TWI670249B - 用於混凝土結構之修復、補強材料及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種用於混凝土結構之修復、補強材料，係由高早強水泥以及多根短纖碳纖維所組成。多根短纖碳纖維的長度範圍介於3mm至30mm。多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比範圍介於0.5%至3%。多根短纖碳纖維係先行以氣動力與過篩製程進行分散，再以預拌合的乾拌方式均勻地拌入高早強水泥中。

Description

用於混凝土結構之修復、補強材料及其製造方法

本發明關於一種用於混凝土結構之修復、補強材料及其製造方法，並且特別是關於大幅提升抗壓強度、抗彎強度及抗衝擊能力的修復、補強材料及其製造方法。

關於本發明之相關技術背景，請參考以下所列之技術文獻：[1] V.T. Giner et al., Materials and Design 34, 2012, pp. 332-339；[2] Zemei Wu et al., Cement and Concrete Composites 79, 2017, pp. 148-157；[3] Negin Yousefieh et al., Construction and Building Materials 148, 2017, pp. 833-845；[4] Doo-Yeol Yoo et al., Construction and Building Materials 150, 2017, pp. 383-394；[5] 洪崇展、吳奕翰、溫國威，“超高性能纖維混凝土梁構件之剪力行為”，臺灣混凝土學會2017年混凝土工程研討會，TCI 2017 Conference on Concrete Engineering，嘉義，106年11月23~24日。

[6] Pu-Woei Chen et al., Composites 24, 1993, pp. 33-52；[7] Jie Gao et al., Construction and Building Materials 134, 2017, pp. 220-227；[8] Baoguo Han et al., Construction and Building Materials 125, 2016, pp. 479-489； [9] Zahra S. Tabatabaei et al., Materials and Design 55, 2014, pp. 212-223；以及[10] 張逢宬，碩士論文，2014。

由於一般的道路橋梁在使用過一段時間之後，多少會發生凹陷、坑洞等現象，而需要緊急修補。一般軍事建築，例如，機場跑道、港口河堤等，也會在使用過後或經不當之破壞而發生坑洞而需要緊急修補。連普通建築物體的樓板，也會因為使用年代久遠而發生龜裂的現象。此種因為混凝土形成的龜裂進而發生鋼筋暴露或凹陷坑洞的情況所造成的使用不便，均必須緊急修補以避免意外事故發生。

關於混凝土結構的快速修補，必須使用能夠快速硬化的材料。一般會使用能夠加速水化反應的水泥及細粒料等之類的強化材，來藉此提高施工速度與簡易度。然而，這一類的方式所製備的修補材的強度雖然足夠，但是其抗彎強度與抗衝擊強度仍是不足，因此如何研發出一種能夠快速硬化、且成形後具有足夠抗彎強度與抗衝擊強度的修補材，將是一個極待突破與解決的問題。

在混凝土中加入纖維的研究已有不少，但大多是在混凝土預拌過程材加入鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維等強化纖維。但這些研究難保證強化纖維均勻分散於混凝土中。甚至有先前技術採用化學分散劑[6]。因此，有先前技術顯示添加纖維的混泥土，其抗壓強度會下降。通盤考量，加入鋼纖維會有加速混凝土結構內鋼筋腐蝕的疑慮，碳纖維的楊氏模數(Young’s modulus)遠高過玻璃纖維的楊氏模數，因此，添加入混凝土做為強化的纖維以碳纖維為佳。另有先前技術將碳纖維以不同的混合方法，拌入水泥基材[7]。混合方法分為：預混合、後混合。預混合方法是在加入水泥前先加入碳纖維，後混合方法是在拌入水泥後再加入碳纖維。結果證實預混合 方法的效果優於後混合方法的效果。

然而，在混凝土或水泥中添加碳纖維的先前技術尚未揭示以預混合法添加製水泥中之碳纖維的參數，以提升水化(hydration)反應後的水泥之抗壓強度、抗彎強度，甚至提升抗衝擊能力。先前技術也未揭示適合用於混凝土結構的小面積修補與大面積修補之修復、補強材料及其製造方法。

此外，碳纖維原材的表面上會有偶合劑等雜質，不利碳纖維的分散。先前技術多是利用酸、鹼等化學方法去除碳纖維表面上的偶合劑等雜質。但是，以酸、鹼等化學方法去除碳纖維表面上的偶合劑等雜質，會有破壞碳纖維表面，降低碳纖維的強度之疑慮。

因此，本發明所欲解決之一技術問題在於提供一種用於混凝土結構之修復、補強材料及其製造方法。根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗壓強度、抗彎強度與抗衝擊能力均大幅提升，符合需求。根據本發明之方法也不以酸、鹼等化學方法去除碳纖維表面上的偶合劑等雜質。

根據本發明之一較佳具體實施例之修復、補強材料係用於混凝土結構之修復、補強。根據本發明之修復、補強材料係由高早強水泥以及多根短纖碳纖維所組成。多根短纖碳纖維之長度範圍介於3mm至30mm。多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比範圍介於0.5%至3%。多根短纖碳纖維係先進行分散，再以預拌合的乾拌方式均勻地拌入高早強水泥中。

根據本發明之一較佳具體實施例之製造修復、補強材料之方法，其製造的修復、補強材料係用於混凝土結構之修復、補強。根據本發明之方法首先係製備高早強水泥。 接著，根據本發明之方法係製備多根短纖碳纖維，其中多根短纖碳纖維之長度範圍介於3mm至30mm。接著，根據本發明之方法係將多根短纖碳纖維置於3小時以上的高溫環境，以高溫處理方式去除多根短纖碳纖維表面上的介面耦合劑，以利後續多根短纖碳纖維的分散。接著，根據本發明之方法係將多根短纖碳纖維以氣動力與過篩製程進行分散。最後，根據本發明之方法係將該經分散的多根短纖碳纖維以一預拌合的乾拌方式均勻地拌入高早強水泥中，以完成根據本發明之修復、補強材料，其中多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比範圍介於0.5%至3%。

根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗壓強度為大於42MPa。根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗彎強度為大於7.5MPa。根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗衝擊能力為大於50焦耳。

於一具體實施例中，高溫環境之溫度範圍介於450℃至550℃。

與先前技術不同，根據本發明之修復、補強材料內短纖碳纖維均勻地分散於高早強水泥中。根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗壓強度、抗彎強度與抗衝擊能力均大幅提升，符合需求。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

1‧‧‧設備

10‧‧‧進氣管

12‧‧‧處理腔體

14‧‧‧過篩裝置

16‧‧‧頂蓋

160‧‧‧微細出氣孔

20‧‧‧短纖碳纖維原材

22‧‧‧經過高溫處理與氣動過篩分散後的短纖碳纖維

3‧‧‧混凝土結構

32‧‧‧小面積破損

4‧‧‧修復、補強材料

42‧‧‧經水化反應後的高早強水泥

44‧‧‧經過高溫處理與氣動過篩分散後的短纖碳纖維

圖1係本發明所採用的短纖碳纖維未經處理的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。

圖2係本發明所採用的短纖碳纖維置於500℃下維持一段時間後的SEM照片。

圖3係執行本發明之氣動力與過篩製程的設備的剖面示意圖。

圖4係本發明所採用約1公克的短纖碳纖維原材20之照片。

圖5係本發明所採用約1公克經過高溫處理與氣動過篩分散的短纖碳纖維照片。

圖6係覆蓋在混凝土結構之小面積破損上經水化反應後的本發明之修復、補強材料的示意圖。

根據本發明之一較佳具體實施例之修復、補強材料係用於混凝土結構之修復、補強。根據本發明之修復、補強材料係由高早強水泥以及多根短纖碳纖維所組成。特別地，多根短纖碳纖維之長度範圍介於3mm至30mm。多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比範圍介於0.5%至3%。多根短纖碳纖維係先進行分散，再以預拌合的乾拌方式均勻地拌入高早強水泥中。

本發明所採用的高早強水泥為市售的兩款高早強水泥，其經X-射線螢光(XRF)分析成份結果列於表1與表2，其中表1為第一款早強水泥，表2為第二款早強水泥。

根據本發明之一較佳具體實施例之製造修復、補強材料之方法，其製造的修復、補強材料係用於混凝土結構之修復、補強。根據本發明之方法首先係製備高早強水泥。 接著，根據本發明之方法係製備多根短纖碳纖維。特別地，多根短纖碳纖維之長度範圍介於3mm至30mm。

接著，根據本發明之方法係將多根短纖碳纖維置於高溫環境下維持一段時間，以去除多根短纖碳纖維之表面上如偶合劑等雜質。

於一具體實施例中，本發明所採用的多根短纖碳纖維之線徑範圍介於6μm至8μm。

於一具體實施例中，本發明所採用的短纖碳纖維的楊氏模數為2.4 x 10⁵MPa。

於一具體實施例中，高溫環境之溫度範圍介於450℃至550℃。請參閱圖1及圖2，圖1係本發明所採用的短纖碳纖維未經處理的SEM照片，圖2係本發明所採用的短纖碳纖維置於500℃下維持一段時間後的SEM照片。圖1顯示短纖碳纖維表面上明顯殘存偶合劑等雜質。圖2顯示短纖 碳纖維表面乾淨，原殘存的偶合劑等雜質已去除。與先前技術採用化學方式去除碳纖維之表面上如偶合劑等雜質不同，化學方式會破壞碳纖維的表面而降低碳纖維的強度，本發明採用高溫方式去除短纖碳纖維之表面上雜質，高溫方式不會破壞碳纖維的表面。

於一具體實施例中，將短紗碳纖維放置於烤箱中，烤箱平均溫度維持500℃，持續加溫3小時。

接著，根據本發明之方法係將多根短纖碳纖維以氣動力與過篩製程進行分散。

最後，根據本發明之方法係將該經分散的多根短纖碳纖維以一預拌合的乾拌方式均勻地拌入高早強水泥中，以完成根據本發明之修復、補強材料，其中多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比範圍介於0.5%至3%。

請參閱圖3，圖3係以剖面圖示意地繪示執行本發明之氣動力與過篩製程的設備1。本發明之氣動力與過篩製程的執行並不以圖3所示的設備1為限。

如圖3所示，設備1包含處理腔體12以及複數個過篩裝置14。於圖3中，僅繪示三個過篩裝置14做為代表。複數個過篩裝置14疊在一起，並且彼此連通。置於最下層的過篩裝置14係安置於處理腔體12的頂部，並且與處理腔體12連通。置於最上層的過篩裝置14以頂蓋16覆蓋。頂蓋16上具有複數個微細出氣孔160。複數個進氣管10與處理腔體連通。複數個過篩裝置14的網目大小可以一致，也可以越上層過篩裝置14的網目越小。於一範例中，複數個過篩裝置14的網目皆為8#。

表面上偶合劑等雜質已去除的短纖碳纖維原材20置於處理腔體12內。氣體從進氣管10持續吹進處理腔體12，導致短纖碳纖維原材20隨著吹氣循環逐漸分散，再通過 複數個過篩裝置14的網目，停留在各層過篩裝置14內形成已分散且經過篩的短纖碳纖維22。氣體從複數個微細出氣孔160排出。

已分散且經過篩的短纖碳纖維22可以直接預拌合的乾拌方式均勻地拌入高早強水泥中，無須借助化學分散劑。請參閱圖4及圖5，圖4係本發明所採用約1公克的短纖碳纖維原材20之照片，圖5係本發明所採用約1公克的已分散且經過篩的短纖碳纖維22之照片。圖4顯示短纖碳纖維原材20聚集在一起。圖5顯示短纖碳纖維22已充分彼此分離。

根據本發明之修復、補強材料以適當水灰比加入水(以飲用水為佳)拌合進而產生經水化反應後，即可對混凝土結構小面積破損進行快速修補，並且補強。請參閱圖6，圖6係覆蓋在混凝土結構3之小面積破損32上經水化反應後的本發明之修復、補強材料4的示意圖。圖6僅示意地繪示短纖碳纖維44的剖面。圖6顯示短纖碳纖維44均勻地分佈於經水化反應後的高早強水泥42中。

若混凝土結構有大面積破損，根據本發明之修復、補強材料以適當水灰比加入水(以飲用水為佳)拌合成漿體後，加入粗、細粒料再次進行均勻拌合進而產生經水化反應後，即可對混凝土結構大面積破損進行快速修補，並且補強。

根據本發明之修復、補強材料以適當水灰比加入水(以飲用水為佳)拌合進而產生經水化反應後，依照測試規範製作試體，進行抗壓強度測試、抗彎強度測試以及抗衝擊能力測試。抗壓強度測試方式係依據CNS 1232測試標準進行，抗彎強度測試係依據CNS 1234測試標準進行，並且抗衝擊能力測試係依據ASTM 5628-10測試標準進行。

根據本發明之修復、補強材料使用第一款高早強水泥，經水化反應後之多個試體的一天齡期平均抗壓強度係 列於表3。由根據本發明之修復、補強材料所製作的試體，其短纖碳纖維平均長度為24mm，水灰比為0.31，多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比1.0%。做為對照，製作條件大致相同但短纖碳纖維並未先行分離、分散之多個試體的平均抗壓強度也列於表3。

表3所列測試結果證實，短纖碳纖維事先分離、分散的試體其抗壓強度明顯高過短纖碳纖維未事先分離、分散的試體之抗壓強度。

根據本發明之修復、補強材料使用第一款高早強水泥，在不同齡期與不同短纖碳纖維添加量條件下經水化反應後之試體的抗壓強度係列於表4。上述由根據本發明之修復、補強材料所製作的試體，其短纖碳纖維平均長度為12mm，水灰比為0.31。

表4中使用第一款高早強水泥之修復、補強材料所列測試結果證實3小時齡期添加0.625%短纖碳纖維的試體增加28.4%的抗壓強度，添加1.25%短纖碳纖維的試體增加33.2%的抗壓強度，添加1.875%短纖碳纖維的試體增加32.2%的抗壓強度。1天齡期添加0.625%短纖碳纖維的試體增加17.0%的抗壓強度，添加1.25%短纖碳纖維的試體增加18.7%的抗壓強度，添加1.875%短纖碳纖維的試體增加30.0%的抗壓強度。顯見地，本發明添加的短纖纖維均勻地分散於經水化反應的高早強水泥中，針對抗壓強度明顯具有提升的補強效果。

根據本發明之修復、補強材料使用第二款高早強水泥，在不同齡期與不同短纖碳纖維添加量條件下經水化反應後之試體的抗壓強度係列於表5。上述由根據本發明之修復、補強材料所製作的試體，其短纖碳纖維平均長度為3mm，水 灰比為0.31。

表5所列測試結果證實3小時齡期添加0.625%短纖碳纖維的試體增加11.1%的抗壓強度，添加1.25%短纖碳纖維的試體增加13.4%的抗壓強度。1天齡期添加0.625%短纖碳纖維的試體增加2.6%的抗壓強度，添加1.25%短纖碳纖維的試體增加-7.8%的抗壓強度。顯見地，本發明添加的短纖纖維均勻地分散於經水化反應的高早強水泥中，針對抗壓強度明顯具有提升的補強效果。

根據本發明之修復、補強材料使用第一款高早強水泥在不同齡期與有無添加短纖碳纖維條件下並加入細骨材形成砂漿經水化反應後之試體的抗彎強度係列於表6。上述由根據本發明之修復、補強材料所製作的試體，其短纖碳纖維平均長度為6mm，水灰比為0.31，添加的多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比為1.0%。

表6所列測試結果證實4小時齡期添加1.0%短纖碳纖維的試體增加24.4%的抗彎強度。1天齡期添加1.0%短纖碳纖維的試體增加19.0%的抗彎強度。顯見地，本發明添加的短纖纖維均勻地分散於經水化反應的高早強水泥中，針對抗彎強度明顯具有提升的補強效果。

根據本發明之修復、補強材料使用第一款高早強水泥在不同齡期與有無添加短纖碳纖維條件下經水化反應後之試體的抗彎強度係列於表6。上述由根據本發明之修復、補強材料所製作的試體，其短纖碳纖維平均長度為6mm，水灰比為0.31，添加的多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比為1.0%。

根據本發明之修復、補強材料使用第一款高早強水泥，於表7所列測試結果證實添加短纖碳纖維的試體能明顯提抗衝擊能力(單位：焦耳)。

表7

根據本發明之修復、補強材料在不同齡期與不同短纖碳纖維長度條件下經水化反應後之試體能承受衝擊能力(焦耳)係列於表7。上述由根據本發明之修復、補強材料使用第一款高早強水泥所製作的試體，其添加的多根短纖碳纖維與高早強水泥之重量比為1.0%，水灰比為0.31。

由上述測試數據證實，根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其抗壓強度隨著添加較短的短纖碳纖維強度增加較明顯。據本發明之修復、補強材料經水化反應後其抗彎強度與抗衝擊能力則隨著添加較長的短纖碳纖維抗彎強度與抗衝擊能力增加較明顯。運用根據本發明之修復、補強材料，可以視實際需求分別加入不同比例之不同長度的短纖碳纖維以達到最佳效益。

由上述測試數據證實，與未添加短纖碳纖維的高早強水泥相比較，特地宣告根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗壓強度為大於42MPa。根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗彎強度為大於7.5MPa。根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗衝擊能力為大於50焦耳。根據本發明之修復、補強材料經水化反應後其一天齡期之抗壓強度、抗彎強度與 抗衝擊能力均大幅提升，已符合快速修復、補強混凝土結構小面積、大面積破損之需求。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之面向加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的面向內。因此，本發明所申請之專利範圍的面向應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

Claims (8)

1. 一種用於一混凝土結構之修復、補強材料，該修復、補強材料係由一高早強水泥以及多根短纖碳纖維所組成；該多根短纖碳纖維之一長度範圍介於3mm至30mm，該多根短纖碳纖維與該高早強水泥之一重量比範圍介於0.5%至3%，該多根短纖碳纖維係先進行分散，再以一預拌合的乾拌方式均勻地拌入該高早強水泥中；其中該修復、補強材料經一水化反應後其一天齡期之一抗壓強度為大於42MPa，該修復、補強材料經該水化反應後其一天齡期之一抗彎強度為大於7.5MPa，該修復、補強材料經該水化反應後其一天齡期之一抗衝擊能力為大於50焦耳。
2. 如請求項1所述之修復、補強材料，其中該多根短纖碳纖維之一線徑範圍介於6μm至8μm。
3. 一種製造一修復、補強材料之方法，該修復、補強材料係用於一混凝土結構，該方法含下列步驟：製備一高早強水泥；製備多根短纖碳纖維，其中多根短纖碳纖維之一長度範圍介於3mm至30mm；將該多根短纖碳纖維置於一高溫環境下維持一段時間，以去除該多根短纖碳纖維之表面上的雜質；將該多根短纖碳纖維以一氣動力與過篩製程進行分散；以及將該經分散的多根短纖碳纖維以一預拌合的乾拌方式均勻地拌入該高早強水泥中，以完成該修復、補強材料，其中該多根短纖碳纖維與該高早強水泥之一重量比範圍介於0.5%至3%。
4. 如請求項3所述之方法，其中該修復、補強材料經一水化反應後其一天齡期之一抗壓強度為大於42MPa。
5. 如請求項4所述之方法，其中該修復、補強材料經該水化反應後其一天齡期之一抗彎強度為大於7.5MPa。
6. 如請求項5所述之方法，其中該修復、補強材料經該水化反應後其一天齡期之一抗衝擊能力為大於50焦耳。
7. 如請求項6所述之方法，其中該多根短纖碳纖維之一線徑範圍介於6μm至8μm。
8. 如請求項7所述之方法，其中該高溫環境之一溫度範圍介於450℃至550℃。