连续级配混凝土研究Word下载.docx
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4.75
2.4
1.2
0.6
0.3
0.15
0.075
粗骨材规范
%
100~95
–
60~25
10~0
5~0
细骨材规范
100~80
80~45
30~10
10~2
富勒曲线值
100
81.87
70.71
61.64
43.59
30.72
21.73
15.49
10.95
7.75
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：
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。
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
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。
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」。
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。
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。
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：
2.1基本数据
试验用标准量桶
量桶的标定:
桶重
5.108Kg
量桶
体积
9.707
公升
（桶+水）重
14.815Kg
大、小石干比重：
2.57
小石干单位重：
1.496
大石干单位重：
1.537
2.2
单位重及空隙率试验数据
表5
大、小石单位重及空隙率试验结果数据表
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%。
经由上述骨材级配分析，非但混凝土会有很强健的「骨架」，加上骨材间的填充分析，更使混凝土有很坚实的「肌肉」；
大大的提高混凝土的抗压强度，也改善了新拌混凝土的工作性。
六、实例的验证
以粗骨材组态为改变因子，分别在贫浆（总浆量为220kg/m3）、中浆（总浆量为300kg/m3）、富浆（总浆量为450kg/m3）之下，设计「相同水胶比、相同砂石比、粗骨材组态不同」的试验室试拌试验，其内容及结果分述如下：
1、三类试验配比内容
表6
试验室小拌配比表
试验别
大石率
大石
小石
砂
水泥
矿粉
粉煤灰
水
外加剂
kg/m3
总胶量
220kg/m3
100%
950
952
74.2
71.7
181.3
1.98
75%
712.5
237.5
50%
475
25%
0%
300kg/m3
1000
801
115.2
69.6
195
80%
800
200
65%
650
350
500
35%
20%
450kg/m3
729
198.9
52.2
205
4.5
2、三类试验结果
表7试验室小拌试验结果
塌落度
28天抗压强度
标准差
平均值
cm
Kgf/cm2
17
137.5
134.7
123.2
134.5
137.9
6.0
133.6
20
121.0
109.6
111.8
114.2
116.0
4.3
114.5
12
154.1
154.3
153.1
159.9
158.4
3.0
156.0
14.5
154.2
150.0
147.2
148.5
157.7
151.5
133.1
131.2
126.3
124.9
130.9
3.5
129.3
20.5
200.9
200.2
205.0
201.9
2.0
201.6
18
222.5
208.6
225.5
213.2
209.4
7.7
215.8
219.5
206.8
208.8
210.8
4.9
211.1
19
232.4
197.0
235.6
208.9
209.7
16.6
216.7
231.1
199.1
213.1
226.5
13.0
215.9
16.5
242.3
239.7
236.8
224.2
9.1
233.1
232.0
211.1
238.4
238.1
201.3
17.0
224.2
389.8
393.8
371.5
347.2
379.7
18.5
376.4
417.2
379.4
382.1
418.6
423.0
19.1
404.0
16
399.9
405.9
421.5
407.7
403.3
5.0
407.7
421.8
460.6
460.3
479.4
463.9
21.3
457.2
471.0
476.8
448.1
454.7
439.2
15.7
457.9
3、结稐
•不论贫、中、富浆配比，只要大石使用率在75%以上的28天强度抗压值，都比大石使用率在75%以下者小，尤其配比使用100%大石时其抗压强度会呈大幅度的降低（观察表7中抗压平均值的“粗体”数据的比较）。
•随着大石用量的增加，逐渐扭曲了配比骨材级配的「连续性」，因而造成混凝土强度的折损。
在总级配「连续」的条件下，观察贫、中、富浆配比强度随粗骨材组态发展的情形如下表︰
表8
连续级配贫、中、富浆大石率与强度关系表
总胶结量（kg/m3）
220
300
450
大石率（%）
50
25
65
35
强度（Kgf/cm2）
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：
原材料材质有「本土化」之限制，骨材级配管理为当务之急。
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。
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」。
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
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