连续级配混凝土研究

1、.连续级配混凝土研究! 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验，只要材料的来源没有变化，则这些试验可以较低的的频率为之；但是因为砂、石生产场别之间有很不同的加工方式，产品会有很大的质量差别，再加上碎制砂、石的加工机具很

2、容易产生磨耗，故粗、细成品粒材的级配(粒度)变动是很寻常的；而粗、细骨材占混凝土组成的80%左右，骨材粒度的变动当然是混凝土质量变动的重要因素，管制好骨材级配的变动就成了混凝土生产业者最重要的管制项目，所以混凝土产制厂必须以足够的频率作粒料筛分析的检验，取得生产调整的资料。骨材的级配为不同尺寸颗粒排列组合的一种物理量，当大尺寸骨材间之空隙被较小尺寸骨材填塞后，大小颗粒组成一个密实的网络结构，非但外力可藉由大大小小的颗粒均匀负载之，整体骨材内之空隙率也会降低。当不同尺寸之骨材相互填塞至最佳状况时，其单位容积将增加，此颗粒大小尺寸之排列组合即为级配。在如何掌控粒料级配前，让我们先了解什么是优良的混

3、凝土骨材级配。是否为良好的骨材级配，端视于该级配的用途为何，针对水泥混凝土的用途须要让其组成为最致密 (具有最小的空隙率)的连续级配；在各种骨材于特定的比率之下，使得骨材占最大体积比，非但可藉其有效的大小填充的网络结构，发挥粒料既有的强度功能，且可因大小颗粒间的滚动，达成混凝土所须的工作度，因为骨材占最大体积比且为致密状态，故也可使用较少量的胶结材料，达到经济的目的，这种连续级配的骨材颗粒的分布类似富勒曲线FLC。二、混凝土骨材的的理想级配早在1907年富勒氏及汤姆森(Fullerand Thomson)提出，固体粒料粒径分布定义的理论方程式及其分布曲线。其方程式为： h：

4、系数(0.30.5)P：某粒径颗粒的过筛百分比 d：某颗粒的粒径(mm) D：该级配组的最大颗粒的粒径(mm)其中h值愈小表示级配中的细粒料愈多，水泥混凝土的骨材级配h值为0.5，今以525mm集料规范的粗骨材与细骨材之粒径，以富勒氏及汤姆森方程式所算出的数值如下表1，由相关数据绘成图形如下【图一】及【图二】。表1 525mm集料骨材粒径规范及理想值骨材粒径mm25.019.012.59.54.752.41.20.60.30.150.075粗骨材规范%10095602510050细骨材规范%100951008080456025301010250富勒曲线值%10081.8770.716

5、1.6443.5930.7221.7315.4910.957.75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】525mm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】525mm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

6、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

7、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(

8、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】525mm集料骨材

9、筛析图【图五】519mm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525mm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9.525mm集料及50%的519mm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519mm集料(配比全部使用9.525mm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

10、%/0%)【图七】系利用100%的9.525mm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516mm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9.525mm集料(配比全部使用519mm集料，此时粗骨材级配合乎519mm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9.525mm集料及100%的519mm集料所合成的骨材总级配分析图，由图中可

11、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

12、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：让胶结材发生化学反应。填充粒料间的空隙。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

13、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。

14、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

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

16、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9.525mm集料及519mm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525mm集料为级配规范，则小石/大石可使用的范围为：40/6060/40。

17、60;若以519mm集料为级配规范：25mm(100)，19mm(90100)，9.5mm(2055)，4.75mm(015)，2.4mm(05)。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

18、积所形成的空隙体积，仍以9.525mm(大石)及519mm(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：1.5372.2 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，

19、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6070%

20、。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/m3kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3总胶量220kg/m3100%95

21、0095274.274.271.7181.31.9875%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总胶量300kg/m3100%10000801115.2115.269.61952.480%800200801115.2115.269.61952.465%650350801115.2115.269.61952.450%500500801115.2115.269.61952

22、.435%350650801115.2115.269.61952.420%200800801115.2115.269.61952.40%01000801115.2115.269.61952.4总胶量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%0950729198.9198.952.22054.52、三类试验结果表7试验室小拌试验结果试验别大石率塌落度2

23、8天抗压强度标准差平均值%cmKgf/cm2Kgf/cm2Kgf/cm2总胶量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总胶量300kg/m3100%20.5200.9 200.2

24、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%17232.0 211.1 238.4 238.1 201.3 17.0 224.2总胶量45

25、0kg/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、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