连续级配混凝土研究!

连续级配混凝土研究!

2015-07-07 赖瑞星

摘要︰

1. 何谓连续级配混凝土。 2. 混凝土骨材的理想级配。

3. 如何制作及分析混凝土配比中骨材的总级配曲线。 4. 不同尺寸骨材的填充量化方法与效果分析。 5. 连续级配的实例验证。

一、何谓混凝土骨材的「连续级配」

混凝土所使用的粗、细骨材，系用天然的优良砂石(不得有风化岩、叶岩、碱骨材等)，经破碎、清洗、筛分而成。混凝土产制厂购入时作比重、吸水率、磨损率、健性等材质方面的试

由表1 的数据以富勒计算值为应变量，骨材粒径为自变数作成下图︰

【图一】5~25mm骨材、细骨材规范及FLC(实际粒径)

横作标改以「对数刻度」表示，则图形变为：

【图二】5~25mm骨材、细骨材规范及FLC(对数粒径)

如【图一】及【图二】所示，粗、细骨材筛分析规范的目的，为使混凝土的骨材粒度的分布能够尽量合乎「富勒曲线FLC」所示的大小颗粒呈连续状态的分布，使整个骨材集料中大颗粒间空隙有次大颗粒填充之，如此大、小颗粒相户填充的循环，使整体成为紧密之结构。 关于富勒曲线(FLC)有以下各种特性：

•与纵坐标(过筛百分比)相交于7%∼8%间，表示粒径0.15mm以下的「填充用」粉细材料至少须占有7%∼8%的重量比。

•因横坐标资料跨距过大(从0.075mm到37.5mm)，故以对数坐标表表示，则图形能更清楚骨材颗粒的级配详情(尤其在细粒料部份)。

• 由【图一】中可知，粒径1.18mm以下过筛率急遽缩小(细粒料少)，故此理论级配的组构偏重于检讨粗粒料级配的组合方式。

.富勒曲线(FLC)系由富勒公式所导出理论级配图，其颗粒皆为理想的圆形颗粒；实际上混凝土的骨材绝大部份系由不规则颗粒所组成，但级配的架构走势，仍须参照富勒曲线的趋势组合级配，所以，混凝土粒料的组合只要类似富勒曲线(FLC)即可。

•富勒曲线只是混凝土骨材须要连续级配的理想依据，但是，单位体积内的混凝土骨材若完全依富勒曲线组合构成，但因实际粒料并非圆颗粒，颗粒间须有更多的填充，混凝土会因过少的细粒料而造成工作性的不良

•实际骨材粒料的FLC与理想FLC的比较，可判别混凝土料性的粗细性。

三、配比骨材的实际级配与理想级配

富勒曲线(FLC)既然为混合骨材粒度分布的数理依据，在混凝土配比设计时，就要以富勒曲线(FLC)作为一设计的重要参考依据；如何在满足混凝土配比设计的其它条件之下，又可使混凝土的骨材级配可满足富勒曲线(FLC)的要求，为混凝土配比设计者重要的课题。

这些有关富勒曲线(FLC)作业包括：(1) 粗、细骨材的筛分析试验。(2) 理想富勒曲线(FLC)的建立。(3)骨材实际富勒曲线(FLC)的建立。(4)骨材总级配是否呈“连续”状态的判定。(5)总级配异常的修正。

今以实际粗、细骨材的粒度加以说明：

1. 细骨材筛分析及其级配规范

表2 细骨材筛分析表

以表2筛析结果及细骨材级配规范作出下图：

【图三】细骨材筛析图

两种细骨材(粗、细砂)经由筛分析图(【图三】)中的规范上、下限曲线与实际混合后细骨材的级配曲线作比较，可借着两种细骨材的混合比率调整实际级配曲线，找出最接近规范限之内的级配曲线。

2. 粗骨材筛分析及其级配规范

表3 粗骨材筛分析表

以表3筛析结果及粗骨材级配规范作出下图：

【图四】5~25mm集

料骨材筛析图

【图五】5~19mm集料骨材筛析图

3. 配比骨材实际级配与理想FLC级配

依上述粗骨材级配(大/小石50%时，此时粗骨材级配合乎5~25mm集料规范)与细骨材级配合成的总级配，可作成下图：

【图六】混凝土骨材实际与理想级配图(大小石50%/50%)

【图六】系利用50%的9.5~25mm集料及50%的5~19mm集料所合成的骨材总级配分析图，由图中可知配比FLC的图形与理想FLC相近，且整条曲线呈“连续”状态；假设配比设计时，若不使用5~19mm集料(配比全部使用9.5~25mm集料，此时粗骨材级配并不合乎任

何集料规范)，则其总级配分析图会成为下图︰

【图七】混凝土骨材实际与理想级配图(大小石100%/0%)

【图七】系利用100%的9.5~25mm集料所形成的骨材总级配分析图，由图中可知

在粗骨材级配中的12.5mm及9.5mm两粒径的过筛率不够，造成整个级配曲线在该处成为「不连续」的分布；有此不良级配的出现，须经由调整集料的使用比率，或改用他种集料(如上例中加入5~16mm集料)，再透过上述之计算技术以修正之。

再假设配比设计时，若不使用9.5~25mm集料(配比全部使用5~19mm集料，此时粗骨材级配合乎5~19mm集料规范)，则其总级配分析图如下︰

【图八】混凝土骨材实际与理想级配图(大小石0%/100%)

【图八】系利用0%的9.5~25mm集料及100%的5~19mm集料所合成的骨材总级配分析图，由图中可知配比FLC的图形与理想FLC相近，且整条曲线仍呈“连续”状态。

4. 结论︰

•利用粗、细骨材粒度筛分析结果透过计算，可判别骨材级配是否呈连续状态。 •合乎级配规范的粗、细骨材所组成的配比，其总级配「较有可能」呈连续状态。反之，其总级配「较不可能」呈连续状态。

•透过不同骨材集料的组合，可让混凝土在粗、细度或骨材最大粒径的选择有更宽广的弹性选择。

• 透过连续级配的分析，可作为产制骨材集料的选择及配比的调整，使混凝土更多样化。

四、骨材连续级配对材料间「填充」的影响

混凝土中材料之间的充填关系有三种：(1)第一种填充：以水为填充材，胶结材为基材，胶结材颗粒间隙以水充填形成「水泥浆」组合体，定量表示的物理量为：「水胶比」。(2) 第二种填充：以水泥浆为填充材，细骨材为基材，细骨材颗粒间隙以水泥浆充填形成「砂浆」组合体。(3)第三种填充：以砂浆为填充材，粗骨材为基材，粗骨材颗粒间隙以砂浆充填形

成「混凝土」组合体。水在混凝土中的功能为：①让胶结材发生化学反应。②填充粒料间的空隙。③提供颗粒间的润滑作用。故水在第一种填充中一定是过填充状态，受限于被设计混凝土的水胶比，配比设计须服膺此种填充；混凝土的抗压强度与水胶比呈反比，混凝土要求的强度愈高则需要愈多的胶结材，从低到高强度的混凝土，第二种填充是从填充不足到过填充都会发生，这种填充的调整，配比设计者须应用卜作岚材料(矿粉或粉煤灰)用量的增减及化学掺剂的添加，尽量让使低强度到高强度的总胶结量「填充集中化」；第三种填充是混凝土中最大颗粒间的填充，也是三种填充中最重要的填充，传统认知中，皆以先观察细骨材F.M.值的大小，再以隐敝属性「砂石比S/A」的经验值决定粗、细骨材的用量比率，这样以经验决定S/A值，就无法精确的掌握第三种填充的情形，这种填充并无任何限制，是影响混凝土工作性最重要的因素；填充不足，组织结构不良，非但无法由适当的粒料来递送外力，也会造成「骚料」影响工作性；太过的填充非但稠性过大，需增加用水量调整工作性，因而升高水胶比增加成本，也增加了混凝土的体积变化率，降低混凝土的耐久性；如何让此填充不发生填充不足又不会有过度的填充，这是配比设计的重要技术。

惟有藉助大小颗粒间的组构，不只可降低单位体积内的空隙率，更因大颗粒由次颗粒的包围，整体形成一高效率的网络结构，要形成这种网络结构，连续级配的骨材为必要条件；外力输入时由此大小颗粒组成的“骨干”共同承受传递，由更多粒料分散外力的应力集中，大大提升整体混凝土对外力的抵抗；在实质面即为：粗骨材的空隙由细骨材予填充，细骨材的空隙由粉胶结材填充，粉胶结材的空隙由液态材来填充。

混凝土的有80%以上由粗、细骨材所组成，这些粗、细骨材粒料要有好的相互填充效果，其大小尺寸的分布就必须接近「富勒曲线」，在这种连续级配分布之下，大小颗粒才会有好的填充效果，这种材料间混合后对各粒径『质』的要求，是填充的最基本要求。至于材料间的填充，则是材料间混合后对各粒径『量』的要求。级配的要求随着材料颗粒粒径的增加而增加，填充的要求则不论材料颗粒粒径的大小都须被关注的问题。

混凝土骨材间的填充是决定混凝土性能(工作性及强度)的主因，而骨材的级配如何影响填充效果，就是须透过「骨材空隙率试验」来探讨。

五、粗骨材中大、小石使用比率的量化

因为混凝土受到工件结构型状及大小的影响，所以必须配合施工物的需求改变其最大粒径之使用，其决定原则为：以下三条件之最小值。

① 一般钢筋混凝土结构物为模板间距的1/4。 ② 钢筋间距或钢筋与范本间距之3/4。 ③ 版厚度的1/3。

所以混凝土配比须有调整最大粒径使用的弹性，以备工地随时有改变混凝土粗细度的需求，粗骨材若有两种以上的集料，可借着改变两者间的使用比率，达成混凝土料性的调整；改变不同粗骨材集料的使用比率，会影响总级配及粗骨材粒料间的填充，在何种比率之下，混凝土会有优良的骨材总级配及填充，即为混凝土配比设计的重要参数之一。

1. 粗骨材级配的影响

透过骨材筛分析试验，算出各种组合的级配。今以9.5~25mm集料及5~19mm集料为例作以下筛分析级配的计算

表4 两集料粗骨材混合筛析计算表

依表4 作出以下筛分析级配图：

【图九】小、大石不同比例其粒料级

配图

由【图九】可得以下结论：

•以5~25mm集料为级配规范，则小石/大石可使用的范围为：40/60~60/40。 •若以5~19mm集料为级配规范：25mm(100)，19mm(90~100)，9.5mm(20~55)，4.75mm(0~15)，2.4mm(0~5)。则须全数使用小石。

•依各地区石料粒径分布之不同，可依上述的试验及试算来决定配比中大、小石使用的比率。

2. 粗骨材填充的影响

混凝土配比使用两种以上不同集料的粗骨材，除了可作级配的调整外，还有一个很大的效益，就是可调整粒料间堆积所产生的空隙，使混凝土材料间的组构达到「致密性」的要求，骨材堆积的愈致密，其所须的填充胶结材愈少；同时混凝土可提高其密度，自然也可以获得较高的强度。

若有两种集料以上的粗骨材，可透过「骨材单位重及空隙率试验」，找出其堆积所形成的空隙体积，仍以9.5~25mm(大石)及5~19mm(小石)两种集料为例作以下空隙率试验的计算：

2.3 以表5试验结果资料表，再以大石%为自变数，实积率为应变数，作出其相关图形：

【图十】大、小石混合单位重空隙率试验实积率分析图

•实积率＝1－空隙率，以配比的实用性「实积率」较「空隙率」实用，故图形以

实积率来额定。

•实积率的回归方程式为：-1E-05(大石%)2 + 0.0014(大石%) + 0.5892 。 •利用「微分」解出最大的实积率发生在大石%为70%。

2.4 以表5试验结果数据，再以大石%为自变量，单位重为应变量，作出其相关图形：

【图十一】大、小石混合单位重空隙率试验单位重分析图

•单位重表示该组合的密度，最能表达组合的良窳。

•单位重的回归方程式为：-3E-05(大石%)2 + 0.0037(大石%) + 1.5143 。 •利用「微分」解出最大的单位重发生在大石%为62%左右。

•无论单位重或实积率分析，大小石最佳组合都发生在大石/小石＝60~70%。

依表8，推算大石率与强度的『相关系数』，结果如下：

➊220kg/m3时：「＋0.982397」 ➋300kg/m3时：「－0.75534」 ➌300kg/m3时：「－0.87225」

任何总胶结量之下，大石率与强度都有“高度的相关”(相关系数都大于0.75)，但是在低胶下是『正相关』，而在高胶下是『负相关』；所以，在配比设计粗骨材组态时，须以『高胶偏细化，低胶偏粗化』为原则。

七、感想及建议

混凝土是所有建筑及土木工程中使用量最大的建筑材料，无论铁公路、桥梁、水坝、隧道、港口、机场„等公共建设到各类房屋、厂房、围篱„等民用建筑，都大量使用着混凝土；再从混凝土被浇置的情形：从地底到高空，从水中到火中；从小女儿墙大至大水坝，都被广泛应用，故混凝土因工件之需求要其有多样性。

「满足客户之需求」永远都是企业经营不变之道，如何产制「多样化」的混凝土是所有混凝土搅拌业的基本理念；本研究就以骨材使用的多样化为主题，并提出相关的解决技术。

国内混凝土产制对骨材的应用，仍存有两大迷思：(1)为了简单化，粗、细骨财材都只使用单一集料生产。配比失去其质量控制的弹性，也造成骨材生管的失衡。(2)粗骨材最大粒径愈大愈佳，认为愈大粗骨材的混凝土会有愈高的强度。非但造成产制及泵送机具的磨损，更是混凝土构件瑕疵的来源。

因此笔者对国内搅拌业提出以下几点建议：

1. 原材料材质有「本土化」之限制，骨材级配管理为当务之急。

2. 生产系统作好双石、双砂以上之布建，让产品具有弹性，并可提升质量。

3. 以试验室为平台，作好质量保证之规划，一切以『真实』数据作为改善产品之依据，要清楚是「为何而作」。

4. 加强混凝土产制「软实力」的培养.

本文作者：贵州中鼎环保科技有限公司 技术总顾问：赖瑞星