公告號	I768210 公開202045330
公告日	2022/06/21
公報卷期	49-18
證書號	I768210
申請號	108119099 E
申請日	2019/06/03
公報IPC	B28B 7/40(2006.01); B28B 1/00(2006.01)
當前IPC	B28B 7/40(2006.01); B28B 1/00(2006.01)
申請人	國立臺灣科技大學 臺北市大安區基隆路4段43號 (中華民國); NATIONAL TAIWAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY NO.43, KEELUNG RD., SEC.4, DA''AN DIST., TAIPEI CITY 10607, TAIWAN (R.O.C.) (TW)
當前專利權人	國立臺灣科技大學; NATIONAL TAIWAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
發明人	陳君弢 (中華民國); CHEN, CHUN-TAO (TW); 王岳昇 (中華民國); WANG, YUE-SHENG (TW)
代理人	洪澄文
審查委員	郭炎淋
摘要	本案提供一種形成水泥基膠結材的方法，包含：將水泥漿體倒入模具中，施加電流於水泥漿體進行電滲反應，將電滲反應後的水泥漿體從模具中移置於水槽中進行養護，以得到具有功能性梯度的水泥基膠結材。本案亦提供一種以上述方法所形成之水泥基膠結材，所述水泥基膠結材之中間的抗壓強度小於兩端的抗壓強度。

引用專利	CN108677640A E; TW201817694A; US2841856 E

專利範圍

1.一種形成水泥基膠結材的方法，包括：將一水泥漿體倒入一模具中，其中一對電極浸沒於該水泥漿體中，且該對電極連接至一外加電源；施加一電流於該對電極之間的該水泥漿體進行一電滲反應，其中該電滲反應使得溶於水中的鈣離子(Ca2+)與氫氧根離子(OH-)分別遷移到該對電極附近，於該對電極處生成氫氧化鈣(Ca(OH)2)，並填充該水泥漿體中的孔隙；將該電滲反應後的該水泥漿體從該模具中移置於一水槽中進行一養護，以得到具有功能性梯度的一水泥基膠結材。 2.如申請專利範圍第1項所述之形成水泥基膠結材的方法，其中該水泥漿體之水灰比介於0.6到0.8之間。 3.如申請專利範圍第1項所述之形成水泥基膠結材的方法，該水泥漿體更包括一粒料或一卜作嵐材料。 4.如申請專利範圍第1項所述之形成水泥基膠結材的方法，其中在將該水泥漿體倒入該模具中的步驟之後，立即施加該電流於該水泥漿體產生該電滲反應。 5.如申請專利範圍第1項所述之形成水泥基膠結材的方法，其中該對電極為金屬、非金屬或金屬合金。 6.如申請專利範圍第1項所述之形成水泥基膠結材的方法，其中施加該電流的時間在2到14小時之間且該電流在0.01到0.2A之間。 7.一種具有功能性梯度的水泥基膠結材，其中該水泥基膠結材由如請求項1之方法而得，其中該水泥基膠結材之中間的抗壓強度小於兩端的抗壓強度，其中該水泥基膠結材之兩端的孔隙率小於中間的孔隙率。 8.如申請專利範圍第7項所述之具有功能性梯度的水泥基膠結材，更包括一粒料或一卜作嵐材料。 9.如申請專利範圍第7項所述之具有功能性梯度的水泥基膠結材，其中該水泥基膠結材之兩端的氫氧化鈣(Ca(OH)2)對二氧化矽(SiO2)的比例(Ca(OH)2/SiO2)大於中間。 10.如申請專利範圍第7項所述之具有功能性梯度的水泥基膠結材，其中該水泥基膠結材之長度約在200到500mm之間。

詳細說明

【技術領域】 本發明是關於一種水泥基膠結材，且特別關於一種具有功能性梯度的水泥基膠結材及其形成方法。 【先前技術】 在現代生活中，隨著人口越來越多，居住的建築物的數量也逐漸增長，並且隨著時代的變化，建築法規及室內裝修的需求也日新月異，傳統的建材漸漸無法滿足多功能的需求。在現有技術中，室內隔間除了使用傳統的砌磚或木板隔間，越來越多實務案例使用輕質磚作為隔間材，進而達到特定性能的要求，如耐火、隔音與隔熱等等，然而現有技術仍然未能充分滿足目前對建材的需求。 目前的輕質磚大多具單一性能，如隔音磚、隔熱磚等等，且由於抗壓強度多不高，多無法作為主要承重受力牆。另外，輕質磚的製程中，多需利用高溫、高壓等加速環境或是添加外加劑，故成本高。因此，製作出同時具有強度與隔音、隔熱等等性能及低成本的間隔磚仍為重要課題。 【發明內容】 本案提供一種形成水泥基膠結材的方法，包括：將水泥漿體倒入模具中，其中模具中設有一對電極，且前述電極連接至外加電源；施加電流於水泥漿體進行電滲反應；將電滲反應後的水泥漿體從模具中移置於水槽中進行養護，以得到具有功能性梯度的水泥基膠結材。 本案提供一種具有功能性梯度的水泥基膠結材，其中水泥基膠結材之中間的抗壓強度小於兩端的抗壓強度。 為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉數個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。 【實施方式】 以下內容提供了各種不同的實施例或範例，敘述中若提及第一部件形成於第二部件之上，可能包含形成第一和第二部件直接接觸的實施例，也可能包含額外的部件形成於第一和第二部件之間，使得第一和第二部件不直接接觸的實施例。另外，本發明實施例可能在許多範例中使用重複的元件符號。這些重複僅是為了簡化和清楚的目的，而非代表所討論各種實施例及/或配置之間有特定的關係。 再者，空間上的相關用語，例如「上方的」、「下方的」、「在……上方」、「在……下方」和除了包含圖式繪示的方位外，也包含使用或操作中的裝置的不同方位。當裝置被轉至其他方位時(旋轉90度或其他方位)，則在此所使用的空間相對描述可同樣依旋轉後的方位來解讀。 在此，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，例如是10%之內，或5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。應注意的是，說明書中所提供的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。 雖然所述的一些實施例中的步驟以特定順序進行，這些步驟亦可以其他合邏輯的順序進行。在不同實施例中，可替換或省略一些所述的步驟，亦可於本發明實施例所述的步驟之前、之中、及/或之後進行一些其他操作。 本發明實施例提供一種具有功能性梯度的水泥基膠結材，其藉由在水泥漿體上進行電滲反應，改變水泥原先的水化歷程，在減少原先所需要的養護時間的情況下增加了水泥的抗壓強度，形成兼具強度與隔音隔熱等等性能的水泥基膠結材。 詳細而言，本發明實施例提供一種形成水泥基膠結材的方法，包含將水泥漿體倒入模具中，施加電流於水泥漿體進行電滲反應，以及將電滲反應後的水泥漿體從模具中移置於水槽中進行養護，以得到具有功能性梯度的水泥基膠結材。在上述模具中設有一對電極，且前述電極連接至外加電源。 在本發明中，可選用水泥與水作為水泥漿體（cement paste）。 可使用符合中華民國國家標準CNS 61之第I型到第V型卜特蘭水泥（Portland Cement）與水作為水泥漿體。在一些實施例中，使用符合中華民國國家標準CNS 61之第I型卜特蘭水泥與水作為水泥漿體。 由於水泥遇水後會產生水化反應，而反應式如下所示： 2(2CaO．SiO2)4H2O→3CaO．2SiO2．3H2O+Ca(OH)22(3CaO．SiO2)6H2O→3CaO．2SiO2．3H2O+3Ca(OH)2 水化反應主要由水泥中的矽酸三鈣（C3S）與矽酸二鈣（C2S）與水產生反應，生成氫氧化鈣（Ca(OH)2）及C-S-H膠體（CaO．2SiO2．3H2O）之膠結材，填充水泥漿體中的空隙，進而可得硬化後（hardened）的水泥基膠結材。然而，一般情況下，210 kgf/cm2的抗壓強度（compressive strength）可視為作為結構混凝土的指標。 在一些實施例中，除了水泥漿體本身之外，還可以另外添加粒料（aggregate）以減少水泥用量，進而改善體積穩定性並增加水泥基膠結材的抗壓強度。粒料亦有分粗細，可依CNS國家標準以標準篩號尺寸作區分。細粒料約介於第200號標準篩(150μm)至第4號標準篩(4.75mm)之間，而粗粒料約大於4.75mm。在添加粗粒料及細粒料的水泥漿體（亦稱混凝土）中，亦可另外添加卜作嵐材料（Pozzolanic material），其包括飛灰、爐石、矽灰等等。 也可另外添加輕質粒料（lightweight aggregate，LWA），其具28天平均烘乾單位重小於1440 kg/m3之材料，可以降低水泥基膠結材之重量，並且具有隔熱、隔音、耐火等性能。 作為本發明實施例中的試體，水泥漿體可以不只是水泥與水，亦可添加粒料、卜作嵐材料等。例如，水泥漿體可以是水泥與水與細粒料（亦可稱為水泥砂漿）、可以是水泥與水與細粒料與粗粒料（亦可稱為混凝土）、或也可以是水泥與水與細粒料與粗粒料與卜作嵐材料（亦可稱為混凝土）等。 可由上述反應式了解，由於水化反應的過程，會需要一定程度的水，一般而言，可以使用水灰比作為判斷強度發展的依據。水灰比（Water-Cement ratio）指的是水與水泥之重量比例，多以W/C表示。在一實施例中，水泥漿體之水灰比約介於0.6到0.8之間。如在水量過少的情況之下，水化反應不容易充分進行，造成抗壓強度的不足，且因漿體本身阻抗過大，電滲效果不明顯。在水過多的情況之下，則容易產生泌水（bleeding）或粒料離析（aggregate segregation）的現象，造成水泥基膠結材龜裂或產生孔隙等。在另一實施例中，水泥漿體之水灰比約為0.6。 本發明所屬技術領域中具有通常知識者可參考美國混凝土學會（American Concrete Institute，ACI）所算得之配比設計（mix design）選取水泥、水、粒料、卜作嵐材料的劑量。 接著，在將水泥漿體倒入模具的步驟中，選取好配比之水泥漿體（亦稱作試體）之後，將其倒入模具中，模具裝置如第1圖所示。 參照第1圖，第1圖為模具的立體圖。模具的材質可以為壓克力。電極20披覆不織布60後浸置於水泥漿體中。使用不織布之目的係便於漿體硬化後取出電極重複使用。電極20連接至外加電源50。電極20可為網狀、片狀或柱狀等，並不限定形狀，能夠使電流均勻通過即可。另外，電極20可為導電材料，如金屬、非金屬或金屬合金等等。金屬可為鈦（Ti）、鉑（Pt）、其他金屬或其金屬合金等等，只要不被鏽蝕（或可抗腐蝕）即可，而非金屬可為石墨、石墨烯等等。在一實施例中，使用鈦網作為電極。 參照第1圖，在模具裝置中，試體（水泥漿體）30之長度為L。試體30之長度L大約介於200到500mm之間。模具10內側的總長度隨著試體30的長度L而改變。電極20與模具內側的距離為W，大約為12.5mm。由於試體30的長度L超過500mm時，離子移動的距離變長，造成電滲效果（即功能性梯度效果）下降，而試體30的長度小於200mm時，雖然電滲效果明顯，然所形成的水泥基膠結材厚度小，實際應用上隔音、隔熱的效果較不明顯。 在將水泥漿體倒入模具中的步驟之後，可以立即施加電流進行電滲反應，也可以靜置1分鐘以上再施加電流進行電滲反應。然而在水化反應尚未充分進行時，進行電滲反應可得到較好的效果。在一實施例中，將水泥漿體倒入模具中後，立即施加電流進行電滲反應。 施加電流進行的電滲反應，使得溶於水中的鈣離子（Ca2+）與氫氧根離子（OH-）分別遷移到電極附近，於電極處生成氫氧化鈣（Ca(OH)2），填充了水泥漿體中的孔隙，並且增強了水泥基膠結材的抗壓強度。 在施加電流於水泥漿體進行電滲反應的步驟中，施加的電流大小介於0.01到0.2A之間，可得到抗壓強度增強的效果。由於過高的電流迫使過多的離子移動，影響早期水化行為，減少氫氧化鈣（Ca(OH)2）及C-S-H膠體的生成，因此不容易使抗壓強度明顯提升，而過低的電流不容易使離子遷移至電極，因此不容易形成具有功能性梯度的水泥基膠結材。在一實施例中，使用電流約為0.05A。 在施加電流於水泥漿體進行電滲反應的步驟中，施加電流的時間介於2到14小時之間，可得到抗壓強度增強的效果。施加電流時間過長，一方面因造成過多的離子移動，造成水化反應不完全，另一方面由於水泥之水化反應產生的膠結材已經慢慢形成，離子不容易順暢地移動，因此不容易產生明顯的強度變化，而施加電流時間過短，水泥基膠結材的功能性梯度可能不明顯。在一實施例中，施加電流的時間約為8小時。 在施加電流於水泥漿體進行電滲反應的步驟之後，將電滲反應後的試體從模具中移置於水槽中進行養護約3到28天。由於養護可延續進行水化反應，填充水泥基膠結材之空隙，增強其抗壓強度。在一實施例中，養護約7天可以得到最明顯的電滲效果。在一實施例中，亦可以在飽和石灰水槽中進行養護。另外，在一實施例中，亦可使用高溫高壓養護槽，以能在更短的時間內增加抗壓強度。 完成養護之後，即可得到具有功能性梯度之水泥基膠結材。在第2圖中，可見水泥基膠結材40的兩端410之孔隙率小於中間420。於兩端410的放大圖中可看出粒料401、未水化水泥402、氫氧化鈣（Ca(OH)2）403、C-S-H膠體404堆疊較緊密，造成低孔隙率且高緻密性，而於中間420的放大圖可看出粒料401、未水化水泥402、氫氧化鈣（Ca(OH)2）403、C-S-H膠體404堆疊較鬆散，造成高孔隙率且低緻密性。可推及出在兩端410的高緻密性是由於未水化水泥402的減少和氫氧化鈣（Ca(OH)2）403及C-S-H膠體404的增加所造成的。 承上，又由於孔隙分布反應抗壓強度，且兩端410之孔隙率小於中間420，因此水泥基膠結材之兩端410的抗壓強度大於中間420，為具有功能性梯度的水泥基膠結材。 承上，所得的水泥基膠結材之長度L約在200到500mm之間。另外亦可使用添加粒料或卜作嵐材料的水泥漿體，經電滲反應產生具有功能性梯度的水泥基膠結材。經實驗分析，具有功能性梯度的水泥基膠結材之整體的強度大於210kgf/cm2，且水泥基膠結材之兩端的非晶質的比例大於中間。於水泥漿體作為試體的情況下，水泥基膠結材之兩端的氫氧化鈣（Ca(OH)2）對矽酸三鈣（3CaO．SiO2）和矽酸二鈣（2CaO．SiO2）的比例（Ca(OH)2/(3CaO．SiO2+2CaO．SiO2)）大於中間。而於水泥砂漿作為試體的情況下，水泥基膠結材之兩端的氫氧化鈣（Ca(OH)2）對二氧化矽（SiO2）的比例（Ca(OH)2/SiO2）大於中間。 以下揭示實驗相關數據，將水泥基膠結材進行抗壓試驗及X光繞射分析，可獲得下列結果。 參照第3圖，第3圖為不同長度的試體下，抗壓強度對位置的關係圖。使用符合CNS61所規定的第I型卜特蘭水泥與水與細粒料（包含砂）的水泥砂漿作為試體，倒入模具中後直接通0.05A的電流8小時，產生水泥基膠結材。經抗壓試驗，可看出電滲作用後的水泥基膠結材30的長度L不管為200mm或300mm或500mm時，皆呈現兩端的抗壓強度大於中間的抗壓強度之功能性梯度（長度L為500mm時中間的實驗點可視為實驗誤差），且抗壓強度皆大於作為普通結構混凝土的基準210kgf/cm2。 本發明於實驗前，僅預期水泥基膠結材僅有一端抗壓強度會增加，因為根據文獻，在施以電滲之土壤中，孔隙水可藉由電流自陽極往陰極移動。若此現象亦發生於水泥漿體時，則可造成水灰比沿電流方向的漸變，進一步造成強度的改變。然而，實驗結果卻意外發現兩端抗壓強度皆有增加的現象，這對本發明所屬技術領域中具有通常知識者為無法預期之功效。 參照第4圖，第4圖為不同通電時間下，抗壓強度對位置的關係圖。使用水泥砂漿作為試體，倒入模具中後直接通0.05A的電流，產生長度為300mm的水泥基膠結材。經抗壓試驗，相較於施加電流時間為0小時的水泥基膠結材整體呈現均勻之抗壓強度，可看出電滲作用後的水泥基膠結材，無論通電時間為2小時、4小時、6小時或8小時皆呈現兩端的抗壓強度大於中間的抗壓強度之功能性梯度，且抗壓強度皆大於作為普通結構混凝土的基準210kgf/cm2。由此可見，使用在2到14小時內的通電時間，可以得到具有功能性梯度的水泥基膠結材。 參照第5圖，第5圖為不同粗細粒料比例的試體下，抗壓強度對位置的關係圖。加入不同比例的粗細粒料之水泥漿體作為試體，倒入模具中後施加0.05A的電流8小時，產生長度為300mm的水泥基膠結材。經抗壓試驗，相較於施加電流時間為0小時的水泥基膠結材整體之抗壓強度，可看出電滲作用後的水泥基膠結材，無論細粒料與粗粒料之比例為1:0或3:1或1:1皆呈現兩端的抗壓強度大於中間的抗壓強度之功能性梯度，且抗壓強度皆大於作為普通結構混凝土的基準210kgf/cm2。由此可見，無論使用混凝土或水泥砂漿都可以得到具有功能性梯度的水泥基膠結材。 參照第6圖，第6圖為不同養護時間下，抗壓強度對位置的關係圖。以水泥砂漿作為試體，倒入模具中後施加0.05A的電流8小時，產生長度為300mm的水泥基膠結材。經抗壓試驗，相較於施加電流時間為0小時且養護7天的水泥基膠結材，可看出電滲作用後的水泥基膠結材，無論養護3天、7天、14天或28天皆呈現兩端的抗壓強度大於中間的抗壓強度之功能性梯度，然而除了養護3天的水泥基膠結材之抗壓強度較小之外，其餘的水泥基膠結材之抗壓強度皆大於作為普通結構混凝土的基準210kgf/cm2。由此可見，無論養護的天數，皆可以得到具有功能性梯度的水泥基膠結材。 表1為使用X光繞射圖譜分析所製成的表。在表1中，使用水泥漿體作為試體，經8小時電流0.05A之電滲反應及養護7天後產生長度為300mm的水泥基膠結材，經X光繞射圖譜分析所得。由於在此實施例中，使用之水泥為卜特蘭水泥，其主要成分為矽酸二鈣（C2S）和矽酸三鈣（C3S），可作為基準來比較氫氧化鈣（Ca(OH)2）的多寡。由表1可看出水泥基膠結材的兩端的氫氧化鈣（Ca(OH)2）對矽酸二鈣（C2S）和矽酸三鈣（C3S）的比例大於中間，又由於氫氧化鈣（Ca(OH)2）為水泥的主要水化產物之一，因此可推論其數量較多時水泥水化程度較大，強度亦較高，可據此推論出兩端之抗壓強度大於中間，如表1所示。 表1 位置 7天抗壓強度(kg/cm2) 非晶質比例 左 213.87 302.42% 34% 中 168.69 298.34% 34.9% 右 207.59 304.55% 32.4% 表2為使用X光繞射圖譜分析所製成的表。在表2中，使用水泥砂漿作為試體，先靜置300分鐘後經8小時電流0.05A之電滲反應和養護7天後產生長度為300mm的水泥基膠結材，經X光繞射圖譜分析所得。由於在此實施例中，使用之細骨材為砂，其主要二氧化矽（SiO2），可作為基準來比較氫氧化鈣（Ca(OH)2）的多寡。由表2可看出水泥基膠結材的兩端的氫氧化鈣（Ca(OH)2）對二氧化矽的比例大於中間，又由於氫氧化鈣（Ca(OH)2）為水泥的主要水化產物之一，因此可推論其數量較多時水泥水化程度較大，強度亦較高，可據此推論出兩端之抗壓強度大於中間，亦如表2所示。 另外，由於C-S-H膠體屬於非晶質，亦可由分析軟體中計算非晶質比例，進而推估C-S-H膠體的多寡。由於C-S-H膠體亦為貢獻抗壓強度的原因之一，因此亦可推論出兩端之抗壓強度大於中間，亦如表2所示。 表2 位置 7天抗壓強度(kg/cm2) 非晶質比例 L 241.13 9.36% 21.7% M 228.43 6.22% 19.2% R 237.19 9.82% 20.7% 本發明提供了一種於水泥漿體上施加電滲反應的方法，形成具有功能性梯度的水泥基膠結材。前述水泥基膠結材之兩端的抗壓強度大於中間，亦即兩端的孔隙率小於中間，同時可以兼任具有隔熱、隔音的效果以及作為結構承重牆的功能。相較於以往單一結構材，更能於火災時達成耐火的效果。 又，本發明可適用於任何水泥漿體、水泥砂漿、或混凝土等等，且僅需施加外加電流數小時，可以節省材料成本，大量製作，更能降低設備成本。 以上概述數個實施例之部件，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解，他們能輕易地以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應理解，此類等效的結構並無悖離本發明的精神與範圍，且他們能在不違背本發明之精神和範圍下，做各式各樣的改變、取代和替換。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。 【圖式簡單說明】 藉由以下的詳細描述配合所附圖式，可以更加理解本揭露實施例的內容。需強調的是，根據產業上的標準慣例，許多部件(feature)並未按照比例繪製。事實上，為了能清楚地討論，各種部件的尺寸可能被任意地放大或縮小。 第1圖係根據本發明實施例之模具的立體圖。 第2圖係根據本發明實施例之具有功能性梯度的水泥基膠結材的立體圖。 第3圖係根據本發明實施例在不同長度的試體下，抗壓強度對位置的關係圖。 第4圖係根據本發明實施例在不同通電時間下，抗壓強度對位置的關係圖。 第5圖係根據本發明實施例在不同粗細粒料體積比的試體下，抗壓強度對位置的關係圖。 第6圖係根據本發明實施例在不同養護時間下，抗壓強度對位置的關係圖。

符號說明	10:模具 20:電極 30:試體/水泥漿體 40:水泥基膠結材 401:粒料 402:未水化水泥 403:氫氧化鈣 404:C-S-H膠體 50:外加電源 60:不織布 L:長度 W:距離