預拌混凝土砂石料短缺對混凝土品質之影響探討

 

摘 要

砂石原料短缺使混凝土預拌業措手不及,衍生許多品質上的問題,包括抗壓強度不足;塑性收縮裂縫過大及鹼性物質含量過高造成之混凝土崩裂等現象。本文針對目前砂石料嚴重缺乏造成混凝土之抗壓強度不足及體積收縮現象,以混凝土設計強度280 kgf/cm2主要變數,添加不同粉體材料(爐灰及石粉),以瞭解在同一工作坍度下,混凝土之塑性收縮裂縫敏感度及混凝土組成成分分析。結果顯示:以石粉取代砂的塑性收縮指數為最大,爐灰取代試體次之;尤其漿體量及熱重損失分析可相互印證;顯示砂石原料缺乏時,以粉體材料取代細砂時,應注意混凝土體積穩定性之負面影響。由水泥漿體之熱重損失分析計算含水量,顯示與拌合用水量相符合,可做為爾後混凝土配比檢驗之參考。

ㄧ、前言

隨物價上漲,中國大陸因舉辦2008奧林匹克運動會場館興建工程,自95年5月起,禁止「天然砂」出口措施(1),造成砂石原料短缺,使混凝土供應廠商,無法及時調整,導致產生預拌混凝土產生品質上的疑慮,包括抗壓強度不足,塑性收縮裂縫及混凝土的崩解等現象(2),為了瞭解混凝土問題與釐清責任,嘗試以高粉體材料取代部分砂的策略,對混凝土性質的影響,就其抗壓強度及塑性收縮行為加以瞭解,並比較分析各種取代材料間,含水量CH含量及材料組成比例的關係,瞭解是否能做為現場施工責任釐清的方法。

針對新拌混凝土塑性收縮行為以不同粉體材料,使用現今工程常用之爐灰及石粉,取代部分砂,瞭解砂石料等原料的缺乏衍生之相關品質問題,成為爾後工程上的重要課題,為了預防或尋找可能之替代方案,首先應瞭解混凝土施工問題形成裂縫及爆裂之原因,並期提供替代方案的建議方向。研究係以目前工程常使用之爐灰取代20%、30%及石粉取代30%之砂用量,瞭解其混凝土新拌階段之塑性收縮行為;取樣進行漿體之熱重損失分析,瞭解其含水量CH含量變化,並針對其試體剖面酸蝕後粗細骨材比例,加以分析與原配比比對,嘗試瞭解由熱重損失分析與剖面影像分析,是否能提供爾後工程混凝土之組成材料分析方法之參考。

二、新拌混凝土塑性收縮行為

一般新拌混凝土階段(2,3)有自生收縮及塑性收縮,自生收縮係因水泥水化過程所產生之體積收縮,當W/C>0.42時其收縮量不大;再者塑性收縮係因混凝土澆置後水份的散失,其主要途徑是經由表面蒸發,但也不排除模板未濕潤的吸水或封孔不良造成滲水作用而造成,塑性收縮主要因混凝土水份過多及氣候環境如天氣乾燥、風速較大、氣溫過高及混凝土水化熱造成混凝土溫度升高導致水份蒸發,當水份蒸發率大於0.5 kg/m2/hr時,容易造成塑性收縮裂縫,其裂縫型態為與風吹之方向垂直之平行間距之裂縫,且上寬下窄,嚴重者可能貫穿樓板,其產生體積變化之形式及對策如表1 所示(2,3),而混凝土因體積變化產生之裂縫之型態及原因如表2所列(2,3);

表1 混凝土體積變化型式及對策(2,3)

 型 式 原 因(機 理) 對    策
凝結收縮 ‧由於泌水與水泥漿體不均勻 ‧降低拌和水量
‧適當配比與稠度
‧搗實確實,但勿過度,避免析離與浮水
自體收縮 ‧水泥水化作用所產生之體積變化 ‧限制CaO與MgO之含量
  ‧鈣釩石與游離MgO之膨脹作用 ‧採用細度較低水泥
    ‧減少水泥用量
  ‧控制W/C>0.42
  塑性收縮 ‧漿體在塑性狀態下之水份損失 ‧避免於高溫、高風速下進行混凝土施工
  ‧蒸發率>0.5kg/m2時,更會惡化 ‧避免遭受風吹與直接日曬
‧裂縫為鳥爪狀,並與風向垂直 ‧注意養護作業,如噴霧、濕潤、覆蓋
  乾燥收縮 ‧硬固混凝土中水份逐漸失去之乾縮現象 ‧降低水泥用量及細度
  ‧降低水泥漿量及拌和水量
‧提高骨材用量
  ‧設計與施工時須考慮乾縮之影響
  ‧採用收縮控制縫
  碳化收縮 ‧ CH與C-S-H與空氣中之CO2反應,生成碳酸鈣,並損失水份而產生體積收縮 ‧使相對濕度低於25%或飽和狀態
  ‧RH為50%時,碳化收縮量最大 ‧提高混凝土之密度
    ‧降低混凝土滲透性
潛變 ‧荷重不變,隨時間而增加之變形 ‧使用鋼筋(骨)材料替代混凝土
‧ 潛變造成預力之應力鬆弛,會降低混凝土之壓應力,而有裂縫之虞 ‧降低水泥漿量用量
  ‧增加骨材用量
  ‧俟混凝土成熟後,以後拉法施工

2  結 構 混 凝 土 裂 縫 的 形 態 、原 因 23

裂縫的形態 發生狀況說明 造成問題的原因
大而不規則 結構體支撐不良或超載重作用 結構體超載重
大而有規則等間距方格 水泥漿體失水乾縮 水份喪失
水泥漿體熱作用 熱應力或熱膨脹
粗糙而不規則地圖狀 鹼-骨材反應,膠體流出 體積膨脹
細微不規則地圖狀 過度泌水 含水量過多
(微裂紋) 塑性收縮,呈垂直風向 水份喪失
平行控制縫邊緣 多孔骨材、含水量過多 水力壓力
(D-裂縫)

 

在台灣地區夏天施工時常產生此種現象,如圖1~3所示為台北某工地即是高添加取代細粉料,造成用水量增加使得產生混凝土體積穩定性問題。圖4~5為因添加高量爐石粉造成之滲水及裂縫現象。

  

圖1 台北某工地樓地版典型塑性收縮裂縫照片        圖2 台北某工地樓地版典型塑性收縮裂縫照片

  

圖3 台北某工地樓地版典型塑性收縮裂縫修補情況照片          圖4 高雄某工地連續壁滲水情況照片

 

圖5 高雄某工地連續壁體積收縮裂縫情況照片



中國大陸於95年5月起禁止「天然砂」出口之措施導致料源受限,無法滿足工程之需求,砂石碎石級配價格上漲,細砂、粗砂價格上漲70-90元/公噸,漲幅約為11~19% 如圖6所示(4)。砂石貨源嚴重短缺,價格也節節高漲,從年初700元/m3已漲至現今850元/m3;以砂石為原料的預拌混凝土,除銷售價也跟隨調漲外,因砂石原料供應不足導致使用細粉礦物料替代細砂現象也時有所聞,造成混凝土體積收縮及膨脹之後遺症(2),若不小心添加具有高總鹼量(N+0.66K)之灰渣、鋼渣,容易誘發鹼-骨材反應 (AAR),其反應機理為 (1)矽酸鹽水解;(2)形成N/K- S -H 膠體;(3)膠體膨脹;(4)形成流動溶液,AAR之反應方程式如下:

640-3-6

控制鹼骨材反應的方法有:(1) 限制水泥中含鹼量,使 N + 0.66 K < 0.66 %; (2) 避免使用活性骨材;(3) 減低含水量;(4) 使用卜作嵐摻料,若產生AAR之典型現象如圖7~8為疑似添加不明確灰渣、鋼渣造成之爆裂膨脹現象。

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圖6 砂石原料物價指數變化圖(資料來源: 行政院主計處)(4)  

 

  

 

  圖7 疑似添加不明確灰渣、鋼渣造成之爆裂膨脹現象  圖8 疑似添加不明確灰渣、鋼渣造成之膨脹現象



三、混凝土塑性收縮行為之研究方法
1、研究流程
研究以fc’=280 kgf/cm2混凝土單一配比,比較不同粉體材料(爐灰、石粉)取代砂,瞭解混凝土抗壓強度性質,新拌混凝土塑性收縮行為,並進行熱重損失試驗及切片酸洗之影像分析,瞭解混凝土材料組成比例關係,研究流程如圖9所示。
2、研究變數
研究變數如表3 所示。
表3 研究變數及混凝土配比資料

基本配比資料 變  數 備      註(材料性質)
材料 材料重(kg/m3)   1. Slunp=15±2cm, Dmax=25mm, FM=3.5(粗砂), 2.35(細砂), γC=3.15, γCA=2.58, γS= 2.64 ,    γSlag=2.9,γFA=2.2,γSp=1.15,A=1.5%,TMCA=3.25%, TMS=6.6% 。
水泥 344   2. 粗砂使用率=70%,細砂使用率=30%。
爐石 40   3. 爐灰、石粉取代砂30%重量為239 kg/m3 ,爐灰取代砂20%重量為159 kg/m3;W/B=0.511, Vp=0.313。
飛灰 20 控制組 4. 強塑劑為HPC Type。
178 爐灰30%  
789 爐灰20%  
石子 958 石粉30%  
強塑劑 4.04    
單位重 2342    


參考文獻
1、經濟部礦務局,「中國大陸暫緩禁止天然砂出口,國內砂石供應並無短缺」,(2007/5/4)。
2、黃兆龍,「混凝土性質與行為」,詹氏書局,pp.553~556。
3、Mehta, P. K., and J. M., Montliro, “Concrete Structure, Properties and Materials”, Prentice Hall Inc. (1993)。
4、行政院主計處物價統計月報97年2月第446期。
5、林平全,李銘智,鄭瑞濱,邱暉仁,「轉爐石粉作為膠結料之配比試驗與演繹歸納」,工程,Vol. 80, No. 3,pp. 62~74(2007)。
6、黃兆龍,「高性能混凝土理論與實務」,詹氏書局。
7、施靜傑(王和源、林仁益指導),「緻密高性能輕質骨材混凝土體積穩定性之研究」,高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所碩士論文(2007)。
8、台灣省土木技師公會鑑定報告,鑑定案號:96-1263及96-1694。

 

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】


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