現代營建 314---水泥混凝土使用摻料之問題探討

水泥混凝土使用摻料之問題探討

□房性中／中華顧問工程司材料試驗部　主任工程師兼鋪面組組長、大地工程技師

摘要
水泥混凝土係由水泥、水及粒料等材料拌和而成的混合物，並於特殊考量及工程需求下，經常添加摻料，以達到優良品質之目的。相對地，如何正確且有效的使用摻料，便成為水泥混凝土領域中一門很重要且具關鍵性角色的學問暨機制。本文擬依據個人淺顯之經驗及蒐集所得之豐碩文獻資料，提出相關的探討與注意事項等拙見，除希有助於從業人員卓參之外，亦祈各界專家不吝賜教。

一、前言

水泥混凝土材料取自於大地礦石，因產製技術、拌和經驗及施工水準之差異，均可能導致最終產品品質良莠不齊，又自1970年代末期起，水泥混凝土技術開始進入高科技時代，為達到工程需求及品質目的，不斷發展出適用之摻料產品和新的施工方法，可使結構體獲致較佳之工作性及強度，時至今日，水泥混凝土使用摻料，已成為一種必要且有效的手段與策略，不容忽視或小覷。
希藉本文之陳述，以釐清一些盲點或錯誤使用的觀念，則幸甚。

二、摻料種類與用途

        廣義而言，除水泥混凝土之主要組成材料之外，舉凡一切必要且有效的其他添加物，皆可稱之為摻料。狹義而論，摻料則僅包括輸氣摻料、化學摻料、礦粉摻料及其他摻料等四大種類，詳表一所示。本文則以前三項種類為主。
         摻料的用途，依照ACI 212﹝文獻(4)﹞言簡意賅的定義，主要原因是為求經濟。其次所要關切的可能是水泥混凝土的工作性、可泵送性、澆置、強度發展、修飾品質及成品外觀等項目。
         雖然使用摻料有非常多的益處，但添加劑量的過與不及，不是造成浪費、就是無法獲致預期中之效益，反而衍生弊端，故正確的使用，才是根本之道。
         另外，水泥混凝土亦可能同時使用數種摻料、且用量亦必有所差異，不同種類摻料之間勢必有所干擾或互制性，因此在運用各項摻料之前，應確實進行水泥混凝土配比設計作業，以釐清摻料之特性程度暨可能產生之副作用。至於摻料的使用可能對水泥混凝土品質的影響，列如表二所示。相關注意事項詳表三所示。

三、輸氣摻料

         輸氣摻料是一種添加於水硬性水泥、水泥砂漿或水泥混凝土中，可以使其在拌和中產生直徑1mm或更小之細小氣泡的摻料。通常可用以改善工作性、抗凍性及不透水性。相對地，可提昇水泥混凝土處於凍融循環及潮濕環境下之耐久性與表面防剝性。對新拌混凝土而言，則可降低或減少泌水和析離現象。然而，若不減水而只是輸入氣泡，則可能會使強度折減，不可不慎。至於輸氣摻料的性能，ASTM C260及CNS 3091皆規定如表四所示。
         輸氣摻料的成效，會受到水泥混凝土組成材料、配比、拌和等之影響。致必須特別再行注意下列事項：
        (一) 使用較高的水泥含量會降低輸氣效果。         (二) 較高的施工溫度會降低輸氣效果。
        (三) 坍度愈小則輸氣量愈少。
        (四) 搗實時間過長則輸氣量會減少。
        (五) 恰當的拌和將提供最佳的輸氣量。
        (六) 增加水泥細度亦會減小輸氣效果。
        (七) 使用碎石砂、粒料不潔、含有機物時，將增加輸氣摻料的使用量。
        (八) 水的硬度增加時，會減弱輸氣效果。
        (九) 使用高鹼性水泥比低鹼性水泥需要較少的輸氣摻料。
        (十) 輸氣摻料用量一定時，增加礦粉摻料之使用時，其輸氣量會因而減少。若摻有CaCl2速凝劑時，則其輸氣量會增加。
        (十一) 若使用減水劑，則輸氣量會增加。
         至於常使用輸氣摻料的混凝土則有：
        (一) 輕質結構混凝土。
        (二) 絕緣及填充性混凝土。
        (三) 預鑄混凝土。
        (四) 混凝土管。

四、化學摻料

         化學摻料為溶解性化學物質，稀釋後加入水泥混凝土中拌和之，可改善成品相當多之性質，一般分為：減水劑、緩凝劑、速凝劑及強塑劑等四大類。ASTM C494﹝文獻(8)﹞及CNS 12283﹝文獻(9)﹞則將化學摻料細分為七大類，詳表五所示。本文僅針對前項四大類予以分別說明如下：
(一) 減水劑
         減水劑是一種用來減少混凝土拌和用水量而產生一固定稠度或是在固定用水量時，能增加坍度的摻料。同時，在固定配比時，用水量減少將有利於強度提昇並達到良好的工作性。有些減水劑會延緩混凝土的凝結時間、增加輸氣量或增加乾縮量等，使用時得經由配比設計方可印證之。
         使用減水劑時，必須注意下列事項：
        1. 依據表五A型減水劑的規定，至少需減少用水量5%以上，通常可達5~10%之值，但若達10%以上更高的減水效能，卻可能衍生析離及泌水現象。
        2. 採用之水泥若含有較高的鹼含量，則減水劑之減水成效將降低。
        3. 一般減水劑所提供之坍度，並不代表其稠度亦佳。
        4. 使用減水劑雖可提昇強度，但需相對控制其乾縮量。
        5. 為降低水化作用所提高之溫度，使用減水劑有利於減少水泥用量、節省費用。
        6. 大部份減水劑均為水溶性溶液，其中所含水份，應作為配比設計所需用水量的一部份。
        7. 混凝土使用減水劑後，若其用水量及水泥用量、含氣量有所改變，則其配比可能需再予調整；但水泥漿與粗粒料必須保持固定之比例，不可任意變更。
        8. 若擬製造高強度混凝土(抗壓強度6000psi以上)，增加減水劑用量，可增加其強度。
        9. 減水劑用於Tpye 2及Tpye 4 低鹼卜特蘭水泥，則其減水及提昇強度的效果將更佳。
        10. 若擬同時使用減水劑及輸氣摻料，需特別注意其間之相容性或互制性。不可任意混合使用。
        至於常使用減水劑的混凝土則有：
        1. 巨積混凝土。
        2. 高強度混凝土。
        3. 長途運輸之預拌混凝土。
        4. 預壘混凝土。
        5. 預鑄混凝土。
        6. 防水用混凝土。
        7. 隧道混凝土。
        8. 一般混凝土結構物。
        9. 鋪面混凝土。
(二) 緩凝劑
         緩凝劑是一種用來延緩混凝土凝結時間的摻料。一般在混凝土拌和後再添加的效果將更好。預期可以降低水泥水化熱、避免混凝土分層澆置作業時產生冷縫、保持高溫環境下有較長的工作時間以及增加工作性。
         使用減水劑時，必須注意下列事項：
        1. 不可使用過量，以避免衍生混凝土不凝固的現象。
        2. 必須防止可能由於加速C3A水化而引起坍度過份損失、造成泌水現象、影響輸氣作用。
        3. 使用緩凝劑可能會加速乾縮變形的速率，但對總變形量則無影響。
        4. 緩凝作用會使混凝土微觀結構趨於緊密而提昇強度。
        5. 緩凝劑本身不會降低混凝土的初始溫度。
        6. 可抵銷熱天高溫時混凝土凝結的加速影響。
        7. 大部份緩凝劑亦作為減水劑之用，同時亦會產生輸氣之功用。
        8. 使用緩凝劑會伴隨早期強度減少(1~3天之材齡)，但有利於晚期強度之提昇。
        9. 使用量約為水泥用量的0.25%~0.5%，增加使用量，可提高減水效果，但最大使用量以不超過水泥用量的1.25%為宜。最好仍需由配比工作印證之。
        至於常使用緩凝劑的混凝土則有：
        1. 高溫下或長距離搬運之混凝土。
        2. 鋪面混凝土。
        3. 巨積混凝土。
        4. 預壘混凝土。
        5. 困難或不易澆置之混凝土。
        6. 一般混凝土結構物。
(三) 速凝劑
         速凝劑是一種用來加速混凝土早期強度發展的摻料。並可以使凝結時間縮短、加速水泥的水化作用，但若反應過於快速，則將造成晚期強度降低的情況或增加乾縮變形量。一般使用的時機為緊急搶修工程、需提早粉刷、抹光之工程、提早拆模、提早使用建物、噴漿工程或冷天施工時之用。
         CaCl2是一種具活性的材料且大部份被作為速凝劑之用。但因其會加速鋼筋的腐蝕速率，因此除了限制混凝土使用CaCl2 的用量不得超過水泥用量的2%之外，若有以下狀況建議不可使用CaCl2 ：
        1. 天氣酷熱。
        2. 預力混凝土。
        3. 混凝土中含鋁質建材。
        4. 混凝土可能有鹼性粒料反應或硫酸鹽侵蝕顧慮時。
        5. 核子防護用之混凝土。
        6. 準備使用乾式金屬修飾之混凝土。
         使用速凝劑時，必須注意下列事項：
        1. 熱天施工而仍需使用速凝劑時，應特別小心，以避免因水化作用快速而昇高溫度、衍生乾縮裂縫等負面影響。
        2. 會提早釋放熱量，但對於水化作用的總熱量則不變。
        3. 混凝土早期強度雖會顯著增加，但其最終強度則可能會略有降低。而抗彎強度機制者的增加量，通常略低於抗壓強度機制者的增加量。
        4. 有時需要另行添加少量的輸氣摻料，以達到所需的含氣量。不過需再行評估其負面效應。
        5. 混凝土的體積會有所增加。
        6. 可改善早期抗凍融性。但會減弱抗硫性。
        7. 會增加鹼-矽作用所產生的膨脹性。
        8. 若不擬採用CaCl2速凝劑，可改用Type 3 水泥、增加水泥用量、採用加熱方法或延長養護時間等方法因應之。
        9. 使用速凝劑混凝土的配比資料，與不使用速凝劑者應完全相同。
        至於常使用速凝劑的混凝土則有：
        1. 噴凝土。
        2. 預鑄混凝土。
        3. 不含氯化物則適用於預力混凝土。
(四) 強塑劑
         強塑劑通常可以減水15%~30%，比前述傳統之減水劑高出3~6倍之多。此一特殊功能使得混凝土可以形成高坍度而無泌水的流動混凝土或水灰比介於0.3~0.4之高強度混凝土。但其效果的延時亦僅約30~70分鐘左右，在此一時間內若不能完成作業，則其工作性將迅速損失而招致失敗。
         使用強塑劑時，必須注意下列事項：
        1. 強塑劑的運用，在不減水的狀況下，只對混凝土提供流動性效果，理論上不會增加強度。
        2. 使用強塑劑的高流動性特性，有利於混凝土進行高樓幫浦灌輸作業。
        3. 對水泥而言，可節省用量並增加擴散效果。
        4. 增加混凝土防水功效。
        5. 可降低水灰比、減少粒料析離之現象。
        6. 可增進握裹力，有助於混凝土整體結構之安全性。
        7. 在「有效時間」內，可大幅增進工作性，但超過時效，則不增反降；因此，如何確實掌握時間，成為關鍵之一。
        至於常使用強塑劑的混凝土則有：
        1. 流動性混凝土。
        2. 高強度混凝土。
        3. 一般混凝土結構物。

五、礦粉摻料

         礦粉摻料係將固體之材料加工或研磨成細粉狀，然後依配比所需加入混凝土內，以改善工作性、耐久性、粉光性、抗硫性、抗膨脹性、降低透水性、減少水化熱、節省水泥用量或其他性質者。一般而言，適用於各類混凝土中。
         至於礦粉摻料的種類可區分為：膠結性材料、卜作嵐材料及卜作嵐與膠結性材料等三大類，茲扼要說明如下：
(一) 膠結性材料
         天然水泥、高爐石粉、水硬性石灰等材料加入水及適當的觸媒物質後，即可迅速反應產生膠結作用，故可作為良好的膠結材料。其規範規定分別為：
        1. 天然水泥：ASTM C618、AASHTO M295及CNS 10896。
        2. 高爐石粉：ASTM C595、AASHTO M240及 CNS 14793。
        3. 水硬性石灰：ASTM C141。
(二)卜作嵐材料
         飛灰是最具代表性及具有龐大使用績效的卜作嵐材料。其規範規定分別為：
        1. ASTM C618。
        2. AASHTO M295。
        3. CNS 10896。
(三)卜作嵐與膠結性材料
         ASTM C618中C級飛灰即屬此類材料，可取代部份水泥之用，而不損及早期強度。
(四)使用礦粉摻料之注意事項
        1. 膠結性之礦粉摻料，其使用成效會受到顆粒細度、玻璃質含量及鹼性物質含量程度的不同，而有所差異，故在使用前應依規範規定釐清之。切忌混淆採用。
        2. 卜作嵐之礦粉摻料，常用來取代水泥以降低水化熱，但會損及早期強度，因此，需適當地降低水灰比以彌補之。另外，也可以用來取代部份砂或同時取代一部份水泥與一部份砂；此時，配比作業相當重要，不可任意取代之。
        3. 同時具備卜作嵐與膠結性之礦粉摻料，以臺灣地區所生產之C級飛灰而言，品質未克穩定、且產量不多，故在實務上仍不普遍，不宜冒然採用。
        4. 使用礦粉摻料，可相對減少水泥用量而達到降低成本之目的，但亦會延緩混凝土強度發展，以至於必須延後拆模或增加養護時程，設計工程師必須作整體考量之。不可有所偏廢。
        5. 在決定要採用礦粉摻料之前，應先行釐定混凝土的特性需求及經濟性。而添加礦粉摻料之後對混凝土所可能產生之影響，亦需予以評估。
        6. 礦粉摻料的計量方法需依照ACI 304或ASTM C94之規定辦理。
        7. 礦粉摻料應和混凝土之材料同時倒入拌和機中，且不宜與水同時添加於拌和機。
        8. 不同批號或保存時限過久之礦粉摻料，應加作試驗印證其可用性，不可逕行採用之。
        9. 一般不會起化學作用的礦粉摻料，除非會影響混凝土的用水量，否則不會影響水泥的使用量。

六、結論與建議

        1. 早期的混凝土結構物，大多以不添加摻料為主要原則，亦即非到萬不得已的情況，仍以少用或絕對不用為主。然而近三十年來，隨著高性能、自充填或高流動性、高強度等混凝土的應運而生，皆依賴摻料的使用才能達到功能需求，致摻料的使用已具正面之價值及意義，不容小覷。
        2. 國內外研發摻料或代理之廠商甚多，常令設計工程師千頭萬緒，無所適從，但是唯一之道就是必須堅持配比作業與試拌試作並符合政府採購法之程序，否則難杜攸攸之口。
        相同混凝土中若同時採用兩種(含)以上之摻料時，應特別再予評估其互相干擾之可能性或互制性，並儘量以能彼此互容為原則。￭

參考文獻

1. 經濟部標準檢驗局網站，http://www.bsmi.gov.tw/page/pagetype6_sub.jsp?groupid=5&no=82&pageno=659&type_no=1， 2002年7月。
2. 黃兆龍，“混凝土摻料(附加劑)”，臺灣公路工程月刊工程材料及土壤類專輯， 1990年4月。
3. 謝志尚譯，“混凝土摻料之使用準則” ，臺灣公路工程月刊工程材料及土壤類專輯， 1990年4月。
4. ACI, ”Chemical Admixtures for Concrete”, ACI 212.3R-91,1996.
5. 廖肇昌譯，“混凝土配比設計與控制”，民全書局，1988年4月。
6. ASTM C260-01, “ Standard Specification for Air-Entraining Admixtures for Concrete”, 8,2001.
7. CNS 3091，“混凝土用輸氣附加劑”，19 86年12月。
8. ASTM C494/C494M,” Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete”, 2004.
9. CNS 12283,“混凝土用化學摻料”，2001年12月。
10. ASTM/AASHTO規範查詢網站，http://www.ihserc.com/。
11. CNS規範查詢網站，“http://www.cnsonline.com.tw/index.html.“。

表一　摻料的種類、常用成份及功能一覽表 [修正自文獻(2)]

種類			成份		功能	注意可能事項	ASTM 範規	CNS 規範	AASHTO 規範
輸氣摻料			氣液界面活性劑，磺化木質素，木材或動物處理品等。		增加抗凍耐久性、改良工作性、增加水密性、凝聚性、減少析離及泌水、增加抗硫性、增加表面粉光性	輸氣而不減水會損失強度	C 260	3091	M154
化學摻料		凝結調整摻料	速凝劑	鈣鹽、有機鹽C_aCl₂、碳酸鈉、氟鋁酸鹽、鋁酸鈉、硫鋁酸鹽。	加速C₃S水化、獲得早強、噴漿、快硬	C_aCl₂會腐蝕鋼筋	C 494	12283	M194
		凝結調整摻料	緩凝劑	磺化木質素及其鹽類、醣及誘導物、無機鹽、羥化酸。	遲滯C₃S水化、避免冷接縫或模板下陷、裂縫	可能引起過度坍度損失或不硬、泌水或損失輸氣量	C 494	12283	M194
		減水摻料	傳統	羥化酸、磺化木質素、聚合物等。	使水泥顆粒分散、增進品質、增進經濟性、增加工作性和改變流變性	可能不硬	C 494	12283	M194
		減水摻料	強塑劑	合成聚合物、三聚氰胺—蟻酸、磺化木質素—萘、磺化木質素	流動性混凝土：7~9"坍度、超高強度混凝土(W/C＜0.4)低坍度時仍具工作性	坍度損失快、需後加、重複加、影響輸氣量	C 494	12283	M194
礦粉摻料				惰性材料粉末、膠結性材料(如爐石、天然水泥、水硬性石灰等)、卜作嵐材料(如飛灰等)。	增進工作性、增加耐久性、降低水化熱、節約成本	降低早期強度、增加用水量	C 618 C 595	10896 14793	M295 M240
其他摻料	粘結劑、起泡劑、除蟲菌劑、防銹劑、助泵劑、減滲劑、防潮劑、著色劑、膨脹劑、灌漿劑、聚簇劑				―

表二　摻料的使用對混凝土品質的影響 [修正自文獻(2)]

混凝土性質	摻料的種類
工作性	減水劑、礦粉、輸氣劑、卜作嵐、聚合物、乳液
強度	減水劑、聚合物、乳液、輸氣劑、緩凝劑、卜作嵐
耐久性	輸氣劑、聚合物、乳液、減水劑、防銹劑、卜作嵐、斥水劑
變形	減水劑、凝結控制劑
特殊混凝土	聚合物乳液、爐石粉、膨脹劑、著色料、發泡劑
凝結	速凝劑、緩凝劑

表三　摻料使用應注意事項 [修正自文獻(2)]

項目	檢定內容
摻料需符合ASTM，AASHTO或CNS規範	(1)對混凝土主要功能(2)摻料可能有的其它性能影響(3)摻料的物理性質(4)活化劑濃度(5)任何氯、硫、硫酸、磷、醣、硝酸、胺酸等潛在有害物質(6)pH值(7)對使用者潛伏的傷害(8)儲存條件及存放年限(9)摻料準備方式及添加方式(10)建議劑量、最大容許劑量及超量可能造成的影響。
參照廠商提供之建議劑量並現場試拌以決定所需性能	(1)水泥組成成份(2)粒料性質和雜質(3)配比設計(4)其它摻料的使用(5)拌和方法及時間(6)添加時機(7)混凝土溫度(8)養護條件。
確定摻料使用量	(1)劑量量測器精確度。 (2)一般化學及輸氣摻料之用量約為水泥重量的0.1%。
判斷摻料對混凝土可能造成的影響	(1)同一類型摻料其化學成份可能不同。 (2)主要摻料可能有數種功能。 (3)不同摻料之間可能有干擾及互制性。

表四　輸氣摻料性能需求表 [文獻(6)、(7)]

項目	要求值*
泌水量	＜2％
凝結時間	初凝及終凝時間均不得超出±1.25小時
抗壓強度	任何齡期不得低於標準控制試體的90％
抗彎強度	任何齡期不得低於標準控制試體的90％
抗凍融性	相對耐久性係數＞80
長度變化量(齡期14日)	不得大於標準控制試體的120％，若本身長度變化小於0.03％時，則乾縮長度變化之增量不得超過標準控制試體長度變化的0.006％

*係與標準控制試體作比較所得之值。

表五　化學摻料物性要求﹝文獻(8)、(9)﹞

摻料種類物理性質	A型減水劑	B型緩凝劑	C型速凝劑	D型減水緩凝劑	E型減水速凝劑	F型高性能減水劑	G型高性能減水緩凝劑
用水量，最大值(佔基準混凝土用水量％)	95	—	—	95	95	88	88
凝結時間，允許與基準混凝土之差(時:分)
初凝	—	後1:00以上	早1:00以上	後1:00以上	早1:00以上	—	後1:00以上
	早1:00及後1:30以內	後3:30以內	早3:30以內	後3:30以內	早3:30以內	早1:00及後1:30以內	後3:30以內
終凝	—	—	早1:00以上	—	早1:00以上	—	—
	早1:00以上及後1:30以內	後3:30以內	—	後3:30以內	—	早1:00及後1:30以內	後3:30以內
抗壓強度，最小值（佔基準混凝土強度％）(2)
1天	—	—	—	—	—	140	125
3天	110	90	125	110	125	125	125
7天	110	90	100	110	110	115	115
28天	110	90	100	110	110	110	110
6個月	100	90	90	100	100	100	100
1年	100	90	90	100	100	100	100
抗彎強度，最小值（佔基準混凝土強度％）(2)
3天	100	90	110	100	110	110	110
7天	100	90	100	100	100	100	100
28天	100	90	90	100	100	100	100
長度變化，最大收縮量 (兩規定可選用其一)(3)
佔基準混凝土變化量%	135	135	135	135	135	135	135
超基準混凝土增加量	0.010	0.010	0.010	0.010	0.010	0.010	0.010
相對耐久性係數(4)最小值	80	80	80	80	80	80	80

註(1) 表中所列數值包括對試驗結果之許可正常偏差。對B型附加劑要求達到90%抗壓強度之目的，在於求得能與基準混凝土相比較之操作水準。

(2) 摻有待試附加劑混凝土於任一試驗齡期之抗壓及抗彎強度，應不得少於先前任一齡期所得強度之90％。此一限制之目的在於要求摻有待試附加劑混凝土的抗壓或抗彎強度，應不得隨齡期增長而降低。

(3) 參考ASTM C494第17.1.4節，兩種規定可選用其一，當基準混凝土之長度變化量為0.030%或更大時，則可選用“佔基準混凝土變化量%”之限制條件，當基準混凝土之長度變化量小於0.030%，則可選用“超出基準混凝土增加量”之限制條件。

(4) 此一規定僅適用於當所試驗之附加劑用於在濕潤狀態及可能暴露於凍融作用下之輸氣混凝土中時。