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研究生： 林昭元
論文名稱： 鈣矽酸鹽骨水泥的機械性質與水合機制
指導教授： 金重勲
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 81
中文關鍵詞： 三鈣矽酸鹽 、氫氧基磷灰石 、固化時間 、抗壓強度 、水合機制
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    • 三鈣矽酸鹽C3S (3CaO．SiO2)是工業用波特蘭水泥的主要成分之一，具有水泥的自固化特性，我們以固相反應法合成C3S，並對合成後殘餘的氧化鈣做半定量的檢定，接下來實驗主要分為機械性質測試與水合機制的討論。
    機性測試包含兩大部分
    第一：固化時間，抗壓強度，表面 pH值測定。除此之外，我們添加磷酸鹽類溶液於固相反應合成的C3S中，由X-ray鑑定知氧化鈣減少、氫氧基磷灰石產生。在機械性質量測方面，固化時間與抗壓強度均減少，表面的pH值則有下降。
    第二：以水熱法製備奈米級顆粒的氫氧基磷灰石，並將之添加入水泥粉中，所選用的水泥粉為C3S以及ZnC3S(Zn/Ca = 5 mol%)，量測水合後水泥的機械性質。總體上ZnC3S的抗壓強度較C3S高，較特別的是發現添加HA的C3S抗壓強度會下降，但在10 wt%的HA含量時，則有最大的固化時間。而ZnC3S部分，發現添加7.5wt% HA時，有最大的抗壓強度與固化時間。
    水合機制分面：將水合時期分為三個時期(初、中、後期)，發現在初期時，水泥會長成一顆顆剌針狀的海膽結構。中期時，剌針狀結構會溶解。而到後期，剌針狀結構已消失，有較大的結晶顆粒出現。並以X-ray鑑定各個時期出現的水合物(C-S-H)。

    摘要……………………………………………………………………I Abstract……………………………………………………………….II 致謝…………………………………………………………………III 目錄……………………………………………………………………IV 圖目錄………………………………………………………………….V 表目錄…………………………………………………………………..VI 目錄 第一章 緒論…………………………………………………………..1 1-1 前言 …………………………………………………………… 1 1-2 研究目的 ………………………………………………………. 4 第二章 文獻回顧 ………………………………………………….. 5 2-1 波特蘭水泥（Portland cement）的基本性質 ……………... 5 2-2 C3S的水合特性 ……………………………………………. 07 2-3 水泥水合的過程 ……………………………………………. 11 2-4 添加鋅元素對於C3S的影響 ………………………………. 16 2-5 氫氧基磷灰石之生物適應性及基本性質 …………………….. 19 第三章 實驗材料與方法 ……………………………………………. 25 3-2 儀器設備 ……………………………………………… 26 3-3 實驗藥品與耗材 …………………………………………… 37 3-4 固相反應法製備C3S與ZnC3S …………………………. 28 3-4.1 煆燒副產物CaO的半定量 ………………………………… 29 3-4.2 C3S與磷酸鹽類溶液的水合 ……………………………….. 29 3-5 水熱法製備HA ( hydroxyapatite ) ……………………………. 29 3-6 合成水泥粉末之成分與晶相鑑定 ……………………………. 30 3-6.1 X光繞射分析 ………………………………………………30 3-6.2 掃描式電子顯鏡 …………………………………………. 30 3-7 水泥水合後抗壓強度與固化時間測試 ……………………… 31 3-7.1 操作時間(working time)與固化時間(setting time)： ….. 31 3-7.2 抗壓強度測試 ……………………………………………. 33 3-7.3 表面pH值測試 ………………………………………….. 33 3-7.4 置於磷酸溶液中pH值測試 ……………………………33 3-7.5 X-ray鑑定氫氧基磷灰石相 ……………………………33 3-8 HA添加對水泥性質的影響 ………………………………34 3-8.1 操作時間，固化時間(同前述方法)及抗壓強度測試 ……...34 第四章 實驗結果與討論 …………………………………………..36 4-1 C3S的製備與CaO的半定量 …………………………………36 4-1.1 CaO的半定量 ..............................………40 4-2 加入磷酸鹽類對C3S的影.……………………………….42 4-2.1 C3S─磷酸二氫鈣Ca(H2PO4)2 ……………………………42 4-2.3 固化時間的測定 ………………………………………46 4-2.4 表面pH值的測定………………………………………..48 4-3 C3S、Zn C3S，及各含量添加HA的機械性質 ………....49 4-3.1 固化時間(setting time)與最佳水粉比：………………..49 4-3.2抗壓強度(strength stress)：……………………………..51 4-3.4 添加HA後的機械性質變化……………………………..52 4-3.5 添加HA對抗壓強度的影響 …………………………54 4-3.6 C3S的注射性質實驗 …………………………………….56 4-4.1 不同水合時間下的SEM…………………………………58 4-4.2 X-ray分析 ………………………………………………….62 第五章 結論……………………………………………………….71 第六章　參考文獻 …………………………………………………..72 圖目錄 圖2-2a 波特蘭水泥中各種成分的水合速度…………………………7 圖2-2b C3S水合時的奈米結晶區………………………………….9 圖2-2c C3S水合時的顯微結構圖…………………………………10 圖2-3a 水泥固結時的放熱率曲線…………………………………11 圖2-3b C3S水合時的步驟圖： ……………………………………...14 圖2-3c 波特蘭水泥水合時的反應式……………………………..15 圖2-3c 波特蘭水泥水合時的成分變化……………………………..16 圖2-4a 固相反應法中ZnO的添加量對C3S成分的影響……...18 圖2-5a 氫氧基磷灰結構失序排列…………………………………22 圖2-5b 氫氧基磷灰石結構沿c軸投影示意圖……………………23 圖3.7.1a 標準吉爾摩試驗針 ……………………………………...32 圖4-1a(CaO-SiO2相圖)…………………………………………..37 圖4-1b (CaO，C2S，C3S，ZnO的標準x-ray繞射圖) …………..38 圖4-1c 5，10，20，30 wt%CaO混入C2S做的XRD繞射圖。…39 圖4-1e CaO/C3S x – ray峰值的相對強度比……………………41 圖4-2.1a C3S─磷酸二氫鈣Ca(H2PO4)2 ………………………..43 圖4-2.1b C3S─磷酸氫二銨(NH4)2HPO的x-ray繞射圖……...44 圖4-2.1c ZnC3S─磷酸氫二銨(NH4)2HPO4的x-ray繞射圖 …44 圖4-2.1e C3S-─磷酸氫二氨的固化時間………………………..47 圖4-2.1f ZnC3S-─磷酸氫二氨的操作時間……………………47 圖4-3.1a C3S水合的固化時間 ……………………………………...49 圖4-3.1b ZnC3S水合的固化時間…………………………………50 圖4-3.1c C3S與ZnC3S的固化時間………………………………50 圖4-3.4a 添加HA後的固化時間…………………………………53 圖4-3.4b 添加微量HA(< 10 wt%)的固化時間……………………53 圖4-3.5a HA-C3S的抗壓強度(C3S的最大抗壓強度為116 MPa)…55 圖4-3.5b HA-ZnC3S的壓強度(ZnC3S的最大抗壓強度131MPa).. 55 圖 4-3.6a C3S注射入水中…………………………………………..57 圖4-3.6b C3S注射入水中…………………………………………..57 圖4-4.1b 水合時的硬化機制 ……………………………………...59 圖4-4.1c C3S在不同養生時間下的SEM ………………………..60 圖4-4.1d ZnC3S在不同養生時間下的SEM ………………………61 圖4-4.2a為C3S在水合時，不同的Ca/Si比所再結晶的各種結構……………………………………………………………………66 圖 4-4.2b 四種可能水合物的標準x-ray繞射……………………67 圖 4-4.2c C3S在不同水養生時間下的x-ray圖……………………68 表目錄 表1-1氫氧基磷灰石(HA)植入材的發展 ……………………………3 表2-1.1 不同類型水泥之組成與性質 ……………………………6 表2-5.a人體硬組織中氫氧基磷灰石的含量………………………19 表2-5b氫氧基磷灰石與人體骨骼機械性質比較 …………………20 表2-5c氫氧基磷灰石的晶體及物化特性 ……………………………24 表3.7.5a 內文中所用的JCPDS資料 ………………………………34 表4-1d CaO/C3S x – ray峰值的相對強度比……………………41 表4-2.1d溶液放置一天後的pH值…………………………………45 表4-2.4 a C3S與ZnC3S 表面pH值的測定 ………………………48

    第六章　參考文獻
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