輕質粒料的種類與特性

輕質粒料可大致分為天然和人造兩大類；天然的輕質粒料大都為含有孔隙 組織的火山噴出岩，人造的輕質粒料種類相當多，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。輕質粒料在製造過程中，原料 本身具起泡成分，或添加了發泡材料，使得粒料具有堅硬外殼、內部卻充滿孔 洞，而具有低單位重、隔熱及隔音佳之優點。輕質粒料會因種類及產製過程的 不同，而形成不同的性質。因此，可從其成形、組織及粒徑大小三方面來瞭解 輕粒料與普通粒料的相異點及特質^[1-2]。

天然輕質粒料以火山岩居多，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。而人造粒料最有利之處在於製造過程的人工化，可針對企求性質做某種程 度的調控。

在粒料製造原料方面，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，使其整體粒料品質較差。頁岩及板岩可由原料打 碎並直接燒製成非造粒形輕質粒料，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粒料，粒徑可由原造粒控制其大小。

粒料組織方面，不論是天然或人造輕質粒料，其最大特點在於材質中含有 相當高比例的孔隙。粒料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，較不利於粒料的品質，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粒料，

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 有低吸水率、高強度的輕質粒料。

輕質粒料的粒徑除了造粒型之膨脹粒料，可由事先的原料造粒完全控制其 顆粒粒徑外，其餘非造粒型人造粒料其粒徑是依原料的碎粒大小而定，至於天

然輕質粒料，其顆粒粒徑為自然形成。粒徑的區分大都與普通粒料同樣方式處 理，一般而言，輕質粒料之最大粒徑以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，一是粒料的粒徑愈大，其顆粒密度愈小，強度也愈差。另一是細粒 料部分，細顆粒較少，尤其是30 號篩以下之顆粒尤為缺乏。由於粒料之顆粒密 度係依粒徑大小而改變，進行顆粒分佈的試驗分析時，各種粒徑粒料含量的體 積百分比與重量百分比並不一致，這是與普通粒料最為不同的地方。至於輕質 細粒料的缺乏，則可利用天然砂補充之，但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、輕質粒料的物理特性

輕質粒料物理特性，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，輕質粒料具有低密度 (0.7 ~ 1.8 g/cm³)、高吸水 率 (5 ~ 50%)、表面粗糙、低強度、低單位重等重要特性。輕質粒料內部含有之 孔隙多，就相同材料的輕粒料而言，顆粒密度隨粒徑減小而增加。大部分輕質 粒料為圓形、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。輕質粒料的密度大多 在 1.8 g/cm³以下，而天然粒料在 2.6 g/cm³左右，對於結構物的自重則可減輕 1/3~1/5 左右，相對於同樣的基礎承載力而言，以輕質粒料當做建築材料，則可 增加結構物的高度與樓層數。

輕質粒料因內部含有大孔隙，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，粒料最大粒徑愈大，對混凝土品質愈有利，這種 觀念在輕質粒料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 大的輕質粒料其強度將愈低，如圖2-2 所示，反而會限制其混凝土的強度發展。

故欲獲得較高強度的輕質粒料混凝土，須選用粒徑小、顆料密度大、強度高的 輕質粒料，然而，如此則使其混凝土的單位重從而增大，這是必須同時考量的

要項。

參、水庫淤泥輕質粒料

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 合用來燒製輕質粒料的原料。而水庫地區的淤泥是由這些岩石風化，遇雨水沖 刷成為泥土流進入河川或水庫集水區，經沈積後將充填庫底，使水庫容量因而 降低。若能應用這些水庫淤泥來燒結輕質粒料，不僅可將廢棄淤泥再生資源化，

提高水庫運轉的經濟效益，同時更能用以製造出具有質輕、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先後資助下，完成頁岩 及黏土人造輕質粒料之生產及輕質混凝土工業化之研究，已大致掌握台灣島 內，適合生產輕質粒料的料源區分佈和原料物性。另2000 年國科會委託之水庫 淤泥製造輕質粒料研究^[3]及台灣科技大學之研究報告中，已確定國內水庫淤泥 具備有製造輕質粒料之條件，且水庫淤泥在製造輕質粒料過程中，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粒料混凝土推廣協會 進行「水庫淤泥輕質粒料產製及輕質粒料混凝土應用與推廣」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 (包含翡翠、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、澄清湖等)，證明 15 座水庫淤泥樣品均可利用 旋窯或實驗室程式控制電熱爐方式進行高溫燒結，所燒結而得之輕質粒料外表 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粒料所拌 製而得之混凝土，單位重可降至1800 kg/m³以下，相較普通混凝土的2300 ~ 2400 kg/m³，單位重約降低25 %；而抗壓強度則隨著配比而異，可產製出強度達 55 MPa之輕質粒料混凝土；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粒料，不僅具有基本強度，

且其混凝土製品更具有重量輕、隔熱和強度夠等優點。

肆、輕質粒料混凝土的特性

輕質粒料混凝土性質會受到混凝土配比與所使用輕質粒料種類的影響，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，分述如下：

1. 單位重

輕質粒料混凝土與常重混凝土最大的差異在於單位重的大小。由於輕質粒 料的密度較一般砂石輕，因此所拌製的混凝土單位重也較小。輕質粒料混凝土 其氣乾單位重一般不超過 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，優良的輕質粒料混凝土其單 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 粒料混凝土，其單位重之要求至少在 1200 kg/m³以上，常用的輕質粒料混凝土 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粒料，均能有效減少乾縮。一般輕質粒料混凝土之 乾縮值約在4×10^-4至6×10^-4之間，而普通混凝土為7×10^-4至10×10^-4，表示輕質粒 料混凝土乾縮量平均較低。但部分文獻則指出，輕質粒料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、

粒料種類、環境條件及尺寸效應等，都會產生影響，無法一概而論。不過，蒸 汽養護可減少10 ~ 40 %之乾縮量^[31]，尤其是高溫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，對輕質粒料混凝土乾縮量之規定為 不得大於0.01 %。

在潛變方面，影響之因素主要包括：水泥性質、粒料種類、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，因為潛變的發生通常都是從乾縮或膨脹變形處開始 蔓延的。

強度較高的輕質粒料混凝土，其承載能力較大、潛變量少；另低壓蒸氣養

護可比濕治之試體減少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. 抗壓強度

輕質粒料混凝土的抗壓強度與其單位重密切相關，CNS 3691 和ASTM C330 中對強度性質的規定，因而都以單位重高低作為分級標準，如表 2-2 所示。抗 壓強度與單位重之比例關係，是衡量輕質粒料混凝土品質優劣的重要指標。在 各先進國家，對輕質粒料混凝土均劃定出一抗壓強度與單位重或水泥用量之關 係範圍。台灣地區生產之膨脹頁岩輕質粒料，其水泥用量與混凝土強度間之關 係如圖2-3 所示^[2]。

影響輕質粒料混凝土抗壓強度的因素甚多，如輕質粒料種類、級配、強度、

影響輕質粒料混凝土抗壓強度的因素甚多，如輕質粒料種類、級配、強度、