水泥系材料簡介

α ωρ

= η

(2-14) 黏滯性越大的膠體，波橫波波速越高，衰減係數較低；而波速與衰減係數同時隨 頻率增高而增加。

3. 固體：

固體可同時傳播縱波與橫波，各類常見材料之衰減係數範圍如表 2-2 所 列，依衰減係數高低可分為三大類：一般金屬材料，玻璃及陶瓷之衰減係數 低於10 dB/m，塑膠類及其它金屬材料(如鋼鐵合金，銅，鋅，黃銅，青銅，

鉛)之衰減係數介於 10 至 100 dB/m 之間，木材，硬化後橡膠，石及有孔隙陶 瓷之衰減係數高於100 dB/m，硬固水泥接近石或有孔隙陶瓷，故其波傳衰減 效果相當明顯，較難採用應力波直接量測其水化凝結變化[36]

2.5 水泥系材料簡介

2.5.1 波特蘭水泥

波特蘭水泥主要原料為石灰石(limestone)及含鈣、矽、鋁、鐵等氧化物之黏 土(clay)及頁岩(shale)礦物。原料(raw feed)礦物經高溫旋轉窯(rotary kiln)加熱，除 含少量之氧化鎂(

MgO )、氧化鈉( Na

₂

O

)、氧化鉀(

K

₂

O

)、硫化氧(

SO )之外，石

₃ 灰(

CaO

)、二氧化矽(

SiO

₂)、氧化鋁(

Al

₂

O

₃)、及氧化鐵(

Fe

₂

O

₃)等四種主要礦物，

隨溫度之變化而生成以矽酸三鈣(

C

₃

S

)、矽酸二鈣(

C

₂

S

)、鋁酸三鈣(

C

₃

A

)、鋁鐵 酸四鈣(

C

₄

AF

)等四種主要單礦物的水泥熟料(clinker)，研磨(grid)後添加石膏 (gypsum)成為波特蘭水泥。依此四種單礦物含量多寡，美國試驗與材料學會 (American Society for Testing and Materials, ASTM)將波特蘭水泥分類成五種類 型，如表2-1 所示列[37]。

2.5.2 高鋁水泥

高鋁水泥為早強水泥，亦稱為鋁酸鹽水泥，最早由法國發明在第一次世界大 戰後，由於在火山地帶的特殊環境中，波特蘭水泥易受到硫酸鹽(sulfate)的侵蝕，

遂改以採鋁礬土(aluminate) 混合石灰石燒製成高鋁水泥，用以克服混凝土工程 的硫酸鹽腐蝕難題。

高鋁水泥與波特蘭水泥同樣具有水硬性，不過其化學組成及水化特性卻與波特蘭 水泥大不相同，高鋁水泥的氧化鋁含量高達 39%至 43%以上，28 天抗壓強度 (compressive strength)可達 84 MPa，抗張強度(tensile strength)可達 31.5 MPa，其 抵抗海水浸蝕性最強，具有一定程度的耐高溫特性，可於高溫環境下仍保持較高 的強度。

高鋁水泥適合用配製各種混凝土的凝合劑，亦可以低量高鋁水泥配合製作可 鑄性耐火材。此外，高鋁水泥具有快乾硬化特性，尤其在緊急修護工程和預鑄混 凝土方面，此項優點可大幅減少施工或養護時間。然而凝固時易產生高水化熱，

應防止高鋁水泥過快風乾，導致高鋁水泥強度受損[38,39]

2.5.3 活性粉混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)

過去數十年，各國學者專家力求改善混凝土之性能，大致採取下列三種方 式：(1)超細粉緻密系統(Densified System Containing Ultra-Fine Particles, DSP)：以 細粉來增加水泥漿體之密實性，提高強度；(2)無巨觀缺陷砂漿(Macro-Defect Free Motor, MDF)：將含高分子材料之水泥砂漿擠壓成型，降低孔隙率，提升抗壓及 抗拉強度；(3)注漿鋼纖混凝土(Slurry Infiltrated Fibered Concrete, SIFCON)：將高 流動性水泥漿或砂漿注入預先埋好鋼纖的模具內，改善材料之韌性。活性粉混凝 土基本上採取上述三種性能改善機制[40- 43]。

普通卜特蘭水泥混凝土(Ordinary Portland Cement, OPC)所使用之材料，通常 以粗、細粒料、水泥、水為主，卜作嵐材料及強塑劑為輔的組成方式，材料組成 較為簡單，但通常效能有限，強度、耐久性、工作性三種特性難達平衡。高性能 混凝土(High Performance Concrete, HPC)在材料上，增添了強塑劑與卜作嵐材料 (例如：飛灰、爐石、矽灰等)兩項法寶，搭配了合適配比的應用(例如：緻密配比)，

無論在安全性、經濟性、耐久性、生態性、工作性等條件皆能同時具備，以達成 優生混凝土之目標。活性粉混凝土的材料組成，排除粗顆粒以增進均勻性，以石 英砂取代之，另搭配石英粉、矽灰填塞孔隙及生成卜作嵐反應，並加入小尺寸鋼 纖維來增加韌性，於前述三種混凝土材料之組成，不難發現三種混凝土最大之不 同處在於粒料顆粒尺寸的改變，普通卜特蘭水泥混凝土與高性能混凝土皆使用了 4 號篩(4.75 mm)以上的粗骨材，及 4 號篩(4.75 mm)以下、100 號篩(0.149 mm) 以上之細粒料，較活性粉混凝土石英砂(600 μm 以下)要來得大。

活性粉混凝土擷取混凝土性能加強方式，減少混凝土內部之孔隙及裂縫，以 提高混凝土強度、韌性、緻密性及耐久性等。活性粉混凝土使用的材料計有水泥、

石英砂、石英粉、矽灰、鋼纖維、水、強塑劑、消泡劑等。

吳崇聖研究指出活性粉混凝土 7 天齡期動彈性模數介於 41~45 GPa，28 天齡 期介於43~46 GPa 之間，動剪力模數 7 天齡期及 28 天齡期分別為 16~18 GPa 及 17~19 GPa 之間；卜松比 7 天及 28 天齡期分別為 0.23 及 0.22 之間[44]。

高進驊研究指出添加飛灰、爐石之活性粉混凝土 7 天齡期動彈性模數 44 GPa，28 天齡期為 47 GPa；卜松比 7 天及 28 天齡期各別為 0.24 及 0.22 ；超音 波速7 天為 4464 m/s，28 天超音波速為 4650 m/s[45]。

林建良研究指出，活性粉混凝土 7 天齡期之超音波速 3600~4200 m/s，28 天超音波速3900~4400 m/s。動彈性模數 7 天齡期 27~38 GPa，28 天為 30~43 GPa 之間。動剪力模數7 天齡期 10~14 GPa，28 天齡期 11~16 GPa。卜松比 7 天及 28 天分別為0.34 及 0.32[46]。

另外，有關活性粉混凝土與其他混凝土之主要力學性質比較及活性粉混凝土 力學性質列於表2-2、2-3。

2.5.4 自充填混凝土(Self-Compacting Concrete, SCC)

本研究中使用自充填混凝土，作為震損鋼筋混凝土構件基材，主要原因為：

在施工澆置時，自充填混凝土較一般混凝土免振動搗實、高流動性，暨通過鋼筋

間隙及充填模板之能力，並可達到確保混凝土構造物之品質與可靠度之目的，大 幅提升構件的可靠度，因而以自充填混凝土進行材料補修鋼筋混凝土構造物，可 免震動填補縫隙，同時膠體與骨材不會產生析離，使補強效果能更接近設計承載 力與耐震力[47-49]。

近年來在國內產官學的推動之下，內政部營建署公共工程委員會已將自充填 混凝土之施工規範納入公共工程施工綱要規範第03315 章，其對於自充填混凝 土之定義為「自充填混凝土係指具有『澆置過程不需施加任何振動搗實，完全藉 由自身流動性與充填性能，填充至鋼筋間隙及模板之各角落』能力之混凝土」。 目前國內已有數個使用自充填混凝土施工之案例，例如：中二高快官草屯段之烏 日交流道連絡道穿越橋、三鐵共構(高鐵、台鐵及捷運)工程及台北 101 超高層大 樓等。有關自充填混凝土之研發理念、配比設計及工程特性簡要分述如下：

自充填混凝土最早於 1986 年在日本東京大學教授岡村甫的領導下，從混凝 土最基本的材料特性開始研究，並於1988 年開發成功。其配比設計須視工程設 計條件(例如：斷面形狀尺寸、鋼筋間距、鋼筋使用量等)、施工條件(例如：澆灌 時間、泵送距離、自由落下距離、流動距離等)與環境條件等因素加以考慮。由 於自充填混凝土具高流動性且抗析離之特性，故配比設計重點為：

(1) 限制粗骨材用量、最大骨材尺寸、細骨材率及使用強塑劑，以達到高流動性 與鋼筋間隙通過率

(2) 採低水膠比，高粉體量及增黏劑以達到抗析離性。自充填混凝土。莊昆斌(2004) 研究指出，自充填混凝土在7 天超音波速 4150 m/s，28 天超音波速為 4255 m/s。抗壓強度 7 天抗壓強度 45 MPa，28 天抗壓強度為 54 MPa[50]。西學偉 (2009)研究指出，自充填混凝土 28 天齡期單位重 2311 kg/m³，超音波速4048 m/s，動彈性模數 32 GPa，動剪力模數 12 GPa[51]。另外，有關自充填混凝 土SCC 相關試驗參考值及國內外各研究單位對 SCC 配比建議準則列於表 2-4~2-5。

2.5.5 無收縮混凝土(Non-Shrinkage Mortar)

無收縮水泥砂漿是將一種水泥系材料的無收縮添加劑加入普通水泥中與水 及砂進行拌合，經過拌合後會產生大量膨脹的水化物-水化鋁酸鈣及氫氧化鈣，

使混凝土產生膨脹，補償收縮，這就是無收縮的原理。當試體有鋼筋或空間的限 制之下，因膨脹的作用會產生壓應力，可抵消部分或全部限制收縮所產生的拉應 力，且延遲收縮所需的過程，在抗拉強度方面即獲增長。當試體開始收縮時，其 抗拉強度以增強到足夠抵抗收縮所引起的拉應力，進而防止且減低收縮所導致收 縮縫的產生。而產生膨脹的因素有以下所述[52]：

(1) 於水泥中添加到一定量的礦物，使得在特定溫度下鍛燒成氧化鎂。氧化鎂在 水化時體積即膨脹。

(2) 於水泥中形成的鈣礬石(為高流型水化硫酸鋁酸鈣 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O)而產生膨脹。

環境溫度對氧化鎂的水化速度較為敏感，且氧化鎂的水化和膨脹速度會因燒

結溫度和顆粒大小不同而改變。因此在生產上往往膨脹性能不夠穩定，使得膠結 性及水化後強度也比較差，故未能廣泛運用。因此非金屬膨脹方式以鈣礬石膨脹 較佳。

形成鈣礬石後之所以會產生膨脹，是因為通過液相形成的鈣礬石相其所形成 的固相體積因外界水分的補充而增大，並因晶體交叉生長的結晶體壓力而相互推 斥，這是引起膨脹的根本原因。而鈣礬石的膨脹形態、數量及時間都有關係。一 般鈣礬石系的無收縮天加劑之膨脹反應式為：

C A 3CaSO 2H O 26H O₃ + ₄⋅ ₂ + ₂ →C A 3CaSO 32H O ₃ ⋅ ₄⋅ ₂

(2-15)

CA 3CaSO 2H O 2Ca(OH)+ ₄⋅ ₂ + ₂+24H O₂ →C A 3CaSO 32H O ₃ ⋅ ₄⋅ ₂

(2-16)

CA₂+6CaSO 2H O 5Ca(OH)₄⋅ ₂ + ₂+47H O₂ →2(C A 3CaSO 32H O) ₃ ⋅ ₄⋅ ₂

(2-17)

在初期水化時，所形成的鈣礬石產生凝結合強度作用，隨後水泥石更為緻 密。在水泥時已有一定強度時，會繼續產生鈣礬石，而導致膨脹補償收縮情況。

由於鋁膠和水化矽酸鈣凝膠的存在，水泥石變得緻密，且有良好的氣密性和抗滲 性。高鋁水泥中CA、CA2和石膏反應產生鈣礬石的同時，所析出一定數量的鋁 膠在鈣礬石晶體生長，在膨脹過程中產生塑性襯墊作用，使水泥石在不斷增加強 度的情形下，具有較大變形能力。當鈣礬石在析晶時因過飽和度較小，故對水泥 結構的破壞性就相對較小。因此可以認為鈣礬石和鋁膠共同構成了強度與膨脹因 素[53]，其主要功能性有以下所述：

(1) 主要是用氧化鈣、氧化鋁、氧化矽、硫酸鈣等水泥系無機非金屬化合物及 天加強塑劑等改變材料性質製造而成，不含氯化物等有害物質。

(2) 具有良好的流動性，添加後可增加流動值，故狹小的孔隙均能充分填塞。

(3) 握裹能力佳，且可提升早期及晚期強度。

(4) 體積不會收縮變形，且不會產生泌水現象，又可將縫隙填補接合。

(5) 因本身為非金屬材料，所以當產生膨脹時，為實體膨脹，與金屬材料所產 生膨脹不相同，而效果較為確實，且不會產生銹斑。

(6) 當結構裂縫小於 0.25mm 時，在有水分的情況下，會因硬化所形成的膨脹 結晶而有很強的生長能力，可將裂縫填補，防止鋼筋銹蝕和破壞混凝土。

(7) 做接縫填補時，由於膨脹作用使得該舊面緊密接合，不致產生弱面。

(7) 做接縫填補時，由於膨脹作用使得該舊面緊密接合，不致產生弱面。

在文檔中 超音波檢測技術之整合性評估應用於水泥基系材料之修補震損鋼筋混凝土構件 (頁 25-28)