第五章混凝土摻料

第五章混凝土摻料 5-1 摻料的發展與演變 5-2 摻料的種類

5-1摻料的發展與演變 • 1930 研發輸氣劑 • 1962 ASTM 494 提及化學摻劑 • 1970 減水劑問世 • 1980 飛灰、爐石、矽灰成功應用 • 高強度Concrete (HFC) • 高流動化(HFC) • 高性能(HPC) • 目前摻劑已是必定加入的材料 • 稱為混凝土的第四種基本材料 • 混凝土=水泥+粗骨材+細骨材+摻料

5-2摻料的種類 • ASTM C125 • 混凝土中除水泥、砂、石、水以外，摻加的材料稱為摻料(admixture) • 用以改善材料新拌或硬固混凝土性質 • 摻料 • 化學摻料 • 礦物摻料

5-2摻料的種類 • 化學摻劑 • 凝結調整劑 • 減水劑 • 輸氣劑 • 礦物摻料 • 天然卜作嵐材料：火山岩、凝灰岩 • 人造卜作嵐材料：飛灰、爐石、矽灰

5-2-1化學摻劑 • 化學摻劑 • 有效的改良混凝土品質 • 強塑劑為近代新增的高性能摻劑，用於高性能混凝土 • 速凝劑(ASTM Type C) • 早強 ( 特別適用於冷天) • CaCl2 為最常見的速凝劑 • 用量限制在水泥重2%以下 • 高量使用可能造成鋼筋腐蝕與緩凝

5-2-1化學摻劑 • 緩凝劑(ASTM Type C) • 延緩混凝土凝結與硬化 • 降低水化速率，混凝土得以維持長時間的工作性，能夠連續澆置，避免發生冷縫 • 高溫32o 以上會增加混凝土的硬化率使澆置不易施作 • 適用於大型構造物，如橋墩、基礎

5-2-1化學摻劑 • 減水劑(ASTM Type A) • 可減少混凝土拌合水量 • 減低水泥用量 • 改善工作性質 • 提高抗壓強度 • 獲得所需要的稠度 • ㄧ般減水劑可減水5-7%，中效能者約12%

5-2-1化學摻劑 • 高效能減水劑 • 又稱強塑劑 • 可減水12%以上，甚至達20~30% • 大幅增加混凝土坍度，(可至20cm以上) • 是高性能混凝土之必要成分 • 降低w/c至0.35以下，仍維持高工作性 • 強塑劑的排斥與分散效果對混凝土流動性扮演重要的角色

5-2-1化學摻劑 • 強塑劑常用三種: • 木質磺素鈉鹽 • 磺酸化三聚氰胺一甲醛系鈉鹽 • 磺酸化茶甲醛系鈉鹽

5-2-1化學摻劑 • 緩凝劑 • 加緩凝劑可減緩C3S的水化速率 • 延長混凝土的凝結時間 • 適用於熱天混凝土施工或連續大量澆置混凝土 • 目前緩凝劑常以減水緩凝劑的方式使用

5-2-1化學摻劑 • 輸氣劑 • 產生微小氣泡(0.01~1mm )分散於混凝土中，中斷連續的毛細孔隙，減少孔隙水結冰膨脹之內應力，從而具有抗凍融能力的耐久性 • 改善混凝土工作性 • 具有聚凝性可減少混凝土泌水和析離現象 • 有效輸氣量約混凝土體積之4-8%，輸氣愈多，抗凍融能力愈佳，但降低強度

5-2-1化學摻劑 • 輸氣量對抗壓強度及耐久性之影響

5-2-1化學摻劑 • 抗凍劑 • 在0℃以下施工時，新拌混凝土強度發展會延遲，且因凍融而受損 • 使用抗凍融劑可降低混凝土內孔隙的冰點減少混凝土內冰凍的形成，使水泥在低溫下仍能夠進行水化作用

5-2-2礦物摻料 • 礦物摻料強塑劑 • 礦物摻料 • 天然卜作嵐材料:(Class N) • 火山岩、頁岩、浮石、凝灰岩 • 人造卜作嵐材料(F、C級) ASTM C168 • 飛灰、高爐石為高性能混凝土的基要材料

5-2-2礦物摻料 • 礦物材料可取代: 1)水泥+砂 2)水泥 • 卜作嵐材料含有:氧化矽(SiO2)+少量氧化鋁(Al2O3)，本身具有微小或完全沒有膠結性 • 其微細粉末與水共同存在時，常溫下會與水泥的水化產物CaOH起反應，形成具有膠結性的複合物視為膠結材料

5-2-2礦物摻料

5-2-2礦物摻料 • 天然卜作嵐材料(Natural pozzolanic material) • 浮石是最常用的天然卜作嵐材料 • 天然卜作嵐材料的性質變化相當大 • 大部分含有SiO2或石英(45~85%) • 氧化鋁(10~20%) 、氧化鐵(2~10%) 、石灰(3~10%)

5-2-2礦物摻料 • 卜作嵐反應卜作嵐材料與石灰或氫氧化鈣(CaOH) 混合時，反應產生矽酸鈣(C-S-H膠體) 、鋁酸鈣、矽鋁酸鈣 • 卜作嵐反應速率遠低於水泥水化反應 • 早期強度小於純混凝土 • 晚期強度大於純混凝土水泥水化反應的副產物

5-2-2礦物摻料 • 天然卜作嵐材料使用前須烘乾，並研磨至與水泥相近之細度 • 用量約佔所有膠結性材料之15~35% • 卜作嵐材料可製造出耐久、水密性好之混凝土 • 水化熱與縮收性低於一般混凝土

5-2-2礦物摻料 • 人造卜作嵐材料 • 飛灰(Fly ash) • 主要由燃煤的火力發電廠燒粉煤產生的副產品，以集塵系統收集得之 • 全世界每年由發電廠生產的飛灰約有8000萬噸，佔飛灰總量90%以上 • 自1940年末期，飛灰已經使用於混凝土工程與海中結構

5-2-2礦物摻料－飛灰(Fly ash) • 飛灰粒徑： 0.4~100 μm 比表面積：2000~5000cm2/g 顆粒成玻璃球體成分中85%以上是矽、鐵、鋁、鎂、鉀 • 飛灰分兩類： • F級(低鈣飛灰) ：氧化鈣含量<10%，由燃燒煙煤而得 • C級(高鈣飛灰) ：氧化鈣含量約10~30%，由燃燒次煙煤而得

5-2-2礦物摻料 • F級飛灰不具膠結性，研磨成細粉狀與水混合時，與水泥反應產生的CaOH起卜作嵐反應產生膠體 • C級飛灰除具有卜作嵐性質外，也稍具膠結性

5-2-2礦物摻料 • 飛灰比重約為2.0~2.5 (比水泥輕) • 細度比水泥細，因此表面積較大拌合之需水量因而增多 • 大部分飛灰屬於鹼性對混凝土增加鹼性 • 飛灰的細度小，球體外形 • 加入飛灰可以改善新拌混凝土工作性與泵送性

5-2-2礦物摻料 • 以飛灰取代部分水泥 • 有助於降低水化熱，增進長期強度(此對巨積混凝土相當重要，如水壩、大型基礎、橋墩、橋梁) • 減少析離和浮水現象 • 減少用水量，使硬化混凝土內的毛細孔含量相對減少 • 卜作嵐反應會消耗CaOH，形成C-S-H膠體，覆蓋整個飛灰顆粒表面，互相嵌入形成連續母體，填充膠體孔隙和毛細管孔，強化骨材介面的鍵結性質 • 改變硬固混凝土的整體孔隙結構，對混凝土的水密性、強度、耐久性有很大助益

5-2-2礦物摻料 • 飛灰的優點 • 增加極限強度(或晚期強度） • 降低溫度 • 改善工作性及泵送性 • 降低摻透性 • 改善抗硫性 • 減少骨材鹼質反應

5-2-2礦物摻料 • 飛灰的應用於內主要取代部分水泥，亦可取代細砂 • 目前的適當取代量為20% (大致上20~25%可滿足28天強度的要求) • 巨積混凝土可達50%用量，但須注意拆模時間，且不要求早期強度，極限強度不需太高(25~35MPa) • 台灣地大多屬F級飛灰

5-2-2礦物摻料 • 飛灰的燒失量為重要之品質指標 • 燒失量愈高，品質越差 • 依規定C或F級的燒失量不得>6%；若是>6%則添加量愈多，須添加更多用水，才能維持相同坍度飛灰燒失量與用水量之關係（坍度相同）

5-2-2礦物摻料 • 矽灰(Silica fume) • 矽灰或濃縮矽灰是一種工業副產品，由矽金屬及矽鐵合金工業的電弧爐中產出 • 粒徑<0.1μm，比水泥細100倍 • 主要由非結晶矽酸鹽所組成(85~95%SiO2) ，另外有少量: 氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣 • 重較小約2.2(平均) • 單位重約150~400kg/m3 ≒

5-2-2礦物摻料 • 矽灰極細，有高玻璃質含量，亦是卜作嵐材料 • 加入混凝土可促進早期強度 • 對晚期強度的影響則不如飛灰 • 加入矽灰的目的為製造高強度、緻密，且耐久的混凝土與噴凝土

5-2-2礦物摻料 • 矽灰有三種型態： • 矽灰漿，含矽灰50~55%(美國、挪威產最多) • 乾燥未搗實粉末 • 乾搗實粉末 • 混凝土中添加矽灰 • 增加用水量 • 減少浮水現象，黏滯性大，微細的矽灰(具高表面積)使漿體不易透水，而使餘水無法浮到表面 • 沒有浮水的混凝土表面，漿會快速乾燥成為弱面，易於產生塑性收縮裂縫 • 矽灰混凝土常須採取額外保護措施，防止水分從表面快速蒸發

5-2-2礦物摻料 • 稻殼灰 • 由稻殼經高溫煆燒後加以研磨成灰而得 • 細度為50-60 m2/g • 為多孔纖維組織，成分以二氧化矽（SiO2）為主，含量達88-94％，氧化鈣含量極少 • 只具有卜作嵐反應性，但活性優於爐石及飛灰

5-2-2礦物摻料 • 添加稻殼灰於混凝土內 • 可改善工作性，增加其黏滯性，降低析離和泌水現象 • 高活性的稻殼灰可提升混凝土早期強度，且具有理想的不透水性 • 摻加量一般只需水泥漿量的10-30％

5-2-2礦物摻料 • 高爐爐石 • 煉鋼的副產品 • 主要由矽酸鈣和鋁酸鈣組成(表5-4) • 細度4000-5000 cm2/g，比重2.8-3.0 • 具有相當的水化活性，屬性較接近水泥 • 美國波特蘭水泥協會（PCA）將它歸納為膠結性及卜作嵐材料

5-2-2礦物摻料 • 水淬爐石粉 • 同時具有卜作嵐材料及水化膠結特性 • 可用以製造爐石水泥，許多國家已在一般水泥中直接加入5％的爐石 • 於水泥中添加20-85％爐石，稱為波特蘭爐石水泥 • 70％爐石與30％石灰混合者，稱為石灰爐石水泥 • 直接摻加於混凝土內應用，可改善新拌混凝土工作性降低用水量，減少水化熱，提高混凝土強度及耐久性 • 適用於基礎構造物、水壩、海岸及港灣結構物

第五章混凝土摻料