中強度的自充填混凝土的製作方法

2023-04-22 23:52:36

專利名稱：中強度的自充填混凝土的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種自充填混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)，特別是有關於一種中強度的自充填混凝土的配比。
表1自充填混凝土的相關試驗參考值

傳統自充填混凝土是高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)，一種如美國專利申請公開案第2002/0038616號，以往的自充填混凝土是利用大量膠結料為基材，使得水膠比(W/B)偏低，故其抗壓強度較高，並超過420kgf/cm2，例如當拌和水用量175kg/m3水泥用量336kg/m3，爐石用量96kg/m3，飛灰用量48kg/m3時，自充填混凝土的水膠比(W/B)約為0.37，其28天的抗壓強度約為500kgf/cm2，90天的抗壓強度約為600kgf/cm2，而一般建築工程所規範的混凝土強度為140-280kgf/cm2，土木工程所規範的混凝土強度為280-420kgf/cm2，顯然傳統的高強度自充填混凝土無法普及運用於一般工程。
本發明的第二目的是提供一種中強度的自充填混凝土，利用不具膠結性質的填充材，例如石灰石粉(limestone powder)的添加，在不改變水膠比的條件下，提供足夠的粉體量，確保中強度混凝土的自充填性能，達到良好的工作性的目的。
本發明的第三目的是提供一種中強度的自充填混凝土，利用不具膠結性質的石粉與至少超過50％重量水泥用量的凝硬材料，以低水泥的用量，達到自充填性能並降低混凝土成本的目的。
本發明的第四目的是提供一種中強度的自充填混凝土的配比設計流程，達到適當的步驟下設計中強度的自充填混凝土的目的。
本發明的第五目的是提供一種中強度的自充填混凝土的製造方法，達到在適當的步驟下拌和中強度的自充填混凝土的目的。
本發明的目的是這樣實現的一種中強度的自充填混凝土，其特徵是它的各成分的配比是粗粒料600-1000kg/m3、細粒料800-1000kg/m3、粉體450-700kg/m3、拌和水150-195kg/m3及強塑劑為粉體用量的0.8-1.5％重量；該細粒料的細度模數是介於2.5-3.2之間；該粉體至少包含有水泥與凝硬材料；拌和完成後的自充填混凝土的水膠比是0.27-0.75，漿體體積為0.29-0.47m3，水粉體積比為0.56-1.36。
該自充填混凝土的抗壓強度為140-560kgf/cm2。該凝硬材料選自飛灰、爐石粉或矽灰。該粉體是包含有不具膠結性質的填充材，用以在不改變水膠比的條件下提供足夠的粉體量。該不具膠結性質的填充材選自石灰石粉或不具膠結性質的粉體。該凝硬材料的用量是大於該水泥用量的50％重量。
本發明提供另一種中強度的自充填混凝土，其特徵是它的各成分粗粒料、細粒料、粉體、拌和水及強塑劑；該細粒料的細度模數是介於2.5-3.2之間；該粉體至少包含有水泥與凝硬材料；該凝硬材料的用量是大於該水泥用量的50％重量。
該凝硬材料的用量是大於該水泥用量的80％重量。該粉體是包含有不具膠結性質的填充材，用以在不改變水膠比的條件下提供足夠的粉體量。該填充材選自石灰石粉或不具膠結性質的粉體。
本發明的中強度的自充填混凝土，其配比包含粗粒料(coarseaggregate)，用量600-1000kg/m3；細粒料(fine aggregate)，用量800-1000kg/m3，其細度模數(Flueness Modulus，F.M)是介於2.5-3.2；粉體用量450-700kg/m3，其是至少包含有水泥(cement)、如飛灰(fiyash)、爐石粉(slag)與矽灰(silica fume)等凝硬材料(Pozzolans)，其中凝硬材料的用量是超過水泥的用量50％重量以上，以超過水泥的用量80％重量以上更具有經濟性；較佳地，該粉體更包含有非膠結材料的填充材，例如石灰石粉等；拌和水，用量150-195kg/m3；及強塑劑(Superplasticizer)為粉體用量的0.8-1.5％重量。
當該自充填混凝土拌和完成，其水膠比是在0.27-0.75，漿體體積為0.29-0.47m3，水粉體積比為0.56-1.36，坍落度擴散值(Slump flow spread)450-800mm，抗壓強度140-560kgf/cm2，可適用於一般建築工程及土木工程。
下面結合較佳實施例和附圖詳細說明。


圖1是本發明的中強度自充填混凝土的設計流程示意圖。
圖2上本發明的中強度的自充填混凝土的漿體體積與坍流度的關係圖。
圖3是本發明的中強度的自充填混凝土的拌和過程流程圖。
圖4是本發明的中強度的自充填混凝土的另一拌和過程流程圖。
圖5是本發明的坍落度擴散試驗器具的示意圖。
圖6是本發明的流速試驗v型漏鬥試驗儀的示意圖。
圖7是本發明的鋼筋間隙通過試驗箱型試驗儀的示意圖。
粗粒料為最大粗徑不大於25mm的碎石或卵石，使用中，依鋼筋的淨間距不同，而選用粗粒料，粗粒料的粗徑應小於單向鋼筋的淨間距的[2/(2+√3)]倍或是小於雙向鋼筋的[2/(2+2√2)]倍，例如，當粗粒料的最大粒徑為20mm時，單向鋼筋的淨間距不得小於37mm，雙向鋼筋的淨間距不得小於48mm，否則粗粒料將會堵塞於鋼筋前而形成拱狀，即架橋現象，而粗粒料的單位容積(G/Glim)範圍是依充填等級加以區分，實際上，粗粒料的用量(Gssd)是在600-1000kg/m3之間，較佳為700-900kg/m3。
細粒料，由於細粒料的含水量遠較粗粒料更不穩定，為了配比品質的穩定，其細度模數(Fineness Modulus，F.M)宜介於2.5-3.2，而細粒料的體積用量(Vsand)是可由該自充填混凝土的體積減去漿體體積(Vpsate)、粗粒料的體積用量(Vg)及含氣量(A)而求得，再乘以細粒料的比重，即為細粒料的用量，即Vsand＝1-Vpaste-Vg-A；細粒料用量S＝Vsand×γsand，其中γsand表細粒料的比重，約為2700kg/m3，依本發明，細粒料的用量(S)是800-10000kg/m3之間，較佳為850-980kg/m3。
用於自充填混凝土的拌和水應控制其氯化物含量在250ppm以下、硫酸根含量在3000ppm，且不得有過多的有機物、油脂或其它有害物質，水的用量(W)是由漿體體積(Vpaste)與水粉體積比(Vw/Vpowder)求得，W＝Vpaste÷(1+Vw/Vpowder)×1000，通常拌和水量是150-195kg/m3。
粉體(powder)是包含膠結料(binder)與填充材，膠結料為水泥(cement)與凝硬材料(Pozzolans)，其中凝硬材料是包含有飛灰(flyash)、爐石粉(slag)或矽灰(silica fume)等；爐石粉是煉鋼高爐的爐渣，包含SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分，具有凝硬性質，用以取代部分的水泥，飛灰(fly ash)通常是指燃煤電廠所生產的塵粉或火山爆發時噴出的灰塵，包含氧化矽與鋁酸鹽等成分，能與氫氧化鈣發生反應而生成有膠結性質的矽酸鈣化合物，可以取代部分的水泥，較佳地，凝硬材料的用量是超過水泥的用量50wt％以上，故能降低水泥的用量，而具有較低成本與良好流動性(水泥為自充填混凝土中較昂貴的原料)，且不影響強度，水泥與凝硬材料等膠結物的用量(B)是可由水用量(w)除以水膠比(W/B)得到，即B＝W÷(W/B)，並可得到膠結物的體積Vbind＝C(水泥用量)/γcem+SL(爐石用量)/γs1+FL(飛灰用量)/γf1，其中，水泥比重γcem約3150kg/m3；爐石比重γs1約2940kg/m3；飛灰比重γf1約2170kg/m3；在本發明中，粉體除了膠結物(binder)之外，更可包含不具有膠結功能的填充材，例如石灰石粉(limestone powder)等，用以補充粉體與膠結物的差額，在不改變水膠比的條件下提供足夠的粉體量，LSP(石灰石粉用量)＝(Vpower-Vbind)×γlsp，其中γlsp表石灰石粉的比重，約2600kg/m3，依本發明，粉體的用量為450-700kg/m3，較佳為450-600kg/m3。
強塑劑(Superplastlicizer，SP)又稱為高性能減水(緩凝)劑(High-RangeWater Reducer，HRWR)，可分散水泥顆粒，達到潤滑效果，在較低用水量狀況下產生高流動性，其用量為粉體用量的0.8-1.5wt％。
如圖1所示，依本發明的中強度的自充填混凝土，其配比設計的步驟流程依序為決定粗粒料用量1、決定細粒料用量2、決定拌和水量與粉體用量3、決定膠結物用量4及決定填充材用量5，以下通過具體實施例說明實施例1在本發明的實施例1中，本發明的中強度的自充填混凝土是應用鋼筋混凝土結構工程，其28天抗壓強度是需要420kgf/cm2，其單向鋼筋間距為4cm，取得的粗粒料的幹搗單位重(Glim)為1470kg/m3、吸水率(Ww/W)為1.07％，取得的細粒料的細度模數(F.M.)為2.8、吸水率(Ww/W)為1.7％，該自充填混凝土的漿體體積(Vpaste)為0.36m3，水粉體積比(Vw/Vpowder)為0.99。
首先，在決定粗粒料用量1的步驟中，粗粒料的最大粒徑(Dmax)＝4×[2/(2+√3)]＝2.14cm，取粗粒料最大粗徑為2.54cm，若要求的充填等級為R2，假設粗粒料的單位容積(G/Glim)為0.5，粗粒料爐幹狀態的用量G＝(G/Glim)×Glim＝0.5×1470＝735kg/m3，粗粒料用量(Gssd)＝G×(1+(Ww/W))＝735×(1+1.07％)＝743kg/m3，粗粒料體積(Vg)為＝G÷γssd＝735÷2600＝0.283m3；之後，在決定「細粒料用量」2的步驟中，若含氣量(A)設為2％，粗粒料體積Vsand＝1-0.02-0.36-0.283＝0.337m3，細粒料用量Vsand＝0.337×2700＝910kg/m3；然後執行「決定拌和水量與粉體用量」的步驟3，拌和水量(W)＝0.36/(1+1/0.99)×1000＝179kg/m3，粉體用量(Vpowder)＝179/0.99/1000＝0.181m3；之後，依「決定膠結物用量」的步驟4，若該工程的目標強度為420kgf/cm2，則對應的水膠比(W/B)應為0.34，膠結物的總量(B)＝179÷0.34＝527kg/m3依水泥∶爐石粉∶飛灰的12.5∶6.5∶3.5比例換算，水泥用量為292kg/m3，爐石粉用量為153kg/m3，飛灰用量為82kg/m3；在「決定填充材用量」的步驟5中，膠結物體積(Vbinder)＝292/3150+153/2940+82/2170＝0.182，(近似於粉體體積0.181)，因為膠結物的體積等同粉體體積，故不需要具有無膠結性的填充材。
依上述的流程步驟，該自充填混凝上的配比為拌和水量179kg/m3、水泥用量292kg/m3、爐石粉用量153kg/m3、飛灰用量82kg/m3，此時凝硬材料為水泥用量的80％重量，粗粒料用量743kg/m3、細粒料用量910kg/m3，而強塑劑根據廠牌不同，其用量約為粉體用量的1％(5kg/m3)。
如圖3所示，本發明的具體製造程序如下，在決定各原料的用量後，在水泥、爐石粉、飛灰、粗粒料與細粒料等固體原料計量好之後，將上述固體原料與大部分拌和水(約三分之二的拌和水)投入拌和機內攪拌，進行攪拌30秒；再將由剩餘的拌和水與強塑劑形成的混合溶液投入，並調整拌和機的電流，由於自充填混凝土是能影響對拌和機葉片與轉軸產生的力矩與剪力，通過測量拌和機的電流，可以檢測自充填土的粘滯性是否趨於穩定，通常粘滯性愈高，相對電流值愈大，所以製造相同配比的自充填混凝土應具有固定的最佳電流值，用以判定自充填混凝土是否已達到最佳穩定度及拌和水量。
當調配成本發明的自充填混凝土時，進行坍落度試驗(Slump test)、坍落度擴散試驗(Slump flow spread test)、V形漏鬥流速試驗及鋼筋間隙通過試驗。
如圖5所示，坍落度擴散試驗是用以測試混凝土的流動性，以達到所需要的坍落度(23cm以上)及坍落度擴散值(450-800mm，直徑擴散達45cm所需時間為3-25秒)，坍落度擴散試驗器具先將自充填混凝土填滿於一在平板12上的圓錐筒11，該圓錐筒11具有一較小的開口，其直徑10cm，及一較大的開口，其直徑為20cm，且其筒高為30cm，在填充後，將圓錐筒11向上垂直提起，此時，自充填混凝土是在平板12上產生擴散，測量當自充填混凝土擴散達直徑45cm時所需的時間，以及在停止擴散後，測量自充填混凝土的擴散直徑，作為坍落度擴散值，而在實施例1的自充填混凝土是能符合坍落度擴散值450-800mm及直徑擴散達45cm所需時間為3-25秒的標準。
如圖6所示，V形漏鬥流速試驗是用以測試自充填混凝土的稠度與析離度，其測試儀器為V型漏鬥21，其下方是具有一較小口徑的開口22(6.5cm×7.5cm)，開口22處的管長為15cm，V型漏鬥21本體的寬為7.5cm、高為45cm、上緣長為49cm，測量自充填混凝土完全流出V型漏鬥21下方開口22所需時間，經試驗，本發明實施例1的自充填混凝土是符合V形漏鬥流下時間7-20秒的標準。
如圖7所示，鋼筋間隙通過試驗(或稱箱型充填試驗)是用以測試自充填混凝土自行通過鋼筋並充填至模板角落的能力，在鋼筋間隙通過試驗中是將自充填混凝土填滿於試驗儀器的A槽31(槽高為49cm)，其中A槽31與B槽32是以一固定隔板33鄰接隔開，在固定隔板33的下方裝設有一活動隔板34與一鋼筋柵欄35，根據充填等級不同，裝設不同的鋼筋柵欄35或不裝設。
在R3充填等級時，是不裝設鋼筋柵欄35，自充填混凝土在靜置於A槽31一分鐘後，打開活動隔板34，在A槽31的自充填混凝土是經由下方往B槽32流動，本實施例中的自充填混凝土流至B槽32的高度是300mm以上。
此外，該自充填混凝土經試驗，測得28天抗壓強度為469kgf/cm2，故實施例1的自充填混凝土是具有中強度(140-560kgf/cm2)、高流動性及自充填性能，且不會有粗料析離現象，適用於一般建築工程及土木工程，並在使用時，因其低水灰比，可避免因自體幹縮(autogeneous shrinkage)而引起的龜裂。
實施例2在本發明的實施例2中，另一自充填混凝土的28天目標抗壓強度是210kgf/cm2，其單向鋼筋間距為5.5cm，取得的粗粒料的幹搗單位重(Glim)為1470kgf/cm2、吸水率(Ww/W)為1.07％，取得的細粒料的細度模數(F.M.)為2.8、吸水率(Ww/W)為1.7％，該自充填混凝土的漿體體積(Vpaste)為0.35m3，水粉體積比(Vw/Vpowder)為0.94。
首先，在「決定粗粒料用量」1的步驟中，粗粒料的最大粗徑(Dmax)＝5.5×[2/(2+√3)]＝2.5cm，若要求的充填等級為R2，假設粗粒料的單位容積(G/Glim)為0.52，粗粒料爐幹狀態的用量(G)為(G/Glim)×Glim＝0.52×1470＝764kg/m3，粗粒料用量(Gssd)＝G×(1+(Ww/W))＝764×(1+1.07％)＝772kg/m3，粗粒料體積(Vg)＝G÷γssd＝764÷2600＝0.294m3；之後，在「決定細粒料用量」2的步驟中，若含氣量A設為2％，細粒料體積Vsand＝1-0.02-0.35-0.294＝0.336m3，細粒料用量Vsand＝0.336×2700＝907kg/m3；然後執行「決定拌和水量與粉體用量」的步驟3，拌和水量(W)＝0.35/(1+1/0.94)×1000＝170kg/m3，粉體用量(Vpowder)＝170/0.94/1000＝0.182m3；之後，依「決定膠結物用量」的步驟4，若該工程的目標強度為210kgf/，則對應的水膠比(W/B)應為0.48，膠結物的總量(B)＝170÷0.48＝355kg/m3依水泥∶爐石粉∶飛灰的5.9∶2.1∶3.5比例換算，水泥用量為182kg/m3，爐石粉用量為65kg/m3，飛灰用量為108kg/m3；在「決定填充材用量」的步驟5中，膠結物體積(Vbinder)＝182/3150+165/2940+108/2170＝0.130，本實施例需使用填充材來補足粉體的差額，其體積＝0.182(Vpowder)-0.13(Vbinder)＝0.52m3，例如使用石灰石粉，用量(L)＝(0.182-0.13)×2600＝136kg/m3；依上述的流程步驟，該自充填混凝土的配比為拌和水量170kg/m』、水泥用量182kg/m3、爐石粉用量65kg/m3、飛灰用量108kg/m3(此時，凝硬材料為水泥用量的95％重量)、石灰石用量136kg/m3、粗粒料用量772kg/m3、細粒料用量907kg/m3，而強塑劑用量的為粉體用量的1％(4.9kg/m3)。
如圖4所示，因此，在決定各原料的用量後，在水泥、爐石粉、飛灰、石灰石粉、粗粒料與細粒料等固體原料計量好之後，將上述固體原料與大部分拌和水(約三分之二的拌和水)投入拌和機內攪拌，進行攪拌30秒之後，投入強塑劑再攪拌30秒，再利用剩餘的拌和水的投入來調整所需要拌和機的電流，經試驗該自充填混凝土坍落度、坍落度擴散值符合規定，其箱型試驗充填高度達300mm以上，28天抗壓強度為251Kgf/cm2，而拌和方式與圖3最大不同點在於強塑劑全部添加於混凝土中，不會殘留於拌和機的計量桶或水槽內，使得自充填混凝土的工作性維持度更佳，故本發明的自充填混凝土是具有中強度、高坍落度、自充填性能及拌和效果均勻的功效，適用於一般建築工程及土木工程。
此外，若細粒料的表面水每日測量多次時，第一次添加的拌和水可達拌和水量的90％，剩下的拌和水量(10％)是在第二大添加時，作為調整拌和機的電流。
因此本發明是提供一種極為實用的中強度的自充填混凝土，不但符合自充填混凝土的性能要求，坍落度擴散值(450-800mm及直徑擴散達45cm所需時間為3-25秒)、箱型試驗充填高度(300mm以上)及V漏鬥流下時間(7-20秒)等，而且具備中強度(28天抗壓強度140-560kgf/cm2)，能廣泛地運用於土木、建築等一般工程；此外，本發明亦揭示一種中強度的自充填混凝土的配比設計流程與拌和方法，以供製造中強度的自充填混凝土。
以上僅為本發明的較佳實施例，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內所作的任何變化與修改，均屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種中強度的自充填混凝土，其特徵是它的各成分的配比是粗粒料600-1000kg/m3、細粒料800-1000kg/m3、粉體450-700kg/m3、拌和水150-195kg/m3及強塑劑為粉體用量的0.8-1.5％重量；該細粒料的細度模數是介於2.5-3.2之間；該粉體至少包含有水泥與凝硬材料；拌和完成後的自充填混凝土的水膠比是0.27-0.75，漿體體積為0.29-0.47m3，水粉體積比為0.56-1.36。
2.根據權利要求1所述的中強度的自充填混凝土，其特徵是該自充填混凝土的抗壓強度為140-560kgf/cm2。
3.根據權利要求1所述的中強度的自充填混凝土，其特徵是該凝硬材料選自飛灰、爐石粉或矽灰。
4.根據權利要求1所述的中強度的自充填混凝土，其特徵是該粉體是包含有不具膠結性質的填充材，用以在不改變水膠比的條件下提供足夠的粉體量。
5.根據權利要求4所述的中強度的自充填混凝土，其特徵是該不具膠結性質的填充材選自石灰石粉或不具膠結性質的粉體。
6.根據權利要求1所述的中強度的自充填混凝土，其特徵是該凝硬材料的用量是大於該水泥用量的50％重量。
7.一種中強度的自充填混凝土，其特徵是它是由粗粒料、細粒料、粉體、拌和水及強塑劑組成；該細粒料的細度模數是介於2.5-3.2之間；該粉體至少包含有水泥與凝硬材料，該凝硬材料的用量是大於該水泥用量的50％重量。
8.根據權利要求7所述的中強度的自充填混凝土，其特徵是該凝硬材料的用量是大於該水泥用量的80％重量。
9.根據權利要求7所述的中強度的自充填混凝土，其特徵是該粉體是包含有不具膠結性質的填充材，用以在不改變水膠比的條件下提供足夠的粉體量。
10.根據權利要求7所述的中強度的自充填混凝土，其特徵是該不具膠結性質的填充材選自石灰石粉或不具膠結性質的粉體。
全文摘要
一種中強度的自充填混凝土，其各成分的配比為粗粒料600－1000kg/m
文檔編號C04B28/04GK1470472SQ02126470
公開日2004年1月28日 申請日期2002年7月22日 優先權日2002年7月22日
發明者趙文成 申請人:趙文成