無機膠凝材料

無機膠凝材料（ inorganic cementing material） 建築材料中，凡是自身經過一系列物理、化學作用，或與其他物質（如水等）混合後一起經過一系列物理、化學作用，能由漿體變成堅硬的固體，並能將散粒材料（石如砂、等）或塊、片狀材料（如磚、石塊等）膠結成整體的物質，稱為膠凝材料。

基本介紹

• 中文名：無機膠凝材料
• 外文名： inorganic cementing material
• 簡介：中國在使用無機膠凝材料方面
• 分類：膠凝材料按其化學組成
• 學科：水利工程
• 釋義：由漿體變成堅硬的固體

簡介

中國在使用無機膠凝材料方面，也有悠久的歷史。早在周朝已使用石灰修築帝王的陵墓。從周朝至南北朝時期，人們以石灰、黃土和細砂的混合物作夯土牆或土坯牆的抹面，或製作居室和墓道的地坪。明清時期，三合土的使用和發展，使石灰的用途更為廣泛。石灰在中國建築中還占有一定地位。此外，在中國古建築中，常用石灰和某些有機物配製成複合膠凝材料使用，取得了良好的效果。據史料記載：南宋乾道六年（1170年）在修築和州城時，採用了糯米汁與石灰的混合物作膠凝材料；建於明代的南京城，其磚石城垣的重要部位，即是以石灰加糯米汁作為灌漿材料。明《天工開物》一書中，關於糯米汁-石灰更有詳細的記載。此外，在古建築中血料-石灰和桐油－石灰等，常用作膩子。

歷史

在人類早期的建築活動中，石灰、石膏是最早被使用的膠凝材料。埃及古王國時期（公元前3000年左右）的大金字塔，是用石膏砂漿膠結石塊和石板砌築的。公元前8世紀,希臘人就已使用石灰。羅馬人用石灰砂漿作為牆體砌築材料。古希臘人和古羅馬人利用火山灰摻入石灰中製作砂漿，用它砌築的構築物堅固耐久。這種膠凝材料曾延續使用了相當長的一段歷史時期，直到羅馬水泥和波特蘭水泥問世，才逐漸被取代。20世紀初，隨著現代土木工程的發展，石膏、石灰、波特蘭水泥等膠凝材料已不能滿足特種工程的需要，必須開發研究新膠凝材料。一方面通過調整波特蘭水泥的礦物組成，獲得了一大類具有特殊性能的特種水泥，如快硬水泥、低熱和中熱水泥、抗硫酸鹽水泥、油井水泥、膨脹水泥、白色水泥、彩色水泥和抗菌水泥等。另一方面通過改變原材料種類，研製成功了鋁酸鹽、硫鋁酸鹽和氟鋁酸鹽等系統的特種水泥，如快硬水泥、型砂水泥、耐火水泥、防輻射水泥和防藻水泥等。此外，還對磷酸鹽、水玻璃、鎂質和硫磺等氣硬性膠凝材料進行研究，並取得成功。一大批新無機膠凝材料的產生，促進土木工程的發展。

分類

1、膠凝材料按其化學組成，可分為有機膠凝材料(如瀝青、樹脂等)與無機膠凝材料(如石灰、水泥等)。

2、無機膠凝材料又稱礦物膠凝材料，它根據硬化條件可分為氣硬性膠凝材料與水硬性膠凝材料。

氣硬性膠凝材料只能在空氣中硬化，並且只能在空氣中保持或發展其強度，如石膏、石灰等；水硬性膠凝材料則不僅能在空氣中，而且能更好地在水中硬化，保持並發展其強度，如水泥。

發展

在近代土木工程中，水泥和混凝土的套用範圍日益擴大，但是這些材料在性能上存在著抗拉、抗衝擊強度低，抗滲性和耐蝕性較差等缺點。為了改善水泥和混凝土的性能，開展了聚合物水泥和聚合物混凝土等近代複合材料的研究，成效顯著。用於土木工程的無機膠凝材料，不但品種多，而且用量大,使用面廣,是一類極為重要的土木建築材料。根據現代土木工程發展的需要，無機膠凝材料的發展趨勢，將是在改進舊有品種的基礎上，不斷開發研究多功能、低能耗、經久耐用和物美價廉的新品種。兼備無機膠凝材料和有機膠凝材料優點的複合膠凝材料，也將是一個重要的發展方向。

性能

石灰

將主要成分為碳酸鈣（CaCO3）的石灰石在適當的溫度下煅燒，所得的以氧化鈣（CaO）為主要成分的產品即為石灰，又稱生石灰。煅燒出來的生石灰呈塊狀，稱塊灰，塊灰經磨細後成為生石灰粉。

石灰膏

（一）石灰的熟化與硬化

生石灰（塊灰）不能直接用於工程，使用前需要進行熟化。生石灰(CaO)與水反應生成氫氧化鈣Ca(OH)₂（熟石灰，又稱消石灰）的過程，稱為石灰的熟化或消解（消化）。石灰熟化過程中會放出大量的熱，同時體積增大1～2.5倍。根據加水量的不同，石灰可熟化成消石灰粉或石灰膏。

（二）石灰的技術性質

1.保水性好。在水泥砂漿中摻入石灰膏，配成混合砂漿，可顯著提高砂漿的和易性。

2.硬化較慢、強度低。1:3的石灰砂漿28d抗壓強度通常只有0.2~0.5MPa。

3.耐水性差。石灰不宜在潮濕的環境中使用，也不宜單獨用於建築物基礎。

4.硬化時體積收縮大。除調成石灰乳作粉刷外，不宜單獨使用，工程上通常要摻入砂、紙筋、麻刀等材料以減小收縮，並節約石灰。

5.生石灰吸濕性強。儲存生石灰不僅要防止受潮，而且也不宜儲存過久。

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。其品種主要有建築石膏、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）為主要成分的建築石膏和高強石膏在建築工程中套用較多，最常用的是建築石膏。

石膏粉

建築石膏是以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料，主要用於製作石膏建築製品。建築石膏色白，雜質含量很少，粒度很細，亦稱型石膏，也是製作裝飾製品的主要原料。由於建築石膏顆粒較細，比表面積較大，故拌合時需水量較大，因而強度較低。

建築石膏的技術性質

1.凝結硬化快。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，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。石膏漿體凝結硬化時不像石灰、水泥那樣出現收縮，反而略有膨脹（膨脹率約為1%），使石膏硬化體表面光滑飽滿，可製作出紋理細緻的浮雕花飾。

3.硬化後孔隙率高。石膏漿體硬化後內部孔隙率可達50～60%，因而石膏製品具有表觀密度較小、強度較低、導熱係數小、吸聲性強、吸濕性大、可調節室內溫度和濕度的特點。

4.防火性能好。石膏製品在遇火災時，二水石膏將脫出結晶水，吸熱蒸發，並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部結構的危害。建築石膏製品在防火的同時自身也會遭到損壞，而且石膏製品也不宜長期用於靠近65℃以上高溫的部位，以免二水石膏在此溫度下失去結晶水，從而失去強度。

5.耐水性和抗凍性差。建築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致破壞石膏製品吸水飽和後受凍，會因孔隙中水分結晶膨脹而破壞。所以，石膏製品的耐水性和抗凍性較差，不宜用於潮濕部位。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，可改善石膏製品的孔隙狀態或使孔壁具有憎水性。

水泥

水泥為無機水硬性膠凝材料，是重要的建築材料之一，在建築工程中有著廣泛的套用。水泥品種非常多，按其主要水硬性物質名稱可分為矽酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、磷酸鹽水泥等。根據國家標準《水泥命名原則》GB4131-84規定，水泥按其性能及用途可分為通用水泥、專用水泥及特性水泥三類。我國建築工程中常用的是通用水泥，主要有矽酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥、礦渣矽酸鹽水泥、火山灰質矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥和複合矽酸鹽水泥。

水泥

常用水泥的技術要求

1.細度

細度是指水泥顆粒的粗細程度。水泥顆粒愈細，與水起反應的表面積就愈大，水化較快且較完全，因而凝結硬化快，早期強度高，但早期放熱量和硬化收縮較大，且成本較高，儲存期較短。因此，水泥的細度應適中。

2.凝結時間

水泥的凝結時間分初凝時間和終凝時間。初凝時間是從水泥加水拌合起至水泥漿開始失去可塑性所需的時間；終凝時間是從水泥加水拌合起至水泥漿完全失去可塑性並開始產生強度所需的時間。水泥的凝結時間在施工中具有重要意義。為了保證有足夠的時間在初凝之前完成混凝土的攪拌、運輸和澆搗及砂漿的粉刷、砌築等施工工序，初凝時間不宜過短；為使混凝土、砂漿能儘快地硬化達到一定的強度，以利於下道工序及早進行，終凝時間也不宜過長。國家標準規定，六大常用水泥的初凝時間均不得短於45min，矽酸鹽水泥的終凝時間不得長於6.5h，其他五類常用水泥的終凝時間不得長於10h。