淺析無機(jī)膠凝材料
——硅酸鹽水泥的作用機(jī)理

趙犁 貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

一、膠凝材料的作用

膠凝材料是建筑業(yè)和各個(gè)領(lǐng)域中非常常見的一種材料，在建筑業(yè)中，它的主要作用是通過自身的顆粒材料膠凝，塊體材料（如砂、石、磚、砌塊等）成為一個(gè)整體，進(jìn)一步建造建筑骨架、墻體、基礎(chǔ)和其他結(jié)構(gòu)。因此，可以將膠凝材料與建筑物的“膠水”進(jìn)行比較。將各種原料按一定比例混合后，可得到混合料，使磚、砌塊等成為整體墻體，或使抹灰薄層與墻基緊密貼合。

膠凝材料按其化學(xué)成份可分為無機(jī)膠凝材料和有機(jī)膠凝材料兩大類。無機(jī)膠凝材料又稱礦物膠凝材料，主要由無機(jī)組分組成。無機(jī)膠凝材料經(jīng)過適量水的混合和攪拌，可以通過復(fù)雜的化學(xué)和物理過程將組分或材料結(jié)合成一個(gè)整體，產(chǎn)生強(qiáng)度和粘結(jié)力。有機(jī)膠凝材料是由天然或合成的有機(jī)高分子組成的膠凝材料。它的膠凝機(jī)理與無機(jī)膠凝材料有很大的不同。

無機(jī)膠凝材料根據(jù)硬化條件和工作條件的不同可分為：氣硬性膠凝材料和水硬性膠凝材料兩大類。

二、水泥的定義與品種

水泥的使用可以追溯到公元一世紀(jì)，當(dāng)時(shí)羅馬人在他們的建筑中使用石灰和火山灰的混合物?，F(xiàn)代水泥是波特蘭水泥，是1824年由石灰石和粘土制成的，從那以后一直用于現(xiàn)代工業(yè)，可以說，沒有水泥，就不會(huì)有現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展。當(dāng)它與水混合時(shí)，形成一種可塑性，經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，幾乎硬化成堅(jiān)硬的石頭，而且可以把沙子、石頭和其他粒狀材料或磚塊和其他材料組合成一整套水硬性膠凝材料，稱為水泥。工程中常用的水泥是一種水硬性膠凝材料，由硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏和一種規(guī)定的混合物制成，稱為波特蘭水泥，也稱為硅酸鹽水泥。

三、硅酸鹽水泥的礦物組成

由于其他五種硅酸鹽水泥是基于硅酸鹽水泥和礦物材料混合而成，在此就把重點(diǎn)放在硅酸鹽水泥上。硅酸鹽水泥熟料是硅酸鹽水泥的重要組成部分，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制嚴(yán)格，可以把硅酸鹽水泥的工藝簡(jiǎn)單的概括為“兩磨一燒”。

硅酸鹽水泥熟料生產(chǎn)可分為三種主要原料：石灰質(zhì)原料、黏土原料、輔助原料。其中石灰質(zhì)原料主要提供CaO、粘土質(zhì)原料主要提供SIO2，Al2O3和Fe2O3，輔助原料主要是以上兩種基本原料中的一些氧化物含量可能會(huì)出現(xiàn)不足。這些原料在適當(dāng)?shù)谋壤ゼ?xì)后混合在一起，在1450℃煅燒時(shí)，上述氧化物結(jié)合形成水泥熟料的礦物組成，水泥的水化、凝結(jié)、硬化和有效的膠凝組成。研磨后的水泥熟料與適量的石膏混合，可以調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時(shí)間，避免水泥凝結(jié)過快。在混合材中，摻入石灰石與高爐礦渣的目的是為了提高水泥的性能，并增加產(chǎn)量。

硅酸鹽水泥生料經(jīng)過煅燒后形成熟料，其主要包括硅酸三鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣四種礦物成分和少量的雜質(zhì)。硅酸鹽水泥膠凝作用開始于其與水接觸后的水化反應(yīng)，水化過程主要體現(xiàn)為四種熟料分別于水作用的綜合效應(yīng)。由于四種水泥熟料的礦物組成不同，其與水的反應(yīng)特性也不同。如果改變這些礦物組成的比例，水泥的性能就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，也就是說，為了保證水泥的性能，必須保證這四種礦物的相對(duì)含量在規(guī)定的范圍內(nèi)。

四、硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)、硬化過程分析

無機(jī)膠凝材料的粘結(jié)機(jī)理是：膠凝材料與水相互作用形成膠凝產(chǎn)物，在適當(dāng)?shù)臈l件下，通過固化硬化過程發(fā)揮膠凝作用。就像石灰和石膏要經(jīng)歷水化、凝結(jié)和硬化一樣，硅酸鹽水泥在成為水泥石之前也要經(jīng)歷水化、凝結(jié)和硬化，因?yàn)樗鼈兊某煞謴?fù)雜，使得水化、凝結(jié)和硬化更難掌握。

（一）水化

硅酸鹽水泥的水化主要是指其中所包含的水泥熟料的礦物成分與水所發(fā)生的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。C3S和C2S同屬硅酸鈣，與水反應(yīng)都生成水化硅酸鈣和Ca(OH)2；C3A與水反應(yīng)生成水化鋁酸鈣，但該產(chǎn)物又與水泥熟料磨細(xì)時(shí)摻入的石膏反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣，俗稱的鈣礬石；C4AF與水作用生成水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣，其中所生成的水化鋁酸鈣同樣可能與石膏再次發(fā)生上述反應(yīng)。

水泥水化是一個(gè)放熱過程，所釋放的熱量通常稱之為水化熱。不同的熟料礦物具有不同的水化放熱特性。水化熱對(duì)水泥的工程應(yīng)用是一把具有兩面性的，在不同的場(chǎng)合可能產(chǎn)生積極的或者是消極的影響。例如：在冬季施工中，水泥水化放出的熱可以在適當(dāng)?shù)臏囟认履Y(jié)和硬化，不會(huì)造成水泥和混凝土凝結(jié)過慢或凍結(jié)損壞，水泥水化熱起到了積極的作用；當(dāng)一次澆注大量混凝土，此時(shí)水泥水化熱可能在短時(shí)間內(nèi)大量積聚，很難能及時(shí)消散，其結(jié)果是導(dǎo)致混凝土和裂縫過度膨脹和冷收縮，此時(shí)水泥水化熱具有負(fù)面影響。

（二）凝結(jié)

水泥與水混合形成水泥漿。由于混合水（自由水）的存在，水泥漿具有可塑性或流動(dòng)性。隨著水泥的水化，水化產(chǎn)物中的一小部分混合水逐漸轉(zhuǎn)化為化學(xué)結(jié)合水，隨著水吸附在水化產(chǎn)物（吸附水）表面和蒸發(fā)失去水分，剩余的游離水將越來越少。因此，水泥漿會(huì)逐漸失去其可塑性或流動(dòng)性而凝結(jié)。從水泥與水接觸到水泥漿開始失去可塑性的時(shí)間，通常稱為水泥的初凝時(shí)間，否則操作就會(huì)變得困難。以水泥-水接觸面為起始點(diǎn)，直至漿體完全失去塑性，以初始強(qiáng)度作為水泥的最終凝結(jié)時(shí)間。為了提高施工效率，避免工期延誤，水泥的最終凝結(jié)時(shí)間不宜過長(zhǎng)。在《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）中規(guī)定：硅酸鹽水泥的初凝時(shí)間不小于45min，終凝時(shí)間不大于390min。

（三）硬化

終凝發(fā)生后，隨著水化產(chǎn)物的增多和自由水的消耗，水泥漿體開始具有強(qiáng)度。一旦硅酸鹽水泥的主要礦物成分—C3S水化開始將持續(xù)數(shù)周時(shí)間，此期間自由水大量消耗、水化產(chǎn)物（特別是C-S-H凝膠體）大量增加，使得漿體內(nèi)部的孔隙不斷減少和細(xì)化，進(jìn)而使得其強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)并硬化成水泥石。

水泥石是由水化產(chǎn)物（凝膠和晶體）、未水化的水泥顆粒和未充填的孔隙（孔隙可能含有水溶液或空氣）組成的三相（固體、液體和氣體）多孔復(fù)合體系。硬化水泥的強(qiáng)度取決于水泥的水化程度和孔隙度，孔隙度與水泥漿的用水量直接相關(guān)。為了滿足施工作業(yè)的需要，混合水量大于水泥完全水化的理論需水量，導(dǎo)致水泥石中形成孔隙。換句話說，泥漿越稀，孔隙率越高，硬化后的強(qiáng)度越低。如果在水泥漿中摻入適量的砂石，制成砂漿和混凝土，砂石就會(huì)形成比水泥強(qiáng)度更高的硬化體系。

從以上分析不難看出，作為一種典型的水硬性膠凝材料，水泥的水化、凝結(jié)和硬化過程是密不可分的，它們之間沒有明顯的時(shí)間界限，只是為了便于研究和應(yīng)用，才將其分為三個(gè)階段。水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)、宏觀性能和工程應(yīng)用與水泥的水化、凝結(jié)和硬化特性密切相關(guān)。