浅析无机胶凝材料——硅酸盐水泥的作用机理

赵犁 贵州职业技术学院

一、胶凝材料的作用

胶凝材料是建筑业和各个领域中非常常见的一种材料，在建筑业中，它的主要作用是通过自身的颗粒材料胶凝，块体材料（如砂、石、砖、砌块等）成为一个整体，进一步建造建筑骨架、墙体、基础和其他结构。因此，可以将胶凝材料与建筑物的“胶水”进行比较。将各种原料按一定比例混合后，可得到混合料，使砖、砌块等成为整体墙体，或使抹灰薄层与墙基紧密贴合。

胶凝材料按其化学成份可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。无机胶凝材料又称矿物胶凝材料，主要由无机组分组成。无机胶凝材料经过适量水的混合和搅拌，可以通过复杂的化学和物理过程将组分或材料结合成一个整体，产生强度和粘结力。有机胶凝材料是由天然或合成的有机高分子组成的胶凝材料。它的胶凝机理与无机胶凝材料有很大的不同。

无机胶凝材料根据硬化条件和工作条件的不同可分为：气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料两大类。

二、水泥的定义与品种

水泥的使用可以追溯到公元一世纪，当时罗马人在他们的建筑中使用石灰和火山灰的混合物。现代水泥是波特兰水泥，是1824年由石灰石和粘土制成的，从那以后一直用于现代工业，可以说，没有水泥，就不会有现代工业文明的发展。当它与水混合时，形成一种可塑性，经过一系列复杂的物理和化学过程，几乎硬化成坚硬的石头，而且可以把沙子、石头和其他粒状材料或砖块和其他材料组合成一整套水硬性胶凝材料，称为水泥。工程中常用的水泥是一种水硬性胶凝材料，由硅酸盐水泥熟料和适量的石膏和一种规定的混合物制成，称为波特兰水泥，也称为硅酸盐水泥。

三、硅酸盐水泥的矿物组成

由于其他五种硅酸盐水泥是基于硅酸盐水泥和矿物材料混合而成，在此就把重点放在硅酸盐水泥上。硅酸盐水泥熟料是硅酸盐水泥的重要组成部分，生产工艺复杂，质量控制严格，可以把硅酸盐水泥的工艺简单的概括为“两磨一烧”。

硅酸盐水泥熟料生产可分为三种主要原料：石灰质原料、黏土原料、辅助原料。其中石灰质原料主要提供CaO、粘土质原料主要提供SIO2，Al2O3和Fe2O3，辅助原料主要是以上两种基本原料中的一些氧化物含量可能会出现不足。这些原料在适当的比例磨细后混合在一起，在1450℃煅烧时，上述氧化物结合形成水泥熟料的矿物组成，水泥的水化、凝结、硬化和有效的胶凝组成。研磨后的水泥熟料与适量的石膏混合，可以调节水泥的凝结时间，避免水泥凝结过快。在混合材中，掺入石灰石与高炉矿渣的目的是为了提高水泥的性能，并增加产量。

硅酸盐水泥生料经过煅烧后形成熟料，其主要包括硅酸三钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙四种矿物成分和少量的杂质。硅酸盐水泥胶凝作用开始于其与水接触后的水化反应，水化过程主要体现为四种熟料分别于水作用的综合效应。由于四种水泥熟料的矿物组成不同，其与水的反应特性也不同。如果改变这些矿物组成的比例，水泥的性能就会发生相应的变化，也就是说，为了保证水泥的性能，必须保证这四种矿物的相对含量在规定的范围内。

四、硅酸盐水泥的水化、凝结、硬化过程分析

无机胶凝材料的粘结机理是：胶凝材料与水相互作用形成胶凝产物，在适当的条件下，通过固化硬化过程发挥胶凝作用。就像石灰和石膏要经历水化、凝结和硬化一样，硅酸盐水泥在成为水泥石之前也要经历水化、凝结和硬化，因为它们的成分复杂，使得水化、凝结和硬化更难掌握。

（一）水化

硅酸盐水泥的水化主要是指其中所包含的水泥熟料的矿物成分与水所发生的复杂的化学反应。C3S和C2S同属硅酸钙，与水反应都生成水化硅酸钙和Ca(OH)2；C3A与水反应生成水化铝酸钙，但该产物又与水泥熟料磨细时掺入的石膏反应，生成水化硫铝酸钙，俗称的钙矾石；C4AF与水作用生成水化铝酸钙和水化铁酸钙，其中所生成的水化铝酸钙同样可能与石膏再次发生上述反应。

水泥水化是一个放热过程，所释放的热量通常称之为水化热。不同的熟料矿物具有不同的水化放热特性。水化热对水泥的工程应用是一把具有两面性的，在不同的场合可能产生积极的或者是消极的影响。例如：在冬季施工中，水泥水化放出的热可以在适当的温度下凝结和硬化，不会造成水泥和混凝土凝结过慢或冻结损坏，水泥水化热起到了积极的作用；当一次浇注大量混凝土，此时水泥水化热可能在短时间内大量积聚，很难能及时消散，其结果是导致混凝土和裂缝过度膨胀和冷收缩，此时水泥水化热具有负面影响。

（二）凝结

水泥与水混合形成水泥浆。由于混合水（自由水）的存在，水泥浆具有可塑性或流动性。随着水泥的水化，水化产物中的一小部分混合水逐渐转化为化学结合水，随着水吸附在水化产物（吸附水）表面和蒸发失去水分，剩余的游离水将越来越少。因此，水泥浆会逐渐失去其可塑性或流动性而凝结。从水泥与水接触到水泥浆开始失去可塑性的时间，通常称为水泥的初凝时间，否则操作就会变得困难。以水泥-水接触面为起始点，直至浆体完全失去塑性，以初始强度作为水泥的最终凝结时间。为了提高施工效率，避免工期延误，水泥的最终凝结时间不宜过长。在《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）中规定：硅酸盐水泥的初凝时间不小于45min，终凝时间不大于390min。

（三）硬化

终凝发生后，随着水化产物的增多和自由水的消耗，水泥浆体开始具有强度。一旦硅酸盐水泥的主要矿物成分—C3S水化开始将持续数周时间，此期间自由水大量消耗、水化产物（特别是C-S-H凝胶体）大量增加，使得浆体内部的孔隙不断减少和细化，进而使得其强度持续增长并硬化成水泥石。

水泥石是由水化产物（凝胶和晶体）、未水化的水泥颗粒和未充填的孔隙（孔隙可能含有水溶液或空气）组成的三相（固体、液体和气体）多孔复合体系。硬化水泥的强度取决于水泥的水化程度和孔隙度，孔隙度与水泥浆的用水量直接相关。为了满足施工作业的需要，混合水量大于水泥完全水化的理论需水量，导致水泥石中形成孔隙。换句话说，泥浆越稀，孔隙率越高，硬化后的强度越低。如果在水泥浆中掺入适量的砂石，制成砂浆和混凝土，砂石就会形成比水泥强度更高的硬化体系。

从以上分析不难看出，作为一种典型的水硬性胶凝材料，水泥的水化、凝结和硬化过程是密不可分的，它们之间没有明显的时间界限，只是为了便于研究和应用，才将其分为三个阶段。水泥基材料的微观结构、宏观性能和工程应用与水泥的水化、凝结和硬化特性密切相关。