TWI454439B - Non - shrinkable cement additive and non - shrink cement and its application - Google Patents

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無收縮水泥添加劑及無收縮水泥及其應用
本發明是有關於一種無收縮水泥砂漿添加劑，亦關於一種含有無收縮水泥添加劑之無收縮水泥及其應用。
環境溫度變化或於混凝土硬化過程中，會使混凝土收縮而產生裂縫，進而導致鋼筋銹蝕、滲漏及耐久性下降，甚至危害建築體結構，故現今營建工程中，係將一種用於水泥之無收縮劑加入普通水泥中，該無收縮劑依適當比例與一般水泥、天然乾淨之河砂及定量的水均勻拌合後，以形成無收縮水泥泥漿，該無收縮水泥泥漿含有大量膨脹性結晶水化物，即水化硫鋁酸鈣[calcium sulfocaluminate hydrate,Ca6 Al2 (SO4 )3 (OH)12 ‧26H2 O，即鈣礬石(Ettringite)]及氫氧化鈣，並經適當養護(curing)過程即可讓該無收縮水泥泥漿適當的膨脹補償乾收縮並增加早、晚期強度。
該無收縮水泥泥漿在鋼筋或空間限制的條件下，因膨脹作用產生之壓應力，可抵消部份或全部限制收縮所產生的拉應力，而延遲收縮的產生過程，並於此期間可提高抗拉強度。當混凝土開始收縮時，其抗拉強度已增強到足以抵抗收縮引起的拉應力，進而防止或減少收縮縫的出現。又所述的無收縮水泥泥漿受到外部完全約束(硬化)時，鈣礬石結晶會不斷填充孔隙，而形成非常緻密的結構，進而提高防水性及強度。
現有技術之無收縮水泥泥漿於製作過程中，該無收縮水泥之用水量必須依所需稠度調整，並於攪拌時先將2/3之用水量倒入拌合桶，再緩慢地加入灌漿料進行攪拌，再將剩餘之1/3用水量加入。為使材料充分拌合均勻，攪拌時間至少需3至5分鐘，且每次灌漿之最大厚度為5公分。由於超過5公分的灌漿程序則需要分層分批性澆置，不但費時且易於分批澆置的過程中容易產生裂縫且會提高泌水率，而影響工程品質。
有鑒於現有技術之無收縮水泥泥漿於灌漿時需分批澆置，因而易產生裂縫及泌水率提高等缺點，本發明之目的在於提供一種無收縮水泥添加劑以及一含有無收縮水泥添加劑之無收縮水泥，該無收縮水泥與水泥以及水混合後，以形成一無收縮水泥砂漿，該無收縮水泥砂漿不但具無泌水率、抗壓強度高，且水化熱低，亦可減少裂縫產生，並可達到可一次性澆置之功效。
為達上述目的，本發明之無收縮水泥添加劑之組成包含有：ZY膨脹劑(ZY type expansive agent)，高爐石粉(blast furnace slag)，大理石砂(marble sand)，以及；羧酸(carboxylic acid)。
較佳的，所述之ZY膨脹劑如所知者，係用於水泥凝結硬化時，隨之體積膨脹，可補償水泥砂漿收縮、張拉鋼筋產生之預應力以及充分填充水泥間隙的作用。該ZY膨脹劑包括，但不限於由鈣礬石(ettringite)、鋁矽酸鹽(aluminosilicate)及硫酸鈣(calcium sulfate,CaSO4 )等組成，且該ZY膨脹劑之用量範圍係以整體重量為基礎，介於78%至83%之間。
較佳的，所述之高爐石粉係呈粉末狀，粒徑介於0.8微米(μm)至2.0微米之間；該高爐石粉包括，但不限於由氧化鈣(calcium oxide,CaO)、二氧化矽(silicon dioxide,SiO2 )、氧化錳(manganese oxide,MnO)、氧化鎂(magnesium oxide,MgO)、二氧化鈦(titanium oxide,TiO2 )及氧化鐵(iron oxide,FeO)等組成；且該高爐石粉之用量範圍係以整體重量為基礎，介於1%至5%之間。
較佳的，所述之大理石砂係呈粉末狀，細度模數F.M(marbleness modulus)介於2.2至2.6之間，該大理石砂包括，但不限於由碳酸鈣(calcium carbonate,CaCO3 )及碳酸鎂(magnesium carbonate,MgCO3 )等組成；且該大理石砂之用量範圍係以整體重量為基礎，介於12%至18%之間。
較佳的，所述之羧酸(carboxylic acid)如所知者，其係用於水泥砂漿可增加流動性，該羧酸包括，但不限於甲酸(methanoic acid)、乙酸(ethanoic acid)、丙酸(propanoic acid)、丁酸(butanoic acid)、戊酸(pentanoic acid)、已酸(hexanoic acid)、庚酸(heptanoic acid)、十六酸(hexadecanoic acid)、十八酸(octadecanoic acid)或二十酸(eicosanoic acid)等組成；且該羧酸之用量範圍係以整體重量為基礎，介於1%至4%之間。
較佳的，本發明之無收縮水泥添加劑係為粉狀。
本發明更包含一無收縮水泥，其中該無收縮水泥之組成包含有：無收縮水泥添加劑，波特蘭二型水泥(typeⅡportland cement)，高爐石粉，以及；石英砂(quartz sand)。
較佳的，所述之無收縮水泥添加劑係以總重量為基礎，佔無收縮水泥總重量之3%至5%之間。
較佳的，所述之波特蘭二型水泥係呈粉末狀，粒徑介於0.1 μm至1 μm之間，且包括，但不限於由矽酸三鈣(tricalcium silicate,C3 S)、矽酸二鈣(dicalcium silicate,C2 S)、鋁酸三鈣(tricalcium aluminate,C3 A)、二氧化矽(silicon dioxide,SiO2 )、鐵鋁酸四鈣(tetracalcium aluminoferrite，C4 AF)、氧化鋁(aluminium oxide,Al2 O3 )及氧化鎂(magnesium oxide,MgO)等組成；該波特蘭二型水泥之用量範圍係以整體重量為基礎，介於15%至25%之間。
較佳的，所述之高爐石粉係呈粉末狀，粒徑介於0.8 μm至2.0 μm之間，且包括，但不限於由氧化鈣(calcium oxide,CaO)、二氧化矽(silicon dioxide,SiO2 )、氧化錳(manganese oxide,MnO)、氧化鎂(magnesium oxide,MgO)、二氧化鈦(titanium oxide,TiO2 )及氧化鐵(iron oxide,FeO)等組成；該高爐石粉之用量範圍係以整體重量為基礎，介於5%至15%之間。
較佳的，所述之石英砂係呈顆粒狀，粒徑介於150 μm至600 μm之間，細度模數介於2.8至3.2之間，其包括，但不限於由二氧化矽(SiO2 )與三氧化二鐵(Fe2 O3 )等組成，且該石英砂之用量範圍係以整體重量為基礎，介於55%至65%之間。
較佳的，所述之無收縮水泥更包含有甲基纖維素(methyl cellulose)以及輸氣劑(air entraining agent)。
較佳的，所述之甲基纖維素如所知者，係用於水泥砂漿之保水劑或緩凝劑，使水泥砂漿具有泵送性。該甲基纖維素包括，但不限於由鹼纖維素(alkali cellulose)、氯甲烷(chloromethane)及硫酸二甲酯(dimethyl sulfate)等組成，且該甲基纖維素之用量範圍係以整體重量為基礎，介於0.5%至5%之間。
較佳的，所述之輸氣劑如所知者，其係用於水泥砂漿可增加抗凍融性及減少氯鹽之腐蝕，該輸氣劑包括，但不限於由油酸鈉(sodium oleate)、松香皂熱塑料樹脂(rosin thermoplastic resin)、十二烷基硫酸鈉(sodium laureth sulfate)及酚乙氧基化物(phenol ethoxylate)等組成，且該輸氣劑之用量範圍係以整體重量為基礎，介於0.5%至3%之間。
本發明之無收縮水泥與水泥以及水混合後，以形成一無收縮水泥砂漿，並且依據不同之應用，以具有不同之調配比例。
較佳的，所述之無收縮水泥係用於填補於一結構物之用途，其中無收縮水泥與水泥以及水之重量比為3：100：12至3：100：18，且所述的填補於結構物係指基礎空隙之充填灌漿、建築物缺損以及蜂窩粒料分離之修補、橋樑支承墊或橋樑伸縮縫之填補。
較佳的，所述之無收縮水泥係用固定底座之用途，其中無收縮水泥與水泥以及水之重量比為5：100：12至5：100：18，且所述的固定底座係包括於橋樑底座之安裝、鋼骨底座之安裝或重機械底座之安裝。
較佳的，所述之無收縮水泥砂漿之乾比重介於1.1至1.4。
較佳的，所述之無收縮水泥砂漿之濕比重介於1.7至2。
較佳的，所述之無收縮水泥砂漿之水固比(water solid ratio,W/S)係介於0.12至0.18。
所述之「水固比」，如所知者，係指水與固體粒料之重量比。
較佳的，所述之無收縮水泥砂漿之單位重係介於每立方公尺1700公斤重(kgw/m3 )至2000公斤重。
較佳的，所述之無收縮水泥砂漿係一次性澆置，並以厚度介於20公分(cm)至30公分之方式用於充填灌漿、填補或固定底座。
本發明之無收縮水泥之波特蘭二型水泥係為中度發熱水泥，水化熱較低，可應用於巨積混凝土製造上，且添加之高爐石粉可取代部分水泥。該無收縮水泥與水泥以及水混合而形成無收縮水泥砂漿後，可降低該無收縮水泥砂漿之水化熱溫度及提高抗壓強度。
所述之「水化熱」，如所知者，係指水泥水化作用而產生的熱量，尤其是巨積混凝土，由於水泥水化產生的熱量不易散失，內部溫度升高，與其表面溫差過大，就會產生較大的溫度應力而導致裂縫。
所述之「巨積混凝土」，依美國混凝土學會116(American Concrete Institute,ACI 116)之定義，「巨積混凝土」係指體積達到需採取控制水化熱及體積變化等龜裂防治混凝土。
本發明之無收縮水泥可以不同之調配比例，添加於水泥以及水中，以形成無收縮水泥砂漿，並將該無收縮水泥砂漿應用於橋樑底座安裝、鋼骨底座安裝、重機械底座安裝、基礎空隙充填灌漿、建築物缺損、蜂窩粒料分離修補、橋樑支承墊或橋樑伸縮縫，且可一次性澆置、無泌水率、抗壓強度高、水化熱低，並具有降低裂縫產生之優點。
本發明提供一種無收縮水泥添加劑，其包含有ZY膨脹劑、高爐石粉、大理石砂以及羧酸，用於添加於水泥中，藉以達到可一次性澆置、無泌水率、抗壓強度高、水化熱低之功效。
本發明亦提供一種無收縮水泥，其係包含有無收縮水泥添加劑、波特蘭二型水泥、高爐石粉、石英砂、甲基纖維素以及輸氣劑。本發明將由下列的實施例做為進一步說明，這些實施例並不限制本發明前面所揭示的內容。
實施例1.　無收縮水泥添加劑之製備
本實施例中的無收縮水泥添加劑係以整體重量為基礎，並以下列成分製備而得：將用量介於78%至83%之間的ZY膨脹劑、粒徑介於0.80 μm至2.00 μm之間，且用量介於1%至5%之間的高爐石粉、細度模數介於2.2至2.6之間，且用量介於12%至18%之間的大理石砂以及1%至4%之間的羧酸混合以形成無收縮水泥添加劑。
實施例2.　無收縮水泥之製備
本實施例中的無收縮水泥係以整體重量為基礎，並以下列方式成分製備而得一無收縮水泥：將粒徑介於0.1 μm至1 μm之間，且用量介於15%至25%之間的波特蘭二型水泥；粒徑介於0.80 μm至2.00 μm之間，且用量介於5%至15%的高爐石粉、細度模數介於2.8至3.2之間，且用量介於55%至65%之間的石英砂；用量介於0.5%至5%之間的甲基纖維素；用量介於0.5%至3%之間的輸氣劑以及實施例1所製備之無收縮水泥添加劑，其中該無收縮水泥添加劑之用量係添加3%至5%之間。
實施例3.　無收縮水泥砂漿之單位重測試
將實施例2所製備之無收縮水泥與水泥以及水以5:100:15之比例予以混合後，形成無收縮水泥砂漿，並將該無收縮水泥砂漿依照中華民國國家標準1163 A3027粒料單位質量與空隙試驗法(Chinese National Standards,1163 A3027,CNS 1163 A3027)測試，其單位重係介於1700 kgw/m3 至2000 kgw/m3 。
實施例4.　無收縮水泥砂漿之水固比測試
將實施例2所製備之無收縮水泥與水泥以及水以5:100:15之比例予以混合後，形成無收縮水泥砂漿，並將該無收縮水泥砂漿依照中華民國國家標準12832 A3319新拌混凝土含水量試驗法(Chinese National Standards,12832 A3319,CNS 12832 A3319)測試，測試結果為水固比係介於0.12至0.18。
實施例5.　無收縮水泥砂漿之比重測試
將實施例2所製備之無收縮水泥與水泥以及水以5:100:15之比例予以混合後，形成無收縮水泥砂漿，並將該無收縮水泥砂漿依照中華民國國家標準487 A3006細粒料比重及吸水率試驗法(Chinese National Standards,487 A3006,CNS 487 A3006)測試，測試結果為乾比重係介於1.1至1.4；濕比重係介於1.7至2。
實施例6　無收縮水泥砂漿之泌水率測試
將實施例2所製備之無收縮水泥與水泥以及水以5:100:15之比例予以混合後，形成無收縮水泥砂漿，並將該無收縮水泥砂漿依照美國材料試驗協會C940實驗室新拌預壘混凝土水泥砂漿之膨脹性與泌水測試法(American Society for Testing and Materials,ASTM C940)測試，測試結果180分鐘，最終泌水率0%。
實施例7.　無收縮水泥砂漿之抗壓強度測試
將實施例2所製備之無收縮水泥與水泥以及水以5:100:15之比例予以混合後，形成無收縮水泥砂漿，並將該無收縮水泥砂漿依照美國材料試驗協會C109水泥砂漿抗壓強度試驗法(American Society for Testing and Materials,ASTM C109)測試，測試結果為7天抗壓強度達每平方公分694公斤力(kfg/cm2 )，28天抗壓強度達810 kfg/cm2 。
實施例8.　無收縮水泥砂漿之水化熱及裂縫試驗
將實施例2所製備之無收縮水泥與水泥以及水以5:100:15之比例予以混合後，形成無收縮水泥砂漿，並以現有技術之無收縮水泥泥漿作為對照組、以本發明之無收縮水泥砂漿作為實驗組，分別一次性澆置於不同的自製木板模具中，以10℃冷水澆置後，再以溫度監測儀器記錄。其中該自製木板長度、寬度各1公尺、高度35公分，水固比係介於0.12至0.18，且一次性澆置厚度為30公分。其中無收縮水泥泥漿於澆置後48小時內之水化熱之區間溫度超過6℃；而無收縮水泥砂漿於澆置後48小時內之水化熱之區間溫度小於3℃。由本實施例試驗結果得知，本發明之無收縮水泥砂漿具有降低水化熱溫度之功效。
並於本試驗之28天後，比較對照組(現有技術之無收縮水泥泥漿)及實驗組(本發明之無收縮水泥砂漿)硬化後之試體，其中對照組之試體正面及側面皆產生明顯裂縫，而實驗組之試體之正面及側面並無裂縫產生，由本實施例試驗結果得知，本發明之無收縮水泥砂漿具有減少表面裂縫產生之功效。

Claims (15)

  1. 一種無收縮水泥添加劑，其係以整體重量為基礎，其包含有：用量範圍為78%至83%之ZY膨脹劑(ZY type expansive agent)，用量範圍為1%至5%之高爐石粉(blast furnace slag)，用量範圍為12%至18%之大理石砂(marble sand)，且粒徑介於0.8μm至2.0μm之間、細度模數介於2.2至2.6之間，以及；用量範圍為1%至4%之羧酸(carboxylic acid)。
  2. 如請求項1所述之無收縮水泥添加劑，其中高爐石粉包含有氧化鈣(calcium oxide,CaO)、二氧化矽(silicon dioxide,SiO2 )、氧化錳(manganese oxide,MnO)、氧化鎂(magnesium oxide,MgO)、二氧化鈦(titanium oxide,TiO2 )及氧化鐵(iron oxide,FeO)。
  3. 如請求項1所述之無收縮水泥添加劑，其中大理石砂包含有碳酸鈣(calcium carbonate,CaCO3 )及碳酸鎂(magnesium carbonate,MgCO3 )。
  4. 如請求項1所述之無收縮水泥添加劑，其中羧酸係甲酸(methanoic acid)、乙酸(actic acid)、丙酸(propanoic acid)、丁酸(butanoic acid)、戊酸(pentanoic acid)、已酸(hexanoic acid)、庚酸(heptanoic acid)、十六酸(hexadecanoic acid)、十八酸(octadecanoic acid)或二十酸(eicosanoic acid)。
  5. 如請求項1所述之無收縮水泥添加劑，其中係為粉狀。
  6. 一種無收縮水泥，其係以整體重量為基礎，其包含有：一用量範圍為3%至5%且如請求項1至5中任一項所述之無收縮水泥添加劑；用量範圍為15%至25%且呈粉末狀的波特蘭二型水泥(type Ⅱ portland cement)，且粒徑介於0.1μm至1μm之間；用量範圍為5%至15%且呈粉末狀的高爐石粉，且粒徑介於0.80μm至2.00μm，以及；用量範圍為55%至65%且呈顆粒狀的石英砂(quartz sand)，且粒徑介於150μm至600μm之間，細度模數介於2.8至3.2之間。
  7. 如請求項6所述之無收縮水泥，其中波特蘭二型水泥包含有矽酸三鈣(tricalcium silicate,C3 S)、矽酸二鈣(dicalcium silicate,C2 S)、鋁酸三鈣(tricalcium aluminate,C3 A)、二氧化矽(silicon dioxide,SiO2 )、鐵鋁酸四鈣(tetracalcium aluminoferrite，C4 AF)、氧化鋁(aluminium oxide,Al2 O3 )及氧化鎂(magnesium oxide,MgO)。
  8. 如請求項6所述之無收縮水泥，其中高爐石粉包含有氧化鈣(calcium oxide,CaO)、二氧化矽(silicon dioxide,SiO2 )、氧化錳(manganese oxide,MnO)、氧化鎂(magnesium oxide,MgO)、二氧化鈦(titanium oxide,TiO2 )及氧化鐵(iron oxide,FeO)。
  9. 如請求項6所述之無收縮水泥，其中石英砂包含有二氧化矽(SiO2 )及三氧化二鐵(Fe2 O3 )。
  10. 如請求項6所述之無收縮水泥，其更包括甲基纖維 素(methyl cellulose)以及輸氣劑(air entraining agent)。
  11. 如請求項10所述之無收縮水泥，其中以整體重量為基礎，甲基纖維素之用量範圍介於0.5%至5%之間，以及；輸氣劑之用量範圍係介於0.5%至3%之間。
  12. 一種無收縮水泥用於填補於一結構物之用途，其中一種如請求項6至11中任一項所述之無收縮水泥係與水泥以及水混合形成一無收縮水泥砂漿，且所述的填補於結構物係指基礎空隙之充填灌漿、建築物缺損以及蜂窩粒料分離之修補、橋樑支承墊或橋樑伸縮縫之填補。
  13. 如請求項12所述之用途，其中無收縮水泥與水泥以及水係以重量比為3：100：12至3：100：18混合，且該無收縮水泥砂漿之乾比重係介於1.1至1.4，濕比重係介於1.7至2；水固比係介於0.12至0.18；單位重係介於1700kgw/m3 至2000kgw/m3 ；其中無收縮水泥砂漿係一次性澆置，以厚度介於20cm至30cm之方式充填灌漿或填補該結構物的縫隙。
  14. 一種無收縮水泥用於固定底座之用途，其中一種如請求項6至11中任一項所述之無收縮水泥係與水泥以及水混合形成一無收縮水泥砂漿，且所述的固定底座係包括橋樑底座之安裝、鋼骨底座之安裝或重機械底座之安裝。
  15. 如請求項14所述之用途，其中無收縮水泥與水泥以及水係以重量比為5：100：12至5：100：18混合，且該無收縮水泥砂漿之乾比重係介於1.1至1.4，濕比重係介於1.7至2；水固比係介於0.12至0.18；單位重係介於1700 kgw/m3 至2000kgw/m3 ；其中無收縮水泥砂漿係一次性澆置，以厚度係介於20cm至30cm之方式固定底座。
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