以壓力試驗探討滲透涂封劑對混凝土力學(xué)性質(zhì)之影響

1、以壓力試驗探討滲透塗封劑對混凝土力學(xué)性質(zhì)之影響Using Compressive Strength Test to Study of the Effect of Penetrating Sealer on the Mechanical Properties of Concrete余淑惠、翁在龍國立瑞芳高工建築科教師Shu-Hui Yu, and Tsai-Lung WengTeacher of National Jui-Fong Industrial Vocational Senior High School摘要本研究主要探討在不同水灰比（w/c=0.35，0.45， 0.55）的混凝土試體表

2、面，分別用滲透塗封劑(Penetrating Sealer, PS)以不同噴塗時間及不同劑量進行表面處理。利用壓力試驗，評估PS對混凝土力學(xué)性質(zhì)之影響。試驗結(jié)果顯示PS與混凝土中之氫氧化鈣Ca(OH)2反應(yīng)產(chǎn)生微小顆粒之化合物；填塞毛細孔隙使混凝土更緻密對力學(xué)性質(zhì)有顯著改善。關(guān)鍵詞：滲透塗封劑、混凝土ABSTRACT This study is focus on the discussion, the effects of PS (Penetrating Sealer) upon the pore structure of the surface layer, mechanical prope

3、rties of concrete. The experimental concrete, the water - cement ratios of w/c=0.35, 0.45, 0.55, are surfaced with PS for different age of application and with diverse PS quantity. In addition, the effects of PS on the mechanical properties of concrete, by means of compressive strength test.The resu

4、lts of the experiment indicate that the surfacing of PS is significant to the improvement of mechanical properties of the cement-based concrete.Keywords: Penetrating Sealer, concret壹、前言混凝土是將水、水泥、骨材及摻料等利用適當配比達到工程上強度、耐久性、安全性、工作性及經(jīng)濟性等要求。所以如能降低組成材料的排斥性，進而增加組成材料的相容性，則可以使混凝土發(fā)揮極大的效能；近年來混凝土的發(fā)展由傳統(tǒng)的混凝土演進到高強度混

5、凝土（high strength concrete, HSC）以至今日的高性能混凝土(high performance concrete, HPC)混凝土中孔隙的形成除較大孔徑之搗實孔隙（compaction pore）及輸氣孔隙（entrained air）外，其餘大部份為孔徑較小的膠體孔隙（gel pore）及毛細孔隙（capillary pore） 1。對改善混凝土孔隙組織而言，除利用改變混凝土組成材料（如添加波索蘭材料）來改變孔隙尺寸與增長連通孔隙路徑（tortuous）外，另一個可行的方式就是阻止外在的水氣被混凝土的毛細孔隙所吸附。由於此種方式可用於改善舊有建築物的耐久性且具有成本低

6、廉施工容易的優(yōu)點，因此近年來便發(fā)展出許多種在混凝土表面進行塗封的保護材料，用以阻隔外在水氣的侵入。按其對毛細孔隙處理方式的不同目前常用的各種混凝土表面塗封保護劑主要可分為的三種形式，分別為滲透式塗封劑（penetrating sealer）、塗封劑（sealer）、以及表面封層（coating），如圖(1)所示2。滲透式塗封劑主要會利用本身所帶的有機化合物群互相鍵結(jié)，並沿著毛細孔隙內(nèi)部表面形成疏水（hydrophobic）的緻密組織。而這類塗封方式又可細分成沒有薄膜產(chǎn)生（non film-forming）與有薄膜產(chǎn)生（film-forming pore-sealing）兩種形式。塗封劑則大多利

7、用高分子聚合物溶液（polymer solution），由水泥質(zhì)材料表面往孔隙內(nèi)部堵入（pores blocked），但因其固體含量較少，故只堵住孔隙而無法在水泥質(zhì)材料表面產(chǎn)生相當厚度的封層。而固體含量多的高分子聚合物溶液，除可堵住孔隙外，亦可在水泥質(zhì)材料表面生成一層較薄且連續(xù)的護膜（thin continuous film），此即所謂的表面封層。而另一種形式的表面封層，則利用乳劑（emulsion）或乳膠（latex）在水泥質(zhì)材料表面製造一層相當厚度且緻密的不透水層（thick dense layer）來防止水汽進入，但這類物質(zhì)並不進入孔隙內(nèi)產(chǎn)生堵塞的作用。而以緻密的塗料或特殊的環(huán)氧樹脂砂漿

8、（epoxy mortar）批覆在水泥質(zhì)材料表面也屬於表面封層的保護方式。圖(1) 各種水泥質(zhì)材料表面保護方式2而矽酸納或乙基矽酸類材料也常應(yīng)用於堵塞孔洞3。當水溶性矽酸納與二氧化碳結(jié)合或溶於酒精的乙基矽酸溶液與水結(jié)合時，會產(chǎn)生結(jié)晶狀的物質(zhì)堵塞住孔隙，又矽酸鈉可與混凝土中之水及氫氧化鈣反應(yīng)，產(chǎn)生矽酸鈣膠體（C-S-H）及氫氧化鈉(NaOH)填塞孔隙4。其反應(yīng)方程式如下所示：Na4SiO4 + 2CO2 SiO2 + 2Na2CO3 3 （1）Si(OC2H5)4 + 2H2O SiO2 + 4C2H5OH 3 （2）Na2SiO3+yH2O+xCa(OH)2 xCaOSiO2yH2O +2Na

9、OH4 （3）而本研究針對滲透式塗封劑噴塗後對混凝土力學(xué)性質(zhì)影響之探討。貳、試驗計劃本研究主要探討滲透塗封劑施加方式及其對混凝土特性之影響，在不同水灰比(w/c=0.35，0.45，0.55)的混凝土試體表面依照設(shè)計的噴塗齡期(1天、7天、14天、27天)，及劑量(65g/m2、90g/m2、130g/m2、155g/m2)施以PS用壓力試驗來探討其對混凝土力學(xué)性質(zhì)之影響，進而尋找出PS之最佳噴塗時間、劑量及噴塗時混凝土之含水狀態(tài)。一、 試驗材料(一)水泥 本研究採用亞洲水泥公司所生產(chǎn)之洋房牌波特蘭第一型水泥，其化學(xué)成分如表(一)所示；物理性質(zhì)如表(二)所示。表(一)水泥化學(xué)成分表化 學(xué) 成

10、分中國國家標準CNS61-R2001試 驗 值二氧化矽(SiO2)20.89氧化鋁(Al2O3)5.61氧化鐵(Fe2O3)3.13氧化鈣(CaO)63.87氧化鎂(MgO)Max: 6.002.93燒失量(L.O.I)Max: 3.000.73不溶殘渣(Ins.Res)Max: 0.75矽酸三鈣(C3S)50.4矽酸二鈣(C2S)22.2鋁酸三鈣(C3A)9.57鋁鐵酸四鈣(C4AF)9.51(資料來源:亞洲水泥公司)表(二)水泥之物理性質(zhì)試 驗 項 目中國國家標準CNS61-R2001試 驗 值墁料空氣含量： Air Content Mortar()Max: 12.0細度:Fineness

11、(cm2/g)Min: 28003520健度:Soundness()Max: 0.800.05抗壓強度：Compressive Strength, kgf/cm2 3天Min: 126 223 7天Min: 197 316 28天Min: 281 412 凝結(jié)時間：Time of Setting (Vicat test)初凝:Initial set (hr:min)Min: 0:453:10終凝:Final set (hr:min)Max: 8:005:30(資料來源：亞洲水泥公司)(二)粗骨材 本試驗選用之粗骨材為碎石，其物理性質(zhì)如表(三):表(三)粗骨材之物理性質(zhì)試驗項目依據(jù)規(guī)範碎石比重(

12、SSD)CNS 4882.63吸水率(%)CNS 4881.12最大粒徑(in)CNS 48638(三)細骨材本試驗採用之細骨材其物理性質(zhì)如表(四)所示:表(四)細骨材之物理性質(zhì)試驗項目依據(jù)規(guī)範粗砂比重(SSD)ASTM C1282.71吸水率(%)ASTM C1282.18細度模數(shù)值(F.M.)2.69(四)滲透塗封劑 (Penetrating Sealer， PS)本研究所採用之PS主要元素成份為鈉、矽及氧，其化合物為矽酸鈉類(Na2SiO3)，滲透深度可達2cm。二、混凝土配比設(shè)計本研究配比係參照ACI 211及ACI 363配比設(shè)計步驟求得水灰比為0.35、0.45、0.55的配比,

13、如表(五)所示:表(五)混凝土之配比 試體編號水灰比水泥(kg/)水(kg/)粗骨材(kg/)細骨材(kg/)A0.35685197746661B0.45533199743794C0.55436199740880試體編號說明詳如表(六): XXX 噴塗劑量（g/m2） 噴塗時齡期（days） 水灰比（w/c）表(六) 試體編號編號水灰比編號噴塗時齡期（days）編號噴塗劑量（g/m2）ABC0.350.450.550124171427ABCD6590130155參、 結(jié)果與討論由於混凝土具有良好的抗壓性，因此抗壓強度變成為混凝土品質(zhì)優(yōu)劣之重要指標,任何摻品的加入或表面塗封處理均可能影響到強度的

14、發(fā)展。本試驗試體在不同齡期噴塗設(shè)計劑量分別進行28天及91天混凝土的抗壓強度試驗。(一)噴塗齡期之影響由圖(二)所示，齡期7天時噴塗之效能最佳，(3)式顯示PS之化合物Na2SiO3必須與H2O及Ca(OH)2反應(yīng)才能產(chǎn)生新的化合物顆粒，矽酸鈣膠體(C-S-H)及氫氧化鈉(NaOH)。而混凝土中Ca(OH)2的由來是水泥之C3S、C2S與水反應(yīng)而產(chǎn)生，其反應(yīng)式如下: (4) (5)齡期1天時噴塗因水泥之水化作用初開始由C3A及C3S控制，隨後C2S才陸續(xù)反應(yīng)所以Ca(OH)2不足，致使噴塗效能不佳，齡期7天混凝土己經(jīng)產(chǎn)生足夠Ca(OH)2可與DPS反應(yīng)且因水化尚未完成毛細孔隙連通較多5，滲透劑

15、( PS)較易滲入各孔隙進而產(chǎn)生微小粒子之化合物(約1m2m)正好可以填充毛細孔隙(0.01m10m)1，改善了結(jié)構(gòu)孔隙之緻密性及抗壓試體表層緻密後的圍束作用，使抗壓強度隨著提高，又隨著齡期增加其連通之毛細孔隙逐漸減少5，而齡期27天之混凝土水化作用己經(jīng)達相當程度所以毛細孔隙之連通較少，PS較不易滲入孔隙，僅是結(jié)晶沉澱物積留於表面類似薄膜，所以齡期27天噴塗PS對28天及91之抗壓強度改善的效能不顯著。 (a) (b) 圖(二) PS噴塗齡期與混凝土抗壓強度之關(guān)係(a)28天抗壓強度(b)91天抗壓強度(二)PS使用量之影響：由圖(三)所示，齡期7天噴塗時，PS使用量在130g/m2以下壓力強

16、度與劑量成正比，在130g/m2155g/m2之間成平緩狀態(tài)，應(yīng)為其飽和用量，亦為最佳用量，太多則形同浪費，齡期27天噴塗時由圖(四)知，噴塗劑量多寡對強度皆無影響。表(七)顯示混凝土在第7天齡期噴塗及最佳使用劑量(155g/m2)下強度增加百分比，會隨著水灰比增加而增加，此乃因高水灰比之孔隙較多改善效果較顯著，又PS對28天抗壓強度之影響效能較91天抗壓強度顯著，此因齡期91天混凝土強度發(fā)展趨於成熟，PS表層效應(yīng)較不顯著。表(七) 噴塗PS抗壓強度增加百分比()試體編號齡期28天齡期91天A1D18.67.3B1D24.215.5C1D24.820.2*齡期7天時噴塗PS(155g/m2)

17、Dosage of PS（g/m2） (a)Dosage of PS (g/m2)(b)圖(三) 7天噴塗，PS使用量、水灰比與混凝土抗壓強度之關(guān)係28天抗壓強度(b)91天抗壓強度Dosage of PS（g/m2）(a) Dosage of PS（g/m2） (b)圖(四) 27天噴塗，PS使用量、水灰比與混凝土抗壓強度之關(guān)係(a)28天抗壓強度(b)91天抗壓強度(三)混凝土含水狀態(tài)對噴塗PS效能之影響：使用130g/m2量之PS於混凝土在SSD及AD(溫度約25、相對濕度約70)狀態(tài)下噴塗，試體抗壓強度試驗結(jié)果如圖(五)所示試體在SSD狀態(tài)下噴塗效果較AD狀態(tài)下為佳，28天強度SSD狀

18、態(tài)為AD之1.071.23倍，91天強度SSD狀態(tài)為AD之1.061.19倍，此乃因孔隙飽和時PS較易因濃度不同隨液體以擴散方式進入各孔隙中，又因有足夠之水可與PS反應(yīng)如(3)式所述，進而產(chǎn)生化合物填充孔隙，改善孔隙結(jié)構(gòu)，而AD狀態(tài)下之孔隙中僅有微量水其餘為空氣，所以PS僅能被吸附而進入孔隙且無足夠水可與PS反應(yīng)以致效能較差。 (a) (b)圖(五) 混凝土試體在不同含水狀態(tài)下噴塗PS之抗壓強度肆、結(jié)論(1)混凝土含水狀態(tài)為SSD時使用PS效能較佳，齡期7天時噴塗劑量155g/m2 狀態(tài)下則28天壓力強度SSD為AD之1.071.23倍，91天強度SSD為AD之1.061.19倍。 (2)混凝

19、土齡期7天時PS噴塗效果最佳，齡期27天時噴塗效能不明顯。 (3) 噴塗PS對高水灰比之混凝土強度影響較大，本研究中齡期7天時噴塗劑量155g/m2 狀態(tài)下28天強度配比D增加18.6、配比P增加24.2、配比S增加24.8，91天強度配比D增加7.3、配比P增加15.5、配比S增加20.2。(4) PS使用量愈多有利於壓力強度增加量，但以130 g/m2155 g/m2為宜。參考文獻1 黃然, 鄭安,“水淬高爐爐石粉應(yīng)用於鋼筋混凝土構(gòu)造物之耐久性”, 臺灣營建研究院, 民國89年.2 Litvan, G. G., “Waterproofing of Parking Garage Structures with Sealers and Membranes：the Canadian Experience”, Construction and Building Materials 10 (1), pp. 95-100, 1996.3 Gani, M. S. J., “Cement and Concrete” , GLondon ; New York : Chapman & Hall, 1997.4 LaRosa, J. Thompson, “Characterization of Sil