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研究生： 葉一賢
Ye Yi-Shian
論文名稱： 新型聚羧酸系強塑劑的合成與應用
指導教授： 許貫中
Hsu, Kung-Chung
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
中文關鍵詞： 羧酸系強塑劑 、迷你坍度 、坍度損失 、分子量 、反應物比例
英文關鍵詞： carboxylate-based superplasticizer, mini-slump, slump loss, molecular weight, reactant ratio
論文種類： 學術論文
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    • 傳統混凝土為了提高工作度，必需添加多量的水，如此一來，雖然提高了工作度，卻因此降低了混凝土的強度。添加強塑劑能夠大幅降低需水量，得以拌製低水膠比、高流動性、高強度的混凝土。
    本研究合成一種新型的聚羧酸系聚合物(PMAMP)，作為混凝土強塑劑。PMAMP係以甲基丙烯酸(MAA)與2-丙烯醯胺-2甲基丙烷磺酸(AMPSA)為反應物，經自由基聚合反應而得。在實驗過程中，合成各種PMAMP，其MAA/AMPSA比例分別為1/4、2/3、1/1、3/2、4/1，重量平均分子量為2.5×104~4.1×105。拌製水泥漿(水灰比0.3)，砂漿(水灰比0.42)和混凝土(水膠比0.42)。探討PMAMP的反應物比例和分子量對於各水泥質材料性質的影響。
    從水泥漿的測試結果得知，隨著PMAMP的分子量增加，漿體的迷你坍度呈現先增後減的趨勢，在PMAMP分子量約為4~6×104時，漿體有最高的迷你坍度值；隨著MAA/AMPSA比例的增加，水泥漿體的迷你坍度趨勢亦是先增後減，在MAA/AMPSA=3/2~1/1時，漿體有最高的迷你坍度值。另外，在砂漿與混凝土也得到相似結果。比起商用的磺酸系強塑劑HPC1000，在同一配比下PMAMP需要較少的劑量即可達到相同的工作性，且具有較佳的坍度維持效果。

    More water is usually added into concrete to achieve good workability, and this causes a decrease of the concrete strength. The addition of superplasticizers can reduce the water demand enormously and therefore make the resulting concrete with low water/binder ratio with improved workability and higher strength.
    This thesis has synthesized a new carboxylate-based copolymer (PMAMP) as a concrete superplasticizer. PMAMP was prepared from methacrylic acid (MAA) and 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPSA) through a free radical copolymerization. Experimentally, PMAMPS with different MAA/AMPSA ratios (i.e.,1/4,2/3,1/1,3/2,4/1) and different molecular weights (Mws) ranging from 2.5×104 to 4.1×105 were prepared. Cement pastes (W/C=0.3), mortars (W/C=0.42) and concrete (W/B=0.42), were made. The effects of the MAA/AMPSA ratio and Mw of PMAMP on the properties on cementitious materials were investigated.
    The results of cement pastes indicate that as Mw is increased, the mini-slump of pastes increases first, reaches a highest value at Mw about 4~6×104, and then decreases afterwards. As MAA/AMPSA is increased, the mini-slump of pastes also increases first, reaches a maximum , and then decreases subsequently. Cement pastes with MAA/AMPSA= 3/2~1/1, show the highest slump values. The results of mortars and concretes are similar to those of cement pastes. Compared to the commercial sulfonate-based superplasticizer (HPC1000), PMAMP requires less amount to make concrete with same workability and shows better slump-retention effect.

    第一章 前言---------------------------------1 第二章 文獻回顧-----------------------------------3 2.1 混凝土材料---------------------------------3 2.1-1水泥的組成-------------------------3 2.1-2混凝土的觀念進展--------------------4 2.1-3高性能混凝土材料性質----------------6 2.2 摻料對混凝土性質的影響---------------------7 2.2-1摻料及強塑劑的定義-------------------7 2.2-2強塑劑之種類------------------------------10 2.2-3強塑劑的作用機制--------------------------14 2.3 強塑劑對混凝土材料的影響-------------------19 2.3-1強塑劑的添加目的---------------------------19 2.3-2強塑劑演化歷程-----------------------20 2.3-3未來展望-----------------------------------28 第三章 實驗部分----------------------------------------29 3.1 實驗材料----------------------------------------29 3.2 實驗儀器--------------------------------------32 3.3實驗方法-------------------------------33 3.3-1聚合反應---------------------------33 3.3-2水泥漿拌製--------------------------34 3.3-3水泥砂漿拌製----------------------34 3.3-4混凝土拌製--------------------------34 第四章 測量原理與分析---------------------------39 4.1 強塑劑基本性質測定----------------39 4.1-1固含量測定---------------------------39 4.1-2產率測定---------------------------39 4.1-3分子量測定------------------39 4.1-4紅外光譜儀（IR）分析-------------------------40 4.1-5核磁共振儀（NMR）測定----------40 4.2 水泥漿物理性質測定---------------------41 4.2-1迷你坍度錐平均擴散直徑與坍度維持測試---------------41 4.2-2水泥漿黏度測試-----------------------41 4.2-3凝結時間測試----------------------------41 4.3水泥漿物理性質測定----------------------42 4.3-1水泥砂漿流度試驗--------------------42 4.3-2水泥砂漿抗壓強度試驗-------------42 4.4混凝土材料物理性質測定---------------------43 4.4-1坍流度測試-----------------------------43 4.4-2抗壓強度測試--------------------------43 4.4-3超音波測試----------------------------43 第五章 結果與討論-----------------------------------44 5.1強塑劑基本性質分析--------------------------44 5.1-1強塑劑合成分析-----------------------44 5.1-2強塑劑化學光譜鑑定------------------46 5.1-3起始劑濃度與分子量關係--------------50 5.2 PMAMP劑量對水泥質材料流動性之影響---------52 5.2-1 PMAMP 劑量對水泥漿迷你坍度影響--------------------52 5.2-2 PMAMP 劑量對水泥漿黏度之影響-----------------------57 5.2-3 強塑劑劑量對水泥漿坍度損失之影響--------------------58 5.2-4強塑劑量對水泥砂漿流度影響--------------------61 5.2-5強塑劑量對水泥砂漿抗壓強度影響------------------62 5.3 AMPSA比例對混凝土材料性質之影響---------------------65 5.3-1 AMPSA比例對水泥漿體流變性質影響-------------------65 5.3-2 AMPSA比例對水泥漿坍度維持影響----------------------68 5.3-3 AMPSA比例對水泥漿凝結時間影響----------------------71 5.4 PMAMP分子量對混凝土材料性質之影響-----------------73 5.4-1 分子量對水泥漿迷你坍度之影響--------------------73 5.4-2 PMAMP分子量對水泥漿坍度損失之影響---------------76 5.4-3強塑劑之分子量對水泥漿凝結時間之影響---------------78 5.4-4強塑劑分子量對水泥砂漿流動性之影響------------------80 5.5 PMAMP對混凝土性質影響-------------------------------81 5.5-1 PMAMP對混凝土工作度影響-----------------------81 5.5-2 PMAMP對混凝土硬固性質影響---------------------------83 第六章 結論-----------------------------------------87 第七章 參考資料------------------------------------89 圖目錄 圖 2.1改良磺酸化木質素化學結構-------------------------10 圖2.2 SNF化學結構式---------------------------------11 圖2.3 SMF化學式-------------------------------------------12 圖2.4 壓克力酸鹽或共聚物分子結構------------------------13 圖2.5 Polymer of Acrylic Ester製造流程圖-----------------14 圖2.6 水份被水泥粒子束縛------------------------------15 圖2.7 靜電排斥力作用---------------------------------16 圖 2.8 立體障礙排斥------------------------------------16 圖2.9 輸氣作用-----------------------------------------17 圖2.10 水披覆層環繞效應--------------------------18 圖2.11 添加SNF強塑劑之混凝土坍度損失----------------22 圖2.12 SNF與共聚物摻和使用之坍度損失圖------------------23 圖2.13 CAE與SNF坍度損失比較圖---------------------24 圖2.14 SNF與CAE抗壓強度成長圖-----------------24 圖2.15 SNF與PCE吸附機理比較---------------------25 圖2.16 PCA化學式-----------------------26 圖2.17 各種PCA結構簡圖------------------------------26 圖2.18 CA/CE比例對水泥漿流動性影響-------------------27 圖 3.1 迷你坍度錐---------------------------------33 圖3.2 共聚合反應流程圖---------------------35 圖3.3 共聚合反應合成裝置示意圖-----------------36 圖3.4 實驗流程圖(一)---------------------------------37 圖3.5 實驗流程圖(二)----------------------------------37 圖3.6 實驗流程圖(三)-----------------------------38 圖3.7 實驗流程圖(四)---------------------------------38 圖5.1-1 PMAMP的化學分子式-------------------------46 圖5.1-2 PMAMP之IR吸收光譜-------------------------47 圖5.1-3 PMAMP之H1NMR光譜圖--------------------48 圖5.1-4 PMAMP之C13NMR光譜----------------------49 圖5.1-5 PMAMP 之C=O NMR光譜比較----------------49 圖5.1-6 PMAMP中產物與進料所含AMPSA比例之關係--------------50 圖 5.1-7 PMAMP分子量與起始劑濃度關係圖-----------------51 圖 5.2-1 A系列PMAMP劑量與水泥漿迷你坍度關係圖------------55 圖 5.2-2 B系列PMAMP劑量與水泥漿迷你坍度關係圖-----------55 圖 5.2-3 C系列PMAMP劑量與水泥漿迷你坍度關係圖-----------56 圖5.2-4 商用強塑劑劑量對水泥漿迷你坍度關係圖------------56 圖5.2-5 強塑劑劑量與水泥漿視黏度關係圖-----------------58 圖5.2-6 迷你坍度與時間關係圖(Sp:B5)----------------------60 圖5.2-7水泥漿黏度對時間圖-------------------------------60 圖5.2-8 強塑劑劑量與水泥砂漿擴散直徑關係圖(W/C=0.42)-----61 圖5.2-9強度影響(W/C=0.42 齡期3天)-----------------63 圖5.2-10強塑劑劑量對水泥砂漿抗壓強度影響(齡期7天)--------63 圖5.2-11劑量對水泥砂漿抗壓強度影響(齡期28天)-------------64 圖5.2-12水泥砂漿抗壓強度發展圖(Sp=0.5%)-----------------64 圖5.3-1 AMPSA比例對水泥漿體流動性影響(Sp=0.2%)------67 圖5.3-2 AMPSA比例對水泥漿體流動性影響(Sp=0.5%)-----67 圖5.3-3 AMPSA比例與水泥漿黏度關係圖---------------68 圖5.3-4 AMPSA比例與水泥漿坍度損失圖(Mw:5×104)--------69 圖5.3-5 AMPSA比例與水泥漿坍度損失圖(Mw:1.2×105)---------70 圖5.3-6水泥漿黏度與時間關係圖(Sp=0.5%)-----------------70 圖5.3-7強塑劑種類與水泥漿凝結時間關係圖(Mw: 5×104)------72 圖5.3-8 強塑劑種類與水泥漿凝結時間關係圖(Mw: 1.2×105)---72 圖5.4-1 PMAMP分子量與迷你坍度關係圖(Sp=0.2%)-----------75 圖5.4-2 PMAMP分子量與水泥漿視黏度關係圖(Sp=0.2%)--------75 圖5.4-3 PMAMP分子量與水泥漿視黏度關係圖(Sp=0.5%)--------76 圖5.4-4 B系列PMAMP分子量與水泥漿坍度損失關係圖---------77 圖5.4-5 C系列PMAMP分子量與水泥漿坍度損失關係圖(Sp=0.2%)78 圖5.4-6 B系列PMAMP分子量與凝結時間關係圖(Sp=0.2%)-----79 圖5.4-7 C系列PMAMP分子量與凝結時間關係圖(Sp=0.2%)---------79 圖5.4-8 PMAMP分子量與水泥砂漿流動性的關係圖 ( Sp: B系列).-80 圖5.4-9 強塑劑分子量與水泥砂漿流動性的關係圖------------81 圖5.5-1 混凝土抗壓強度發展圖----------------------------84 圖5.5-2 混凝土齡期與超音波速度圖-------------------84 圖5.5-3 使用B5強塑劑之混凝土新拌性質照片(0分鐘)---------85 圖5.5-4 使用C5強塑劑之混凝土新拌性質照片(0分鐘)----------85 圖5.5-5使用C5強塑劑之混凝土新拌性質照片(60分鐘)----------86 圖5.5-6 使用HPC1000強塑劑之混凝土新拌性質照片(0分鐘)----86 表目錄 表2.1波特蘭水泥熟料之組成---------------------------------3 表2.2 傳統混凝土與高性能混凝土材料差別----------------6 表2.3 ASTM C494 化學摻料型別及規範------------------8 表2.4 化學摻料對混凝土的影響---------------------------9 表2.5 SNF與PCA的添加方式對混凝土坍度影響---------------21 表2.6 PCA化學結構對漿體性質影響---------------------------27 表3.1 聚合反應藥品清單---------------------------------29 表3.2 水泥、爐石、飛灰之化學成分及物理性質--------------30 表3.3 細骨材篩分析結果---------------------------31 表3-4 粗骨材篩分析結果------------------------31 表3.5 合成PMAMP之代碼---------------------35 表3.6 混凝土的配比組成-----------------------36 表5.1-1合成強塑劑之代號、反應條件與物理性質------------45 表5.1-2 PMAMP的紅外光譜文獻值與測定值-----------------47 表5.2-1 PMAMP與商用強塑劑劑量與水泥漿迷你坍度關係--------54 表5.4-1混凝土強塑劑用量與工作度表---------------------82

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