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第五章 混凝土摻料

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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)

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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

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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
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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
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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
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 11
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 12
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 13
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 14
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 15
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 16
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 17
5-2-1化學摻劑
  • 輸氣量對抗壓強度及耐久性之影響
5 2 18
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
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 21
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 23
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 24
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 25
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 26
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 fly ash
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 27
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 28
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 29
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 2 210
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 2 211
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 2 212
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 2 213
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 2 214
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 2 215
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 2 216
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 2 217
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 2 218
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 2 219
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