連續(xù)級配混凝土研究

1、連續(xù)級配混凝土研究!2015-07-07 賴瑞星 商品混凝土汪軍摘要1. 何謂連續(xù)級配混凝土。2. 混凝土骨材的理想級配。3. 如何制作及分析混凝土配比中骨材的總級配曲線。4. 不同尺寸骨材的填充量化方法與效果分析。5. 連續(xù)級配的實例驗證。一、何謂混凝土骨材的連續(xù)級配混凝土所使用的粗、細骨材，系用天然的優(yōu)良砂石(不得有風(fēng)化巖、葉巖、堿骨材等)，經(jīng)破碎、清洗、篩分而成?；炷廉a(chǎn)制廠購入時作比重、吸水率、磨損率、健性等材質(zhì)方面的試驗，只要材料的來源沒有變化，則這些試驗可以較低的的頻率為之；但是因為砂、石生產(chǎn)場別之間有很不同的加

2、工方式，產(chǎn)品會有很大的質(zhì)量差別，再加上碎制砂、石的加工機具很容易產(chǎn)生磨耗，故粗、細成品粒材的級配(粒度)變動是很尋常的；而粗、細骨材占混凝土組成的80%左右，骨材粒度的變動當(dāng)然是混凝土質(zhì)量變動的重要因素，管制好骨材級配的變動就成了混凝土生產(chǎn)業(yè)者最重要的管制項目，所以混凝土產(chǎn)制廠必須以足夠的頻率作粒料篩分析的檢驗，取得生產(chǎn)調(diào)整的資料。骨材的級配為不同尺寸顆粒排列組合的一種物理量，當(dāng)大尺寸骨材間之空隙被較小尺寸骨材填塞后，大小顆粒組成一個密實的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，非但外力可藉由大大小小的顆粒均勻負載之，整體骨材內(nèi)之空隙率也會降低。當(dāng)不同尺寸之骨材相互填塞至最佳狀況時，其單位容積將增加，此顆粒大小尺寸之排列組

3、合即為級配。在如何掌控粒料級配前，讓我們先了解什么是優(yōu)良的混凝土骨材級配。是否為良好的骨材級配，端視于該級配的用途為何，針對水泥混凝土的用途須要讓其組成為最致密 (具有最小的空隙率)的連續(xù)級配；在各種骨材于特定的比率之下，使得骨材占最大體積比，非但可藉其有效的大小填充的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮粒料既有的強度功能，且可因大小顆粒間的滾動，達成混凝土所須的工作度，因為骨材占最大體積比且為致密狀態(tài)，故也可使用較少量的膠結(jié)材料，達到經(jīng)濟的目的，這種連續(xù)級配的骨材顆粒的分布類似富勒曲線FLC。二、混凝土骨材的的理想級配早在1907年富勒氏及湯姆森(Fullerand Thomson)提出，固體粒料粒徑分

4、布定義的理論方程式及其分布曲線。其方程式為： h：系數(shù)(0.30.5)P：某粒徑顆粒的過篩百分比 d：某顆粒的粒徑(mm) D：該級配組的最大顆粒的粒徑(mm)其中h值愈小表示級配中的細粒料愈多，水泥混凝土的骨材級配h值為0.5，今以525mm集料規(guī)范的粗骨材與細骨材之粒徑，以富勒氏及湯姆森方程式所算出的數(shù)值如下表1，由相關(guān)數(shù)據(jù)繪成圖形如下【圖一】及【圖二】。表1 525mm集料骨材粒徑規(guī)范及理想值骨材粒徑mm25.019.012.59.54.752.41.20.60.30.150.075粗骨材規(guī)范%10095602510050細骨材規(guī)范%10095100808045602

5、5301010250富勒曲線值%10081.8770.7161.6443.5930.7221.7315.4910.957.75由表1 的數(shù)據(jù)以富勒計算值為應(yīng)變量，骨材粒徑為自變數(shù)作成下圖【圖一】525mm骨材、細骨材規(guī)范及FLC(實際粒徑)橫作標改以對數(shù)刻度表示，則圖形變?yōu)椋骸緢D二】525mm骨材、細骨材規(guī)范及FLC(對數(shù)粒徑)如【圖一】及【圖二】所示，粗、細骨材篩分析規(guī)范的目的，為使混凝土的骨材粒度的分布能夠盡量合乎富勒曲線FLC所示的大小顆粒呈連續(xù)狀態(tài)的分布，使整個骨材集料中大顆粒間空隙有次大顆粒填充之，如此大、小顆粒相戶填充的循環(huán)，使整體成為緊密之結(jié)構(gòu)。關(guān)于富勒曲線(FLC)有

6、以下各種特性：與縱坐標(過篩百分比)相交于7%8%間，表示粒徑0.15mm以下的填充用粉細材料至少須占有7%8%的重量比。 因橫坐標資料跨距過大(從0.075mm到37.5mm)，故以對數(shù)坐標表表示，則圖形能更清楚骨材顆粒的級配詳情(尤其在細粒料部份)。 由【圖一】中可知，粒徑1.18mm以下過篩率急遽縮小(細粒料少)，故此理論級配的組構(gòu)偏重于檢討粗粒料級配的組合方式。.富勒曲線(FLC)系由富勒公式所導(dǎo)出理論級配圖，其顆粒皆為理想的圓形顆粒；實際上混凝土的骨材絕大部份系由不規(guī)則顆粒所組成，但級配的架構(gòu)走勢，仍須參照富勒曲線的趨勢組合級配，所以，混凝土粒料的組合只要類似富勒

7、曲線(FLC)即可。富勒曲線只是混凝土骨材須要連續(xù)級配的理想依據(jù)，但是，單位體積內(nèi)的混凝土骨材若完全依富勒曲線組合構(gòu)成，但因?qū)嶋H粒料并非圓顆粒，顆粒間須有更多的填充，混凝土?xí)蜻^少的細粒料而造成工作性的不良實際骨材粒料的FLC與理想FLC的比較，可判別混凝土料性的粗細性。三、配比骨材的實際級配與理想級配富勒曲線(FLC)既然為混合骨材粒度分布的數(shù)理依據(jù)，在混凝土配比設(shè)計時，就要以富勒曲線(FLC)作為一設(shè)計的重要參考依據(jù)；如何在滿足混凝土配比設(shè)計的其它條件之下，又可使混凝土的骨材級配可滿足富勒曲線(FLC)的要求，為混凝土配比設(shè)計者重要的課題。這些有關(guān)富勒曲線(FLC)作業(yè)包括：(1)

8、0;粗、細骨材的篩分析試驗。(2) 理想富勒曲線(FLC)的建立。(3)骨材實際富勒曲線(FLC)的建立。(4)骨材總級配是否呈“連續(xù)”狀態(tài)的判定。(5)總級配異常的修正。今以實際粗、細骨材的粒度加以說明：1. 細骨材篩分析及其級配規(guī)范表2 細骨材篩分析表以表2篩析結(jié)果及細骨材級配規(guī)范作出下圖：【圖三】細骨材篩析圖兩種細骨材(粗、細砂)經(jīng)由篩分析圖(【圖三】)中的規(guī)范上、下限曲線與實際混合后細骨材的級配曲線作比較，可借著兩種細骨材的混合比率調(diào)整實際級配曲線，找出最接近規(guī)范限之內(nèi)的級配曲線。2. 粗骨材篩分析及其級配規(guī)范表3 粗骨材篩分析表以表3

9、篩析結(jié)果及粗骨材級配規(guī)范作出下圖：【圖四】525mm集料骨材篩析圖【圖五】519mm集料骨材篩析圖3. 配比骨材實際級配與理想FLC級配依上述粗骨材級配(大/小石50%時，此時粗骨材級配合乎525mm集料規(guī)范)與細骨材級配合成的總級配，可作成下圖：【圖六】混凝土骨材實際與理想級配圖(大小石50%/50%)【圖六】系利用50%的9.525mm集料及50%的519mm集料所合成的骨材總級配分析圖，由圖中可知配比FLC的圖形與理想FLC相近，且整條曲線呈“連續(xù)”狀態(tài)；假設(shè)配比設(shè)計時，若不使用519mm集料(配比全部使用9.525mm集料，此時粗骨材級配并不合乎任何集料規(guī)范)，則其總級配分析

10、圖會成為下圖【圖七】混凝土骨材實際與理想級配圖(大小石100%/0%)【圖七】系利用100%的9.525mm集料所形成的骨材總級配分析圖，由圖中可知在粗骨材級配中的12.5mm及9.5mm兩粒徑的過篩率不夠，造成整個級配曲線在該處成為不連續(xù)的分布；有此不良級配的出現(xiàn)，須經(jīng)由調(diào)整集料的使用比率，或改用他種集料(如上例中加入516mm集料)，再透過上述之計算技術(shù)以修正之。再假設(shè)配比設(shè)計時，若不使用9.525mm集料(配比全部使用519mm集料，此時粗骨材級配合乎519mm集料規(guī)范)，則其總級配分析圖如下【圖八】混凝土骨材實際與理想級配圖(大小石0%/100%)【圖八】系利用0%的9.525mm集料

11、及100%的519mm集料所合成的骨材總級配分析圖，由圖中可知配比FLC的圖形與理想FLC相近，且整條曲線仍呈“連續(xù)”狀態(tài)。4. 結(jié)論利用粗、細骨材粒度篩分析結(jié)果透過計算，可判別骨材級配是否呈連續(xù)狀態(tài)。合乎級配規(guī)范的粗、細骨材所組成的配比，其總級配較有可能呈連續(xù)狀態(tài)。反之，其總級配較不可能呈連續(xù)狀態(tài)。透過不同骨材集料的組合，可讓混凝土在粗、細度或骨材最大粒徑的選擇有更寬廣的彈性選擇。  透過連續(xù)級配的分析，可作為產(chǎn)制骨材集料的選擇及配比的調(diào)整，使混凝土更多樣化。四、骨材連續(xù)級配對材料間填充的影響混凝土中材料之間的充填關(guān)系有三種：(1)第一種填充：以水為填充材，膠結(jié)

12、材為基材，膠結(jié)材顆粒間隙以水充填形成水泥漿組合體，定量表示的物理量為：水膠比。(2) 第二種填充：以水泥漿為填充材，細骨材為基材，細骨材顆粒間隙以水泥漿充填形成砂漿組合體。(3)第三種填充：以砂漿為填充材，粗骨材為基材，粗骨材顆粒間隙以砂漿充填形成混凝土組合體。水在混凝土中的功能為：讓膠結(jié)材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。填充粒料間的空隙。提供顆粒間的潤滑作用。故水在第一種填充中一定是過填充狀態(tài)，受限于被設(shè)計混凝土的水膠比，配比設(shè)計須服膺此種填充；混凝土的抗壓強度與水膠比呈反比，混凝土要求的強度愈高則需要愈多的膠結(jié)材，從低到高強度的混凝土，第二種填充是從填充不足到過填充都會發(fā)生，這種填充的調(diào)整，配比設(shè)

13、計者須應(yīng)用卜作嵐材料(礦粉或粉煤灰)用量的增減及化學(xué)摻劑的添加，盡量讓使低強度到高強度的總膠結(jié)量填充集中化；第三種填充是混凝土中最大顆粒間的填充，也是三種填充中最重要的填充，傳統(tǒng)認知中，皆以先觀察細骨材F.M.值的大小，再以隱敝屬性砂石比S/A的經(jīng)驗值決定粗、細骨材的用量比率，這樣以經(jīng)驗決定S/A值，就無法精確的掌握第三種填充的情形，這種填充并無任何限制，是影響混凝土工作性最重要的因素；填充不足，組織結(jié)構(gòu)不良，非但無法由適當(dāng)?shù)牧Ａ蟻磉f送外力，也會造成騷料影響工作性；太過的填充非但稠性過大，需增加用水量調(diào)整工作性，因而升高水膠比增加成本，也增加了混凝土的體積變化率，降低混凝土的耐久性；如何讓此填

14、充不發(fā)生填充不足又不會有過度的填充，這是配比設(shè)計的重要技術(shù)。惟有藉助大小顆粒間的組構(gòu)，不只可降低單位體積內(nèi)的空隙率，更因大顆粒由次顆粒的包圍，整體形成一高效率的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要形成這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，連續(xù)級配的骨材為必要條件；外力輸入時由此大小顆粒組成的“骨干”共同承受傳遞，由更多粒料分散外力的應(yīng)力集中，大大提升整體混凝土對外力的抵抗；在實質(zhì)面即為：粗骨材的空隙由細骨材予填充，細骨材的空隙由粉膠結(jié)材填充，粉膠結(jié)材的空隙由液態(tài)材來填充?；炷恋挠?0%以上由粗、細骨材所組成，這些粗、細骨材粒料要有好的相互填充效果，其大小尺寸的分布就必須接近富勒曲線，在這種連續(xù)級配分布之下，大小顆粒才會有好的填充效果，這種

15、材料間混合后對各粒徑質(zhì)的要求，是填充的最基本要求。至于材料間的填充，則是材料間混合后對各粒徑量的要求。級配的要求隨著材料顆粒粒徑的增加而增加，填充的要求則不論材料顆粒粒徑的大小都須被關(guān)注的問題?；炷凉遣拈g的填充是決定混凝土性能(工作性及強度)的主因，而骨材的級配如何影響填充效果，就是須透過骨材空隙率試驗來探討。五、粗骨材中大、小石使用比率的量化因為混凝土受到工件結(jié)構(gòu)型狀及大小的影響，所以必須配合施工物的需求改變其最大粒徑之使用，其決定原則為：以下三條件之最小值。 一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物為模板間距的1/4。 鋼筋間距或鋼筋與范本間距之3/4。 版厚度的1/3。所以混

16、凝土配比須有調(diào)整最大粒徑使用的彈性，以備工地隨時有改變混凝土粗細度的需求，粗骨材若有兩種以上的集料，可借著改變兩者間的使用比率，達成混凝土料性的調(diào)整；改變不同粗骨材集料的使用比率，會影響總級配及粗骨材粒料間的填充，在何種比率之下，混凝土?xí)袃?yōu)良的骨材總級配及填充，即為混凝土配比設(shè)計的重要參數(shù)之一。1. 粗骨材級配的影響透過骨材篩分析試驗，算出各種組合的級配。今以9.525mm集料及519mm集料為例作以下篩分析級配的計算表4 兩集料粗骨材混合篩析計算表依表4 作出以下篩分析級配圖：【圖九】小、大石不同比例其粒料級配圖由【圖九】可得以下結(jié)論：以525mm集料為級配規(guī)

17、范，則小石/大石可使用的范圍為：40/6060/40。 若以519mm集料為級配規(guī)范：25mm(100)，19mm(90100)，9.5mm(2055)，4.75mm(015)，2.4mm(05)。則須全數(shù)使用小石。 依各地區(qū)石料粒徑分布之不同，可依上述的試驗及試算來決定配比中大、小石使用的比率。2. 粗骨材填充的影響混凝土配比使用兩種以上不同集料的粗骨材，除了可作級配的調(diào)整外，還有一個很大的效益，就是可調(diào)整粒料間堆積所產(chǎn)生的空隙，使混凝土材料間的組構(gòu)達到致密性的要求，骨材堆積的愈致密，其所須的填充膠結(jié)材愈少；同時混凝土可提高其密度，自然也可以獲得較高的強度。若有

18、兩種集料以上的粗骨材，可透過骨材單位重及空隙率試驗，找出其堆積所形成的空隙體積，仍以9.525mm(大石)及519mm(小石)兩種集料為例作以下空隙率試驗的計算：2.1基本數(shù)據(jù)試 驗 用 標 準 量 桶量桶的標定:桶重5.108Kg量桶體積9.707公升(桶+水)重14.815Kg大、小石干比重：2.57 小石干單位重：1.496 大石干單位重：1.5372.2 單位重及空隙率試驗數(shù)據(jù)表5 大、小石單位重及空隙率試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表2.3 以表5試驗結(jié)果資料表，再以大石%為自變數(shù)，實積率為應(yīng)變數(shù)，作出其相關(guān)圖形：【圖十】大、小石混合單位重空隙率試驗實

19、積率分析圖實積率1空隙率，以配比的實用性實積率較空隙率實用，故圖形以實積率來額定。實積率的回歸方程式為：-1E-05(大石%)2 + 0.0014(大石%) + 0.5892 。利用微分解出最大的實積率發(fā)生在大石%為70%。2.4 以表5試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，再以大石%為自變量，單位重為應(yīng)變量，作出其相關(guān)圖形：【圖十一】大、小石混合單位重空隙率試驗單位重分析圖單位重表示該組合的密度，最能表達組合的良窳。單位重的回歸方程式為：-3E-05(大石%)2 + 0.0037(大石%) + 1.5143 。利用微分解出最大的單位重發(fā)生在大石%為62%左右。無論單

20、位重或?qū)嵎e率分析，大小石最佳組合都發(fā)生在大石/小石6070%。經(jīng)由上述骨材級配分析，非但混凝土?xí)泻軓娊〉墓羌?，加上骨材間的填充分析，更使混凝土有很堅實的肌肉；大大的提高混凝土的抗壓強度，也改善了新拌混凝土的工作性。六、實例的驗證以粗骨材組態(tài)為改變因子，分別在貧漿(總漿量為220kg/m3)、中漿(總漿量為300kg/m3)、富漿(總漿量為450kg/m3)之下，設(shè)計相同水膠比、相同砂石比、粗骨材組態(tài)不同的試驗室試拌試驗，其內(nèi)容及結(jié)果分述如下：1、三類試驗配比內(nèi)容表6 試驗室小拌配比表試驗別大石率大石小石砂水泥礦粉粉煤灰水外加劑%kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3kg

21、/m3kg/m3kg/m3總膠量220kg/m3100%950095274.274.271.7181.31.9875%712.5237.595274.274.271.7181.31.9850%47547595274.274.271.7181.31.9825%237.5712.595274.274.271.7181.31.980%095095274.274.271.7181.31.98總膠量300kg/m3100%10000801115.2115.269.61952.480%800200801115.2115.269.61952.465%650350801115.2115.269.61952.4

22、50%500500801115.2115.269.61952.435%350650801115.2115.269.61952.420%200800801115.2115.269.61952.40%01000801115.2115.269.61952.4總膠量450kg/m3100%9500729198.9198.952.22054.575%712.5237.5729198.9198.952.22054.550%475475729198.9198.952.22054.525%237.5712.5729198.9198.952.22054.50%0950729198.9198.952.22054.

23、52、三類試驗結(jié)果表7試驗室小拌試驗結(jié)果試驗別大石率塌落度28天抗壓強度標準差平均值%cmKgf/cm2Kgf/cm2Kgf/cm2總膠量220kg/m3100%17137.5 134.7 123.2 134.5 137.9 6.0 133.675%20121.0 109.6 111.8 114.2 116.0 4.3 114.550%12154.1 154.3 153.1 159.9 158.4 3.0 156.025%14.5154.2 150.0 147.2 148.5 157.7 4.3 151.50%20133.1 131.2 126.3 124.9 130.9 3.5 129.3總

24、膠量300kg/m3100%20.5200.9 200.2 200.2 205.0 201.9 2.0 201.680%18222.5 208.6 225.5 213.2 209.4 7.7 215.865%18219.5 206.8 208.8 210.8 209.4 4.9 211.150%19232.4 197.0 235.6 208.9 209.7 16.6 216.735%19231.1 199.1 213.1 226.5 209.7 13.0 215.920%16.5242.3 222.5 239.7 236.8 224.2 9.1 233.10%17232.0 211.1 238

25、.4 238.1 201.3 17.0 224.2總膠量450kg/m3100%19389.8 393.8 371.5 347.2 379.7 18.5 376.475%19417.2 379.4 382.1 418.6 423.0 19.1 404.050%16399.9 405.9 421.5 407.7 403.3 5.0 407.725%20.5421.8 460.6 460.3 479.4 463.9 21.3 457.20%16.5471.0 476.8 448.1 454.7 439.2 15.7 457.93、結(jié)稐不論貧、中、富漿配比，只要大石使用率在75%以上的28天強度抗壓值，都比大石使用率在75%以下者小，尤其配比使用100%大石時其抗壓強度會呈大幅度的降低(觀察表7中抗壓平均值的“粗體”數(shù)據(jù)的比較)。隨著大石用量的增加，逐漸扭曲了配比骨材級配的連續(xù)性，因而造成混凝土強度的折損。 在總級配連續(xù)的條件下，觀察貧、中、富漿配比強度隨粗骨材組態(tài)發(fā)展的情形如下表表8 連續(xù)級配貧、中、