基本結合劑-波特蘭水泥’飛灰’爐石’ 石灰’ 膠凝性補充材-

SUPPLEMENTARY CEMENTITIOUS MATERIALS(SCMs)

土壤穩定是一種過程，通過螺旋工具將土壤與水基或乾基結合劑混合。當工具穿透土壤時，粘合劑被注入。當工具被抽出時，進行混合和壓實。通過該過程，土壤的物理性質被轉化，通過摻入石灰或水泥來提供永久的強度增益。當正確考慮材料、設計和構造時，穩定土的性能優於非穩定土。當穩定的土層被納入路面的結構設計時，隨後的層可以更薄，從而節省大量成本。除了增加強度外，穩定的土壤還形成固體整體，降低了滲透性，從而降低了收縮/膨脹潛力和凍融迴圈的有害影響。

土壤穩定可以改善土壤的原位或自然狀態，無需昂貴的移除和更換操作。通常，需要建造道路，建築基礎版(building pads)，停車場，跑道或其他結構的原生土壤是自然潮濕，脆弱的土壤(信義東延案工項多項可研用)。這些土壤可以進行化學處理，通過穩定來增加強度，並通過土壤性質改良來改善工程性能，包括含水量和可塑性。非現場或場外的土壤穩定過程是可能的，但通常用於環境專案(西濱高汙染有毒廢棄物就地處理.)而不是典型的施工作業。專案前測試對於確保每個專案使用正確的產品以及存在足夠的穩定劑以永久穩定土壤至關重要。

土壤水泥穩定是一種建築技術，用於通過將路基土壤與水泥和水混合來增加路基土壤的強度。水使水泥水合，產生反應，在土壤顆粒之間形成基質，並賦予土壤強度。水泥穩定在粗粒土壤中特別有用。

波特蘭水泥是一種含有數種氧化物的複合物， 其所有成分都會與水發生反應。 水化是混凝土強度發展的關鍵，但並非所有 的複合物都以相同的速率水化。因此，水泥強度的發展為水泥化學組成、時間和溫度的函數。矽酸鹽(C2S、C3S)會與水作用形成結晶狀的氫氧化鈣及矽酸鈣水化物，後者是一種由細小顆粒組成 非結晶型材料。水泥漿體的物理性質和硬固水泥漿的力學性質主要決定於矽酸鈣水化物，在一完全水化的水泥漿體中，這種產物大約佔有固體體積 的50～60 %。水泥的硬度性質和凝結時間大都與含鋁酸鹽(C3A、C4AF)的水化產物有關。鋁酸三鈣(C₃A)是水泥中最活潑的複合物，且水化速率遠快於矽酸鹽，故水泥的硬度性質和凝結時間大都與含鋁酸鹽的水化產物有關。水泥燒塊中加入石膏就是用來減緩鋁酸三鈣的水化速率及預防閃凝。

矽酸鹽水泥是最常見的水泥類型,是由矽酸鹽水泥熟料、0%-5%石灰石或粒化高爐爐渣、適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料。它的基本成分是鈣，二氧化矽，氧化鋁和鐵，這些物質來自石灰石，沙子和粘土。所有這些都經過加工，在窯中燒制並粉碎成細粉。最終產品就是我們所說的矽酸鹽水泥。當它暴露於水中時，產生化學水合物（水化-hydrate），從而形成凝膠，在顆粒周圍形成互鎖基質(凝結)。當它固化時，它會變硬，為系統提供連結力量（硬固-harden）。凝結和硬化是人為劃分的，實際上是一個連續的物理化學變化過程。

微小的變化會產生不同類型的水泥。生產線的變化，原材料的差異和/或水泥製造過程結束時的變化定義了所生產的水泥的類型。諸如空氣夾帶或數百萬個微小的氣泡等水泥產品品質可以抵抗由於凍結和解凍引起的壓力，這些都是有明顯區別的。I型和III型最常用於土壤穩定。

水泥之水化作用-Hydration

水泥和水發生化學反應之後，所形成的產物 在硬化後方具有膠結性質。 水泥和水的化學反應過程，即稱之為水化。乾燥的水泥並不具有膠結或黏結的性質，因為水泥為水硬性材料。水泥漿中波特蘭水泥成一膠結作用劑 (Bonding agent)所發生之化學反應。 矽酸鹽(C2S、C3S)、鋁酸鹽(C3A、C4AF) 與水化合成一穩固、堅硬的凝集體。

凝結 ( Setting ) 當水泥與充足的水分混合時，所產生的水泥漿會逐漸失去塑性並慢慢形成硬石塊。在有利的環境狀況下，水泥和水拌合後的1至2小 時內，水泥漿即失去可塑性；且在拌合後的 幾個小時內，將有顯著的硬化產生。這樣的機制稱之為凝結，可分成兩個階段：初凝及終凝。 初凝和終凝並沒有一個明確的定義；但初凝 可指水泥漿剛開始凝固；而終凝係指開始硬化且可承受一些荷重。

水泥細度愈細，則凝結速率快且水化速率也愈快；水泥中C3A及C3S含量愈多，則減少凝結時間。在冷天中澆置，使用熱水可加速水泥的凝結，但有可能會發生閃凝；若先將水與骨材拌合1分鐘後，再加入水泥拌合，如此可避免閃凝的發生。

水泥的四種複合物;矽酸鹽(C2S、C3S)、鋁酸鹽(C3A、C4AF)，鋁酸三鈣釋出最多熱，矽酸二鈣最少，前者與水混合時容易造成閃凝，並伴隨著大量的熱釋出；矽酸三鈣所釋放的水化熱約為矽酸二鈣的兩倍。C3A加水初期，若缺少硫酸鹽之供應會很快形成水化 產物發生假凝(Flash setting)現象。混凝土中的硫酸鹽具有負面意義，並引起耐久性問題。當硫酸鹽含量過多時，混凝土中確實會出現硫酸鹽問題，但實際上它是混凝土混合物中的必要成分。作為混凝土混合物的一部分，硫酸鹽與水泥中的鋁酸鈣發生反應，有助於控制凝固時間並減少乾燥收縮。當混合物中硫酸鹽含量過多時，混凝土會發生降解。混凝土降解 可能有多種原因。 具體的 可能會因火災，骨料膨脹，海水影響，細菌腐蝕，鈣浸出，物理損壞和化學損壞而受到損壞（來自 碳化 ，氯化物，硫酸鹽和非蒸餾水）。 該過程不利地影響了暴露於這些破壞性刺激的混凝土。

為了控制凝固時間，將硫酸鹽添加到混凝土混合物中。當水與水泥中的鋁酸鈣混合併開始形成凝膠時，開始凝結在混凝土中。該鋁酸鹽凝膠與混凝土混合物中存在的硫酸鹽反應形成鈣礬石。這阻礙了鋁酸鹽相的水合作用。硫酸鹽的正確量對於不同批次水泥產品而言是不同的，並且通常來自熟料和添加的石膏。硫酸鹽太少會引起閃變。硫酸鹽過多會導致凝結和劣化問題。影響適當硫酸鹽含量的變量是鋁酸鹽含量，鋁酸鹽反應性和存在的不同硫酸鹽的溶解度。
混凝土中過量存在硫酸鹽時，會發生硫酸鹽侵蝕。在硫酸鹽侵蝕下觀察到的典型遇險機理是混凝土開裂，微裂紋，骨料結合力的喪失和混凝土的膨脹。硫酸鹽可以從外部來源引入混凝土中，也可以是混凝土混合物固有的硫酸鹽。內部硫酸鹽來自許多可能的來源，包括混合水，骨料，水泥和混凝土混合物中包含的其他添加劑。外部硫酸鹽侵蝕是當硫酸鹽的來源在混凝土混合物外部時發生附著。外部硫酸鹽的常見來源包括地下水和土壤。冰鹽混合物也可能導致硫酸鹽侵蝕，其中硫酸鹽有時以雜質形式存在。

飛灰或爐石反應-Pozzolanic reaction

卜作嵐材料指所含氧化矽及氧化鋁，與水泥水化生成之氫氧化鈣，或外加鹼質產生緩慢卜作嵐水化反應，而有類似水泥水化產物之膠結性反應。卜作嵐材料可以消耗水泥水化反應產物中的鹼性物質，包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣等，清除水泥中之有害物質，如硫酸根離子及活性骨材反應，故有助於抗硫及抗鹼骨材反應，靠近海邊的混凝土結構物，即應添加此種材料。

添加飛灰或爐石之混凝土的化學反應過程，由水泥各化學組成與水發生水化作用，由水化產物Ca(OH)2，再與飛灰或爐石進行卜作嵐反應。水泥為構成混凝土的主要材料，水泥的水化反應控制了混凝土固結後的性質與強度等特性。

3CaO‧2SiO2‧3H2O膠體，約佔水泥水化產物總體積之55%，是水泥強度的主要來源。而另一項水化產物Ca(OH)2約佔總體積之20%，是無附著效果之六角狀晶體，極易溶出，降低混凝土的緻密性，另外Ca(OH)2很容易與硫酸鹽結合而形成硫酸鈣（石膏），體積膨脹兩倍，是混凝土劣化的主因。

卜作嵐反應需藉由水泥水化所生成氫氧化鈣來進行，所以水泥各化學組成之水化作用必須先進行，產生Ca(OH)2結晶物，再進行卜作嵐反應。卜作嵐材料是一種含矽或含矽及鋁之材料,本身具很小膠結性，但是在常溫且有水情況會與氫氧化鈣產生反應，但這種反應是緩慢的。藉由不斷消耗易溶於水的Ca(OH)2，而生成膠體3CaO‧2SiO2‧3H2O填充混凝土的孔隙，使得混凝土更為緻密。若要加速卜作嵐反應之進行，可以提高溫度或加入鹼及硫酸鹽方式來達成。

飛灰中若含大量石灰CaO時(C級飛灰)，將因CaO本身之水化作用產生更多水化生成物Ca(OH)2，此可加速卜作嵐反應，提高早期強度，所以C級飛灰含多量CaO，不僅加速卜作嵐反應也加速水泥水化作用。

石灰用於土壤穩定應用，以在富含淤泥和粘土的細粒土壤中發展長期永久強度。石灰穩定使用天然存在於粘土中的火山灰來產生水泥基鍵，從而永久地加固土壤。火山灰，如二氧化矽和氧化鋁，與石灰供應的鈣和水反應形成鈣 - 矽酸鹽 - 水合物（C-S-H）和鈣 - 鋁酸鹽 - 水合物（C-A-H）。 C-S-H 和 C-A-H 是負責混凝土等材料強度的相同產品。

化學上，生石灰是氧化鈣（CaO），熟石灰是氫氧化鈣（Ca（OH）2）。生石灰可以有兩種類型，高鈣和白雲母。高鈣幾乎完全是氧化鈣（CaO），而白雲石生石灰含有一部分氧化鎂和氧化鈣。雖然一些工業應用（如鋼鐵）在某些工藝中需要鎂成分，但對於建築目的，高鈣和白雲母幾乎無法區分。

熟石灰是經過進一步加工的生石灰。它已用適量的水和攪拌仔細水合，以產生非常精細，高純度的產品。 熟石灰仍然可以提供鈣，這些鈣對於通過形成膠凝鍵來穩定某些土壤至關重要。 然而，由於材料已經水合，它確實最大限度地減少了潮濕作業現場所需的大部分乾燥能力。此外，熟石灰僅在某些地區可用，並且添加加工需要額外的成本。

石灰窯粉塵（LKD）是在生石灰製造過程中作為副產品衍生出來的。 它由石灰廠的袋式除塵器中捕獲的細小顆粒組成。 這些顆粒是高鈣或白雲酸石灰加上用於燒制石灰窯的燃料中的火山灰。因為它含有石灰和火山灰，所以LKD是石灰和水泥之間的混合體。如前所述，石灰與細粒度土壤配合得很好。另一方面，水泥與較粗的土壤配合得非常好。LKD 彌合了兩者之間的差距。

火山灰反應-Pozzolanic reaction;是加入火山灰後在波特蘭水泥中發生的化學反應。它是古羅馬發明的羅馬混凝土所涉及的主要反應，例如用於建造萬神殿。火山灰反應將沒有膠凝性能的富含二氧化矽的前體轉化為具有良好膠凝性能的矽酸鈣。

火山灰作用反應是一種長期反應，它涉及溶解矽酸、水和CaO或Ca（OH）2或其他火山灰形成強膠結基質。這個過程往往是不可逆轉的。需要足夠量的遊離鈣離子和高pH12值來啟動和維持火山灰反應。因為在pH值約為12時，矽和鋁離子的溶解度足以支援火山灰反應。

膠凝性補充材- SUPPLEMENTARY CEMENTITIOUS MATERIALS(SCMs)

混凝土結構公路的服務需求持續增加，同時對減少環境影響和降低初始和生命週期成本的期望也在增加。為了生產滿足這些要求的混凝土混合物，工程師越來越多地將SCMs作為耐用性解決方案的一部分。

ASTM International將scm定義為“一種無機材料，通過水力或火山灰活性或兩者兼而有之，有助於膠凝混合物的性能”（ASTM 2015）。水凝活動是指在討論普通矽酸鹽水泥（OPC）等水硬水泥時最熟悉的屬性。ASTM C125-15a將水硬水泥定義為“一種通過與水發生化學反應而凝固和硬化的水泥，並且能夠在水下進行。也就是說，水硬水泥，包括具有水硬特性的SCM，與水反應硬化，並且硬化過程不需要在大氣中。

Pozzolanic反應需要水及CH,可以消化普通矽酸鹽水泥（OPC）水硬反映時產生的CH(氫氧化鈣) 。這種火山灰反應是SCM (SUPPLEMENTARY CEMENTITIOUS MATERIALS)有助於耐久性並可以減輕許多MRD(材料的破壞；開裂與變形)的根本原因。最常用的火山灰是F級粉煤灰。