行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 骨材堆積狀況對混凝土耐久性質之研究 ※
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計畫類別：□個別型計畫
ˇ整合型計畫
計畫編號：NSC-89-2211-E151-009
執行期間：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日
計畫主持人：王和源
共同主持人：湛淵源
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立高雄應用科技大學
中
華
民
國 九十 年
九
月
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
國科會專題研究計畫成果報告撰寫格式說明
Pr epar ation of NSC Pr oject Repor ts
計畫編號：NSC 89-2211-E151-009
執行期限：89 年 8 月 01 日至 90 年 7 月 31 日
主 持 人：王和源 國立高雄應用科技大學土木系副教授
兼總務長
共同主持人：湛淵源 私立華夏工商專校建築科副教授
一、中文摘要 本研究參考法國活性粉混凝土（RPC）之強 度提昇理論，配合優生混凝土（EC）配比邏輯， 以骨材顆粒緻密堆積為主架構，分別探討不同水 泥漿質與量變化，不同級配型態，添加鋼纖維及 不同養護環境下之工程性質。結果顯示緻密優生 混凝土為一高流動性（符合坍度＝250±20mm； 坍流度＝600±100mm）；高強度、高電阻、低電 滲、低乾縮之高品質混凝土。經優生緻密配比邏 輯設計之優生混凝土，即使因粒徑降低，導致表 面積增加，亦能使之具高流動性，且將傳統的水 泥強度效益由 10psi/kg 提昇至 60psi/kg，印證骨材 堆積愈緻密，有助於提昇工程性質。 關鍵詞：骨材緻密堆積、優生混凝土、級配、水 泥效益、氯離子電滲量 ABSTRACTThis research is to discuss the engineering properties of concrete with different water-cementitious ratio, different water amount, different aggregate grading, and different curing conditions and the increase of steel fiber based on the strength improvement theory in reactive power concrete(RPC) in France, and the mixture logic in eugenic concrete. The mian structure of the research is aggregate compacked accumulation: the void among aggregate decide the volume of cement paste. The result shows that compacted eugenic concrete is equipped with high flowing (slump=230~270mm, slump flow=500~700mm), high strength, high electric
resistivity, low chloride ion penetration, and
low dry shrinkage. Eugenic concrete produced according to eugenic compacted mixture theory still possesses high flowing even though the granular diameter decreases and result in the increase of surface area. The strength efficiency of cement can even be promoted from 10 psi/kg to 60 psi/kg. This proves that aggregate compaction can increase engineering property.
Keywor ds: aggregate dense packing, eugenic concrete, grading, cement efficiency, chloride ion penetrability.
二、骨材堆積的性能及模式
理論上，堆積受到骨材粒徑分佈，牆效應及 搗實方法的影響[1,2,3]。但在理想化的假設下，有 許多理論堆積模式被推演出來。比較著名的是 Furnas (1929)[4]，Stovall 等人(1986)[5]，Fedor 和 Landdel(1979)[6]，Aim 和 Goff(1967)[7]，Toufar 等人(1976) [8]與 Larrard 和 Buil(1987)[3]等學者所 推演的數學模型。這些模式主要考慮小顆粒填塞 在大顆粒之空隙內，或大顆粒取代小顆粒的方 式，基本上並未說明填塞的方法，大都由理想顆 粒來推演。文獻[9]推導出本土化高性能混凝土緻 密充填配比法，並實際成功應用於高雄 T & C Tower 的 HPC 產製計劃中，亦證實骨材單位重愈 大強度愈高。 三、試驗計畫 本計畫所使用各項材料均經過嚴格控管，水
泥（CNS 61 Ⅰ型）；細粒料（CNS 1240，機製砂）； 可飲用自來水；台電興達廠 F 級飛灰（LOI≦ 10%）；美國進口矽灰；強塑劑（ASTM C494 G 型磺化木質素）；鋼纖維 L/t＞100。 四、級配型態與配比設計 本研究共採用二種級配型態：(1)天然級配； (2)緻密級配（機製砂及高矽質砂）。天然級配係 自砂石場取得骨材後，經清洗、烘乾、儲存後即 進行篩分析試驗。天然級配是將不同比例砂和飛 灰進行單位重試驗，當飛灰填入砂的比例為α 時，可以得到最大單位重，作為混凝土的骨架。 緻密級配係先將骨材進行過篩的工作，分為 #8，#16，#30，#50，#100，#200 等 6 種粒徑。再 利用「填塞」空隙的觀念來進行級配的調整，其 填塞步驟係「將最大粒徑顆粒的空隙以次低粒徑 的顆粒，填入其空隙中，遺留之空隙再以更小粒 徑之顆粒填入」。如此的填塞法方可獲得最小孔 隙即最大單位重(UWmax)。 級 配 理 論 是 由 富 勒 氏 (Fuller) 及 湯 普 生 (Thompson)於 1907[11,12]年提出骨材間孔隙為 最小之曲線方程式，如公式(1)所示： 2 1 max ] [ D d Pt= ---(1) 式中： pt = 通過百分率 d = 某篩之通過百分率 Dmax= 最大骨材粒徑 配比設計法係採用「緻密配比法」。三種水 膠比（0.24，0.27 及 0.30）、拌和水量（150，160， 170kg/m3）。部分配比採用矽灰，添加鋼纖維。設 計結果如表 1 所示。進行工作性試驗(ASTM C143)；抗壓強度(ASTM C31, C192, C617)；表面 電阻(CNS Wenner 四極式)；氯離子電滲(ASTM C1202-93)；乾縮量(ASTM C490 & C551)。 五、結果分析 本研究針對機製砂在拌和水量為 160kg/m3， 變化三組水膠比（w/cm＝0.24,0.27,0.30），調製天 然級配及緻密級配共 6 組配比。工作性部分，緻 密級配優於天然級配。在低水膠比的配比下，緻 密級配反而有較大之工作性損失，如圖 1 所示。 而天然級配因水泥量較少，而飛灰量較多，在 60 分鐘後工作性反而提昇。整體而言，此 6 組配比 仍能符合坍度 250±20mm；坍流度 600±100mm 之設計要求。本研究添加纖維之混凝土工作性比 未添加纖維之配比略差，主要原因為纖維所形成 的糾結互鎖效應，其次為了比較有無添加纖維 對混凝土性質之影響，故採無修正之單位重， 使得工作性降低，不過仍符合高流動性規定範 圍內。 本研究針對三種不同養護條件（一般養護、 自生養護、50℃加溫養護），而養護環境差異僅 是測試溫濕度改變對強度之影響，對於相對濕度 而言，須注意勿使濕度低於 80%，因乾燥之外圍 環境將促使水泥漿體部份水向外擴散排出，甚至 水化終止而導致強度降低。圖 2 為 w/cm=0.27， Ww= 160kg/m3不同級配混凝土於三種養護條件下 強度與齡期關係。早期強度仍以 50℃加溫養護最 高，自生養護次之，一般養護最低。28 天齡期時， 一般養護與自生養護強度接近，原因在於自生養 護藉由自身之水化放熱溫度加以絕熱而進行養 護。一般優生混凝土水化熱曲線高峰為 12℃～25 ℃，而放熱峰溫度隨著水泥量之多寡而有高低及 反應快慢。一般養護之溫度（23℃）較自生養護 低，以致早期強度發展較緩，但至中長期（90 天） 後，一般養護之強度漸漸趕上 50℃加溫養護。 由圖 3 顯示，本研究之添加纖維組別在電阻 性質均低於未添加纖維之組別，原因除了未修正 單位重而導致漿體無法有效填塞孔隙及包覆纖 維、骨材等因素，亦因為鋼纖維具有良好之導電 性，隨著添加導電性材料，混凝土之電阻係數亦 隨之降低，但 90 天仍達到 99kΩ-cm。高電阻值表 示具有高耐久性質，此歸因於低拌和水量、卜作 嵐反應與緻密的巨微觀結構。
圖 4 為不同混凝土之電滲量，而緻密級配之 電滲量不論是在低水膠或高水膠比之配比下，均 較天然級配之電滲量低，其原因為緻密級配透過 堆積使得粒徑各區間有緊密分佈，且有較多之水 泥量產生氫氧化鈣（CH）提供給卜作嵐材料產生 「卜作嵐反應」，有效地將孔隙量減少或變為不 連通，提高混凝土緻密性，降低滲透性。由此看 來當漿量固定，級配愈佳，則整體之緻密愈高， 滲透性隨之降低。 圖 5 顯示緻密級配與天然級配隨時間增加， 通過混凝土之電量極小。以 ASTM C1202 的判斷 為非常低(Very Low)的氯離子滲透性，而有優異的 耐久性。 圖 5 亦顯示本研究添加鋼纖維後，通過混凝 土電流量隨之提高，但經計算後之電滲量仍屬「很 低」的範圍內，雖鋼纖維具有導電性，提供了離 子移動一個良好的途徑。 圖 6，圖 7 顯示本研究之緻密級配其體積穩 定性均優於天然級配，顯示級配最佳化，使得粒 徑各區間之緊密分佈，有助於體積穩定性，也說 明骨材對體積乾縮膨脹的穩定有了相當大的助 益。此外亦顯示早期 Fuller 提倡級配最佳化之配比 設計理念有助於混凝土工程性質，但早期無卜作 嵐材料級配曲線及應用強塑劑分散顆粒，增進工 作性，使得級配最佳化難以達到現場使用之困擾 ，而目前之混凝土技術已克服此項問題，使得緻 密級配在體積穩定性有顯眼之表現。 圖 8 顯示添加纖維對混凝土之乾縮膨脹均有 束制之作用，主要是因混凝土之拉應力，轉為纖 維軸向應力承受，使得在乾縮方面有效地減少。 由此看來，纖維除了增加混凝土的韌性、抗裂性， 對體積穩定亦有相當的助益。 五、 結 論 本研究主要探討不含粗粒料的骨材堆積型 態，對混凝土工程性質和耐久行為的影響。採用 緻密配比模式，可以減少粒料的空隙量，採用介 面潤滑技術，即使拌和水量（含 SP）介於 150 至 170kg/m3，都可以獲得 60 分鐘仍可維持高工作 性。低拌和水量和水泥用量的設計機制，使得混 凝土防蝕耐久性指標，電阻值可達 90kΩ-cm 以 上，氯離子電滲量在非常低（Very Low）的等級 內。乾縮量則比一般高性能混凝土低。緻密骨材 堆積型式有助於提昇混凝土的耐久性和體積穩定 性。 六、計畫成果自評 工作項目 計畫執行項目 執行成果 1.配比 待執行 已執行 2.坍度、坍流度 待執行 已執行 3.抗壓強度 待執行 已執行 4.超音波 待執行 已執行 5.電 阻 待執行 已執行 6.電 滲 待執行 已執行 參考文獻
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Broken Solids,” Bur. Mines Bulletin, 307, 74ff(1929).(from ref.5).
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n #8 #16 #30 #50 #100 #200 Fly Slag Cement Silica Water SP Fiber
DC2416 0.24 0.413 0.0712 1.794 528.9 284.8 271.2 230.1 146.1 118.5 225.7 22.1 387.6 31.4 114.1 45.9 − DC2716 0.27 0.508 0.0716 1.633 549.5 295.9 281.8 239.1 151.8 123.1 234.5 17.9 314.5 25.5 121.3 38.7 − DC3016 0.30 0.624 0.0719 1.506 566.0 304.8 290.3 246.3 156.4 126.8 241.5 14.6 256.5 20.8 136.9 23.2 − DSF2416 0.24 0.0413 0.0712 1.719 529.0 284.9 271.3 230.2 146.2 118.5 225.7 22.0 387.4 31.4 114.1 45.9 11.7 DSF2716 0.27 0.0508 0.0716 1.566 549.6 296.0 281.9 239.2 151.8 123.1 234.5 17.9 314.6 25.5 121.3 38.7 11.7 DSF3016 0.30 0.0624 0.0720 1.444 566.0 304.8 290.3 246.3 156.4 126.8 241.5 14.6 256.5 20.8 136.9 23.2 11.7 表 1(b) 天然級配及含矽砂緻密優生混凝土配比表 材料配比(kg/m3) 配比 組別 w/cm w/c w/s 漿量
n Sand Fly Slag Cement Silica Water SP DC2416 0.24 0.467 0.0716 1.361 1566.3 276.4 19.5 342.8 27.8 125.3 34.7 DC2716 0.27 0.596 0.0721 1.230 1627.2 287.1 15.3 268.4 21.8 134.2 25.8 DC3016 0.30 0.766 0.0724 1.125 1675.9 295.8 11.9 208.7 16.9 140.7 19.3 圖 3 不同混凝土在一般養護下齡期與電阻係數之關係 (w/cm=0.24, 0.27,0.30,Ww=160kg/m3) 圖 2 不同混凝土於不同養護環境下齡期與抗壓強度之關係 (w/cm=0.27，Ww=160kg/m3) 圖 1 不同混凝土水膠比與工作性關係圖 (w/cm=0.27) 0 50 100 150 200 250 300 60 mins Initial 350 400 450 500 550 600 650 700 0 50 100 150 200 DC2416 EC2416 DS2416 DSF2416 Ww=160 (kg/m3) Sl u m p Flow( m m ) Sl u m p ( m m ) Ti me (s e c ) 0 25 50 75 100 125 1 10 100 EC2716 DSF2716 DC2716 DS2716 1 10 100 Age (Days) 1 10 100
Normal Curing Autogeneous Curing 50℃High Temperature Curing
C o mp re s s iv e Stre n g th (M Pa ) 0 25 50 75 100 1 10 100 EC2416 DSF2416 DC2416 DS2416 1 10 100 EC2716 DSF2716 DC2716 DS2716 1 10 100 EC3016 DSF3016 DC3016 DS3016 Age (Days) 3
0 200 400 600 800 1000 0.24 0.27 0.3 DSF EC DC w/cm Ww=160kg/m 3 0 200 400 600 800 1000 0.24 0.27 0.3 Ww=150kg/m3 Ww=160kg/m3 Ww=170kg/m3 w/cm 圖 4 不同混凝土水膠比與氯離子電滲量之關係 圖 5 含矽砂緻密優生混凝土水膠比與氯離子 電滲量之關係 圖 7 優生混凝土養護時間和齡期變化關係 (Ww=160kg/m3，T=23℃，RH=80%) 圖 8 含矽砂鋼纖優生混凝土養護時間和齡期變化關係 (Ww=160kg/m3，T=23℃，RH=80%) 圖 6 緻密優生混凝土養護時間和齡期變化關係 (Ww=160kg/m3，T=23℃，RH=80%) -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100 DC2716 DC3016 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100 WCC WC-7 WC-0 Age (Days) DC2416 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100 WCC WC-7 WC-0 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100 Age (Days) -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100
EC2416 EC2716 EC3016
3 o -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100 WCC WC-7 WC-0 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100 Age (Days) -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.1 1 10 100 DSF2416 DSF2716 DSF3016 3 o
