第四章 結果與討論
4.6 水泥品質檢驗
4.6.1 水泥細度與粒度分析
水泥細度是影響水合反應的主要因子，因此水泥業長久以來的共識，水泥顆 粒必須在小於30 µm 以下才能充分產生水合反應並且對強度有正面的貢獻（Beke 1973）。一般波特蘭水泥比表面積為 3300~3800 cm2/g，早強水泥為 4000~4500 cm2/g。本研究在研磨過程中使用氣透儀法測定細度以避免過度研磨，再以噴射篩 析儀（Alpine）與雷射粒度分析儀分別測定 44 µm 篩餘及其粒度分布，徹底檢視 水泥細度品質。
水泥熟料初碎過＃35 篩後，添加石膏以球磨機進行研磨，研磨過程中利用 CNS 2924 卜特蘭水泥細度檢驗法（氣透儀法）檢測細度的變化與控制研磨時間，
其細度單位為每單位克重之平方公分（cm2/g）表示之。實際的試驗當中，為了能 夠快速求出樣品之比表面積，因此在利用布蘭氏氣透儀檢測比表面積時，只需測 出壓力計落差時間，並帶入藉由卡曼公式推導出來的簡式即可求出該樣品之比表 面積（換算詳見附錄）。水泥細度分析結果如表4-14 所示，數據顯示試驗中的水 泥細度範圍3400~3550 cm2/g 之間，符合水泥業界細度控制標準，而添加底渣與 飛灰會增加研磨時間，影響水泥易磨性，因此若運用於業界上，須注意研磨時間 的控制。
日本水泥協會證明空氣噴射篩可迅速且準確地測定水泥的44 µm 篩餘，由於 44 µm 與水泥強度最有意義的粒徑 30 µm 比較接近，因此依據推測 44 µm 篩餘的 變動情形，比較能敏銳地顯現出水泥細度品質變化趨勢，單純以氣透儀檢測並不 能保證篩餘量會較小，須以篩餘分析或粒度分析加以輔助。一般而言，早期與後 期強度俱佳的水泥，其44 µm 篩餘應低於 6%（楊氏 1998）。大致上，水泥細度 與噴射篩餘成反比，細度越大篩餘會越小，但並非是絕對的。根據CNS 10473 水 泥細度篩析檢驗法進行試驗，由圖 4-17 來分析，可看出添加底渣之水泥細度最 細，但篩餘量卻不是最少的，可知單純只測細度並不太能掌控水泥顆粒分布；而 實驗製造之水泥篩餘均低於文獻所提出之 6%值，顯示研磨時間控制良好，達到 一般市售水泥細度標準。
由於水泥之水合速度與其粒徑成反比，大致上來說相同熟料所磨出之水泥，
比表面積大者，其強度較高。近年來的研究也顯示水泥強度與硬化體之孔隙率有 密切關係，而水泥硬化體之孔隙率除受水灰比影響外，亦與水泥粒度分布及細度 相關，所以適當的粒度分布及細度對於水泥的強度具有極大影響力。水泥顆粒小 於3 µm 對早期強度有重大貢獻，但其較易吸收濕氣而風化且水合速度快，使水
表4-14 水泥研磨時間、氣透儀壓力計落差之時距與換算水泥細度 Cement Sample Grinding time
（min）
Time interval
（sec）
Fineness＊
（cm2/g）
F1 48 92.4 3480
F2 49 88.7 3410
F3 52 96.4 3550
＊ 換算方式詳見附錄B
泥工作性變差，含量太多並不適合。近代水泥研究證明水泥顆粒小於 30 µm 可以完全水合，並對水泥強度有所貢獻，水泥業界有所謂的品質控制粒徑
（Quality control fraction，QCF）是指水泥粒度控制在 3~30 µm，該粒度被肯 定是有效發揮強度的粒段，為水泥中重要粒度組成（楊氏 1998）。Beke（1973）
研究認為強度良好的水泥，其 QCF 需大於 70%。圖 4-18 為本實驗三種Ⅱ型 水泥粒度分析，當粒度由小到大之體積累積百分率達 50%時，三種水泥之粒 度為F1（21.73 µm）、F2（22.74 µm）與 F3（19.93 µm），圖形顯示粒徑小於 30 µm 之水泥粒度分布約為 70%，大致符合文獻上的粒度分布要求。
0 1 2 3 4 5 6
F1 F2 F3
Cement Sample
Percentage ( % )
圖4-17 各水泥配比之噴射篩析儀＃375 篩餘比較
0 1 2 3 4 5 6 7
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Particle Size ( µm )
Volume ( % )
F1 F2 F3
圖4-18 Ⅱ型水泥粒度分析
4.6.2 凝結時間（setting time）檢測
卜特蘭水泥的經濟價值，主要決定在與水混合行水合反應時，所產生的工作 性及強度的表現。水泥的工作性與水泥漿體的凝結特性有關，故常以水泥的凝結 快慢來評判工作性的優劣。依其水泥漿體的強度，可將水泥的凝結時間分為初凝 時間及終凝時間。初凝時間表示水泥漿開始明顯變稠的狀況，亦是水泥與水混合 之後可以施工的極限，而終凝時間則表示水泥漿已經開始硬化，稍微能承受荷 重，顯示水泥力學強度已經開始發展。
本試驗參考CNS 786 水硬性水泥凝結時間檢驗法（費開氏針法），以標準稠 度水泥漿進行試驗。圖 4-19 為標準模具形成之試體與費開氏針，初凝時間規定 為試針插入水泥漿等待30 秒，試針停留在 25 mm 的時間，而當針不在試體表面 留有明顯痕跡時視為終凝時間。一般CNS 61 卜特蘭水泥中規定初凝時間不可小 於45 mim，終凝時間不大於 375 mim。實驗結果如圖 4-20 所示，一般水泥業界 初凝時間約在 180 min，而實驗製造之三種Ⅱ型水泥明顯在初凝有延緩之現象，
由熟料游離石灰分析可知道，熟料中游離石灰含量在0.18~0.28%之間，燒成判斷 上趨近於硬燒（Over-burnt）（f-CaO = 0.2%），表示有燒成過當現象而造成 C3S 活 性降低，導致凝結時間的延緩。整體來說，三種Ⅱ型水泥符合初凝時間符合不小 於45 min 標準，但添加底渣與飛灰之水泥漿超過終凝不大於 375 min 之規定；實 驗顯示添加飛灰與底渣具有緩凝之作用，可能添加飛灰與底渣之水泥中含有大量 Zn、Pb 及 Cu 等，當拌成水泥漿後，會造成上述具緩凝效果之重金屬溶出（Olmo 2001），因此導致凝結時間有延緩之現象。
圖4-19 凝結時間檢測之標準試體與費開氏針
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
F1 F2 F3
Cement sample
Setting time ( min )
Initial Setting Time Final Setting Time
CNS Final setting time = 375 min
CNS Initial setting time = 45 min
圖4-20 水泥漿體凝結時間檢測
4.6.3 水泥砂漿抗壓強度
水泥主要是作為一種建築結構材料使用，所以抗壓強度對水泥非常重要，否 則水泥就沒有使用的意義。本試驗參照CNS 1010 水硬性水泥墁料抗壓強度檢驗 法，使用水灰比（W/C = 0.485）與標準砂，將水泥漿體製成 50 mm 立方體之試 體，如圖 4-21 為檢測抗壓強度之水泥砂漿試體。待試體於恆溫（±23℃）恆濕
（≧95%）條件下，待硬化後，拆模將試體置於養護箱之飽和石灰水中進行養護
（Curing），並於齡期 3 天、7 天及 28 天之下進行抗壓強度試驗，實際瞭解在添 加底渣與飛灰的情況下，其對水泥漿體強度發展的影響。
水泥早期強度的發展，主要是受水泥中矽酸三鈣多寡影響，晚期強度則受到 矽酸三鈣、矽酸二鈣及游離石灰含量的影響，在相同的矽酸三鈣含量之下，則以 矽酸二鈣的多寡決定晚期強度的發展。三種Ⅱ型水泥之熟料礦物成份分布差異不 大，但由圖 4-22 抗壓強度檢測來看，燒結過當之情形並沒有影響到水泥砂漿強 度，倒是添加飛灰與底渣有降低水泥砂漿抗壓強度之現象發生，在早期強度（3、
7 天），隨養護時間的增加而越趨於明顯，其中添加底渣之水泥強度比其它兩者 差，研判受含量過多P2O5影響Alite 生成量而降低其抗壓強度；到了晚期（28 天）， 添加底渣之水泥含量較多 C2S，促使晚期強度發展出來而拉近強度之差距。整體 來看，各水泥砂漿各齡期強度均大於CNS 在 3 天（1500 psi）與 7 天（2500 psi）
的強度規範，顯示添加飛灰與底渣並不嚴重促使水泥強度降低。
圖4-21 標準抗壓強度之水泥砂漿試體
圖4-22 各養護齡期水泥砂漿抗壓強度發展 Age ( days )
0 5 10 15 20 25 30
Compressi ve Stre ngth ( psi )
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
F1 ( 3480 g/cm2 ) F2 ( 3410 g/cm2 ) F3 ( 3550 g/cm2 ) 1500 psi
2500 psi 4000 psi
第五章 結論與建議
5.1 結論
1. 飛灰與底渣灰份含量高，具有資源再生作為水泥生料之價值，但含大量之氯 鹽、SO3及P2O5會損害旋窯系統與水泥品質。
2. 在室溫下以水洗（L/S=10、15 min）搭配醋酸酸洗（L/S=20、醋酸濃度 0.1 M、
30 min）方式進行，可有效去除灰渣中所殘存之有機氯離子，提升飛灰與底渣 作為水泥生料之添加比率。
3. 本研究設計之水泥配料程式可適用於無機廢棄物，但須搭配精準之化學成份定 量分析。
4. 本研究參照 CNS 61 卜特蘭Ⅱ型水泥規範，實驗製造之水泥，其化學與物理性 質均符合規範，唯整體水泥樣品凝結時間較規範值慢。
5. 飛灰與底渣作為水泥生料與純水泥原料之水泥砂漿養護齡期之抗壓強度差異 不大，且其強度仍高於CNS 規範值。
5.2 建議
1. 研究 計之水泥配料方程式雖可適用於無機廢棄物，建議仍需考量廢棄物所 含之物質，如重金屬；水泥旋窯系統雖可將重金屬封存於水泥礦物中，但在高 溫（1450℃）燒結下容易造成中某些低熔點重金屬的揮發而造成污染，需特別 注意
2. 由於飛灰為公告之有害廢棄物，添加作為水泥原料在燒結過程中會有廢氣產
，可針對水泥窯排放廢氣進行分析，探討飛灰與底渣 中有害物質在水泥窯中的流動性。
3. 飛灰與底渣作為水泥生料會降低水泥砂漿抗壓強度，一般規定養護齡期為 3、
7、28 天，建議延長養護時間，可更完整監控添加焚化灰渣對水泥強度長期影 響。
本 設
。
生，為避免造成二次污染
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