卜特兰水泥

NCYUYu-WenLiu1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NCYUYu-WenLiu24-1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NCYUYu-WenLiu34-1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130223223:;:;:ocaCSHCSHyHCCOSSOHHO1302:ocCCCCCCO2COCHCCH石灰NCYUYu-WenLiu44-1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NCYUYu-WenLiu54-1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NCYUYu-WenLiu64-2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NCYUYu-WenLiu74-2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NCYUYu-WenLiu84-2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NCYUYu-WenLiu9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)TypeI45-5520-308-126-10350一般使用，不需特別性質TypeII40-5025-355-76-10350一般使用，中等抗硫性及水化熱TypeIII50-6515-258-146-10450需高早期強度TypeIV25-4535-454-86-18350需低水化熱TypeV40-5025-350-410-20350需高抗硫性NCYUYu-WenLiu104-2水泥的種類特殊水泥:TypeIA,ⅡA,ⅢA(A表輸氣)(ASTMC150)為(TypeI,Ⅱ,Ⅲ+輸氣劑)Type,IS,ISA,(ASTMC205)(S表高爐爐石)TypeIP,IPA,(ASTMC340)(P表pozzolan)卜作嵐(portland-pozzolancement)NCYUYu-WenLiu114-2水泥的種類TypeN、NA、(ASTMC10)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(ASTMCP1)白水泥(ASTMC150)23AlONCYUYu-WenLiu124-2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NCYUYu-WenLiu134-2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NCYUYu-WenLiu144-2水泥的種類混合水泥:高爐水泥(JIS5211):爐石含量分:A(30%)、B(30~60%)、C(60~70%)卜特蘭水泥(JIS5211):卜特蘭含量分:A(10%)、B(10~20%)C(20~30%)飛灰水泥(JIS5213):依飛灰含量:A(10%)、B(10~20%)C(20~30%)NCYUYu-WenLiu154-3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%NCYUYu-WenLiu164-3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NCYUYu-WenLiu17水泥生產流程圖石灰石（破碎）其它原料黏土/頁岩（破碎）儲料研磨及混料儲料研磨及混料儲存和最後混料預熱燒結（旋窯）石膏完成研磨儲料銷售至市場原料處理研磨燒結熟料研磨※混合的均勻性極重要NCYUYu-WenLiu184-4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)NCYUYu-WenLiu194-4-1水泥的組成三相平衡圖232aiCOAlOSONCYUYu-WenLiu204-4-1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‧SiO2C3S矽酸二鈣2CaO‧SiO2C2S鋁酸三鈣3CaO‧Al2O3C3A鋁鐵酸四鈣4CaO‧Al2O‧Fe2O3C4AF石膏（二水硫酸鈣）CaSO4‧2H2OCSH2NCYUYu-WenLiu214-4-1水泥的組成水泥熟料之複合物須具均衡比例，依CNS61(ASTM-C150)化學分析如下式計算而得:當≧0.64時?當＜0.64時?323344.0717.6006.7181.4302.8522.8670.75442.6501.6923.043CSCSPAFSCSSCSCAAFCAFFAFAF323344.0717.6004.472.8592.8522.8670.754402.0011.702CSCSPAFSCSSCSCACAFAFNCYUYu-WenLiu224-4-1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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3CS2CSNCYUYu-WenLiu234-4-1水泥的組成1953年:1850年:今日TypeI.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3CS2CS55%23%3CS2CS30%36%3CS2CS60%16%3CA3CANCYUYu-WenLiu244-4-2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”3CA4CAF2CS3CS75%~膠結差~填充NCYUYu-WenLiu254-4-2-1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NCYUYu-WenLiu264-4-2-1矽酸鈣鹽類之化學反應化學反應方程式：艾萊土：2C3S＋6HC3S2H3＋3CH；△H＝500J/g(C-S-H膠體)水化速率中等貝萊土：2C2S＋4HC3S2H3＋CH；△H＝225J/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HHNCYUYu-WenLiu274-4-2-2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NCYUYu-WenLiu284-4-2-2鋁酸鈣鹽類的水化反應水化平衡方程式C3A＋3CH2＋26HC3A‧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＋4H3C3A‧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gJH＝/1350gJH/460NCYUYu-WenLiu294-4-2-3水泥熟料礦物的水化特質水泥熟料礦物之水化速率NCYUYu-WenLiu304-4-2-3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中度中度高高C2S慢低早期低晚期高低C3A快速非常高低高C4AF中度中度低低NCYUYu-WenLiu314-4-2-4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%323CSCSCA反應快，有熱高峰反應速率快會出另一突出峰圖4-5NCYUYu-WenLiu324-4-2-4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NCYUYu-WenLiu334-4-2-4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ΔH（J/g）（實測值）純熟料水泥熟料水泥中C3S→C-S-H＋CH500570490C2S→C-S-H＋CH250260225C3A→C4AH13＋C2AH8---→C3AH6880840-→單硫鋁酸鈣水化物--~1340C4AF→C3（A,F）H6420335-→單硫鋁酸鈣水化物--460NCYUYu-WenLiu344-4-2-5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：3234CS:CS:CACAF早強晚強水化行為相當不穩定NCYUYu-WenLiu354-4-2-5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NCYUYu-WenLiu364-4-2-5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NCYUYu-WenLiu374-4-2-5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