胶凝材料的类型及应用

土木工程材料中，凡是经过一系列物理、化学作用能将散粒状或块状材料黏结成整体的材料统称为胶凝材料。根据胶凝材料的化学组成，一般可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。无机胶凝材料有石膏、石灰、水玻璃和水泥等，有机胶凝材料有沥青、各种合成树脂等。

1.石膏

天然石膏的主要成分为二水石膏（CaSO4·2H2O）。将二水石膏在非密闭的窑炉中加热脱水可得到半水石膏（CaSO4·1/2H2O），即建筑石膏。

建筑石膏的初凝和终凝时间短，硬化后热导率小、吸声性强、吸湿性大，具有较好的防火性能，在建筑中可用于制作石膏抹灰材料、各种墙体材料、各种装饰石膏板（见图2-13）、石膏浮雕花饰、雕塑制品等。

图2-13　石膏板吊顶

2.石灰

石灰是土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。生石灰是将石灰石（主要成分为Ca-CO3）在1000℃～1100℃中煅烧获得的。将生石灰加水可使其消解为熟石灰。熟石灰又称为消石灰，主要成分为Ca（OH）2。

石灰在土木工程中可用于制作石灰乳和石灰砂浆，也可用于拌制石灰土和三合土，或用于生产硅酸盐制品。

3.水玻璃

水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐（见图2-14）。常用的是硅酸纳水玻璃（Na2O·nSiO2）。水玻璃具有良好的黏结性能和高度的耐酸性能，可配制快凝堵漏防水剂，或用于土壤加固等。

图2-14　水玻璃

4.水泥

水泥浆体不但能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度。水泥是土木工程中应用最广泛的胶凝材料之一。

1）硅酸盐水泥

硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥）是由硅酸盐水泥熟料、0～0.5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。硅酸盐水泥的生产工艺流程如图2-15所示。普通硅酸盐水泥的熟料主要由4种矿物组成：硅酸三钙（3CaO·SiO2），占36%～60%；硅酸二钙（2CaO·SiO2），占15%～36%；铝酸三钙（3CaO·Al2O3），占7%～15%；铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3），占10%～18%。

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图2-15　硅酸盐水泥的生产工艺流程

普通硅酸盐水泥凝结硬化快、强度高，抗冻性、耐磨性好；但耐腐蚀性、耐热性差，水化热大。因此主要用于重要结构的高强度混凝土和预应力混凝土工程，以及冬期施工及严寒地区遭受反复冻融的工程。普通硅酸盐水泥可分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级，其中代号“R”表示早强型水泥。

2）掺混合材料的硅酸盐水泥

为了改善水泥性能，调节水泥强度等级，常在水泥中加入人工或天然的非活性材料和粉煤灰、火山灰、高炉矿渣等活性材料，从而获得性能优良的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

3）其他水泥。

（1）白色和彩色硅酸盐水泥。白色硅酸盐水泥是将高岭土、纯石英砂、纯石灰石等含有极少量着色物质的原料烧成熟料，其矿物成分主要还是硅酸盐。将白色硅酸盐水泥熟料、石膏和耐碱矿物颜料共同磨细，可制成彩色硅酸盐水泥。白色和彩色硅酸盐水泥主要用于建筑物的表面装饰工程，也可用于制作雕塑及装饰部件等。

（2）抗硫酸盐硅酸盐水泥。抗硫酸盐硅酸盐水泥对硫酸盐侵蚀具有较强的抵抗能力，具有较低的水化热和较高的抗冻性。与通用水泥相比，抗硫酸盐硅酸盐水泥熟料中铝酸三钙和硅酸三钙的含量相对较少。抗硫酸盐硅酸盐水泥适用于一般受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下、隧涵、道路和桥梁基础等工程。

（3）砌筑水泥。砌筑水泥是在一种或两种以上的水泥混合材料中加入适量的硅酸盐水泥熟料和石膏，经磨细制成。砌筑水泥主要应用于砌筑和抹面砂浆、垫层混凝土等，不得用于结构混凝土。

（4）膨胀水泥和自应力水泥。一般水泥在硬化过程中会产生一定的收缩，而膨胀水泥和自应力水泥因加入了使水泥产生膨胀反应的物质，而在硬化过程中会有不同程度的膨胀。当水泥膨胀受到限制，水泥石本身会产生自应力。自应力大于2mPa的膨胀水泥称为自应力水泥。膨胀水泥主要适用于制作防渗混凝土，填灌混凝土结构或构件接缝，工程加固与修补，浇筑机器底座及固定地脚螺栓等；自应力水泥主要用于制作自应力钢筋混凝土压力管及配件。

（5）中热水泥、低热水泥和低热矿渣水泥。中热水泥和低热水泥都是在硅酸盐水泥熟料中加入适量的石膏，经磨细制成，具有中等和较低的水化热。低热矿渣水泥是在硅酸盐水泥熟料中加入矿渣、适量的石膏，经磨细获得的具有低水化热的水泥。由于这些水泥的水化热不高，主要适用于大坝和大体积混凝土工程。

（6）道路硅酸盐水泥。道路硅酸盐水泥是在道路硅酸盐水泥熟料中加入适量的活性材料和石膏，经磨细制成。道路硅酸盐水泥抗弯强度高、耐磨性好，抗冲击性与抗冻性较好，主要适用于道路路面、机场跑道等混凝土工程。

5.沥青及沥青混合料

沥青是一种褐色或黑褐色的有机胶凝材料，按产源可分为地沥青（包括天然沥青、石油沥青）和焦油沥青（包括煤沥青、页岩沥青），常用的主要是石油沥青。石油沥青成分复杂，一般认为由油分、树脂和沥青质三组分组成，具有较好的防水性、黏滞性和塑性等。土木工程中主要使用建筑石油沥青和道路石油沥青。建筑石油沥青主要用于制造油毡、油纸、防水卷材、防水涂料和沥青嵌缝膏等；道路石油沥青主要用于铺筑各种等级的道路路面。

沥青混合料是由矿料（粗集料、细集料和填料）与沥青拌和而成的混合材料，具有良好的力学性能、高温稳定性和低温柔性，是高等级公路修筑中的一种主要路面材料（见图2-16）。

图2-16　沥青路面