CN104098311A - 混凝土预铸构件材料配方及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土预铸构件材料配方及其形成方法。本发明揭露一种混凝土预铸构件材料配方及其形成方法，系用以制成运输轨道之轨枕，及其相关混凝土预铸构件，使用材料包括：粗集料之石材891至963kg/m³；细集料之砂材811至876kg/m³；粉煤灰(fly ash)90至97kg/m³，硅灰(silica fume)31至34kg/m³之火山灰材料；包含硅酸盐水泥235至350kg/m³及矿渣粉(slag)78至117kg/m³之胶结材料；水122至165kg/m³；羧酸系高效减水剂(superplasticizer)，系为该火山灰与该胶结材料总用量之0.7至2.0wt％；以及总体积之0.5至1.0％的钢纤维。

Description

混凝土预铸构件材料配方及其形成方法

本申请是申请号为200910152193.1、名称为“混凝土预铸构件材料配方及其形成方法”、申请日为2009年7月22日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明系有关于一种混凝土预铸构件材料配方及其形成方法，特别是有关于一种高强度、高耐久性之高性能的混凝土轨枕预铸构件材料用量及其形成方法。

背景技术

习知运输轨道系统，其一般线路及道岔段系使用木质轨枕，特别是铁路道岔段之轨枕，因扣件构造特殊，且列车通过道岔时，轨枕的动态行为复杂，至今仍铺设木质轨枕行驶。近年来环保意识高涨，木枕取得渐趋困难，且购买价格逐年增加，使用寿命却逐渐下滑，目前一般路线已有使用预力混凝土轨枕来替代木质轨枕，惟一般路线因受力与动态行为不同于道岔段，故其所用之预力混凝土轨枕强度较低，无法适用于道岔路段，特别是国内外的钢铁厂铁道所用之轨枕，更是要求高性能的表现，故须另行研制高强度、高耐久性之道岔用的预力混凝土轨枕。

发明内容

本发明欲解决的问题系提供一种混凝土预铸构件材料配方设计及形成方法，以精确定性与定量方法控制混凝土质量，减少硅酸盐水泥用量与二氧化碳排放量，并具有超高抗压性能。

本发明解决上述混凝土预铸构件材料配方之技术手段系提供一种适用于轨枕及相关的预铸构件材料，包括：粗集料石材891至963kg/m³，细集料砂材811至876kg/m³，包含粉煤灰(fly ash)90至97kg/m³，硅灰(silica fume)31至34kg/m³的火山灰材料，包含硅酸盐水泥235至350kg/m³及矿渣粉(slag)78至117kg/m³的胶结材料，水122至165kg/m³，火山灰材料与胶结材料总用量之0.7至2.0wt％的羧酸系高效减水剂，以及总体积之0.5至1.0％的钢纤维。

本发明解决上述混凝土预铸构件材料形成方法及材料用量计算方法之技术手段，系提供一种混凝土预铸构件材料之形成方法，包括：混合粗集料石材及细集料砂材，以作为集料之主架构；添加火山灰材料及胶结材料，该火山灰材料包含粉煤灰及硅灰，该胶结材料包含硅酸盐水泥及矿渣粉，该火山灰材料系用以填塞该堆积集料之孔隙，并作为火山灰反应之用，该胶结材料之该矿渣粉系用来降低硅酸盐水泥用量；再添加水以及羧酸系高效减水剂；以及拌入钢纤维，该钢纤维为两端弯钧，其长径比介于50～70，且体积小于总体积之1％。

本发明之特点系在于提供一套以理论精算方法为基础，将混凝土配方设计技术科学化，利用精确定性与定量方式来控制混凝土质量，大幅减少硅酸盐水泥用量与二氧化碳之排放量。其混凝土材料应用于轨枕之一般路线及道岔上，可大幅提升轨枕使用寿命，无论在降低成本、节能减碳与环保上皆有显著效益。而且应用至相关预铸构件材料上，为绿色建材之一环，适合近代施工技术之应用。

具体实施方式

兹配合图式将本发明较佳实施例详细说明如下。

本实施例之混凝土预铸构件材料，系适用于建筑物材料，特别是需要高抗压强度之轨枕等建筑物，其材料包括：粗集料(coarseaggregate)，系为常重集料，且最大粒径为12.5mm(1/2”)之机制石或河石之石材891至963kg/m³；细集料(fine aggregate)，系为常重集料，且细度模量[F.M]介于2.8至3.2之机制砂或河砂之砂材811至876kg/m³；火山灰材料，系包含粉煤灰(fly ash)90至97kg/m³，硅灰(silica fume)31至34kg/m³；胶结材料，系包含硅酸盐水泥235至350kg/m³及矿渣粉(slag)78至117kg/m³，该火山灰材料与该胶结材料总用量在444至588kg/m³范围；水，122至165kg/m³；羧酸系高效减水剂(superplasticizer)，系为该火山灰与该胶结材料总用量之0.7至2.0wt％；以及钢纤维，系为两端弯钩，且长径比介于50～70，其含量为总体积之0.5至1.0％。上述该混凝土之抗压强度介于C70至C100(即相当于10，000psi至15,000psi)。

本实施例系适用于轨枕等建筑物材料之制作，其混凝土预铸构件材料之形成方法，包括：利用混合粗集料石材及细集料砂材作为堆积集料之主架构，再添加火山灰材料及胶结材料，该火山灰材料包含粉煤灰及硅灰，该胶结材料包含硅酸盐水泥及矿渣粉，该火山灰材料系用以填塞该堆积集料之孔隙，并作为火山灰反应之用，该胶结材料之该矿渣粉系可降低硅酸盐水泥用量；再添加水以及羧酸系高效减水剂；以及拌入钢纤维，该钢纤维为两端弯钩，其长径比介于50～70，且体积小于总体积之1％。上述之各材料配方的使用量之计算式为：

关系式1

其中，K_sst及K_sst’为集料与纤维材料之单位质量总表面积(m²/kg)；

γ为各材料之密度(kg/m³)；

t为浆量包裹厚度(μm)；

ξ为矿渣粉取代硅酸盐水泥重量比例(wt％)；

P_w，1至P_w，4分别为粗集料、细集料、粉煤灰及硅灰四种混合集料比例：P_w，1为粗集料之重量比例；P_w，2为细集料之重量比例；P_w，3为粉煤灰之重量比例；P_w，4为硅灰之重量比例；

V_v为粗细集料间隙体积，U_max为混合集料堆积之最大单位质量(kg/m³)，Va为空气含量(％)；

V_纤维为钢纤维材料之体积含量(％)。

请参照图1所绘示之富勒理想级配曲线(Fuller’s curve)图、图2所绘示之本实施例混和集料堆积单位质量图、图3所绘示之本实施例混和集料堆积密度图以及图4所绘示之本实施例趋近理想之轨枕材料级配曲线图。上述实施例中，系以富勒理想级配曲线(Fuller’s curve)配合集料筛分析数据计算集料架构比例(如图1所示，其中P为小于粒径d之集料含量；d为集料之粒径；D为集料之标称最大粒径)，依据实际堆积结果，找出最大单位质量(如图2所示)、最大堆积密度(如图3所示)及最趋近理想级配(如图4所示)状况下之架构，为轨枕及其相关预铸构件材料之粗集料、细集料及粉煤灰、硅使用比例(P₁、P₂、P₃、P₄)。

本实施例系假设集料颗粒为球形，推求集料及纤维材料单位质量所含总表面积，另引入浆量「包裹厚度」之概念(请参阅图5所绘示之本实施例之浆量包裹厚度示意图，图中之集料10及钢纤维20表面上所包裹之润滑浆厚度t，系为最少润滑浆厚度，而Vv系为集料10与集料10之间的间隙。)，并依据轨枕建筑物及其相关预铸混凝土构件需求，决定混凝土浆体用量(V_p＝V_v+S·t，其中V_p为混凝土之硅酸盐水泥浆体积；V_v为粗细集料间隙率；S为集料及纤维材料表面积；t为润滑浆量包裹厚度)。将已建立之配方计算矩阵关系式1，利用计算机程序来计算，即可求出本实施例之预铸构件材料及相关预铸构件之材料用量(kg/m³)。

以下将上述实施例中之混凝土预铸构件材料，试作道岔轨枕如下：

轨枕规格：长4米、宽0.27米、高0.22米。预力采先拉法施工，每根轨枕设置六条钢键，每条施加8～14公吨(tons)预力，共48～84公吨，由前述之配方计算法设计配比，改变浆质(水胶比不同)，改变浆量(不同浆量包裹厚度)与固定浆质、浆量，改变钢纤维含量等三类型，来观察纤维混凝土之性质，如表1所示。此配比理论考虑材料的生克互利，所以添加粉煤灰与矿渣粉，另考虑耐久特性尽量降低用水量与硅酸盐水泥量，由表1中显示，最高硅酸盐水泥用量约300kg/m³，与美国混凝土学会(ACI)配比法相差甚多；而在新拌性质分析项目中，不论是改变浆质(不同水胶比)、改变浆量(不同浆量包裹厚度)或是固定浆质、浆量，改变纤维含量，均能达到坍落度250±25mm、坍落流动度600±100mm及流动时间＞30秒之高流动性标准。

上述实施例之纤维混凝土材料配比试体中，其试体编号SFRC241005及SFRC281005之工程性能验证如表2，其工程性能中之抗压强度为混凝土安全性最主要的指针项目，轨枕结构体强度的大小关系到其长期使用性与耐久年限，本实施例之二组配比试体皆属高强度混凝土配比，由图6可显示出，两组配比在28天皆超过10,000psi甚多，至56天时均已超过12,000psi。

表2  PC轨枕配比性质验证结果一览表

本发明之特点系藉由理论之富勒理想级配曲线(Fuller’s curve)，推算混凝土集料适当之混合比例，以及引入浆量包裹厚度之观念计算混凝土浆用量，利用精确定性与定量方式控制材料配方，可解决混凝土制作厂商仰赖繁复实验或操作人员经验决定材料配比的不确定性，并能获得混凝土最大致密度及稳定性，以及确保混凝土轨枕及其相关预铸构件质量。

再者，本发明之混凝土轨枕及其相关预铸构件材料配方设计模式之建立，依据所订立之材料选用标准与变量范围，可直接套入建立之矩阵模式求解材料用量，简化混凝土材料配方计算方法，并提升混凝土预铸构件质量。

利用本发明材料配方设计方法，可大量降低硅酸盐水泥因素与硅酸盐水泥用量，大幅减少二氧化碳排放量，提高混凝土强度，克服纤维材料之纠结性质对工作性之影响，并透过物理与化学作用，提升混凝土轨枕及相关预铸混凝土构件之耐久性。

综上所述，乃仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段之实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施之范围。即凡与本发明专利申请范围文义相符，或依本发明专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

附图说明

图1  绘示富勒理想级配曲线；

图2  绘示本实施例混和集料堆积单位质量图；

图3  绘示本实施例混和集料堆积密度图；

图4  绘示本实施例趋近理想之轨枕材料级配曲线图；

图5A  绘示本实施例之对于集料的浆量包裹厚度示意图；

图5B  绘示本实施例之对于钢纤维的浆量包裹厚度示意图；以及

图6  绘示本实施例之道岔预力混凝土轨枕抗压强度关系图。

主要组件符号说明

10   集料

20   钢纤维

V_v   空隙

t    润滑浆厚度

Claims (12)

1.一种混凝土预铸构件材料之形成方法，系适用于制作建筑物材料，包括：

混合粗集料石材及细集料砂材，以形成堆积集料之主架构；

添加火山灰材料及胶结材料，该火山灰材料包含粉煤灰及硅灰，该胶结材料包含硅酸盐水泥及矿渣粉，该火山灰材料系用以填塞该堆积集料之孔隙，并作为火山灰反应之用，该胶结材料之该矿渣粉系可降低硅酸盐水泥用量；

添加水以及羧酸系高效减水剂；以及

拌入钢纤维，该钢纤维为两端弯钩，其长径比介于50～70，且体积小于总体积之1％。

2.如权利要求1所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中该添加火山灰材料与添加该水以及该羧酸系高效减水剂系同时进行。

3.如权利要求1所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中各材料配方的使用量之计算式为：

其中，K_sst及K_sst’为集料与纤维材料之单位质量总表面积(m²/kg)；γ为各材料之密度(kg/m³)；t为浆量包裹厚度(μm)；ξ为矿渣粉取代硅酸盐水泥重量比例(wt％)；P_w，1至P_w，4分别为粗集料、细集料、粉煤灰及硅灰四种混合集料比例：P_w，1为粗集料之重量比例；P_w，2为细集料之重量比例；P_w，3为粉煤灰之重量比例；P_w，4为硅灰之重量比例；V_v为粗细集料间隙体积，U_max为混合集料堆积之最大单位质量(kg/m³)，V_a为空气含量(％)；V_纤维为钢纤维材料之体积含量(％)。

4.如权利要求3所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中计算集料架构采用之富勒理想级配曲线(Fuller’s curve)：P＝(d/D)^h；该P为小于粒径d之集料含量；d为集料之粒径；D为集料之标称最大粒径；h次方级数为0.45至0.50。

5.如权利要求3所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中该四种混合集料之重量比例：P_w，1(粗集料)占39至55％；P_w，2(细集料)占38至52％；P_w，3(粉煤灰)占3.2至9.0％；及P_w，4(硅灰)占1.4至2.3％。

6.如权利要求3所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中该理想级配曲线之次方级数h为0.48，水胶比在0.24至0.32范围，水灰比在0.41至0.61范围，浆量包裹厚度在5至20μm范围。

7.如权利要求1所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，包含：

粗集料，系为石材891至963kg/m³；

细集料，系为砂材811至876kg/m³；

火山灰材料，系包含粉煤灰90至97kg/m³，硅灰31至34kg/m³；

胶结材料，系包含硅酸盐水泥235至350kg/m³及矿渣粉78至117kg/m³；

水，122至165kg/m³；

羧酸系高效减水剂，系为该火山灰与该胶结材料总用量之0.7至2.0wt％；以及

钢纤维，系为总体积之0.5至1.0％。

8.如权利要求1所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中该建筑物为运输轨道之轨枕。

9.如权利要求1所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中该粗集料为常重集料，且最大粒径为12.5mm(1/2”)之机制石或河石。

10.如权利要求1所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中该细集料为常重集料，且细度模量[F.M]介于2.8至3.2之机制砂或河砂。

11.如权利要求1所述之混凝土预铸构件材料之形成方法，其中该火山灰材料与该胶结材料总用量在444至588kg/m³范围。

12.如权利要求1所述之混凝土预铸构件材料，其中该混凝土之抗压强度介于C70至C100(即相当于10,000psi至15,000psi)。