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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※ 配 比 參 數 對 自 充 填 混 凝 土 彈 性 模 數 與 ※
※ 收 縮 性 質 影 響 之 研 究
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計畫類別：▓個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 89－2211－E－002－156
執行期間：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
計畫主持人：詹穎雯
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：台灣大學土木所
中 華 民 國
91 年 10 月 31 日
一 一 一 一、、、緒論、緒論緒論 緒論 自充填混凝土（Self-Compacting Concrete 簡稱 SCC），是一種在流動性與鋼筋通過性兩 方面取得巧妙平衡，而能在沒有任何震動的情形下，即可自行充填至模版各角落的混凝土。 由於自充填混凝土不需要震動搗實，因此消除了一個土木結構，在整個施工環節上，因為人 可能造成的混凝土品質低落的因素，使得真實的結構物可以反應原先的設計值，而確保了結 構物的品質與安全。因此，SCC 的發展，自從兩年前在台灣發展以來，正以一種驚人的速度 普及中。 眾所周知，預鑄廠內多使用低坍度，甚至是無坍度混凝土，這是由於預鑄廠擁有現地不 可及的良好的施工環境，使得這種需要大量震動擣實的混凝土變得可行。不過近年來，預鑄 廠開始體認到自動化施工的重要性，這無疑是給具有高度流動性，可透過管線澆注的SCC 一 個運用機會。因此 SCC 於預鑄構件的可行性研究，或說，產製早強 SCC 之研究，為本文研 究之第一個重點。此外，雖然 SCC 已經相當普及，惟在配比方面，例如細骨材在 SCC 所扮 演角色，或者是SCC 到底適不適合使用輸氣等，在在發現仍有許多現象欠缺剖析，因此徹底 對SCC 的配比作一全盤性之瞭解，本文研究 SCC 配比的主要目的。 二 二 二 二、、、、文獻回顧文獻回顧文獻回顧 文獻回顧 分述傳統、高強度與高性能混凝土配比原理。 自充填混凝土配比設計原理，在配比設計原理方面，分就混凝土中粗骨材、細骨材、粉 體以及化學摻料在SCC 中的角色作詳細文獻回顧：概述如下。 粗骨材：在考量鋼筋通過性的要求下，SCC 的粗骨材最大粒徑一般限制在 3/4”，實用上 多以 1/2”為主流。在粗骨材的總量上也有上限，一般以絕對體積 0.28~0.30m3 為粗骨材建議 用量，太多的粗骨材會導致自充填性的大幅下降。 細骨材：細骨材方面，掌握幾個變數是相當重要的，例如Vs/Vm 一般建議在 0.4 會有最 佳的充填效果，F.M.一般建議在 2.3~3.2 之間，實用上多以 2.7~2.8 為主流，過細容易導致含 水率的掌控不易，過粗易導致容易浮水的現象。砂率在SCC 中僅為參考指標，不過當過大時 得注意乾縮潛變量會放大的問題。 粉體：粉體一般指水泥、爐灰、石粉等，粉體的多寡直接影響SCC 的自充填性，一般來 說，粉體越多，自充填性會越好。不過粉體量的提高也代表成本的提高，因此許多的研究均 在於如何降低SCC 的粉體量。 化學摻料：由於SCC 對於流動性的高度要求，因此如何預防長途運輸後，坍損所導致的 流動性損失，變得極為重要。傳統的奈磺酸系強塑劑，被證明無法滿足SCC 抗坍損的需求。
因此另一種成分的強塑劑-羧酸聚合物（polycarboxylic acid 簡稱 PCA），開始被重視並採用， 此外，因為增稠劑與羧酸系強塑劑較為相容，因此更助長了羧酸系強塑劑在 SCC 上的主流地 位。同時輸氣劑也被證明有助於拌置SCC。 在配比設計方面，可分為三種主要配比設計模式： 粉體系SCC 配比設計法：還是維持相同的粉體量，但是取代以較便宜的粉體材料，例如 使用成本較低的爐石、飛灰來取代水泥，是國內常用的方式。 增稠劑系SCC 配比設計法：使用增稠劑，使得在粉體量降低時，可以維持相同的黏稠度 而能抵抗材料析離。
併用系SCC 配比設計法：所謂併用系配比設計法，就是綜合粉體系，使用低成本爐石、 飛灰或石粉，以及增稠劑系，使用增稠劑，兩者同時使用來達成SCC。 本節並舉出兩種配比設計實例，分別是 Okamura 配比設計實例與 JSCE 配比設計實例。 前者可歸類為粉體系SCC，後者較偏向於併用系 SCC。 三 三 三 三、、、、實驗計劃實驗計劃實驗計劃 實驗計劃 早強 SCC 的定義為兩部分，第一部份需滿足 R2 障礙 SCC 的通過標準，即為坍流度 60±10cm、箱型試驗 30cm 以上。第二部分需滿足早強的標準，即為 10°20cm 之圓柱試體 12 小時強度之目標為90kg/cm2，不過由於溫度對於早期強度發展影響頗巨，因此不同的養護溫 度，也會有不同的12 小時強度。因此強度標準的更確實定義乃是必須的。於是更清楚的強度 目標應為，12 小時強度不低於預鑄廠原配比，於相同養護條件（溫度、濕度）下，12 小時之 強度表現。而且28 天設計強度應為 5000psi。 針對 SCC 早強部分的試拌方式有(1)奈磺酸系強塑劑(2)奈磺酸系強塑劑＋增稠劑(3)羧酸 系強塑劑＋早強劑(4)提高水泥用量(5)奈磺酸系強塑劑＋高粉體用量（500kg/m3 以上）(6)降 低羧酸系強塑劑用量(7)不同種類之羧酸系強塑劑(8)羧酸系＋熱模養護(9)奈磺酸系＋輸氣劑 (10)熱水試拌。 在 SCC 配比深入研究方面，可分為幾個子題，分別為(1)細骨材之影響力(2)輸氣對 SCC 之影響(3)SCC 初終凝時間之量測(4)SCC 早期成熟度之量測。 此外並針對試拌所得的SCC 試體進行 E 值的量測，以統計 SCC E 值偏低的情形，並從 配比的角度探討現象的成因。 四 四 四 四、、、、實驗結果與討論實驗結果與討論實驗結果與討論實驗結果與討論 在早強SCC 試拌方面，實驗結果如下： (1)奈磺酸系強塑劑：發現在膠結量（420kg/m3）與水量（175kg/m3）設定下，沒有辦法 得到 SCC 的流動效果，除非增加水量，但是這樣會影響 12 小時強度，或者單純增加強塑劑 用量，不過這樣一直添加到析離還是沒有辦法得到該有的流動性。 (2)奈磺酸系強塑劑＋增稠劑：實驗結果是沒效果。根據提供增稠劑的廠商表示，該種增 稠劑本來就可能與奈磺酸系不相容。 (3)羧酸系強塑劑＋早強劑：廠商編號 T1 早強劑對終凝之後的混凝土強度發展有幫助， 但對於縮短初終凝時間看不出有明顯效果。 (4)提高水泥用量：證明水泥用量提高對流動性大有助益，但由於成本考量，與過高的水 泥用量會導致混凝土因水化熱而膨脹導致開裂的問題，因此雖流動性達到SCC 標準，但本組 配比在實用上的價值仍有待商榷。 (5)奈磺酸系強塑劑＋高粉體用量（500kg/m3 以上）：配比 32 顯示，當膠結量固定在 540kg/m3，其中水泥佔 385kg，餘為爐灰；用水量在 170~180kg/m3 之間；則坍度=27cm，坍 流度60~70cm 之間，並且 12 小時強度在 53kg/cm2（養護溫度 22℃下，目標強度約 56kg/cm2）。 數據皆符合標準。但28 天強度為 8500psi，超過設計強度 5000psi 甚多。 (6)降低羧酸系強塑劑用量：將強塑劑用量由 1.3%，降低到 0.7%，在相同養護條件下， 雖然可以將初凝時間由13.6 小時大幅降低到 8.8 小時（相同養護環境下，早強需求的初凝時
間要求為5 小時以內），但羧酸系的最大優勢；低膠結量（450kg/m3 以下）卻消失了，因此， 在0.7%的羧酸系使用下，膠結量必須要提高到 500kg/m3 以上方可有 SCC 之效果。 (7)不同種類的強塑劑：配比 45，擁有相當優良的 SCC 性能，但經含氣儀檢驗，發現含 氣量高達10%以上，這對強度有相當大的傷害，28 天強度不到 4000psi。配比 62~64，發現此 羧 酸 系 強 塑 劑 相 當 優 良 ， 惟 含 氣 量 有 隨 著 膠 結 量 降 低 而 增 加 之 趨 勢 ， 當 膠 結 量 降 至 420kg/m3，雖仍有不錯的自充填性能，但含氣量已達 8%。配比 64，初凝時間 7.6 小時，在相 同養護環境下，這是羧酸系中，最接近5 小時（早強要求之初凝時間）的一組。 (8)羧酸系＋熱模養護：配比 68，中午 12：30 分下料，下午 2：05 開始養護，以 11℃/hr 升溫至70℃，下午 5：30 分混凝土初凝。總計養護時間達 3.4 小時，初凝時間約 5 小時，恰 符合早強需求的 5 小時。如圖 4-4 所示。發現前置期養護是相當有效的，並且不會損失其晚 期強度，由於考量到成本增加的問題，因此沒有再進行後續的實驗，不過當有必要時（配筋 過密之構件的澆置），使用羧酸系SCC 再加以前置期熱模養護，不失為一可行之方案。 (9)奈磺酸系＋輸氣劑：配比 76、77 可以明顯看出，當含氣量由 1.4%提升到 5.8%時，在 不改變 SCC 的流動性下，可以將用水量大幅降低 27kg/m3。不過透過配比 77、79 可發現， 每1%氣泡約折損 6%強度，因此 12 小時強度也大幅由 42.7kg/cm2 降低到 27.1kg/cm2。 (10)熱水試拌：這原本是一個非常有創意的想法，但是經實際的試拌結果，發現這當中 有幾個困難點，將導致結果的不準確性，因此不擬採用。 在配比深入研究方面，實驗結果如下： 細骨材粗細砂級配對 SCC 配比穩定性之影響：一般產製 SCC 所使用之細骨材的細度模 數約2.7~2.8 之間。我們發現，當細骨材調配過細時，可能會產生強度不足的問題，茲詳述於 後。事實上，由於 SCC 對於粉體量的需求，使得 SCC 的粉體使用量普遍高於傳統混凝土， 此外，更由於SCC 對於水分控制的敏感，也使得工人偷加水得以杜絕，因此，在一般工程的 使用上，使用SCC 可說就是強度的保證，這點對混凝土的品管無疑是一大進步。但根據我們 的研究指出，當 F.M.約 2.3 的細骨材被使用時，由於過細的細骨材被使用，會導致符合自充 填性的坍流度，在用水量較高的情形下才會出現。不但這樣，由於配比顆粒過於緻密的結果， 使得混凝土因而不容易析離！因此我們發現以現行預拌廠的設備，是沒有辦法根據目視坍流 度的變化，以及拌合機拌合電流值的情形來察覺到這個現象，因此導致可能無形中，由於細 骨材含水率的變動，而使水分多加而無從得知。根據實驗數據顯示，含水率的誤差甚至可以 達到 50kg/m3，使得 28 天強度大幅由 420kg/cm2，降低至約 300kg/cm2。為杜絕此一現象發 生，V 漏斗的重新定義變得必須。在這樣的一個實驗中，我們可以定義另一個 V 漏斗的意義， 那就是使用V 漏斗來檢測 SCC 的強度，換句話說，雖然水多加時，我們雖不能由坍度、坍流 度，或者箱型試驗中發現，但是我們仍可以由V 漏斗的通過秒數，來察覺到水多加已經使得 SCC 的黏稠度下降了。因為我們發現，隨著用水量的增加，V 漏斗的通過秒數會隨之下降， 而這就代表強度正在下降。雖然不同的配比，沒有一個明確的數字可以說，到底幾秒的V 漏 斗下限，可以保障混凝土不低於設計強度，但是至少我們知道，透過實驗來建立強度與V 漏 斗的關係後，每當同樣的配比被使用時，就可以透過實驗獲得的V 漏斗下限來保障 SCC 的強 度。 細骨材中大顆粒量對SCC 充填性之影響：在這裡所謂大顆粒是指#8 篩以上的顆粒。我們 發現，碎石砂在#4~#8 篩之間的量過多，這無形中就是增加 SCC 粗骨材的量。而粗骨材總量 對SCC 的鋼筋通過性有重大影響。過多的粗骨材用量會造成粗骨材在通過鋼筋間隙時產生架
橋現象，而影響SCC 的自充填效果，因此，才會造成使用碎石砂時，無論坍流度怎麼拉大， 箱型試驗總是紋風不動的結果。 輸氣對SCC 之影響：總結來說，輸氣可以降低用水量、輸氣可以降低膠結量、輸氣具有 良好鋼筋通過性、輸氣具有抗析離之效果。此外，輸氣會損害強度、耐久性、過多的輸氣有 礙混凝土表面觀瞻。總結來說，低膠結量的SCC，適度的輸氣是有幫助的。 SCC 初終凝時間之量測：我們發現，使用奈磺酸系強塑劑的 SCC，並不隨著強塑劑的用 量增加，而增加其初凝時間；但如果強塑劑用量超過某一限度，則緩凝效果將隨之衍生。對 羧酸系強塑劑的趨勢來說：隨著藥劑用量的增加，則初凝時間很明顯的隨之增加。並且普遍 來說，羧酸系強塑劑的初凝時間比奈磺酸長了許多。而羧酸系初凝時間比較長的原因，除了 羧酸系本身就比較緩凝之外，普遍添加在強塑劑內的增稠劑也有幫助緩凝的效果。 五 五 五 五、、、、結論與建議結論與建議結論與建議結論與建議 SCC 早期行為方面： 不同藥劑種類產製SCC：使用奈磺酸系強塑劑來產製 SCC，需要較高的膠結量，一般約 500kg/m3 以上。不過因為坍損快，所以早期強度發展較快。使用羧酸系強塑劑來產製 SCC， 由於增稠劑之效用，因此可以降低膠結量至360kg/m3 之譜，但由於緩凝之故，所以早期強度 發展較慢。 不同種類藥劑對SCC 初終凝趨勢之影響：對奈磺酸系而言，除非用量大到某個程度，不 然藥劑用量增加，不會增加SCC 初凝時間。對羧酸系而言，SCC 初凝時間會隨藥劑的用量增 加，而有顯著的延長。 產製預鑄用5000psi 早強 SCC 之可行方案：使用羧酸系強塑劑，並加以前置期熱模養護。 期待石粉在國內之量產使用。 輸氣對 SCC 之利弊得失：總結，適度的輸氣（4%~5%）對低膠結量（500kg/m3 以下） SCC 是有利的 SCC 配比研究方面 優良SCC 細骨材：粒形圓潤：如大陸砂、質地堅硬：如大陸砂或三義碎石砂、級配適中： F.M.落於 2.7~2.8 之間、大顆粒少：#4~#8 之間的顆粒需符合 CNS 1240 規範值、適度細微顆 粒：細微顆粒量（含泥量）在4%~5%之間 SCC 可能強度偏低：預防過細的細骨材被使用來產製 SCC。此外，可利用 V 漏斗來檢測 SCC，以確保 SCC 強度不低於設計強度。碎石砂用來產製 SCC：可透過計算碎石砂中較大顆 粒的量（大於#4~#8 篩以上），並將之視為粗骨材，然後：藉由提高細骨材的比率，來降低混 凝土中顆粒大於#4~#8 篩的總量，或適度混合以天然河砂使用。 SCC 中小於 75μm 的顆粒（細微顆粒量或稱含泥量）：SCC 中小於 75μm 的顆粒有：細 骨材中的含泥量，即通過#200 篩的量，且不具有黏土成分者、水泥爐灰等具有膠結性粉體、 石灰石粉或白雲石粉等不具膠結性粉體、增稠劑中的增稠作用效果視同增加小於75μm 顆粒 的量懸浮在水中形成所謂”漿”，因而可以帶開混凝土中的大顆粒，而形成所謂 SCC 的流動效 果。或說，有這些小顆粒，才有足夠的稠度可以避免，當增大混凝土流動性時，所可能產生 的材料析離。
