發泡木質水泥再生綠建材開發

一、技術開發緣起

承襲第一節所述之木質水泥板製造方法，另利用天然有機膠質之表面擴張作用，

包覆空氣使製品達更輕量化之目標。

從綠建築 CO2減量指標的評估觀點來看，建築物 CO2減量最有效的對策在節約建材 使用量，因此最大影響因素在於「結構合理化」、「建築輕量化」與「使用再生建材」。

因此利用再生材料開發輕質建材，使用於建築物非結構部份，將同時滿足「輕量化」

與「再生性」兩大目標。

目前土木施工為達到輕量隔間之效果，常於混凝土中加入保麗龍顆粒，如圖 3-14 所示。

圖 3-14 傳統添加保麗龍顆粒之輕質混凝土材料(左)與輕質水泥板(右) 混凝土加入保麗龍球再灌漿引入隔間板中，固然可達到降低自重之目的，但是有 以下缺點：

(1)保麗龍為非環境友善材料，且原料來源為石化原料，不易分解也無法回收使 用，不符綠建材之要求。

(2)保麗龍為高分子聚合材料，表面光滑與水泥無附著力，完全與之結合。保麗龍 顆粒僅是填塞入水泥漿體中而已，容易剝離並因此造成水泥漿體之破損崩解。

(3)保麗龍密度與水泥漿差異懸殊，易漂浮於漿體上方，無法均勻混合。

(4)保麗龍不具可壓縮性，灌漿時易造成噴頭堵塞，需添加潤滑劑。

因此，利用發泡水泥以降低漿體之比重，開發輕質發泡水泥將可取代保麗龍之使 用而成為優質綠建材。

二、技術現況

混凝土一般比重約 2.2～2.5，若能在混凝土攪拌過程引入能產生大量均勻氣泡，

將可降低混凝土之比重，一般是加入具界面活性劑性質的輸氣劑(air entraining)。

此輸氣劑之加入能降低水的表面張力，攪拌時得以引入空氣形成微小氣泡。常見之輸 氣劑種類如表 3-8，製造發泡水泥有兩種方法，一是在自水泥漿體內部產生氣泡，如 利用鋁粉將可於接觸水後發生氫氣，產生發泡，唯此法形成的發泡體之氣孔非圓形，

無法打漿至高處。另一種是發泡劑先在外部產生圓形的強靱泡沫，然後加入水泥漿經 攪拌形成泡體，兩者各有其適用性。

表 3-8 常用輸氣劑種類

類別 效果 常用材料

輸 氣 劑 (ASTM C260)

增進耐久性，提高工作性 木脂鹽類、木質磺酸素鹽類、人 造清潔劑、硫酸基、苯烷等。

造氣劑 凝結前引起膨脹，降低容量 鋁粉、松香皂、蛋白質等 資料引用：譚大路編著，土木材料,p.178，新文京開發出版公司。

本研究是採用後者，即主要使用蛋白膠體，參配植物萃取，作為發泡劑，經研究 結果顯示，此種發泡劑可保持發泡效果至水泥硬化消滅，可獲得比重 0.6 之發泡漿體。

若於發泡水泥體中滲入木屑，亦可做成木屑水泥發泡體，比重約 0.6～0.7，為極 佳之木質發泡水泥材料，其重量輕、傳熱係數低，具隔熱、隔音、防火的功能，用於 隔間牆、防火門內襯材等，用途十分廣泛。

三、發泡液之製備

本計畫針對發泡水泥之開發朝向以下之目標：

(1)氣泡生成量多且細小：為達氣泡生成量多且細小之目標，發泡劑之選擇十分重 要，且氣泡產生時之攪拌速度必須快。

(2)氣泡保持性，不致逸出或破裂：為使氣泡能保留於漿體內，氣泡膜強度必須足 夠，於混拌或灌漿時得以駐留於漿體內。

(3)膨脹率高，增加漿體體積，並減少比重：為獲致較高之膨脹性，必須降低氣泡 之表面張力。然而，表面張力大，卻將使氣泡膜脆弱而不易保持。因此(2)與(3)為互 相排斥之因素。

綜合以上考量，本研究選用非化學合成之草本天然物萃取濃縮液(主成份為 glycyrrhizic acid，係含雙醣類之固醇類，化學結構如圖 3-15)，與蛋白膠體混合作 為氣泡產生劑。glycyrrhizic acid 之親水性相當高，易滲透入水分子中，並破壞水 分子間之氫鍵，而使水溶液體積膨脹。蛋白膠體則提供氣泡膜足夠之強度，使之不易 破裂。

此外另添加亞鐵離子，避免氣泡分子氧化分解，而增強氣泡膜強度。但此亞鐵離 子卻有一項缺點，就是易與蛋白膠體聚合凝固。因此添加量宜適當控制。

圖 3-15 發泡劑所含之 Glycyrrhzic acid 化學結構

此外另可添加小量乙醇，以降低表面張力，氣泡得以膨脹更大，以獲取較大之體 積而降低成品之比重。但缺點是，將降低氣泡膜強度，與亞鐵離子之功用互相牽制。

本計畫針對前四項成份經多次試驗調整，獲最合適之配方，而製得「發泡劑」。將 此發泡劑與 50 倍水混合充份攪拌可產生體積膨脹十倍以上，且保持時間長達 3 分鐘左 右之「發泡液」(超過 3 分鐘，體積將逐漸縮小。約 10 分鐘後體積降至約一半)。此「發 泡液」將可提供與水泥漿體拌合製備發泡輕質水泥，或另添加入木屑而製得「木質發 泡輕質水泥」，將據此提出專利申請。

四、發泡水泥漿體之製備

發泡水泥之製備包括兩部份，為未添加木屑及添加木屑兩種。並分別進行多次 之 試製，調整水灰比、發泡液用量，以及控制水泥與發泡液混拌之方式與攪拌速度等。

製備程序如下：

1.取前節所製備之發泡液備用。

2.控制水灰比約 0.6：1，因此取半數水先與水泥拌合。

3.另半數之水以經充份攪拌後之發泡液泡沫替代。須注意發泡後兩分鐘內立刻取 用，以免消泡。

4.將水泥漿體倒入發泡液中，並攪拌均勻。須注意攪拌速度應緩慢以免氣泡消失 或逸出。

5.混合發泡液之水泥漿體可灌入任何形狀之模型中，待水泥固化成型及養生約一 週後即可脫除模型，製得所需要各種型式之發泡水泥材料。

製備過程所遭遇最大之困難在於發泡液與水泥混合後，若水泥硬化速度慢，氣泡 將逸出而於材料之表面形成浮渣，待硬化後則成鬆散且易剝落之水泥殼屑(如圖 3-16)。因此改以 5%硫酸鋁與水泥混拌，加速水泥之水化反應而於固化時將氣泡包埋 於內部形成多孔性材料(如圖 3-17)。圖 3-18描述發泡水泥板之製作流程。

圖 3-16 未加硬化劑水泥硬化速度慢，氣泡逸出於上部形鬆散之浮渣

圖 3-17 添加硬化劑後水泥硬化速度快，氣泡未破裂表面呈現細孔

水泥＋水→混拌→混合→成形→養生 (5%硫酸

鋁溶液) 發泡液

發泡劑

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圖 3-18 發泡水泥製作程序(未含木屑)

利用此程序所製得之成品，內部孔隙呈蜂巢狀，如圖 3-19所示。

圖 3-19 成型後之發泡水泥內部剖面呈現多孔蜂巢狀

發泡水泥係利用內含發泡液體積膨脹，水泥漿體硬化前氣泡包埋於漿體內部，而 造成內部蜂巢多孔性。因此為降低成品之體比重，將也兩種策略，其一是提高發泡液 的使用量，其二是發泡液所產生之氣泡必須儘量細密(比表面積越大)。如表 3-9 為改 變發泡液使用量，以進一步瞭解水泥與發泡劑的配比與體比重的關係。

表 3-9 發泡液用量對體比重之影響 No. 水泥 硫酸鋁溶液 發泡液 體比重

1 350g 350g 66g 1.1 2 350g 350g 80g 1.0 3 350g 350g 100g 0.8 4 350g 350g 150g 0.7 5 350g 350g 160g 0.5

表 3-9 顯示發泡體的體比重隨發泡劑用量的增加而變小，因此控制發泡劑的用量 即可得到所需水泥體的比重，然而必須兼顧漿體之強度。如圖3-20為 NO.5 發泡液使 用比例最高者，但氣泡細密性不足，試體膨脹性雖大，但較鬆散強度不足，易剝離。

圖3-21則為 NO.2 之試體，發泡液較少，比重亦較大，但結構較緊密。

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圖 3-20 發泡液使用比例最高者，體比重小但較鬆散

圖 3-21 發泡液使用量小，體比重大，但結構較緊密

五、木質發泡水泥漿體之製備

如前節所製備之發泡水泥漿體，發泡液使用量增加體比重將可隨之下降。除此之外，

沿襲木質水泥板之方法，若另添加木屑將亦可達到降低體比重之目的。製備程序同前，

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刪除: 五、木質發泡水泥漿體 之製備

如前節所製備之發泡水泥漿 體，發泡液使用量增加體比 重將可隨之下降。除此之 外，沿襲木質水泥板之方 法，若另添加木屑將亦可達 到降低體比重之目的。製備 程序同前，但添加木屑與水 泥拌合，如圖 3-23。

但添加木屑與水泥拌合，如圖 3-22。

圖 3-22 發泡木屑水泥製作程序

添加木屑處理將有以下功能：

(1)使氣孔更細密，並避免氣泡逸出，成品孔隙度可更均勻。

(2)增加體積，降低比重。

(3)提高隔熱性，且可具吸音功能。

本計畫目前先試行添加 20%之木屑，製得木質發泡水泥，如圖 3-23。可發現雖然比重 低至 0.6 以下，但外觀卻較為密實，質感較佳。

綜合多次之實驗室試製，各種配比之試體性質如表 3-10 所示。

圖 3-23 含木屑 20%之發泡木質水泥試體 水泥＋水→混拌→混合→成形→養生

木屑(含浸 5%硫酸鋁)

(5%硫酸 鋁溶液)

發泡

發泡劑

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表 3-10 各種配比之發泡水泥試體性質 氣孔率由 31.13%增加至 42.14%，且吸水率亦自 35.74%提高至 39.75%。顯示混和木屑 可增加氣孔率，將有助於隔熱、防音之功能。

六、成本分析

利用本研究將氣泡加入水泥中，隨氣泡的使用量可製成比重 0.5~1.1 的水泥發泡 漿體。其成本分析如下：

每公升發泡劑中含：

(1)50g 蛋白膠體 Gelatin：150 元/kg×0.05kg=7.5 元 (2)300g 天然物萃取濃縮液：400 元/kg×0.3kg=120 元

稀釋 50 倍泡製成發泡液，每公升發泡液為 127.5 元/50=2.55 元/L (3)5%之 Al2(SO4)3：16 元/㎏×0.05=0.08 元/L

發泡水泥製備：1kg 水泥使用 0.3L 發泡稀釋液，0.3L 之 Al2(SO4)3 溶液(5%)。

原物料使用成本如表 3-11：

表 3-11 發泡水泥製備之原物料使用成本

水泥 3 元/kg

發泡劑 2.55 元/ L ×0.3 L =0.8 元 Al2(SO4)3溶液 0.08 元/L×0.3 L

合計 3.83 元

若不使用砂，則含發泡水泥漿體成本較一般水泥漿增加約 28%。但使用發泡水泥 其體積將膨脹 2~3 倍，也就是說於同樣空間大小之灌漿時僅須使用較一般水泥約三分 之一之用量即可，因此極具經濟效益。

七、發泡木質水泥之業界合作開發

七、發泡木質水泥之業界合作開發