二、膠凝材料

　　在建筑材料中，經(jīng)過一系列物理作用、化學(xué)作用，能從漿體變成堅(jiān)固的石狀體，并能將其他固體物料膠結(jié)成整體而具有一定機(jī)械強(qiáng)度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠凝材料。根據(jù)化學(xué)組成的不同，膠凝材料可分為無機(jī)與有機(jī)兩大類。石灰、石膏、水泥等屬于無機(jī)膠凝材料;而瀝青、天然或合成樹脂等屬于有機(jī)膠凝材料。無機(jī)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。只能在空氣中硬化，也只能在空氣中保持和發(fā)展其強(qiáng)度的稱氣硬性膠凝材料，如石灰、石膏等;既能在空氣中，還能更好地在水中硬化、保持和繼續(xù)發(fā)展其強(qiáng)度的稱水硬性膠凝材料，如各種水泥。氣硬性膠凝材料一般只適用于干燥環(huán)境中，而不宜用于潮濕環(huán)境，更不可用于水中。

　　(一)水泥

　　水泥是一種良好的礦物膠凝材料，屬于水硬性膠凝材料。

　　1.硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥

　　(1)定義與代號(hào)

　　1)硅酸鹽水泥。

　　2)普通硅酸鹽水泥。

　　(2)硅酸鹽水泥熟料的組成

　　硅酸鹽水泥熟料主要礦物組成及其含量范圍和各種熟料單獨(dú)與水作用所表現(xiàn)特性

　　(3)硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化

　　水泥的凝結(jié)硬化包括化學(xué)反應(yīng)(水化)及物理化學(xué)作用(凝結(jié)硬化)。水泥的水化反應(yīng)過程是指水泥加水后，熟料礦物及摻入水泥熟料中的石膏與水發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)。

　　(4)硅酸鹽水泥及普通水泥的技術(shù)性質(zhì)

　　1)細(xì)度。表示硅酸鹽水泥及普通水泥顆粒的粗細(xì)程度。水泥的細(xì)度直接影響水泥的活性和強(qiáng)度。顆粒越細(xì)，與水反應(yīng)的表面積大，水化速度快，早期強(qiáng)度高，但硬化收縮較大，且粉磨時(shí)能耗大，成本高。但顆粒過粗，又不利于水泥活性的發(fā)揮，強(qiáng)度也低。硅酸鹽水泥比表面積應(yīng)大于 300m2/kg。

　　2)凝結(jié)時(shí)間。凝結(jié)時(shí)間分為初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。初凝時(shí)間為水泥加水拌和起，至水泥漿開始失去塑性所需的時(shí)間;終凝時(shí)間從水泥加水拌和起，至水泥漿完全失去塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所需的時(shí)間。

　　水泥凝結(jié)時(shí)間在施工中有重要意義，為使混凝土和砂漿有充分的時(shí)間進(jìn)行攪拌、運(yùn)輸、澆搗和砌筑，水泥初凝時(shí)間不能過短;當(dāng)施工完畢后，則要求盡快硬化，具有強(qiáng)度，故終凝時(shí)間不能太長(zhǎng)。

　　硅酸鹽水泥初凝時(shí)間不得早于 45min，終凝時(shí)間不得遲于 6.5h。普通硅酸鹽水泥初凝時(shí)間不得早于45min，終凝時(shí)間不得遲于 10h。

　　水泥初凝時(shí)間不合要求，該水泥報(bào)廢;終凝時(shí)間不合要求，視為不合格。

　　3)體積安定性。

　　4)強(qiáng)度。

　　5)堿含量。

　　6)水化熱。

　　(5)硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥的應(yīng)用

　　普通硅酸鹽水泥混合材料摻量十分有限，性質(zhì)與硅酸鹽水泥十分相近，所以在工程中的適應(yīng)范圍是一致的，主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：

　　1)水泥強(qiáng)度等級(jí)較高，主要用于重要結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土工程。

　　2)凝結(jié)硬化較快、抗凍性好，適用于早期強(qiáng)度要求高、凝結(jié)快，冬期施工及嚴(yán)寒地區(qū)受反復(fù)凍融的工程。

　　3)水泥中含有較多的氫氧化鈣，抗軟水侵蝕和抗化學(xué)腐蝕性差，所以不宜用于經(jīng)常與流動(dòng)軟水接觸及有水壓作用的工程，也不宜用于受海水和礦物等作用的工程。

　　4)因水化過程放出大量的熱，故不宜用于大體積混凝土構(gòu)筑物。

　　2.摻混合材料的硅酸鹽水泥

　　(1)混合材料

　　在生產(chǎn)水泥時(shí)，為改善水泥性能，調(diào)節(jié)水泥強(qiáng)度等級(jí)，而加到水泥中的人工或天然礦物材料，稱為水泥混合材料。按其性能分為活性(水硬性)混合材料和非活性(填充性)混合材料兩類。

　　1)活性混合材料。

　　2)非活性混合材料。

　　(2)定義與代號(hào)

　　1)礦渣硅酸鹽水泥。由硅酸鹽水泥熟料和 20%～70%粒化高爐礦渣、適量的石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為礦渣硅酸鹽水泥，代號(hào) P·S。

　　2)火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥。由硅酸鹽水泥熟料和 20%～40%的火山灰質(zhì)混合材料、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥，代號(hào) P·P。

　　3)粉煤灰硅酸鹽水泥。由硅酸鹽水泥熟料和 20%～40%的粉煤灰、適量石膏磨細(xì)制成的水硬件膠凝材料，稱為粉煤灰硅酸鹽水泥，代號(hào) P·F。

　　4)復(fù)合硅酸鹽水泥。由硅酸鹽水泥熟料和 20%～50%的兩種以上混合材料、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為復(fù)合硅酸鹽水泥，代號(hào) P·C。

　　3.五種水泥的主要特性及適用范圍

　　復(fù)合硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級(jí)劃分以及凝結(jié)硬化、抗凍性、耐腐蝕性等與其他摻混合料的硅酸鹽水泥基本一致。復(fù)合硅酸鹽水泥特性取決于所摻混合料的種類、摻量及相對(duì)比例，與礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥有不同程度的相似，其使用應(yīng)根據(jù)所摻混合材料種類，參照其他摻混合料水泥適用范圍選用。

　　4.其他水泥

　　(1)鋁酸鹽水泥

　　(2)硫鋁酸鹽水泥

　　(3)道路硅酸鹽水泥

　　8.道路硅酸鹽水泥是由道路硅酸鹽水泥熟料，0～10%標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的活性混合材料和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，代號(hào) P·R。道路硅酸鹽水泥熟料是以硅酸鈣為主要成分和較多量的鐵鋁酸鈣的硅酸鹽水泥熟料。根據(jù)《道路硅酸鹽水泥》GB 13693 的規(guī)定，比表面積為 300～450m2/kg，28d 干縮率不得大于 0.10%，其初凝時(shí)間不得早于 1.5h，終凝時(shí)間不得遲于 12h。

　　道路硅酸鹽水泥主要用于公路路面、機(jī)場(chǎng)跑道等工程結(jié)構(gòu)，也可用于要求較高的工廠地面和停車場(chǎng)等工程。重交通以上等級(jí)道路、城市快速路、主干路應(yīng)采用 42.5 級(jí)以上的道路硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥;其他道路可采用礦渣水泥，其強(qiáng)度等級(jí)不宜低于 32.5 級(jí)。

　　(二)瀝青

　　瀝青是一種有機(jī)膠凝材料，主要用于生產(chǎn)防水材料和鋪筑瀝青路面等。常用的瀝青主要是石油瀝青，另外還使用少量的煤瀝青。

　　1.石油瀝青

　　石油瀝青是石油原油經(jīng)蒸餾等提煉出各種輕質(zhì)油(如汽油、柴油等)及潤(rùn)滑油以后的殘留物，或再經(jīng)加工而得的產(chǎn)品。在常溫下呈固體、半固體或黏性液體，顏色為褐色或黑褐色。

　　(1)石油瀝青的組分

　　在石油瀝青中，油分、樹脂和地瀝青質(zhì)是石油瀝青中的三大主要組分。瀝青中各組分的主要特性如下：

　　1)油分。油分為淡黃色至紅褐色的油狀液體，是瀝青中分子量最小和密度最小的組分。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機(jī)溶劑中，但不溶于酒精。油分賦予瀝青流動(dòng)性。

　　2)樹脂(瀝青脂膠)。瀝青脂膠為黃色至黑褐色黏稠狀物質(zhì)(半固體)，分子量比油分大，使石油瀝青具有良好的塑性和粘結(jié)性。瀝青脂膠中絕大部分屬于中性樹脂，中性樹脂能溶于三氯甲烷、汽油和苯等有機(jī)溶劑，但在酒精和丙酮中難溶解或溶解度低，賦予瀝青以良好的粘結(jié)性、塑性和可流動(dòng)性。

　　瀝青樹脂中還含有少量的酸性樹脂，是瀝青中的表面活性物質(zhì)，改善了石油瀝青對(duì)礦物材料的浸潤(rùn)性，特別是提高了對(duì)碳酸鹽類巖石的粘附性，并有利于石油瀝青的可乳化性。

　　3)地瀝青質(zhì)(瀝青質(zhì))。地瀝青質(zhì)為深褐色至黑色固態(tài)無定形物質(zhì)(固體粉末)，不溶于酒精、正戊烷，但溶于三氯甲烷和二硫化碳，染色力強(qiáng)，對(duì)光的敏感性強(qiáng)，感光后就不能溶解。地瀝青質(zhì)是決定石油瀝青溫度敏感性、黏性的重要組成部分，其含量愈多，則軟化點(diǎn)愈高，粘性愈大，即愈硬脆。

　　另外，石油瀝青中還含 2%～3%的瀝青碳和似碳物，為無定形的黑色固體粉末，是在高溫裂化、過度加熱或深度氧化過程中脫氫而生成的，是石油瀝青中分子量最大的，它能降低石油瀝青的粘結(jié)力。蠟是石油瀝青的有害成分。石油瀝青中含有蠟，會(huì)降低石油瀝青的粘結(jié)性和塑性，同時(shí)對(duì)溫度特別敏感(即溫度穩(wěn)定性差)。

　　(2)石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)(5 個(gè))

　　1)防水性

　　石油瀝青是憎水性材料，幾乎完全不溶于水，而且本身構(gòu)造致密，與礦物材料表面有很好的粘結(jié)力，能緊密粘附于礦物材料表面，同時(shí)，還具有一定的塑性，能適應(yīng)材料或構(gòu)件的變形，所以石油瀝青具有良好的防水性，故廣泛用作土木工程的防潮、防水材料。

　　2)黏滯性(黏性)

　　石油瀝青的黏滯性是反映瀝青材料內(nèi)部阻礙其相對(duì)流動(dòng)的一種特性，以絕對(duì)黏度表示。黏滯性的大小與組分及溫度有關(guān)。地瀝青質(zhì)含量較高，同時(shí)又有適量樹脂，而油分含量較少時(shí)，則黏滯性較大。在一定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度升高時(shí)，則黏滯性隨之降低，反之則隨之增大。工程上常用相對(duì)黏度(條件黏度)來衡量石油瀝青的黏滯性。測(cè)定相對(duì)黏度的主要方法是用標(biāo)準(zhǔn)黏度計(jì)和針入度儀。對(duì)于黏稠石油瀝

　　青的相對(duì)黏度是用針入度儀測(cè)定的針入度來表示，反映石油瀝青抵抗剪切變形的能力。針入度值越小，表明黏度越大。對(duì)于液體石油瀝青或較稀的石油瀝青的相對(duì)黏度，可用標(biāo)準(zhǔn)黏度計(jì)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)黏度表示。

　　3)塑性。塑性指石油瀝青在外力作用時(shí)產(chǎn)生變形而不破壞，除去外力后，則仍保持變形后形狀的性質(zhì)。石油瀝青的塑性與其組分、溫度及瀝青膜層厚度有關(guān)。石油瀝青中樹脂含量較多，且其他組分含量適當(dāng)時(shí)，則塑性較大;溫度升高則塑性增大，膜層愈厚其塑性愈高。在常溫下，塑性較好的瀝青在產(chǎn)生裂縫時(shí)，也可能由于特有的黏塑性而自行愈合。故塑性還反映了瀝青開裂后的自愈能力。瀝青之所以能制造出性能良好的柔性防水材料，很大程度上取決于瀝青的塑性。瀝青的塑性對(duì)沖擊振動(dòng)荷載有一定吸收能力，并能減少摩擦?xí)r的噪聲，故瀝青是一種優(yōu)良的道路路面材料。

　　4)溫度敏感性

　　5)大氣穩(wěn)定性

　　(3)石油瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用

　　土木建筑工程中使用的石油瀝青主要是建筑石油瀝青和道路石油瀝青。

　　1)建筑石油瀝青。

　　2)道路石油瀝青。

　　2.改性石油瀝青

　　改性瀝青是指添加了橡膠、樹脂、高分子聚合物、磨細(xì)了的膠粉等改性劑，或采用對(duì)瀝青進(jìn)行輕度氧化加工，從而使瀝青的性能得到改善的瀝青混合物。改性瀝青一是改變?yōu)r青化學(xué)組成，二是使改性劑均勻分布于瀝青中形成一定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　1)橡膠改性瀝青

　　2)樹脂改性瀝青

　　3)橡膠和樹脂改性瀝青

　　4)礦物填充料改性瀝青

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