淺析無機膠凝材料
——硅酸鹽水泥的作用機理

趙犁 貴州職業技術學院

一、膠凝材料的作用

膠凝材料是建筑業和各個領域中非常常見的一種材料，在建筑業中，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）成為一個整體，進一步建造建筑骨架、墻體、基礎和其他結構。因此，可以將膠凝材料與建筑物的“膠水”進行比較。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。

膠凝材料按其化學成份可分為無機膠凝材料和有機膠凝材料兩大類。無機膠凝材料又稱礦物膠凝材料，主要由無機組分組成。無機膠凝材料經過適量水的混合和攪拌，可以通過復雜的化學和物理過程將組分或材料結合成一個整體，產生強度和粘結力。有機膠凝材料是由天然或合成的有機高分子組成的膠凝材料。它的膠凝機理與無機膠凝材料有很大的不同。

無機膠凝材料根據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，當時羅馬人在他們的建筑中使用石灰和火山灰的混合物。現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代工業，可以說，沒有水泥，就不會有現代工業文明的發展。當它與水混合時，形成一種可塑性，經過一系列復雜的物理和化學過程，幾乎硬化成堅硬的石頭，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，生產工藝復雜，質量控制嚴格，可以把硅酸鹽水泥的工藝簡單的概括為“兩磨一燒”。

硅酸鹽水泥熟料生產可分為三種主要原料：石灰質原料、黏土原料、輔助原料。其中石灰質原料主要提供CaO、粘土質原料主要提供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出現不足。這些原料在適當的比例磨細后混合在一起，在1450℃煅燒時，上述氧化物結合形成水泥熟料的礦物組成，水泥的水化、凝結、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，可以調節水泥的凝結時間，避免水泥凝結過快。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，并增加產量。

硅酸鹽水泥生料經過煅燒后形成熟料，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。硅酸鹽水泥膠凝作用開始于其與水接觸后的水化反應，水化過程主要體現為四種熟料分別于水作用的綜合效應。由于四種水泥熟料的礦物組成不同，其與水的反應特性也不同。如果改變這些礦物組成的比例，水泥的性能就會發生相應的變化，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含量在規定的范圍內。

四、硅酸鹽水泥的水化、凝結、硬化過程分析

無機膠凝材料的粘結機理是：膠凝材料與水相互作用形成膠凝產物，在適當的條件下，通過固化硬化過程發揮膠凝作用。就像石灰和石膏要經歷水化、凝結和硬化一樣，硅酸鹽水泥在成為水泥石之前也要經歷水化、凝結和硬化，因為它們的成分復雜，使得水化、凝結和硬化更難掌握。

（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生的復雜的化學反應。C3S和C2S同屬硅酸鈣，與水反應都生成水化硅酸鈣和Ca(OH)2；C3A與水反應生成水化鋁酸鈣，但該產物又與水泥熟料磨細時摻入的石膏反應，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生上述反應。

水泥水化是一個放熱過程，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。水化熱對水泥的工程應用是一把具有兩面性的，在不同的場合可能產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的溫度下凝結和硬化，不會造成水泥和混凝土凝結過慢或凍結損壞，水泥水化熱起到了積極的作用；當一次澆注大量混凝土，此時水泥水化熱可能在短時間內大量積聚，很難能及時消散，其結果是導致混凝土和裂縫過度膨脹和冷收縮，此時水泥水化熱具有負面影響。

（二）凝結

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性。隨著水泥的水化，水化產物中的一小部分混合水逐漸轉化為化學結合水，隨著水吸附在水化產物（吸附水）表面和蒸發失去水分，剩余的游離水將越來越少。因此，水泥漿會逐漸失去其可塑性或流動性而凝結。從水泥與水接觸到水泥漿開始失去可塑性的時間，通常稱為水泥的初凝時間，否則操作就會變得困難。以水泥-水接觸面為起始點，直至漿體完全失去塑性，以初始強度作為水泥的最終凝結時間。為了提高施工效率，避免工期延誤，水泥的最終凝結時間不宜過長。在《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）中規定：硅酸鹽水泥的初凝時間不小于45min，終凝時間不大于390min。

（三）硬化

終凝發生后，隨著水化產物的增多和自由水的消耗，水泥漿體開始具有強度。一旦硅酸鹽水泥的主要礦物成分—C3S水化開始將持續數周時間，此期間自由水大量消耗、水化產物（特別是C-S-H凝膠體）大量增加，使得漿體內部的孔隙不斷減少和細化，進而使得其強度持續增長并硬化成水泥石。

水泥石是由水化產物（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）多孔復合體系。硬化水泥的強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。為了滿足施工作業的需要，混合水量大于水泥完全水化的理論需水量，導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，砂石就會形成比水泥強度更高的硬化體系。

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、凝結和硬化過程是密不可分的，它們之間沒有明顯的時間界限，只是為了便于研究和應用，才將其分為三個階段。水泥基材料的微觀結構、宏觀性能和工程應用與水泥的水化、凝結和硬化特性密切相關。