高强度混凝土耐磨性及工程力学特性之研究

營建土木4-1高強度混凝土耐磨性及工程力學特性之研究潘坤勝*,劉玉雯**,顏聰****正修技術學院土木系講師E-Mail：[e-mail]**國立嘉義大學土木與水資源工程學系副教授E-Mail：[e-mail]**國立中興大學土木系教授E-Mail：[e-mail]本研究針對水中結構物需高抗壓強度、高耐磨等特性，開發系列之高耐磨高性能混凝土配比，該配比中添加波所蘭材料以增進晚齡期的力性與物性，且在研究中建立可行的產製技術。並將該配比之高性能混凝土進行各項之力學性質與物理性質試驗，並進而探討混凝土耐磨性之控制因子與破壞機理，以及耐磨性質與其工程力學性質之相關性，據以開發出高強度耐磨混凝土，作為水工構造物之組成材料，增加其耐久性，並降低維修成本。1.緣起臺灣大部分河川坡陡流急，每遇豪雨或颱風過境，常發生土石崩塌，導致河流中挾帶大量的土石，而直接衝擊水中構造物，造成河堰、橋墩及壩體混凝土表面嚴重磨耗與沖蝕。經長期沖刷後，水中構造物之混凝土表層將會剝落，導致結構體提前破損，從而降低其使用年限。因此研發耐磨性良好之混凝土材料，以提高水工結構物耐磨能力，實有其必要性。以往水工結構物所採用之混凝土強度不高，耐磨耗性因而不佳。而高強度混凝土可擁有強度高、勁度大、耐久性佳、低透水性、乾縮潛變小及彈性模數高等優點[1-3]，應用於水工結構物可強化其耐磨能力。本研究基於混凝土耐磨性對水工構造物耐久性之重要性，藉由試驗方法，及在施工便利性之條件下，探討混凝土中各項材料變數及力學性質對其耐磨性之影響，並經由試驗過程之觀察與結果分析，探討混凝土耐磨性之控制因子與破壞機理，以及耐磨性與其工程力學性質之相關性，期能開發出高強度耐磨混凝土，作為水工構造物之組成材料，增加其耐久性，並降低維修成本。2.目標為增強水工結構物耐用抗力，必須使混凝土具有高緻密度，各項強度中尤須注意抗壓強度的提升，而為了減少微裂的產生更須降低水泥用量。因此首先以研發低水泥量高強度混凝土的配比為重點，在混凝土中適當摻加飛灰與爐石粉，對於抗壓強度超過700kgf/cm2的混凝土則考慮另外加入矽灰。本研究主要針對耐磨高強度高性能混凝土進行研究，內容包括：營建土木4-21.耐磨高強度高性態混凝土配比之研定。2.耐磨混凝土的製造及產製技術研發。3.耐磨混凝土的工程性質測析、強度測析強度、力學性質測析及耐磨強度試驗等。4.耐磨混凝土配比之研定及產製技術之建立。3.方法本研究之試驗用材料包括水泥、水、礦物摻料、粗細骨材及強塑劑等，其性質如下所述：(1)水泥：台灣水泥公司所生產的波特蘭Type水泥，性質符合CNS61第型波特蘭水泥之要求。(2)爐石粉：中聯爐石處理資源化公司所生產之水淬爐石粉。(3)飛灰：採用台電台中火力發電廠第五及第六發電機產出之F級飛灰。(4)強塑劑：採用仲欣公司產品HICONHPC1000，符合美國ASTMC494TYPE-G之規範。(5)粗骨材：取自大甲溪產之天然碎石，骨材最大粒徑20mm。(6)細骨材：烏溪產之天然河砂，細度模數(F.M)=2.95。本研究對高性能混凝土之配比設計，強度以齡期56天為準，強度由420kgf/cm2遞升至980kgf/cm2，且工作性以達流動化高性能混凝土為準，參照國內高性能混凝土的配比方法與標準[3,4,5]，要求的坍度為25020mm，坍流度60050mm，且不得有析離之現象。而為降低水泥用量，將以飛灰、爐石粉取代部分水泥，但以飛灰為主，必要時再適量摻加爐石粉；此外於混凝土強度超過700kgf/cm2時，則考慮適量摻加矽灰。本文配比如表1所示：表1試驗配比表(單位：公斤)試體編號W/B水水泥飛灰爐石矽灰砂粗骨材SPC36W140.36140330.658.3**809.41026.310.89C36W160.36160377.866.6**809.41026.312.44C36W180.36180425.050.025*768.5974.410.00M36W140.36140330.658.3**809.4*10.89C34W140.34140350.061.8**799.91014.112.14C32W140.32140328.1109.4**721.11073.511.71C30W140.3140350116.7**709.61056.411.67C28W140.28140350.0100.0*50681.11017.715.00M28W140.28140350.0100.0*50681.1*15.00各項試驗方法如下所述：(1).坍度、坍流度試驗(Slump,Slump-FlowTest)：依ASTMC143-90或CNS1176-A3040規範。(2).CNSC1138-89水中磨損試驗：依CNSC1138-89規範。(3).強力水流衝擊試驗：同樣將15155cm之方塊試體置入衝擊試驗機具中，利用幫浦抽取混合之砂與水，使之加壓沖擊至試體表面。試驗過程中觀察混凝土表面變化情形並以照片記錄之。(4).硬度試驗：利用Schmithammer試驗儀量測混凝土硬度指數。營建土木4-34.結果與討論4.1高強度耐磨混凝土之新拌性質一般用來測定混凝土工作性最常用的方法為零分鐘坍度、坍流度試驗以及45分鐘坍度、坍流度試驗，分別用來判定初始工作度與水化一段時間後之坍度、坍流度損失。此外，另以單位重、空氣含量與泌水量作為評估混凝土新拌性質之指標。混凝土新拌性質結果如表2所示。表2新拌混凝土性質性質組別0min45min單位重(kg/m3)空氣含量(%)泌水量(%)坍度(cm)坍流度(cm)坍度(cm)坍流度(cm)C36w1423(54,49)21.5(49,47)23381.00.103C36w1623(55,55)21(51,50)23071.10.433C36w1820(53,54)16(45,46)23801.21.200C34w1423.5(51,53)19(40,42)23391.4無C32w1421(51,52)18(36,38)23551.3無C30w1423(59,59)22(46,48)23760.8無C28w1425(56,58)22(38,40)23811.2無由表2可得坍度與坍流之試驗結果，顯示測值均相當穩定，坍度約介於20～25cm之間，坍流度則於51～57cm之間，相當符合預期目標。混凝土靜置45分鐘後，由於水化反應、凝結及蒸發現象使水份減少，此將直接影響坍度與坍流度測值。靜置45分鐘後之坍度、坍流度測值平均約為18～22cm之間，坍流度則約於40～50cm之間。在坍流度損失方面則明顯與水膠比呈現反比關係。混凝土單位重的量測結果，約在2300kg/m3~2380kg/m3之間，隨水膠比之降低而提高。混凝土的空氣含量維持於1.0％～1.4％之間。由泌水量試驗結果可得，僅有水膠比為0.36之混凝土出現輕微泌水，泌水量約在0.1％～1.2％之間。而在相同水膠比之下，泌水量隨用水量的增加而有增加的趨勢，此現象可以藉由減少強塑劑用量，並增加拌合時間來避免，於工程應用時應加以注意，以免影響混凝土強度、均勻性及耐磨性。4.2高強度耐磨混凝土之工程力學性質分析(1)由抗壓強度之試驗結果如表3所示，得水膠比與抗壓強度之關係如圖1所示。圖上曲線走勢顯示，二者之關係於各齡期均成反比關係。當水膠比(W/B)由0.36降至0.28時，混凝土齡期7天之抗壓強度從176kgf/cm2大幅增加至761kg/cm2。而齡期28天之後，則由於波索蘭反應之作用，使高水膠比者之抗壓強度成長率明顯大於低水膠比者，成長幅度從35％降至5％。因此在高水膠比且添加波索蘭材料之情況下，混凝土早期強度將不甚理想，應儘可能避免在混凝土澆置初期即受到外力作用，並應加以適當養護，以避免降低混凝土之耐磨性。表3高強度耐磨混凝土之工程力學性質試驗項目抗壓強度(kgf/cm2)彈性模數(Gpa)硬度齡期（天）72856917287285691C36W1425438547050321.4126.1228.6736.8338.3339.5C36W1630139345651321.8426.7832.4237.1738.25C36W1817638551654919.8530.6325.1730.7538.58C34W1438051463321.8828.5932.9037.2539.67C32W1446523.6530.0333.0038.17C28W1476192094297126.1233.0535.5038.7542.1746.00營建土木4-4(2)對於高水膠比的情形，硬固水泥砂漿試體(水泥石)的早期抗壓強度，比同水膠比的混凝土者大；而在低膠比時則反之。此現象顯示，高水膠比時，混凝土中粗骨材與水泥石界面為整體結構之弱面，將為主控整個結構之破壞。圖1混凝土水膠比與抗壓強度之關係圖228天齡期混凝土之體積磨損曲線4.3水中磨損試驗結果分析與討論4.3.1水膠比與混凝土之耐磨性質齡期28天不同水膠比之各組混凝土試體，因波索蘭效應，使水泥石強度在常齡期後持續增加，而與粗骨材之強度差距逐漸縮小，使得其磨損體積量減小，如圖2所示。此結果顯示，在早齡期時，如欲提高混凝土之耐磨性，降低水膠比為一有效之方法。4.4結論與建議本文針對耐磨高強度高性能混凝土配比之研定，耐磨混凝土之工程性質測析，以及部分耐磨混凝土之工程性質、強度及力性測析等，結論如下：1.依研究所得配比拌製的高強度高性能混凝土其坍度與坍流度試驗結果顯示測值均相當穩定，坍度介於20～25cm之間，坍流度則介於51～57cm之間，相當符合預期目標。2.高水膠比且添加波索蘭材料之混凝土，其早期強度不甚理想，混凝土耐磨性差。3.隨著齡期的增加，高水膠比混凝土能比低水膠比者大幅增加抗磨能力。4.抗壓強度在500kgf/cm2以下者，混凝土磨損體積量隨強度增加而明顯降低，但強度500kgf/cm2以上者，強度提高對強化耐磨性之助益則較為有限。5.參考文獻1.Mehta,P.K.,”ConcreteStructure,PropertiesandMaterials”,1986.2.A.M.Neville,“PropertiesofConcrete”,1997.3.顏聰等，”低水泥量高性能混凝土之製作與性質研究(1)”，國科會研究報告，NSC83-0410-E-005-012.4.黃兆龍，林豐益，”高性能混凝土材料與性能之探討”，土木工程技術第一期，pp75-87，1995。5.台灣營建研究院，”高性能混凝土配比設計實作”，1998。6.誌謝本文承蒙臺灣電力公司提供研究經費，特此申謝。01020304050607080012243648607284時間（hr)體積磨損量（cm3)C36W14(28)C34W14(28)C28W14(28)C32W14(28)y=-6485.7x+2712.4R2=0.9913y=-6426.4x+2546.3R2=0.9925y=-5725.5x+2551.8R2=0.9891010020030040050060070080090010000.260.280.30.320.340.360.38水膠比抗壓強度(kgf/cm2)7days28day56days