以飛灰製成無機聚合樹脂應用於混凝土補強之可行性研究.pdfVIP

第十屆海峽兩岸環境保護學術研討會 以飛灰製成無機聚合樹脂應用於混凝土補強之可行性研究 1 1 2 張文華 ，鄭大偉 ，吳傳威 1 ．台北科技大學材料及資源工程系 ，台北市 ，臺灣 2 ．台北科技大學土木工程系 ，台北市 ，臺灣 摘要 電力事業燃燒煤炭發電，而煤燃燒後所殘留之固態殘留物即為煤灰。煤灰可分為底灰及飛灰二 大類，其中飛灰產量約為底灰的四倍，因此需更積極尋求飛灰多層面之用途，以提升飛灰之利用量 。 本研究用飛灰及變高嶺為初始原料 ，以矽酸鈉溶液及鹼性溶液混合配製成不同模數比(SiO2/Na2O)之 溶液 ，將其製成無機聚合樹脂(geopolymer resin) ，可嘗試作為混凝土結構物補強之黏著劑。混凝土構 材以碳纖維(carbon fiber) 包覆補強需使用環氧樹脂(epoxy resin) 為界面之黏著劑。由於火災時之高溫 會使混凝土內部的水氣膨脹，因環氧樹脂具不透氣性 ，使得水氣無法順利排除 ，導致混凝土內部孔 隙壓力遽增而產生爆裂現象。而無機聚合樹脂硬化後為一種類似沸石之多孔架狀結構，透氣性良好 ， 且具有製作簡單、耐高溫 、抗酸鹼腐蝕等優點 。本研究即藉其優點 ，研究以無機聚合樹脂取代傳統 包覆用之環氧樹脂之可行性。此外 ，並嘗試先將碳纖維作表面處理 ，更進一步提升無機聚合樹脂與 碳纖維及混凝土界面間之黏結性 。 關鍵字 ：飛灰 、無機聚合樹脂 、碳纖維 、表面處理 1. 前言 建築物 或結構體因年久老化或地震損傷造成安全性不足 ，有時需加以修復補強 。在目前常用的 諸多工法中，以鋼板或纖維複合材料(FRP) 包覆混凝土構件的補強方法甚為普遍。纖維複合材料包括 碳纖維 、玻璃纖維 、芳香簇纖維等 ，其中以碳纖維之力學性質較佳而最常被採用 。包覆之界面膠結 劑包括樹脂 、水泥膠結材等 ，而纖維與混凝土界面間之黏著劑最常被採用者則為環氧樹脂 。薛宏德 的研究 【1】曾發現，因環氧樹脂之熱變形溫度約僅50℃左右 ，高溫易使黏著界面產生脫落 ，當持續 升溫至100~250℃以上時 ，環氧樹脂內部的分子結構會受到破壞而產生溶出現象 ，使得碳纖維貼片與 混凝土間之黏著界面逐漸失效 。此外 ，由於環氧樹脂具不透水性 ，當溫度急遽提昇時 ，會使受圍束 包覆混凝土內部的水氣無法順利排除，導致孔隙水壓遽增而產生爆裂現象 。在實際火場溫度動輒千 度高溫的情況下 ，環氧樹脂是否會提早失去黏著力 ，使得包覆補強效果失效 ，甚至爆裂造成嚴重後 果 ，實值深入探討 。無機聚合樹脂通常是以鋁矽酸鹽(Alumino-Silicate)礦物 、鹼金屬溶液(KOH 或 NaOH) 及矽酸鈉溶液(Sodium Silicate Solution)混合所製成。主要是藉由含矽、鋁元素之礦物或廢棄物 置於鹼性溶液中 ，使礦物表面的矽 、鋁元素被析出 ，而形成無機聚合樹脂之前導物(Geopolymer Precursor) 。當水分散失、膠體逐漸硬化時 ，即形成具有強度的無機聚合物 【2】。 本研究採用燃煤發電所產生之飛灰及變高嶺石為初始原料 ，以NaOH 加入矽酸鈉溶液中 ，同時 加入定量之水 ，藉以控制矽酸鈉溶液之模數比(SiO2/Na2O) ，再加入適當比例之燃煤飛灰 ，於常溫下 混合製成無機聚合樹脂，硬化後之無機聚合樹脂有如沸石之多孔結構，他項性質包括熱膨脹係數小、 2005 年 10 月23-29 日 台中縣 弘光科技大學 第十屆海峽兩岸環境保護學術研討會 高早期強度 、抗酸鹼腐蝕 、耐高溫及耐久性佳等優點 。利用上述優點以無機聚合樹脂取代傳統補強 黏結用之環氧樹脂 ，補足環氧樹脂所欠缺不足的部份 ，並可為燃煤飛灰尋求另一資源化再利用之途 徑。此外並針對碳纖維做表面處理 ，以提升碳纖維與無機聚合樹脂界面間之黏著強度 。 2. 實驗方法與步驟 2.1 實驗材料 2.1.1 碳纖維 本研究所使用之碳纖維由巨瀚科技股份有限公司所提供，型號為UCP-200