課題三　石灰、水泥、砂漿

膠凝材料又稱膠結材料，凡是在物理作用或化學作用下，能把其他固體材料膠結成整體并具有一定強度的材料，統稱為膠凝材料。

按膠凝材料的化學組成，可分為無機膠凝材料和有機膠凝材料兩大類。無機膠凝材料根據硬化條件不同，又分為氣硬性膠凝材料和水硬性膠凝材料。有機膠凝材料以天然合成的有機高分子化合物為基本成分，如瀝青、各種合成樹脂等。

氣硬性膠凝材料只能在空氣中硬化，并保持和發展其強度，常用的有石灰、石膏、水玻璃等。水硬性膠凝材料既可在空氣中硬化也可在水中硬化，并保持和發展其強度，如各種水泥。

一、石灰

石灰是一種古老的建筑材料。由于其生產工藝簡單，價格低廉，有良好的性能，因而在建筑工程中應用廣泛。建筑工程中所指的石灰包括生石灰、生石灰粉和消石灰等。

（一）石灰的生產及分類

將主要成分是碳酸鈣的天然石灰石在900～1100℃下煅燒，排除分解出的二氧化碳后，得到以氧化鈣為主要成分的產品為生石灰。

煅燒生成的塊狀生石灰經過不同加工，可得到石灰的另外三種產品。

（1）生石灰粉：將塊狀生石灰磨細制成粉末，其主要成分是CaO。

（2）消石灰粉：將塊狀生石灰用適量水熟化而得到的主要成分是Ca（OH）2的白色粉末，又稱熟石灰。

（3）石灰膏：將塊狀生石灰用過量水熟化，或將消石灰粉和水拌合，得到的具有一定稠度的膏狀物，其主要成分是Ca（OH）2和水。

（二）石灰的熟化

生石灰加水生成氫氧化鈣的過程稱為生石灰熟化或消解。生石灰熟化過程會放出大量的熱，熟化時體積增大1～2.5倍。生石灰必須在充分熟化后才能使用，否則未熟化的生石灰將在使用后繼續熟化，使材料表面凸起、開裂或局部脫落。

（三）石灰的硬化

塊狀生石灰用過量水熟化，或將消石灰粉和水拌合，得到一定稠度的石灰膏，石灰膏會在空氣中逐漸凝結硬化。其過程是氫氧化鈣吸收空氣中的二氧化碳，表面水分蒸發形成組織致密的碳酸鈣薄膜，阻礙了空氣中的二氧化碳的繼續滲入，所以其過程十分緩慢。隨著時間的延長，表面碳酸鈣的厚度逐漸增加，整體強度逐漸增大。

（四）石灰的性質

（1）可塑性好。生石灰熟化為石灰膏時，氫氧化鈣表面吸附一層水膜，所以用石灰配置的砂漿具有良好的可塑性。

（2）強度不高。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。

（3）硬化慢且體積收縮大。由于空氣中二氧化碳含量較少，表面硬化后，不利于內部水分的蒸發，因此硬化過程緩慢。體積收縮大，容易出現裂縫。

（4）耐水性差。硬化后的石灰受潮后，結晶析出的碳酸鈣會再次微溶，所以石灰不宜用于潮濕環境，如基礎工程。

（五）石灰的用途

石灰在建筑工程中應用廣泛，主要用途如下：

（1）制造石灰乳涂料。由消石灰粉或石灰漿摻入大量的水調制而成。用于粉刷墻面或頂棚。

（2）配置砂漿。可單獨配置砂漿，稱石灰砂漿，和水泥一起配置的，稱水泥混合砂漿，用于砌筑和抹灰工程。用于抹灰工程的石灰砂漿，需加入紙筋等纖維材料，以克服收縮性大、易開裂的缺點。

（3）拌制灰土和三合土。在夯實狀態下，灰土或三合土比黏土抗滲能力、抗壓強度、耐水性均有所提高。灰土和三合土廣泛用于建筑物基礎的各種墊層。

（4）生產硅酸鹽制品。石灰是生產粉煤灰磚、灰砂磚、硅酸鹽砌塊等硅酸鹽制品的主要材料。各類石灰在建筑上的用途見表2-2。

表2-2　各類石灰在建筑上的用途

二、水泥

水泥是一種粉末狀物質，與適量的水混合后，經過物理、化學作用由漿體變成堅硬的石狀物，并能將散粒狀材料膠結成整體。由于水泥漿體不僅可以在空氣中硬化，而且能更好地在水中硬化，故水泥稱為水硬性膠凝材料。水泥是重要的建筑材料之一，廣泛應用于各類土木工程之中，如建筑、道路、鐵路、水利、海港等工程。

水泥的種類繁多。按其主要水硬性物質名稱，分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥。按其用途和性能，又可分為通用水泥、專用水泥以及特性水泥三大類。通用水泥指用于建筑工程的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥以及復合硅酸鹽水泥，即所謂六大水泥。專用水泥是指有專門用途的水泥，如砌筑水泥、道路水泥等。特性水泥是指某種性能比較突出的水泥，如快硬水泥、白色水泥、抗硫酸鹽水泥、中熱低熱礦渣水泥以及膨脹水泥等。下面主要介紹常用的硅酸鹽水泥。

（一）硅酸鹽水泥的生產

硅酸鹽水泥是以石灰質原料（如石灰石）與黏土質原料（如黏土、頁巖等）為主，有時輔以少量鐵粉，按一定比例配合磨細成生料粉，送入回轉窯或立窯，在1450℃左右的高溫下燃燒，使其達到部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料，再將熟料與適量石膏共同磨細而制成的水泥。硅酸鹽水泥生產工藝流程如圖2-6所示。

生料在高溫過程中，首先脫水、分解，生成氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al3O2）、三氧化二鐵（Fe2O3），然后在更高的溫度下，CaO與SiO2，Al3O2，Fe2O3相結合，形成新的水泥熟料礦物化合物，即

硅酸三鈣（3CaO·SiO2，簡寫為C3S），

硅酸二鈣（2CaO·SiO2，簡寫為C2S），

鋁酸三鈣（3CaO·Al3O2，簡寫為C3A），

鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al3O2·Fe2O3，簡寫為C4AF）。

除上述四種主要熟料礦物外，水泥熟料中還含有少量的游離氧化鈣（CaO）、氧化鎂（MgO）、氧化鉀（K2O）、氧化鈉（Na2O）與三氧化硫（SO3）等有害成分。熟料中所含的游離CaO和MgO均系過火石灰，一般在水泥硬化并具有一定強度后，才開始與水緩慢作用，并增大體積，使已硬化的水泥漿體開裂，造成水泥體積安定性不良。Na2O與K2O則能與某些作為混凝土骨料的巖石發生所謂“堿—骨料”反應，使水泥石脹裂，危害很大。SO3數量過多，會引起水泥假凝、強度下降或水泥石開裂等不良后果。

水泥熟料是具有不同特性的多種熟料礦物的混合物，因此，如果熟料中各種礦物的相對含量不同時，水泥的性質也會發生相應的變化。例如，提高C3S的含量，可以制成高強度水泥；提高C3S＋C3A的總含量，可以制得快硬早強水泥；降低C3A與C3S的含量，提高C2S的含量，則可制得低水化熱水泥（如大壩水泥）等。

（二）水泥的水化與凝結硬化

水泥加水拌和后，就開始了水化反應，成為可塑性的水泥漿。隨著水化的不斷進行，水泥漿逐步變稠，失去可塑性，但尚不具有強度的過程，稱為水泥的凝結。隨著水化的進一步進行，水泥漿將產生明顯的強度并逐漸發展成為堅硬的人造石——水泥石的過程，稱為硬化。水泥的水化是復雜的化學反應，凝結、硬化實質上是一個連續的、復雜的物理化學變化過程，是水化的外在表現，其凝結硬化階段則是人為劃分的。

硅酸鹽水泥在一般使用情況下，是在少量水中進行水化作用的。其中C3S水化時，會析出大量的Ca（OH）2。此外，水泥磨細時所摻的石膏也溶解于水，并與某些成分互相化合。故而，水泥的水化作用，基本上是在Ca（OH）2和CaSO4的飽和溶液或過飽和溶液中進行的，忽略水泥中一些次要的和少量的成分，可認為硅酸鹽水泥的水化產物主要是水化硅酸鈣與水化鐵酸鈣的凝膠，以及氫氧化鈣、水化鋁酸鈣與水化硫鋁酸鈣的晶體。

經過一定時間，水化物凝膠體的濃度上升，凝膠粒子相互凝聚成網狀結構，使水泥漿變稠、失去塑性，這種過程稱為凝結。再過若干時間，生成的凝膠增多，被緊密填充在水泥顆粒間而逐漸硬化。圖2-7為水泥凝結硬化示意圖。

凝結與硬化沒有截然的界限。水泥漿從流動狀態到開始不能流動的塑性狀態稱為初凝；繼續凝固直至完全失去塑性而還不具備強度時稱為終凝。

水泥的假凝：水泥和水拌和幾分鐘內所出現的一種反常的過早變硬的現象稱為假凝。它與急凝不同，在這種假凝的過程中沒有明顯的熱放出。一旦出現假凝，可以不用加水再拌合水泥漿，水泥漿又能恢復塑性，直到以普通形式凝結為止，而且沒有強度損失。

（三）水泥的技術性質

1．細度

水泥顆粒越細，顆粒總表面積越大，水化反應越快、越充分，強度（特別是早期強度）越高，收縮也增大。

2．凝結時間

為使混凝土與砂漿有充分時間進行攪拌、運輸、澆灌和砌筑，初凝不能太早。當施工結束后，則要求混凝土或砂漿盡快結硬并具有強度，終凝時間不能太遲。

國家標準規定：硅酸鹽水泥的初凝時間不得早于45分鐘，終凝時間不得遲于6.5小時。

3．體積安定性

水泥在硬化過程中體積變化是否均勻的性質，稱為體積安定性。國家標準規定：游離MgO的含量應小于5％，SO3的含量不得超過3.5％，以保證水泥在這兩方面的體積安定性。用沸煮法檢驗水泥體積安定性，若用標準稠度水泥凈漿做成的試餅煮沸3小時后，經肉眼觀察未發現裂紋，用直尺檢查沒有彎曲，可認為體積安定性合格。

4．強度

強度是選用水泥的主要技術指標。目前我國測定水泥強度的試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671）進行。按國家標準《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）規定，根據3d，28d的抗折強度及抗壓強度，將硅酸鹽水泥分為42.5，52.5，62.5三個強度等級。按早期強度大小及強度等級，又分為兩種類型，冠以“R”是屬于早強型。

5．水化熱

水泥的放熱過程可以延續很長時間，但大部分熱量在早期釋放，特別是在前三天，水化熱及放熱速率與水泥的礦物成分及水泥細度有關。

（四）其他品種水泥

在實際施工中，往往會遇到一些有特殊要求的工程，如緊急搶修工程、耐熱耐酸工程、新舊混凝土搭接工程等。對這些工程，需要采用其他品種的水泥，如快硬硅酸鹽水泥、高鋁水泥、白色硅酸鹽水泥等。

（1）快硬硅酸鹽水泥。凡以硅酸鹽水泥熟料和適量石膏磨細制成的，以3d抗壓強度表示標號的水硬性膠凝材料稱為快硬硅酸鹽水泥（簡稱快硬水泥）。由于快硬水泥凝結硬化快，故適用于緊急搶修工程、低溫施工工程和高標號混凝土預制件等。但儲存和運輸中要特別注意防潮，施工時不能與其他水泥混合使用。另外，這種水泥水化放熱量大而迅速，不適合用于大體積混凝土工程。

（2）快凝快硬硅酸鹽水泥。以硅酸鈣、氟鋁酸鈣為主的熟料，加入適量石膏、粒化高爐礦渣、無水硫酸鈉，經過磨細制成的一種凝結快、小時強度增長快的水硬性膠凝材料，稱為快凝快硬硅酸鹽水泥（簡稱為雙快水泥）。

雙快水泥主要用于軍事工程、機場跑道、橋梁、隧道和涵洞等緊急搶修工程。同樣不得與其他品種水泥混合使用，并注意放熱量大而迅速的特點。

（3）白色硅酸鹽水泥。由白色硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏，磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為白色硅酸鹽水泥（簡稱白水泥）。

白水泥強度高，色澤潔白，可配制彩色砂漿和涂料、白色或彩色混凝土、水磨石等，用于建筑物的內外裝修。白水泥也是生產彩色水泥的主要原料。

（4）高鋁水泥。高鋁水泥是一種快硬、高強、耐熱及耐腐蝕的膠凝材料。主要特性有：早期強度高、耐高溫和耐腐蝕。高鋁水泥主要用于工期緊急的工程，如國防、道路和特殊搶修工程等，也可用于冬季施工的工程。

（5）膨脹水泥。由硅酸鹽水泥熟料與適量石膏和膨脹劑共同磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為膨脹水泥。按水泥的主要成分不同，分為硅酸鹽、鋁酸鹽和硫鋁酸鹽型膨脹水泥；按水泥的膨脹值及其用途不同，又分為收縮補償水泥和自應力水泥兩大類。

上述各種水泥的共同點是在硬化過程中產生一定的收縮，可能造成裂紋、透水或產生不適于某些工程的特性。膨脹水泥在硬化過程中不但不收縮，而且有不同程度的膨脹。膨脹水泥除了具有微膨脹性能外，也具有強度發展快、早期強度高的特點。可用于制作大口徑輸水管和各種輸油、輸氣管，也常用于有抗滲要求的工程、要求補償收縮的混凝土結構、要求早強的工程結構節點澆筑等。

三、砂漿

砂漿是一種主要的土木工程材料，廣泛應用于砌筑工程、抹面工程、修補工程。

砂漿是由膠凝材料、細骨料、摻和料和水按適當配合比例拌制并經硬化而成的材料。按所用的膠凝材料不同，砂漿可分為水泥砂漿、混合砂漿、石灰砂漿、聚合物砂漿等。

（一）砂漿的組成材料

（1）膠凝材料是砂漿的重要組成材料，起膠結作用，影響著砂漿流動性、粘聚性和強度等技術性質。常用的有水泥、石灰等。

配制砂漿所選用的水泥品種有普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥等。選用的水泥強度等級一般是32.5級水泥。

可選用石灰作為膠凝材料配制成石灰砂漿，也可用石灰代替部分水泥配制混合砂漿。混合砂漿不但可以節約水泥，而且具有很好的和易性。配制砂漿所用的石灰應預先消化，并符合相應的技術要求。

（2）細骨料在砂漿中所起的作用與混凝土中骨料的作用相同。但因砂漿層一般較薄，故對骨料的最大粒徑要有所限制。

（3）砂漿拌合水的技術要求與混凝土拌合水相同。應選用潔凈無雜質的水。

（二）砂漿的技術要求

1．和易性

新拌砂漿應具有良好的和易性。砂漿拌合物的和易性包括流動性和保水性兩方面。砂漿的流動性是指砂漿在自重或外力作用下流動的特性，也稱稠度。流動性應根據砂漿的用途、施工工藝及氣候條件來選擇。砂漿的保水性是指砂漿保持水分的能力。砂漿中的水分應不易流失，攤鋪容易。

2．強度

強度是指邊長為70.7mm的立方體試件，在標準養護條件下［溫度為（20±3）℃，相對濕度，對水泥混合砂漿為60％～70％，對水泥砂漿為90％以上］養護28d的抗壓強度平均值（單位為MPa）。

砌筑砂漿的強度分為M2.5，M5，M7.5，M10，M15 五個強度等級。

（三）常用砂漿

1．砌筑砂漿

將磚、石或砌塊粘結成為砌體的砂漿，稱為砌筑砂漿。它起著粘結磚、石或砌塊構成砌體，傳遞荷載，協調變形的作用。砌筑砂漿的主要技術指標是強度，砌筑砂漿強度的選擇由設計要求決定。

2．抹面砂漿

抹面砂漿是指壓抹在建筑物或構件表面的砂漿。可分為普通抹面砂漿、防水抹面砂漿和裝飾抹面砂漿等。抹面砂漿的技術要求是具有良好的和易性和良好的粘結力。

普通抹面砂漿具有保護建筑物、提高耐久性、增強裝飾等功能。普通抹面砂漿常選用水泥砂漿、水泥混合砂漿、石灰砂漿等。抹面一般分兩層或三層施工，底層起粘結作用，中層起找平作用，面層起裝飾作用。

3．防水砂漿

用于防水層的砂漿稱為防水砂漿。防水砂漿適用于堤壩、隧洞、水池、溝渠等具有一定剛度的混凝土或磚石砌體工程。對于變形較大或可能發生不均勻沉陷的建筑物防水層不宜采用。

為提高防水砂漿的防水性能，可摻入防水劑。常用的防水劑有氯化鐵、金屬皂類防水劑、有機硅防水劑等。防水砂漿的水泥用量較多，砂灰比一般為2.5～3.0，水灰比為0.5～0.55；水泥應選用42.5級以上的火山灰水泥、硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥；采用級配良好的中砂。防水砂漿的施工操作要求很高，施工時應將墻面清潔濕潤，分多層涂抹，逐層壓實，最后一層要壓光；并且注意養護，以提高防水效果。

4．裝飾砂漿

裝飾砂漿是指抹在建筑物內外墻表面，具有保護建筑物和美化裝飾作用的砂漿。其膠凝材料可以使用白水泥、彩色水泥，或在常用水泥中摻入顏料，以達到彩色裝飾效果。

5．特種砂漿

（1）隔熱砂漿

是以水泥、石灰膏、石膏等膠凝材料與膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、火山渣或浮石砂、膨脹礦渣、陶粒砂等輕質多孔骨料按一定比例配制成的砂漿。具有輕質的優點和良好的隔熱性能，用于屋面隔熱層、隔熱墻壁以及供熱管道隔熱層等處。

（2）吸聲砂漿

是由輕質多孔骨料制成的具有吸聲功能的砂漿。吸聲砂漿同時具有隔熱功能，主要用于有吸聲要求的室內墻壁和頂棚的抹灰。

（3）耐酸砂漿

是用水玻璃與氟硅酸鈉拌制而成具有耐酸功能的砂漿。有時可摻入一定量的石英巖、花崗巖等粉狀細骨料。用作耐酸地面和耐酸容器的內壁保護層。

（4）防輻射砂漿

是在水泥中摻入重晶石粉配制而成，具有防X射線等能力的砂漿。主要用于射線防護工程。

（5）膨脹砂漿

是在水泥砂漿中摻入膨脹劑，或使用膨脹水泥配制而成的具有膨脹作用的砂漿。主要用于修補工程，或裝配結構中的填充縫隙。

（6）自流平砂漿

是在砂漿中摻入化學外加劑，使其在自身重力作用下能夠自然流動成平面的砂漿。主要用于地面工程。