2-1-1 波特蘭水泥的組成

(1)

第二章文獻回顧 2-1 水泥

2-1-1 波特蘭水泥的組成

^【1】

波特蘭水泥係由英國Aspdin 氏於 1842 年以石灰石及黏土為主要原料，在高溫旋窯（Rotary Kiln）中燒結至溫度 1400~1450℃，隨溫度與時間的變化而生成矽酸三鈣（C3S）、矽酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鋁鐵酸四鈣（C4AF）等四種主要的礦物熟料（Clinker），因為水泥中 C3A 的水化速度極快，為了避免發生閃凝（flash setting）現象，會添加 4~5﹪石膏以調節水泥凝結時間，最後經研磨而成波特蘭水泥，表 2-1-1 為波特蘭水泥各熟料之組成^【2】。

表 2-1-1 波特蘭水泥熟料之組成

化合物名稱化學式簡寫成分比例(%) 矽酸二鈣 2CaO·SiO₂ C₂S 24 矽酸三鈣 3CaO·SiO2 C₃S 50 鋁酸三鈣 3CaO·Al ₂O₃ C3A 11 鋁鐵酸四鈣 4CaO·Al ₂O₃·Fe₂O₃ C₄AF 8

石膏 CaSO4·2H2O CS^＿H₂ 4~5﹪

2-1-2 水泥的水化（hydration）

(2)

主要的方程式如下：

2C3S + 6H → C3S2H3 + 3CH + 熱量 ---（1）

2C2S + 4H → C3S2H3 + CH + 熱量 ---（2）

C3A + 3 CSH2 + 26H → C3A．3CS．H32 + 熱量 ---（3）

（鈣釩石）

C3A + C3A．3CS．H32 + 4H → 3C3A．3CS．H12 + 熱量---（4）

（單硫型鋁酸鈣水化物）

C₄AF + 3CSH₂+ 29H → C₆(A,F)S₃H₃₂ + (A,F)H₃ + 熱量 ---（5）

式中H=H₂O，CSH₂=CaSO₄．2 H₂O，CH=Ca(OH)₂，C₃S₂H₃（矽酸鈣水化物）一般簡寫為C-S-H

圖2-1-1 為典型的波特蘭水泥放熱曲線圖^【3】，可以劃分為五個階段來加以討論：

0.1 1 10 100 時間（hr）

最初水化期誘導期加速期及凝結減速期及硬化養護期

水化放熱速率︵cal/g-h

r ︶ 1st 2nd 3rd

4th 5th

C3A 水化 C3S 水化

(3)

（1）最初水化期（initial hydration period）0~15min

水與水泥接觸的瞬間，部分較易溶解之成分如 Na₂SO₄，K₂SO₄， CaSO₄．xH₂O 溶在水中，同時矽酸鹽與鋁酸鹽水解會產生大量的 Ca²⁺及 OH^–離子，且濃度隨時間增加而愈來愈高，使得溶液的 pH 值增加，因而促使矽酸鹽與鋁酸鹽溶解度變大，所以各離子濃度將隨溶液pH 增加而變大。

當C3A 遇水後會與石膏（CSH2）結合生成鈣釩石（Ettringite）（C3A．

3CS．H32），而產生第一個放熱峰，造成溫度上升，但大量Ca²⁺及OH^– 離子被釋放出來造成系統形成電雙層（electric double layer），且C3A 的水化物鈣釩石會圍繞在 C3A 表面造成擴散阻礙，使得水化速度變慢而進入誘導期。因為鋁酸鈣的相對活性大於矽酸鈣，其水化速度依次為 C3A＞C3S＞C2S≒C4AF，所以初期的膠體產物大部分都是由鋁酸鈣所形成的，亦即C3A 在早期水化中扮演很重要的角色。

（2）誘導時期（induction period）15min~2hr

在此階段幾乎無熱量釋出，主要原因為鈣釩石（Ettringite）圍繞在 C₃A 表面及電雙層的存在，造成 Ca²⁺釋出困難，但仍會緩慢地進行，

此乃因為滲透壓作用，以致使 Ca²⁺析出。在足夠的硫酸鹽存在下，鈣

–2

(4)

水泥漿體的流變性質與早期之凝結行為，所以初凝的發生在誘導期的末期。

（3）加速期及凝結（acceleration period and setting）2~8hr

當系統接近水化末期時，未水化的 C₃S 會很快再水化，使得氫氧化鈣與 C-S-H 水化膠體結晶生成並快速成長，鈣釩石繼續緩慢生長，

且因 SO₄ ^–2 離子耗盡而逐漸轉變為不穩定單硫型鋁酸鈣水化物

（Monosulfoaluminate）（C₃A．3CS．H₁₂），而終凝時間為此階段開始後的1~2hr，所以水泥漿體的凝結與早期強度發展主要是受到 C₃S 所控制。

（4）減速期及硬化（deceleration period and harding）8~24hr

結晶在C3S 顆粒周圍的水化膠體（C-S-H）開始轉化為擴散控制的動力反應且改變擴散係數，此時鈣釩石完全轉變為單硫型鋁酸鈣水化物，由於水化產物及氫氧化鈣結晶會覆蓋在水泥表面，使水化反應進入減速期，此時期決定其早期強度成長速率。

（5）養護期（curing period）24hr 以後

在此時期，整個系統成穩定狀態，因厚度逐漸增加，使得未水化的水泥顆粒核心離子擴散至成長的晶體必須穿透 C-S-H 的阻礙變大，所以水化速率變得更慢，此時的水化行為轉變為擴散控制的動力反應。

(5)

2-2 高性能混凝土

2-2-1 高性能混凝土

（High performance concrete，HPC）

之定義

國內將 HPC 定義為具有高流動性與高品質等優越條件的工程材料，對高流動性與高品質的要求要達到^【4】：

1、具有高流動性使混凝土施工時達到：(1)無搗實需求，具自動澆置與減少施工噪音優點。(2)廣泛自流特性，減少混凝土輸配。(3)可流過狹窄鋼筋間距或斷面，達到充分填充。

2、具有高品質特性，顯現在硬固後之性質需有(1) 高強度性、高彈性模數、高體積穩定性、高耐久性、高耐磨性、高水密性。(2)減少骨材析離，可增加長途輸送距離或自由落體及逆打澆置距離。(3)減少泌水（beeding）現象則可增加對接面的處理。

各國對高性能混凝土的定義都不同，如法國學者De Larard 直接定義HPC 為圓柱試體強度大於 50Mpa(約 7000psi)的混凝土^【5】，日本岡村甫教授給HPC 下了一個概念性定義^【6】如下：

1、工作度良好，澆置時不必使用振動器，可流動填滿模板內每個角落。

2、初期因水泥水化熱減少導致裂縫少，乾縮及潛變減少。

3、後期強度高，耐久性好，抵抗劣化的能力強。

(6)

（1）澆置後 4 小時之抗壓強度大 3000psi。

（2）24 小時之抗壓強度大 5000psi。

（3）28 天之抗壓強度大於 14000psi。

B、經過 300 次的凍融循環，具有耐久因子大於 80﹪之特性。

C、水灰比必小於 0.35。

2-2-2 高性能混凝土的組成

傳統混凝土是由水泥、水、骨材三種不同性質材料所組成，設計者為了強度，會降低水灰比，但會造成施工困難，因而會在混凝土中加入各種摻料，其中包括化學摻料（如強塑劑、輸氣劑、減水劑、凝結調整劑等），礦物摻料（如飛灰、爐石、稻殼灰、矽灰等），特殊摻料

（如增黏劑、阻鏽劑等），而形成所謂的高性能混凝土，如圖2-2-1 所示。

(7)

圖 2-2-1 混凝土的基本組成

混凝土

^膠結材料

（水泥漿）

填充材料

（骨材）

水泥砂漿

細骨材粗骨材

混凝土摻料

特殊混凝土

(8)

2-3 強塑劑

2-3-1 摻料與強塑劑的定義

根據美國混凝土協會（American Concrete Institute，ACI）CI25 的定義「舉凡水泥、水、砂、石子以外的添加材料」均可稱為『摻料』，

在拌合過程中加入少量便能改變混凝土性質^【8】，摻料可分為化學摻料、

礦物摻料、特殊摻料三類。根據美國材料及試驗協會 C494「混凝土化學摻料規範」，混凝土化學摻料可分為下列七類：

A 型：減水摻料（water-reducing admixtures）

B 型：緩凝摻料（retarding admixtures）

C 型：速凝摻料（accelerating admixtures）

D 型：減水緩凝摻料（water-reducing and retarding admixtures）

E 型：減水速凝摻料（water-reducing accelerating admixtures）

F 型：高性能減水摻料（high range water-reducing admixtures）

G 型：高性能減水緩凝摻料（high range water-reducing retarding admixtures）

強塑劑屬於其中 F 型及 G 型，此規範是屬於性能規範，只要求其加入混凝土中所表現的性質，對其化學成分並不做嚴格規定，應用在混凝土時可以減少15~30﹪的用水量，為一般減水劑減水量的 3~4 倍，

所以稱之為高性能減水劑（High range water reducer）。

(9)

2-3-2 強塑劑的功用

強塑劑是一種高分子量的陰離子界面活性劑，強塑劑本身對混凝土極限強度影響極微，然而因為減水而使得水灰比及孔隙降低，可得到較大的強度。強塑劑在混凝土中具有分散、減水、緩凝、速凝、提高混凝土的流動性及抗壓強度等功效，因此可以改變混凝土品質並提高其效用。

強塑劑加入混凝土中之主要目的有下列三項^{【9~11,25】}： 1、相同水灰比，增加工作度：

添加強塑劑，可以提高混凝土之流動性，但不會影響混凝土的強度及耐久性，並且可以增加工作度，有利於澆置作業。

2、相同的工作度，降低水灰比：

因強塑劑可以讓水泥與骨材均勻分散，使得混凝土不需大量用水即可得到相同的工作度，降低水灰比，因而造成混凝土具有較高強度及高水密性。

3、相同工作度下，同時減少水與水泥用量：

添加強塑劑可以使得混凝土在相同工作度、強度及耐久性下，同時可以降低水及水泥用量，而且因水泥用量較少，可以減少混凝土因水化熱產生的乾縮、潛變及熱應變等現象。

(10)

2-3-3 強塑劑的種類

目前常使用的強塑劑，有下類五種：

（一）改良的磺化木質素及其鹽類（Modified lignosulphonates，MLS）

磺化木質素由木材造紙時的副產物，經過沉澱及發酵作用，產生不同純度的磺化木質素，國外已使用四十年了，它可以減少 8~10﹪的用水量。因其不是針對添加於混凝土所合成的，所以其減水效果較差，

導致添加量會增加，對於混凝土的凝結時間及輸氣造成不良影響^【12】。如將磺化木質素再純化及改良，以增強其減水功能和降低其緩凝效果，則稱之為改良的磺化木質素^【13】，其簡化分子結構如圖2-3-1。此類強塑劑的分子結構以酚丙烷（phenol propane）為單元，主要的官能基為：氫氧根 (hydroxye，OH^-)、磺酸根（sulfonate，SO₃^-2），碳酸根

（carboxye，CO₃^-2），甲醇基（methoxy，CH₃O^-）等親水性離子，平均分子量為 20,000~30,000，新拌混凝土凝結時間較長，絕不能超量使用且減水率不足，坍度不能超過15 ㎝，否則會有析離之隱憂，此種強塑劑本身較容易產生沉澱與發霉現象，較不利於使用。

磺化木質素有許多的鹽類型式，商業所使用主要為鈉鹽與鈣鹽形式，鈉鹽之外觀呈淡棕色，溶解度與解離度較好，減水效果佳，在低溫時較不會有沉澱及析離現象，可提供較穩定的效能，鈣鹽含氯低且較便宜。

(11)

H₃CO

O

HO

O

H₃CO

SO₃^- HO

*

n

圖 2-3-1 改良的磺化木質素簡化分子結構

（二）磺化萘甲醛聚合物（Sulphonated naphthalene formaldehyde condensate，SNF）

此類聚合物之製造是由發煙硫酸或三氧化硫先將萘磺酸化再與甲醛起加成、聚合反應，最後經氫氧化鈉中和而得^【¹⁴^】，其分子結構如圖 2-3-2 所示^【¹⁵^】。其分子主要是以鈉鹽型式存在，因為磺化鍵群的關係，

其在水中具有高溶解性，聚合度n 值一般在 5~10，分子量約為 2000。

目前美、日及國內所使用的強塑劑也以 SNF 為主，商業所製造之產品為深褐色弱鹼性溶液，固含量約為25~45wt﹪，雖具有高減水率但不耐混凝土的侵蝕，分散性也只能維持 10~15min，具有嚴重的坍度損失，量加多時容易產生泌水及裂現象，當溫度變化時所使用的量也會跟著有較大的變化。

*

SO₃^-

CH₂ *

(12)

（三）磺化美耐皿甲醛聚合物（Sulphonated melamine formaldehyde condensate，SMF）

歐洲所使用的強塑劑以 SMF 為主，此類強塑劑的製造是以美耐皿

（即三聚氰胺）、甲醛、亞硫酸鹽在適當的反應條件下經加成、磺酸化、

縮合反應而得，其分子結構如圖 2-3-3 所示，聚合度 n 值為 50~60，商用分子量為 30,000，由於磺酸根在邊鍵上使其易溶於水，當添加量增多時，也不會過於延遲凝結及增加輸氣作用^【¹⁶^】，早期強度很好，但此強塑劑本身會隨著時間、溫度與酸鹼度而改變分子量，放久了會硬化為樹脂，造成安定性較差。由於台灣的氣溫較高，使用上較不方便，

坍度損失較為嚴重，其外觀為透明帶有輕微混濁的乳白色。

N

N N NHCH₂SO₃^-

HN NH CH₂

H₂C O

* *

n

圖2-3-3 磺化美耐皿甲醛聚合物分子結構

（四）羧酸系強塑劑聚合物（Polycarboxylic Acid）

此類強塑劑是一種新型強塑劑，主要是以acrylic monomer 經自由

(13)

of carboxylic acrylic acid with acrylic ester，CAE），長鏈上的之鏈可依需要外接不同的分子結構，水泥漿體的流變行為會因外接分子不同而改變。

CAE 主要的作用機制為靜電作用與立體障礙，較 SNF、SMF 的分散效果來的好，有較低的水灰比即可達到相同的工作度，較不會有坍度損失的問題，及改善容易泌水與析離現象，且不受溫差影響而造成混凝土強度有太大的變化，商用分子量約為 20,000，多以鈉鹽存在，

外觀為棕褐色，分子結構如圖2-3-4 所示。

CH

*

CH₂

CH₂ CH₂

CH O

CH CH₂ CH₂

CH O

CH₂

*

n m

C C

O

O O

圖2-3-4 壓克力酸鹽分子結構

（五）磺酸化酚甲醛樹酯（Sulphonated phonate formaldehyde，SPF）

此類聚合物是由酚先與甲醛起加成反應，加入硫酸進行磺酸化反

(14)

OH

SO₃^-

* CH₂ *

n

圖 2-3-5 磺酸化酚甲醛樹酯分子結構

上述五種常用的強塑劑，其結構中所帶的基團可歸類為三種：-OH group、-COOM group、-SO³M group，此基團對水泥水化之影響如下：^【54】

1、-OH group

-OH group 被水泥粒子表面的 Ca⁺²吸附形成吸附膜，因而阻礙水化之進行，具有緩凝之作用。

2、-COOM group

烷基鏈結較長之羧酸鹽，溶解度較差，會有明顯的緩凝現象；烷基鏈結較短之羧酸鹽，溶解度較佳，不會有緩凝現象。

3、-SO³M group

是一種典型陰離子界面活性劑親水團，脂肪族磺酸鹽可用作混凝土輸氣劑，短鏈的芳香族不會延緩水泥水化。

2-3-4 強塑劑之分散機制

水泥顆粒帶有未飽和的表面電荷與水接觸後，因為顆粒間的凡得瓦

(15)

黏度增加，水泥漿因而變成稠硬。

強塑劑是一種高分子型的陰離子界面活性劑，加到混凝土中，會利用其結構中的極性基(-SO₃H、 -COOH、 -OH)吸附在水泥的表面，使得水泥顆粒彼此因排斥作用而分散^【16】，去除凝聚現象因而增加混凝土的流動性，以達到減水效果，強塑劑主要是藉由下列四種作用機制來促進水泥粒子的分散。

（1）靜電排斥（Electrostatic repulsion）：

強塑劑分子帶有負電的離子，如吸附到水泥顆粒表面，會使得水泥粒子表面呈現負電荷，促使周圍水分子之表面張力明顯降低，水泥顆粒會由於同性電荷的互相排斥而分散，導致水泥顆粒原先的凝聚現象消失，因而增加水泥的流動性，如圖2-3-6 所示。

admixture cement

(16)

一、DLVO 理論

^【¹⁸^】

：

分散的粒子是處於相互間的吸引力與排斥力的平衡，吸引力是由於粒子的凡得瓦力造成，當兩個粒子相互接近時，吸引力增加，總位能會變小。排斥力則是因為水泥表面帶有正電荷，吸附一層強塑劑之後，

又會在外圍繼續吸附另一層帶相反電荷的離子，形成電雙層（electric double layer），兩個帶相同電荷的粒子接近時，排斥力會增加，因而造成總位能增加。總位能（V_T）與吸引力位能（V_A）、排斥力位能（V_R）之關係式為V_T＝V_A＋V_R，粒子間的作用力位能與粒子間的距離之關係如圖2-3-7，圖中有一最大位能障礙（maximun potential barrier；V_Tmax），如果粒子越過此一能障達到總位能最低(V_Tmin)會造成粒子產生凝聚 (coagulation)^【19】，而強塑劑的加入會造成電雙層厚度愈大，排斥力提高，增加V_Tmax，可以防止水泥分子凝聚，分散效果愈好。

Potential Energy

0

VT

VR

VA

VTmax

VTmin

Distance between particles V_T＝V_A＋V_R

(17)

二

、

電雙層理論（Electric double layer）

：

水泥顆粒表面帶有正電荷，會吸引一層帶負電荷的強塑劑，形成

Stern-Layer(SL) ，為一層不可移動層，SL 外面又會吸引一層帶相反電荷且結構鬆散的物質而形成Diffuse-Layer(DL) ，SL 與 DL 即稱之為電雙層理論（Electric double layer），如圖 2-3-8 所示。

SL 與 DL 間的界面稱之為 Shear-Plane，其表面電位即為 Zeta- Potential(ζ ) ^【52】，但因為 DL 之阻礙，無法直接量測到真正的 ζ 值，只能量測 DL 與溶液之界面 Slipping-Surface 的表面電位來代替真正的 ζ 值。由 DLVO 理論可知 ζ 值愈大，顆粒間的靜電排斥力愈大，強塑劑分子可藉由吸附於水泥顆粒表面來增增加其ζ 值。DL 之厚度易受到溶液離子強度之影響，離子強度增強會壓縮DL 之厚度，造成電雙層厚度與ζ 值降低^{【56 】}。

Stern-Layer (SL) solution

Slipping Surface

Diffuse-Layer (DL) Shear plane

Electric Double Layer

(18)

（2）立體障礙（Steric hindrance）

強塑劑分子如果具有較長的側鏈結構，一旦吸附在水泥顆粒表面時，除了會有靜電排斥作用之外，同時會因側鏈的存在而產生立體排斥效果，增加水泥分子的分散效果，圖2-3-9 為強塑劑的立體障礙延長其被水化產物包覆的時間^【17】。

Yamada^【49】等人曾以不同長度的聚乙烯醇(polyoxyethylene；PEO) 側鏈具聚羧酸系強塑劑(polycarboxylate；PC)探討其立體障礙對水泥漿體之影響，結果顯示在平均鏈骨架相同時，PEO 側鏈長度愈長，立障愈大，漿體流動性較好。Chandra and Bjőrnstrőm 比較 LS、SMF、SNF 及PC 在不同水灰比下對水泥漿體的影響，結果顯示 PC 能降低水泥漿體之坍損值。

圖2-3-9 強塑劑的立體障礙延長其被水化產物包覆的時間

（3）水披覆層環繞（Water sheath surrounding）

水泥顆粒水泥顆粒水泥顆粒

強塑劑分子

Intermediate situation

Initial situation Final situation

(19)

接到水泥顆粒表面時，將使得水泥顆粒有效粒徑加大，降低水泥顆粒之間的吸引力，增加水泥的分散性與流動性，如圖2-3-10 所示。

admixture cement water

圖2-3-10 水披覆層環繞效應

（4）輸氣作用（Air entrainment）

強塑劑分子因帶有負電荷，吸附到水泥顆粒表面時，促使周圍的水表面張力降低，適量的空氣進入混凝土中會促進材料的分散與流動，

但同時也會造成強度損失的副作用，如圖2-3-11 所示。

admixture cement air

(20)

2-4 強塑劑之吸附行為

2-4-1 吸附理論

強塑劑與水泥將顆粒的吸附現象發生在物質表面，依其結合方式不同可分為物理吸附(physisorption)與化學吸附(chemisorption)二種，物理吸附無伴隨電子轉移，不需活化能所以會先產生，化學吸附因牽涉化學鍵的形成所以速率較慢，表2-2-1 為物理吸附與化學吸附之比較^【64】

。

表2-4-1 物理吸附與化學吸附之比較

特性物理吸附化學吸附

吸附力凡得瓦力、靜電力化學鍵力吸附熱 300~3000J/mole 40~400kJ/mole

選擇性無選擇性有選擇性

吸附層單或多分子層，可逆吸附單分子層，不可逆吸附吸附速率一般不需活化能，較快需要活化能，較慢

2-4-2 Langmuir 等溫吸附曲線^【⁶⁴^】

Langmuir 於 1915 年提出了等溫吸附公式，其中有四項基本假設^【⁶⁴^】為理想狀態下之單層分子吸附：

(21)

吸附。

(2) 吸附體表面是均勻的，各位置的吸附能力相同，吸附熱是定值，不 隨覆蓋程度而改變。

(3) 吸附在吸附體表面上之分子彼此間無作用力，所以被吸附分子從吸附體表面逃逸的機率不受周圍其他被吸附分子的影響。

(4) 吸附平衡屬於動態平衡。

圖 2-4-1 Langmuir 等溫吸附曲線

2-4-3 吸附模式

強塑劑為高分子聚合物，溶在水中具有相當大的負電荷，陰離子吸附在水泥顆粒表面，因此其在漿體顆粒表面的吸附模式亦會影響分散效果，高分子聚合物於粒子表面之吸附模式與聚合物本身的性質、

分子量有關，可分為以下幾種模式。

Relative Pressure P/P0

Amount of gas adsorbed

(22)

(segments)則伸展於溶液中。

(3) Tail Mode：聚合物只有一端吸附於顆粒表面。

圖 2-4-2 高分子聚合物在水泥顆粒表面之吸附模式

2-4-4 影響吸附之因素

影響吸附行為之變因眾多，可以分成三方面來說明：

（1）在吸附體方面

有材質、比表面積、孔隙大小分佈、粒徑大小與表面帶的官能基等，

這些都會影響吸附的容量與吸附的速率。

（2）在被吸附物方面

影響吸附行為的因素包含：分子大小、本身性質、取代作用、溶解度與官能基性質(極性、離子化)、吸附層之結構、被吸附物彼此間交互作用。

水泥顆粒表面 train

loop

tail

(23)

均會影響其吸附量。

2-4-5 強塑劑與水泥漿體之吸附行為

高分子的分子量通常呈現一分布範圍，而不同分子量的高分子在顆粒表面吸附量將有差異；一般而言高分子之吸附速度較低分子緩慢，達平衡需較長時間，尤其當分子量越大時，吸附速度便越慢；反之，分子量越小者吸附速度越快，但因其屬於動力學穩定(kinetic dynamic stability) 的吸附狀態，故分子量大者會再逐漸取代分子量小者，達到熱力學穩定 (thermal dynamic stability)的吸附狀態；倘若分子量小者對吸附體為功能終止聚合物(end functionalized polymer)，則吸附平衡為分子量小者取代分子量大者^【52】。

Cunningham^【22】等人利用高效能大小排除層析法(high performance size exclusion chromatography)對磺化三聚氰胺(SMF)於水泥漿體顆粒表面的吸附做研究，發現分子量小的 SMF，容易散佈於水泥顆粒表面，吸附速度比分子量大者快，但因大分子有較大的吸附位能，故會取代小分子的吸附位置，達吸附平衡。

Yamada^【49】等人以羧酸系強塑劑上不同長度之PEO 側鏈對吸附量影響之研究結果顯示，當強塑劑側鏈長度短，主鏈聚合度長時，有較高的吸附比例。

(24)

2-5 影響水泥漿體流動之因素

維持良好的流動性是高性能混凝土（HPC）必備的條件之一，但當水加入水泥粉末中時便開始進行水化反應，水泥顆粒會因為靜電吸引力、

凡得瓦力及水化產物之間的糾結作用力而絮凝在一起，造成水泥漿的流動性變差。

為了維持良好的流動性，可以加入強塑劑，當強塑劑加入時會吸附在水泥顆粒表面，使得水泥表面帶有負電，藉著靜電排斥與立體障礙作用，促進水泥顆粒分散，改善漿體的流動性，根據 Chiocchio、Paolini

【35_】

及 Gettu^【36】等人研究，其分散效果與強塑劑的種類、添加劑量與方式等因素有關。

影響水泥漿體流動之因素歸納出下列六點^【67】： (1) 強塑劑的種類與分子量的大小

胡建華^【⁵⁸^】等人探討強塑劑結構中含羧酸基、磺酸基以及含醚基的側鏈，當側鏈之比例較大以及適當的長度時，混凝土有好的流動性能和坍流度之維持。Collepardi^【10】比較 PCA 與 SNF 及 SMF 添加在水泥漿中之性質，研究結果發現PCA 用較低之水灰比便可達相同的流度，

且坍度損失較少，即PCA 具有較好的維持性。Collepardiu 也曾提及 PCA 系列的強塑劑，分子量過高時容易發生架橋現象反而會造成水泥漿體產生凝聚現象。Knaus and Bauer-Heim^【28】合成sulfobutylated CMC 和

(25)

泥漿分散性最好。

(2)強塑劑的添加劑量

強塑劑的添加劑量愈多，水泥漿體流動性愈好，但加到飽和劑量後便呈現定值，水泥漿體的流度不會再增加，如果強塑劑的添加劑量過大反而會造成泌水現象。

(3)強塑劑的添加時間

Hsu^【59】等人的研究報告指出強塑劑較適當的添加時間應在水泥水化第一階段完成之前，此時混凝土會有較佳的工作度，利用延遲添加的方式可以改善坍損問題。Hanehara and Yamada^【60】研究不同種類強塑劑，利用延遲添加的方式都可以增加水泥漿體流動性和延緩凝結時間。Flatt、Houst^【17】在探討立即與延時添加強塑劑對水泥漿坍損程度的研究結果中指出：延時添加強塑劑，可以減少水泥漿坍損值，強塑劑立體障礙可以延長其被水化產物包圍時間。

(4)強塑劑的吸附量

Andersen 、 Roy^{【 29 】}比較不同種類強塑劑的吸附特性，發現 polystyrene(PS)的吸附量小於 SNF，且強塑劑達到最高吸附量時，有一個最適當的分子量。Yoshioka^【61】等人比較不同種類強塑劑對 C3S、C2S、

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劑產生競爭吸附，減少強塑劑在水化初期被水化產物覆蓋，成為無效添加的情形發生。

(5)水泥的成分與保存方式

Chandra and Bjőrnstrőm^【62】比較LS、SMF、SNF 及 CE 在不同水灰比對水泥OPC(ordinary Portland cement) 、LAC(low alkali cement) 、 WC(white cement) 的影響，結果顯示 WC 的顆粒最細，流動性反而較好，其主要的原因為WC 中 C3A、C4AF、 alkali cement 的含量較低，

而磺酸根的成分較高。

Neubauer^【63】等人研究結果顯示OPC 水泥(第一型)儲存在室內密封容器與室外無密封容器，經過 1.5 年發現儲存室外無密封容器的水泥表面電位會由正值變為負值，其原因為水泥顆粒表面會吸附大量的陰電性離子，使得表面電位會呈現負值，因此水泥的儲存方式會影響水泥漿體流動性。

(6)拌合時的溫度與添加礦物摻料

水泥漿體在相同的配比下，拌合時的溫度愈高，流動性愈差，坍度損失愈嚴重，且凝結時間會縮短。

以礦物摻料取代部分的水泥，可以減少水泥用量並延長凝結時間，例如：添加飛灰取代部分水泥用量，可以減少水泥水化時所釋出

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2-6 相關文獻探討彙整

表 2-6-1

2-1-1 波特蘭水泥的組成

第二章 文獻回顧 2-1 水泥