4-1 水泥的演化與發展 4-2 水泥的種類 4-3 水泥的製造 4-4 水泥成分與水泥化學

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1 4-1 水泥的演化與發展 4-2 水泥的種類 4-3 水泥的製造 4-4 水泥成分與水泥化學
第四章 水泥 4-1 水泥的演化與發展 4-2 水泥的種類 4-3 水泥的製造 4-4 水泥成分與水泥化學

2 4-1水泥的演化與發展 水泥的發展 水泥的發展以歐洲為主流 3000年前埃及人始用非水硬性黏結料，經過水硬性石灰
才於180年前發展成今日的水泥材料 水泥的發展以歐洲為主流 分成兩個時期 (1)非水硬性黏結材 (2)水硬性石灰 (3)卜特蘭水泥

3 4-1水泥的演化與發展 非水硬性粘結材 石膏:由不純天然石膏煅燒而成 石灰:由石灰煅燒而得 石灰

4 4-1水泥的演化與發展 水硬性石灰 今使用之卜特蘭水泥，即由早期的石膏及石灰發展過來的
公元前100年希臘人，以火山熔岩(卜作嵐石Pozzoland)研磨成似水硬性石灰材料

5 4-1水泥的演化與發展 卜特蘭水泥 卜特蘭水泥的發展，基本上承續早期石膏及石灰的經驗 表4-1為卜特蘭水泥的發展史
從1756年起至1824年Aspdin取得水泥專利，大量使用各種工程建設 中國至18世紀引進水泥

6 4-2水泥的種類 廣義的水泥 非水硬性 水硬性:天然水泥、卜特蘭水泥、爐石水泥、高鋁水泥 卜特蘭水泥
1824英人Aspdin研發出水泥材料，水泥+石+砂+水 近似portland岩石，故命名portland水泥，獲專利

7 4-2水泥的種類 台灣NS(R2001)規定 卜特蘭水泥 輸氣卜特蘭水泥 第一型:一般用 第二型:中度抗硫鹽，中度水化熱 第三型:早強
第四型:低水化熱 第五型:高抗硫酸鹽

8 4-2水泥的種類 輸氣卜特蘭水泥:(卜特蘭水泥+輸氣水泥) 美國 ASTM規範分:卜特蘭水泥與特殊卜特蘭水泥 輸氣第一型:同I
輸氣第二型:同Ⅱ 輸氣第三型:同Ⅲ 美國 ASTM規範分:卜特蘭水泥與特殊卜特蘭水泥

9 波特蘭水泥之類型及用途 水泥類型 標準化學要求 用途 矽酸三鈣 C3S 矽酸二鈣 C2S 鋁酸三鈣 C3A 鐵鋁酸四鈣 C4AF
細度(Blaine) (m2/kg) Type I 45-55 20-30 8-12 6-10 350 一般使用，不需特別性質 Type II 40-50 25-35 5-7 一般使用，中等抗硫性及水化熱 Type III 50-65 15-25 8-14 450 需高早期強度 Type IV 25-45 35-45 4-8 6-18 需低水化熱 Type V 0-4 10-20 需高抗硫性

10 4-2水泥的種類 特殊水泥: Type IA,ⅡA,ⅢA(A表輸氣)(ASTM C150)為(Type I,Ⅱ,Ⅲ+輸氣劑)
Type,IS,ISA,(ASTM C205)(S表高爐爐石) TypeIP,IPA ,(ASTM C340)(P表pozzolan)卜作嵐(portland-pozzolan cement)

11 4-2水泥的種類 Type N、NA 、 (ASTM C10)為天然水泥(N表天然) 爐石水泥，爐石含量≧70%，具良好抗硫性
高鋁水泥，氧化鋁( ) ≒40%早強、耐火性 汙工水泥(ASTM CP1) 白水泥(ASTM C150)

12 4-2水泥的種類 英國規範(BS) ，將portland水泥分6種: 普通卜特蘭水泥(OC)(B.S.12)
速凝卜特蘭水泥(RHC)(B.S.1370) 高強卜特蘭水泥(HSC) 低熱卜特蘭水泥(LHC)(B.S.1370) 抗硫卜特蘭水泥(SRC)(B.S.4027) 輸氣卜特蘭水泥

13 4-2水泥的種類 日本 日本工業標準JIS(R5210)規定三種卜特蘭水泥: 普通水泥 早強水泥 低熱水泥

14 4-2水泥的種類 混合水泥: 高爐水泥(JIS 5211): 卜特蘭水泥(JIS 5211): 飛灰水泥(JIS 5213):
爐石含量分:A(30%)、B(30~60%)、C(60~70%) 卜特蘭水泥(JIS 5211): 卜特蘭含量分:A(10%)、B(10~20% )C(20~30%) 飛灰水泥(JIS 5213): 依飛灰含量: A(10%)、B(10~20% )C(20~30%)

15 4-3水泥製造 水泥的製造:煅燒+研磨 水泥原料取自自然界，如(表4-3) P.73 水泥原料=(石灰石)+黏土 適當比例的石灰岩+黏土原料
磨細混合後 高溫煅燒成熟料 熟料+石膏加以研磨成粉(即水泥) 水泥原料取自自然界，如(表4-3) P.73 水泥原料=(石灰石)+黏土 碳酸鎂＜3%

16 4-3水泥製造 水泥的製造方法分: 乾式法～品質、空汙、能源、經濟 濕式法～品質、空汙、能源、經濟 差 有 省 OK 無 耗 不合 優
研磨過程加水

17 水泥生產流程圖 ※混合的均勻性極重要

18 4-4水泥成分與水泥化學 卜特蘭水泥的組成 (氧化鎂、氧化鈉、氧化鉀) 氧化鈣(64%) 二氧化矽(22%) 氧化鋁(5%)
三氧化二鎂(4%) 三氧化硫(3%) (氧化鎂、氧化鈉、氧化鉀)

19 4-4-1水泥的組成 三相平衡圖

20 4-4-1水泥的組成 卜特蘭水泥中，四個主要的複合物 化學名稱 化學式 簡寫 矽酸三鈣 3CaO‧SiO2 C3S 矽酸二鈣
鋁酸三鈣 3CaO‧Al2O3 C3A 鋁鐵酸四鈣 4CaO‧Al2O‧Fe2O3 C4AF 石膏（二水硫酸鈣） CaSO4‧2H2O CSH2

21 4-4-1水泥的組成 水泥熟料之複合物須具均衡比例，依CNS 61(ASTM-C150)化學分析如下式計算而得: 當 ≧0.64時?
當 ≧0.64時? 當 ＜0.64時?

22 4-4-1水泥的組成 水化作用 水泥的強度主要由 控制 近年來增加C3S 則水化熱多，而強度發展快。
當水泥與水接觸時，不同的複合物各別產生水化反應，進而硬化而形成強度 水泥的強度主要由 控制 近年來增加C3S 則水化熱多，而強度發展快。 增加C2S則水化反應慢，但有利於水泥的晚期強度

23 4-4-1水泥的組成 1953年: 1850年: 今日Type I.portland水泥
1953年: 1850年: 今日Type I.portland水泥 :膠結性較差，但會發生較多水化熱，抗硫不理想，體積乾縮量也大 :在水泥中屬於充填性角色，貢獻不大

24 4-4-2水泥化學 水泥化學 四種主要”熟料礦物” 指水泥遇水後所起之化學反應
反應後的水泥將逐漸硬固，把骨材顆粒粘結成具有強度之混凝土，此種水泥化學反應稱水硬性反應 四種主要”熟料礦物” 75% ~膠結差 ~填充

25 矽酸鈣鹽類之化學反應 矽酸鈣鹽類：矽酸三鈣C3S和矽酸二鈣C2S 矽酸三鈣之水化放熱反應

26 4-4-2-1矽酸鈣鹽類之化學反應 化學反應方程式： 艾萊土：2C3S＋6H C3S2H3＋3CH；△H＝500 J/g
水化速率慢 此類反應如到達平衡 完全水化 矽酸鈣鹽達成完全水化須很長的時間 顆粒越大，時間越久，甚至30年還無法完全水化 氫氧化鈣 (CH)生成量多，不利混凝土耐久性 C3S反應快速較不完全，產生水化產物不緊密的缺點 今日水泥已有朝富-貝萊土水泥生產的趨勢

27 4-4-2-2鋁酸鈣鹽類的水化反應 鋁酸鈣鹽類：鋁酸三鈣C3A及鐵鋁酸四鈣C4AF C3A不受雜質影響 C4AF常以含雜質的費來土存在
鋁酸三鈣加上石膏之水化放熱速率

28 4-4-2-2鋁酸鈣鹽類的水化反應 水化平衡方程式 C3A＋3 CH2＋26H C3A‧3C‧H32
(鈣釩石) C3A水化速率快，產生大量水化熱，不利混凝土品質 添加適量石膏抑制 C3A‧3C‧H32＋2C3A＋4H C3A‧C‧H12 (單硫型鋁酸鈣) C4AF＋x‧CH2＋y‧4H 鈣釩石＋單硫型鋁酸鈣 水化速率慢－中等

29 水泥熟料礦物的水化特質 水泥熟料礦物之水化速率

30 4-4-2-3水泥熟料礦物的水化特質 水泥熟料礦物之水化特徵 組成 水化速率 水化熱 對水泥漿體的貢獻 強度 水化熱量 C3S 中度 高
慢 低 早期低晚期高 C3A 快速 非常高 C4AF

31 卜特蘭水泥的水化反應 卜特蘭水泥中C3S與C2S含量約佔70-80% 反應快，有熱高峰 反應速率快 會出另一突出峰 圖4-5

32 4-4-2-4卜特蘭水泥的水化反應 C3A的水化熱峰隨石膏含量多少而移動 波特蘭水泥之水化放熱曲線 對同一細度的水泥而言：
石膏量太少則放熱峰會往 前移 石膏量太多則放熱峰會往後移 一般控制C3A放熱峰在C3S水化放熱峰後面，以維持混凝土較高的工作性

33 4-4-2-4卜特蘭水泥的水化反應 典型水泥熟料完全水化產生之水化熱 熟料化學反應式 ΔH（J/g）（實測值） 純熟料 水泥熟料 水泥中
純水泥熟料礦物因常含雜物使其水化熱大於由水泥中量測者 熟料化學反應式 ΔH（J/g）（實測值） 純熟料 水泥熟料 水泥中 C3S→C-S-H＋CH 500 570 490 C2S→C-S-H＋CH 250 260 225 C3A→C4AH13＋C2AH8 - →C3AH6 880 840 →單硫鋁酸鈣水化物 ~1340 C4AF→C3（A,F）H6 420 335 460

34 水泥的水化性質 水泥的水化性質與混凝土強度發展長期性質密切相關 強度發展： 早強 晚強 水化行為相當不穩定

35 水泥的水化性質 水泥熟料礦物漿體之抗壓強度發展 C3A與C4AF不穩定的反應易於在水化產物中形成孔隙不利於強度的發展

36 水泥的水化性質 各型水泥之混凝土強度發展 各型水泥混凝土強度發展的發展： 早強者晚期趨於緩慢

37 4-4-2-5水泥的水化性質 環境溫度 環境溫度會影響水泥水化作用，溫高可促進水化率，使反應激烈
高溫環境使第二個放熱高峰出現，24Hr 內較快速 溫度對混凝土早期強度發展影響較大