水泥的種類繁多,按其礦物組成分為矽酸鹽水泥(又名波特蘭水泥,Portland Cement)、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥以及少熟料或無熟料水泥等。而按其用途和性能又分為通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類。在每一種品種的水泥中,又根據其膠結強度的大小,而分為若干強度等級。當水泥品種及強度等級不同的時候,其性能也有較大差異。
水泥的由來
古代的希臘人與羅馬人建造了無數的道路、城牆、溝渠等工程,一直到今天,這些工程中的一小部分仍然使用著。它們會這麼堅固耐久,不僅僅是因為希臘人與羅馬人有高明的工程設計和精心製作的磚石材料,還因為他們大量使用原始型態的水泥來結合這些材料。他們在建築工程中使用了一種石灰和火山灰的混合物,在摻水後緩慢反應變成堅硬的固體,這就是最早的水泥。
在 20 世紀中期,考古學家在南歐發現了古代燒窯,顯示遠在四千多年前,人類就已經利用石灰石來製作灰泥-石灰與砂的混合物。古代羅馬人特別擅長這類建材的製造,他們混合水泥與火山灰以及碎黏土塊,用來建造水渠與其他結構物。事實上,從羅馬時代一直到 18 世紀,水泥製造的方式和過程可以說沒有太大的改變。
英國人和俄國人都在 1820 年代發明了水泥。在 1824 年,英國人阿斯普丁(Joseph Aspdin)發明了用黏土和石灰?燒而得到水泥的方法,並且取得英國的專利權。之後,從 1825 年起便在英國建廠生產。這種水泥的主要成分是氧化鈣和氧化矽,也就是矽酸鈣,是一種矽酸鹽。用它製成的混凝土,硬化以後,硬度、外觀和顏色,都跟當時英國波特蘭島上所產的波特蘭石材很相近,所以取名為「波特蘭水泥」(Portland cement)。阿斯普丁曾用這種水泥建造了英國倫敦泰晤士河的河底隧道。
一般常用水泥
卜特蘭第一型水泥(普通水泥)
不具其他種水泥(如混合水泥、特種水泥)之特性,乃一般建築、工程使用,占水泥使用量約九成以上。
混合水泥
熟料加石膏的研磨過程中,加入各種材質如爐石、矽、飛灰即成具各種不同特性之水泥,適用於水壩、河川、港灣等之土木工事、建築工事等。
白水泥
是水泥的一種,但比普通的硅酸鹽水泥標號高,凝固的快,其主要特點是礦渣微粉的用量為85~90%,鹼性添加物的用量不超過5%。混製出的白水泥的白度和強度不低於原料白水泥,而且早期強度還有明顯的提高。
白水泥主要是用來添補磁磚的縫隙,粉白裝飾,強度次高。
益膠泥
適用範圍:適用於衛生間、地面、牆面的瓷磚、地磚、牆磚、大理石、花崗岩等材料的牢固粘貼。
特點:防水抗滲效果好,抗壓強度高,耐凍融,抗老化,解決了傳統粘貼引起的空鼓及脫殼難題。
特種水泥
隨著科學技術的進步與使用上的需求,也出現了具有各式各樣奇妙功能的特種水泥,例如耐酸水泥、彈性水泥、潤滑水泥、油井水泥、防水水泥、快硬水泥、膨脹水泥、耐高溫的高鎂水泥、放射性包封用的水泥等。
貯存水泥時,不能讓它受潮或被雨淋濕,以致結塊變硬,失去效力。如果在水泥熟料磨細的時候,加進一種叫油酸鈉的化合物,在磨出來的水泥顆粒表面上就會形成一層防水薄膜,成為防水水泥。這種防水水泥在運輸過程中不怕雨淋,即使在潮濕的地下室裡貯存幾個月,也不會結硬。防水水泥不但方便運輸和儲藏,用它組成的混凝土有黏性較大、耐凍性較好、耐蝕性比較高、膨脹較小等特性,適合在高層建築上使用。
防水水泥既然不怕水,會不會影響它與水摻合成混凝土呢?這倒不必擔心,因為當防水水泥和細砂、石子、水摻合攪拌時,砂石會把水泥顆粒外面的薄膜割破,讓水泥恢復原來的面貌,馬上就可以與水結合了。
為了縮短施工時間,提高效能,可以使用快乾水泥。快乾水泥也叫快硬水泥,因為它乾得快,硬得早。如果在燒製水泥的原料裡加進 3% 的氯化鈣,就可以製出快乾水泥,使混凝土硬化速率加快。另外有一種專門的快乾水泥,是用石灰石和鐵礬土燒到燒結狀態,再磨成細粉而製成的。這種水泥在結硬的時候,會放出大量的熱,很適宜在冬季施工時使用。快乾水泥大半用在與時間賽跑的工程上,例如快速搶修工程、重要道路的修補工程等都得用到它。
以普通水泥為原料摻合的混凝土,在結硬的時候體積往往會微幅縮小,因此建築物上偶爾會出現一些細小的裂縫。如果在普通水泥原料中摻入大約 2% 的硫鐵酸鈣,就成了膨脹水泥,體積膨脹約 0.15%。它可用來修理破損的建築物,當膨脹水泥混凝土硬化後,就緊密地與原來的混凝土膠合在一起,減少了收縮的裂痕。另外,膨脹水泥有不透水的特性,廣泛使用在許多工程中,如海岸與水庫的堤壩、防水層工程、建築物柱子的連接、礦井和機器底等都會用到它。
水泥遇到強酸強鹼會發生化學作用,使得混凝土受到損壞,因此化學工廠的廠房,一定要用能耐得住強酸鹼腐蝕的水泥。如果用石英砂、氟矽酸鈉與水玻璃依一定比例調和,乾燥以後再把它磨細,就可製出耐酸的水泥了。耐鹼水泥是在普通水泥中加入石灰岩、白雲岩、花崗岩和石英砂為材料製成的,這種水泥適用在建造容易受到鹼液腐蝕的化學工廠的操作平台、樓板、地基等。
大約十年前,英國的卜內門公司發明了一種稱為「無缺陷水泥」的新產品,改變了人們對水泥的傳統形象。水泥雖然很結實,但它有個缺點,那就是「脆」。卜內門公司的研究人員設法克服這個缺點,他們發現,水泥製品凝固時,隱藏在其中的氣泡是降低強度的主要原因。因此,他們在製造水泥製品的過程中,採用完善的攪拌方式,驅除其中的氣泡,同時加入少量聚合凝固物質,結果就得到一種新型、無缺陷的彈性水泥。
這種彈性水泥能夠在一定範圍內被壓縮和拉伸,一張 0.3 公分厚的水泥薄片居然能如橡皮那麼柔軟,用手無法折斷它。如果把這種軟的水泥條纏繞在硬紙筒上,凝固以後就像彈簧一樣具有相當的彈性。彈性水泥可以像塑膠一般澆注或模壓成各種形狀,做成水泥齒輪等物品。工業界普遍認為彈性水泥會在許多方面取代塑膠與金屬,使水泥的使用領域更加廣闊。
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波特蘭
--原文:
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- 波特蘭水泥:係以水硬性矽酸鈣類為主要成分之熟料研磨而得之水硬性水泥,通常並與一種或一種以上不同型態之硫酸鈣為添加物共同研磨。
- 普通波特蘭水泥:
- 此種水泥之應用至廣、鐵路、電力、道路、橋樑、軍事及一般建築等工程均用之。其他各種水泥加工製品如電線桿、枕木、水泥管、石棉瓦等亦多採用之。占水泥使用量約九成以上。
- 波特蘭第二型水泥:
- 此種水泥所發生之水合熱量較少,並能抵抗中度硫酸鹽之浸蝕作用,但強度產生之初期,較第一種水泥為慢。此種水泥適合於中型巨積混凝土使用。例如橋墩及大型水壩等之用。
- 波特蘭第三型水泥:
- 在3 ~ 5天之間所能發展之強度需能相當於普通水泥28天所發展者。因此凡軍事工程,道路及水中工程之需於短期內竣工或希望儘速拆卸模子之混凝土均極適用。若干預力混凝土施工者亦樂於採用。
- 波特蘭第四型水泥:
- 其特性為硬化時所發生之水合熱僅為普通水泥之70%左右,且此種水泥之水合熱發展速率恆保持在一最低限度內,可以減少混凝土崩壞之危險,但其強度之進展則較慢,用途不免受到限制,建築大水壩工程等之巨體積混凝土至為適用。
- 波特蘭第五型水泥:
- 具有抵抗硫酸鹽浸蝕之特性,適用於抗酸蝕、下水道、地下室、溫泉區等特殊環境之工程。
波特蘭輸氣水泥
- 輸氣卜特蘭水泥:係以水硬性矽酸鈣類為主要成分之熟料研磨而得之水硬性水泥,通常並與一種或一種以上不同型態之硫酸鈣及一種輸氣劑為添加物共同研磨。為具有抗凍融特性之I、II、III型水泥特徵之輸氣水泥。
- 輸氣第一型:
- 一般構造物需要輸氣者
- 輸氣第二型:
- 抗鹽蝕構造物需要輸氣者
- 輸氣第三型:
- 緊急工程需要輸氣者
混合水泥
- 熟料加石膏的研磨過程中,加入各種材質如爐石、矽、飛灰即成具各種不同特性之水泥,適用於水壩、河川、港灣等之土木工事、建築工事等。
- 飛灰水泥:
- 此種水泥流動大,摻入飛灰可減低水合熱而無游離石灰之存在,結構比較細密,三個月後之強度超過普通卜特蘭水泥,在本省水利工程中多採用之。
- 火山灰水泥:
- 是以火山灰加入熟料中磨成,火山灰摻入成份為10%以下,10~20%或20~30%等三種。因火山灰之摻入可減低水合熱,而無游離石灰存在,結構比較緻密,增加耐久性,三個月後強度超過普通卜特蘭水泥。
- 高鋁水泥(礬土水泥):
- 早強水泥之一種,28天之耐壓強度可達1,200平方吋磅,28天之抗張強度可達4500平方吋磅,其抵抗海水浸蝕性最強,耐溫,惟凝固時發生高熱,故應防止太快風乾,以免強度受損。
- 墁砌水泥:
- 係專作墁料之用,取其較佳之粘性,是將水泥熟料摻入石灰石,消石灰等共同研磨而成,同時並加以少量輸氣劑。此種水泥適用於墁砌。
- 膨脹水泥:
- 此種水泥在硬化過程中,稍有膨脹或在空氣中乾燥時不再收縮,故又稱為非收縮水泥。
- 防水水泥:
- 為普通水泥於研磨過程中加入少量硬脂酸鈣或其他非皂化油類,使其具有防水性能。
- 油井水泥:
- 為專供充填油井或氣井中鋼管與井壁之空隙或為鞏固疏鬆地層之用。
- 白水泥:
- 是水泥的一種,但比普通的矽酸鹽水泥標號高,凝固的快,其主要特點是礦渣微粉的用量為85~90%,鹼性添加物的用量不超過5%。混製出的白水泥的白度和強度不低於原料白水泥,而且早期強度還有明顯的提高。白水泥主要是用來添補磁磚的縫隙,粉白裝飾,強度次高。
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