膠凝材料

在建築材料中，經過一系列物理作用、化學作用，能從漿體變成堅固的石狀體，並能將其他固體物料膠結成整體而具有一定機械強度的物質，統稱為膠凝材料。

膠凝材料是指通過自身的物理化學作用，由可塑性漿體變為堅硬石狀體的過程中，能將散粒或塊狀材料粘結成為整體的材料，亦稱為膠結材料。

根據化學組成的不同，膠凝材料可分為無機與有機兩大類。石灰、石膏、水泥等工地上俗稱為“灰”的建築材料屬於無機膠凝材料；而瀝青、天然或合成樹脂等屬於有機膠凝材料。

無機膠凝材料按其硬化條件的不同又可分為氣硬性和水硬性兩類。

1、水硬性膠凝材料

和水成漿后，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化、保持和繼續發展其強度的稱水硬性膠凝材料。這類材料通稱為水泥，如硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥等。

2、氣硬性膠凝材料

非水硬性膠凝材料的一種。只能在空氣中硬化，也只能在空氣中保持和發展其強度的稱氣硬性膠凝材料，如石灰、石膏和水玻璃等；氣硬性膠凝材料一般只適用於乾燥環境中，而不宜用於潮濕環境，更不可用於水中。

膠凝材料水玻璃

無色正交雙錐結晶或白色至灰白色塊狀物或粉末。能風化。在100℃時失去6分子結晶水。易溶於水，溶於稀氫氧化鈉溶液，不溶於乙醇和酸。熔點40～ 48℃。低毒，半數致死量(大鼠，經口)1280mg/kg(無結晶水)。

用途：

水玻璃的用途非常廣泛，幾乎遍及國民經濟的各個部門。在化工系統被用來製造硅膠、白炭黑、沸石分子篩、五水偏硅酸鈉、硅溶膠、層硅及速溶粉狀硅酸鈉、硅酸鉀鈉等各種硅酸鹽類產品，是硅化合物的基本原料。在經濟發達國家，以硅酸鈉為原料的深加工系列產品已發展到50餘種，有些已應用於高、精、尖科技領域；在輕工業中是洗衣粉、肥皂等洗滌劑中不可缺少的原料，也是水質軟化劑、助沉劑；在紡織工業中用於助染、漂白和漿紗；在機械行業中廣泛用於鑄造、砂輪製造和金屬防腐劑等；在建築行業中用於製造快乾水泥、耐酸水泥防水油、土壤固化劑、耐火材料等；在農業方面可製造硅素肥料；另外用作石油催化裂化的硅鋁催化劑、肥皂的填料、瓦楞紙的膠粘劑、實驗室坩堝等耐高溫材料、金屬防腐劑、水軟化劑、洗滌劑助劑、耐火材料和陶瓷原料、紡織品的漂、染和漿料、礦山選礦、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制膠粘劑等……

分類介紹：

1．硅酸鈉分兩種，一種為偏硅酸鈉，化學式Na2SiO3，式量122.00。另一種為正硅酸鈉（原硅酸鈉），化學式Na4SiO4，相對分子質量184.04。2．正硅酸鈉是無色晶體，熔點1291K(1088℃)，不多見。水玻璃溶液因水解而呈鹼性（比純鹼稍強）。因系弱酸鹽所以遇鹽酸，硫酸、硝酸、二氧化碳都能析出硅酸。保存時應密切防止二氧化碳進入，並應使用橡膠塞以防粘住磨口玻璃塞。

工業上常用純鹼與石英共熔製取Na2CO3+SiO2→Na2SiO3+CO2↑，製品常因含亞鐵鹽而帶淺藍綠色。用為無機粘接製劑（可與滑石粉等混合共用），肥皂填充劑，調製耐酸混凝土，加入顏料后可做外牆的塗料，灌入古建築基礎土壤中使土壤堅固以防倒塌。

3．偏硅酸鈉是普通泡化鹼與燒鹼水熱反應而製得的低分子晶體，商品有無水、五水和九水合物，其中九水合物只有我國市場上存在，是在上世紀80年代急需偏硅酸鈉而倉促開發的技術含量較低的應急產品，因其熔點只有42℃，貯存時很容易變為液體或膏狀，正逐步被淘汰，但由於一些用戶習慣和一些領域對結晶水不是很在意，九水偏硅酸鈉還是有一定市場。

膠凝材料石灰

石灰一種以氧化鈣為主要成分的氣硬性無機膠凝材料。石灰是用石灰石、白雲石、白堊、貝殼等碳酸鈣含量高的原料，經900～1100℃煅燒而成。石灰是人類最早應用的膠凝材料。石灰在土木工程中應用範圍很廣，在我國還可用在醫藥用途。為此，古代流傳下以石灰為題材的詩詞，千古吟頌。

石灰粒子形成氫氧化鈣膠體結構，顆粒極細(粒徑約為1μm)，比表面積很大(達10～30 m2/g)，其表面吸附一層較厚的水膜，可吸附大量的水，因而有較強保持水分的能力，即保水性好。將它摻入水泥砂漿中，配成混合砂漿，可顯著提高砂漿的和易性。

石灰依靠乾燥結晶以及碳化作用而硬化，由於空氣中的二氧化碳含量低，且碳化后形成的碳酸鈣硬殼阻止二氧化碳向內部滲透，也妨礙水分向外蒸發，因而硬化緩慢，硬化后的強度也不高，1：3的石灰砂漿28 d的抗壓強度只有0.2～0.5 MPa。在處於潮濕環境時，石灰中的水分不蒸發，二氧化碳也無法滲入，硬化將停止；加上氫氧化鈣易溶於水，已硬化的石灰遇水還會溶解潰散。因此，石灰不宜在長期潮濕和受水浸泡的環境中使用。

石灰在硬化過程中，要蒸發掉大量的水分，引起體積顯著收縮，易出現干縮裂縫。所以，石灰不宜單獨使用，一般要摻人砂、紙筋、麻刀等材料，以減少收縮，增加抗拉強度，並能節約石灰。

石灰具有較強的鹼性，在常溫下，能與玻璃態的活性氧化硅或活性氧化鋁反應，生成有水硬性的產物，產生膠結。因此，石灰還是建築材料工業中重要的原材料。

石灰質量要求

石灰中產生膠結性的成分是有效氧化鈣和氧化鎂，其含量是評價石灰質量的主要指標。石灰中的有效氧化鈣和氧化鎂的含量可以直接測定，也可以通過氧化鈣與氧化鎂的總量和二氧化碳的含量反映，生石灰還有未消化殘渣含量的要求；生石灰粉有細度的要求；消石灰粉則還有體積安定性、細度和遊離水含量的要求。

石灰應用

石灰在土木工程中應用範圍很廣主要用途如下：

（1）石灰乳和砂漿 消石灰粉或石灰膏摻加大量粉刷。用石灰膏或消石灰粉可配製石灰砂漿或水泥石灰混合砂漿，用於砌築或抹灰工程。

（2）石灰穩定土 將消石灰粉或生石灰粉摻人各種粉碎或原來鬆散的土中，經拌合、壓實及養護后得到的混合料，稱為石灰穩定土。它包括石灰土、石灰穩定砂礫土、石灰碎石土等。石灰穩定土具有一定的強度和耐水性。廣泛用作建築物的基礎、地面的墊層及道路的路面基層。

（3）硅酸鹽製品 以石灰(消石灰粉或生石灰粉)與硅質材料(砂、粉煤灰、火山灰、礦渣等)為主要原料，經過配料、拌合、成型和養護后可製得磚、砌塊等各種製品。因內部的膠凝物質主要是水化硅酸鈣，所以稱為硅酸鹽製品，常用的有灰砂磚、粉煤灰磚等。

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應用較多，最常用的是建築石膏。

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.硬化后孔隙率高。石膏漿體硬化后內部孔隙率可達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后受凍，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。

膠凝材料的發展，有著極為悠久的歷史。新石器時代，由於石器工具的進步，掘穴建室的建築活動已經興起。人類最早使用的膠凝材料——粘土來抹砌簡易的建築物。在粘土中拌以植物纖維（稻草、殼皮）可以起到加筋增強作用。但是粘土的強度很低，遇水自行散解，不能抵抗雨水的侵蝕。隨著火的發現，煅燒所得石膏和石灰被用來調製建築砂漿。公元初，古希臘人和羅馬人發現在石灰中摻入某些火山灰沉積物，不僅能提高強度，而且能御水的侵蝕。到10世紀後半期，先後出現了用粘土質石灰石經煅燒后製成的水硬性石灰和羅馬水泥。並在此基礎上，發展到用天然泥灰岩（粘土含量在20%-25%左右的石灰石）煅燒，磨細制的天然水泥。

19世紀初，用人工配料，再經煅燒、磨細以製造水硬性凝膠材料的方法，已經開始組織生產。英國阿斯普丁於1824年首先取得了該項產品的專利權。他將石灰石粉碎后煅燒，將所得石灰與粘土混合在類似燒石灰的窯中煅燒。將煅燒所得混合物磨成細粉，再用來製造水泥和人工石。因為這種膠凝材料結硬后的外觀顏色和抗水性與當時建築上常用的英國波特蘭地區生產的石灰石相似，故稱之為波特蘭水泥。由於波特蘭水泥含有較多的具有水化活性的碳酸鈣。後來，不但能在水中硬化，而且能夠長期抗水，強度甚高。其首批大規模使用的實例是1825-1843年修建的泰晤士河道工程。

大多數的早期水泥廠都設在英國的泰晤士河和半得威河附近。後來水泥生產遍及全世界，應用日益普遍。隨著現代工業的發展，到20世紀初，就逐漸出現各種不同用途的硅酸鹽水泥，如快硬水泥、抗硫酸鹽水泥、大壩水泥以及油井水泥等。同期發明了高鋁水泥。近30年來，又陸續出現硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥等品種，從而使水硬性膠凝材料又進一步發展成為更多類別。

石灰中產生膠結性的成分是有效氧化鈣和氧化鎂，其含量是評價石灰質量的主要指標。石灰中的有效氧化鈣和氧化鎂的含量可以直接測定，也可以通過氧化鈣與氧化鎂的總量和二氧化碳的含量反映，生石灰還有未消化殘渣含量的要求；生石灰粉有細度的要求；消石灰粉則還有體積安定性、細度和遊離水含量的要求。

石灰在土木工程中應用範圍很廣主要用途如下：

（1）石灰乳和砂漿 消石灰粉或石灰膏摻加大量粉刷。用石灰膏或消石灰粉可配製石灰砂漿或水泥石灰混合砂漿，用於砌築或抹灰工程。

（2）石灰穩定土 將消石灰粉或生石灰粉摻人各種粉碎或原來鬆散的土中，經拌合、壓實及養護后得到的混合料，稱為石灰穩定土。它包括石灰土、石灰穩定砂礫土、石灰碎石土等。石灰穩定土具有一定的強度和耐水性。廣泛用作建築物的基礎、地面的墊層及道路的路面基層。

（3）硅酸鹽製品 以石灰(消石灰粉或生石灰粉)與硅質材料(砂、粉煤灰、火山灰、礦渣等)為主要原料，經過配料、拌合、成型和養護后可製得磚、砌塊等各種製品。因內部的膠凝物質主要是水化硅酸鈣，所以稱為硅酸鹽製品，常用的有灰砂磚、粉煤灰磚等。