自平性混凝土配比設計與應用

-實際應用案例介紹

湛淵源 技師

黃兆龍 教授

高性能與自密式混凝土應用介紹

台科大教授黃兆龍所研發具有高流動性、自密性混凝土,在產學合作的模式和國科會與內政部建築研究所大力資助下,已成功開發本土化的高流動性高性能混凝土。本文將介紹國內自行研發的高流動性混凝土配方技術,在預拌混凝土廠進行廠拌,測試混凝土在密集鋼筋的凹型模型內流動和擠昇與自平的行為,並實際利用在高樓建築混凝土灌注之成功案例。

自平性混凝土工作性

工作性是指混凝土施工作業中的澆置和搗實的性質。工作性指混凝土是不是可以完全不中斷地充填模板各個角落。工地內量測工作性的最有用的簡單工具是用坍度錐,它是一個上部直徑4英吋,下部直徑8英吋和高12英吋的不吸水錐體,混凝土分三層裝進截頭錐內均勻搗實後,量出塌下去的高度就是坍度。坍度的高低也是最常用於指定混凝土的工作性。目前,一般工程用於施工的坍度約在15至18公分,這種混凝土的粘稠性適中,具有良好的施工性。美國則以坍度大於20公分稱為「高流動性混凝土」。

混凝土單由坍度來表示工作性似乎嫌不足。因為澆置過程中,混凝土必須被移往模板各個角落,與鋼筋能緊密的包覆在一起,澆置、搗實和振動的工作也必須同步進行,而這些工作特性和坍度並不是有很密切的關係,這中間少了一個可以建立彼此關連性的重要因素,就是流動的性質,這包含了流動的時間和距離。為能更簡易地表示流動性質,而且能應用在工地的品管工作上,可以在進行坍度試驗時,把坍度錐垂直取出後,也順便用手錶或碼錶測量混凝土可以流動擴散的時間,等到停止後一併量取坍度、坍流度(指混凝土可以坍下底部擴大的直徑),合併流動時間將更能夠描述混凝土的工作性。這種量測工作性的方法,已經被實際應用在具有高流動性能的混凝土作業中,且證實足以定性描述混凝土流動特性。本文中介紹的自平性混凝土,其工作性要求在初拌及拌和後60分鐘時達到坍度大於25公分;坍流度大於60公分;流動時間大於50秒,未發現有泌(浮)水和粒料分離的情形。

配比設計的研究應用

以往混凝土的配比設計,採用經驗式的1:2:4和1:3:6的比例法,到進入採用半經驗圖表式的設計法則。而在1970年代開始,美國混凝土學會ACI所建議的混凝土配比設計法,成為國內混凝土設計的主流方法。設計的流程是由工作性(坍度)決定拌和水量;以強度或耐久性確定水灰比和水泥用量;按所採用粒料的粗、細程度定出石子用量,最後再求出砂的用量,這種設計邏輯在1989年(ACI 318-89)以前都是如此。這種類型的混凝土都是只有坍度,幾乎沒有坍流度和流動時間。也就是施工時,必須藉由振動與搗實的能量輔助,才能完成澆置的工作。經過多年的工程實務印證,隨著摻料科技的日新月異,應用材料科學的技術進步,混凝土配比設計有相當大幅度的改進和提昇,此時ACI也一改過去保守的心態,在1995年的ACI 318-95規範中,把飛灰、爐石粉、矽灰等材料放入混凝土可採用的範圍內,而且以水膠比取代水灰比,使得膠結材料包含了水泥、飛灰、爐石粉和矽灰等。這使得混凝土設計者可以更有創意地設計滿足工程所需要性能的混凝土。

在國內,高流動性混凝土的研發工作,開始應用於台北市遠東企業大樓的柱內灌漿工程。當時混凝土即具有坍度25公分;坍流度60公分以上的高流動性能,配方技術取自美國柏克萊大學及日本技術,並在國內預拌廠進行拌製工作,混凝土設計強度為28天6000psi。本文介紹高雄東帝士85層超高層大樓(T & C Tower)的柱內灌注56天強度達8000psi的高流動性混凝土,正式開啟國內產官學界自主研發高流強度高流動性混凝土工作的門扉。利用國內現有的材料,應用礦物摻料的填塞緻密策略,化學摻料的潤滑技巧,成功地開發出具本土化應用技術的混凝土配方技術-「黃氏緻密配比」,經過一系列的試驗室和預拌廠的試拌和修正工作,已於84年底完成T & C Tower約1萬方的高流動性混凝土灌漿工作。混凝土由6000psi提昇至8000psi,這是混凝土技術上的相當大的突破,也為目前台北金融大樓10000psi(91天)高強度混凝土的研發和生產工作奠定基礎。

混凝土具有高流動性能,理論上,應該可以克服以往混凝土不易澆置和搗實作業的問題。只是工人施工習性、工地監工和監造人員,甚至設計人員的保守觀念,一時仍無法突破和改變,這些因素都需要時間和從教育訓練方面著手加以引導。

凹字模型試驗

自平性或高流動性混凝土的工作性,可以從水平方向自由流動,和垂直擠昇性能兩方面來探討。日本的自平性混凝土(SCC)是經由U型試驗槽,中間有不同鋼筋阻隔物,當把混凝土充填滿一邊後,拉開閘門,在一定時間內混凝土擠昇高度作為工作性判斷基準。試驗裝置如圖一所示。

自平性或高流動性混凝土在經過鋼筋密集區域的流動行為,是否會受到鋼筋的阻礙、降低甚至中止流動性能,這是值得探討的。而即使通過密集鋼筋部位,仍能繼續流動,還具有擠昇的性能,更是嚴竣地考驗配比的工作性能。為能充分了解由「黃氏緻密配比法」所設計的混凝土,是否具有自平和擠昇的效果,採用如圖二所示凹型試驗箱。箱型構造包含模擬兩根柱子,中間用樑連結,形成凹型構造。柱子配置12根#8鋼筋,在樑柱接頭交接部位,在垂直柱筋內焊上三根水平#8號鋼筋,做為樑筋通過柱子的情況,鋼筋間距介於15∼50mm之間。兩端柱子的配筋完全一樣。整體配置是假設混凝土經工作性試驗,在滿足工作性能需求後,由左邊柱子注入混凝土,混凝土必須先通過水平樑筋、垂直柱筋的阻礙,在樑內流動130公分;通過右邊的垂直柱筋,向上擠昇通過水平樑筋,再擠昇70公分完成澆置作業。換言之,混凝土要通過四層鋼筋的阻礙,水平流動130公分,垂直擠昇70公分。過程中,均不得有任何振動的作業。

凹型試驗計畫分別在三家預拌廠內進行,由廠務主管從水膠比0.29、0.32和0.40三種配比中,隨機抽出一種配比,立即進行拌製3m3混凝土,經過工作性驗證通過後,隨即進行凹型試驗。圖三是混凝土通過右邊柱子的水平樑筋和擠昇情況。測試結果顯示三家預拌廠所拌製的混凝土,均通過凹型試驗的考驗,而恰巧三家預拌廠的主管均抽中水膠比為0.29,困難度最高的10000psi配比設計,足以印證國內預拌廠具有產製自平性高強度混凝土的能力。同時,也印證使用「黃氏緻密配比法」,即使採用台灣東部、中部和南部砂石,都可拌製出具穩定性的自平性混凝土。

結語

國內產官學界自行研發成功自平性能混凝土,經凹型模型驗證後,具有自平性和自充填的性能,品質達國際水平,這對提昇國內混凝土技術有正面的助益,同時也可提供技師先進嚐試新配比工法,甚至朝向新工法和新材料的開發工作,多了一種選擇和挑戰。同時,對國內高層建築結構物的設計工作和施工作業多一種選擇。

圖一 SCC填充裝置形狀及流動障礙圖

圖二 凹型實體驗證模型

圖三 自平性混凝土凹型實體試驗柱內擠昇

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最後更新日期: 2005/05/07