CN1197815C - 中强度的自充填混凝土 - Google Patents

Abstract

一种中强度的自充填混凝土，其各成分的配比为：粗骨料600—1000kg/m³、细骨料800—1000kg/m³、粉体450—700kg/m³、拌和水150—195kg/m³及强塑剂为粉体用量的0.8—1.5%重量。具有良好的填充性能(坍落度扩散值450—800mm)及适当的中度强度(抗压强度介于13.7—54.9MPa)，适用于一般建筑工程及土木工程。

Description

中强度的自充填混凝土

技术领域

本发明是有关于一种自充填混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)，特别是有关于一种中强度的自充填混凝土的配比。

背景技术

自充填混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)是具有良好的坍落度扩散值，其特点是免震捣、高流动性及自行填充间隙，在浇置过程，不须施加任何震动捣实，而能完全通过自身的重力填充至钢筋间隙及模板的各角落，可使过去土木工程界认为无法达成的工程需求转而成为可能，诸如：“混凝土用量较大，工期较短的工程”、“捣实较困难的工程”、“劳力严重不足的工程”等，表1为自充填混凝土的相关试验参考值。

表1自充填混凝土的相关试验参考值

混凝土充填能力等级			R1	R2	R3
						构造条件	钢筋最小间距(mm)		30-60	60-200	200以上
单位体积钢筋用量(kg/m3)		350以上	100-350	100以下
					箱型试验填充高度(mm)			300以上(R1障碍)	300以上(R2障碍)	300以上(无障碍)
流动性		坍流度(mm)	550-700								500-650
					新拌混凝土抗析离性		V漏斗流下时间(sec)	10-20	7-20	7-20
坍流度达45cm所需时间(sec)	5-25	3-15	3-15

传统自充填混凝土是高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)，一种如美国专利申请公开案第2002/0038616号，以往的自充填混凝土是利用大量胶结料为基材，使得水胶比(W/B)偏低，故其抗压强度较高，并超过41.2MPa，例如当拌和水用量175kg/m³水泥用量336kg/m³，炉石用量96kg/m³，粉煤灰用量48kg/m³时，自充填混凝土的水胶比(W/B)约为0.37，其28天的抗压强度约为49MPa，90天的抗压强度约为58.8MPa，而一般建筑工程所规范的混凝土强度为13.7-27.5MPa，土木工程所规范的混凝土强度为27.5-41.2MPa，显然传统的高强度自充填混凝土无法普及运用于一般工程。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种中强度的自充填混凝土，通过适当的配比，其强度是介于13.7-54.9MPa，达到适用于一般建筑工程及木土工程的目的。

本发明的第二目的是提供一种中强度的自充填混凝土，利用不具胶结性质的填充材，例如石灰石粉(limestone powder)的添加，在不改变水胶比的条件下，提供足够的粉体量，确保中强度混凝土的自充填性能，达到良好的工作性的目的。

本发明的第三目的是提供一种中强度的自充填混凝土，利用不具胶结性质的石粉与至少超过50％重量水泥用量的凝硬材料，以低水泥的用量，达到自充填性能并降低混凝土成本的目的。

本发明的第四目的是提供一种中强度的自充填混凝土的配比设计流程，达到适当的步骤下设计中强度的自充填混凝土的目的。

本发明的第五目的是提供一种中强度的自充填混凝土的制造方法，达到在适当的步骤下拌和中强度的自充填混凝土的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种中强度的自充填混凝土，其特征是：它的各成分的配比是：粗骨料600-1000kg/m³、细骨料800-1000kg/m³、粉体450-700kg/m³、拌和水150-195kg/m³及强塑剂为粉体用量的0.8-1.5％重量；该细骨料的细度模数是介于2.5-3.2之间；该粉体至少包含有水泥与凝硬材料；拌和完成后的自充填混凝土的水胶比是0.27-0.75，浆体体积为0.29-0.47m³，水粉体积比为0.56-1.36；

该自充填混凝土的抗压强度为13.7-54.9MPa。该凝硬材料选自粉煤灰、炉石粉或硅灰。该粉体是选自石灰石粉或不具胶结性质的粉体。该凝硬材料的用量是大于该水泥用量的50％重量。

本发明提供另一种中强度的自充填混凝土，其特征是：它的各成分：粗骨料、细骨料、粉体、拌和水及强塑剂；该细骨料的细度模数是介于2.5-3.2之间；该粉体至少包含有水泥与凝硬材料；该凝硬材料的用量是大于该水泥用量的50％重量。

该凝硬材料的用量是大于该水泥用量的80％重量。该粉体是包含有不具胶结性质的填充材，用以在不改变水胶比的条件下提供足够的粉体量。该填充材选自石灰石粉或不具胶结性质的粉体。

本发明的中强度的自充填混凝土，其配比包含：粗骨料(coarseaggregate)，用量600-1000kg/m³；细骨料(fine aggregate)，用量800-1000kg/m³，其细度模数(Fineness Modulus，F.M)是介于2.5-3.2；粉体用量450-700kg/m³，其是至少包含有水泥(cement)、如粉煤灰(flyash)、炉石粉(slag)与硅灰(silica fume)等凝硬材料(Pozzolans)，其中凝硬材料的用量是超过水泥的用量50％重量以上，以超过水泥的用量80％重量以上更具有经济性；较佳地，该粉体更包含有非胶结材料的填充材，例如石灰石粉等；拌和水，用量150-195kg/m³；及强塑剂(Superplasticizer)为粉体用量的0.8-1.5％重量。

当该自充填混凝土拌和完成，其水胶比是在0.27-0.75，浆体体积为0.29-0.47m³，水粉体积比为0.56-1.36，坍落度扩散值(Slump flow spread)450-800mm，抗压强度13.7-54.9MPa，可适用于一般建筑工程及土木工程。

下面结合较佳实施例和附图详细说明。

附图说明

图1是本发明的中强度自充填混凝土的设计流程示意图。

图2上本发明的中强度的自充填混凝土的浆体体积与坍流度的关系图。

图3是本发明的中强度的自充填混凝土的拌和过程流程图。

图4是本发明的中强度的自充填混凝土的另一拌和过程流程图。

图5是本发明的坍落度扩散试验器具的示意图。

图6是本发明的流速试验V型漏斗试验仪的示意图。

图7是本发明的钢筋间隙通过试验箱型试验仪的示意图。

具体实施方式

参阅图1-图7所示，本发明的中强度的自充填混凝土，其主要包含有粗骨料、细骨料、粉体、拌和水及强塑剂，其水胶比(W/B)是在0.27-0.75，浆体体积(V_paste)为0.29-0.47m³，水粉体积比(V_w/V_powder)为0.56-1.36，其中水胶比是指拌和水与胶结料(binder)的重量比例，胶结料是包含水泥与凝硬材料(Pozzolans)等具有胶结功能的粉体，通常水胶比愈低，表示胶结物的需求用量愈大，其强度亦随之升高，浆体体积(V_paste)为水体积与粉体体积的总合，为确保良好的坍落度扩散值(450-800mm)，浆体体积(V_paste)是依图2的试验结果设定在0.29-0.47m³，而水粉体积比(V_w/V_powder)是指水体积与粉体体积的比例，用以控制浆体的变形与骨料悬浮能力。

粗骨料为最大粗径不大于25mm的碎石或卵石，使用中，依钢筋的净间距不同，而选用粗骨料，粗骨料的粗径应小于单向钢筋的净间距的

倍或是小于双向钢筋的 倍，例如，当粗骨料的最大粒径为20mm时，单向钢筋的净间距不得小于37mm，双向钢筋的净间距不得小于48mm，否则粗骨料将会堵塞于钢筋前而形成拱状，即架桥现象，而粗骨料的单位容积(G/G_lim)范围是依充填等级加以区分，实际上，粗骨料的用量(G_ssd)是在600-1000kg/m³之间，较佳为700-900kg/m³。

细骨料，由于细骨料的含水量远较粗骨料更不稳定，为了配比品质的稳定，其细度模数(Fineness Modulus，F.M)宜介于2.5-3.2，而细骨料的体积用量(V_sand)是可由该自充填混凝土的体积减去浆体体积(V_paste)、粗骨料的体积用量(V_g)及含气量(A)而求得，再乘以细骨料的比重，即为细骨料的用量，即V_sand＝1-V_pastd-V_g-A；细骨料用量S＝V_sand×γ_sand，其中γ_sand表细骨料的比重，约为2700kg/m³，依本发明，细骨料的用量(S)是800-10000kg/m³之间，较佳为850-980kg/m³。

用于自充填混凝土的拌和水应控制其氯化物含量在250ppm以下、硫酸根含量在3000ppm，且不得有过多的有机物、油脂或其它有害物质，水的用量(W)是由浆体体积(V_paste)与水粉体积比(V_w/V_powder)求得，W＝V_paste÷(1+V_w/V_powder)×1000，通常拌和水量是150-195kg/m³。

粉体(powder)是包含胶结料(binder)与填充材，胶结料为水泥(cement)与凝硬材料(Pozzolans)，其中凝硬材料是包含有粉煤灰(fly ash)、炉石粉(slag)或硅灰(silica fume)等；炉石粉是炼钢高炉的炉渣，包含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等成分，具有凝硬性质，用以取代部分的水泥，粉煤灰(fly ash)通常是指燃煤电厂所生产的尘粉或火山爆发时喷出的灰尘，包含氧化硅与铝酸盐等成分，能与氢氧化钙发生反应而生成有胶结性质的硅酸钙化合物，可以取代部分的水泥，较佳地，凝硬材料的用量是超过水泥的用量50wt％以上，故能降低水泥的用量，而具有较低成本与良好流动性(水泥为自充填混凝土中较昂贵的原料)，且不影响强度，水泥与凝硬材料等胶结物的用量(B)是可由水用量(w)除以水胶比(W/B)得到，即B＝W÷(W/B)，并可得到胶结物的体积V_bind＝C(水泥用量)/γ_cem+SL(炉石用量)/γ_sl+FL(粉煤灰用量)/γ_fl，其中，水泥比重γ_cem约3150kg/m³；炉石比重γ_sl约2940kg/m³；粉煤灰比重γ_fl约2170kg/m³；

在本发明中，粉体除了胶结物(binder)之外，更可包含不具有胶结功能的填充材，例如石灰石粉(limestone powder)等，用以补充粉体与胶结物的差额，在不改变水胶比的条件下提供足够的粉体量，LSP(石灰石粉用量)＝(V_power-V_bind)×γ_lsp，其中γ_lsp表石灰石粉的比重，约2600kg/m³，依本发明，粉体的用量为450-700kg/m³，较佳为450-600kg/m³。

强塑剂(Superplastlicizer，SP)又称为高性能减水(缓凝)剂(High-Range Water Reducer，HRWR)，可分散水泥颗粒，达到润滑效果，在较低用水量状况下产生高流动性，其用量为粉体用量的0.8-1.5wt％。

如图1所示，依本发明的中强度的自充填混凝土，其配比设计的步骤流程依序为：决定粗骨料用量1、决定细骨料用量2、决定拌和水量与粉体用量3、决定胶结物用量4及决定填充材用量5，以下通过具体实施例说明：

实施例1

在本发明的实施例1中，本发明的中强度的自充填混凝土是应用钢筋混凝土结构工程，其28天抗压强度是需要41.2MPa，其单向钢筋间距为4cm，取得的粗骨料的干捣单位重(G_lim)为1470kg/m³、吸水率(W_w/W)为1.07％，取得的细骨料的细度模数(F.M.)为2.8、吸水率(W_W/W)为1.7％，该自充填混凝土的浆体体积(V_paste)为0.36m³，水粉体积比(V_w/V_powder)为0.99。

首先，在决定粗骨料用量1的步骤中，粗骨料的最大粒径 $\left(D_{\max }\right)=4\×[2/(2+\sqrt{3})]=2.14\mathrm{cm},$ 取粗骨料最大粗径为2.54cm，若要求的充填等级为R2，假设粗骨料的单位容积(G/G_lim)为0.5，粗骨料炉干状态的用量G＝(G/G_lim)×G_lim＝0.5×1470＝735kg/m³，粗骨料用量(G_ssd)＝G×(1+(W_w/W))＝735×(1+1.07％)＝743kg/m³，粗骨料体积(V_g)为＝G÷γ_ssd＝735÷2600＝0.283m³；

之后，在决定“细骨料用量”2的步骤中，若含气量(A)设为2％，粗骨料体积V_sand＝1-0.02-0.36-0.283＝0.337m³，细骨料用量V_sand＝0.337×2700＝910kg/m³；

然后执行“决定拌和水量与粉体用量”的步骤3，拌和水量(W)＝0.36/(1+1/0.99)×1000＝179kg/m³，粉体用量(V_powder)＝179/0.99/1000＝0.181m³；

之后，依“决定胶结物用量”的步骤4，若该工程的目标强度为41.2MPa，则对应的水胶比(W/B)应为0.34，胶结物的总量(B)＝179÷0.34＝527kg/m³

依水泥∶炉石粉∶粉煤灰的12.5∶6.5∶3.5比例换算，水泥用量为292kg/m³，炉石粉用量为153kg/m³，粉煤灰用量为82kg/m³；

在“决定填充材用量”的步骤5中，胶结物体积(V_binder)＝292/3150+153/2940+82/2170＝0.182，(近似于粉体体积0.181)，因为胶结物的体积等同粉体体积，故不需要具有无胶结性的填充材。

依上述的流程步骤，该自充填混凝上的配比为拌和水量179kg/m³、水泥用量292kg/m³、炉石粉用量153kg/m³、粉煤灰用量82kg/m³，此时凝硬材料为水泥用量的80％重量，粗骨料用量743kg/m³、细骨料用量910kg/m³，而强塑剂根据厂牌不同，其用量约为粉体用量的1％(5kg/m³)。

如图3所示，本发明的具体制造程序如下，在决定各原料的用量后，在水泥、炉石粉、粉煤灰、粗骨料与细骨料等固体原料计量好之后，将上述固体原料与大部分拌和水(约三分之二的拌和水)投入拌和机内搅拌，进行搅拌30秒；再将由剩余的拌和水与强塑剂形成的混合溶液投入，并调整拌和机的电流，由于自充填混凝土是能影响对拌和机叶片与转轴产生的力矩与剪力，通过测量拌和机的电流，可以检测自充填土的粘滞性是否趋于稳定，通常粘滞性愈高，相对电流值愈大，所以制造相同配比的自充填混凝土应具有固定的最佳电流值，用以判定自充填混凝土是否已达到最佳稳定度及拌和水量。

当调配成本发明的自充填混凝土时，进行坍落度试验(Slump test)、坍落度扩散试验(Slump flow spread test)、V形漏斗流速试验及钢筋间隙通过试验。

如图5所示，坍落度扩散试验是用以测试混凝土的流动性，以达到所需要的坍落度(23cm以上)及坍落度扩散值(450-800mm，直径扩散达45cm所需时间为3-25秒)，坍落度扩散试验器具先将自充填混凝土填满于一在平板12上的圆锥筒11，该圆锥筒11具有一较小的开口，其直径10cm，及一较大的开口，其直径为20cm，且其筒高为30cm，在填充后，将圆锥筒11向上垂直提起，此时，自充填混凝土是在平板12上产生扩散，测量当自充填混凝土扩散达直径45cm时所需的时间，以及在停止扩散后，测量自充填混凝土的扩散直径，作为坍落度扩散值，而在实施例1的自充填混凝土是能符合坍落度扩散值450-800mm及直径扩散达45cm所需时间为3-25秒的标准。

如图6所示，V形漏斗流速试验是用以测试自充填混凝土的稠度与析离度，其测试仪器为V型漏斗21，其下方是具有一较小口径的开口22(6.5cm×7.5cm)，开口22处的管长为15cm，V型漏斗21本体的宽为7.5cm、高为45cm、上缘长为49cm，测量自充填混凝土完全流出V型漏斗21下方开口22所需时间，经试验，本发明实施例1的自充填混凝土是符合V形漏斗流下时间7-20秒的标准。

如图7所示，钢筋间隙通过试验(或称箱型充填试验)是用以测试自充填混凝土自行通过钢筋并充填至模板角落的能力，在钢筋间隙通过试验中是将自充填混凝土填满于试验仪器的A槽31(槽高为49cm)，其中A槽31与B槽32是以一固定隔板33邻接隔开，在固定隔板33的下方装设有一活动隔板34与一钢筋栅栏35，根据充填等级不同，装设不同的钢筋栅栏35或不装设。

在R3充填等级时，是不装设钢筋栅栏35，自充填混凝土在静置于A槽31一分钟后，打开活动隔板34，在A槽31的自充填混凝土是经由下方往B槽32流动，本实施例中的自充填混凝土流至B槽32的高度是300mm以上。

此外，该自充填混凝土经试验，测得28天抗压强度为46MPa，故实施例1的自充填混凝土是具有中强度(13.7-54.9MPa)、高流动性及自充填性能，且不会有粗料析离现象，适用于一般建筑工程及土木工程，并在使用时，因其低水灰比，可避免因自体干缩(autogeneous shrinkage)而引起的龟裂。

实施例2

在本发明的实施例2中，另一自充填混凝土的28天目标抗压强度是20.6MPa，其单向钢筋间距为5.5cm，取得的粗骨料的干捣单位重(G_lim)为1470kg/cm²、吸水率(W_w/W)为1.07％，取得的细骨料的细度模数(F.M.)为2.8、吸水率(W_w/W)为1.7％，该自充填混凝土的浆体体积(V_paste)为0.35m³，水粉体积比(V_w/V_powder)为0.94。

首先，在“决定粗骨料用量”1的步骤中，粗骨料的最大粗径 $\left(D_{\max }\right)=5.5\×[2/(2+\sqrt{3})]=2.5\mathrm{cm},$ 若要求的充填等级为R2，假设粗骨料的单位容积(G/G_lim)为0.52，粗骨料炉干状态的用量(G)为(G/G_lim)×G_lim＝0.52×1470＝764kg/m³，粗骨料用量(G_ssd)＝G×(1+(W_w/W))＝764×(1+1.07％)＝772kg/m³，粗骨料体积(V_g)＝G÷γ_ssd＝764÷2600＝0.294m³；

之后，在“决定细骨料用量”2的步骤中，若含气量A设为2％，细骨料体积V_sand＝1-0.02-0.35-0.294＝0.336m³，细骨料用量V_sand＝0.336×2700＝907kg/m³；

然后执行“决定拌和水量与粉体用量”的步骤3，拌和水量(W)＝0.35/(1+1/0.94)×1000＝170kg/m³，粉体用量(V_powder)＝170/0.94/1000＝0.182m³；

之后，依“决定胶结物用量”的步骤4，若该工程的目标强度为20.6MPa，则对应的水胶比(W/B)应为0.48，胶结物的总量(B)＝170÷0.48＝355kg/m³

依水泥∶炉石粉∶粉煤灰的5.9∶2.1∶3.5比例换算，水泥用量为182kg/m³，炉石粉用量为65kg/m³，粉煤灰用量为108kg/m³；

在“决定填充材用量”的步骤5中，胶结物体积(V_binder)＝182/3150+165/2940+108/2170＝0.130，本实施例需使用填充材料来补足粉体的差额，其体积＝0.182(V_powder)-0.13(V_binder)＝0.52m³，例如使用石灰石粉，用量(L)＝(0.182-0.13)×2600＝136kg/m³；

依上述的流程步骤，该自充填混凝土的配比为拌和水量170kg/m’、水泥用量182kg/m³、炉石粉用量65kg/m³、粉煤灰用量108kg/m³(此时，凝硬材料为水泥用量的95％重量)、石灰石用量136kg/m³、粗骨料用量772kg/m³、细骨料用量907kg/m³，而强塑剂用量的为粉体用量的1％(4.9kg/m³)。

如图4所示，因此，在决定各原料的用量后，在水泥、炉石粉、粉煤灰、石灰石粉、粗骨料与细骨料等固体原料计量好之后，将上述固体原料与大部分拌和水(约三分之二的拌和水)投入拌和机内搅拌，进行搅拌30秒之后，投入强塑剂再搅拌30秒，再利用剩余的拌和水的投入来调整所需要拌和机的电流，经试验该自充填混凝土坍落度、坍落度扩散值符合规定，其箱型试验充填高度达300mm以上，28天抗压强度为24.6MPa，而拌和方式与图3最大不同点在于：强塑剂全部添加于混凝土中，不会残留于拌和机的计量桶或水槽内，使得自充填混凝土的工作性维持度更佳，故本发明的自充填混凝土是具有中强度、高坍落度、自充填性能及拌和效果均匀的功效，适用于一般建筑工程及土木工程。

此外，若细骨料的表面水每日测量多次时，第一次添加的拌和水可达拌和水量的90％，剩下的拌和水量(10％)是在第二大添加时，作为调整拌和机的电流。

因此本发明是提供一种极为实用的中强度的自充填混凝土，不但符合自充填混凝土的性能要求，坍落度扩散值(450-800mm及直径扩散达45cm所需时间为3-25秒)、箱型试验充填高度(300mm以上)及V漏斗流下时间(7-20秒)等，而且具备中强度(28天抗压强度13.7-54.9MPa)，能广泛地运用于土木、建筑等一般工程；此外，本发明亦揭示一种中强度的自充填混凝土的配比设计流程与拌和方法，以供制造中强度的自充填混凝土。

以上仅为本发明的较佳实施例，任何熟知此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内所作的任何变化与修改，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1、一种中强度的自充填混凝土，其特征是：它的各成分的配比是：粗骨料600-1000kg/m³、细骨料800-1000kg/m³、粉体450-700kg/m³、拌和水150-195kg/m³及强塑剂为粉体用量的0.8-1.5％重量；该细骨料的细度模数是介于2.5-3.2之间；该粉体至少包含有水泥与凝硬材料；拌和完成后的自充填混凝土的水胶比是0.27-0.75，浆体体积为0.29-0.47m³，水粉体积比为0.56-1.36；该自充填混凝土的抗压强度为13.7-54.9MPa；该粗骨料的最大粒径为2.14-2.54cm；该凝硬材料选自粉煤灰、炉石粉或硅灰；该凝硬材料的用量是大于该水泥用量的50％重量。

2、根据权利要求1所述的中强度的自充填混凝土，其特征是：该粉体更包含有非胶结材料的填充材，选自石灰石粉。

3、根据权利要求1所述的中强度的自充填混凝土，其特征是：该凝硬材料的用量是大于该水泥用量的80％重量。