混凝土內使用飛灰、爐石及矽灰材料的場合

湛淵源 技師

1995後,美國混凝土學會(ACI)在所屬ACI 318-95規範中建議:混凝土容許添加飛灰、爐石、矽灰等卜作嵐材料,並和水泥一同視為膠結材料(Cementitious material),將水灰比(W/C)的觀念提升至水膠比(w/cm)的實際應用,這象徵著混凝土多年的研究成果實際付諸於行動,也為原來被定位廢棄物的飛灰、爐石等材料用於改善混凝土的材質,可以得到一條明確的光明大道,這些材料一躍而成綠色的回收資源,如今已被廣泛的使用在混凝土工程上。

目前卜作嵐材料已經登堂入室用於大部份的混凝土設計及施工規範中,然而這些材料要用多少?那幾種材料可混合使用?使用上要注意那些事項?到現在為止還是沒有脈絡可供遵循,文中將提供一個有十年經驗的案例,供作混凝土設計者及使用者參考應用。圖一顯示國際混凝土界的耆老Malhotra(1999),所發表在ACI Concrete International國際混凝土雜誌上,標題是指混凝土內添加飛灰、爐石、矽灰用於取代部分水泥,水膠比大約在w/cm=0.27~0.29,用水量約為120kg/m3的十年成果。初期(1天)和十年後的抗壓強度的發展,如圖一左方的圖形,及任何齡期的強度除以水泥用量,如圖一右方的圖形,詮釋添加卜作嵐材料對混凝土長期強度的影響性。本文將從卜作嵐材料種類、膠結膠料的體積(Vp)、拌和水量的多寡及水泥效益探討差異性。

卜作嵐材料種類

圖一裡面各種配比的膠結材料包括水泥、飛灰、爐石及矽灰等四種,所組合成六種不同的配比,膠結材料重量約在486kg/m3。要在28天之前達到高強度9000psi以上,尤其是在1天的時候,添加矽灰是很有用的手段。可是在十年後,加入矽灰的強度變成約13000psi,比加入飛灰、爐石及純水泥的強度在14000psi以上來的低。因此,要得到早期強度添加矽灰是較為恰當,但要特別注意的是用量不可太高。圖一中加入F級飛灰,爐石及純水泥的配比,早期強度(1天)較低,尤其是飛灰組只有1500psi,但是十年後飛灰組的強度有16000psi以上,爐石組也有14000psi以上的強度,顯示飛灰及爐石對長期強度非常有貢獻,但是這個現象及趨勢僅適用低拌和水量(120kg/m3)的情況。飛灰要獲得早期強度,只得增加水泥、調整飛灰用量和與其它材料聯合使用。不過從本案例中水泥及飛灰分別150/200kg/m3,主要是測試低膠結料的影響性,對需要長期強度的結構物可做為設計者參考。

膠結料的體積

添加不同的膠結材料所構成膠結材料的體積如圖一上方文字的註解,從裡面可以看出圖左方初期(1天)時強度為6000psi的水泥/矽灰/爐石(C/SF/SL)組,膠結漿量為0.304m3;最低者以飛灰組(C/FA)為膠結漿量為0.239m3,強度為1500psi,經過十年後剛好兩者相反,添加飛灰者有最高的強度,原因為設計的拌和水量只有120kg/m3,飛灰加水泥用量加上拌和水量只佔總體積的23.9%,是所有配比中最少的,也是最健康的,只要工作性適中,膠結料的體積是愈少愈好,混凝土內部產生微觀缺陷機會也愈小,圖一中可以得到這個印證。

水泥效益

每個齡期的混凝土強度再除以配比內水泥用量就可以知道水泥效益。圖一右手邊的飛灰組從初期(1天)強度是最低值,到達十年後的最高值,水泥效益109(psi/每公斤的水泥)約是次高爐石組的二倍以上,這是相當令人驚訝的事情,F級飛灰在長時期的緩慢卜作嵐反應,較矽灰的快速反應有著相異的結果,各有優缺點,看設計者及使用者的應用而定。56天齡期前要獲得高強度,則一定要用矽灰和低水膠比,而在長齡期時維持強度持續成長則應使用F級飛灰,但是強調必須使用較低的拌和水量。至於單純應用純水泥,雖然十年後強度發展排在第二名,但是水泥效率只有30(psi/每公斤水泥),約只有飛灰組的三分之一,顯得水泥是既貴而且不環保的材料。

拌和水量

拌和水是提供水泥水化反應及長期卜作嵐反應所需,一般設計上是水灰比要大(w/c>0.42),水膠比要小(w/cm<0.40)。水在混凝土內除了提供化學反應外,其餘的部份將變成孔隙系統,產生透水及有害離子移動的空間管道。過大的孔隙系統就算是有卜作嵐反應,也沒有辦法堵住流通通道致使也變為不耐久的構造物。因此,Malhotra建議拌和水量要小於160kg/m3,甚至到低於120kg/m3,預期可達到混凝土工作性、安全性及耐久性能的目標。

  混凝土內添加卜作嵐材料各有其功能性,無法強調使用那一種材料比較好。從Malhotra的研究中看出,使用矽灰則有利早期強度;使用F級飛灰則晚期強度有顯著提升。用純水泥量雖然可以達到高強度的要求,但是在水泥效率卻是不佳。要添加卜作嵐材料到混凝土去,各有各的優缺點,但是只有一個原則就是不要用純水泥系統,而且在工作性適中情況下,拌和水量要愈少愈好,才能設計及使用健康且耐久的混凝土結構物。

圖一 高性能混凝土十年後抗壓強度性質的發展(Malhotra 1999)

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最後更新日期: 2005/05/07