水泥混凝土強度轉換公式之問題探討

一、前言

訂定水泥混凝土材料之強度值有其重要性,至於工程強度值之種類,則可分為抗壓(Compressive)與抗彎(Flexural),除使用於鋪面時,必須採用抗彎強度值之外,其他的土木、建築及水利結構體,則一律採行抗壓強度值表示之。

素來水泥混凝土剛性鋪面,採行抗彎強度值機制,偏於冷僻,因此在實務上,業界幾乎千篇一律以抗壓強度值,進行剛性鋪面的設計與施工品管作業,因而造成失敗案例。

職是之故,本文擬就水泥混凝土強度轉換公式之問題,予以扼要介紹及說明。

二、水泥混凝土材料強度表示方式

(一)一般性土木、建築及水利結構體

1.強度表示方式:抗壓強度。

2.試驗準則: (1)CNS 1231。(2)CNS 1232。

(二)剛性鋪面面版

1.強度表示方式:抗彎強度。

2.試驗準則:(1)CNS 1231。(2)CNS 1233。(3)CNS 1234。

三、強度轉換公式說明

(一)公式

若使用水泥混凝土材料,誠如前述,其工程強度值之表示方式有抗壓及抗彎兩大類型。基於抗彎強度值之模式,僅侷限使用於剛性鋪面乙種結構體,且業界可提供抗彎試驗服務工作之單位亦不多,復因抗彎樣品取樣作業甚為繁複,試驗費用又高於抗壓試體甚多,因此,許多設計單位均採用公式(1)之方式,利用水泥混凝土所求得之抗壓強度值,逕行轉換為抗彎強度值,做為鋪面水泥混凝土之設計值及施工品管之控制值。

ff'=k(fc')0.5 ----------公式(1)

式中:ff':水泥混凝土抗彎強度值。

fc':水泥混凝土抗壓強度值。

K :轉換係數(英制:k=8~12;公制:k=2.0~3.0)

(二)公式使用上限制

大部分的文獻,均只提及公式(1)之列述方式,卻未針對其使用上的限制條件再詳加規定。筆者基於三十多年的求學,以及從事設計、監造、試驗和品管工作等多重歷練的機緣,深知公式(1)箇中之運用技巧,特撰文列述如下:

1.在實務上,水泥混凝土抗壓強度值的種類繁多,大致上,均參考表1【參考文獻(1)】所列各項數據選定之。

2.而水泥混凝土抗彎強度值的種類,則只有45kgf/cm2乙種(詳表1)。

3.職是之故,絕大部分的設計工程師,會依據表1以及公式(1)之資料,逕行選定以280kgf/cm2~320kgf/cm2之抗壓強度值,轉換為45kgf/cm2的抗彎強度值後,即予以作為施工及品管的準據。

4.經過許多案例的印證,以抗壓強度280kgf/cm2~320kgf/cm2數據,予以施工及品管作業之後,失敗案例層出不窮。這個結果,令眾多工程師們,猶如丈二金剛摸不著腦袋,至今,很多設計工程師,仍然只知其一不知其二呀!

5.在進行水泥混凝土配合設計準則試驗作業時,抗壓強度與抗彎強度機制有明顯的差異性,本文謹列如表2所示。

6.許多設計工程師,未注意表2中水泥混凝土抗壓與抗彎強度機制,在選定配合設計準則參數時,差異性的癥結所在,以至於採用抗壓強度值,逕行透過公式(1)轉換為抗彎強度值之後,即當作抗彎設計值與施工時之品管控制值。亦即表2中所列之五項抗壓強度機制的控制參數值,並不能百分之百符合抗彎強度機制之所需。

四、差異性

(一)使用水泥種類

大部分之水泥混凝土抗壓強度機制之成品,皆採用TYPEⅠ水泥,惟使用於鋪面工程時,設計準則已經明白揭櫫,務必採用TYPEⅡ水泥。

(二)坍度

由表1中即可明白顯示,水泥混凝土抗壓強度機制者之坍度值為5~21公分,另內政部營建署之結構混凝土施工規範【參考文獻(2)】,則規定水泥混凝土最大坍度值不得超過18cm。惟僅有抗彎強度乙項明定坍度值為0~7.5公分。

(三)最大水膠比

以抗壓強度280kgf/cm2及315kgf/cm2為例,其最大水膠比分別為0.45及0.42,均超過抗彎強度機制所規定的0.40。

(四)最大水泥用量

續以280kgf/cm2及315kgf/cm2抗壓強度值為例,其最大水泥用量分別為360kg/m3與430kg/m3,均超過抗彎強度機制所規定的350kg/m3,而抗彎強度之水泥混凝土的最大水泥使用量,若選用到380kg/m3以上時,即使養護作業良好,在28天的養護期間內,亦易於衍生紋裂之損壞狀況。

(五)用砂率

若以(32%±5%)之用砂率值,製作水泥混凝土抗壓試體,已足敷抗壓強度之所用,惟抗彎試體若亦採用(32%±5%)之用砂率值時,則水泥混凝土硬固後之剛性鋪面,易於衍生裂縫或斷裂性之損壞情事。

五、討論及建議

1.採用公式(1),逕行將抗壓強度轉換為抗彎強度的水泥混凝土成品,失敗案例眾多,藉以提醒各從業人員切勿再重蹈覆轍。

2.不同的設計機制,以及土木、建築或水利工程結構體,國內外皆已具備充分的水泥混凝土設計準則,可供參考使用,工程師們應該研讀、用心設計,萬萬不可一昧地只想套用公式(1)而便宜行事!

參考文獻

1.行政院公共工程委員會施工綱要規範(2014年11月10日)。"第03050章:混凝土基本材料及施工一般要求"。完整版第V10.0版。

2.內政部營建署(2017年07月01日)。"結構混凝土施工規範"。

表1 水泥混凝土材料規格表【參考文獻(1)】

           
  

混凝土28天抗壓強度(fc')

  
  

膠結材料最低用量(kg/m3

  
  

坍度範圍(cm)

  
  

最大水膠比

  
  

粗粒料尺寸(mm)

  

80kgf/cm2

180

10.0~21.0

0.90

4.75~50

140kgf/cm2

215

10.0~18.0

0.71

4.75~50

175kgf/cm2

250

5.0~18.0

0.67

4.75~50

210kgf/cm2

300

5.0~21.0

0.59

4.75~37.5

245kgf/cm2

325

5.0~21.0

0.51

4.75~37.5

245kgf/cm2

(水中澆置)

375

10.0~21.0

0.54

4.75~25

280kgf/cm2

360

5.0~21.0

0.45

4.75~25

280kgf/cm2

(水中澆置)

400

10.0~21.0

0.50

4.75~25

315kgf/cm2

430

5.0~21.0

0.42

4.75~25

350kgf/cm2

450

5.0~21.0

0.40

4.75~25

420kgf/cm2

475

5.0~21.0

0.40

4.75~25

抗彎強度

= 45kgf/cm2

350

0~7.5

0.40

4.75~50

 

 

表2 水泥混凝土抗壓暨抗彎強度機制於配合設計準則試騐時差異性比較表

項次

比較項目

抗壓強度機制

抗彎強度機制

1

使用水泥種類

TypeⅠ~TypeⅤ均可

以TypeⅡ為主

2

坍度

5~21cm

0~7.5cm

3

最大水膠比

依強度不同,介於0.40~0.90

0.40

4

最大水泥用量

依強度不同,介於180~475kg/m3

350kg/m3

5

用砂率

32%±5%

40%±5%

◎:1.水泥混凝土坍度值5~21cm,為參考文獻(1)之規定。         

   2.內政部營建署規範【參考文獻(2)】則規定水泥混凝土最大坍度值不得超過18cm。

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