第1368期- 談 混凝土-坍度養護和抗壓強度

前言

在技師朋友夥伴手機Line群組,有技師分享與提及混凝土一些工程上技術問題,個人提出一些淺見看法,分享技師夥伴們。記得曾在內政部主辦的工地主任訓練班暨台科大營建系班隊訓練課程之「材料試驗與操作」中,筆者曾引導學員做混凝土標準坍度試驗,讓每一位學員都必須要實際操作。設計坍度,由最初坍度3"〜4"(75 mm〜100 mm),做完坍度試驗灌注兩個試體後,依工地實際情況自行調整水量,調整至認為可加速泵送施工情況,讓學員因方便施工而加水,做完坍度試驗,隨即每一組再澆置兩只試體,隔天由工讀生助理拆模,編號後置於營建系實驗室養護池養護,隔周上課時進行7天抗壓試驗,並記錄測試結果fc加水/fc無加水比例,介於50%〜70%,如圖1。

1.加水

當時工地主任訓練班時間尺度是在921地震前(88.09.21),這些是當時學員訓練時的機會教育,加水只是一種提升新拌混凝土工作性(坍度),最簡便、簡單和最便宜方法;但是對鋼筋混凝土設計上,尤其是對混凝土抗壓強度,是最大的傷害行為。特別從最近因地震一些震垮掉建築物,目視破碎粉狀混凝土的外觀,滿目瘡痍,都是品質不良混凝土的足跡;工地預拌混凝土加水情況,至921地震後仍然無法有效遏止。圖1中,工地混凝土加水後,28天抗壓強度,由A點掉至B點,相關技師們應有此體認,加水絕對是對RC建築物安全性最大的傷害,因為,抗壓強度變少(因w/c增加),對梁柱斷面強度及完整性,戕害至巨,尤其是一樓柱子。

2.養護期

圖2,是由國外混凝土澆置後不同養護試驗資料,由筆者加以註記,澆置後混凝土的養護時程,混凝土不同時間濕養護對抗壓強度影響。顯示混凝土澆置後置於大氣中環境(無養護)、7天、28天、連續濕(浸水)養護,視各個情況抗壓強度發展:28天強度,無養護試體是28 MPa,而7天以上養護時間平均強度34
MPa,強度掉了20%以上;再觀察到365天齡期時,無養護〜28天養護,強度都有下降現象。無養護試體下降幅度是最高的、再者是7天養護、接續28天養護,幾乎很輕微,而連續濕養護,強度一值上升,從趨勢上幾乎是無養護條件約2倍;此現象明顯提示所有技師朋友們,絕對要斷絕工地偷加水問題,同時也要正視工程現場濕養護至少7天的事實。

雖然,目前土建工程因工程急迫性,都是將設計混凝土強度提升,去滿足7天以內施工規範0.7×f’c要求,達到拆模目的,但是工地現場養護工作的重要性,是與加水對抗壓強度影響有著相同的意義。技師朋友們!對【耐震標章制度】混凝土品質把關,而工地養護應與混凝土加水問題,一同齊平看待,為建築物耐震提升貢獻一份心力。

對於現行提升混凝土強度策略,滿足施工速度需求而疏於養護,業界施工人員,常有強度已經提升至規範以上要求,只要是符合強度要求,而不計其它現狀(養護問題)。實在對廣大消費者與使用者,有著無法監護工程構造物品質完整的遺憾。日據時代,南部烏山頭水庫與水利設施,負責興建的技師為「八田與一」,從歷史紀錄片(現在拍成動畫)可看出,土木水利專業人員那種披荊斬棘的精神,是值得令人尊敬效法;俗云「民之所欲,常在我心」,這句話非常適合用在技師們從事【耐震標章制度】混凝土品質把關工作。

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圖1 混凝土施工加水時水灰比(w/c)與28天抗壓強度關係(由A降至B點)

 

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圖2 混凝土澆置後不同養護期間抗壓強度變化

3.摻料

另有技師詢問,到底目前預拌混凝土,水泥、爐石粉、飛灰各是多少,比較恰當!事實上,有技師已經正確回答此問題,就是一切按照混凝土工程工地施工規範規定,水泥、爐石粉、飛灰摻用的比例,就是鐵的紀律,不能任意調整比例。除非調整比例時,有營造、監造、業主單位核可書面文件,是要正本(不得用影本),買賣雙方簽署文件後才可算數。否則,一旦工程有瑕疵問題,才據以論述,以解決這種紛爭。

而工程會施工綱要規範-「混凝土基本材料及施工一般要求」2.1.6節,如圖3所示。這項規定,是仿照ACI 318-19- Building Code Requirements for Structural Concrete以後,與內政部-鋼筋混凝土設計規範(110.03.02),這兩種規範,對爐石粉、飛灰、矽灰和天然卜作嵐材料用量,在混凝土暴露環境,採用除(去)冰鹽條件下,對礦物卜作材料用量限制,其它的混凝土都沒有規定用量。

工程會,即引用ACI 318此項規定,在混凝土材料限制這些礦物摻劑;種種作法是因應國內混凝土品質不良,層出不窮問題有一節制。事實上,ACI與內政部,所頒結構混凝土設計規範,對前述礦物摻料,束制在對混凝土暴露於除冰鹽,含有高量氯離子環境,才有所限制。台灣現有環境,是沒有這種選項,但是緊鄰海邊、浸入海水、海霧環境結構物,有不少是暴露在此環境中,可以引用這項規定的。

目前,設計強度f’c >280 kgf/cm²以上強度,膠結材料(水泥和卜作嵐)用量,水泥(Type I型)是180〜200 kgf/cm²,爐石粉與飛灰(爐灰)用量是50%,問題是爐石粉與飛灰要用多少,是要看工程施工規範-混凝土工程項之相關規定。以目前公家或比較嚴謹工程案例,會選擇工程會施工綱要規範為主,爐石粉25%〜30%,飛灰20%〜25%;這個比例,是飛灰能完全轉換水泥水化產物氫氧化鈣(Ca(OH)2CH),25%〜30%爐石粉(要磨細一點,100級以上),是取代水泥優質的材料;惟添加這些材料要特別注意,一定是低水量設計(少於170 kg/m³),工地上絕對不能偷加水,養護期間(7天)要足夠。因為採用卜作嵐材料,早期強度會上不來,尤其是秋冬季時,溫度下降,伴隨混凝土強度受到延遲,會影響工進的。

根據實務經驗,晚期(90天以後),強度會明顯上升的。至於,民間工程,還是要依據建築師,或結構設計師,所擬定建築物或工程的施工規範-混凝土工項為依據,按照圖說據以施工。而坊間(私人案件),水泥用量是120〜140 kg/m³,如果也是設計為280kgf/cm²(4000
psi)強度,一切都按照工程施工規範在走,包括拆模與強度試驗,都按部就班時,這是預拌混凝土廠的本事,也就是以性能規範(坍度與設計強度kgf/cm²)規範之,不用膠結材料比例規範束制施工者。前提是,一切都必須要依據施工規範進行,這是ASTM C1157-水硬性(混合)水泥性能規範指引最基本的精神所在,也是全球目前極力推動節能減碳的策略之一重要方向。

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圖3摘自工程會施工綱要規範「混凝土基本材料及施工一般要求」2.1.6節 礦物摻料(2021.1.4)規定

 

4. 混凝土坍度與坍流度

至於混凝土容許坍度誤差值是2.5公分或4公分問題!依據目前現行的CNS 3090-預拌混凝土(104.01.13修訂公布)第7章混凝土坍度與坍流度許可差規定,見圖4至圖6所示;仍然是要依據工地施工規範之規定為準繩,若是施工規範內有註明,如7.1.1節坍度有記載"最大值"或"不得大於"表示時,依表2規定辦理。本項規定最大許可誤差是在0〜-6.5公分,是屬於相當嚴格規定。因為工地混凝土坍度,都不能大於要求坍度規定。換言之,規定18公分坍度,到工地時只有11.5〜18公分都可以,超過就是違約,這一點,技師們與建造和施工單位,都要格外留意施工規範有無此規定,以資因應。7.1.2當坍度值以標稱坍度許可差,以目標值、標稱值規定時,坍度許可差如表3所示,這是一般混凝土規定,比如坍度目標值為18公分時,工地坍度18±4公分,是介於14〜22公分均可,也就是高低差有8公分如此高,也是非常不可思議的數值

因為混凝土有很多情況,是因水量多寡問題會發生,而加藥劑所衍伸的問題,也是其中重要因素(特別是添加高性能減水劑-聚羧酸系劑型時)。CNS 3090之7.1.1節,也許是杜絕工地加水最後的手段,而且是在管尾取樣,遏止混凝土加水歪風。圖6,顯示在自充填混凝土或高流性混凝土,或高流動性混凝土,可以採用坍流度規範工作性,許可差是以550 mm分界,大於則採用±50 mm規範之,若是小於以±40 mm加以限制。

坍流度表示工作性時,應特別注意混凝土有無泌水析離問題。在拌合桶、或看到坍流度周邊有粗粒料(石頭)與水泥漿分離達20 mm以上,或者是坍流度外觀形狀有獨立小山頭時,判定有析離泌水問題。圖7與圖8,混凝土析離泌水問題,因為混凝土材料比重中水泥是3.15、爐石粉2.87、飛灰2.20、粗細(砂石)粒料2.65、水與藥劑約1.00,將所有材料均勻拌合後,因比重差異,輕的與重的材料會分離,稱為「析離」,水與藥劑是最輕的成分,自然有上浮表徵,就是泌(浮)水的意思,是混凝土析離的常見現象。

而,水自然會上升到混凝土表面,除非混凝土的黏稠性夠大,否則澆置後混凝土表面,一定會冒水出來,會大幅影響混凝土品質(與鋼筋握裹力、強度、耐久性、體積穩定性等)。所以,高流動性高性能混凝土(HPC)與自充填混凝土(SCC),要求不泌水、不析離的性質,如圖9與圖10;泌水與析離,大多發生高工作性與高拌合水量場合。添加高性能減水劑不恰當、或與加入過量水,會造成混凝土品質劣化,一發不可收拾的情境,技師們應明察。

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圖4 CNS 3090之7.1.1表2最大坍度之許可差

 

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圖5 CNS 3090之7.1.2表3標稱坍度之許可差

 

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圖6 CNS 3090之7.1.3表4坍流度之許可差

 

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圖7 拌合桶內混凝土析離泌水的外觀

 

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圖8 混凝土析離泌水的試驗外觀

 

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圖9 坍度250 mm坍流度585 mm

 

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圖10 坍度260 mm坍流度650 mm

標準坍度與坍流度試驗,可參考CNS 1176-混凝土坍度試驗法(92.12.27),也可參考圖11至圖17。坍度錐以薄鋼鈑材質,是用上下不同圓錐形式(如擴聲器),底部直徑20cm×頂部直徑10cm×高度30cm,用60cm(圖11)光華圓鐵(搗)棒搗實置於內部混凝土,分三層均勻搗實(6.5 cm、15.6 cm 、30 cm,每一層要深入該層混凝土面2.5公分),刮平頂面後垂直緩慢提高後,用水平器(Level)或搗棒,橫跨在坍度模上,以直(或捲)尺量測坍下去高度-坍度(圖12)。

在歐美國家,標準坍度在1"〜4"(2.5〜10 cm)之間,國外混凝土坍度試驗,用圖13表示,可以分成四種坍度型態:正常坍度(Normal slump)一般工程用;近零坍度(Zero slump):用在預鑄或滾壓混凝土等;崩陷坍度(Collapse slump):有析離泌水傾向混凝土;剪力坍度(Shear slump):缺乏黏滯性混凝土。正常坍度,如圖14與圖15,在國外這種坍度是可以施工的,但是在國內,這種混凝土工作性,會被大部分工地施工現場(澆置)人員,或泵送車操作員拒絕灌注泵送,因為混凝土施工性差。

問題是國外都可以施作,在國內就是窒礙難行了。國內混凝土施工性坍度,從15〜18cm(圖16),維持一段很長的時間;近年來,提升至坍度20cm,見圖17(美國稱為流動性坍度)。工地混凝土施工單位,甚至要求要用自充填混凝土(SCC),如圖9與圖10工作性。工作性越好,當然是方便施工澆置進行,但是,工作性越好,象徵混凝土施工品質越好才對;但是,當施工單位要求工作性提高,因應RC耐震需求,鋼筋會比較密集些,良好施工性是有助於提升耐震強度的。

天下沒有白吃的午餐,高工作性是有代價的,是需要有成本觀念的,而不是一味要求如剛煮好的稀飯,那種水水(美美)很稀的樣子,而是要經過一段時間要有黏稠般的稀飯,也像火山炙熱岩漿般在高山平地般緩慢流著,那時候混凝土內水量,是可以控制在某一定點,添加藥劑來強化施工性坍度。

混凝土產生崩陷坍度,是泌水與析離現象的代名詞,品質是極端惡化了,很有可能版、梁、柱、牆發生嚴重的塑性龜裂與乾縮龜裂,應有適當的補救措施。剪力坍度,象徵混凝土內黏著材料偏低,反覆試驗都是這種型態,明顯膠結材料不足,只有退貨一途了。

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圖11 坍度試驗標準

 

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圖12 坍度與坍流度

 

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圖13 國外各種混凝土坍度類型

 

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圖 14坍度1〜2"(25〜50 mm)

 

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圖15 坍度3〜4"(75〜100 mm)

 

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圖16 坍度6"(150 mm)

 

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圖17 坍度8"(200 mm)

結語

以上將國內工程混凝土坍度現況,水泥、爐石粉、飛灰等材料用量,說明一雛型,提供技師與施工單位參酌;一切都還是要按照施工規範規定來進行,在此大聲疾呼技師朋友與施工單位夥伴:要看清楚與熟讀、認知清楚,施工規範來龍去脈的實質意義,千萬不要用模稜兩可或差不多的心態,所謂『失之毫米,差之千里』,就是此意義。依據筆者混凝土工程糾紛仲裁的經驗,都是對國內施工規範或國外施工規範誤讀或誤判,引起施工單位與預拌混凝土供應商糾紛,最後都訴諸法院求公斷,浪費寶貴時間與不必要的成本支出!此值得深思!

參考文獻

1. CNS 1176-混凝土坍度試驗法(108.10.16確認日期)。

2. CNS 3090-預拌混凝土(110.12.07確認日期)。

3. 公共工程委員會施工綱要規範-03050混凝土基本材料及施工一般要求(2021.1.4版)。

4. Concrete slump photos (Key words,2022.10.14 12:41點閱)。

 

【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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