课题三　石灰、水泥、砂浆

胶凝材料又称胶结材料，凡是在物理作用或化学作用下，能把其他固体材料胶结成整体并具有一定强度的材料，统称为胶凝材料。

按胶凝材料的化学组成，可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。无机胶凝材料根据硬化条件不同，又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。有机胶凝材料以天然合成的有机高分子化合物为基本成分，如沥青、各种合成树脂等。

气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并保持和发展其强度，常用的有石灰、石膏、水玻璃等。水硬性胶凝材料既可在空气中硬化也可在水中硬化，并保持和发展其强度，如各种水泥。

一、石灰

石灰是一种古老的建筑材料。由于其生产工艺简单，价格低廉，有良好的性能，因而在建筑工程中应用广泛。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）石灰的生产及分类

将主要成分是碳酸钙的天然石灰石在900～1100℃下煅烧，排除分解出的二氧化碳后，得到以氧化钙为主要成分的产品为生石灰。

煅烧生成的块状生石灰经过不同加工，可得到石灰的另外三种产品。

（1）生石灰粉：将块状生石灰磨细制成粉末，其主要成分是CaO。

（2）消石灰粉：将块状生石灰用适量水熟化而得到的主要成分是Ca（OH）2的白色粉末，又称熟石灰。

（3）石灰膏：将块状生石灰用过量水熟化，或将消石灰粉和水拌合，得到的具有一定稠度的膏状物，其主要成分是Ca（OH）2和水。

（二）石灰的熟化

生石灰加水生成氢氧化钙的过程称为生石灰熟化或消解。生石灰熟化过程会放出大量的热，熟化时体积增大1～2.5倍。生石灰必须在充分熟化后才能使用，否则未熟化的生石灰将在使用后继续熟化，使材料表面凸起、开裂或局部脱落。

（三）石灰的硬化

块状生石灰用过量水熟化，或将消石灰粉和水拌合，得到一定稠度的石灰膏，石灰膏会在空气中逐渐凝结硬化。其过程是氢氧化钙吸收空气中的二氧化碳，表面水分蒸发形成组织致密的碳酸钙薄膜，阻碍了空气中的二氧化碳的继续渗入，所以其过程十分缓慢。随着时间的延长，表面碳酸钙的厚度逐渐增加，整体强度逐渐增大。

（四）石灰的性质

（1）可塑性好。生石灰熟化为石灰膏时，氢氧化钙表面吸附一层水膜，所以用石灰配置的砂浆具有良好的可塑性。

（2）强度不高。石灰浆体硬化后强度不高，配比为1:3的石灰砂浆28d抗压强度通常只有0.2～0.5MPa。

（3）硬化慢且体积收缩大。由于空气中二氧化碳含量较少，表面硬化后，不利于内部水分的蒸发，因此硬化过程缓慢。体积收缩大，容易出现裂缝。

（4）耐水性差。硬化后的石灰受潮后，结晶析出的碳酸钙会再次微溶，所以石灰不宜用于潮湿环境，如基础工程。

（五）石灰的用途

石灰在建筑工程中应用广泛，主要用途如下：

（1）制造石灰乳涂料。由消石灰粉或石灰浆掺入大量的水调制而成。用于粉刷墙面或顶棚。

（2）配置砂浆。可单独配置砂浆，称石灰砂浆，和水泥一起配置的，称水泥混合砂浆，用于砌筑和抹灰工程。用于抹灰工程的石灰砂浆，需加入纸筋等纤维材料，以克服收缩性大、易开裂的缺点。

（3）拌制灰土和三合土。在夯实状态下，灰土或三合土比黏土抗渗能力、抗压强度、耐水性均有所提高。灰土和三合土广泛用于建筑物基础的各种垫层。

（4）生产硅酸盐制品。石灰是生产粉煤灰砖、灰砂砖、硅酸盐砌块等硅酸盐制品的主要材料。各类石灰在建筑上的用途见表2-2。

表2-2　各类石灰在建筑上的用途

二、水泥

水泥是一种粉末状物质，与适量的水混合后，经过物理、化学作用由浆体变成坚硬的石状物，并能将散粒状材料胶结成整体。由于水泥浆体不仅可以在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，故水泥称为水硬性胶凝材料。水泥是重要的建筑材料之一，广泛应用于各类土木工程之中，如建筑、道路、铁路、水利、海港等工程。

水泥的种类繁多。按其主要水硬性物质名称，分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥。按其用途和性能，又可分为通用水泥、专用水泥以及特性水泥三大类。通用水泥指用于建筑工程的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥以及复合硅酸盐水泥，即所谓六大水泥。专用水泥是指有专门用途的水泥，如砌筑水泥、道路水泥等。特性水泥是指某种性能比较突出的水泥，如快硬水泥、白色水泥、抗硫酸盐水泥、中热低热矿渣水泥以及膨胀水泥等。下面主要介绍常用的硅酸盐水泥。

（一）硅酸盐水泥的生产

硅酸盐水泥是以石灰质原料（如石灰石）与黏土质原料（如黏土、页岩等）为主，有时辅以少量铁粉，按一定比例配合磨细成生料粉，送入回转窑或立窑，在1450℃左右的高温下燃烧，使其达到部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，再将熟料与适量石膏共同磨细而制成的水泥。硅酸盐水泥生产工艺流程如图2-6所示。

生料在高温过程中，首先脱水、分解，生成氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al3O2）、三氧化二铁（Fe2O3），然后在更高的温度下，CaO与SiO2，Al3O2，Fe2O3相结合，形成新的水泥熟料矿物化合物，即

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·Al3O2，简写为C3A），

铁铝酸四钙（4CaO·Al3O2·Fe2O3，简写为C4AF）。

除上述四种主要熟料矿物外，水泥熟料中还含有少量的游离氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化钾（K2O）、氧化钠（Na2O）与三氧化硫（SO3）等有害成分。熟料中所含的游离CaO和MgO均系过火石灰，一般在水泥硬化并具有一定强度后，才开始与水缓慢作用，并增大体积，使已硬化的水泥浆体开裂，造成水泥体积安定性不良。Na2O与K2O则能与某些作为混凝土骨料的岩石发生所谓“碱—骨料”反应，使水泥石胀裂，危害很大。SO3数量过多，会引起水泥假凝、强度下降或水泥石开裂等不良后果。

水泥熟料是具有不同特性的多种熟料矿物的混合物，因此，如果熟料中各种矿物的相对含量不同时，水泥的性质也会发生相应的变化。例如，提高C3S的含量，可以制成高强度水泥；提高C3S＋C3A的总含量，可以制得快硬早强水泥；降低C3A与C3S的含量，提高C2S的含量，则可制得低水化热水泥（如大坝水泥）等。

（二）水泥的水化与凝结硬化

水泥加水拌和后，就开始了水化反应，成为可塑性的水泥浆。随着水化的不断进行，水泥浆逐步变稠，失去可塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的凝结。随着水化的进一步进行，水泥浆将产生明显的强度并逐渐发展成为坚硬的人造石——水泥石的过程，称为硬化。水泥的水化是复杂的化学反应，凝结、硬化实质上是一个连续的、复杂的物理化学变化过程，是水化的外在表现，其凝结硬化阶段则是人为划分的。

硅酸盐水泥在一般使用情况下，是在少量水中进行水化作用的。其中C3S水化时，会析出大量的Ca（OH）2。此外，水泥磨细时所掺的石膏也溶解于水，并与某些成分互相化合。故而，水泥的水化作用，基本上是在Ca（OH）2和CaSO4的饱和溶液或过饱和溶液中进行的，忽略水泥中一些次要的和少量的成分，可认为硅酸盐水泥的水化产物主要是水化硅酸钙与水化铁酸钙的凝胶，以及氢氧化钙、水化铝酸钙与水化硫铝酸钙的晶体。

经过一定时间，水化物凝胶体的浓度上升，凝胶粒子相互凝聚成网状结构，使水泥浆变稠、失去塑性，这种过程称为凝结。再过若干时间，生成的凝胶增多，被紧密填充在水泥颗粒间而逐渐硬化。图2-7为水泥凝结硬化示意图。

凝结与硬化没有截然的界限。水泥浆从流动状态到开始不能流动的塑性状态称为初凝；继续凝固直至完全失去塑性而还不具备强度时称为终凝。

水泥的假凝：水泥和水拌和几分钟内所出现的一种反常的过早变硬的现象称为假凝。它与急凝不同，在这种假凝的过程中没有明显的热放出。一旦出现假凝，可以不用加水再拌合水泥浆，水泥浆又能恢复塑性，直到以普通形式凝结为止，而且没有强度损失。

（三）水泥的技术性质

1．细度

水泥颗粒越细，颗粒总表面积越大，水化反应越快、越充分，强度（特别是早期强度）越高，收缩也增大。

2．凝结时间

为使混凝土与砂浆有充分时间进行搅拌、运输、浇灌和砌筑，初凝不能太早。当施工结束后，则要求混凝土或砂浆尽快结硬并具有强度，终凝时间不能太迟。

国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45分钟，终凝时间不得迟于6.5小时。

3．体积安定性

水泥在硬化过程中体积变化是否均匀的性质，称为体积安定性。国家标准规定：游离MgO的含量应小于5％，SO3的含量不得超过3.5％，以保证水泥在这两方面的体积安定性。用沸煮法检验水泥体积安定性，若用标准稠度水泥净浆做成的试饼煮沸3小时后，经肉眼观察未发现裂纹，用直尺检查没有弯曲，可认为体积安定性合格。

4．强度

强度是选用水泥的主要技术指标。目前我国测定水泥强度的试验按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671）进行。按国家标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定，根据3d，28d的抗折强度及抗压强度，将硅酸盐水泥分为42.5，52.5，62.5三个强度等级。按早期强度大小及强度等级，又分为两种类型，冠以“R”是属于早强型。

5．水化热

水泥的放热过程可以延续很长时间，但大部分热量在早期释放，特别是在前三天，水化热及放热速率与水泥的矿物成分及水泥细度有关。

（四）其他品种水泥

在实际施工中，往往会遇到一些有特殊要求的工程，如紧急抢修工程、耐热耐酸工程、新旧混凝土搭接工程等。对这些工程，需要采用其他品种的水泥，如快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、白色硅酸盐水泥等。

（1）快硬硅酸盐水泥。凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料称为快硬硅酸盐水泥（简称快硬水泥）。由于快硬水泥凝结硬化快，故适用于紧急抢修工程、低温施工工程和高标号混凝土预制件等。但储存和运输中要特别注意防潮，施工时不能与其他水泥混合使用。另外，这种水泥水化放热量大而迅速，不适合用于大体积混凝土工程。

（2）快凝快硬硅酸盐水泥。以硅酸钙、氟铝酸钙为主的熟料，加入适量石膏、粒化高炉矿渣、无水硫酸钠，经过磨细制成的一种凝结快、小时强度增长快的水硬性胶凝材料，称为快凝快硬硅酸盐水泥（简称为双快水泥）。

双快水泥主要用于军事工程、机场跑道、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程。同样不得与其他品种水泥混合使用，并注意放热量大而迅速的特点。

（3）白色硅酸盐水泥。由白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥（简称白水泥）。

白水泥强度高，色泽洁白，可配制彩色砂浆和涂料、白色或彩色混凝土、水磨石等，用于建筑物的内外装修。白水泥也是生产彩色水泥的主要原料。

（4）高铝水泥。高铝水泥是一种快硬、高强、耐热及耐腐蚀的胶凝材料。主要特性有：早期强度高、耐高温和耐腐蚀。高铝水泥主要用于工期紧急的工程，如国防、道路和特殊抢修工程等，也可用于冬季施工的工程。

（5）膨胀水泥。由硅酸盐水泥熟料与适量石膏和膨胀剂共同磨细制成的水硬性胶凝材料，称为膨胀水泥。按水泥的主要成分不同，分为硅酸盐、铝酸盐和硫铝酸盐型膨胀水泥；按水泥的膨胀值及其用途不同，又分为收缩补偿水泥和自应力水泥两大类。

上述各种水泥的共同点是在硬化过程中产生一定的收缩，可能造成裂纹、透水或产生不适于某些工程的特性。膨胀水泥在硬化过程中不但不收缩，而且有不同程度的膨胀。膨胀水泥除了具有微膨胀性能外，也具有强度发展快、早期强度高的特点。可用于制作大口径输水管和各种输油、输气管，也常用于有抗渗要求的工程、要求补偿收缩的混凝土结构、要求早强的工程结构节点浇筑等。

三、砂浆

砂浆是一种主要的土木工程材料，广泛应用于砌筑工程、抹面工程、修补工程。

砂浆是由胶凝材料、细骨料、掺和料和水按适当配合比例拌制并经硬化而成的材料。按所用的胶凝材料不同，砂浆可分为水泥砂浆、混合砂浆、石灰砂浆、聚合物砂浆等。

（一）砂浆的组成材料

（1）胶凝材料是砂浆的重要组成材料，起胶结作用，影响着砂浆流动性、粘聚性和强度等技术性质。常用的有水泥、石灰等。

配制砂浆所选用的水泥品种有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。选用的水泥强度等级一般是32.5级水泥。

可选用石灰作为胶凝材料配制成石灰砂浆，也可用石灰代替部分水泥配制混合砂浆。混合砂浆不但可以节约水泥，而且具有很好的和易性。配制砂浆所用的石灰应预先消化，并符合相应的技术要求。

（2）细骨料在砂浆中所起的作用与混凝土中骨料的作用相同。但因砂浆层一般较薄，故对骨料的最大粒径要有所限制。

（3）砂浆拌合水的技术要求与混凝土拌合水相同。应选用洁净无杂质的水。

（二）砂浆的技术要求

1．和易性

新拌砂浆应具有良好的和易性。砂浆拌合物的和易性包括流动性和保水性两方面。砂浆的流动性是指砂浆在自重或外力作用下流动的特性，也称稠度。流动性应根据砂浆的用途、施工工艺及气候条件来选择。砂浆的保水性是指砂浆保持水分的能力。砂浆中的水分应不易流失，摊铺容易。

2．强度

强度是指边长为70.7mm的立方体试件，在标准养护条件下［温度为（20±3）℃，相对湿度，对水泥混合砂浆为60％～70％，对水泥砂浆为90％以上］养护28d的抗压强度平均值（单位为MPa）。

砌筑砂浆的强度分为M2.5，M5，M7.5，M10，M15 五个强度等级。

（三）常用砂浆

1．砌筑砂浆

将砖、石或砌块粘结成为砌体的砂浆，称为砌筑砂浆。它起着粘结砖、石或砌块构成砌体，传递荷载，协调变形的作用。砌筑砂浆的主要技术指标是强度，砌筑砂浆强度的选择由设计要求决定。

2．抹面砂浆

抹面砂浆是指压抹在建筑物或构件表面的砂浆。可分为普通抹面砂浆、防水抹面砂浆和装饰抹面砂浆等。抹面砂浆的技术要求是具有良好的和易性和良好的粘结力。

普通抹面砂浆具有保护建筑物、提高耐久性、增强装饰等功能。普通抹面砂浆常选用水泥砂浆、水泥混合砂浆、石灰砂浆等。抹面一般分两层或三层施工，底层起粘结作用，中层起找平作用，面层起装饰作用。

3．防水砂浆

用于防水层的砂浆称为防水砂浆。防水砂浆适用于堤坝、隧洞、水池、沟渠等具有一定刚度的混凝土或砖石砌体工程。对于变形较大或可能发生不均匀沉陷的建筑物防水层不宜采用。

为提高防水砂浆的防水性能，可掺入防水剂。常用的防水剂有氯化铁、金属皂类防水剂、有机硅防水剂等。防水砂浆的水泥用量较多，砂灰比一般为2.5～3.0，水灰比为0.5～0.55；水泥应选用42.5级以上的火山灰水泥、硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；采用级配良好的中砂。防水砂浆的施工操作要求很高，施工时应将墙面清洁湿润，分多层涂抹，逐层压实，最后一层要压光；并且注意养护，以提高防水效果。

4．装饰砂浆

装饰砂浆是指抹在建筑物内外墙表面，具有保护建筑物和美化装饰作用的砂浆。其胶凝材料可以使用白水泥、彩色水泥，或在常用水泥中掺入颜料，以达到彩色装饰效果。

5．特种砂浆

（1）隔热砂浆

是以水泥、石灰膏、石膏等胶凝材料与膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、火山渣或浮石砂、膨胀矿渣、陶粒砂等轻质多孔骨料按一定比例配制成的砂浆。具有轻质的优点和良好的隔热性能，用于屋面隔热层、隔热墙壁以及供热管道隔热层等处。

（2）吸声砂浆

是由轻质多孔骨料制成的具有吸声功能的砂浆。吸声砂浆同时具有隔热功能，主要用于有吸声要求的室内墙壁和顶棚的抹灰。

（3）耐酸砂浆

是用水玻璃与氟硅酸钠拌制而成具有耐酸功能的砂浆。有时可掺入一定量的石英岩、花岗岩等粉状细骨料。用作耐酸地面和耐酸容器的内壁保护层。

（4）防辐射砂浆

是在水泥中掺入重晶石粉配制而成，具有防X射线等能力的砂浆。主要用于射线防护工程。

（5）膨胀砂浆

是在水泥砂浆中掺入膨胀剂，或使用膨胀水泥配制而成的具有膨胀作用的砂浆。主要用于修补工程，或装配结构中的填充缝隙。

（6）自流平砂浆

是在砂浆中掺入化学外加剂，使其在自身重力作用下能够自然流动成平面的砂浆。主要用于地面工程。