發泡木質水泥綠建材開發

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。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3-20 所示。但是保麗龍為石化原料，不易分解也無法回收使用，不符綠建材之要求。而且保 麗龍表面光滑與水泥無附著力，在水泥漿體中易降低強度並造成水泥漿體之破損崩解。

因此，利用發泡水泥以降低漿體之比重，開發具有隔熱性之輕質發泡水泥將可取代 保麗龍之使用而成為優質綠建材。為達此目的，一般可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。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。本研究採後者，乃先製備「起泡劑」，使之產生含大量空氣的安定泡沫，

再導入水泥漿體中。此與藉化學反應於內部產生氣泡者不同，起泡劑的主成分有合成界 面活性劑、樹脂肥皂類，Gelatine 或 Caseine 等蛋白質之誘導體。此外，使氣泡更能安 定的氣泡安定劑則有如Methyl cellulose（MC）等的增黏劑。

圖3-20 添加保麗龍顆粒之輕質混凝土材料

氣泡的導入方法另可分成在水泥漿體混練時產生氣泡的Mix Foam 法及事先於外部 產生氣泡後再混入的Pre Foam 法兩種。導入空氣量之多寡視用途而定。若於構造用（壓 縮強度須達100kg/cm2 以上）則約為 10~60%；若為隔熱用途則為 70~85%，將大量的氣 泡混入形成多孔性水泥體。發泡水泥製備中，導入泥漿體之發泡液包含以下成份：

1. 起泡劑：產生泡沫。

2. 增黏劑：增加黏度，使表面張力增強。

3. 增韌劑：保持泡沫長久性，不易破裂消失。

4. 保濕劑：使泡沫保持一定水份。

為獲得可產生大量、安定性良好，且強度足夠的氣泡以導入水泥漿體中，「起泡劑」

之開發為關鍵技術。起泡劑的主成份包括有合成界面活性劑、樹脂肥皂類、Gelatine 或 Caseine 等蛋白質之誘導體。此外，為使氣泡能安定持久，另加如 Methyl cellulose（MC）

等的增黏劑。

具體之技術成果如下：

1. 發泡劑之開發：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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

利用所開發之發泡劑，製備發泡水泥，並分別進行未添加木屑與添加20%木屑之成 品比較。製得之發泡水泥與木質發泡水泥分別如圖3-21 與 3-22 所示。後者內部孔隙較 為細密。

未添加木屑之製程如下：

添加木屑者，則於水泥漿體中先加入經硫酸鋁預處理之木屑，混合液再導入發泡劑。

水泥＋水→混拌→混合→成形→養生 (5%硫酸

鋁溶液) 發泡液

發泡劑

水泥＋水→混拌→混合→木質水泥漿體→成形→養生 木屑(含浸 5%硫酸鋁)

(5%硫酸

鋁溶液) 發泡液

發泡劑

圖3-21 成型後內部剖面呈現多孔蜂巢狀之 發泡水泥

圖 3-22 成型後內部孔隙較為細緻之木質 發泡水泥

二、發泡木質水泥業界現場施工

本計畫利用自行開發之發泡劑，於實驗室內依前述之流程，完成體比重0.6 以下之 產品開發。經與再生綠建材標章廠商─大倡公司討論，於本年進行現場澆灌之驗證。

發泡水泥將有兩方面之現場應用方式，其一是規格化之建材成品生產，提供輕質隔 間使用。其二是現場施工，直接灌漿直接打入隔間牆內。前者可採批式生產方式較單純；

後者則必須連續操作，除水泥、木屑必須先依適當拌合成漿體外，灌漿過程中必須維持 發泡液之混合比例，並須克服加壓泵入建築物時氣泡不致破裂或逸出之困難。

現場施工所使用之高速發泡機設備如圖 3-23 與圖 3-24。包括水泥混拌機與氣泡生 成機兩部份。

圖3-23 現場施工製造之發泡機 圖3-24 水泥混拌機內之漿體

泡沫產生機為生成將發泡劑與水混合後，導入高壓氣體，並噴射產生細密之泡沫，

藉由空氣量與水量之調整控制氣泡之膨脹倍數，如圖 3-25 所示。膨脹倍數高之泡沫與 水泥漿體混合雖可以獲比重較低之發泡水泥，但氣泡之保持力低，成型後漿體強度較

水泥混拌機

泡沫產生機

以下為現場施工前測試情形：

如圖 3-26 為以矽酸鈣板構成 5m(長)×2m(寬)間隔 15 ㎝之隔間牆，上方留置圓孔以 灌入發泡水泥(如圖 3-27)。

現場將發泡水泥灌入隔間牆，但漿體側面水壓太高，導致矽酸鈣板崩裂漿體外流而 失敗(如圖 3-28)。此外，硬化後發現成品結構太膨鬆脆弱，且收縮嚴重(如圖 3-29)，不 符實際需求。而加入木質後發現收縮情況更嚴重，調整木屑比例自佔水泥之 50%至 25%，結果皆然(如圖 3-30 與圖 3-31)，與 96 年度之試製情形差異極大！故另行探討發 泡水泥漿體配製之條件，及進行發泡液之成份調整研究。

圖3-25 發泡機產生之泡沫

圖3-26 以矽酸鈣板構成之隔間牆

圖3-27 灌入發泡水泥

圖3-28 灌入發泡水泥後隔板下方繃裂漿體外流

圖3-29 硬化後成品收縮且鬆脆與外層隔板脫離

圖3-30 木屑佔水泥重 50%所試製之成品漿體收縮嚴重與板材無結合

圖3-31 木屑佔水泥重 25%所試製之成品漿體收縮嚴重與板材亦無法結合

漿體收縮將造成結構下陷，調整發泡量試製如下：

(1) 以水灰比 0.5(即發泡液與水泥之比例為 50%)，未加木屑灌製成品如圖 3-32，漿 體收縮嚴重，與板材結合不良脫離明顯。

圖3-32 水灰比 0.5 之成品

(2) 降低水灰比 0.4，未加木屑灌製成品如圖 3-33，漿體收縮極少，但與板材結合 亦欠佳。

圖3-33 水灰比 0.4 之成品

發泡量大，比重低但漿體卻產生收縮現象，此將導致漿體脆弱強度欠佳。故一方面 發泡量不宜太高，另一方面應增加泡沫強度保持力，使氣泡不致因漿體未硬化前逸出。

此為待克服重點之一。如圖3-34 為兩個漿體不同收縮情形之比較。

圖3-34 發泡漿體收縮差異性之比較

三、調整發泡液組成改善漿體結構

由現場施工所發現之問題，可見以外發泡方式之發泡水泥現場應用時除要達到發泡 量大，質輕之優點外，另必須克服以下問題：

(1) 泡沫保持良好，避免漿體硬化後收縮。

(2) 強度高，避免破損。

(3) 與板材之結合性良好，避免脫離。

蛋白膠體 Gelatin 為基本之起泡劑外，另添加部份之界面活性劑包覆氣泡表面，使之形 成微氣泡。並以高分子聚合物為增黏劑及丙三醇為保濕劑…等進行發泡劑的改善工作。

經實驗顯示其發泡沫的維持時間可達5 小時以上，足可滿足水泥的初凝階段。

初步研究發泡劑組成如下：

Gelatine(10%液) 15cc 植物油 0.3~0.5g 丙三醇 1cc 水 100cc

發泡液使用時則取以上發泡劑稀釋100 倍使用。上述配比經高速攪拌機攪拌後所得 的泡沫可耐 5 小時以上不會消失，較 96 年度研製以甘草精為起泡劑為配方者，其泡的 耐久性可延長2~3 倍。

以上述配方的發泡劑經高速攪拌機攪拌產生之泡沫，加入水泥中試製發泡水泥漿 體。取一定水泥量，泡沫輸入量調整為 100cc、200cc、300cc 時其體比重隨泡沫量之增 加而減少，如表3-21。加 300cc 泡沫者可達 0.57，如圖 3-35 所示。

表3-21 不同泡沫量與水泥配比對體比重的關係 NO.

成分 NO.1 NO2. NO.3

泡沫 100cc 200cc 300cc

水泥 150g 150g 150g

水 65cc 65cc 50cc

體比重 0.87 0.65 0.57

圖3-35 調整組成所試製之發泡水泥漿體

調整後之發泡劑可使泡沫量增加，並維持泡沫的長久性，可維持5 小時以上，可滿 足水泥的初凝時間，將以此進行現場之應用測試。圖 3-36 為以調整後發泡劑經由發泡 機所產生之泡沫細緻性良好具黏稠性。以此與水泥漿體混合所灌製之發泡水泥如圖 3-37，顯示泡沫持久性佳，漿體硬化後無收縮現象，可依此再作現場施工。

合作廠商大倡公司將於其北部工地擇一水泥牆作施工，但因主體工程延誤尚未及進 行。將另視施工進度作安排。

圖3-36 配方調整後之發泡液

圖3-37 另灌製於模具內之發泡水泥體孔隙度佳，無收縮現象。

四、成本分析

依前述發泡劑之組成計算原料成本如下：

(1)Gelatine(10%液) 15L (成本計算：150 元/kg×1.5kg=225 元) (2)植物油 0.3~0.5 kg (成本計算：100 元/ kg×0.5 kg =50 元) (3)丙三醇 1 kg (成本計算：50 元/ kg)

合計成本325 元，加水稀釋至 100L 備用。即發泡液原料成本為每公升 3.25 元 發泡水泥：取 1 kg 水泥加水 0.3 kg 製成水泥漿體，再與 0.3L 發泡液混合製成發泡 水泥，固化後比重約0.6，亦即總體積約 2.7L。

若以上述配方，不使用砂，僅使用水泥與發泡液混合，灌製6m×2m×0.2m(長：高：

厚)之隔間牆。發泡水泥總體積為 0.24 立方米，總原料成本依上述比例計算為：4 元×

240L/2.7L= 355 元。若含人工成本，約為 500 元，具經濟競爭性，值得工地推廣。

第三節 木質水泥屋頂隔熱磚開發應用