行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
計畫編號：93-2211-E-151-008 執行期限：自民國93 年 08 月 01 日起至 94 年 7 月 31 日 計畫主持人：林仁益 國立高雄應用科技大學 土木工程與防災科技研究所 教授 共同主持人：王和源 國立高雄應用科技大學 土木工程與防災科技研究所 副教授 一、中文摘要 本研究針對以 ACI 與緻密配比法設計之 輕質骨材混凝土，變化三種水膠比(0.28、 0.32、0.40)，二種拌和水量(160、170 kg/m3 ) 及三種骨材比重(0.8、1.1、1.3)，進行新拌性 質(坍度、坍流度)，硬固(抗壓強度)、耐久性 質(表面電阻)及紅外線溫度感測法與超音波 脈波速度法等非破壞性質量測，並於齡期90 天時對輕質骨材混凝土牆，分成三行五層進 行鑽心，探討其骨材上浮與超音波波速發展 及紅外線溫度分布之相關性，同時將取部分 輕質骨材混凝土試體以 SEM 作微觀結構分 析。 試驗結果顯示採用緻密配比優於ACI 配 比，坍度與坍流度皆可達 250mm 及 500mm 以上；相同配比條件下以水膠比0.32 時有最 佳抗壓強度發展，齡期90 天時高達 45MPa， 同時表面電阻值達53 KΩ-cm，較ACI 配比 提升約 40 KΩ-cm；藉由鑽心試驗驗證輕質 骨材上浮現象對顆粒分佈及均勻性影響程度 約20~40%；低水膠比或低拌和水量對超音波 速發展較佳；紅外線溫度法觀察不同比重之 骨材傳導熱能之快慢，以比重0.8 和 1.3 之試 體溫差較大；透過試體之微觀晶相可驗證輕 質骨材混凝土之早強特性。 AbstractACI and the densified mixture algorithm (DMDA) were employed to manufacture lightweight aggregate concrete (LWAC) using 160 and 170 kg/m3 of three kinds of water-to-binder ratios (W/B=0.28, 0.32, 0.40) using lightweight aggregates of different specific gravity (0.8, 1.1, 1.3). The engineering properties of the LWAC thus obtained were examined such as fresh property (slump, slump flow), hardened property (compressive strength) and durability (electrical resistivity) and non-destructive properties (infrared thermal
graphy and ultrasonic method). Furthermore, the wall of LWAC at 90-day was separated into three rows and five layers to test core specimen and to discuss the relationship between aggregate floating and ultrasonic wave and the temperature change of infrared rays. At the same time, part of the specimens of LWAC were analysed by SEM.
Results show the properties of LWAC mixed by DMDA is better than ACI. The slump and slump flow are individually over 250 mm and 500mm; In the same situation, the compressive strength of LWAC will have the best development when using W/B equals 0.32, reaches 45MP at 90-day. Electrical resistivity of LWAC can reach 53 KΩ-cm and improves about 40 KΩ-cm of LWAC mixed by ACI mixture algorithm; The degree of floating phenomenon of aggregate influencing particle location and concrete uniform and the is about 20~40%; Lower W/B or lower mixing water can enhance the development of pulse ultrasonic; The ability of transmitting heat of aggregate of different specific gravity is observed by infrared thermal method and the temperature differences of the specimen of specific gravity (0.8 and 1.3) are bigger; SEM can prove early strength of LWAC.
二、緣由與目的 歷經 921 大地震後，對台灣土木、建築 界形成很大的衝擊，如何建造更安全的建築 物，成為一個重要的課題，從結構、材料、 建築技術方面，許多專家學者已積極投入研 究，在材料方面，採用自重較輕的材料，在 不影響強度的前提下，可以縮減構件的面 積，進而減輕建築物的自重，對於其抗震能 力能有所提升。此外，由於政府停止河川聯 管計劃、凍結開採，導致國產砂石幾乎完全
停產，進口砂石中，碎石也十分缺乏，國內 砂石短缺問題日益嚴重，而使得營造廠與預 拌混凝土廠等用料單位採購成本增加，並影 響工程施工進度。另一方面，目前台灣水庫 嚴重淤積，全省三十六座主要水庫年平均淤 砂量高達一千四百多萬立方公尺，而水庫淤 積物相當複雜，浚渫出的物料中，佔絕大部 分的泥沙，其粗粒料經處理後，直接做為營 建材料使用頗具經濟價值，細粒泥沙因太細 無法被當作骨材，較不易處置，過去被隨地 丟棄的情形相當普遍[1]，而將淤泥資源化利 用最具意義，不少專家學者進行相關的研 究，如燒成磚材、製造魚礁、做為地工織物 袋的填充物等，但對解決淤積問題之成效不 大，以水庫淤泥燒製成輕質骨材。近年來經 過產、官、學界各方面配合進行研究，發現 台灣地區大部份的水庫淤泥皆適合作為燒製 輕質骨材的原料，且以輕質骨材拌製成輕質 混凝土兼具質輕及足夠強度，可應用於房屋 建築和公共工程建設[2]，被視為最具潛力的 營建材料，因此採用輕質的骨材代替傳統骨 材變成為一種趨勢。 現已驗證輕質骨材混凝土可使用在許多 結構物或大面積之建物，有別於一般常重混 凝土，輕質骨材之吸水率高、顆粒強度較弱、 比重較輕等，對於大量量產後施工品質的管 控將是一個很重要的課題。 非破壞檢測法中，超音波脈波速度法施 測快速，紅外線溫度感測大範圍施測，由於 其獨特之優點，且具備可在第一時間內即進 行初步品管檢測。對於輕質骨材混凝土，探 討其膠結情況及水化的緻密發展程度，並同 時檢測骨材上浮現象對輕質骨材混凝土造成 的強度差異，施測過程對混凝土干擾降到最 低，使用此種檢測法預期可獲得最真實的結 果，故也可對施工品質有多一層的把關。 三、結果與討論 本研究以ACI 配比與緻密配比法，採用 不同比重之輕質骨材拌製混凝土，配比設計 詳見表1，其顆粒外觀如圖 1 所示。 （一）新拌性質 輕質骨材比重較小，須有足夠的黏滯性 才能均勻分佈在砂漿中，使用緻密配比因摻 有卜作嵐材料可增加流動性，而強塑劑可提 高漿體黏滯性，達到較佳之新拌性質。 由試驗結果得知，當輕質骨材比重較小 及粒徑較大者，其坍流度也較高，比重0.8、 拌合水量170kg/m3時，骨材略有上浮且無明 顯析離，低水膠比時，漿體一方面能夠提供 讓輕質骨材分佈於水泥漿體中的黏滯力，ㄧ 方面也提供混凝土所需之流動性，其中水膠 比0.4、拌合水量170 kg/m3時骨材上浮現象較 嚴重，若過度搗實將使骨材與漿體嚴重析 離。新拌結果如表2所示。 （二）硬固性質 2.1 抗壓強度 試驗結果顯示水膠比 0.32 和比重 0.8 之 輕質骨材混凝土有最佳的抗壓強度發展，齡 期90 天時強度可達 45MPa，水膠比偏低或偏 高將導致水量不足或超出，影響水泥水化作 用，間接影響強度發展。同配比下，水膠比 0.4 時，早期強度發展迅速，齡期 28 天後強 度無明顯提昇，在晚齡期時水膠比對強度發 展的影響變大，齡期 90 天水膠比 0.32 時強 度發展達到最高，驗證水泥內水量越多愈 好，用以提供水化反應時所需要之水量，但 是水泥外的水量卻不能過多，以免影響晚期 強度發展。如圖 2 所示。圖 3 為不同比重之 輕質骨材混凝土抗壓強度。 2.2 鑽心試體骨材分布與密度關係 輕質骨材混凝土試體牆分為 3 行 5 層鑽 心，鑽心試體各層平均密度發展如表 3 所 示，圖 4 為鑽心試體示意圖。由於骨材密度 遠小於水泥漿體的密度，造成上層鑽心試體 密度較小，尤以比重0.8 與 1.3 更為明顯。前 者試體最上層密度平均為1.47g/cm3，最下層 為 1.63g/cm3， 後 者 試 體 最 上 層 平 均 為
1.4g/cm3，下層則為 1.64g/cm3。隨著鑽心位 置下降，密度隨之上升，可証明輕質骨材明 顯上浮，且在拌合澆製後骨材上浮現象逐漸 緩和。 2.3 輕質混凝土試體牆鑽心試體抗壓強度 在齡期90 天時進行鑽心取樣，得知混凝 土強度發展已經趨於穩定，且從各試體剖面 可看到骨材出現破裂面，此乃水泥漿強度皆 遠高於輕質骨材強度，而骨材強度亦發揮到 極限，所以可由水泥漿體的多寡決定試體抗 壓強度。另外，因骨材上浮多分布於試體上 層，下層則較多水泥漿體，比重0.8，其第 1 層 的 抗 壓 強 度 平 均 42.8MPa ， 第 5 層 為 56.3MPa，比重 1.3 試體之第 1 層抗壓強度 36.7MPa 只達第 5 層抗壓強度的 61%，足見 上浮現象對強度發展差異有著決定性的影 響。 2.4 超音波速度法 在相同拌合水量，相同骨材比重時，使 用高水膠比對緻密性有不佳的影響，相對的 在晚齡期時超音波波速降低，齡期90 天、水 膠比 0.28 時超音波波速已超過 4200m/s，但 水膠比 0.40 時只有 3800m/s，波速在早齡期 時發展迅速，齡期28 天後發展漸緩，ACI 配 比與緻密配比在超音波波速發展上並沒有顯 著的差異。當拌合水量增加時，與一般常重 混凝土特性相似，皆對波速的發展有不利的 影響，早齡期拌合水量較高(170kg/m3)，發展 波速較快，低拌合水量將延緩發展，齡期56 天後，波速反而會超過高拌合水量。鑽心試 體各層之超音波速發展如圖5 所示。 （三）耐久性質-表面電阻 以緻密配比法拌製之各組試體在齡期28 天時表面電阻值平均為 19KΩ-cm，齡期 90 天時更達到 53 KΩ-cm，而 ACI 配比在齡期 28 天時表面電阻值平均為 11KΩ-cm，90 天 齡期時只達到12 KΩ-cm，如表 4 所示。使用 緻密配比設計，其卜作嵐材料(飛灰、爐石) 填塞了輕質骨材與細骨材之間的孔隙，阻擋 對混凝土有害物質的侵入，故齡期90 天時表 面電阻提升約 40 KΩ-cm，相較之下，ACI 配比容易產生微裂縫致使表面電阻顯得較 低，隨著齡期增加，表面電阻值無明顯增加， 顯示應用緻密配比有助於耐久性。試驗結果 顯示高水膠比對於混凝土耐久性有不良影 響，齡期28 天前，低水膠比之表面電阻發展 較慢，但齡期90 天後提升幅度較大。鑽心試 體各層之表面電阻發展如圖6 所示。 （四）紅外線溫度感測法 紅外線觀測易受外在環境影響，太陽光 線對於混凝土表面受照射處與陰影處溫差很 大，使得觀測結果不準確。本實驗選擇陰天、 日落後施測，觀測在相同條件下不同比重之 試體表面溫差，由於骨材與漿體比重差異導 致骨材上浮，易集中在試體上層，如圖 7(a) 所示，因輕質骨材的熱傳導係數較低，也造 成對漿體整體的熱傳導係數跟著降低，且氣 溫下降後，骨材溫度散失速度較水泥漿體 慢，形成上下層溫差，藉由溫度散失速率的 快慢來觀測試體均勻性。室溫20℃時，比重 0.8 的試體牆，上層溫度 19.2℃、下層溫度 17.8℃。比重 1.1 的試體無明顯的溫差，顯 示在骨材分布上較為均勻，如圖 7(b)所示， 比重1.3 的試體上層溫度高於下層約 2℃，如 圖 7(c)所示，和比重 0.8 的試體牆有相同情 形。 （五） SEM 微觀 圖 8(a)為緻密配比之輕質骨材混凝土顯 微晶相，齡期 1 天時明顯可見水泥漿體四處 充滿著飛灰球，此乃因水化反應初期飛灰與 水泥膠體還未完全反應，所以仍清晰可見， 齡期 3 天時，飛灰球數量明顯變少，部分已 與水泥漿體結合，並開始出現水化拓榴石產 物、鈣釩石，以及Aft+Afm 薄片物，顯示此 刻水化反應非常活躍；如圖8(b)所示，齡期 7
天時飛灰球的數量更少，Aft+Afm 薄片物、 水化拓榴石產物、鈣釩石數量變的更多；如 圖 8(c)所示，此時水泥漿體發展為一連續母 體，能夠分散承受外界壓力，隨著齡期增加， 水化反應持續進行，而強度及緻密性亦隨之 增加。 四、結論與建議 (一)結論 1. 緻密性配比之輕質骨材混凝土的坍度與 坍流度均達到250mm 與 550mm 以上；而 傳統ACI 配比只達到 150mm 與 200mm， 顯然利用緻密配比可有效提升新拌性。而 拌 合 水 量 對 於 坍 流 度 的 影 響 高 於 水 膠 比，水量提高時，坍度與坍流度隨之上 升，同時也較容易造成輕質骨材上浮、析 離的情況。 2. 齡期 7 天時，抗壓強度已達到 28 天齡期 時的72%，早強特性明顯可見，且其強度 隨著提高水膠比及拌合水量而降低。當固 定拌合水量與骨材比重，水膠比僅提高 0.08 強度降低約 15~20MPa。而固定水膠 比，拌合水量提高時，漿量隨之提高，且 其強度顯著提升。 3. 當骨材粒徑與內部孔隙較少時，拌製輕質 骨材混凝土牆鑽心試體過程呈現均勻的 膠結狀況，其上下層密度、超音波波速與 抗壓強度變異不大；而骨材粒徑較大，其 變異值大幅增加，顯示骨材上浮現象對輕 質混凝土影響甚鉅。 4. 超音波速與表面電阻之發展趨勢相似。低 水膠比或低拌合水量，波速值較大，拌合 水量高時，超音波速初期發展迅速，但在 晚齡期時發展程度較小，而低水膠比之超 音波速的成長時間較長，後期發展顯然更 佳。 5. 緻密配比之輕質骨材混凝土，齡期 90 天 時表面電阻平均可達53 KΩ-cm；而 ACI 配比僅有12 KΩ-cm，顯示緻密配比其耐 久性質優於傳統ACI 配比。 6. 骨 材 上 浮 使 試 體 上 層 的 熱 傳 導 係 數 較 小，熱能散失的效率較慢，由紅外線拍攝 之溫度感測圖看出骨材比重0.8、1.3 之試 體，試體上下層約有2℃的差異。 7. 由 SEM 微觀晶相得知齡期 1 天時為水化 反應初期，可見之飛灰球散佈試體各處， 3 天時開始出現水化拓榴石產物、鈣釩 石，以及 Aft+Afm 薄片物，而飛灰球也 逐漸被包覆於漿體之內，齡期7 天時水化 產物更多，飛灰球的數量大量減少，內部 形成一連續母體，顯示此時水化反應大致 完成，此亦造成輕質骨材混凝土的早強效 果。 (二)建議 1. 造成輕質骨材上浮的因素很多，須從配比 設計之初，即針對骨材特性，配合最適當 的水膠比、拌合水量、掺劑及掺料，拌製 出強度足夠、耐久性佳與膠結狀況均勻之 試體，而超音波波速法配合紅外線觀測， 可用來驗證骨材上浮情況及初步分析骨 材分佈，至於紅外線觀測受到外界溫度影 響大，若能採用均勻發光之光源，以垂直 照射方式使得混凝土表面均勻受光，如此 將可得到更準確之結果。 2. 對於檢測輕質混凝土均勻度，可進一步以 多種骨材或多種配比拌製試體，分析試驗 結果來建立骨材密度與抗壓強度、表面電 阻、超音波發展的關係以及紅外線溫度感 測之相對關係表。 五、計畫成果自評 本研究採用配比和緻密配比法拌製不同 比重之輕質骨材混凝土進行相關試驗，並對 混凝土牆進行鑽心，同時以非破壞技術與紅 外線觀測試體溫度變化來檢測混凝土均勻 性。分別從學術與實務之角度來驗證本研究 成果之可行性，其成果與貢獻之自評如下：
(一) 學術研究成果 本研究透過完整之混凝土配比設計流 程，進行相關試驗並分析結果，驗證於混凝 土中使用輕質骨材之效益，並利用超音波速 法與紅外線溫度法等技術針對混凝土均勻性 作研究，成果頗豐，可作為學界進階研究之 基礎。 (二) 實務運用成效 針對不同比重之輕質骨材混凝土進行各 項分析，對輕質骨材再生利用之經濟性與生 態性提供一大保證，配比設計及試驗過程可 供業界參考運用，另外，現今檢測技術發展 日新月異，本文結合高科技儀器量測，兼具 學術創新與實務運用之美意。 透過和預定執行項目作比較，發現實際 執行項目，如相關文獻調查收集彙整、材料 基本性質分析、研擬配比設計、規劃相關試 驗與實作、彙整並分析數據、撰寫研究報告 等，顯示計劃執行成果良好。
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表1 輕質高性能混凝土配比表 單位：kg/m3 表2 輕質骨材混凝土新拌性質 表3 輕質骨材混凝土試體牆 90 天齡期各層 鑽心試體密度分布 單位：g/cm3 表4 輕質骨材混凝土試體各齡期 表面電阻值 單位：KΩ-cm 圖1 不同比重之輕質骨材外觀 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.24 0.28 0.32 0.36 0.4 0.44 C om pr es s st re ngt h (M pa ) 1 3 7 14 21 28 56 90 圖2 不同水膠比之輕質骨材混凝土之 抗壓強度(比重 0.8) 膠結料 骨材 總拌和水 編號 比 重 水膠 比 拌合 水 單位 重 水泥 爐石 飛灰 粗骨材 砂 水 強塑劑 0828160 0.8 0.28 160 1634 382 21 141 290 801 149 11 0832160 0.8 0.32 160 1584 335 18 141 290 801 153 7 0840160 0.8 0.4 160 1484 240 13 141 290 801 152 8 1128160 1.1 0.28 160 1952 315 17 211 209 1200 145 15 1132160 1.1 0.32 160 1889 256 14 211 209 1200 147 13 1140160 1.1 0.4 160 1799 170 9 211 209 1200 149 11 ACI0840 0.8 0.4 197 1958 491 0 0 324 946 197 0 ACI1140 1.1 0.4 204 1942 509 0 0 561 668 204 0 0832170 0.8 0.32 170 1721 385 20 126 304 716 160 10 1132170 1.1 0.32 170 1836 385 20 126 419 716 160 10 1332170 1.3 0.32 170 1889 385 20 126 472 716 160 10 1332160 1.3 0.32 160 1836 351 19 130 452 724 149 11 ACI32170 2.6 0.32 170 2418 531 0 0 1001 716 170 0 骨材比重(γ) 層數 0.8 1.1 1.3 2.6 1 1.47 1.61 1.40 2.31 2 1.48 1.62 1.50 2.26 3 1.49 1.61 1.52 2.29 4 1.58 1.60 1.54 2.26 5 1.63 1.60 1.64 2.26 平均 1.53 1.61 1.52 2.28 序號 齡期 (天) 編號 1 3 7 14 21 28 56 90 1 0828160 3.2 8.8 9 12 15 20.4 37 64 2 0832160 4.2 6.7 7 14 16 24 30 57 3 0840160 2.6 6.1 7.3 15 17 22.5 26 44 4 1128160 3.5 7.9 9.2 16 18 24 25 44 5 1132160 2.6 5.6 6.8 14 16 23 31 39 6 1140160 3.3 5.1 8.3 9 10 12.3 14 27 7 A0840 4.2 6.7 8.5 9 10 11.8 12 13 8 A1140 3.6 5.5 6 8 9 10 10.3 11 9 0832170 3.5 6.1 7.6 15 15 16 21 54 10 1132170 4.3 5.6 8.6 8.8 12 15 23 35 11 1332170 4.1 6.4 8.4 11.2 14 17 25 58 12 1332160 3.5 5.8 9 12 18 19 20 62 水膠比 新拌性質（mm） 編號 比重 （w/cm） Slump Slump Flow 0828160 0.8 0.28 260 510 0832160 0.8 0.32 260 520 0840160 0.8 0.4 260 530 1128160 1.1 0.28 260 550 1132160 1.1 0.32 260 610 1140160 1.1 0.4 270 580 A0840 0.8 0.4 120 200 A1140 1.1 0.4 180 200 0832170 0.8 0.32 285 700 1132170 1.1 0.32 270 600 1332170 1.3 0.32 270 620 γ=0.8 γ=1.1 γ=1.3
圖3 不同比重之輕質骨材混凝土抗壓強度 圖4 輕質骨材混凝土試體牆鑽心位置 示意圖 圖5 輕質骨材混凝土牆鑽心試體之各層超音波分佈 圖6 輕質骨材混凝土牆鑽心試體之各層 表面電阻發展趨勢 圖7 骨材之輕質骨材混凝土牆紅外線溫 度感測圖，比重(a) 0.8 (b) 1.1 (c) 1.3 3 4 0 0 3 6 0 0 3 8 0 0 4 0 0 0 4 2 0 0 0 1 2 3 4 5 FL O O R Plu se V e lo c ity (m /s) (a) (b) (c)
圖8 不同齡期緻密配比輕質骨材混凝土之水化反應 SEM 微觀晶相 (a) 1 天 (b) 3 天 (c) 7 天
