Mix Proportion and Materials Properties of HSC ith High Fineness BFS

為符合現今建築物正朝著超高層樓、擴大樓層及綠地開放空間的發展趨勢，那麼材料強度及性能上的發展勢必是不可缺少的元素，因此為了發展超高強度的混凝土，將以高細度爐石粉為主要之卜作嵐材料，制定出高細度爐石粉高強度混凝土之配比特性，目標在於發展出水膠比、膠結料用量的合宜範圍之混凝土配比，並瞭解高強度混凝土的力學性質，研發適合台灣建築結構之高強度混凝土，期使所發展之高強度混凝土配比在一般具備良好品管水準之混凝土拌和廠皆可拌製，並制定台灣高強度混凝土之規格與標準。研究結果為發展出目標強度110MPa之混凝土配比，搭配四種本土流域粗骨材，觀察本土流域粗骨材強度成長極限之界線為何，並探討水膠比效應、爐石取代量及齡期時間效應這些配比變數對於抗壓強度的影響，以便作為高強度發展的配比基礎。並進行混凝土力學試驗，以瞭解高強度混凝土的基本力學性質，藉以分析高強度混凝土在單軸壓力下的受力行為以及破壞行為，結果得知高強度混凝土抗壓強度有明顯提升，然而由於破壞行為過於脆性，因此高強度混凝土需要搭配更為良好的圍束機制；由於低水膠比特性，收縮性質顯得相當重要，於本內容亦探討不同粗骨材對混凝土收縮影響(自體收縮，乾燥收縮)，這些性質對於應用在建築結構上是相當重要。由實驗結果，我們對於ACI現有的經驗規範公式進行比對，結果顯示經驗公式對於彈性模數有高估的情形，而劈裂強度有些許低估的疑慮，故根據實驗結果加以修正以符合國內材料之特性。目錄謝 I要 II錄 III目錄 VIII目錄 X片目錄 XVI一章 緒論 0.1 前言 1.2 研究動機與目的 1.3 研究方法與內容 2二章 文獻回顧 4.1 高強度混凝土之簡介與演進 4 2.1.1 定義 4 2.1.2 高強度混凝土基本力學性質 5 2.1.2.1 強度 5 2.1.2.2 彈性模數 5 2.1.2.3 抗裂強度 8.2 影響混凝土強度之因素 10 2.2.1 水泥漿體 10 2.2.1.1 水灰比 10 2.2.1.2 水泥的水化機理 11 2.2.2 骨材 12 2.2.3 卜作嵐材料 14 2.2.4 界面鍵結強度 16 2.2.5 孔隙結構 17 2.2.6 養護溫度 19.3 爐石混凝土之性質 20 2.3.1 爐石的成分性質 21 2.3.2 爐石主要水化反應機理 22 2.3.3 爐石對混凝土性質的影響 23.4 混凝土之收縮變形 26 2.4.1 混凝土作用水 27 2.4.2 收縮變形機制 28 2.4.3 影響高強度混凝土收縮因素 30 2.4.3.1 影響自體收縮之因子 30 2.4.3.2 影響乾燥收縮之因子 33.5 混凝土收縮成長預測模式 34 2.5.1國外混凝土收縮成長預測模式 35 2.5.1.1 CEB-FIP MODEL CODE 1990(歐洲) 35 2.5.1.2 GL2000(加拿大) 36 2.5.1.3 B3 MODEL(美國) 36 2.5.1.4 FIB 2000 38 2.5.2 國內混凝土收縮成長預測模式(CCL MODEL 2001) 39.6 混凝土中粗骨材之影響 41 2.6.1 粗骨材紋理與顆粒形狀 41 2.6.2 粗骨材粒徑與級配 41 2.6.3粗骨材內部孔隙 42 2.6.4 磨損率與硬度 43三章 實驗計畫 44.1 實驗背景 44.2 實驗流程 44.3 實驗內容 45.4 高強度混凝土配比設計 45 3.4.1 組成材料 45 3.4.2 配比設計 46 3.4.3 實驗變數 47.5 實驗儀器與設備 47 3.5.1 大型拌合試驗 47 3.5.2 小型拌合試驗 48 3.5.3 性質試驗 48 3.5.4 粗骨材磨損試驗 49.6 試驗內容與方法 50 3.6.1 砂漿拌合試驗過程 50 3.6.2 混凝土拌合試驗流程 51 3.6.3 抗壓強度之量測 52 3.6.4 彈性模數之量測 52 3.6.5 劈裂抗張試驗 53 3.6.6 收縮試驗 54四章 實驗結果與討論 56.1 前言 56.2 高強度混凝土受力行為 56 4.2.1 不同水膠比混凝土應力應變-曲線 58 4.2.2 不同粗骨材混凝土應力-應變曲線 58 4.2.3 混凝土彈性模數 59 4.2.4 混凝土破壞機制 61.3 影響高強度混凝土抗壓強度因素 62 4.3.1 粗骨材效應 62 4.3.2 水膠比效應 64 4.3.3 爐石取代效應 65 4.3.4 齡期時間與養護條件 67.4 劈裂強度 68 4.4.1 劈張強度發展趨勢 68 4.4.2 劈張強度之預測關係式 69.5 收縮性質探討 70 4.5.1 爐石取代率對自體收縮影響 70 4.5.2 爐石取代率對乾燥收縮影響 71 4.5.3 粗骨材對自體收縮影響 71 4.5.4 粗骨材對乾燥收縮影響 72 4.5.5 自體收縮與預測式曲線比較 73 4.5.6 乾燥收縮與預測式曲線比較 73 4.5.7 不同水膠比之極限收縮量 74 4.5.8 乾縮預測模式修正 74五章 結論與建議 76.1 結論 76 5.1.1 高強度混凝土抗壓強度影響因素 76 5.1.2 基本性質 77.2 建議 79目錄2- 1影響高強度混凝土主要因素【21】 922- 2波特蘭水泥複合物成分含量【28】 922- 3波特蘭水泥成分之特性【28】 932- 4高強度混凝土骨材性質要求【29】 932- 5卜作嵐材料之化學成分【37】 942- 6水灰比與骨材含量對混凝土乾縮之影響 943- 1小型拌合試驗配比 953- 2小型拌合試驗混凝土七天強度 953- 3台泥品牌第Ι型卜特蘭水泥化學成份 963- 4台泥品牌第Ι型卜特蘭水泥物理性質 963- 5高爐石之物理與化學性質 973- 6大安溪粗骨材之篩分析與物理性質 983- 7大甲溪粗骨材之篩分析與物理性質 983- 8宜蘭東振粗骨材之篩分析及物理性質 3- 9花蓮啟欣粗骨材之篩分析及物理性質 993- 10 北中部主要流域粗骨材抗壓強度 1003- 11大安溪細骨材之篩分析與物理性質 1003- 12 台灣及大陸細骨材之篩分析與物理性質 1013- 13 強塑劑性質表 1023- 14國道六號爐石粉混凝土配比表1024- 1 第一階段試驗配比表 1034- 2抗壓強度發展表 103 4- 3第二階段試驗配比表 1044- 4抗壓強度發展表 1054- 5各齡期強度與28天及90天強度比值 1064- 6各齡期強度與28天及90天強度比值(不同骨材) 1064- 7活性指數試驗配比表 1074- 8彈性模數實驗值與ACI 363之比較表 1074- 9彈性模數實驗值與CCL Model之比較表 1084- 10 歷屆各種混凝土配比及其抗壓強度與E值 1084- 11各種混凝土完整齡期抗壓強度與E值一覽表 1134- 12坍流度表 1154- 13劈張強度與抗壓強度之成長關係表 1164- 14 劈張強度實驗值與ACI 363之比較表 1174- 15 HSC自體收縮應變值 (W/B=0.28，0.3) 1184- 16 HSC自體收縮應變值 (W/B=0.25) 1194- 17 HSC自體收縮應變值 (W/B=0.25) 1204- 18 HSC乾燥收縮應變值 (W/B=0.28，0.3) 1214- 19 HSC乾燥收縮應變值 (W/B=0.25) 1224- 20 HSC乾燥收縮應變值 (W/B=0.25) 1234- 21 HSC乾燥收縮應變值 (W/B=0.28，0.3) 1244- 22 HSC乾燥收縮應變值 (W/B=0.25) 1254- 23 HSC乾燥收縮應變值 (W/B=0.25) 1264- 24文獻粗骨材性質【78】 1274- 25文獻不同粗骨材對應混凝土強度【78】 127 目錄2- 1不同混凝土抗壓強度之齡期發展比例關係【4】 1282- 2標準混凝土材料應力-應變圖【8】 1282- 3混凝土抗壓強度與劈裂強度之關係【17】 1292- 4混凝土添加礦物之抗壓強度與劈裂強度之關係【18】 1292- 5 28天抗壓強度與水膠比關係圖【22】 1302- 6 膠體數量孔隙比與強度之關係【23】 1302- 7 不同水灰比新拌及硬固水泥漿體水化組成【24】 1312- 8 水泥熟料單礦物之水化速率【28】 1312- 9 水泥熟料單礦物漿體之抗壓強度發展【28】 1322- 10 粗骨材種類與抗壓強度之關係圖【30】 1322- 11 粗骨材的種類與強度的關係【31】 1332- 12 骨材種類在不同水膠比與強度之關係【32】 1332- 13 粗骨材最大粒徑與混凝土強度包絡線之關係【33】 1342- 14 不同卜作嵐材料強度產生之齡期【37】 1342- 15 矽灰混凝土之孔隙累積圖【25】 1352- 16 混凝土添加矽灰與飛灰孔隙直徑與貫入體積圖【38】 1352- 17 含矽灰與飛灰混凝土養護齡期與孔隙率關係圖【38】 1362- 18 Metakaolin與爐石含量比例之最佳強度關係圖【44】 1362- 19 天然卜作嵐材料與矽灰含量之強度關係圖【45】 1372- 20 泌水與其硬固試體受壓破壞圖【23】 1372- 21 骨材、水泥漿體界面區示意圖【23】 1382- 22 骨材、水泥漿體界面區微觀示意圖【23】 1382- 23 水泥漿體中孔隙分佈圖【23】 1392- 24 水灰比對滲透性之影響【47】 1392- 25爐石之分類【49】 1402- 26高爐石生產流程示意圖【48】 1402- 27 爐石粉及卜特蘭高爐水泥生產流程【48】 1412- 28 波特蘭水泥與爐石之三相圖 1412- 29 爐石粉水泥砂漿強度成長趨勢【54】 1422- 30 爐石粉細度之抗壓強度成長關係圖【55】 1422- 31 爐石粉細度與抗壓強度之關係圖【56】 1432- 32 爐石粉取代與抗壓強度之關係圖【58】 1432- 33 爐石粉取代與水泥砂漿強度之關係圖【59】 1442- 34 爐石粉取代與水膠比之強度關係圖【59】 1452- 35 爐石粉取代量與抗壓強度之關係【54、60】 1452- 36 爐石粉取代對水化熱影響之關係圖【62】 1462- 37 爐石粉取代對砂漿膨漲影響之關係圖【62】 1462- 38 水泥膠體中水分存在的不同型態【64】 1472- 39 不同類型的水泥對自體收縮的影響【67】 1472- 40 不同細度的水泥對自體收縮的影響【67】 1482- 41 不同細度爐石對自體收縮的影響【68】 1482- 42 爐石的含量對自體收縮之影響【68】 1492- 43 爐石取代量對自體收縮之影響【55】 1492- 44 不同細度爐石對自體收縮之影響【55】 1502- 45漿體骨材比對自體收縮影響(水泥膠結料=100%)【69】 1502- 46 漿體骨材比對自體收縮影響(水泥膠結料=60%)【69】 1512- 47 水灰比對自體收縮的影響【71】 1512- 48 膨脹劑對自體收縮的影響【68】 1522- 49 減水劑對自體收縮的影響【68】 1522- 50 養護時間對不同水灰比混凝土乾縮之影響【74】 1532- 51 溫度對抗壓強度的影響【85】 1532- 52 混凝土裂縫成長型式【29】 1542- 53 骨材種類對混凝土強度之影響【91】 1542- 54 不同骨材級配下顆粒分佈情況【91】 1552- 55 多孔性骨材取代率對自體收縮影響【88】 1552- 56 多孔性骨材減少自體收縮效率【88】 1562- 57 多孔性骨材取代率對內部應力影響【88】 1562- 58 多孔性骨材減少內部應力效率【88】 1562- 59 粗骨材吸水率與粗骨材潛在收縮能力關係圖【76】 1572- 60粗骨材內部表面積與粗骨材潛在收縮能力關係圖【76】 1572- 61 粗骨材吸水率與混凝土乾縮關係圖【76】 1572- 62 粗骨材內部表面積與混凝土乾縮關係圖【76】 1582- 63 粗骨材內部潛在收縮能力與混凝土乾縮關係圖【76】 1582- 64 粗骨材密度、初始含水率及孔隙率對乾縮影響【77】 1582- 65 粗骨材內部潛在收縮能力與混凝土乾縮關係圖【77】 1592- 66 粗骨材內部表面積與混凝土乾縮關係圖【77】 1592- 67 粗骨材強度與混凝土強度關係圖【78】 1592- 68 粗骨材強度與粗骨材磨損率關係圖【78】 1602- 69 粗骨材強度與混凝土E值關係圖【78】 1602- 70 粗骨材E值與混凝土乾縮量關係【77】 1603- 1 實驗流程圖 1613- 2 大安溪細骨材篩分析 1623- 3大陸閩江砂與台灣機制砂混合 1623- 4 坍流度量測裝置 1633- 5 劈裂試驗裝置圖及應力分佈曲線 1634- 1 一般強度混凝土之單軸應力-應變圖【20】1634- 2 不同強度混凝土之單軸應力-應變圖【1】 1644- 3 不同水膠比應力應變曲線(7天) 1654- 4 不同水膠比應力應變曲線(28天) 1654- 5含不同粗骨材混凝土應力應變曲線(28天) 1654- 6 抗壓強度與彈性模數之關係圖 1664- 7各種混凝土與ACI363及CCL之比較關係圖 1664- 8各種混凝土粗骨材含量及E值與CCL比值關係圖 1664- 9各種混凝土強度與E值之關係圖 1664- 10粗骨材含量與E/EL比值關係圖 1664- 11水膠比與E/EL比值關係圖 1664- 12 不同水膠下粗骨材對強度成長限制 1694- 13 爐石活性與抗壓強度之關係 1704- 14 爐石取代率與抗壓強度之關係(W/B=0.28) 1704- 15 爐石取代率與抗壓強度之關係(W/B=0.28) 1714- 16爐石取代率與抗壓強度之關係(W/B=0.25，不同粗骨材)1714- 17 爐石取代率與抗壓強度之關係(W/B=0.25，不同粗骨材)1724- 18 水膠比0.25水泥砂漿對照組 1724- 19 含不同粗骨材混凝土強度與齡期關係圖【78】 1734- 20 粗骨材磨損率與混凝土強度關係圖 1734- 21 水膠比與劈張強度之關係圖 1744- 22 齡期時間與劈裂強度之關係圖 1744- 23 混凝土抗壓強度與劈裂強度之關係圖 1754- 24 混凝土劈裂試驗與ACI 363預測值相關圖 1754- 25 混凝土劈裂試驗與Yamamoto預測值比較圖 1764- 26 混凝土劈裂試驗與Yamamoto預測值相關圖 1764- 27 劈張強度與抗壓強度比值之關係圖 1774- 28 HSC之齡期一天自體收縮(W/B=0.28，0.3) 1784- 29 HSC之齡期一天自體收縮(W/B=0.25，取代45%) 1784- 30 HSC之齡期一天自體收縮(W/B=0.25，取代30%) 1794- 31 HSC之齡期7天乾燥收縮(W/B=0.28，0.3) 1794- 32 HSC之齡期7天乾燥收縮(W/B=0.25，取代45%) 1804- 33 HSC之齡期7天乾燥收縮(W/B=0.25，取代30%) 1804- 34 HSC自體收縮與FIB2000比較(W/B=0.28、0.3) 1814- 35 HSC自體收縮與FIB2000比較(W/B=0.25，取代45%) 1814- 36 HSC自體收縮與FIB2000預測式(W/B=0.25，取代30%) 1824- 37 HSC齡期7天乾縮與FIB2000(W/B=0.28，0.3) 1824- 38 HSC齡期7天乾縮與FIB2000比較(W/B=0.28，0.3) 1834- 39 HSC齡期7天乾縮與FIB2000比較(W/B=0.25,取代45% 1834- 40 HSC齡期7天乾縮與FIB2000比較(W/B=0.25,取代45%1844- 41 HSC齡期7天乾縮與CCL比較(W/B=0.28、0.3) 1844- 42 HSC齡期7天乾縮與CCL比較(W/B=0.28、0.3) 1854- 43 HSC齡期7天乾縮與CCL比較(W/B=0.25，取代45%) 1854- 44 HSC齡期7天乾縮與CCL比較(W/B=0.25，取代45%) 1864- 45 HSC自體收縮值與FIB2000預測值相關圖 1864- 46 HSC乾燥收縮值與FIB2000預測值相關圖 1874- 47 HSC乾燥收縮值與CCL預測值相關圖 1874- 48 不同水膠比之極限自體收縮量比較 1884- 49不同水膠比之極限乾燥收縮量比較 1884- 50 CCL 乾縮預測修正圖 1894- 51 CCL 乾縮預測修正圖 1894- 52 CCL 乾縮預測修正圖 1904- 53 CCL 乾縮預測修正圖 190片目錄片3- 1 水平雙軸式拌合機 191片3- 2 坍流度錐及試驗用平板 191片3- 3 中形單軸拌合機 192片3- 4 震動台 192片3- 5圓柱試體端面研磨機193片3- 6 MTS萬能試驗機 193片3- 7 MTS內建控制面板 194片3- 8電阻式變位器 194片3- 9多功能資料收集器 195片3- 10搖塞機 195片3- 11 ELE-Demec機械應變計 196片3- 12 洛杉磯試驗機 196片3- 13 坍流度試驗圖 197片3- 14 試體養護水槽 197片3- 15單軸抗壓試驗架 .198片3- 16環型應變架與高感度電阻式變位計 198片3- 17劈裂試驗之架設 199片3- 18收縮試驗之試體模具裝置 199片3- 19收縮試驗之試體 200片3- 20自體收縮用鋁模包覆之試體 200片4- 1大安粗骨材試體破壞情形 201片4- 2花蓮粗骨材破壞情形 201片4- 3高強度混凝土劈裂破壞縱向圖 202片4- 4高強度混凝土劈裂破壞剖面圖 20