第二章 文獻回顧
2.7 水泥固化土
基本上，水泥固化土分水泥穩定土(Soil stabilization)及土壤水泥 (Soil cement)兩大類；前者為將水泥、土壤和水按一定比例拌合，夯 實至特定單位重，並養護者；而後者為夯實至最佳狀態，並養護者。
於本章茲對水泥固化土一般機制及土壤水泥之技術、相關性質等說明 之。
2.7.1 水泥固化劑
水泥基本上係由石灰質材料（CaO）、黏土質材料（SiO2、Al2O3） 和其他原料（Fe2O3、MgO）經研磨、燒結，再加 2~4﹪石膏研磨的程 序生產而成。而水泥的組成成分（Cement Composition）主要為矽酸 三鈣（C3S）、矽酸二鈣（C2S ）、鋁酸三鈣（C3A）、鋁鐵酸四鈣（C4AF）， 及少量次要成分如氧化鎂（MgO）、游離石灰所組成，其中四種熟料 礦料（Clinkers）：C3S、C2S、C3A、C4AF影響水泥性質最鉅（王櫻茂，
1996）。
圖2.2 為土壤穩定處理方法選擇流程，可供參考。混凝土之水泥 選擇準則亦適用於土壤水泥，最常用之水泥系固化劑為波特蘭Type I 水泥；若可能存於土壤或水的溶解性硫酸鹽含量低於限制值，則可考 慮使用波特蘭Type II 水泥。用於土壤水泥之水質應同混凝土者，不
論其為拌合或養治所用均須潔淨，不含油、酸、鹽及有機物等有害物 質（洪國森，2004）。
2.7.2 水泥固化土機制
土壤礦物與石灰間的反應，即水泥含石灰成分，石灰中之鈣離子 與土壤礦物中之矽酸鹽及鋁酸鹽產生膠結反應，形成矽鈣膠體(CSH ) 及鋁鈣膠體(CAH )。王帥裕(1999)對水泥、水、土壤三者間之水泥水 化反應(Cement hydration)，當水泥遇水產生水化作用時，水泥中所含 的各種成分便開始與水發生化學反應，並衍生成三種重要產物：
1. 鈣與矽的化合物C3S2Hx或C2SHx或者二者兼具(H =H2O)，是水泥 本身水化作用所產生膠結物之主要成分。
2. 鈣與鋁的化合物C3AHx與C4AHx。 3. 石灰Ca
( )
OH 2。水化作用之反應化學式為：
S
C3 +H2O C2S2Hx + Ca
( )
OH 2 (2.1)( )
OH 2Ca Ca++ +
( )
OH − (2.2)+
Ca+ +
( )
OH − + SiO2 (土壤中) CSH+
Ca+ +
( )
OH − + Al2O3 (土壤中) CAH (2.3) HxS
C2 2 (在低 pH 值下) CSH + Ca
( )
OH 2 (2.4)式(2.1)為水泥水化作用之主要反應式，當C3S遇水會發生反應而 產生C3S2Hx，並釋放出Ca
( )
OH 2 (石灰)。Ca( )
OH 2在鹼性環境下( pH ＞ 12)隨即分解成離子狀態如式(2.2)，並與土壤中所含之SiO2及Al2O3發生化學反應生成CSH 及CAH之膠結物如式(2.3)所示，此為水泥水化作 用之次要反應式。由於Ca
( )
OH 2分解出( )
OH −參與式(2.3)之反應，以及( )
OH 2Ca 與矽和空氣中二氧化碳反應因而降低 pH 值，使得C2S2Hx呈現 不穩定狀態，如式(2.4)分解為CSH 與石灰。
由於水泥水化作用期間會產生石灰，因此在整個土壤、水泥反應 過程中，石灰與土壤礦物間之反應就顯得十分重要。土壤礦物與石灰 間的反應可分為下列兩個型式：
一、陽離子交換及膠凝-附聚反應
此為短時間完成之作用，當石灰分解成離子狀態後，高價之鈣離 子會取代土壤中低價之陽離子，由於顆粒表面帶有負電荷，因此離子 交換後可以限制土壤顆粒表面覆水層之擴張，減低土壤顆粒間之相斥 力，使土壤顆粒形成緊密之密簇構造，進而提高土壤之強度。
二、卜索蘭反應
其反應進行相當緩慢，甚可長達數年之久；即石灰中之鈣離子與 土壤礦物中之矽酸鹽及鋁酸鹽產生膠結反應，形成矽鈣膠體(CSH )及 鋁鈣膠體(CAH)，此種膠體之膠結及硬化作用可將土壤顆粒包圍，增 加土壤顆粒間之附著力，提高土壤強度。
此種膠體有助於顆粒間之鍵結和土壤中孔隙之填塞，對於提昇強 度、降低滲水性有相當大之助益。且一般認為水泥穩定土工程性質之 改變主要是水泥硬化所致，當水泥硬化作用產生時水泥顆粒和周遭之 土壤顆粒固結，形成不連續之強且硬的骨架圍繞在土粒之四周，可以 視骨架為塞入土壤之孔隙中之填塞作用（王帥裕，19991；王偉峰，
1995；陳建成，1998；王明德，2002；洪國森，2004）。