奈米矽粉與不同水膠比對高性能混凝土抗強酸鹼侵蝕能力之影響

奈米矽粉與不同水膠比對高性能混凝土抗強酸鹼侵蝕能力之影響

-21-؉Ѽۣৰᄃ̙Тͪቱͧ၆੼ّਕ஄጖˿ԩૻ

ᅕែܬᄞਕ˧̝ᇆᜩ

沈永年

Influence of Water-binder Ratio and Nano-silica

Powder on the Anti-corrosion Ability of HPC

under Strong Acid and Alkali

Y. N. Sheen

ၡāࢋ

本研究係探討不同水膠比與奈米矽粉對高性能混凝土抵抗強酸鹼侵蝕能力之影響，研 究變數為水膠比(0.24、0.31、0.38)與奈米矽粉添加量(0、2%)；試體養護 28 天後再分別置 於飽和石灰水、強酸與強鹼環境，於齡期56、91 與 120 天進行各項試驗。結果顯示，在飽 和石灰水環境下，高性能混凝土水膠比愈低、拌合水量愈少，具較佳力學性質；添加奈米 矽粉於高性能混凝土中，將更有效提昇高性能混凝土力學性質與耐久性質。在強鹼環境中， 各配比電阻值依然呈現高抗蝕的特性，顯示混凝土受強鹼環境影響的程度相當輕微；於強 酸環境中，以水膠比0.24、添加奈米矽粉之高性能混凝土，具有最佳之抵抗強酸侵蝕能力。 關鍵詞：奈米矽粉；高性能混凝土；強酸鹼；抵抗侵蝕能力。

ABSTRACT

This paper presents a study on the anti-corrosion ability of various water-binder ratio High Performance Concrete Containing Nano-silica Powder (NSHPC) under strong acid and alkali attack. The parameters are water-binder ratio (W/B = 0.24, 0.31 and 0.38) and varying content of nano-silica powder (0 % and 2 %). After 28 days of curing, the mixes will be separated into saturated limewater, strong acid and alkali solutions; and all experiments will proceed at 56, 91 and 120 days. The results show the less of the water-binder ratio and mixing water amount of High Performance Concrete (HPC) will make better mechanical properties in saturated limewater solution. Adding nano-silica powder in HPC will raise the mechanical properties and durability of HPC more effectively. Under strong alkali environment, the resistivity of all batches is still high. It is obvious that the effect of strong alkali solution to concrete is slight. The anti-corrosion ability of HPC (W/B = 0.24、adding nano-silica powder) under strong acid attack is the best.

Keywords: Nano-silica powder; High performance concrete; Strong acid and alkali; Anti-corrosion ability.

防蝕工程　第二十二卷第一期　第21 ～ 30 頁　2008 年 3 月

Journal of Chinese Corrosion Engineering, Vol. 22, No. 1, pp. 21 ~ 30 (2008)

ˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍ 國立高雄應用科技大學土木工程系

Department of Civil Engineering, National Kaohsiung University of Applied Sciences * 連絡作者：sheen@cc.kuas.edu.tw

防蝕工程　第二十二卷第一期　2008 年 3 月

-22-1. ݈֏

化學工廠裡，有害化學物質多以足夠濃度的溶 液型態侵蝕混凝土，若有壓力會使有害物質更易滲 入混凝土，加速侵蝕，造成混凝土鋼筋外露、表面 脫落、斷面減少，產生孔蝕與破裂變形，造成強度 降低，減少結構物使用年限，使業者在廠房混凝土 之抗強酸鹼處理與耐久性需求上備受考驗。為了提 昇混凝土品質及抵抗強酸鹼侵蝕的能力，必須以較 少用水量產製更緻密的混凝土，才能對環境因子的 滲入提供更加的屏蔽。 目前國內外許多研究顯示，奈米結構材料的力 學性質與傳統材料相比有顯著的變化。如添加少量 (1.2 ~ 2.4%)奈米矽粉於混凝土中，可提昇混凝土之 力學性質與耐久性質；奈米材料之水泥漿及砂漿能 夠提昇抗壓強度，降低滲透性，助於改善硬固水泥 漿體的緻密性與耐久性。然而在奈米材料的使用中， 奈米矽粉(SiO2)為奈米科技下的一項新產物，於水泥 漿基材中加入奈米矽粉，會與排列於硬固水泥漿體 與骨材間的氫氧化鈣反應，生成 C-S-H 膠體，消耗 掉氫氧化鈣，因此可以提昇混凝土早期強度[1]_。奈 米矽粉亦為卜作嵐材料，為 99.9%之高純度 SiO2材 料，且其顆粒之平均粒徑約為25 nm。由圖 1 所示， 可知奈米矽粉對於混凝土之工程性質有正面之貢 獻。 本研究期望透過奈米矽粉以奈米尺寸均勻分散 於水泥顆粒上，減少水泥基材而強化漿體強度與界 面性質，配製更高強度緻密混凝土，改善混凝土工 程性質，以抵抗強酸鹼侵蝕的需求。

2. ͛ᚥаᜪ

2.1 ؉Ѽ௕̄ૻ̼পّ

奈米卜作嵐材料表面積特大，具有高度活性， 除有物理填孔之作用外，其高度活性促使卜作嵐反 應快速作用，可使混凝土表面相當緻密，改善混凝 土之透水性，對混凝土之硬固性質與耐久性質亦有 其正面效益。奈米矽粉亦為卜作嵐材料，為 99.9% 之高純度 SiO2材料，且其顆粒之平均粒徑約為 25 nm。透過奈米矽粉以奈米尺寸均勻分散於於水泥顆 粒上，減少水泥漿基材孔隙而強化漿體強度與界面 性質，配製更高強度緻密混凝土，進而改善混凝土 之工程性質，使混凝土科技朝向優質化發展。Li[2]_以 波特蘭水泥、高強度飛灰混凝土與添加奈米矽粉於 高強度飛灰混凝土進行抗壓試驗，並觀察混凝土水 化熱、孔隙粒徑與重量損失，證明添加奈米矽粉可 增進混凝土早期與晚期強度、提昇水化熱與降低重 量損失，使混凝土更為緻密。文獻[3]_{指出，添加奈} 米矽粉於高強度混凝土中，將提昇混凝土抗彎強度。 Ji[4]_{添加奈米矽粉於混凝土中，探討混凝土抗滲水性} 與以 ESEM 分析混凝土微觀結構；結果顯示添加奈 米矽粉於混凝土中，可以消耗掉氫氧化鈣，生成 C-S-H 膠體填充孔隙，使骨材界面與水泥漿母體更為 緊實的黏結，提昇混凝土長期力學性質與耐久性。

2.2 ᅕែჺᄞ፟ந

土壤中之地下水常因環境污染或地域之不同， 含有不同程度之硫酸鹽物質。而硫酸鹽的侵蝕必須 透過滲透作用」水為少不了的媒介物，即必須有水 將土壤中之硫酸鹽溶解成硫酸根離子，再經由混凝 土表面滲入，與氫氧化鈣結合產生石膏反應[2-5]_，其 腐蝕反應過程如下： SO42-

⎯

滲透

⎯ →

⎯

SO4 2-Ca(OH)2

⎯

溶解

⎯ →

⎯

Ca2+ + 2 OH -SO42- + Ca2+ + 2H2O

⎯

析晶

⎯ →

⎯

C S H2 C3A•C S •H12 + 2 C S H2 + 16H → C3A•32H CaO Al2O3 SiO2 水泥 爐 石 粉 飛 灰 奈米矽粉(SiO2) 稻殼灰 矽灰 圖1　奈米矽粉之 CaO-Al2O3-SiO2相圖。