行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
填加奈米膠結材料之水泥漿及水泥砂漿物化性質及應用之 研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC93-2622-E-011-020-CC3
執行期間： 93 年 11 月 01 日至 94 年 10 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學營建工程系
計畫主持人： 張大鵬
計畫參與人員： 施正元、呂添民、陳柏存
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢
中 華 民 國 95 年 1 月 20 日
國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精簡報告
學門領域：EN土木工程(結構、材料、營建)
計畫名稱：填加奈米膠結材料之水泥漿及水泥砂漿物化性質及應用之研究 計畫編號：NSC 93－2622－E－011－020－CC3
執行期間：93 年 11 月 1 日至 94 年 10 月 31 日 執行單位：國立臺灣科技大學 營建工程系 主 持 人：張大鵬
參與學生：
姓 名 年 級 (大學部、碩 士班、博士 班)
已發表論文或已申請之專利 (含大學部專題研究論文、碩博
士論文)
工作內容
施正元 博士班 研提期刊論文 實驗設計、撰寫報告 陳柏存 博士班 研提期刊論文 文獻蒐集、資料處理 呂添民 碩士班 完成碩士論文 執行試驗、數據分析 合作企業簡介
合作企業名稱：潤弘精密工程事業股份有限公司 計畫聯絡人：吳子良
資本額：新台幣肆億參仟玖佰萬肆仟元整
產品簡介：潤弘精密工程事業股份有限公司成立於 1995 年，隨即陸續引進 歐洲及日本最先進的「預鑄設備」及「預鑄工法」，配合國內施 工環境，加以提昇改良，由該公司總裁帶領之創新研發團隊，為 致力改善傳統營造業之工期冗長、施工品質不良、勞力短缺、噪 音及環保等問題，已研發出多項工法，並獲得數十項專利。
所製造之預鑄構件產品包括預鑄柱、預鑄大梁、預鑄小梁、預鑄 橋版、預鑄格子版、高鐵水泥製品、自平水泥砂漿、磁磚黏著劑、
彈性磁磚黏著劑、磁磚填縫劑、粉光材、打底材(手抹、噴漿)及 無收縮水泥砂漿等，業務項目涵蓋設計、生產至施工，提供品質 高、工期短及成本合理之預鑄建築；以達到「營建產業工業化及 自動化」的理想目標。
網址： www.ruentex.net/runhon/index.htm 電話：02-81619999
研究摘要：
本研究針對奈米矽粉水泥基複合材料之特性，進行一系列之試驗分析。以 三種不同水膠比，三種不同砂對水泥重量比，以及四種不同奈米矽粉對水泥重 量百分比為變數，探討對於波特蘭水泥砂漿性質之影響。試驗內容包括四部 分：抗壓強度、劈裂強度等力學性質；動彈性模數、動剪力模數等材料性質；
流度、黏度等流動性質；FE-SEM、EDS 等微觀結構。並以變異數分析、複回 歸分析等統計工具闡釋力學性質。
試驗分析結果顯示，添加奈米矽粉後，抗壓強度及劈裂強度提昇均有不同 程度的提昇，可藉此得到最佳添加量，在此最佳添加量下，動彈性模數、動剪 力模數亦略有改善，但與控制組之差異不大；另一方面，填加奈米材料後，新 拌之水泥砂漿流度減少、黏度增加，會產流動性質較差的情形。此外藉由微觀 分析，水泥漿與粒料界面過渡區 Si/Ca 比值提昇之結果得知，添加奈米矽粉後，
水泥基複合材料形成更加緻密之組織。
人才培育成果說明：
本研究中使用儀器包括：精度 0.01 公克電子秤；符合 CNS C3655 之小型 水泥砂漿拌合機；符合 CNS-1012 用以測定水泥砂漿工作度之流度台與流度 模；由 Brookfield 公司製造之自動黏度計，黏度範圍可測 100～40 McP，轉速 為 0.5~100 rpm，測定水泥砂漿之黏度值；由 C.N.S 公司所生產之共振頻率測 定儀，依 ASTM C215 及 CNS 1239 規定進行量測混凝土試體之縱向及扭曲共 振頻率；由弘達儀器股份有限公司產品，型號 HT-8391PC，內部試驗垂直空間 400 mm、水平空間 380 mm，油缸行程可達 70 mm，最大力量頓數可到 200T，
用以測定混凝土試體之強度；由日本 JEOL 製造，型號 JSM-5600F，解像力為 1.5 nm @15kV，加速電壓 0~30 kV，放大倍率 10x~500k x，二次電子成像
（SEI），背散射電子成像（BSI），其附屬設備有能量分散光譜儀（EDS）、電 子背向散射繞射儀（EBSP），用於觀察本研究所製作試體內部的微觀結構，並 取得其水泥砂漿內部的元素成分及元素分佈情形之資料。參與研究之人員除了 瞭解材料性質試驗及微觀影像儀器之原理外，並且熟悉操作之技能。經由規 劃、設計、檢測、分析流程系統化之訓練，培養材料研發相關知能。
技術研發成果說明：
本研究探討水泥砂漿添加奈米矽粉材料之力學結構與微觀性質，以三種水 膠比、三種砂用量與四種奈米矽粉添加量為變數，進行各力學性質試驗及微觀 結構觀察所獲得的各數據結果，並以統計進行數據的分析，所得的結論如下：
1. 除了降低水膠比、高砂用量會降低水泥砂漿流度值外，當水泥砂漿添加 奈米矽粉後也會降低其流度值，添加奈米矽粉會導致流度降低對流動性質
有負面影響，若水膠比過低再於水泥砂漿中添加奈米矽粉，則會產生不易 流動、不易搗實的情況。
2. 奈米矽粉在水泥砂漿早齡期中扮演了填充的角色、並進行卜作嵐反應產 生更緻密的 C-S-H 水化物，添加奈米矽粉於水泥砂漿中可以提高其抗壓強 度、劈裂強度，依試驗結果取得最佳的奈米矽粉添加量範疇。
3. 在 FE-SEM 微觀結構的觀察，奈米矽粉對微觀結構的水化物有所改善，在 7 天早期齡期時水化結構物較鬆散，時而有氫氧化鈣分佈，但能觀察出所 使用的奈米矽粉充填其中，當水泥砂漿齡期進入 28、56 天時，水化產物 變得更緻密，孔隙的孔徑大量的減少，結晶塊的氫氧化鈣 CH 較未添加奈 米矽粉水泥砂漿來得少，證明奈米矽粉確實降低板狀 CH 的生成，提高絨 毛狀 C-S-H 膠體的成長。在粒料界面方面，與粒料鄰界處的 Si/Ca 比值提 高，說明了奈米矽粉改善了粒料的界面過渡區結構。
技術特點說明：
就奈米矽粉水泥砂漿涉及工作性及力學性質分述如次：
1. 工作性（流度及黏度）
從試驗結果觀察流度的情況，低水膠比因為拌合水量較少，所以流度值低 於高水膠比的水泥砂漿，另外砂用量也是影響流度的主因之一，砂用量越多代 表漿量的放大係數小，粒料的潤滑漿量越少，進而降低流度值，造成不良的流 度發展，太低的潤滑漿量將造成搗實不易而使水泥砂漿內部孔洞增加。水膠比 大者流度的影響較大，因為奈米矽粉的比表面積較一般水泥顆粒高出許多，活 化能也較高，所以隨著奈米矽粉的添加量增加，流度隨之降低，因此使用奈米 矽粉時需考慮其負面的工作性的影響。
不同水灰比條件影響黏度值的大小，傳統的水泥砂漿的水膠比愈高黏滯性 愈低，隨著水膠比愈小水泥漿體中的水分減少，使得黏滯度越趨上升。水泥漿 的隨著砂的加入會增加其黏滯程度，隨著砂用量越多，砂顆粒之間的接觸點亦 增加，顆粒之間產生摩擦、損耗，黏滯性也隨之上升。隨著奈米矽粉的添加，
黏滯度也隨之上升，可能因為奈米矽粉添加過多會產生團簇，降低了水泥砂漿 的流動潛能
2. 力學性質（抗壓強度及劈裂強度）
(1)奈米矽粉添加量對抗壓強度的影響
硬固水泥基質材料屬於一多孔隙的材料，產生孔隙的原因是因潤漿量不足 或是水泥砂漿內部材料之間的剪力太大，導致粒料無法滾動進而降低了流動 度，使得內部孔隙產生，另一原因為混凝土用水量太多，未參與水化作用所剩 餘的孔隙水太多，形成過多的毛細孔隙。
奈米矽粉的顆粒尺寸，能填充於水泥漿內部的孔隙增加材料的緻密度，而 提高水泥砂漿的抗壓強度，且奈米矽粉為高純度的二氧化矽，能與水泥水化產
生的 CH 進行卜作嵐反應，生成低密度的 C-S-H，強化其微觀組織，添加奈米 矽粉可以提升水泥砂漿的抗壓強度，縱然不同之添加比例，水泥砂漿抗壓強度 均可顯著提升。
高水膠比使用較多的拌合水，因而提供了奈米矽粉移動的介質，提高其分 散度，低水膠比其抗壓強度提升率有較高的趨勢。然而添加過量的奈米矽粉則 可能因奈米粒子團簇，使得填充效果不佳，卜作嵐反應無法充分作用，導致抗 壓強度無法再進一步提高。
(2)奈米矽粉添加量對劈裂強度的影響
添加奈米矽粉的水泥砂漿比未添加之水泥砂漿略為提高劈裂強度。水泥砂 漿添加奈米矽粉後提高了其劈裂強度，但較無明顯趨勢，主要是因為劈裂強度 的影響來自於孔隙的分佈與孔隙的連繫所形成的弱面路徑，所以奈米矽粉分怖 情形才是影響劈裂強度的重點，而不是在特定用量上。
總歸言之，組成緻密及鍵結穩定之奈米矽粉水泥砂漿，呈現優越之力學性 質，惟工作性之變化必須加以注意。
可利用之產業及可開發之產品：
水泥摻料供應商可開發合宜之奈米矽粉；水泥產品製造業可生產奈米材料組成 之預鑄單元構件。
推廣及運用的價值：
隨著 80 年代奈米科技的發展，許多奈米材料如：奈米粒子、奈米薄膜、
奈米塊材…等陸續被研發出來，奈米材料較傳統材料具有不同的光學、磁性、
熱傳擴散以及機械性質…等，對於材料的工程性質，如強度、延展性、磨耗性 質及腐蝕的行為均會產生改變。奈米技術可以分為二類，一種為”由大而小”
係利用微加工等方法，將材料不斷微小化，另一種為”由小而大” 係利用操控 分子、原子，進行設計與組合。
混凝土材料因為其可塑性良好所以在營建材料上大量的被使用，近年來更 由於卜作嵐材料與化學摻料的應用，混凝土科技也不斷地提升，在強度、工作 度品質上都有很大的進步，影響其品質好壞的主因在於混凝土的緻密度與其內 部的微觀結構。
營建材料也試圖朝奈米建材邁進，材料結構的奈米化對提升建材的力學性 質有極大的助益，利用奈米技術將混凝土之基本成分矽（Si）、鈣（Ca）、鋁（Al）、 鐵（Fe）之氧化物奈米化，而後應用於水泥砂漿之中，以提升其力學性質及微 觀結構。基於填充作用與卜作嵐反應之特性，本研究選擇奈米矽粉作為添加 劑，探討其對於水泥砂漿之影響，根據此複合材料之特性，奈米矽粉水泥基複 合材料之應用，一方面擴展本身功能，另一方面延長服務年限。
