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胶凝材料

　　在建筑材料中，经过一系列物理作用、化学作用，能从浆体变成坚固的石状体，并能将其他固体物料胶结成整体而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。根据化学组成的不同，胶凝材料可分为无机与有机两大类。石灰、石膏、水泥等属于无机胶凝材料;而沥青、天然或合成树脂等属于有机胶凝材料。无机胶凝材料按其硬化条件的不同又可分为气硬性和水硬性两类。只能在空气中硬化，也只能在空气中保持和发展其强度的称气硬性胶凝材料，如石灰、石膏等;既能在空气中，还能更好地在水中硬化、保持和继续发展其强度的称水硬性胶凝材料，如各种水泥。气硬性胶凝材料一般只适用于干燥环境中，而不宜用于潮湿环境，更不可用于水中。

　　(一)水泥

　　水泥是一种良好的矿物胶凝材料，属于水硬性胶凝材料。

　　1.硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥

　　(1)定义与代号

　　1)硅酸盐水泥。

　　2)普通硅酸盐水泥。

　　(2)硅酸盐水泥熟料的组成

　　硅酸盐水泥熟料主要矿物组成及其含量范围和各种熟料单独与水作用所表现特性

　　(3)硅酸盐水泥的凝结硬化

　　水泥的凝结硬化包括化学反应(水化)及物理化学作用(凝结硬化)。水泥的水化反应过程是指水泥加水后，熟料矿物及掺入水泥熟料中的石膏与水发生一系列化学反应。

　　(4)硅酸盐水泥及普通水泥的技术性质

　　1)细度。表示硅酸盐水泥及普通水泥颗粒的粗细程度。水泥的细度直接影响水泥的活性和强度。颗粒越细，与水反应的表面积大，水化速度快，早期强度高，但硬化收缩较大，且粉磨时能耗大，成本高。但颗粒过粗，又不利于水泥活性的发挥，强度也低。硅酸盐水泥比表面积应大于 300m2/kg。

　　2)凝结时间。凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间为水泥加水拌和起，至水泥浆开始失去塑性所需的时间;终凝时间从水泥加水拌和起，至水泥浆完全失去塑性并开始产生强度所需的时间。

　　水泥凝结时间在施工中有重要意义，为使混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，水泥初凝时间不能过短;当施工完毕后，则要求尽快硬化，具有强度，故终凝时间不能太长。

　　硅酸盐水泥初凝时间不得早于 45min，终凝时间不得迟于 6.5h。普通硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于 10h。

　　水泥初凝时间不合要求，该水泥报废;终凝时间不合要求，视为不合格。

　　3)体积安定性。

　　4)强度。

　　5)碱含量。

　　6)水化热。

　　(5)硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的应用

　　普通硅酸盐水泥混合材料掺量十分有限，性质与硅酸盐水泥十分相近，所以在工程中的适应范围是一致的，主要应用在以下几个方面：

　　1)水泥强度等级较高，主要用于重要结构的高强度混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土工程。

　　2)凝结硬化较快、抗冻性好，适用于早期强度要求高、凝结快，冬期施工及严寒地区受反复冻融的工程。

　　3)水泥中含有较多的氢氧化钙，抗软水侵蚀和抗化学腐蚀性差，所以不宜用于经常与流动软水接触及有水压作用的工程，也不宜用于受海水和矿物等作用的工程。

　　4)因水化过程放出大量的热，故不宜用于大体积混凝土构筑物。

　　2.掺混合材料的硅酸盐水泥

　　(1)混合材料

　　在生产水泥时，为改善水泥性能，调节水泥强度等级，而加到水泥中的人工或天然矿物材料，称为水泥混合材料。按其性能分为活性(水硬性)混合材料和非活性(填充性)混合材料两类。

　　【2017 年真题改编】水泥熟料中掺入活性混合材料，可以改善水泥性能，常用的活性材料有( )。

　　A.砂岩

　　B.石英砂

　　C.石灰石

　　D.矿渣粉

　　『正确答案』D

　　『答案解析』本题考查的是掺混合材料的硅酸盐水泥。常用的活性混合材料有符合国家相关标准的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料。水泥熟料中掺入活性混合材料，可以改善水泥性能、调节水泥强度等级、扩大水泥使用范围、提高水泥产量、利用工业废料、降低成本，有利于环境保护。参见教材 P122。

　　1)活性混合材料。

　　2)非活性混合材料。

　　(2)定义与代号

　　1)矿渣硅酸盐水泥。由硅酸盐水泥熟料和 20%～70%粒化高炉矿渣、适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥，代号 P·S。

　　2)火山灰质硅酸盐水泥。由硅酸盐水泥熟料和 20%～40%的火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥，代号 P·P。

　　3)粉煤灰硅酸盐水泥。由硅酸盐水泥熟料和 20%～40%的粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬件胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号 P·F。

　　4)复合硅酸盐水泥。由硅酸盐水泥熟料和 20%～50%的两种以上混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥，代号 P·C。

　　3.五种水泥的主要特性及适用范围

　　复合硅酸盐水泥的强度等级划分以及凝结硬化、抗冻性、耐腐蚀性等与其他掺混合料的硅酸盐水泥基本一致。复合硅酸盐水泥特性取决于所掺混合料的种类、掺量及相对比例，与矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥有不同程度的相似，其使用应根据所掺混合材料种类，参照其他掺混合料水泥适用范围选用。

　　4.其他水泥

　　(1)铝酸盐水泥

　　【2018 年真题】配置冬季施工和抗硫酸盐腐蚀施工的混凝土的水泥宜采用( )。

　　A.铝酸盐水泥

　　B.硅酸盐水泥

　　C.普通硅酸盐水泥

　　D.矿渣硅酸盐水泥

　　『正确答案』A

　　『答案解析』本题考查的是水泥。铝酸盐水泥可用于配制不定型耐火材料;与耐火粗细集料(如铬铁矿等)可制成耐高温的耐热混凝土;用于工期紧急的工程，如国防、道路和特殊抢修工程等;也可用于抗硫酸盐腐蚀的工程和冬季施工的工程。参见教材 P125。

　　(2)硫铝酸盐水泥

　　(3)道路硅酸盐水泥

　　8.道路硅酸盐水泥是由道路硅酸盐水泥熟料，0～10%标准规定的活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，代号 P·R。道路硅酸盐水泥熟料是以硅酸钙为主要成分和较多量的铁铝酸钙的硅酸盐水泥熟料。根据《道路硅酸盐水泥》GB 13693 的规定，比表面积为 300～450m2/kg，28d 干缩率不得大于 0.10%，其初凝时间不得早于 1.5h，终凝时间不得迟于 12h。

　　道路硅酸盐水泥主要用于公路路面、机场跑道等工程结构，也可用于要求较高的工厂地面和停车场等工程。重交通以上等级道路、城市快速路、主干路应采用 42.5 级以上的道路硅酸盐水泥或硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥;其他道路可采用矿渣水泥，其强度等级不宜低于 32.5 级。

　　(二)沥青

　　沥青是一种有机胶凝材料，主要用于生产防水材料和铺筑沥青路面等。常用的沥青主要是石油沥青，另外还使用少量的煤沥青。

　　1.石油沥青

　　石油沥青是石油原油经蒸馏等提炼出各种轻质油(如汽油、柴油等)及润滑油以后的残留物，或再经加工而得的产品。在常温下呈固体、半固体或黏性液体，颜色为褐色或黑褐色。

　　(1)石油沥青的组分

　　在石油沥青中，油分、树脂和地沥青质是石油沥青中的三大主要组分。沥青中各组分的主要特性如下：

　　1)油分。油分为淡黄色至红褐色的油状液体，是沥青中分子量最小和密度最小的组分。油分能溶于石油醚、二硫化碳、三氯甲烷、苯、四氯化碳和丙酮等有机溶剂中，但不溶于酒精。油分赋予沥青流动性。

　　2)树脂(沥青脂胶)。沥青脂胶为黄色至黑褐色黏稠状物质(半固体)，分子量比油分大，使石油沥青具有良好的塑性和粘结性。沥青脂胶中绝大部分属于中性树脂，中性树脂能溶于三氯甲烷、汽油和苯等有机溶剂，但在酒精和丙酮中难溶解或溶解度低，赋予沥青以良好的粘结性、塑性和可流动性。

　　沥青树脂中还含有少量的酸性树脂，是沥青中的表面活性物质，改善了石油沥青对矿物材料的浸润性，特别是提高了对碳酸盐类岩石的粘附性，并有利于石油沥青的可乳化性。

　　3)地沥青质(沥青质)。地沥青质为深褐色至黑色固态无定形物质(固体粉末)，不溶于酒精、正戊烷，但溶于三氯甲烷和二硫化碳，染色力强，对光的敏感性强，感光后就不能溶解。地沥青质是决定石油沥青温度敏感性、黏性的重要组成部分，其含量愈多，则软化点愈高，粘性愈大，即愈硬脆。

　　另外，石油沥青中还含 2%～3%的沥青碳和似碳物，为无定形的黑色固体粉末，是在高温裂化、过度加热或深度氧化过程中脱氢而生成的，是石油沥青中分子量最大的，它能降低石油沥青的粘结力。蜡是石油沥青的有害成分。石油沥青中含有蜡，会降低石油沥青的粘结性和塑性，同时对温度特别敏感(即温度稳定性差)。

　　(2)石油沥青的技术性质(5 个)

　　1)防水性

　　石油沥青是憎水性材料，几乎完全不溶于水，而且本身构造致密，与矿物材料表面有很好的粘结力，能紧密粘附于矿物材料表面，同时，还具有一定的塑性，能适应材料或构件的变形，所以石油沥青具有良好的防水性，故广泛用作土木工程的防潮、防水材料。

　　2)黏滞性(黏性)

　　石油沥青的黏滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性，以绝对黏度表示。黏滞性的大小与组分及温度有关。地沥青质含量较高，同时又有适量树脂，而油分含量较少时，则黏滞性较大。在一定温度范围内，当温度升高时，则黏滞性随之降低，反之则随之增大。工程上常用相对黏度(条件黏度)来衡量石油沥青的黏滞性。测定相对黏度的主要方法是用标准黏度计和针入度仪。对于黏稠石油沥

　　青的相对黏度是用针入度仪测定的针入度来表示，反映石油沥青抵抗剪切变形的能力。针入度值越小，表明黏度越大。对于液体石油沥青或较稀的石油沥青的相对黏度，可用标准黏度计测定的标准黏度表示。

　　3)塑性。塑性指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏，除去外力后，则仍保持变形后形状的性质。石油沥青的塑性与其组分、温度及沥青膜层厚度有关。石油沥青中树脂含量较多，且其他组分含量适当时，则塑性较大;温度升高则塑性增大，膜层愈厚其塑性愈高。在常温下，塑性较好的沥青在产生裂缝时，也可能由于特有的黏塑性而自行愈合。故塑性还反映了沥青开裂后的自愈能力。沥青之所以能制造出性能良好的柔性防水材料，很大程度上取决于沥青的塑性。沥青的塑性对冲击振动荷载有一定吸收能力，并能减少摩擦时的噪声，故沥青是一种优良的道路路面材料。

　　4)温度敏感性

　　5)大气稳定性

　　(3)石油沥青的技术标准及选用

　　土木建筑工程中使用的石油沥青主要是建筑石油沥青和道路石油沥青。

　　1)建筑石油沥青。

　　2)道路石油沥青。

　　2.改性石油沥青

　　改性沥青是指添加了橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细了的胶粉等改性剂，或采用对沥青进行轻度氧化加工，从而使沥青的性能得到改善的沥青混合物。改性沥青一是改变沥青化学组成，二是使改性剂均匀分布于沥青中形成一定的空间网络结构。

　　1)橡胶改性沥青

　　2)树脂改性沥青

　　3)橡胶和树脂改性沥青

　　4)矿物填充料改性沥青