为初凝与终凝。水泥自加水时开始直到开始失去塑性的时间间隔称为初凝时间。从加水起至水泥浆完全失去塑性的时间间隔称为终凝时间。国家标准（GB177—85）规定水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于390min，目前我国生产的水泥初凝时间一般为1～3h，终凝时间为5～8h。规定初凝与终凝时间，主要是为了保证施工的顺利进行。

（5）体积安定性。水泥体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性，水泥体积安定性不合格，会使构件产生危险的裂纹，甚至破坏。影响水泥安定性的主要原因是含有过量的游离石灰、游离氧化镁与三氧化硫。但是由于氧化镁与石膏掺量在水泥制造过程中已控制，所以安定性不良的常见原因主要是氧化钙造成的。

国家标准规定用沸煮法和压蒸法检验水泥的体积安定性，安定性不合格，原则上不能使用。规定游离MgO＜5%，SO3＜3.5%。

（6）强度（标号）。水泥强度是评价水泥质量、确定水泥标号的重要指标，也是水泥混凝土和砂浆配合比设计的重要计算参数。水泥强度除了与水泥本身的性质（如熟料的矿物组成、细度等）有关外，还与水灰比、试件制作方法、养护条件和时间等有关。在确定水泥标号时，应按标准方法测试水泥的强度。

根据现行国标GB177—85《水泥胶砂强度检验方法》的规定，水泥强度检验是将水泥和标准砂以1∶2.5的比例混合后，按规定水灰比，用标准方法制成4cm×4cm×16cm的标准试件。在标准条件（20±2℃的水中）下养护，达到规定龄期（3、28d或7、28d）时，测定其抗折和抗压强度。

根据规定龄期测定的抗压强度和抗折强度值，按国家标准（GB177—85表2-2-7，表2-2-8）规定的最低强度值来评定各类水泥所属标号。现行国标将水泥分为普通型和早强型（或称R型）两类。早强型水泥的3d抗压强度可达28d抗压强度的50%，并较同标号普通型水泥3d强度提高10%～24%。

（7）水化热。水泥水化是放热反应，在水泥凝结硬化过程中放出大量热量。放热量的大小与快慢，首先决定于熟料中矿物的组成，此外水泥细度越细，水化作用越快，早期放热量较大。因此，水泥标号越高，其水化放热量越大，放热速度也越快。

（8）干缩率和磨损量。干缩率和磨损量是道路水泥的重要技术指标，用以反映水泥的干缩性和耐磨性。

水泥浆体在凝结硬化过程中，由于水分蒸发和环境因素的影响，将产生一定量的干缩变形。当干缩变形严重时水泥石会产生网裂、龟裂，以后会进一步发展成裂缝。这样，一方面破坏了水泥混凝土的整体性，阻碍应力传递和应力的合理分布，降低了混凝土强度和抗裂能力。另一方面，裂缝处被其他液体、雨水等侵入，易引起水泥石腐蚀，在气候寒冷时，冻融循环破坏加剧，严重降低水泥混凝土的耐久性和强度。按国标GB751水泥胶砂干缩性试验方法，道路水泥的28d干缩率不得大于0.10%。

由于车辆交通和行人来往，使路面受到磨耗作用，水泥的耐磨性直接影响路面的使用质量和使用寿命。按行业标准JC/T 421耐磨性试验方法，道路硅酸盐水泥磨损量不得大于3.60kg/m3。增加水泥中C4AF含量，减少C3A含量，可以提高水泥的耐磨性、抗冲击性及各类强度。一般而言，水泥抗压强度提高时，其密度增大，表面硬度提高，耐磨性也得以提高。

4.水泥的技术标准

我国现行国家标准（GB175—92）规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任一项不符合表2-14规定的水泥，均为废品。凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任一项不符合表2-14中规定，或混合材掺加量超过最大限量，或强度低于商品标号规定的指标时，均为不合格品。废品水泥在工程中严禁使用。

表2-14　硅酸盐水泥的技术标准

道路硅酸盐水泥应具备表2-15中规定的技术标淮，凡游离氧化钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、干缩性和耐磨性不符合表2-15中规定时，均为不合格品。

表2-15　道路水泥的技术标准

①　国标（GBJ97—94）的规定。

5.硅酸盐水泥的应用

硅酸盐水泥标号高，主要用于高强混凝土及预应力混凝土工程。它凝结硬化快、耐冻性好，适用于早期强度要求高的工程。又因为抗冻性好，适用于严寒地区遭受反复冰冻的工程，但硅酸盐水泥水化后生成较多的Ca（OH）2，故耐软水侵蚀和耐化学侵蚀差，不适于受流动的淡水及有水压作用的工程，也不适用于受海水、矿物水等作用的工程。同时由于水泥在受热时强度下降，故也不适用耐热要求的工程结构物。又因硅酸盐水泥在水化过程中要放出大量水化热，故不宜用于大体积工程。

道路硅酸盐水泥矿物组成比例基本在硅酸盐水泥的范围内，只是它有着偏高的C3S和C4AF含量及较低的C3A含量，这样就提高了水泥强度，特别是抗折强度。高C4AF及低C3A含量可以使水泥具有耐磨性好、干缩性小、抗冲击性好、抗冻性和抗硫酸盐性较好的特点。可以减少水泥混凝土的裂缝和磨损等病害，减少工程维修，延长混凝土的使用年限。因此，道路水泥特别适用于道路路面、机场跑道道面、城市广场铺面等工程。见表2-16。

表2-16　各类水泥的特性与选用