新型共聚物化學摻料對混凝土工程性質之影響

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新型共聚物化學摻料對混凝土工程性質之影響

沈永年、何宗達 國立高雄應用科技大學土木工程學系 E-mail: [email protected]

摘要

本研究係探討新型共聚物化學摻料對混凝土之工程性質影響。採用 ACI 配比設計，固定 PD 添加劑量 (SP/C=1%)，以三種共聚物化學摻料及水膠比(W/B=0.30，0.36，0.42)為變數，研究項目包括新拌性質(坍流度、坍度損失、凝結時間及單位重)、硬固性質(抗壓強度、超音波、體積變化)。結果顯示，由於 PD 具有正負兩性離子可吸附於水泥顆粒上，達到分散效果，透過減水效應，可降低水灰比、延長凝結時間，在傳統混凝土所得之減水率大於 CNS 規範所定之 12%，即 PD 屬高性能減水劑的一種，相較於控制組有 1.5 至 3 小時緩凝。添加 PD 的混凝土坍損較小，凝結時間較長，抗壓強度、超音波速、電阻值高於傳統混凝土，整體性能表現下 PD 共聚物化學摻料介於 CNS 12283 規範的 Type F 至 Type G 之間。關鍵詞：共聚物化學摻料、ACI 配比、新拌性質、抗壓強度

1. 前言

二十一世紀化學摻料已成為混凝土之重要組成成分，添加化學摻料可大幅提高工程品質、減少拌合水量、節省水泥用量、改善混凝土性能。Actcin 及Neville[1]指出，化學摻料為高性能混凝土之神秘配方，應將化學摻料應用於混凝土的大門打開。有鑑於化學摻料對混凝土的重要性，全世界紛紛投入化學摻料的開發及合成，由較早期的磺化鹽類到磺化木質素等減水劑至近期的高性能減水劑羧酸系統等，使化學摻料的效能推向另一個高峰，而規範對其性能的要求則更加嚴謹；混凝土之產製，重要的一環係於混凝土中添加適當劑量之強塑劑[2]。強塑劑為一種高分子聚合物，屬介面活性劑，其主要作用係藉著強塑劑吸附在水泥等細顆粒表面上，形成電雙層電位使各顆粒帶有同性電荷產生互相排斥作用，達到去除水泥凝聚現象及保持高度分散效果，使混凝土在低水灰比下仍具有良好的流動性與工作性[3]。隨著高流動性混凝土、高強度混凝土和自充填性混凝土的廣泛應用新型的強塑劑已成為 21 世紀強塑劑發展的必然趨勢[4]，而新一代強塑劑-共聚物化學摻料的出現，經由不同外接分子的特性，能克服許多過去強塑劑普遍存在的問題，如泌水、析離、乾縮、坍損較快等[5,6]，而更具備以下優點：摻量低、對水泥分散性良好、坍度維持性高、可避免重複加劑來維持工作性、延緩凝結時間較少，可有效控制凝結時間以及在分子結構上的變化及自由度大，具有高開發性的潛能等[7]；使用共聚物化學摻料，可使用更多的卜作嵐材料來取代水泥，使成本降低，減少耗能等[8]，因此共聚物化學摻料已成為世界性的研究焦點。

2. 試驗計畫

2.1 試驗材料 1.水泥：採用亞洲水泥公司所生產之第一型卜特蘭水泥，經檢驗後其品質符合 CNS 61 規範要求，材料使用前皆密封儲存。 2.粗細骨材：採用高屏溪所產之細骨材，材料經篩分清洗後置放於儲存場內。

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3.共聚物化學摻料：採用台灣師範大學化學系許貫中教授研究團隊之藥劑，化學結構如圖 1所示。以DCA 與AAM之高分子單體合成，經由過硫酸銨作為起始劑進行共聚合反應而製得；使用前予以搖動，使其混合均勻防止沉澱；共聚物化學摻料相關基本性質如表 1 所示。 2.2 試驗變數 混凝土試驗添加固定劑量（SP/C=1.0%）之三種PD共聚物化學摻料用來拌製傳統混凝土並與不添加PD 之控制組做比較，且將傳統混凝土坍度控制在 10cm求減水率分別探討PD共聚物化學摻料的工程性質，分別探討PD共聚物化學摻料對混凝土坍度、坍流度、凝結時間及乾縮、抗壓強度、超音波波速之影響，試驗齡期 7、28、56、91 天，探討添加PD共聚化學摻料對混凝土新拌、硬固及工程性質能力之影響，變數如表 2所示。

3. 結果與討論

3.1 共聚物化學摻料基本性質 PD 共聚物化學摻料各項物理性質如表 1 所示，其三種 PD 共聚物化學摻料的分子量是屬於多 PD 共聚物內適當的的分子量範圍，所能提供對水泥顆粒的分散度是良好的；單體比例上因 DCA 上帶有正電荷的四級胺官能基及負電荷的羧酸基，能藉此正負兩性離子吸附於水泥上。 3.2 混凝土新拌性質分析 混凝土之新拌性質，除直接影響現場施工之難易度外，對於長期品質影響甚鉅，尤其對於耐久性及體積穩定性影響更為明顯，工作性不佳，或混凝土有泌水析離之現象，都會造成強度折損，使混凝土失去整體性及均勻性。本研究主要量測 PD 共聚物化學摻料對新拌混凝土之減水率、單位重、空氣含量、坍度、坍流度、坍損性質、凝結時間試驗，以瞭解 PD 共聚物化學摻料種類及品質對混凝土新拌性質之影響。 3.2.1 減水率 減水率為坍度相同時對基準混凝土和摻料混凝土單位用水量之差與基準混凝土單位水量之比，當藥劑減水率較小，而在固定水泥用量 1%時，則需較多的用水量，才能達到設計坍度，而高性能減水劑較普通減水劑具有較高的減水率，高性能減水劑的高低取決於其化學結構、分子構造、分子量大小和分子量分佈[9]。表

3為ACI配比混凝土用水量及減水率，表中PD共聚物化學摻料減水率依試驗所得之高低分別為：

PD110>PD15B>PD15C，顯示分子量在 47000 至 50000 之間的減水效果較PD15C的 110000 分子量高，而 DCA單體比例則相對於減水性能較無明顯影響，表中三種PD共聚物化學摻料因減水率皆高於 12%故PD 共聚物化學摻料可劃分為高性能減水劑（F、G Type）的一種，減水率分別為 16 至 25%。圖 2為添加 1% 共聚物化學摻料之水灰比變化，圖中混凝土所得的減水率PD110>PD15B>PD15C，顯示三種PD共聚物化學摻料相比下，PD110 及PD15B有較好的減水效果，而減水關係使得混凝土的水灰比相對的下降，在固定添加 1%水泥量的劑量時，減水效果較高的PD110 需使用最少的水量即可達到混凝土的設計坍度，控制組為W/C=0.42 能達到設計坍度的 10cm左右，而添加共聚物化學摻料後的三個混凝土試體水灰比，隨著減水率的增高而水灰比下降。 3.2.2 工作性（坍度、坍損、坍流度） 坍度是代表混凝土工作性及新拌性質的重要指標之一，坍度越大說明混凝土的流動性越好，坍損則是指混凝土在攪拌好並經過一定時間後所測得的坍損值與其初始坍度的差值（絕對值），坍損越小說明混凝土的坍度維持率越高。圖 3為添加 1%共聚物化學摻料之坍度變化(0&60min)，ACI配比下的控制組（無

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添加任何摻料）坍度損失率為最大的 60.87%，PD15B及PD110 的坍損沒有PD15C來得大，PD15C因分子量較大，容易形成架橋作用或分子鏈糾結，在混凝土試驗拌和時，也呈現較黏稠的狀態；而當低水灰比時，因溶液中水量變少，導致溶液的離子濃度增加，提高了溶液中的離子強度，此時共聚物中側鏈的電荷會中和，而使側鏈間的靜電斥力變小，並產生糾結不容易伸展於溶液中，因此立體障礙力減弱，導致流動性下降，在分子量越高的藥劑中，越趨明顯。PD共聚物化學摻料與控制組相比下，坍度有延遲損失的效果，坍損較小。 3.2.3 凝結時間 水泥加水拌和後，立即產生水化作用，隨著時間的增長，水化產物增加，進而逐漸發揮其水硬性膠結功能，將粗、細骨材完全裹覆，並使之粘結，進而發揮強度。凝結行為基本上係由於水泥顆粒在水的作用下進行分散、溶解與水化作用，而形成不同尺寸固相顆粒或水化產物之懸浮體。當水泥水化產物逐漸形成，則水泥漿體內部結構即進一步強化而形成凝聚結晶結構網，使水泥漿體由流體轉變為固體而產生強度。圖 5為添加 1%共聚物化學摻料之凝結時間，PD110 及PD15B有 1 至 1.5 小時左右的緩凝效果，而分子量較高的PD15C則有接近 2 小時的緩凝效果，顯示分子量越大其終凝時間有越久的現象，結果為 PD15C>PD15B>PD110>控制組； 3.3 混凝土硬固性質 本研究係以 PD 共聚物添加入混凝土為依據，以 ACI 配比設計為主設計不同配比之混凝土試體，其因減水導致的水灰比變化所呈現的各項性質與商用強塑劑比較而推論適用性，實驗項目包括抗壓強度、超音波、電阻及乾縮，由實驗以瞭解 PD 共聚物化學摻料對混凝土之影響。 3.3.1 抗壓強度 圖 6為添加 1%共聚物化學摻料之抗壓強度變化，顯示在相同的工作度下，PD110 及PD15B共聚物化學摻料之減水率較高，能使水泥顆粒凝聚現象減少、有效分散水泥顆粒間的水份而更能充分促進漿體水化作用，導致混凝土水灰比降低較多，強度將有愈佳的發展；相對的，控制組水灰會比較高的原因為水泥顆粒間因表面帶有電荷而與鄰近顆粒產生靜電吸引導致水泥顆粒將水份束縛住而分散效果不佳，需有更多的水來提高工作度，而更多的水將使其強度的發展無前者般的發展趨勢，強度的發展漸趨於較低值，晚期強度的發展亦不如低水灰比者良好，其主要原因乃是高水灰比之顆粒間充水空間較大而水泥漿體水化生成物填滿空間需時較長所致，可知添加共聚物化學摻料減水及減少水灰比，對強度發展是有所貢獻的。 3.3.2 超音波波速 應用超音波檢測一般混凝土品質的技術，由於不同配比參數的混凝土其強度與波速關係有所不同，尤其齡期、水灰比、水泥用量、水、化學摻料以及骨材性質等，均會影響超音波在混凝土中的傳遞速度與試體強度。一般而言，粗骨材的波傳速度大於細骨材，細骨材的波傳速度大於水泥砂漿；在相同水膠比下，OPC 因含較多的粗骨材與水泥用量，超音波波速發展會較其他混凝土良好。超音波量測原理是藉由測量音波於介質中行進之傳遞速率，用於判斷混凝土內是否存在孔隙裂縫等缺陷，屬於非破壞性試驗。超音波速與混凝土內組成材料之密度及介質緻密度有密切關聯性，高密度的材料愈多，波速愈快，孔隙與裂縫則會干擾傳遞路徑而降低超音波速。圖 7為添加 1%共聚物化學摻料之超音波速變化，顯示因添加共聚物化學摻料而減水導致的水灰比變化對波速之影響，減水越高水灰比越低，低水灰比混凝土的波速較高水灰比混凝土速度快，混凝土早齡期的波速與晚齡期並無多大的變化，由於本研究骨材量為固定，漿體體積也固定，水灰比改變影響著水泥漿體品質，當漿體的品質改變很小時對超音波波速的影響並不明顯。在早齡期以後所能提昇混凝土的緻密性相較之下較少，且在試驗本身誤差下，混凝土早齡期的波

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速與晚齡期並無多大的差異，超音波速為PD110≒PD15B>PD15C>控制組。 3.3.3 電阻係數 電阻試驗乃是一種檢測混凝土表面導電機理的試驗，利用孔隙中電解反應導致離子的移動而導電，離子活性與數目決定導電性質，亦即決定混凝土的電阻性質，因此混凝土導電性能與其微觀結構及孔隙內電解質溶液的成分與濃度有關，影響混凝土電阻的因素有水泥含量、含水量、鹼含量、氯離子、氫氧根離子、水化程度、溫度、濕度、齡期、及孔隙結構等[10-12]，且混凝土為多相的複合材料，混凝土導電並不像一般金屬材料，利用自由電子傳導，混凝土內部有著許多的連通孔隙，飽和連通孔隙內存在許多離子，通電時依靠離子就可以在這些孔隙中自由的傳輸。雖然影響電阻值的因素眾多，但仍可以利用電阻試驗來探討混凝土孔隙結構及孔隙內溶液離子特性。圖 8為添加 1%共聚物化學摻料之電阻係數變化，水灰比越低，用水量少，水泥漿體經水化後所存在的孔隙相對減少、結構緻密，離子較不容易通過混凝土試體，因此呈現電阻逐漸成長的趨勢，添加共聚物化學摻料的三種ACI配比與控制組相比下，電阻值明顯高於未添加任何摻料的控制組混凝土，電阻值成長分別為PD110>PD15B>PD15C>控制組。 3.3.4 乾縮試驗 混凝土試體乾縮最大因素為「水分散失」，試體因乾燥失水而產生體積收縮，水泥漿體中毛細管孔隙、水化生成物C-S-H膠體和養護時間亦會影響乾縮量，而台灣的氣候為潮濕且炎熱及風力大的環境，具有相當的蒸發率，這對長期乾縮有很大的影響。乾縮容易導致混凝土內的微裂縫，是混凝土品質劣化的重要評估指標，傳統混凝土配比以增加用水量及水泥量來增進工作性，且在不當的養護下，使得整體的乾縮量增加。影響混凝土收縮大小及速率之主要因素有骨材含量、骨材尺寸與級配、水灰比、水泥量、水泥種類、摻料、環境溫溼度、試體尺寸等等，混凝土的乾縮量隨著水灰比的增加而增加[13]。圖 9為添加 1%共聚物化學摻料之乾縮值變化，當控制組水灰比為 0.42 時，混凝土裡的水量體積較多，導致有大的長度變化量產生，且乾縮量隨著齡期的增長而擴增。當控制組水灰比高用水量較多，置於氣乾狀態下時，產生之收縮量較大，相對的添加共聚物化學摻料的對照組則呈現較小值，其中PD110 及 PD15B於 28 天濕養護後拿起置於氣乾環境下，在 56 天齡期下量測其長度變化時，乾縮值明顯低於控制組，因為分散水泥顆粒後內部水化產物緻密，使得整體內部水份較少，而水分蒸發在空氣中所導致的膠體體積收縮因而較低。圖中顯示控制組的膨脹值高於各添加共聚物之試體，顯示添加共聚物化學摻料的混凝土，其體積穩定性高於無添加任何藥劑之控制混凝土。

4. 結論

1. 混凝土添加共聚物化學摻料之減水率為 PD110>PD15B>PD15C，而添加入混凝土後的共聚物化學摻料所得之減水率，水量減得愈多的共聚物摻料藥劑，由於水灰比愈低、拌和水量越少則水泥漿品質愈好、漿體結構更為緻密均勻，體積穩定性高、超音波速率大、反彈錘數、抗壓強度及電阻值成長快，在各項性能表現上都優於控制組。 2. 三種 PD 共聚物摻料的坍損與控制組相比下，控制組的坍度損失為最高，PD 共聚物摻料有 1 至 2 小時左右的緩凝效果，可依添加劑量控制。 3. 共聚物化學摻料對硬固混凝土之影響為漿體與骨材界面鍵結良好，水化物基體極為緻密，因此對於混凝土的晚期強度及耐久性有正面之效果，可知添加 PD 共聚物化學摻料的混凝土，可以有效的減少混凝土孔隙體積，進而增加混凝土的緻密性，使整體結構較為緊密、孔隙較少。

4.

在前面各項試驗驗證下，三種 PD 共聚物化學摻料推測屬於介於 F、G TYPE 間的一種化學摻料，在減水效果整體上，都有不錯的表現。

5.

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致謝

感謝台灣師範大學許貫中教授研究團隊提供之共聚物化學摻料，謹此申謝。

參考文獻

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圖 1 PD共聚物化學摻料之合成結構[7]

ACI.0 ACI.110 ACI.15B ACI.15C

0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.44 ACI Sample SP/C=1.0% W at er / C e me n t (W /C ) Superplasticier Sample 圖 2 添加 1%共聚物化學摻料之水灰比變化 Control PD110 PD15B PD15C 0 20 40 60 80 100 120 140 ACI Sample SP/C=1.0% S lum p (m m) Superplasticier Sample 0min 60min 圖 3 添加 1%共聚物化學摻料之坍度變化(0&60min)

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Control PD110 PD15B PD15C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 S lum p L oss (m m) Superplasticier Sample ACI Sample SP/C=1.0% 圖 4 添加 1%共聚物化學摻料之坍度損失 0 150 300 450 600 750 900 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Initial setting Pe ne tr at ion r e sist a n c e ( p si )

Elapsed time (min) Control PD110 PD15B PD15C Final setting 圖 5 添加 1%共聚物化學摻料之凝結時間 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ACI Sample SP/C=1.0% C o m p re ss ive S tr e ng th (M pa ) Age (days) ACI.0 ACI.PD110 ACI.PD15B ACI.PD15C 圖 6 添加 1%共聚物化學摻料之抗壓強度變化

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000 ACI Sample SP/C=1.0% Pulse Veloc ity (m/s) Age (days) ACI.0 ACI.PD110 ACI.PD15B ACI.PD15C 圖 7 添加 1%共聚物化學摻料之超音波速變化 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ACI Sample SP/C=1.0% Co ncrete Resis tiv it y (k O -cm) Age (days) ACI.0 ACI.PD110 ACI.PD15B ACI.PD15C 圖 8 添加1%共聚物化學摻料之電阻係數變化 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 ACI Sample SP/C=1.0% Length Change (10 -6 ) Age (days) ACI.0 ACI.PD110 ACI.PD15B ACI.PD15C 圖 9 添加 1%共聚物化學摻料之乾縮值變化

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表 1 物化學摻料物理 P P PD 共聚性質編號 PD110 D15B D15C (DCA：AAM) 1：10 1：5 1：5 顏色淡褐黃淡褐黃淡褐黃 PH 值 4.55 4.90 4.80 比重 1.126 1.132 1.134 固含量 (%) 0.285 0.285 0.285 分子量 (Mw) 50000 47000 110000 *減水率 (%) ≒18 ≒15 ≒12 備註 *達標準水泥砂漿流度值 100~115% 表 2 實驗變數變數種類變數範圍共聚物藥劑（PD） PD110、PD15B、PD15C 配比設計 ACI配比共聚物劑量SP/C（％） 1.0 水膠比（W/B） 0.30、0.36、0.42 混凝土試體齡期（day） 7、28、56、91 表 3 A 各 ( CI 配比混凝土用水量及減水率配比項材料用量 kg/m3) 組別 W/B W/C C S 理減水率 (%) SP/C

(%) Stone Sand ement Water P

論單位重 (kg/m3) ACI-0 0.42 0.42 0.0 989.4 642.8 488.1 205.0 - 2325.4 - ACI-110 0.32 0.32 1.0 989.4 642.8 488.1 148.8 5.13 2274.2 24.94 ACI-15B 0.33 0.33 1.0 989.4 642.8 488.1 157.6 5.13 2283.1 20.63 ACI-15C 0.35 0.35 1.0 989.4 642.8 488.1 166.3 5.13 2291.8 16.39

新型共聚物化學摻料對混凝土工程性質之影響