Transcript 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 NCYU Yu-Wen Liu 4-1水泥的演化與發展  水泥的發展    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 NCYU Yu-Wen Liu 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 130 o c C S H 2  2C S Hy.

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
NCYU Yu-Wen Liu
1
4-1水泥的演化與發展

水泥的發展



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
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2
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
130 o c
C S H 2  2C S Hy 2  3H
C : C aO ; S : SO 3 ; H : H 2O
－石灰:由石灰煅燒而得
130 o c
CC  C  C
石灰
C :CO 2
CO
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2
C  H  CC  H 
3
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
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4
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


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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
5
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
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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
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
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7
4-2水泥的種類

輸氣卜特蘭水泥:(卜特蘭水泥+輸氣水泥)
－ 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
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波特蘭水泥之類型及用途
標準化學要求
水泥類型 矽酸三鈣 矽酸二鈣 鋁酸三鈣 鐵鋁酸四鈣細度(Blaine)
C3S
C2S
C3A
C4AF
(m2/kg)
用途
Type I
45-55
20-30
8-12
6-10
350
Type II
40-50
25-35
5-7
6-10
350
Type III
50-65
15-25
8-14
6-10
450
Type IV
25-45
35-45
4-8
6-18
350
一般使用，
不需特別性
質
一般使用，
中等抗硫性
及水化熱
需高早期強
度
需低水化熱
Type V
40-50
25-35
0-4
10-20
350
需高抗硫性
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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)
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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(Al2O 3 ) ≒40%早強、耐火
性
汙工水泥(ASTM CP1)
白水泥(ASTM C150)
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4-2水泥的種類

英國規範(BS) ，將portland水泥分6種:






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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
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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:



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普通水泥
早強水泥
低熱水泥
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4-2水泥的種類
 混合水泥:
 高爐水泥(JIS 5211):
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%)
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4-3水泥製造

水泥的製造:煅燒+研磨
－ 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%
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4-3水泥製造

水泥的製造方法分:
差
有
省
OK
耗
不合
－ 乾式法～品質、空汙、能源、經濟
－ 濕式法～品質、空汙、能源、經濟
研磨過程加水
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優
無
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水泥生產流程圖
石灰石
（破碎）
其它原料
黏土/ 頁岩
（破碎）
儲料
儲料
研 磨
及混料
研 磨
及混料
原
料
處
理
研
磨
儲 存 和
最後混料
預熱
燒
燒結（旋窯）
結
石 膏
完成研磨
※混合的均勻性極重要
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熟
料
研
磨
儲 料
銷售至市場
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4-4水泥成分與水泥化學
 卜特蘭水泥的組成
－
－
－
－
－
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)
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4-4-1水泥的組成
 C aO  Al2O3  SiO2 三相平衡圖
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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
2CaO‧SiO2
C2S
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
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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:
A F
當
A
≧0.64時?
F
C 3S  4.071C  7.600S  6.718PA  1.430F  2.852S
C 2S  2.867S  0.7544C 3S
C 3 A  2.650A  1.692F
C 4 AF  3.043F

當
＜0.64時?
C 3S  4.071C  7.600S  4.47PA  2.859F  2.852S
C 2S  2.867S  0.7544C 3S
C3A  0
C 4 AF  2.001A  1.702F
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4-4-1水泥的組成

水化作用

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
C 3S
C 2S

水泥的強度主要由

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
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控制
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4-4-1水泥的組成

1953年:
C 3S 55%
C 2S 23%
1850年:
C 3S 30%
C 2S 36%
C 3S 60%
今日Type I.portland水泥
C 2S 16%
 C 3 A :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
 C 3 A :在水泥中屬於充填性角色，貢獻
不大
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4-4-2水泥化學
 水泥化學
－ 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”
C 3S
C 2S
75%
C 3 A ~膠結差
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C 4 AF ~填充
24
4-4-2-1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
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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H


C3S2H3＋3CH；△H＝500 J/g
(C-S-H膠體) 水化速率中等

貝萊土：2C2S＋4H H


C3S2H3＋CH；△H＝225 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
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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
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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
H＝1350 J / g

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
C4AF＋x‧CH2＋y‧4H
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3C3A‧C‧H12
(單硫型鋁酸鈣)
鈣釩石＋單硫型鋁酸鈣
水化速率慢－中等
H 460 J / g



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4-4-2-3水泥熟料礦物的水化特質
 水泥熟料礦物之水化速率
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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
C3S
中度
對水泥漿體的貢獻
強度
水化熱量
中度
高
高
低
C2S
慢
低
早期低晚
期高
C3A
快速
非常高
低
高
C4AF
中度
中度
低
低
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4-4-2-4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%
C3S  反應快，有熱高峰
C2S  反應速率快
圖4-5
C3 A  會出另一突出峰
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4-4-2-4卜特蘭水泥的水化反應
 波特蘭水泥之水化放熱曲線
 C3A的水化熱峰隨石膏含量
多少而移動
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
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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
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
C3S→C-S-H＋CH
C2S→C-S-H＋CH
C3A→C4AH13＋C2AH8
→C3AH6
→單硫鋁酸鈣水化物
C4AF→C3（A,F）H6
→單硫鋁酸鈣水化物
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ΔH（J/g）（實測值）
純熟料
水泥熟料
水泥中
500
570
490
250
260
225
880
840
-
420
-
335
-
~1340
460
33
4-4-2-5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：
C3S : 早強
C2S : 晚強
C3 A
水化行為相當不穩定
C4 AF
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4-4-2-5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
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35
4-4-2-5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
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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
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