輕質骨材的種類與特性

輕質骨材可大致分為天然和人造兩大類；天然的輕質骨材大都為含有孔隙 組織的火山噴出岩，人造的輕質骨材種類相當多，重要的有利用天然材料如粘 土、頁岩等燒製而成的膨脹粘土、膨脹頁岩等。輕質骨材在製造過程中，原料 本身具起泡成分，或添加了發泡材料，使得骨材具有堅硬外殼、內部卻充滿孔 洞，具有低單位重、隔熱及隔音佳之優點。輕質骨材會因種類及形成過程的不 同，而產生不同的性質。可從其成形、組織及粒徑大小三方面來瞭解輕骨材與 普通骨材的相異點及特質^[1-2]。

天然輕質骨材以火山岩居多，主要依岩漿外噴過程的深度不同而形成性質 互異的材料，由於在形成過程中無法加以控制，致其表面和內部孔隙變異性甚 大。而人造骨材最有利之處在於製造過程的人工化，可針對性質做控制。

在骨材製造原料方面，膨脹黏土、頁岩及板岩可形成堅硬、渾圓且接近封 閉的外表層外，其餘如膨脹爐石、燒結飛灰、真珠石等均無堅硬之表層，外表 也較不規則、吸水率也較大，使其整體骨材品質較差。頁岩及板岩可由原料打 碎並直接燒製成非造粒形輕質骨材，黏土或塑性較大之頁岩則可先行造粒，然 後燒製成接近圓球形的造粒形骨材，粒徑可由原造粒控制其大小。

骨材組織方面，不論是天然或人造輕質骨材，其最大特點在於材質中含有 相當高比例的孔隙。骨材組織中的孔隙可分為表層孔隙和內部孔隙二種，表層 孔隙的存在，較不利於骨材的品質，最明顯的是對強度、吸水率和混凝土工作 性的影響。而品質已被肯定為較理想的膨脹頁岩及膨脹黏土之類的輕質骨材，

除了不含表層孔隙外，最重要的是它擁有一層燒結成形且強度高的硬表殼 (如 圖2-1所示)，使它能因具有高含量的內部孔隙，而成為一種顆粒密度小，卻擁

輕質骨材的粒徑除了造粒型之膨脹骨材，可由事先的原料造粒完全控制其 顆粒粒徑外，其餘非造粒型人造骨材其粒徑是依原料的碎粒大小而定，至於天 然輕質骨材，其顆粒粒徑為自然形成。粒徑的區分大都與普通骨材同樣方式處 理，一般而言，輕質骨材之最大粒徑以3/4" (19 mm) 而不超過 1" (25 mm) 為 宜。

目前在結構性混凝土方面使用最多的人造膨脹頁岩、黏土、板岩等有兩項 共同特點，一是骨材的粒徑愈大，其顆粒密度愈小，強度也愈差。另一是細骨 材部分，細顆粒較少，尤其是 30 號篩以下之顆粒尤為缺乏。由於骨材之顆粒 密度係依粒徑大小而改變，進行顆粒分佈的試驗分析時，各粒徑骨材含量的體 積百分比與重量百分比將不一致，這是與普通骨材不同的地方。至於輕質細骨 材的缺乏，可用天然砂補充，但將會增加混凝土之單位重及降低其隔熱性。然 而在水泥含量及坍度條件均相同時，以天然砂取代輕質砂將能提高混凝土強 度。

貳 、 輕 質 骨 材 之 物 理 特 性

輕質骨材物理特性，會因其原料的不同及製造方式的改變而有不同的變 化，如表2-1所示。一般而言，結構用輕質骨材具有低密度 (0.7 ~ 1.8 g/cm³)、

高吸水率 (2 ~ 20%)、表面粗糙、低強度、低單位重等重要特性。輕質骨材內 部孔隙多，就相同材料之輕骨材而言，顆粒密度隨粒徑減小而增加。大部分輕 質骨材為圓形、方形或多角形表面粗糙等形狀之顆粒，依粒徑大小可分為粗 徑、中徑與細徑三種；粗徑之直徑在19 mm ~ 4.8 mm 之間，中徑之直徑在 9 mm

~ 2.4 mm 之間，若通過 4 號篩之重量在 85 %以上則稱為細徑。輕質骨材之密 度大多在1.6 g/cm³以下，而天然骨材在2.6 g/cm³左右，對於結構物的自重則 可減輕1/5 左右，相對於同樣的基礎承載力而言，以輕質骨材做建築材料，則 可增加結構物的高度與樓層數。

輕質骨材因內部含有大孔隙，使其彈性模數、強度、密度等均隨粒徑增大 而降低。就普通混凝土而言，骨材最大粒徑愈大，對混凝土品質愈有利，這種

觀念在輕質骨材混凝土方面並不全然適合，因為它只能減少拌合水用量，從而 減少材料析離、混凝土泌水現象及收縮等，雖有利於混凝土之強度，但粒徑愈 大的輕質骨材其強度將愈低，如圖2-2所示，反而會限制其混凝土的強度發展。

故欲得較高強度的輕質骨材混凝土，須選用粒徑小、顆料密度大、強度高的輕 質骨材，然而其混凝土的單位重會較大。

參 、 水 庫 淤 泥 輕 質 骨 材

台灣地區蘊藏著豐富的粘土、頁岩、板岩及泥岩等岩石，這些岩石均為適 合用來燒製輕質骨材的原料。而水庫地區的淤泥又是由這些岩石風化，遇雨水 沖刷形成泥流進入河川或水庫集水區，經沈積後造成水庫容量減低，若能應用 這些水庫淤泥來燒結輕質骨材，不僅可將廢棄淤泥再生資源化，提高水庫運轉 之經濟效益，同時更能製造出具有質輕、隔熱及抗震效果的輕質混凝土。

國立中興大學自 1991 年起在榮工處與內政部建研所資助下，完成頁岩及 黏土人造輕質骨材之生產及輕質混凝土工業化之研究，已大致掌握台灣島內生 產輕質骨材各料源區之物性。另外，2000 年由國科會委辦之水庫淤泥製造輕質 骨材研究^[3]及台灣科技大學之研究報告中，已確定國內水庫淤泥具備有製造輕 質骨材之條件，且水庫淤泥在製造輕質骨材過程中，可直接造粒而省去一般岩 石碎化之過程，是為更有利的條件。

內政部建築研究所在 2003 年曾委託中華民國節能輕質骨材混凝土推廣協 會進行「水庫淤泥輕質骨材產製及輕質骨材混凝土應用與推廣」計畫案，該計 畫案的研究成果顯示^[4]，經實地採取台灣西部地區15 座水庫之淤泥樣品進行測 試 (翡翠、石門、青草湖、大埔、寶山、明德、明潭、日月潭、仁義潭、鏡面、

虎頭埤、白河、阿公店、鳳山、澄清)，證明 15 座水庫淤泥樣品均可利用旋窯 或實驗室控制電熱爐方式進行高溫燒結，所燒結而得之輕質骨材外表呈圓形顆 粒形狀，內部則為多孔隙結構，其比重約為0.5 ~ 2.0、吸水率約為 5 ~ 15 %，

筒壓強度則大致介於1.0 ~ 7.5 MPa 間。利用這些水庫淤泥輕質骨材所拌製而得 之混凝土，單位重可降至1800 kg/m³以下，相較於普通混凝土的2200 ~ 2400

kg/m³，單位重約降低24 %；而抗壓強度則隨著配比而異，可產製得強度 55 MPa 之輕質骨材混凝土。另外，輕質混凝土的熱傳導係數介於0.75 ~ 0.81 kcal/m.hr.

℃之間，優於一般常重混凝土熱傳導係數之1.0 ~ 1.5 kcal/m.hr.℃。這些研究成 果均顯示出，以水庫淤泥燒製而得之輕質骨材，不僅具有足夠的基本強度，且 其混凝土製品更擁有重量輕、隔熱和強度夠等優點。

肆 、 輕 質 骨 材 混 凝 土 之 性 質

輕質骨材混凝土 (LWAC) 性質會受到混凝土配比與所使用的輕質骨材種 類相關，其與常重混凝土的差異點主要有單位重的大小、隔熱性能、抗壓強度、

彈性模數等等^[8]，分述如下：

1.

輕質骨材混凝土與常重混凝土最大的差異在於單位重的大小，由於輕質骨 材的密度較一般砂石輕，因此所拌製的混凝土單位重也較輕。輕質骨材混凝土 其氣乾單位重一般均不超過2000 kg/m³，但這種定義並不是強制的標準，譬如 ASTM 規定的氣乾單位重為 1850 kg/m³以下。不過，優良的輕質骨材混凝土其 單位重應較相同配比之常重混凝土低約25 ~ 40 %為佳。適合作為結構用途的 輕質骨材混凝土，其單位重之要求至少在1200 kg/m³以上，常用的輕質骨材混 凝土大致在1400 ~ 1800 kg/m³之間。

2. 乾縮及潛變

乾縮的發生在於混凝土中水分的喪失，因此如果能減少水泥漿量或降低水 灰比，或是採用緻密而大的骨材，均能有效減少乾縮。一般輕質骨材混凝土之 乾縮值約在4×10^-4至6×10^-4間居多，而普通混凝土為7×10^-4至10×10^-4，故輕質 骨材混凝土乾縮量平均較低。但部份文獻則指出，輕質骨材混凝土乾縮量比普 通混凝土高；顯見乾縮量之高低並非絕對，而且變數亦多，如水灰比、用漿量、

骨材種類、環境條件及尺寸效應等，都會影響，無法一概而論。不過，以蒸汽 養護時可減少10 ~ 40 %之乾縮量，尤其是高壓蒸汽養護更具效果，這點是可 以肯定的。一般規範如CNS、ASTM 等，對輕質骨材混凝土乾縮量之規定是不

得大於0.01 %。

在潛變方面，影響之因素包括：水泥性質、骨材種類、級配、水泥漿體品 質、用量、環境條件、所受應力大小及加載時間點等。由其影響因素可知，潛 變與乾縮有密切之關係，因為潛變之發生通常都是從乾縮或膨脹變形處開始蔓 延的。

強度較高之輕質骨材混凝土，承載能力較高、潛變量少；另低壓蒸氣養護 比濕養之試體可減少25 %至 40 %之潛變，而高壓蒸氣養護則可減少高達 60 % 至80 %之潛變。

3. 界面過渡區之微結構與性質

混凝土的泌水現象，使水分容易聚積於骨材表面及下方，形成水袋後^[18]， 將使漿體周圍的水灰比增大，組織鬆散、強度降低，成為弱區，即通稱為界面 過渡區 (Interfacial transition zone, ITZ)。典型的 ITZ 組織結構，以常重混凝土 為例，如圖 2-3 及圖 2-4 所示，含有較多的氫氧化鈣 (CH)，CSH 膠體較少，

孔隙較大，易於產生裂縫，相對於IZT 以外的水泥漿基體，其強度較低。

輕質骨材混凝土 (LWAC) 的界面過渡區，由於輕質骨材 (LWA) 的吸水效 應，使其周圍的水分減少，可改變過渡區內水化產物的形成，最重要的是 CH 量的減少，孔隙率亦降低^[19]。另一方面，LWA 若經預濕處理，在混凝土內將 成為蓄水池，可以在適當時期釋水至漿體提供養護作用，能防止漿體因乾縮而

輕質骨材混凝土 (LWAC) 的界面過渡區，由於輕質骨材 (LWA) 的吸水效 應，使其周圍的水分減少，可改變過渡區內水化產物的形成，最重要的是 CH 量的減少，孔隙率亦降低^[19]。另一方面，LWA 若經預濕處理，在混凝土內將 成為蓄水池，可以在適當時期釋水至漿體提供養護作用，能防止漿體因乾縮而