TWI471287B - A dense compounding method for the manufacture of concrete containing rice husk ash - Google Patents

Description

用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法

本發明係有關於一種混凝土之緻密配比法，特別適用於普通混凝土、自充填混凝土、高性能混凝土、超高強度混凝土、纖維混凝土和活性粉混凝土等。

目前，由於亞洲國家(如我國)或東南亞(如越南)等地區大多以米食為主食，因此農民每年將會種植大量稻米，以我國為例，每年稻米量大約生產三千七百萬公噸，稻米於收割後經由碾米加工以獲得精緻米，而稻米經處理後所產生之稻殼量也將近一千公噸。

一般對於稻殼之處理方式，大多採用隨意放置作為肥料或燃燒，但由於稻殼為不易腐爛且不易分解，降低其作為肥料的機率，為解決此問題，則是將稻殼就地進行燃燒處理，然而，就地將稻殼以火燃燒，其燃燒時所產生之濃煙會影響空氣品質及道路行車安全，且經燃燒後之稻殼灰若無法好好處理，而任意四處掩埋或傾倒時，將會造成環境二次破壞。

有鑑於此，本發明人乃潛心研思、設計配製，期能建立混凝土技術科學化基礎，提供一種能精確定性、定量之混凝土配比設計精算方式。藉由材料間相應理論，建立矩陣式，推求各材料理論用量，簡化混凝土配比計算流程，並改善現今混凝土廠商仰賴繁複實驗、操作人員經驗決定配比的不確定性，而將稻殼灰應用於混凝土，藉以提高廢棄物再利用性，達到綠色環保及保護地球等目的，為本發明所欲研創之創作動機者。

本發明之主要目的，在提供一種用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配 比法，以節省水泥用量及廢棄物再利用之功效。

本發明之次要目的，在於提供一種用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法，以有效提高混凝土工作性及耐久性之功效。

為達上述目的，本發明係提供一種用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法，係將灰化處理後之稻殼灰與水泥混合物混合，該水泥混合物係包括水泥、粗粒料、細粒料及水，該緻密配比法係包括：由富勒曲線配合篩分析資料推求粗粒料、細粒料及稻殼灰之使用比例；選擇合適之粒料堆積架構，推求最大乾鬆容積密度；計算扣除粗粒料及細粒料所需填充間隙體積；以及設定水膠比，計算各組成材料用量。藉此，以稻殼灰取代部分水泥，可減少水泥用量、廢棄物再利用及有效提高混凝土工作性與耐久性之功效。

為了能夠更進一步瞭解本發明之特徵、特點和技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，惟所附圖式僅提供參考與說明用，非用以限制本發明。

請參閱第1圖所示，為本發明之用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法流程示意圖，本發明係提供一種用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法，係將灰化處理後之稻殼灰(Rice Husk Ash)與水泥混合物混合，灰化處理之溫度係為300度至900度。混合後該稻殼灰佔整體重量之10至40重量百分比(即為稻殼灰直接取代之水泥量，該水泥量為每單位立方水泥用量，例如每單位水泥用量為400公斤，而稻殼灰取代之水泥量為20%，即混合比例為320公斤水泥與80公斤稻殼灰)，其中該水泥混合物與該稻殼灰 混合之水膠比(w/b：water/binder)為0.2至0.5。該水泥混合物主要由水(water)、水泥(cement)、細粒料(Fine Aggregate，F.Agge)及粗粒料(Coarse Aggregate，C.Agge)所組成，該細粒料一般為砂(sand)，而該粗粒料一般為石(stone)。該緻密配比法係包括：一、由富勒曲線(fuller’s curve)配合篩分析資料推求粗粒料、細粒料及稻殼灰之使用比例；二、選擇合適之粒料堆積架構(h)，推求最大乾鬆容積密度(U _max )；三、計算扣除粗粒料及細粒料所需填充間隙體積(V _v )；以及四、設定水膠比(w/b)，計算各組成材料用量。該緻密配比法配比材料設計範圍涵蓋毫米(mm)、微米(μm)至奈米(nm)，使材料彼此間都能相互組合而形成最緻密狀態。藉由推求粒料表面積(S)，透過量測間隙體積(V _v )，引入裏漿厚度(t)概念，計算水泥漿量(V_p =V_v +S．t)，依據需求設計強度，控制混凝土品質。

步驟1：由富勒曲線配合篩分析資料推求粗粒料、細粒料及稻殼灰之使用比例：

篩分析是藉由通過一組網格連續增加的網篩，並量測停留於篩網上之粗粒料、細粒料及稻殼灰之重量。將篩分析資料配合富勒曲線推算不同粒徑之體積比：

(1)

P：小於粒徑d之粒料含量；d：d粒料之粒徑；D：粒料之最大粒徑。

(2)粒料分佈分析定義：

假設所用粒料種類(i)共n種，篩分析粒徑(j)共有m個篩號，而此分析資料為：k _j =P _{v ,i} ．a _{i ,j}

a _{i ,j} ：(0~1)，混合粒料中第i種粒料j號篩之留篩率。

P _{v ,i} ：(0~1)，混合粒料中第i種粒料之體積百分比(%vol)，i=1~n。

k _j ：(0~1)，依理論曲線計算所得理論第j號篩留篩率，j=1~m。

(3)混和粒料級配曲線與理論曲線之離散量(M )以最小平方法運算之結果：

因為

所以

故整理後得

對M 進行偏微分

當M 有極大或極小值時，dM=0

經推導後得方程式(1)

a.選定粗粒料最大粒徑D，求取理想級配曲線之各篩號粒料體積比。

b.求取各h次方下之粒料體積比。

c.將各h次方下之粒料體積比轉成重量比。

由此可推斷出粗粒料、細粒料及稻殼灰(可一併簡稱粒料)之使用比例。

步驟2：選擇合適之粒料堆積架構(h)，推求乾鬆容積密度試驗(亦稱為乾搗單位重試驗)之最大乾鬆容積密度(U _max )：

根據理論與實際級配曲線圖、堆積最大體積百分比以及粒料間之使用比例，選擇合適之粒料堆積架構(h)，即前述中所述之h，進行乾鬆容積密度試驗(Dry Loose density test)推求最大乾鬆容積密度(U _max )。

步驟3：計算扣除粗粒料及細粒料所需填充間隙體積(V _v )：

(1)計算緻密堆積下，扣除粗粒料及細粒料所需填充空隙體積(V _v )

：粒料混合物中粗粒料1之重量百分率(wt%)

：粒料混合物中粗粒料2之重量百分率(wt%)

γ ₁ ：粗粒料1之密度(kg/m³ )

γ ₂ ：粗粒料2之密度(kg/m³ )

U _max ：粒料最緻密狀態之乾鬆容積密度(kg/m³ )

(2)計算粗粒料及細粒料總表面積(S )

假設粒料顆粒為球形，推求粗細粒料總表面積S =U ．K _sst 。

K _{ss ,j} ：指定第j號篩之表面積常數(l/m)。

K _sst ：混合粒料比表面積(m² /kg)

步驟4：設定水膠比(w/b)，計算各組成材料用量：

高性能混凝土材料組成材料大致為：粗粒料(W_stone )、細粒料(W_sand )、稻殼灰(W_RHA )、水泥(W_cement )及水(W_water )。依所需混凝土之耐久性及強度品質，設定一水膠比(w/b)，本發明該水泥混合物與該稻殼灰混合之水膠比係為0.2至0.5，而其關係式為：

λ ．W _cement +λ ．W _RHA -λ ．W _water =0

列出個材料相關式，建立矩陣式，以電腦程式作反矩陣求解，得出混凝土各材料用量。

a.混凝土用漿量推算：V _p =V _v +S ．t

帶入前述總表面積之公式得V _p =V _v +U ．K _sst ．t =V _v +(w _stone +w _sand )．K _sst ．t

一般而言，漿(或稱水泥漿)為水泥、粗粒料、細粒料、稻殼灰及水中粒徑小於100號篩(#100)的材料所組成，可得下式：

移項整理後如下式：

b.粗細粒料關係式：

混凝土內扣除漿及預估含氣量V _a 即為粗細粒料體積

c.粗細粒料與稻殼灰比例關係式：

依上述a~c關係式建立方程式(2)： 以電腦程式作反矩陣求解，得出混凝土各材料用量。

當然，本發明之用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法，其中，該稻殼灰可進一步經過研磨處理。而該混凝土中亦可進一步包括添加 物，該添加物係為強塑劑、助流劑、界面活性劑及黏著劑的其中之一，以改善該混凝土之工作性。

[實施例]

本發明之篩分析(粗粒料-石、細粒料-砂、稻殼灰)結果如下：

篩分析結果配合富勒曲線(本實施例中粒料之最大粒徑19mm，可於h=1/2~1/3間設定數組計算，如：h=0.333、0.4、0.45、0.5，現以h=0.5列舉)所得數據如下：表2

由表1及表2可定義[A ] _{i ,j} 、[A ] _{n ,j} 、[k ] _m 、[P _v ] _{n -1} 及[1] _{n -1×1} 如下：

將上述矩陣帶入方程式(1)得

將體積比轉換成重量比

表3

：混合粒料中粗粒料-石(stone)之體積比。

：混合粒料中細粒料-砂(sand)之體積比。

：混合粒料中稻殼灰(RHA)之體積比。

：混合粒料中粗粒料-石(stone)之重量比。

：混合粒料中細粒料-砂(sand)之重量比。

：混合粒料中稻殼灰(RHA)之重量比。

由於推算結果最適當之h~1/2，所以本實施例選擇合適之粒料堆積架構h=1/2(即h=0.5)，而經乾鬆容積密度試驗(亦稱為乾搗單位重試驗)得最大推求乾鬆容積密度U _max =2046(kg/m³ )。

扣除粗粒料及細粒料所需填充間隙體積

其中γ ₁ =2670(kg/m³ )，γ ₂ =2650(kg/m³ )

計算比表面積

由此，我們可推算出K _sst =1.4148(m² /kg)。

設定一水膠比(w/b)=0.35後，帶入方程式(2)

測試結果：

分別將上述含稻殼灰之混凝土形成圓柱試體，且期齡達28後，進行抗壓強度試驗，其結果如表5、表6所示。

依緻密配比法製造之含稻穀灰之混凝土抗壓強度61Mpa及66Mpa：

未依緻密配比法製造之含稻穀灰之混凝土抗壓強度61Mpa及66Mpa：

˙水泥：3 000NTD/ton

˙稻殼灰：495NTD/ton

˙粗粒料：500NTD/ton

˙細粒料：383NTD/ton

由表5及表6之測試結果可知，依緻密配比法製造含稻殼灰之混凝土相較於未依緻密配比法製造含稻殼灰之混凝土，在相同抗壓強度61MPa下水泥量分別為296kg及514kg，而抗壓強度66MPa下水泥量分別為376kg及783kg，由於水泥用量為混凝土成本之關鍵因素，所以，在相同抗壓強度61MPa下混凝土成本分別為1535NTD/m³ 及1727NTD/m³ ，而抗壓強度66MPa下混凝土成本分別為1627NTD/m³ 及2613NTD/m³ ，可見依緻密配比法製造含稻殼灰之混凝土的成本較低，再者，依緻密配比法製造含稻殼灰之混凝土相較於未依緻密配比法製造含稻殼灰之混凝土的二氧化碳排放量亦相對較低，符合節能減碳之環保意識。

由表5及表6之測試結果明顯可知，依緻密配比法製造含稻殼灰之混凝土相較於未依緻密配比法製造含稻殼灰之混凝土的水泥抗壓強度效能高達1.7~2.1倍，可推得在相同水泥量下，依緻密配比法製造含稻殼灰之混凝土具有較高的抗壓強度。

綜上所述，本發明之用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法，係將灰化處理後之稻殼灰與水泥混合物混合，該緻密配比法係包括：由富勒曲線配合篩分析資料推求粗粒料、細粒料及稻殼灰之使用比例；選擇合適之粒料堆積架構，推求最大乾鬆容積密度；計算扣除粗粒料及細粒料所需填充間隙體積；以及設定水膠比，計算各組成材料用量。使其可節省水泥用量及廢棄物再利用，並可有效提高混凝土工作性及耐久性。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，非因此即侷限本發明之可實施範圍，凡根據本發明之內容所作之部份修改，而未違背本發明之精神時，皆應屬本發明之範圍者。此外，本發明於申請前並未曾見於任何公開場合或刊物上，因此本案深具「實用性、新穎性及進步性」之發明專利要件，故爰法提出發明專利之申請。祈請 貴審查委員允撥時間惠允審查為禱。

1‧‧‧由富勒曲線配合篩分析資料推求粗粒料、細粒料及稻殼灰之使用比例

2‧‧‧選擇合適之粒料堆積架構，推求最大乾鬆容積密度

3‧‧‧計算扣除粗粒料及細粒料所需填充間隙體積

4‧‧‧設定水膠比，計算各組成材料用量

第1圖係為本發明之用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法流程示意圖。

1‧‧‧由富勒曲線配合篩分析資料推求粗粒料、細粒料及稻殼灰之使用比例

2‧‧‧選擇合適之粒料堆積架構，推求最大乾鬆容積密度

3‧‧‧計算扣除粗粒料及細粒料所需填充間隙體積

4‧‧‧設定水膠比，計算各組成材料用量

Claims (3)

1. 一種用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法，係將經過300度至900度灰化處理後之稻殼灰與水泥混合物混合，該水泥混合物係包括水泥、粗粒料、細粒料及水，其中，該稻殼灰與該水泥混合物混合後之該稻殼灰係佔整體重量之10至40重量百分比，該緻密配比法係包括：由富勒曲線配合篩分析資料推求粗粒料、細粒料及稻殼灰之使用比例，其中由通過一組網格連續增加的網篩篩選所得該稻殼灰之粒徑小於0.15mm，該粗粒料及該細粒料之粒徑不大於19mm；選擇合適之粒料堆積架構，用以得到最大乾鬆容積密度；計算扣除該粗粒料及該細粒料所需填充間隙體積；以及設定水膠比，計算各組成材料用量；其中，該水泥混合物與該稻殼灰混合之水膠比係為0.2至0.5，該最大乾鬆容積密度值為2046(kg/m³ )。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法，其中，由富勒曲線配合篩分析資料推求該粗粒料、該細粒料及該稻殼灰之使用比例係導入離散量之運用。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於製造含稻殼灰之混凝土的緻密配比法，其中，該稻殼灰係經過研磨處理。