☆李明同 ☆☆鄭世江
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壹、前言 傳統的混凝土配比設計，往往使用大量的水泥及水，高水灰比的使用結果造成混凝土體硬固後產生大乾縮量，而形成體積的不穩定性。如何產製出低乾縮、高體積穩定性、低水灰比、高流動化、耐久性、高強度、高抗滲等優質混凝土，已不再是傳統混凝土配比設計所能滿足的，使得混凝土以傳統觀念來設計目標強度需求時，往往會有其無法滿足之現象產生，而化學摻料的正確使用，就能提供此一特殊工程目標之需求。其「小而省」的少量添加就能使混凝土材料性質得以滿足工程設計需求，堪稱是「小兵立大功」的最佳典範。化學摻料優越的性質，已成為高性能混凝土(HPC)製配中不可或缺的重要原料之一。使用化學摻料最重要的一項工程效益是可節省大量的水泥使用，真可謂是省了工程成本，也替社會盡了環保的一份心力。近年來，專家學者齊力疾呼，要在不影響工程品質目標下降低水泥用量，使混凝土結構體避免得到”富貴病”，也能讓產製水泥所造成的二氧化碳降低，減少溫室效應的的產生，也應用良好的礦物摻料所產生的卜作嵐反應及資源再利用功能，共同為環境保護盡一份心力。當然、水泥的使用也不可無限制的降低，要達到品質目標，又要符合經濟要求，水泥與礦物摻料及化學摻料的正確使用，將會是達到社會責任與環保要求的不二法門。 化學摻料在全球發展的歷史已近百年，ISO TC71/SC3自1980年開始討論混凝土化學摻料之國際定義，經挪威奧斯陸和瑞士日內瓦兩次會議後之共同決議，「在混凝土、砂漿、水泥漿拌合學，拌合時再額外增加的拌合操作中，摻加等於或少於水泥重量5%，使混凝土的正常性能得以按要求改變所需之性能的一種產品」。化學摻料屬界面化學活性劑，對水泥、水系的作用有絕對性的影響，簡而言之其功效有二： 1.對水泥粒子之內聚力的影響： 換言之，就是化學摻料對同條件下，影響整體水泥膠凝產生的減水效果及分散能力，對強度及耐久性會造成決定性的關鍵。 2.對水泥在水化作用的反應： 也就是化學摻料能針對需求調整凝結時間的長短，對早期強度及中期強度發展的趨勢有絕對的影響。 貳、化學摻料分類 混凝土用化學摻料分類方式相當多種，國內最常引用的分類方式係依據美國材料試驗協會ASTM C494 「Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete」所提之分類法，將化學摻料分成七大類：Type A－Water-reducing admixtures、Type B－Retarding admixtures、Type C－Accelerating admixtures、Type D－Water-reducing and retarding admixtures、Type E－Water-reducing and accelerating admixtures、Type F－Water-reducing，high range admixtures、Type G－Water-reducing，high range，and retarding admixtures.或直接引用國家標準CNS 12283「混凝土用化學摻料」所提之七大分類法：A型－減水劑、B型－緩凝劑、C型－早強劑、D型－減水緩凝劑、E型－減水早強劑、F型－高性能減水劑、G型－高性能減水緩凝劑，不論引用哪一種分類法，皆有異曲同工之處，探討的主要分類物性不外乎最大用水量百分比(相對於控制組混凝土之用水量)、凝結時間(與控制組混凝土之許可差)、最小抗壓強度百分比(相對於控制組混凝土之抗壓強度)、最小抗彎強度百分比(相對於控制組混凝土之抗彎強度)、長度變化或最大收縮量(擇其一使用、相對於控制組混凝土)及相對最小耐久性因子值，而這些比對標準皆使用純水泥配比，詳細物性要求＜如表一＞。近年來由於HPC(High Performance Concrete)與SCC(Self-Compacting Concrete)混凝土流動化技術之推廣及使用，傳統藥劑的分類似乎已無法滿足上述流動化混凝土技術之需求，在大量使用礦物摻料的情況下，有些物性的呈現已超越以往的認知，在傳統化學摻料比對時，水泥使用量為307±3kg/M3，控制組與比對組之坍度皆需控制在89±13mm之範圍內，以展現化學摻料之減水效果；而在流動化劑檢測時，水泥使用量為335±3kg/M3，控制組之坍度需控制在89±12mm之範圍內，但比對組在添加流動化劑之後，需要在同水量的情況下坍度達216±25mm之範圍內方達流動化劑坍度增加之要求，所表現的是流動性與坍度增加的效果，當然比對型態的不同，所呈現出來的強度表現值也會有所差異。有關國內常用的流動化劑相關規範有美國材料試驗協會ASTM C1017 「Standard Specification for Chemical Admixturs for Use in Producing Flowing Concrete」及國家標準CNS 12833「流動化混凝土用化學摻料」，詳細物性要求＜如表二＞。也有使用者就摻料使用的習慣來做初步的分類： 表一 化學摻料物性要求  表二 流動化劑物性要求  其他相關細節請參閱CNS 12833「流動化混凝土用化學摻料」規範。 化學摻料發展至今，從最初木質素磺酸鹽類，依據工程的需求而有了改良型產品推出，衍生為目前全球最大宗使用原料；期間，  磺酸甲醛縮合物、三聚氰胺樹脂磺酸鹽類產品也因應市場功能需求而發展出來；近幾年，氨基磺酸鹽類、羧酸等所謂多元有機酸的產品也被研發而產製出來，技術也愈之純熟。參、化學摻料基本化學成份 一般強塑劑化學成份概分如下：1.變性木質素磺酸鹽類(Modified Salts of Ligninsulfonates)簡稱MLS。 本產品為生產紙漿或纖維漿產生之副產品，經生物發酵中性化析晶過濾所得產品，其分子結構物包括碳酸根(Carboxye)、氫氧根(Hydroxye)、甲氧基(Methoxy)、磺酸基團(Sulphonic)，以聚合物鹽類方式存在，以鈉鹽及鈣鹽較為廣泛，平均分子量約15000到30000左右，但也有分子量低於1000或高於100000的產品，惟市場接受度仍以25000左右的產品較受青睞，減水率及表現的物性也較穩定(分子量檢測方式由凝膠層析儀(GPC)分析)；鈉鹽與鈣鹽產品可從溶解度、沉澱物、成本及水溶性離子程度作區別，一般而言，鈉鹽具有較低沉澱物、較高溶解度、生產成本及水溶性離子程度，外觀顏色呈現棕褐色，酸鹼值分布廣，從4∼10均有，在台灣的混凝土預拌業都以液體方式計量添加使用，以有效成分38%∼40%為例，通常添加量為(0.3%∼1.2%)×膠結量，減水效果約3%∼18%左右，過量使用會有超緩凝現象發生，強度發展遲滯甚至破壞。 2. 磺酸甲醛縮合物(Naphathalene Sulfonated Formaldehyde Condensateds)NFC本品為芳香族磺酸鹽醛類縮合物，主要以?磺化後與甲醛縮合而得的產品，平均分子量約1000到10000左右，聚合度n值可從5到15左右，產品產製會經過磺化、水解、縮合、中和等過程，外觀顏色呈現棕褐色，酸鹼值分布約7∼10，以液體方式計量添加使用，以有效成分38%∼40%為例，通常添加量為(0.9%∼2.8%)×膠結量，減水效果約12%∼30%左右，這類型產品較無緩凝問題，但坍損較大現象是其一大特色。 3.三聚氰胺與甲醛樹脂縮合物(Melamine Sulfonated Formaldehyde Condensateds)MFC 本產品為三聚氰胺與甲醛經樹脂化聚合而得的產品，平均分子量約10000到25000左右，聚合度n值可從40到65左右，同劑量下其凝結時間及空氣量之表現明顯大於?磺酸甲醛縮合物，外觀顏色呈現透明略混白，這類型產品常會被誤當作羧酸產品，使用時應注意，避免魚目混珠。 4.氨基磺酸鹽甲醛縮合物(Sulfamic Acid Formaldehyde Condensates)ASPF 本品為氨基苯磺酸磺化後以甲醛縮合而得的產品，可歸類在多元有機酸系列產品，平均分子量約5000到10000左右，聚合度n值可從10到20左右，產品產製會經過磺化、縮合、中和等過程，外觀顏色呈現墨褐偏紅色，酸鹼值分布約7∼10，以液體方式計量添加使用，以有效成分38%∼40%為例，通常添加量為(0.8%∼2.8%)×膠結量，減水效果約12%∼40%左右，這類型產品較無緩凝問題，具有較佳之坍度保持功能。 5.羰酸高分子縮合物(Polycarboxylic Acid)PCA 本產品為多聚羰酸高分子縮合而成的產品，常見的共聚類型為馬來酸共聚物、丙烯酸與丙烯酸酯、多羧酸接枝共聚物，均為多元有機酸系列產品，平均分子量約15000到30000左右，產品產製會經過磺化共聚、接枝、縮合等過程，外觀顏色會因原料不同而有所差異，一般有呈現微淡黃色、淡紅色、褐色等，酸鹼值分布約2∼10，以液體方式計量添加使用，以有效成分17%∼20%為例，通常添加量為(0.3%∼2.0%)×膠結量，減水效果約12%∼45%左右，具有較佳之坍度保持功能。水泥顆粒對該藥劑分子的吸附成鋸齒型，具有更顯著的空間立體分散效果。 6.其他酯類衍生物或可符合ASTM 規範要求者 化學摻料在國內市場上要求相當嚴格，除了在不溶解物的要求上不得高於0.2%以上，氯離子含量亦不得高於500ppm，在品質驗收時，針對酸鹼值、比重值及有效固含量，亦會做均勻性及同等性試驗；另外，監控每批貨的留樣及物性表現，更積極了解產品狀況，並於每季、每半年或年度，對使用之化學摻料做一次總體檢，以表現生產品控的一定水準，體檢內容包含了基本減水效果、空氣含量、工作性、抗壓強度等。 《未完待續》 |
