連續級配混凝土研究論文
技術總顧問：賴瑞星 著
國家混凝土機械工程技術研究中心西南基地
中聯重科混凝土機械國際管理公司貴陽生產基地
貴州中鼎環保科技有限公司
摘要：
1.何謂連續級配混凝土。
2.混凝土骨材的理想級配。
3.如何製作及分析混凝土配比中骨材的總級配曲線。
4.不同尺寸骨材的填充量化方法與效果分析。
5.連續級配的實例驗證。
一、何謂混凝土骨材的「連續級配」
混凝土所使用的粗、細骨材，系用天然的優良砂石(不得有風化巖、葉巖、鹼骨材等)，經破碎、清洗、篩分而成。混凝土產制廠購入時作比重、吸水率、磨損率、健性等材質方面的試驗，只要材料的來源沒有變化，則這些試驗可以較低的的頻率為之；但是因為砂、石生產場別之間有很不同的加工方式，產品會有很大的質量差別，再加上碎制砂、石的加工機具很容易產生磨耗，故粗、細成品粒材的級配(粒度)變動是很尋常的；而粗、細骨材佔混凝土組成的80%左右，骨材粒度的變動當然是混凝土質量變動的重要因素，管制好骨材級配的變動就成了混凝土生產業者最重要的管制項目，所以混凝土產制廠必須以足夠的頻率作粒料篩分析的檢驗，取得生產調整的資料。
「骨材的級配」為不同尺寸顆粒排列組合的一種物理量，當大尺寸骨材間之空隙被較小尺寸骨材填塞後，大小顆粒組成一個密實的「網絡」結構，非但外力可藉由大大小小的顆粒均勻負載之，整體骨材內之空隙率也會降低。當不同尺寸之骨材相互填塞至最佳狀況時，其單位容積將增加，此顆粒大小尺寸之排列組合即為「級配」。
在如何掌控粒料級配前，讓我們先了解什麼是優良的混凝土骨材級配。是否為良好的骨材級配，端視於該級配的用途為何，針對水泥混凝土的用途須要讓其組成為最緻密(具有最小的空隙率)的連續級配；在各種骨材於特定的比率之下，使得骨材佔最大體積比，非但可藉其有效的大小填充的網絡結構，發揮粒料既有的強度功能，且可因大小顆粒間的滾動，達成混凝土所須的工作度，因為骨材佔最大體積比且為緻密狀態，故也可使用較少量的膠結材料，達到經濟的目的，這種連續級配的骨材顆粒的分布類似「富勒曲線FLC」。
二、混凝土骨材的的理想級配
早在1907年「富勒氏及湯姆森」(Fuller and Thomson)提出，固體粒料粒徑分布定義的理論方程式及其分布曲線。其方程式為：
h：係數(0.3～0.5)
P：某粒徑顆粒的過篩百分比 d：某顆粒的粒徑(mm) D：該級配組的最大顆粒的粒徑(mm)
其中h值愈小表示級配中的細粒料愈多，水泥混凝土的骨材級配h值為0.5，今以5~25mm集料規範的粗骨材與細骨材之粒徑，以「富勒氏及湯姆森」方程式所算出的數值如下表1，由相關數據繪成圖形如下【圖一】及【圖二】。
表1 5~25mm集料骨材粒徑規範及理想值
由表1的數據以富勒計算值為應變量，骨材粒徑為自變數作成下圖：
【圖一】5~25mm骨材、細骨材規範及FLC(實際粒徑)
橫作標改以「對數刻度」表示，則圖形變為：
【圖二】5~25mm骨材、細骨材規範及FLC(對數粒徑)
如【圖一】及【圖二】所示，粗、細骨材篩分析規範的目的，為使混凝土的骨材粒度的分布能夠儘量合乎「富勒曲線FLC」所示的大小顆粒呈連續狀態的分布，使整個骨材集料中大顆粒間空隙有次大顆粒填充之，如此大、小顆粒相戶填充的循環，使整體成為緊密之結構。
關於富勒曲線(FLC)有以下各種特性：
· 與縱坐標(過篩百分比)相交於7%～8%間，表示粒徑0.15mm以下的「填充用」粉細材料至少須佔有7%～8%的重量比。
· 因橫坐標資料跨距過大(從0.075mm到37.5mm)，故以對數坐標表表示，則圖形能更清楚骨材顆粒的級配詳情(尤其在細粒料部份)。
· 由【圖一】中可知，粒徑1.18mm以下過篩率急遽縮小(細粒料少)，故此理論級配的組構偏重於檢討粗粒料級配的組合方式。
· 富勒曲線(FLC)系由富勒公式所導出理論級配圖，其顆粒皆為理想的圓形顆粒；實際上混凝土的骨材絕大部份系由不規則顆粒所組成，但級配的架構走勢，仍須參照富勒曲線的趨勢組合級配，所以，混凝土粒料的組合只要類似富勒曲線(FLC)即可。
· 富勒曲線只是混凝土骨材須要連續級配的理想依據，但是，單位體積內的混凝土骨材若完全依富勒曲線組合構成，但因實際粒料並非圓顆粒，顆粒間須有更多的填充，混凝土會因過少的細粒料而造成工作性的不良。
· 實際骨材粒料的FLC與理想FLC的比較，可判別混凝土料性的粗細性。
三、配比骨材的實際級配與理想級配
富勒曲線(FLC)既然為混合骨材粒度分布的數理依據，在混凝土配比設計時，就要以富勒曲線(FLC)作為一設計的重要參考依據；如何在滿足混凝土配比設計的其它條件之下，又可使混凝土的骨材級配可滿足富勒曲線(FLC)的要求，為混凝土配比設計者重要的課題。
這些有關富勒曲線(FLC)作業包括：(1)粗、細骨材的篩分析試驗。(2)理想富勒曲線(FLC)的建立。(3)骨材實際富勒曲線(FLC)的建立。(4)骨材總級配是否呈「連續」狀態的判定。(5)總級配異常的修正。
今以實際粗、細骨材的粒度加以說明：
1.細骨材篩分析及其級配規範
表2 細骨材篩分析表
以表2篩析結果及細骨材級配規範作出下圖：
【圖三】細骨材篩析圖
兩種細骨材(粗、細砂)經由篩分析圖(【圖三】)中的規範上、下限曲線與實際混合後細骨材的級配曲線作比較，可借著兩種細骨材的混合比率調整實際級配曲線，找出最接近規範限之內的級配曲線。
2.粗骨材篩分析及其級配規範
表3 粗骨材篩分析表
以表3篩析結果及粗骨材級配規範作出下圖：
【圖四】5~25mm集料骨材篩析圖
【圖五】5~19mm集料骨材篩析圖
3.配比骨材實際級配與理想FLC級配
依上述粗骨材級配(大/小石50%時，此時粗骨材級配合乎5~25mm集料規範)與細骨材級配合成的總級配，可作成下圖：
【圖六】混凝土骨材實際與理想級配圖(大小石50%/50%)
【圖六】系利用50%的9.5~25mm集料及50%的5~19mm集料所合成的骨材總級配分析圖，由圖中可知配比FLC的圖形與理想FLC相近，且整條曲線呈「連續」狀態；假設配比設計時，若不使用5~19mm集料(配比全部使用9.5~25mm集料，此時粗骨材級配並不合乎任何集料規範)，則其總級配分析圖會成為下圖︰
【圖七】混凝土骨材實際與理想級配圖(大小石100%/0%)
【圖七】系利用100%的9.5~25mm集料所形成的骨材總級配分析圖，由圖中可知在粗骨材級配中的12.5mm及9.5mm兩粒徑的過篩率不夠，造成整個級配曲線在該處成為「不連續」的分布；有此不良級配的出現，須經由調整集料的使用比率，或改用他種集料(如上例中加入5~16mm集料)，再透過上述之計算技術以修正之。
再假設配比設計時，若不使用9.5~25mm集料(配比全部使用5~19mm集料，此時粗骨材級配合乎5~19mm集料規範)，則其總級配分析圖如下︰
【圖八】混凝土骨材實際與理想級配圖(大小石0%/100%)
【圖八】系利用0%的9.5~25mm集料及100%的5~19mm集料所合成的骨材總級配分析圖，由圖中可知配比FLC的圖形與理想FLC相近，且整條曲線仍呈「連續」狀態。
4.結論︰
· 利用粗、細骨材粒度篩分析結果透過計算，可判別骨材級配是否呈連續狀態。
· 合乎級配規範的粗、細骨材所組成的配比，其總級配「較有可能」呈連續狀態。反之，其總級配「較不可能」呈連續狀態。
· 透過不同骨材集料的組合，可讓混凝土在粗、細度或骨材最大粒徑的選擇有更寬廣的彈性選擇。
· 透過連續級配的分析，可作為產制骨材集料的選擇及配比的調整，使混凝土更多樣化。
四、骨材連續級配對材料間「填充」的影響
混凝土中材料之間的充填關係有三種：(1)第一種填充：以水為填充材，膠結材為基材，膠結材顆粒間隙以水充填形成「水泥漿」組合體，定量表示的物理量為：「水膠比」。(2)第二種填充：以水泥漿為填充材，細骨材為基材，細骨材顆粒間隙以水泥漿充填形成「砂漿」組合體。(3)第三種填充：以砂漿為填充材，粗骨材為基材，粗骨材顆粒間隙以砂漿充填形成「混凝土」組合體。水在混凝土中的功能為：①讓膠結材發生化學反應。②填充粒料間的空隙。③提供顆粒間的潤滑作用。故水在第一種填充中一定是過填充狀態，受限於被設計混凝土的水膠比，配比設計須服膺此種填充；混凝土的抗壓強度與水膠比呈反比，混凝土要求的強度愈高則需要愈多的膠結材，從低到高強度的混凝土，第二種填充是從填充不足到過填充都會發生，這種填充的調整，配比設計者須應用卜作嵐材料(礦粉或粉煤灰)用量的增減及化學摻劑的添加，儘量讓使低強度到高強度的總膠結量「填充集中化」；第三種填充是混凝土中最大顆粒間的填充，也是三種填充中最重要的填充，傳統認知中，皆以先觀察細骨材F.M.值的大小，再以隱敝屬性「砂石比S/A」的經驗值決定粗、細骨材的用量比率，這樣以經驗決定S/A值，就無法精確的掌握第三種填充的情形，這種填充並無任何限制，是影響混凝土工作性最重要的因素；填充不足，組織結構不良，非但無法由適當的粒料來遞送外力，也會造成「騷料」影響工作性；太過的填充非但稠性過大，需增加用水量調整工作性，因而升高水膠比增加成本，也增加了混凝土的體積變化率，降低混凝土的耐久性；如何讓此填充不發生填充不足又不會有過度的填充，這是配比設計的重要技術。
惟有藉助大小顆粒間的組構，不只可降低單位體積內的空隙率，更因大顆粒由次顆粒的包圍，整體形成一高效率的網絡結構，要形成這種網絡結構，連續級配的骨材為必要條件；外力輸入時由此大小顆粒組成的「骨幹」共同承受傳遞，由更多粒料分散外力的應力集中，大大提升整體混凝土對外力的抵抗；在實質面即為：粗骨材的空隙由細骨材予填充，細骨材的空隙由粉膠結材填充，粉膠結材的空隙由液態材來填充。
混凝土的有80%以上由粗、細骨材所組成，這些粗、細骨材粒料要有好的相互填充效果，其大小尺寸的分布就必須接近「富勒曲線」，在這種連續級配分布之下，大小顆粒才會有好的填充效果，這種材料間混合後對各粒徑『質』的要求，是填充的最基本要求。至於材料間的填充，則是材料間混合後對各粒徑『量』的要求。級配的要求隨著材料顆粒粒徑的增加而增加，填充的要求則不論材料顆粒粒徑的大小都須被關注的問題。
混凝土骨材間的填充是決定混凝土性能(工作性及強度)的主因，而骨材的級配如何影響填充效果，就是須透過「骨材空隙率試驗」來探討。
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