傳統石灰砂漿之配比與強度性質研究

國立交通大學

土木工程學系碩士班

碩 士 論 文

傳統石灰砂漿之配比與強度性質研究

Study on the Mix and Strength Properties of the

Traditional Limestone Mortar

研 究 生：徐銘亨

指導教授：趙文成 博士

傳統石灰砂漿之配比與強度性質研究

研 究 生：徐銘亨 Student：Ming-Heng Shiu

指導教授：趙文成 Advisor：Wen-Chen Jau

國 立 交 通 大 學

土 木 工 程 研 究 所

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department of Civil Engineering

College of Engineering

National Chiao Tung University

in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master

in

Civil Engineering

July 2008

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

i

傳統石灰砂漿之配比與強度性質研究

研究生：徐銘亨

指導教授：趙文成 博士

國立交通大學土木工程學系碩士班

摘 要

古蹟與古代建築的修復、保留、重建及再利用，慢慢是社會大眾

愈來愈重視的問題，雖然目前台灣對古蹟保存修復之相關法令的周延

性尚且不足，對於這些代表前人所遺留下來智慧與技術的古蹟中，灰

漿材料種類繁多複雜，但相關於灰漿材料的特性及使用方式卻少之又

少。若要維護前人所遺留下來的建築物，對於古蹟灰漿之特性及行為

有深入研究的必要性。

本研究所選用的基本材料有砂、黏土、生石灰、熟石灰，於基本

材料中所添加的材料有糖漿、楊桃汁、蚵殼粉、桐油。由實驗結果顯

示楊桃汁及生石灰具減少乾縮量，蚵殼粉明顯提升早期強度，桐油具

有絕佳的防水性，而糖漿可減少用水量及增加強度等功用。

關鍵字：灰漿、蚵殼粉、桐油、石灰

ii

Study on Mix and Strength Properties of The

Traditional Limestone Mortar

Student：Ming-Heng Shiu Advisor：Wen-Chen Jau

Department of Civil Engineering

National Chiao Tung University

Abstract

Historical monuments and ancient architectures repair, conservation,

re-build and re-use have gained more popularity recently, though the

current laws in this area are not comprehensive. Though the architecture

mortar or plaster has many different compositions and of a great varieties,

the characteristics and the right mix proportion are not available. In order

to rehabilitate the historical monuments, it is thus necessary to study

suitable mortar for different applications.

The materials used in this study include sand, clay, lime, plaster of

Paris, syrup, carambola juice, oyster shell, and tung oil. The results show

that the carambola juice and lime can reduce the shrinkage; oyster shell

can increase the early strength; and tung oil can increase waterproof

ability, while syrup may reduce the water requirement and increase

strength.

iii

誌謝

進入研究所兩年的求學歲月中，恩師 趙文成博士的悉心指導，

不論是課業上的問題或是在待人處事方面都不吝解惑，讓我從老師身

上學習到許多專業的知識與為人處事的道理，受恩深重，于不敢忘

矣。

在研究的期間，感謝楊景鼎學長與李思慧學姊，在實驗的過程中

不斷的給予建議與指教，另外也感謝學弟廖侣翔、容沛倫、葉峻閣與

江孟哲的幫忙。更要感謝交大材料實驗室，在試驗期間給予協助，使

實驗能順利完成。

最後要感謝家人在我念碩士班的期間，不斷的給我支持與鼓勵，

讓我順利完成學業。

iv

目錄

摘 要... I 英文摘要... II 誌謝... III 目錄... IV 表目錄... VI 圖目錄... VIII 第一章 緒論... 1 1.1 前言 ... 1 1.2 研究動機 ... 1 1.3 研究目的 ... 2 第二章 文獻回顧... 4 2.1 膠結材料的演變 ... 4 2.1.1 西方的膠結材料演變... 4 2.1.2 中國的膠結材料演變... 4 2.2 三合土概述 ... 6 2.3 石灰砂漿種類與材料 ... 7 2.3.1 石灰砂漿種類... 7 2.3.2 石灰砂漿材料... 8 2.4 材料概述 ... 9 2.4.1 石灰... 9 2.4.2 黏土... 10 2.4.3 糖... 12 2.4.4 桐油... 13 2.5 石灰的化學反應 ... 14 2.6 古蹟灰漿的力學性質 ... 17 第三章 實驗計畫與設計... 24 3.1 實驗計畫概述 ... 24 3.2 試驗設備 ... 25 3.3 試驗材料的備製 ... 26 3.3.1 基本材料... 26 3.3.2 添加材料... 27 3.4 實驗試體的製作... 29

v 3.4.1 立方試體製作流程（5×5×5 ㎝立方試體） ... 29 3.4.2 砂漿棒試體製作流程... 30 3.4.3 黏合紅磚之抗壓試體製作流程... 31 3.4.4 溫度效應之抗壓試體的製作流程... 32 3.4.5 耐水試驗之試體製作流程... 33 3.4.6 黏合紅磚之剪力試體製作流程... 34 3.5 實驗設計... 35 3.5.1 實驗設計概述... 35 3.5.2 基本材料配比設計... 35 3.5.3 試驗內容... 36 第四章 實驗結果與討論... 52 4.1 添加材料的影響與添加用量的訂定 ... 52 4.1.1 坍度範圍的訂定... 52 4.1.2 蚵殼粉用量範圍的擬定... 53 4.1.3 糖漿用量的擬定... 54 4.2 凝結時間之測定 ... 54 4.3 傳統砂漿的強度分析 ... 55 4.3.1 7 天抗壓強度分析... 55 4.3.2 28 天抗壓強度分析... 56 4.3.3 56 天抗壓強度分析... 57 4.3.4 不同添加材料對強度之影響... 59 4.4 砂漿棒的長度變化 ... 60 4.5 傳統砂漿的耐水能力之初步分析 ... 62 4.6 傳統砂漿對溫度效應的分析 ... 63 4.7 傳統砂漿耐酸性試驗 ... 64 4.8 黏結磚之強度試驗 ... 65 4.8.1 黏結磚之抗壓強度分析... 65 4.8.2 黏結磚之剪力強度分析... 66 4.9 各種添加材料特性 ... 66 第五章 結論與建議... 103 5.1 結論 ... 103 5.2 建議 ... 105 參考文獻... 107

vi

表目錄

表【2-1】 石灰砂漿的種類 ... 20 表【2-2】 灰漿材料 ... 21 表【2-3】台灣主要黏土類型化學組成的範圍 ... 22 表【2-4】 石灰岩各種用途之規格一覽表 ... 22 表【2-5】 台灣地區礦物性石灰岩分佈一覽表 ... 23 表【2-6】 各研究學者之灰漿抗壓強度 ... 23 表【3-1】生石灰元素分析 ... 40 表【3-2】消石灰元素分析 ... 40 表【3-3】黏土粉元素分析 ... 41 表【3-4】細粒料篩分析 ... 42 表【4-1】傳統砂漿 7 天抗壓強度 ... 68 表【4-2】傳統砂漿 28 天抗壓強度 ... 68 表【4-3】傳統砂漿 56 天抗壓強度 ... 68 表【4-4】傳統砂漿 7 天抗壓強度 ... 69 表【4-5】傳統砂漿 28 天抗壓強度 ... 69 表【4-6】傳統砂漿凝結時間 ... 69 表【4-7】蚵殼粉配比之 7 天抗壓強度 ... 70 表【4-8】蚵殼粉配比之 28 天抗壓強度 ... 71 表【4-9】蚵殼粉配比之 56 天抗壓強度 ... 72 表【4-10】添加桐油配比之 7 天抗壓強度 ... 73 表【4-11】添加桐油配比之 28 天抗壓強度 ... 74 表【4-12】添加桐油配比之 56 天抗壓強度 ... 75 表【4-13】添加楊桃汁配比之 7 天抗壓強度 ... 76 表【4-14】添加楊桃汁配比之 28 天抗壓強度 ... 77 表【4-15】添加楊桃汁配比之 56 天抗壓強度 ... 78 表【4-16】改變 CaO/Ca(OH)2含量配比之7 天抗壓強度 ... 79 表【4-17】改變 CaO/Ca(OH)2含量配比之28 天抗壓強度 ... 80 表【4-18】改變 CaO/Ca(OH)2含量配比之56 天抗壓強度 ... 81 表【4-19】砂漿棒乾縮長度變化率 ... 82 表【4-20】砂漿棒乾縮長度變化率 ... 83 表【4-21】傳統砂漿 7 天耐水試驗 ... 84 表【4-22】傳統砂漿 28 天耐水試驗 ... 85 表【4-23】傳統砂漿 56 天耐水試驗 ... 86 表【4-24】傳統砂漿 7 天溫度試驗(100℃) ... 87 表【4-25】傳統砂漿 28 天溫度效應試驗(100℃) ... 88 表【4-26】傳統砂漿 28 天溫度效應試驗(1000℃) ... 89

vii 表【4-27】28 天之酸性溶液中重量損失率 ... 90 表【4-28】28 天之水中重量損失率 ... 90 表【4-29】28 天(酸性溶液-水中)之重量損失率 ... 90 表【4-30】黏結磚 28 天之抗壓強度 ... 91 表【4-31】黏結磚 28 天之剪力強度 ... 91 表【4-32】各添加材料之特性及用量建議 ... 91

viii

圖目錄

圖【3-1】實驗流程圖 ... 43 圖【3-2】切割機 ... 44 圖【3-3】游標卡尺 ... 44 圖【3-4】砂漿拌和機 ... 45 圖【3-5】5 公分立方試體模 ... 45 圖【3-6】砂漿棒鋼模 ... 46 圖【3-7】Dialgage ... 46 圖【3-8】萬能試驗機 ... 47 圖【3-9】高溫爐 ... 47 圖【3-10】線性差動變壓器（LVDT） ... 48 圖【3-11】變位計 ... 48 圖【3-12】費開氏儀器 ... 49 圖【3-13】凝結時間測定 ... 49 圖【3-14】抗壓強度試驗 ... 50 圖【3-15】黏結磚之抗壓強度試驗 ... 50 圖【3-16】黏結磚剪力強度示意圖 ... 51 圖【3-17】黏結磚之剪力強度試驗 ... 51 圖【4-1】蚵殼粉與抗壓強度之關係 ... 92 圖【4-2】20%蚵殼粉加糖漿與抗壓強度之關係 ... 92 圖【4-3】傳統砂漿凝結時間 ... 93 圖【4-4】7 天齡期抗壓強度(糖漿+蚵殼粉) ... 93 圖【4-5】(蚵殼粉/糖漿)與 7 天抗壓強度關係 ... 94 圖【4-6】28 天齡期抗壓強度(糖漿+蚵殼粉) ... 94 圖【4-7】56 天齡期抗壓強度(糖漿+蚵殼粉) ... 95 圖【4-8】7 天齡期抗壓強度(糖漿+蚵殼粉+桐油) ... 95 圖【4-9】28 天齡期抗壓強度(糖漿+蚵殼粉+桐油) ... 96 圖【4-10】56 天齡期抗壓強度(糖漿+蚵殼粉+桐油) ... 96 圖【4-11】糯米漿與楊桃汁抗壓強度 ... 97 圖【4-12】7 天齡期抗壓強度(不同 CaO/Ca(OH)2比例) ... 97 圖【4-13】28 天齡期抗壓強度(不同 CaO/Ca(OH)2比例) ... 98 圖【4-14】56 天齡期抗壓強度(不同 CaO/Ca(OH)2比例) ... 98 圖【4-15】砂漿棒乾縮長度變化率 ... 99 圖【4-16】傳統砂漿 7 天耐水試驗 ... 100 圖【4-17】傳統砂漿 28 天之酸性溶液中重量損失率 ... 100 圖【4-18】傳統砂漿 28 天之水中重量損失率 ... 101 圖【4-19】傳統砂漿 28 天(酸性溶液-水中)之重量損失率 ... 101

ix

1

第一章 緒論

1.1 前言

台灣地區目前還遺留著許多珍貴的傳統建築物，這些建築物也

保留了當時興建時所使的的材料、構造、文化、工藝等，是相

當重要的文化資產。修復古蹟與保存文化資產的過程中，也急

需相關的理論及知識背景來輔助，以往古蹟修復只單憑建築師

與傳統匠師的經驗判斷，常常導致古蹟工程修復品質難以掌控，

使得許多古蹟在修復過程中失去建築物原有的壽命與其特色。

若能利用現代科技方法重現古代灰漿，並研究各材料之特性，

相信對古蹟修護有相當大的助益。

1.2 研究動機

「灰作」為古蹟中修復工程中項目使用最廣泛、材料成分最複

雜又最難掌控，且為不可或缺的工作材料。近年來傳統古蹟修

復相關工程，常因灰縫材料硬化太慢或強度明顯不足，故有許

多修復工程常以水泥取代傳統灰作之材料，水泥雖強度、耐水

性等其他性質遠高於灰作，但並不適用於灰作材料，英國

ICOMOS 主席費爾頓（B.M.Feilden）曾說明古蹟不適合使用水

泥的原因:

2

1. 水泥使用是不可逆的，若是使用於古蹟之上，要再去除的話，會

損傷古蹟原來的材料。

2. 水泥抗拉、抗壓、附著力太大，它與古蹟中的材料無法相互配合。

3. 水泥強大的機械力容易造成相鄰材料的破壞。

4. 水泥孔隙率低，不易滲透，它會保住水和水氣，阻礙蒸發，使牆

體受潮。

5. 水泥的傳熱性很高，利用它來澆置牆縫時，它會形成冷橋。

6. 水泥的顏色是冷灰的，很像光滑的鐵皮，與古蹟中的傳統材料

在審美上格格不入。

基於以上幾點，發現水泥確實不適用於修復古蹟。而且政府已於民

國七十一年公佈「文化資產保存法」，當中便明文陳述需要採用原用

或是相近的材料。不過對於實際上所採用的方法及配比，並沒有明確

的規定，因此若能藉由現代的儀器及文獻資料來改善傳統的「石灰砂

漿」

，相信對於古蹟修復能夠有相當大的助益。

1.3 研究目的

目前對於傳統灰漿所能獲得的訊息並不多，對於傳統灰漿的資

料主要來自於文獻記載及老匠師們的口述資料，對於這些配比亦無完

整的力學行為分析。因此本研究以基本材料砂、黏土、石灰外，另添

3

加了許多不同的材料，藉由添加各種材料配比，進而得到不同的砂漿

力學性質，並逐步修改配比，在其中尋找最佳的比例，並能夠進一步

的分析各種材料對於砂漿的影響。使我們能夠依照各種不同的需求加

入不同的添加物，而得到想要的使用目的。

4

第二章 文獻回顧

2.1 膠結材料的演變

2.1.1 西方的膠結材料演變

約在西元前三千到兩千年間，古埃及人開始在建築上使用膠結材

料，他們是以煅燒石膏做為建築的膠結材料，像在埃及的古金字塔中，

便使用了煅燒石膏。古希臘人則是將石灰石經過煅燒後所得到的石灰，

來當作建築的膠結材料。西元前

146 年羅馬帝國併吞希臘，保留了希

臘人用煅燒石灰做建築黏結材料的技術。西元前

30 年，羅馬帝國併

吞埃及，煅燒石膏的技術則被煅燒石灰所取代。羅馬人對希臘的煅燒

石灰黏結材料加以改良，在石灰中摻入砂子，及磨細的火山灰，在沒

有火山灰的地區，則摻入磨細的碎磚取代火山灰，此種改良過的砂漿，

俗稱為「羅馬砂漿」，用其砌築的建築遠比單純使用煅燒石灰的效果

好且耐久。在歐洲的建築史中，例如法蘭西和英國等，都普遍使用這

種俗稱為「羅馬砂漿」的建築黏結材料，且延續了很長的時間。

2.1.2 中國的膠結材料演變

中國古代的建築膠結材料發展，有著自己獨特的發展歷史，並

沒有受到西方國家的影響，常用的膠結材料為石灰，石灰漿的使用，

是始於中國東漢時期，例如河北一、二號漢墓就是使用石灰漿作為膠

結的材料。到了宋代之後，在磚塔的灰縫材料上，除了原有的黃泥之

5

外，也開始普遍的加入石灰作為灰縫材料。明代開始遂將石灰漿運用

於砌牆上，並使用不同的混合材料於石灰漿中。一般以石灰石鍛燒後

得氣硬性石灰，在水中強度低。最早的建築黏結材料，出現在西元前

5000 到 3000 年間的新石器時代的仰韶文化時期，使用的黏結材料稱

之為「白面灰」

。

「白面灰」是由天然的姜石磨細而成，呈白色的粉末

狀。姜石的二氧化矽含量高，常夾雜在黃土中是黃土中的鈣質結核。

西元前

403 年到西元前 221 年的戰國時代，使用的建築黏結材料演變

為黃泥漿拌草混合，作為築橋的黏結材料來築牆，此種材料的使用在

現今社會還是可以看見。蜃灰是用蛤殼燒製而成的鍛石材料，也就是

所謂的生物性石灰，由此可見早在周朝就已發現石灰具有良好的吸濕、

防潮效能和膠結的能力。在唐代的文獻中亦有記載牡蠣灰膠結性能，

例如煮鹽時用以盛鹽鹵的竹盤，為使其不漏，“竹盤者，以篾細織，

竹鑊表裡以牡蠣灰泥之，自收海水煎鹽之，謂之野鹽” 。明末宋應星

在其著作《天工開物》中詳述石灰和蠣灰的製造技術。石灰用青色石

(石灰石)鍛燒而成，方法是“先取煤炭、泥和做成餅，每煤餅一層，疊

石一層，鋪薪其底，灼火燔之”“成質之後，入水永劫不壞”。蠣灰製

作方法與石灰石相同。二者“粘砌城牆橋樑，調和桐油造舟，功皆相

同”。清代《營造法原》一書中則記載了鍛石燒製工藝與鍛石性能之

間的關係。由文獻的記載，可以知道中國到了明、清時期在石灰的生

6

產與使的技術已相當普遍、純熟。

2.2 三合土概述

「石灰砂漿」又叫做「三合土」。大約是由白灰、黏土糖漿、貝

殼粉、糯米漿、海菜和水等材料組成，所使用的材料種類並沒有特定，

一般作為砌築打底用的材料。最早出現的三合土是在西元

5 世紀的中

國南北朝時代，是由砂、黏土、石灰所組成。明代是用煅燒石灰、陶

粉和碎石所組成的三合土。清代則是用煅燒石灰、黏土（或爐渣）和

細砂所組成的。砂是石灰砂漿中的粒料，有砂粒料支撐，灰漿易於接

觸空氣而迅速凝聚，同時也可減輕灰漿凝聚，體積收縮時出現裂縫，

石灰漿則形成膠結作用。在

20 世紀考古工作者在甘肅秦安大地灣清

理房屋遺址二百四十多座。時間跨越仰韶文化早、中、晚期，其中仰

韶中期的居室地面是用夯土築成，其上鋪一層紅燒土，表面再鋪一層

堅硬的燒石灰膠凝材料，而在仰韶晚期(距今五千多年)的居室中，先

民們曾使用一種有良好防潮和保溫性能的材料。這種材料是用料礓石

（黃土層中的鈣質結核，含

CaCO

3

60~80%，含其他粘土礦物 40~20%）

鍛燒而成的輕骨料。將其研磨成粉，摻入紅黏土，形成為膠凝材料。

用以修築地面，既光滑又耐磨。晉代張華在其所撰《博物志》中最早

記載了鍛燒石灰石製取石灰︰“燒白石，作鍛石，既訖，積著地，經

日都冷，遇雨及水澆，即更燃煙焰起。”而南方濱海地區，由於缺少

7

石灰石，“燒蠣殼為灰”。

中國的建築膠結材料的發展中，最特別的地方是用有機物拌和三

合土，如「糯米石灰」、「桐油石灰」、「血料石灰」等。《宋會要》

記載，西元

1170 年南宋乾道六年修築和州城，「其城壁表裡各用磚

灰五層包砌，糯米粥調灰鋪砌城面兼樓櫓，委皆雄壯，經久堅固。」

明代《天工開物》一書中記載：

「用以襄墓及貯水池則灰一分入河砂，

黃土二分，用糯米、羊桃藤汁和勻，經築堅固，永不隳壞，名曰三合

土。」除了古籍的記載，許多考古的發現，也證實了許多古建築的膠

結材料中都含有澱粉，且至今依然完好，可見其堅固及耐久的程度。

中國在三合土的運用裡，添加了許多的有機物，不斷改進三合土

的膠結能力。在同一個時期裡，西方國家則是使用「羅馬砂漿」，或

加以改進，並沒有添加有機物等，在這方面可以看出早期在中國的膠

結材料研發上是明顯比西方來的進步。然而中國的膠結材料技術，一

直停留在用有機物拌和三合土的階段，沒有再加以改良提升。西方國

家在羅馬砂漿的基礎上，不斷的加以研究改良，最終發明出現在各界

普遍使用的水泥。

2.3 石灰砂漿種類與材料

2.3.1 石灰砂漿種類

石灰砂漿是古建築施工中常用的黏結材料，其主要成份為石灰、

8

黏土、砂等材料按一定比例加水調和而成。石灰砂漿依照不同的用途，

有不同的石灰砂漿種類，有用於打底之抹灰、牆面刷飾、防水捻縫、

黏結石頭及牆身砌築等。因用途與地點的不同而選擇適合的石灰砂漿

種類，例如用於基礎的灰漿不能太濕，且要用夯實的方式施工；用於

砌磚的灰漿，要有一定的工作性，且要有黏性；用於泥塑剪黏方面，

則要黏性高、容易塑形為主等。石灰砂漿的分類如【表

2-1】［03］。

2.3.2 石灰砂漿材料

台灣各歷史悠久的廟宇、古厝和城堡，其興建時所使用的石灰砂

漿材料也不盡相同。趙崇欽(2001)在「北線尾荷蘭海堡遺址挖掘記」

提及北線尾荷蘭海堡遺址的灰漿，顏色呈灰白色，並夾有貝殼、蚵殼

及紅磚碎屑。孫全文(2001)在「台閩地區第一級古蹟赤崁樓修復過程

工作過程記錄暨施工報告」記載，赤坎樓的灰壁粉刷乃採用麻絨、蚵

殼灰加黃黏土、水泥、溪沙打底，再用麻絨、蚵殼灰整平，最後再以

純淨的麻絨白灰層作最後一道的推光。石灰砂漿的基本材料如【表2-2】

［04］［07］。

在國外文獻中，將古建築黏結添加材料，依其不同的性質分成：

一.染色用：如色土(earth pigments)、氧化鐵(iron oxides)、炭渣(coal

dust)、燈黑(lamp black)。

9

髮(animal hair)。

三.增加黏性：如蛋白(egg white)、動物血(animal blood)。

四.輸氣劑(air entrainers)：麥芽酒(malt)、尿(urine)。

L.B. Sickels(1981)舉出下列多種添加材料，如蛋白、啤酒、蜜蠟、

血、奶油、乳酪、棉花、糞、榆樹皮、纖維、樹汁、樹脂、毛髮、猪

油、角質、麥芽酒、糖漿、米、麵糰、蟲膠、牛油、糖、尿、蔬菜汁

等材料。由以上國內外對灰漿添加材料的文獻中，可以發現添加材料

的種類，並沒有一個固定的模式，但共通點都是生活周遭容易取得的

材料為主，所以在不同的環境與用途上，添加的材料也因此會有所不

同。

2.4 材料概述

2.4.1 石灰

石灰在台灣工業用途上是一種重要的原料。目前在台灣最主要是

用在水泥工業，其他則用在製糖業、玻璃工業、陶瓷工業、鋼鐵工業

等。石灰岩在各種用途上之規格如【表

2-4】［08］。石灰依來源的

地理環境不同及生成方式的不同分成兩大類，一種是礦物性石灰，以

山區為主；一種是生物性石灰，以近海地區為主。礦物性石灰依照生

成年代及地質作用的不同，又可分為中新世石灰岩、上新世及上新更

新世石灰岩、更新世石灰岩、隆起珊瑚礁石灰岩。生物性石灰的來源

10

則是貝殼及珊瑚礁為主。台灣地區礦物性石灰岩分佈如【表

2-5】

［08］。

石灰早在公元前八世紀古希臘人便用於建築，在中國的春秋戰國

時代，也已用於建築工程上，是人類最早應用的膠凝材料。石灰可分

為生石灰與消石灰，以石灰岩燒製而成，主要的成分為

CaO（氧化鈣）

、

MgO（氧化鎂）

、

SiO

₂

（氧化矽）

、

Al

₂

O

₃

（氧化鋁）

、

Fe

₂

O

₃

（氧化鐵）

，

依照石灰所含的氧化鎂含量的高低又可分為鈣質石灰與鎂質石灰，其

不同的生成時期、產地、生產技術，也會造成成分比例的不同，因此

會影響到石灰的品質。

2.4.2 黏土

自古以來黏土就應用於建築上，黏土拌和砂或稻草形成膠泥狀物

質叫做粉塗物（daub）。黏土是一種普遍存在的礦物，並非由特定岩

石所形成，而是由許多不同種類的岩石所構成，所以有非常多的種類

和型態。在黏土礦物中，氧、矽、鋁、鐵、鎂和鉀等元素，是呈離子

狀態的球體，排成了規則的三度空間架構。這些球體是構成黏土礦物

的基本單位，排列的方式不同便形成不同型式的礦物。每一種排列的

型式，便構成了一個黏土礦物族，常見的黏土礦物可分為七族，高嶺

土族（

kaolin group）

、伊來石族（

illite group）

、蒙脫石族（

montmorillonite

group）、綠泥石族（chlorite group）、蛭石族（vermiculite group）、錯

11

層族（

mixed layer group）、板條族（lath-form group）。這七族黏土礦

物中，有

15 種常見的礦物。黏土礦物並不存在於地殼深處的岩石中，

但在地表的含量卻很豐富，這種顯著的不同，是因一連串的地質作用

中物質循環所造成的。

大部分的黏土礦物都是可塑性的，顆粒非常的細，在

0.5～4 微

毫米（μm）之間。在現今的社會中，黏土是陶瓷業和耐火工業的主

要原料，但在其他產業也使用了相當數量的黏土，例如鑽井泥漿、土

壩、造路材料、化學產物、充填料、覆蓋材料、水泥原料等。

台灣的黏土礦，依成因的不同，分成三種分類：

殘餘黏土－係由古第三世紀的板岩和千枚岩經風化作用所形成。另一

種則是火山岩屑和岩流的化學分解作用形成。

蝕變黏土－火山區的安山岩和火山角礫岩經受熱水或硫氣孔噴發蝕

變作用產生的黏土。

搬運（沉積性）黏土－包括在古代或現今河流地、沼澤地、湖泊、海

所沉積的黏土。

台灣所產的黏土以搬運黏土為主，黏土的主要成分為

SiO

₂

和

Al

₂

O

₃

佔

了

80％以上，其餘成分為 Fe

₂

O

₃

、

CaO、MgO 等。台灣主要的黏土類

型與化學組成的範圍如【表

2-3】［08］。

在還沒發明水泥以前，不論是西方或是東方的世界中，黏土材料

12

在建築材料中都是不可缺少的，因為黏土提供了良好的可塑性及黏結

性，且在拌和材料的過程中，黏土所含的

SiO

₂

會與石灰產生化學變

化，生成水化矽酸鈣，是一種水硬性的的物質，也是此種黏結材料的

強度生成來源之一。

2.4.3 糖

公元前

300 年印度已有從甘蔗取得所謂「無蜂之蜜」的記載。之

後甘蔗栽培和製糖方法便慢慢流傳於世界各地，中國最早在戰國時代

的《楚辭》中就有以蔗漿用於祭祀的記載，甘蔗製糖法的詳細論述則

見於明代的《本草綱目》和《天工開物》

，而至今蔗糖仍是製糖工業

的主要原料。

《彰化縣志》記載：「甘蔗，有紅、白二種，性溫，漿甘，有一

種幹小而韌者曰竹蔗，煮汁為糖。『廣志』一名竿蔗，又名都蔗。」

專門用於製糖的甘蔗，是一種俗稱白甘蔗，即竹蔗的品種。甘蔗的製

糖過程：

採收→過磅→餵蔗口→切割→壓榨→汽電共生→清靜及蒸發→結晶

→分蜜→成品

甘蔗運送至製糖工廠，首先先將長短不一的甘蔗切齊，再經由撕裂機

將甘蔗撕裂，然後經由壓榨機取出甘蔗原汁。剩餘的甘蔗渣便可送進

鍋爐當作燃料，一方面可以熬煮甘蔗汁提煉出蔗糖，一方面可以用於

13

發電供應工廠的電力。甘蔗汁除了糖分外，還有許多的雜質存在，因

此會添加石灰，將甘蔗汁加以清淨處理，製造出甘蔗原糖。將甘蔗原

糖進一步的加熱蒸發，

待蒸發濃縮到一定的過飽和度後，便可放入糖

粉起晶，隨後繼續不斷加入糖漿或糖蜜，直到含晶率和母液濃度都符

合規定的糖膏，即可用分蜜機將糖蜜和結晶糖分離。結晶糖經打水冼

滌、卸出、乾燥後即為砂糖成品。

早期在石灰砂漿中添加糖漿，其功用就如同混凝土的減水劑一樣

（例如：PNA 減水劑，其含糖量就超過 40％），能夠減少用水量，且

能提高石灰砂漿試體的強度。

2.4.4 桐油

台灣的油桐樹皆由大陸所引進，已有上百年的歷史，其原產於

長江流域，引進台灣的品種主要有兩種：木油桐（千年桐）與桐油樹

（三年桐）。質量較佳者為三年桐，每年收穫時間在九、十月間。桐

油是將桐油樹的種子經過冷搾或油提而製得，主要的成分是桐酸，為

含有三個雙鍵的不飽和脂肪酸，色呈金黃色黏稠液體，沒有其他添加

物者稱為「生桐油」。桐油為良好的乾性油，具有乾燥快、比重輕、

附著力強、耐熱、耐酸、耐鹼、防腐、防鏽、不導電性等特性。可用

於油漆原料、防水紡織品（如油布、人造皮革等）、印刷油墨、軍用

防潮用品、電器用品（如電器絕緣物、電話線）

、填充物品（如船隻）

、

14

捕魚網、殺蟲劑、瀝青代替品等多方面的用途。在建築使用方面，桐

油則是用在木料的保護、油漆彩繪的配料、灰漿的耐水性添加材料。

以上可以看出桐油的使用，在早期是相當重要的，尤其是桐油的防水

效果。

2.5 石灰的化學反應

參考許多的文獻資料後，可以發現傳統的灰漿材料中，石灰這項

材料是必定添加的重要材料，因為石灰的一連串化學反應，是使灰漿

硬化產生強度的重要因素。以下就對石灰各階段的化學反應進行說明。

［10］［05］

一.氧化鈣（CaO）的生成：

在大自然環境自然存在的石灰石礦，一般通稱為灰石即碳酸

鈣（

CaCO

₃

）

，為白色結晶或粉狀固體。將碳酸鈣加熱到大約

800°C

以上，碳酸鈣即開始分解成氧化鈣（

CaO）與二氧化碳（CO

₂

）。

CaCO

₃

→ CaO ＋ CO

₂

經過煅燒後的灰石生成的氧化鈣為白色固體，俗稱生石灰，熔點

高達

2580°C。

二.氧化鈣的消化反應（Ca(OH)

₂

的生成）

氧化鈣有很好的吸水能力，故常被當作乾燥劑使用。氧化概

15

與水反應生成氫氧化鈣（

Ca(OH)

₂

），並且會產生大量的化合熱，

此種反應過程稱為消化反應，所以氫氧化鈣又稱為熟石灰或消石

灰，呈白色粉末狀。

CaO ＋ H

₂

O → Ca(OH)

₂

＋ 15,540cal/mole

氧化鈣的消化反應過程中，除了放出大量的熱，體積也會增加

1.5

～2 倍，因此可以利用此一特性，用於控制砂漿體積的膨脹或收

縮情況。而氫氧化鈣水溶液會使漿體

pH 值上升，並可促進後續

的化學反應進行。

Ca(OH)

₂

→Ca

2+

＋

2(OH)

-

氫氧化鈣在水中分解成鈣離子（

Ca

2+

）和氫氧根離子

(OH)

-

後

，

鈣離子置換黏土顆粒表面之弱陽離子，如氫離子、鈉離子

及鉀離子等，由於許多鈣離子群集於粘土顆粒表面，此會改變

了黏土顆粒之電表面力，並減少擴散電雙層水的厚度，使得土

壤顆粒間的排斥力減弱，導致土壤顆粒膠凝且呈密簇與凝聚狀，

此為離子交換與凝聚作用。離子交換的能力與pH 值，粘土礦物

種類有關 ; pH 值愈高則愈能促進離子交換，而粘土礦物中以蒙

脫土（

Montomrillonite）之交換能力最高，伊利土（Illite）次之，

高嶺土（

Kaolinite）最低。

三.消石灰的硬化反應（碳化反應）

16

氫氧化鈣在水中的溶解度相對不大，但為一種強鹼。其澄清

的水溶液稱為石灰水，會與空氣中的二氧化碳慢慢反應（或直接

通二氧化碳氣體）

，生成碳酸鈣白色沈澱，但通過量的二氧化碳時，

碳酸鈣沈澱又將被溶解。

Ca(OH)

₂

＋

CO

₂

→ CaCO

₃

＋ H

₂

O

CaCO

₃

＋ CO

₂

＋ H

₂

O → Ca

2＋

＋ 2HCO

₃

灰漿的主要材料為石灰、細砂、土與適量的水，此種混合物

又被稱為三合土。因為細砂和土中含有

SiO

₂

，再吸收空氣中的二

氧化碳產生化學反應便會硬化成碳酸鈣與矽酸鈣。

Ca(OH)

₂

＋ CO

₂

→ CaCO

₃

＋ H

₂

O

Ca(OH)

₂

＋ SiO

₂

→ CaSiO

₃

＋ H

₂

O

氫氧化鈣分解出的鈣離子也會與土壤中的

SiO

2

（矽酸鹽）與

Al

2

O

3

（鋁酸鹽）進行膠結作用，產生矽酸鈣水化合物CSH 和鋁酸鈣

水化合物CAH 等膠結物質，增加其膠結強度，此過程稱做卜索

蘭反應。其化學反應式如下:

Ca

2＋

+2(OH)

-

+ SiO

2

(

黏土中

) → CSH

Ca

2＋

+2(OH)

-

+ Al

2

O

3

(

黏土中

) → CAH

石灰的碳化過程是非常緩慢的，在初期可以說只有少量氧化

鈣吸收水分變成氫氧化鈣後，與有限的二氧化碳作用生成碳酸鈣

17

結晶，碳酸鈣結晶生成後，便阻絕了二氧化碳的滲入。當二氧化

碳無法進入後，剩餘的氫氧化鈣，在潮濕的環境下，逐漸的與黏

土中所含的二氧化矽緩慢的發生反應，生成矽酸鈣等硬性的化合

物。

2.6 古蹟灰漿的力學性質

由於近代的磚砌黏結材料大部份都以水泥砂漿所取代，以傳統石

灰砂漿進行相關力學研究並不多，較具相關性的有張清忠(2002)在

「三合土配比及材料行為之研究」中，對於蠣殼灰、砂、紅土三材料

混之三合土進行相關性質及配比研究。王龍盛(2003)在「清治時期台

灣砌磚用糖灰漿之做法與基本性質研究」中，經由田野調查及實際施

作灰漿試體，探討其本力學性質。楊敦凱(2002)「傳統磚材黏結材料

抗拉力學行為之研究」，藉由實驗方法探討紅磚與傳黏結材料介面之

抗拉力學性質，所考慮之黏結材料為糖灰漿和牡蠣粉漿。陳俊良(2004)

「古蹟灰漿材料之配比與強度關係之研究」

，從古蹟材料中選出石灰、

黏土、海砂、牡蠣殼粉、糯米漿及紅糖漿等六種材料另加上稻殼灰，

來進行配比與抗壓強度之關係。在表【2-6】［07］［11］［12］［13］

列出其中傳統灰漿的抗壓強度較佳之配比。且成果如下：

張清忠(2002)「三合土配比及材料行為之研究」：

18

1. 紅土具有良好之保水力及黏著性，可提高三合土材料延展性、黏

結力及防止水分快速蒸發。

2. 蠣殼灰係用以提昇三合土韌性、防潮及防蟻，以及與紅土混合後

增加三合土之強度。

王龍盛(2003) 「清治時期台灣砌磚用糖灰漿之做法與基本性質研

究」

：

1. 本研究建議糖灰漿施作時採用 0.7 左右之水膠比較適當，石灰與砂

的比值可為

1：1 或 1：2 之間。

2. 由試驗得知搗擊數之多寡與糖灰漿並無明顯的關係存在，但經過

充分搗擊的石灰漿在加糖過程中較易進行，且可提高操作之工作

性。

3. 由研究得知 60 天齡期對糖灰漿的成長是必須的。本研究證明糖的

比例約在糖：石灰=1：96～160 較為適當。

4. 磚材吸水率與整體磚構造強度無關，但氣乾狀態時強度欠佳，砌

磚時之佈漿方式（全面佈漿或四周佈漿）與整體強度無關。

楊敦凱(2002)「傳統磚材黏結材料抗拉力學行為之研究」：

1. 影響介面拉力黏結強度之主要因素為介面黏結材料之種類和試體

置放的齡期，而材料有含砂的強度較不含砂為高。

19

2. 以牡蠣粉砂漿為磚材介面黏結材料所探討抗拉力學性質時，發現

此種材料的介抗強度並不穩其特性有待後續研究者探討之。

陳俊良(2004)「古蹟灰漿材料之配比與強度關係之研究」：

1. 灰漿中粗細骨材之比例與灰漿之抗壓強度並無一定之關係。

2. 添加黏土較多之試體，7 天及 28 天氣乾強度普遍較高，且有黏土

比例愈高，抗壓強度愈高之趨勢。牡蠣殼粉在級配中，扮演著重

要的角色，加上與黏土適當的比例，可以達到較佳的抗壓強度。

3. 添加稻殼灰之試體，抗壓強度上升之幅度相當大，可知稻殼灰乃

提升灰漿抗壓強度之一種非常好的材料。

20

表【2-1】 石灰砂漿的種類［03］

灰漿種類

製作方式

潑灰

將生石灰反覆用水均勻潑灑，成為粉狀過篩。

潑漿灰

潑灰過細篩後用青漿潑灑而成。

煮漿灰

生石灰攪成稀粥狀，過篩發漲而成。

老漿灰

青灰加水攪勻再加生石灰塊（青灰與白灰之比為

7：3），

攪成稀粥狀過篩發漲而成。

大麻刀灰 潑漿灰或潑灰加麻刀（100：5 重量比）加水攪勻而成。

麻刀灰

潑漿灰或潑灰加麻刀（100：4 重量比）加水攪勻而成。

小麻刀灰 潑漿灰或潑灰加麻刀（100：3～4 重量比）加水攪勻而成。

夾隴灰

潑漿灰加煮漿灰（3：7）加麻刀（100：3）加水調勻。

裏隴灰

打底用：潑漿灰加麻刀（100：5 重量比）加水調勻而

成。

抹面用：煮漿灰摻顏色加麻刀（100：3～5 重量比）加

水調勻而成。

素灰

為各種不摻麻刀的煮漿灰（灰膏）或潑灰。用於瓦作勾縫。

色灰

各種灰加顏色而成，通常用於牆面。

花灰

比潑漿灰水分少的素灰。青漿與潑灰可以不調勻。

油灰

麵粉加細白粉和煙子（用融化之膠水攪成膏狀）加桐油

（1：4：0.5：6 重量比）攪拌均勻而成。

麻刀油灰 用生桐油潑生石灰塊，過篩後加麻刀（100：5 重量比）

加適量麵粉加水用重物反覆砸鎚而成。

葡萄灰

潑灰用大眼篩子篩過。

紙筋灰

先將草紙用水燜爛，再放入煮漿灰內攪勻。

護板灰

潑灰加麻刀（20：1 重量比）相摻加水調勻而成。

磚藥

磚面四份，白灰膏一份加水調勻。或七份灰膏三份磚面少

許青灰加水調勻。

21

摻灰泥

泥七份，潑灰三份加水悶透調勻。

白灰漿

潑灰或生灰加水調成漿狀。

桃花漿

潑灰或生灰加好黏土即「膠泥」（6：4 重量比）加水調

成漿狀。

月白漿

潑灰加適量青灰加水調成漿狀。

青漿

青灰加水調成漿狀。

煙子漿

把黑煙子用熔化的膠水攪成膏狀，再加水攪成漿狀。

紅漿

把紅土粉用熔化的膠水攪成膏狀，再加水攪成漿狀。

磚面水

把磚磨成細粉末加水調成漿狀。

江米漿

生石灰加江米（即糯米

6：4 重量比）加水煮，至江米煮

爛為止。

表【2-2】 灰漿材料

灰

漿

材

料

黏結材料 石灰、蚵殼灰、青灰、黏土、糖汁、糯米汁

細粒料

砂、紅土、蚵殼、紅磚碎屑、貝殼

纖維物質 麥桿、麻絨、榖殼

染色用

紅土、黃土、炭渣

其他材料 桐油、米醋、明礬、血料

22

表【2-3】台灣主要黏土類型化學組成的範圍(Ho ＆ Lee，1963；陳

培源)

黏土類型 SiO2 Al2O3 Fe2O3＋CaO＋MgO 更新世沉積黏土 80.48~82.41 10.25~11.73 3.2~3.3 紅黏土 54.25~66.37 17.11~28.30 10.28~5.65 南莊層中的黏土地層 50.59~68.19 17.73~32.58 1.7~5.36 含煤地層中從白色砂岩挑出的 洗選黏土 75.32~87.55 8.18~14.27 1.75~4.62 新第三紀海相黏土 59.42 21.10 11.77 黏土化安山岩中的黏土 29.86~62.71 23.15~37.88 0.80

表【2-4】 石灰岩各種用途之規格一覽表

化學成份% 用途 氧化鈣 氧化鎂 氧化矽 氧化鋁 氧化鐵 氧化磷 硫 製水泥原料 >50.4 <3-3.5 <2.7 a <5 <1 <0.6 製糖之澄清劑 >50.4 b <3 鑄鐵用 >54 <0.5 <1.0 <0.023 <0.01 煉鋼用 >54 <0.5 <0.5 <0.046 <0.01 鐵合金用 >54 <0.5 <1.0 <0.011 <0.01 製電石原料 >54.9 >51.5 c <0.5 <1.75 <1.0 <2.0 <1.0 <1.0 <1.0 <0.01 <0.02 <0.2 製玻璃原料 >54.4 >55.2 d <1.0 <0.035 <1.0 <0.1 <0.1 註：本表a.b.c.d.分別為

a. British Standard Specification B. S. 12 , 1958 for Portland Cement. b. U.S. Bureau of Standard Circular NO.207.

c. ASTM Standard , C 258-52.

23

表【2-5】 台灣地區礦物性石灰岩分佈一覽表

類型 年代 分佈區域 特色 結晶石灰岩 上古生代 中央山脈東坡， 由蘇澳附近，南 至知本溪中游 結晶甚高，呈白色或 灰色，MgO、SiO2、 Fe2O3含量均甚少 半結晶石灰岩 白堊紀與古第 三紀 中央山脈高山區 MgO、SiO2、Fe2O3 含量均甚少 中新統石灰岩 第三紀中新世 台北縣中、桃園 縣龜山、新竹縣 關西、台東 MgO 含量較少， SiO2、Fe2O3含量較 多 上新統珊瑚石灰岩 第三紀上新世 嘉義縣番路、台 南縣白河、台南 縣番社、高雄縣 內門 MgO、SiO2、Fe2O3 含量均多 頭嵙山統珊瑚石灰 岩 下更新世 高雄縣田寮、燕 巢、高雄市半屏 山、壽山、屏東 恆春 MgO 含量較少， SiO2、Fe2O3含量較 多 隆起珊瑚礁 第四紀上更新 世 屏東恆春、北部 海岸、花蓮、台 東、綠島、蘭嶼 多孔隙、有珊瑚紋釐

表【2-6】 各研究學者之灰漿抗壓強度

研究學者 試體尺寸 較佳的抗壓強度配比 (重量比) 28 天齡期之抗壓強度 張清忠 (2002) 直徑5×高 10cm 之圓柱試體 蠣殼灰漿泥：紅土：砂 =1：1.5：1 1.317MPa (191.015psi) 王龍盛 (2003) 5×5×2cm 立方體 石灰：砂：水=1：1：0.5 3.737MPa(542.007psi) 紅糖：石灰=1：48 石灰：砂：水=1：1：0.5 11.978MPa (1736.105psi) 楊敦凱 (2002) - 蠣殼灰：砂：水 =1：1：0.5 0.213MPa (30.893psi) 陳俊良 (2004) 5×5×5cm 立方體 石灰：黏土：牡蠣殼粉 =2：1：3 石灰：稻殼灰=1：0.4 1.515MPa (219.683psi)

24

第三章 實驗計畫與設計

3.1 實驗計畫概述

根據文化資產保存法第四十六條（古蹟修護原則）

：古蹟修復應

採用原用或相近的材料。大部分古蹟所使用的黏結材料，並非現今所

普遍使用的水泥砂漿，而是傳統的灰漿材料。

參考了許多傳統建築介紹與古蹟修復材料相關的文獻，絕大部分

的灰漿材料是以砂、土（紅土、黏土等）

、石灰為主要材料，再依照

不同情況及需求添加其他材料，如纖維、蚵殼粉、桐油、糯米漿、海

菜漿、蛋白等。本實驗是以傳統砂漿為主要研究，根據對古蹟黏結材

料的化學分析結果，主要材料選擇使用河砂、黏土、生石灰、消石灰、

生桐油、蚵殼粉及砂糖漿。

因為現有對傳統砂漿的研究並不多，大多都是依照傳統匠師的經

驗來調製配比，根據文獻顯示，目前所做出的結果抗壓強度只達到

5

kgf/cm

2

左右，因此本次實驗除了參考傳統匠師的經驗外，並對各種比

例的材料進行研究，找出材料相互的關係，以找到提高抗壓強度的最

佳配比為主要目標。

25

3.2 試驗設備

01. 切割機：如圖【3-2】

02. 標準篩

03. 游標卡尺：使用 Mitutoyo 公司製造之 Series No. 530-119 游標卡

尺，有效長度為

300mm，精確值到 0.02mm。如圖【3-3】

04. 電子秤：最大秤重 12kg，精度 0.1g。量測添加材料之重量。

05. 電磁爐

06. 砂漿拌和機：如圖【3-4】

07. 立方試體鋼模：長、寬、高為 5cm×5cm×5cm，一組三個試體之

鋼模。符合

CNS1010 之規定。如圖【3-5】

08. 砂漿棒鋼模：長×寬×高尺寸為 285mm×25mm×25mm，一組兩個

試體之鋼模。符合

CNS14603 之規定。如圖【3-6】

09. Dialgage：如圖【3-7】

10. 萬能試驗機：本試驗使用 Shimadzu 公司製造之 UMH-100 萬能試

驗機，最大重為

100 噸重。如圖【3-8】

11. 高溫爐：本試驗使用由詠欣有限公司所製造之高溫爐，最高溫度

可達

1200℃。如圖【3-9】

12. 線性差動變壓器（LVDT）：如圖【3-10】

13. 位移計：如圖【3-11】

26

14. 費開氏儀器：量測初凝、終凝時間。如圖【3-12】

3.3 試驗材料的備製

3.3.1 基本材料

（一）生石灰（

calcium oxide , CaO）

此次實驗所用的生石灰為和興石灰工廠所生產的粉狀生

石灰，因為工廠所生產的生石灰粗細不均勻，所以使用前先

要先將生石灰篩過，將顆粒較粗的生石灰篩選掉，以免製作

試體時，因為大顆粒的生石灰遇水膨脹，使試體造成應力集

中的現象，甚至因此產生裂縫。化學成分分析如表【3-1】所

示

（二）消石灰（

calcium hydroxide , Ca(OH)

₂

）

實驗所使用的消石灰為新興化學工廠所生產的消石灰，

因為所生產的消石灰粗細均勻，並沒有較大的顆粒存在，拌

和時可以輕易的攪拌均勻，所以可以直接使用，不需過篩。

化學成分分析如表【3-2】所示。

（三）黏土粉（clay）

本實驗使用的黏土粉，是百康奈米科技股份有限公司所

生產的一般黏土粉。使用台灣所產的黏土礦，經烘乾、碾碎、

磨粉所製造出來。此黏土粉的化學成分分析如表【3-3】所示。

27

（四）砂

本實驗所使用的細粒料為取自中部頭前溪天然河砂，篩

分析結果如表【3-4】所示。

3.3.2 添加材料

（一）生桐油

實驗所使用之生桐油，為不添加化學藥劑之桐油，經由油桐

樹種子冷榨或油提而得，為金黃色黏稠液體，由一般油漆行可以

購得。

（二）蚵殼粉

取自高雄縣湖內鄉之新吉勝商行，用途為建材與飼料添加

物。

（三）紅糖漿

本實驗在糖的種類方面選用紅糖為主。選用的紅糖為一般市

售的紅糖粉。

紅糖漿的配製過程：

1. 用電子秤秤紅糖粉 200 公克、100℃的熱水 200ml，採用 1：1 的混

合配製。

2. 將熱水分次倒入紅糖粉中，並不停的攪拌，直到紅糖粉完全溶解

為止。

28

3. 將混和好的紅糖漿靜置冷卻，然後裝於瓶中密封，防止水分散失。

如果不是當天使用，則冰於冰箱冷藏。

（四）糯米漿

因為要將糯米漿加熱至糊狀，所以一開始糯米水不能太稠，否則

會不易加熱甚至導致燒焦。經過多次試驗後，本實驗添加適當之糯米

粉與水。本實驗選用一般市售之水磨糯米粉。

糯米漿的配置方法：

1. 使用電子秤秤出適當的糯米粉與水。

2. 先倒入少量水與糯米粉混合，然後將糯米粉攪散，充分攪拌均勻

後，將剩餘的水再加入混合均勻。

3. 將混和好但未加熱的糯米漿置於電磁爐上。首先將電磁爐調到高

溫，然後加熱拌勻。

4. 將加熱完之糯米漿，至於空氣中冷卻至 40～50 度（糯米漿從未加

熱時的右），然後將冷卻的糯米漿裝入瓶中密封，以防止水分散

失。

5. 糯米漿若不是當天要使用，則需放入冰箱中冷藏，防止糯米漿的

變質。

29

3.4 實驗試體的製作

3.4.1 立方試體製作流程（5×5×5 ㎝立方試體）

傳統砂漿試體從製作到拆模，依下列步驟執行：

1. 將鋼模組裝完成，並在試體模內部塗上黃油，以利拆模時容易脫

膜。

2. 將所需的材料如砂、黏土粉、石灰、蚵殼粉等用電子秤量出所需

的量。

3. 將所需的材料在加水前，先用拌和機乾拌和，將材料充分的混和。

4. 用電子秤量出所需的桐油及紅糖漿的用量，並先將兩者互相混

和。

5. 將乾拌和好的材料加入所需的水量用拌和機攪拌，然後加入剛攪

拌好的桐油與紅糖漿，繼續用拌和機攪拌，直到所有材料皆混和

均勻為止。

6. 灌模時，將灰漿分兩層加入，每一層均要搗實並用膠槌敲擊試體

模外部，使灰漿內的氣泡排出，最後再以刮刀將表面刮平。

7. 試體澆置完成後，置於溫度、濕度穩定且水平的地方。

8. 試體澆置完成二十四小時後，即可拆模。

9. 拆模後的試體，放置於陰涼且通風的空氣中，進行養護。

30

3.4.2 砂漿棒試體製作流程

傳統砂漿棒試體從製作到拆模，依下列步驟執行：

1. 將鋼模組裝完成，並在試體模內部塗上黃油，以利拆模時容易脫

膜。

2. 將所需的材料如砂、黏土粉、蚵殼粉、石灰等用電子秤量出所需

的量。

3. 將所需的材料在加水前，先用拌和機乾拌和，將材料充分的混和。

4. 用電子秤量出所需的桐油及紅糖漿的用量，並先將兩者互相混

和。

5. 將乾拌和好的材料加入所需的水量用拌和機攪拌，然後加入剛攪

拌好的桐油與紅糖漿，繼續用拌和機攪拌，直到所有材料皆混和

均勻為止。

6. 灌模時，將灰漿一次灌滿鋼模，並用膠槌敲擊鋼模外側，使漿體

內的氣泡震出，避免殘留於試體內部，而影響實驗結果。最後再

以刮刀將表面刮平。

7. 試體澆置完成後，置於溫度、濕度穩定且水平的地方。二十四小

時後，即可拆模。

8. 拆模後的試體，放置於恆溫恆濕且水平的空氣中氣乾養護。

31

3.4.3 黏合紅磚之抗壓試體製作流程

傳統砂漿黏合紅磚之抗壓試體的製作，依下列步驟執行：

1. 用切割機將紅磚從中間對切，切成兩塊相等大小的紅磚。

2. 將所需的材料如砂、黏土粉、蚵殼粉、石灰等用電子秤量出所需

的量。

3. 將所需的材料在加水前，先用拌和機乾拌和，將材料充分的混和。

4. 用電子秤量出所需的桐油及紅糖漿的用量，並先將兩者互相混

和。

5. 將乾拌和好的材料加入所需的水量用拌和機攪拌，然後加入剛攪

拌好的桐油與紅糖漿，繼續用拌和機攪拌，直到所有材料皆混和

均勻為止。

6. 將切割好的紅磚，浸泡於水中 5 分鐘以上，使紅磚充分吸收水分，

再將紅磚拿出水面，待紅磚表面的水分消失，便可以使用傳統砂

漿黏合。

7. 將一塊紅磚置於水平處，塗上適量的傳統砂漿，在將另一塊紅磚

從上方往下壓，達到需要的厚度為止，並用水準氣泡將上方的紅

磚置平，然後將四周多餘的傳統砂漿，用刮刀加以刮除。

8. 試體黏合完成後，置於溫度、濕度穩定且水平的地方，以氣乾的

方式養護。

32

3.4.4 溫度效應之抗壓試體的製作流程

傳統砂漿試體從製作到拆模過程與抗壓試體

1~9 點相同：

1.將鋼模組裝完成，並在試體模內部塗上黃油，以利拆模時容易脫

膜。

2.將所需的材料如砂、黏土粉、蚵殼粉、石灰等用電子秤量出所需的

量。

3.將所需的材料在加水前，先用拌和機乾拌和，將材料充分的混和。

4.用電子秤量出所需的桐油及紅糖漿的用量，並先將兩者互相混和。

5.將乾拌和好的材料加入所需的水量用拌和機攪拌，然後加入剛攪拌

好的桐油與紅糖漿，繼續用拌和機攪拌，直到所有材料皆混和均勻為

止。

6.灌模時，將灰漿分兩層加入，每一層均要搗實並用膠槌敲擊試體模

外部，使灰漿內的氣泡排出，最後再以刮刀將表面刮平。

7.試體澆置完成後，置於溫度、濕度穩定且水平的地方。

8.試體澆置完成二十四小時後，即可拆模。

9.拆模後的試體，依不同齡期需求，如 7 天 28 天。之後再放置於不

同溫度的烘箱內加溫

24 小時後取出。

33

3.4.5 耐水試驗之試體製作流程

耐水材料的使用方面，分成內用與外用材料。內用材料為攪拌砂

漿的同時加入一起拌和；外用材料為砂漿試體氣乾養護

7 天後，塗於

試體表面。以下為砂漿試體製作步驟：

1. 將鋼模組裝完成，並在試體模內部塗上黃油，以利拆模時容易脫

模。

2. 將所需的材料如砂、黏土粉、石灰等用電子秤量出所需的量。

3. 將所需的材料在加水前，先用拌和機乾拌和，將材料充分的混和。

4. 用電子秤量出所需的桐油及紅糖漿的用量，並先將兩者互相混

和。

5. 將乾拌和好的材料加入所需的水量用拌和機攪拌，然後加入剛攪

拌好的桐油與紅糖漿，繼續用拌和機攪拌，直到所有材料皆混和

均勻為止。若為添加內用材料的試體，則在全部材料拌和完成後，

再添加進去攪拌均勻。

6. 灌模時，將灰漿分兩層加入，每一層均要搗實並用膠槌敲擊試體

模外部，使灰漿內的氣泡排出，最後再以刮刀將表面刮平。

7. 試體澆置完成後，置於溫度、濕度穩定且水平的地方。

8. 試體澆置完成二十四小時後，即可拆模。

9. 拆模後的試體，放置於陰涼且通風的空氣中，進行養護。

34

10. 使用外用材料之試體，養護 7 天後，將材料塗於試體表層，然後

陰乾。

3.4.6 黏合紅磚之剪力試體製作流程

傳統砂漿黏合紅磚之剪力試體的製作，依下列步驟執行：

1. 用切割機將紅磚從中間對切，切成兩塊相等大小的紅磚。

2. 將所需的材料如砂、黏土粉、石灰等用電子秤量出所需的量。

3. 將所需的材料在加水前，先用拌和機乾拌和，將材料充分的混和。

4. 用電子秤量出所需的蚵殼粉、桐油及紅糖漿的用量，並先將兩者

互相混和。

5. 將乾拌和好的材料加入所需的水量用拌和機攪拌，然後加入剛攪

拌好的蚵殼粉、桐油與紅糖漿，繼續用拌和機攪拌，直到所有材

料皆混和均勻為止。

6. 將切割好的紅磚，浸泡於水中 5 分鐘以上，使紅磚充分吸收水分，

再將紅磚拿出水面，待紅磚表面的水分消失，便可以使用傳統砂

漿黏合。

7. 將一塊完整紅磚置於水平處，塗上適量的傳統砂漿，在將另兩塊

切半紅磚從上方往下壓，達到需要厚度為止，並用水準氣泡雨上

方的紅磚置平，然後將四周多餘的傳統砂漿，用刮刀刮除，兩塊

切半紅磚間及上面塗上適量的傳統砂漿，再將另一完整紅磚從上

35

方往下壓，達到需要的厚度為止，並用水準氣泡將上方的紅磚置

平，然後將四周多餘的傳統砂漿，用刮刀加以刮除。

8. 試體黏合完成後，置於溫度、濕度穩定且水平的地方，以氣乾的

方式養護。

3.5 實驗設計

3.5.1 實驗設計概述

本試驗可分成兩階段，第一階段為測試各項基本材料彼此間的關

係，與決定添加材料的用量；第二階段為決定使用的基本材料種類後，

測試基本材料不同比例的用量，對試體所造成的影響。

基本材料測試方面，以砂與黏土粉為主要的材料，個別添加生石

灰與消石灰，測試其硬固性質。選用現階段最好之配比，分別添加蚵

殼粉、桐油、紅糖漿，找出個別適合的添加量，使抗壓強度達到最高。

決定基本材料的使用種類及添加材料的用量後，開始對材料的用量比

例做配比規劃，測試砂漿棒長度變化、抗壓強度試驗、黏結磚的抗壓

試驗及抗剪試驗、耐水能力測試及耐酸測試，以找出各種材料對試體

所造成的影響，進而得到最佳的配比。實驗流程如圖【3-1】。

3.5.2 基本材料配比設計

根據文獻的資料，找出一些目前較常見的材料，分別對選用的材

36

料做初步的材料試拌，效果佳者則保留，效果不好者則淘汰。在初步

拌和時發現，若石灰只單獨添加生石灰，所製作出來的試體容易膨脹

且產生裂縫，因此造成強度降低；若石灰只單獨添加消石灰，所製作

出來的試體，體積收縮量會過大，因此在石灰的使用上採取生石灰與

消石灰混和使用。縮小使用的基本材料範圍後，再針對所選擇的材料

進行交叉的混合拌和，找出初步的差異。進行材料配比規劃前，需先

測試添加材料（蚵殼粉、紅糖漿、水）的用量百分比，確定用量後，

再對使用材料進行不同比例的配比設計。在砂 : 黏土：石灰=1 : 1：

0.75 的限制下，將蚵殼粉添加量由 12%~24%，並在每個比例上添加

紅糖漿由

6%~12%，這樣可以得到 16 種配比，再觀察其各項力學性

質差異，可以得到添加物蚵殼粉及紅糖漿對傳統砂漿的影響。最後在

固定砂、黏土、石灰及糖的比例，將蚵殼粉含量

0%、16%、20%、

24%中添加桐油量由 3%~5%，如此可以得到 12 種配比，並依此觀察

蚵殼粉及桐油對傳統砂漿的影響。

3.5.3 試驗內容

一.坍度試驗

傳統的傳統砂漿在國家標準裡並沒有規範，因此參考 CNS1176

［混凝土坍度試驗法］以此為依據，再加以改變試驗方法。混凝土坍

度試驗之坍度錐，其頂之內直徑為

10.16 公分（4 吋）

，底之內直徑為

37

20.32 公分（8 吋），高為 30.48 公分（12 吋），對於傳統砂漿來說，

體積過大，用來測試砂漿的坍度過於浪費材料，且效果並沒有比較好。

基於方便且不浪費材料的原則，因此參考

CNS485［細粒料比重及吸

水率試驗法］當中所規定之圓錐模，來做傳統砂漿之坍度試驗。圓錐

模的底部之內直徑為

90±3mm，頂端之內直徑為 40±3mm，高為

75±3mm，金屬模璧厚至少 0.8mm。將砂漿灌入圓錐模內，然後將圓

錐模垂直拉起，量測砂漿與圓錐模的高度差，即可得到砂漿之坍度。

二.凝結時間測定

參考 CNS786［水硬性水泥凝結時間檢驗法(費開氏針法)］，並做

適當改變。是否使用針頭來作彼此間的對照，以得到適當的初凝與終

凝時間。如圖【3-13】。

三.抗壓強度試驗

（1）砂漿抗壓強度試驗（5×5×5cm 之立方試體）

參考

CNS1010［水硬性水泥墁料抗壓強度檢驗法］並做適

當的改變。使用之立方體試體模，每一立方體之格內，其模子之

高度，在新模子應為

50＋0.25mm 或-0.13mm，在已用過之模子

應為

50＋0.25mm 或-0.38mm。水泥砂漿的抗壓機之加壓速度為

每秒

2.54 kgf/cm

2

，但因為傳統砂漿的強度較水泥砂漿為低，故

將抗壓機之加壓速度降為每秒

0.15 kgf/cm

2

，以防止過快的加壓

38

速度造成對試體抗壓強度的高估。將試體置於空氣中氣乾養護，

在齡期為

7、28、56 天，將立方試體用蓋平石膏蓋平後，進行抗

壓試驗。每一個配比下的每一個齡期均製做

3 個試體，並取其平

均值，即該齡期強度。如圖【3-14】。

（2）黏結磚之抗壓試驗

參考 CNS1127［建築用普通磚檢驗法］之規定，並做適當

的改變。將用來黏結磚的水泥砂漿，改成本實驗之傳統砂漿，

按照實驗之需求塗敷厚度加以變化，然後置於空氣中氣乾養護。

根據

CNS 之規定，試驗時加壓速度每秒 5～10 kgf/cm

2

，取其中

間值控制加壓速度為每秒

7.5 kgf/cm

2

。在齡期

7 天，用蓋平石

膏雙面蓋平後，進行抗壓試驗。如圖【3-15】。

四.砂漿棒長度變化試驗

參考 CNS14603［硬固水泥砂漿及混凝土長度變化試驗法］之規

定。使用的砂漿試體模具，長×寬×高尺寸為 285mm×25mm×25mm 之

長方柱試體。將試體置於空氣中氣乾養護，在齡期為

1～7、14、28

天，用精度為

0.02mm 之游標卡尺進行長度變化的量測。

五.耐水能力試驗

試體製作完成後，置於空氣中氣乾養護。氣乾養護七天後，將試

體浸於水中

24 小時，然後將試體從水裡拿出，待表面乾燥後，用蓋

39

平石膏蓋平，進行抗壓試驗。抗壓機之加壓速度為每秒

0.15 kgf/cm

2

。

六.耐酸性能力試驗

酸性能力試驗之試體養護時間為

28 天，待傳統砂漿塊養護齡期

到期時，將試體取出，置於烘箱以

105℃烘乾 24 小時後，先秤其重

量，接著以

2%的鹽酸溶液(水中)浸漬 24 小時，再置於烘箱中以 105

℃烘乾

24 小時後秤重，最後將其秤重前後重量以下列公式計算其重

量損失率(%)，公式如下所示。

Ma(%)=[(Ws-Wa) / Ws]-[(Ww-Wa)/Ws]

Ma：重量損失率(%)

Wa：試體以 2%的鹽酸溶液浸漬 24 小時之後乾燥重量(g)

Ww：試體浸漬水中 24 小時之後乾燥重量(g)

Ws：試體乾燥後重量(g)

七.黏結磚剪力試驗

黏結磚剪力試驗試體齡為

28 天，待試體到達 28 天齡期時，量測

其邊長並計算其面積，隨即以蓋平石膏蓋平，然後將試體上下如圖

【3-16】放置鋼製墊片，以萬能試驗機加壓，其加壓速度為每秒 0.15

kgf/cm

2

。如圖【3-17】。

40

表【3-1】生石灰元素分析（和興石灰工廠提供）

化學元素分析

ICP

AV-CaO

88±2%Min.

CaCO

3

6%Max.

MgO

1.5%Max.

SiO

2

5%Max.

R

2

O

3

3%Max.

ICP：Inductively Coupled Plasma (感應耦合電漿)，是一種物質含量的測定方法用於檢測 環境和材料樣品等之中的後金多含量。

表【3-2】消石灰元素分析（新興化學工廠提供）

化學元素分析

ICP

Ca(OH)

2

93%Min.

CaCO

3

3%Max.

MgO

1%Max.

SiO

2

1%Max.

R

2

O

3

1.5%Max.

f-H

2

O

1%Max.

B.E.T.

≧12m

2

/g

ICP：Inductively Coupled Plasma (感應耦合電漿)，是一種物質含量的測定方法用於檢測 環境和材料樣品等之中的後金多含量。

41

表【3-3】黏土粉元素分析（百康奈米科技公司提供）

化學元素分析

ICP（％）

Oxide

黏土粉

SiO

2

49.81

Al

2

O

3

32.85

Na

2

O

0.01

K

2

O

0.76

MgO

0.01

CaO

0.01

Fe

2

O

3

0.55

TiO

2

0.62

燒失量(Ig. Loss.)

14.87

乾燥生料

Total 99.49

ICP：Inductively Coupled Plasma (感應耦合電漿)，是一種物質含量的測定方法用於檢測 環境和材料樣品等之中的後金多含量。

42

表【3-4】細粒料篩分析

細砂粒徑分佈試驗結果 篩 篩重(g) 留篩重(g) 留篩％ 累計％ 累計％ 累計％ #4 418 1 0.12 0.12 0.32 0 #8 338 8 0.94 1.06 1.12 0.89 #16 296 31 3.64 4.70 4.72 4.54 #30 288 142 16.69 21.39 21.59 22.70 #50 298 304 35.72 57.11 61.69 54.67 #100 275 262 30.79 87.90 90.10 90.14 底盤 323 103 12.10 100 100 100 272.28 279.54 282.94 1.72 1.8 1.83 平均F.M.=1.78

43

圖【3-1】實驗流程圖

研究動機 文獻蒐集 擬定研究目標 基本材料初步配比試驗 確定基本材料的使用 訂定蚵殼粉用量 訂定糖漿用量 訂定用桐油用量 配比設計 製作試體 力學性質測試 磚-石灰砂漿之抗壓、抗剪測試 分析與討論 乾縮長度變化測試 耐水、耐酸能力測試 結論與建議

44

圖【3-2】切割機

45

圖【3-4】砂漿拌和機

46

圖【3-6】砂漿棒鋼模

47

圖【3-8】萬能試驗機

48

圖【3-10】線性差動變壓器（LVDT）

49

圖【3-12】費開氏儀器

50

圖【3-14】抗壓強度試驗

51

圖【3-16】黏結磚剪力強度示意圖

圖【3-17】黏結磚之剪力強度試驗

鋼製墊片 橫縫 鋼製墊片 豎縫 紅磚