第1386期-水泥混凝土配料問題探討

前言

水泥混凝土，係由粗、細粒料、填充料、水、水泥以及必要的添加劑等材料，混拌而成的施工材料。為求達到優良的設計及施工品質，必須藉由配合設計準則試驗，得到各設計參數與工地拌和公式(Job Mixed Formula；簡稱JMF)，俾供工程各階段從業人員遵循採用。

本文擬針對水泥混凝土在配料作業上必須特別注意的事項，予以扼要性列舉並說明之，殷盼有助於釐清部分工程人員之錯誤認知或不當行止是幸。

一、問題一：控制用砂率的問題

1.用砂率的定義，乃為「通過No.4號篩的砂土重量(S)與停留在No.4號篩以上級配料重量(A)的比值」，表示方式為公式（1）所示。

用砂率=(S/A)╳100%
-----------------------------公式（1）

2.若水泥混凝土採用抗壓強度之機制時，則用砂率值，一般須訂定為32%±5%，因為大部分水泥混凝土工程的配料，皆能符合此一要求值，故幾乎所有的拌和廠，在出具配合設計準則試驗報告時，並不會特別標示此一用砂率值之數據，且設計、監造及施工人員，亦不會重視此項資訊。

3.若水泥混凝土採用抗彎強度之機制時，則用砂率值，一般須訂定為40%±5%或是45%±5%，為了達到此一標準值，此時的配料，必須特別增加通過No.4號篩以下砂土的使用量。這時候因為大部分的拌和廠很少出具抗彎強度機制的配合設計準則試驗報告，因此，用砂率值常有付之闕如的現象發生。復因設計、監造及施工人員，亦渾然不知其重要性，故導致失敗案例始終層出不窮矣。

4.許多從業人員習慣於採用公式(2)之方式，將水泥混凝土以抗壓強度值轉換為抗彎強度值，直接使用於結構體的設計值及品管值，此乃為造成施工成品裂縫叢生之最主要致因。

ff'=k(fc')0.5 -----------------------------------公式(2)

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=2~3)

5.當結構體之水泥混凝土抗彎強度機制所採用之用砂率值偏低時，其一在於養護階段，若未予以充分養護28天時，即會衍生紋裂或是輕度至中度之裂縫損壞狀況；其二在於開放使用後，水泥混凝土於承受載重後，在短期內即可能衍生各類損壞狀況。而養護期間所產生之紋裂及裂縫狀況，亦會加劇損壞速率。

6.職是之故，用砂率值乃為控制抗彎強度機制之水泥混凝土使用績效至為重要的因素之一。

二、問題二：控制坍度值的問題

1.早期的設計準則以及施工規範，皆訂定抗壓強度機制之水泥混凝土坍度值，以10公分為基準，並允許之區間值為5~12.5公分。致大部分設計工程師皆訂定坍度設計值為10±2.5公分；至於抗彎強度機制之水泥混凝土坍度值，則以7.5公分為基準，並允許之區間值為0~7.5公分。致大部分設計工程師皆訂定抗彎強度機制之坍度設計值，為6±1.5公分或是5±2.5公分。

2.後經施工單位一再地反應抗壓強度機制水泥混凝土工作性問題，導致約莫在10年前設計坍度值，由10公分（10±2.5公分）放寬至15公分（15±3.8公分）；最近5年，再由15公分（15±3.8公分）放寬至21公分（18±3.8公分）之狀況；於此同時，抗彎強度機制之水泥混凝土坍度值，則始終維持以7.5公分為基準，允許之區間值仍然為0~7.5公分。

3.根據參考文獻(1)所述，一昧地增加設計坍度值，將可能衍生以下之弊端或負面影響：

(1)坍度值超過15公分（6吋）後，每增加2.5公分（1吋）坍度值，抗壓強度值將降低200psi(14kgf/cm²)。

(2)坍度值超過15公分（6吋）後，水泥混凝土拌和料之空氣含量將由 4%降至2%左右，此一狀況將損及結構體之耐久性。

(3)坍度值超過15公分（6吋）後，即使養護良好，亦易於衍生裂縫及剝脫之損壞狀況。

(4)坍度值過大，粗粒料易沉降至結構體下層位置，導致上部結構亦衍生泌水現象，且產生強度不均勻之情事。這將降低整體結構體之抗震功。

4.以抗彎強度機制為設計準則之水泥混凝土結構體，一般乃係以鋪面工程為主。其設計坍度值要求皆為0~7.5公分，筆者承辦之工程則以6±1.5 公分為設計坍度值之基準值。

5.再觀美國，有關水泥混凝土抗壓強度機制之設計準則，長年以來，仍然以10公分坍度值為基準値。若擬增加坍度值，參考文獻(2)則強制且明白規定：『須採用添加附加劑之方式完成此一需求，惟最大坍度值以20公分為限。同時，不得以加水之方式達到放大坍度值的目的。另一方面，水泥混凝土未使用附加劑之前的原始坍度值不得超過10公分。』

6.綜上所述，為了顧及結構體的強度、耐久性，並避免衍生裂縫、剝脫、強度不均勻及泌水等負面現象，筆者建議，各從業人員應嚴謹地處理水泥混凝土設計坍度值的問題，以避免衍生因小失大之憾事。

三、問題三：控制水泥用量的問題

1.水泥混凝土的組成，水泥用量亦扮演極為重要之角色，一般而言，抗壓強度值越高者，其水泥用量亦相對比較多。

2.惟在設計實務上，設計工程師應認知，當水泥用量超過380kg/m³時，結構體極易衍生紋裂或是裂縫之損壞狀況，亦即水泥用量使用過多時，則水泥混凝土之水化熱反應將加速，若於養護期間之表面披覆品質不良時，此時之水泥混凝土表面經強風吹拂後，會立即產生裂縫叢生之損壞情事。

3.針對同一個結構體澆置水泥混凝土拌和料時，應採用統一品牌之水泥產品，不能以兩種(含)以上品牌之水泥，同時混拌使用於水泥混凝土之中。

4.設計工程師在選定水泥種類時，應另行注意水泥細度模數的問題，以避免產生水化熱反應過速所造成裂縫之後遺症。

結語

1.水泥混凝土配料品質的良窳與否，將直接影響其完工後結構體之使用成效、強度以及耐久性，故應如何控制重要成分，進而獲得良好績效，乃成為土木工程中重要顯學之一。

2.在眾多可能影響水泥混凝土配料品質的因素中，筆者特別輯要用砂率值、坍度值以及水泥用量等三大項目。至於使用附加劑的問題，因其係利用化學藥劑的功效，針對配料做功能性的改變，且不同的附加劑，各有不同的使用機制及注意事項，故甚為繁瑣，且尚具高度專業技術，礙於本文篇幅所限，故暫不予以介紹說明，合先敘明。

參考文獻

1.廖肇昌譯，〝混凝土問題原因及診治〞，民全書局有限公司，1987年版。

2.ACI301M-05,〝ACI Specifications for Structural Concrete〞,2005.