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败漱慕
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1 水泥及其製品業原物料耗用通常水準第一章業務概況本報告調查範圍涵蓋上游的水泥製造業及下游的水泥應用業, 水泥應用業又可略分為預拌混凝土業及預鑄混凝土業由於產品著重之性質差異頗大, 故分別成立公會 ; 依序為臺灣區水泥工業同業公會臺灣區預拌混凝土工業同業公會臺灣區水泥製品工業同業公會, 混凝土預拌業預鑄業隸屬公會及產品範圍 ( 表 1), 預拌業使用水泥量甚大 (72%), 預鑄業 ( 水泥製品 ) 較少 (13%) 水泥工業之主原料為石灰岩, 於東部礦藏豐富於西部禁採, 十數家公司均為上市公司, 台泥及亞東於水泥生產量生產技術均佳, 並支援下游廠家使用技術砂石為混凝土主原料係天然產物, 臺灣各地砂石因地質分布故源岩不同, 豐水期枯水期砂石品質亦有差異, 砂石場 ( 亦稱洗砂場 ) 將進料破碎篩選後, 按粗細分級出售, 各級產品粒徑分佈又於級內變動 ( 稱為細度模數 ) 不能視為工業產品, 當細度模數變動相對顯示砂石總表面積變動, 也等同於包裹骨材的水泥漿料需求隨之變動, 故為達到設計強度, 水泥用量會因骨材品質較差而增加的案例混凝土強度設計常藉提高安全係數增加安全性, 某些工程之配比目標強度常為規定強度倍, 導致業者水泥耗用量增加 20% 卻不能列於帳目之現象近年公共工程規範日有更新, 而且煉鐵高爐石燃煤發電飛灰之化學組成份與水泥接近, 又於磨細後具卜作嵐材料 (Pozzolanic Material) 性質, 業經驗證 ( 毒物及重金屬 ) 再利用無 1

2 害, 行政院公共工程委員會之公共工程飛灰混凝土使用手冊 (1999) 公共工程高爐石混凝土使用手冊 (2001) 對於水泥添加爐石粉飛灰規範愈清楚, 加上管溝施工當日回填之規範, 控制性低強度回填材料 (Controlled Low Strength Materials, CLSM) 使用愈廣泛, 環境保護趨勢所及, 再生骨材或綠建材普遍被接受近來各城市紛紛規劃或進行捷運工程及衛生下水道鋪設, 需要大量推進管及環片, 而明挖工程相當注重工地安全及工期緊湊, 也為減少工地複雜性, 故大量採用預鑄箱涵預鑄人孔等預鑄廠水泥製品, 且技術勞工於工場生產效率亦提高現今預拌混凝土添加爐石粉及飛灰實例頗多, 單獨替代水泥比率爐石粉 30% 以內 ; 飛灰 20% 以內 ; 三者併用時爐石粉占總膠量 25% 飛灰占總膠量 10% 其餘 65% 為水泥最普遍 ; 均符合公共工程規範許可範圍表 1 混凝土預拌業預鑄業隸屬公會及產品範圍預拌業預鑄業預拌混凝土工業同業公會水泥製品工業同業公會混凝土應用水泥製品應用結構混凝土 - 柱預力電桿基樁結構混凝土 - 樑預力混凝土管結構混凝土 - 板離心混凝土管明挖管連續壁混凝土預鑄箱涵環片推進管基樁混凝土預鑄人孔手孔自充性混凝土 SCC 預鑄溝蓋板水溝緣石控制性低強度回填材料 CLSM 高壓混凝土磚防火板建材 2

3 第二章製造程序一水泥製造業製造程序製造水泥的主要原料包括石灰石黏土煤灰矽砂鐵渣, 原料經混合研磨入窯經窯爐廢氣預熱, 旋窯燃料為煤亦經研磨成粉噴入窯內燃燒, 燒成物稱熟料 (clinker), 熟料配合石膏 ( 緩凝劑 ) 研磨後成為水泥, 水泥製造流程詳圖 2 資料來源: 自水泥公會 2009 年報終端產品水泥大約由熟料噸及石膏噸構成, 且生料主成份石灰石於燒成階段會分解出二氧化碳導致重量損失, 故生產 1.0 噸水泥約需 1.13 噸石灰石, 圖 1 為生產水泥一噸時所需的原料重量配方ㄧ例石灰石粘土生料 1.47 熟料矽砂鐵渣爐渣燃料石膏水泥圖 1 水泥原料配方及質量平衡藉由原料配比及燒結程序可控制熟料中礦物相 ( 表 2 ), 個別礦物之水化熱水化速率等特性不盡相同, 水泥廠可調配各類熟料, 進而產製各型號水泥產品 ( 表 3 ) 表 2 水泥熟料礦物組成及水化特性化學式簡式水化速率水化熱矽酸三鈣 3CaO SiO 2 C 3 S 中中矽酸二鈣 2CaO SiO 2 C 2 S 慢低鋁酸三鈣 3CaO Al 2 O 3 C 3 A 快高鋁鐵酸四鈣 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 C 4 AF 中中 3

4 圖 2 水泥製造流程 4

5 五型水泥產品各有其礦物組成比例, 主要礦物相有四種, 矽酸三鈣最能提供基本強度, 矽酸二鈣為低發熱且能抗硫, 臺灣最常用第 I 型, 濱海建設常指定第 II 型表 3 各型水泥及水泥礦物比例 % 型號特性 C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF I 普通 II 改良 ( 中度抗硫 ) III 早強 IV 低熱 V 抗硫二水泥礦物水合機制熟料加入石膏磨粉成為水泥產品, 加水成為漿料並啟動水合機制, 其化學反應大致分為五階段, 伴隨結晶發熱凝結等現象, 詳見表 4 表 4 水泥礦物水合機制及與混凝土相關性質階段反應速率 - 機制 - 水合過程混凝土相關性質 1. 初期水快速 - 化學控制 - 初期水解離子溫度急遽上升解溶解 2. 潛伏期緩慢 - 成核控制 - 連續離子溶解決定初凝時間 3. 加速期快速 - 化學控制 - 形成初期水化物決定終凝時間初期硬固速率 4. 減速期緩慢 - 化學和擴散控制 - 連續形成水化物決定早期強度 5. 穩定期緩慢 - 擴散控制 - 緩慢形成水化物決定晚期強度 5

6 此亦可由 ( 圖 3) 之時間軸及硬固性及反應深度配合 ( 表 4) 以瞭解,(1) 水泥漿先產生薄層水合物,(2) 水合顆粒相接觸時稱為初凝,(3) 發展至失去流動性稱為終凝,(4-5) 最終水合深入顆粒內及產物體積稍微膨脹, 稱為硬化圖 3 水泥水合程度與初凝終凝時間關係 6

7 三混凝土製造程序 ( 預拌業 ) 預拌混凝土業使用之原料, 有粗骨材 ( 俗稱石 ) 細骨材( 俗稱砂 ) 水泥爐石粉飛灰等均為較初級材料, 另有界面活性劑 ( 俗稱減水劑強塑劑 ) 為化工製品業者先建立原材料參數坍度參數混凝土料性參數, 對照標準參數才能得到水量參數, 繼而得到強度參數, 最後微調得到出貨配比, 再經試拌確認通常混凝土的教科書都只能教配比設計方法, 而不會列出標準配比, 乃基於兩大原因,(1) 各地原料差異變化甚大及工作性必須經試拌驗證,(2) 強度乃配比之目的, 達成之途徑為水量坍度及骨材 ; 由於途徑並非單一, 故眾多配方均為合理, 故檢視各廠耗用時, 首先需理解預拌機一旦將配料加水拌合便啟動一連串無法停止的反應, 如有差錯便需拋棄, 是無法降格使用的以往靜態配比設計的時代, 係採用固定的配方, 當遇到材料的變動及施工條件的變動再加上環境的變動, 必然得到變動的混凝土品質 ; 現今動態配比的趨勢, 業者已不侷限於標準配比, 且主動採取變動的配比以因應材料變動施工條件變動環境變動, 積極得到品質穩定的混凝土, 各界也可相同領會此觀念預鑄業之模具近在工廠內, 而預拌業之模具遠在工地 ; 故預拌場廠係將半成品混凝土以專用車輛運輸至工地, 路程遠近及氣候之變動不定, 現場澆置須維持混凝土流動於模板鋼筋間, 又保成份不析離之挑戰 ; 相較之下水泥製品廠之混凝土工作性及配方較固定水泥漿料的分散愈差, 所能包裹的骨材便愈少, 或可視為因濃稠以致膠體層太厚及顯現於本身形成團聚 ( 亦發生於麵粉奶粉 ), 現場工人誤以為加水可改善, 卻可能導致組成份因粒徑及 7

8 比重差異析離, 因此適量添加分散劑 ( 業者俗稱減水劑 ) 為必要骨材級配之重要性可以同尺寸之乒乓球堆疊為例, 最緻密堆疊為六方最密堆積, 每顆球可與其他 12 顆球相接, 試想接觸點既少接觸面積亦有限, 故水泥膠體無從發揮作用, 若能將球體間小空隙充填以更小之顆粒且能同時與 4 顆大球體相接, 則能進ㄧ步創造更多接觸面積愈發增進水泥膠體效能, 這便是骨材需要有粗細之必要性, 均勻級配跳躍級配緻密級配與混凝土性能關係詳見圖 4 圖 4 (a) 均勻級配 : 單一粒徑骨材留下過多孔隙, 既耗費水泥漿料且混凝土強度不高,(b) 跳躍級配 : 稍具粒徑分布的骨材, 大致能形成中強度混凝土,(c) 緻密級配 : 粒徑分布佳堆積緻密的骨材留下漿料空間, 最有潛力成為高性能混凝土膠體 ( 水泥漿體 ) 功能係將骨材等配料之接觸點膠結, 且在足量或稍微過量水泥供給情況下, 接觸點數量正比於整體原料總表面積, 而混凝土強度正比於接觸點數量, 骨材粒徑分布愈佳填充愈緻密, 愈有可能形成高強度或超高強度混凝土預拌業將原料按配比稱重並強力拌勻後以專用車輛載運至工地, 以流動性 ( 坍度 ) 作為澆注指標, 運輸途中水泥膠體已啟動連續且不可中止之反應, 運送之距離與季節變化原料砂石品質及 8

9 含水率多寡均需動態即時調整配比, 工地各處如基樁柱子樑樓板, 混凝土需能流過模板間及鋼筋間, 又各有強度需求, 更增加配比之複雜性目前混凝土坍度並未列入帳務軟體之欄項, 查核時可請受查營利事業提供坍度之資料實際操作上工作性首要便是流動性, 坍度通常以 18cm 為準, 若需調至 22cm 時, 最簡單方式以原配比 65% 水泥 25% 爐石粉 10% 飛灰稍添加摻劑, 再配合提高飛灰 5% 提升流動效果, 並稍減爐石粉 5% 以維持總膠量不變, 最後修正水量 ; 廠商也有經驗調整法則, 每增 1 公分坍度加 3 公斤水泥, 增 4 公分需加 12 公斤水泥 ; 調整坍度不犧牲強度避免任意加水, 均需增加水泥用量, 而導致耗料水準較高四預鑄業 ( 水泥製品業 ) 製造程序預鑄業在固定工廠內澆注混凝土, 隨拌即用沒有運輸距離顧慮, 模具內流動距離短又有震動或離心力輔助緻密化, 對坍度較無要求, 因此對摻劑依賴較低, 對砂石比例較寬容, 控制成本相對較預拌業容易水泥製品廠內能藉機械設備對拌料產生壓力或離心力, 不僅減少顆粒間距, 同時達到增加顆粒接觸面積, 又能減少水泥用量, 這是工地無法達成的預鑄業各項產品均有其強度需求, 而配方與預拌業最大差異為 (1) 坍度僅 10cm,(2) 用水量較少,(3) 高比例碎石增加流動性,(4) 摻劑促進分散與震動或離心法增加緻密性, 故 (5) 近年配方砂石比例相當接近製品廠標準製程粗分為預鑄離心預力製程, 需要離心機預力機蒸氣養生高壓蒸氣養生等設備 ( 一 ) 預鑄製程 ( 生產建築用樑柱板人孔手孔陰井溝蓋 9

10 緣石箱涵等 ) 流程 : 鋼筋籠加工組合模具拌合澆置蒸氣養生拆模標示儲放出貨 ( 二 ) 離心製程 ( 生產圓形方形截面中空產品, 例如混凝土管 ) 流程 : 鋼筋籠加工組合模具拌合澆置離心蒸氣養生拆模標示水中養生儲放出貨 ( 三 ) 預力製程 ( 生產圓形方形截面中空產品並施加預力及離心, 例如基樁電桿混凝土管等 ) 流程 : 鋼筋籠加工組合半模拌合澆置鎖合模具拉預力離心拆模高壓蒸氣養生標示儲放出貨 ( 四 ) 高壓混凝土磚 : 原料除水泥及砂石外, 尚可加入碎玻璃及各種色料 ( 調整顏色 ) 及噴砂用鋼珠 ( 噴砂 ); 流程 : 依配方稱料混合 ( 水 ) 佈料入模加壓成型 ( 強烈震動壓實 ) 脫模養生 ( 選用 ) 噴砂 ( 選用 ) 震壓可增進粒料接觸面故水泥用量及拌合水量均較少, 如果需要面層則需佈料兩次後進行震壓緻密化高壓混凝土磚通常訂單小產品多樣, 故前段試作耗料及後段餘料均造成耗用, 訂單量愈小耗料比率較高某些廠不用河川砂石而採用陶業玻璃業碎料 ( 五 ) 防火板建材 : 原料為水泥細砂矽酸鈣纖維 ( 粉狀 ) 木絲 ( 扁條狀 ) 等流程 : 依配方稱料拌合漿料佈於移動平板模床 ( 依定訂單決定寬度厚度 ) 連續生產依規格截段並經養生以提早獲得足夠強度因應公共工程規範之吸音隔熱輕質隔間建材需求, 近年 10

11 來新設廠, 其性能並未著重強度訴求五混凝土配比設計試以目前最廣泛接受之高性能混凝土配比設計及美國混凝土學會 (ACI) 配比設計, 瞭解混凝土配比設計程序 ( 表 5) 表 5 配比設計流程 ACI 與高性能混凝土配比設計 ACI 配比設計高性能混凝土配比設計 1. 料源確定 1. 選用材料 2. 工作性 ( 坍度 ) 2. 選定坍度及強度 3. 粗骨材最大粒徑 3. 求出混合料最小空隙 4. 拌合水量 ( 最大粒徑及坍度 ) 4. 計算漿重及骨材體積 5. 依強度強度需求決定水膠比 5. 決定個別材料用量水膠比 6. 決定總膠 ( 或純水泥 ) 量 6. 檢核強塑劑量與水量 7. 估算粗骨材用量 7. 試拌 8. 估算細骨材用量 9. 微調拌合水量 10. 試拌以上兩種配比設計程序以 ACI 涵蓋高中低強度範圍, 首先考慮坍度及拌合水量接著依所需強度決定水膠比繼而得到膠量及骨材用量, 目前相關電腦程式亦普遍支援本法應用高性能混凝土配比設計重視緻密性且有新型強塑劑操控流動性, 故直接由坍度及強度切入設計, 已將用水量水膠比與強度脫鉤, 此種配比設計案例較少, 合約用量亦小, 且承接業者多為上市公司自充填混凝土 (SCC) 具有高坍流度, 故泵送及澆置現場無需額外配置人力機具 ; 惟其優異工作性不易反應於成本 11

12 配比目標強度決定途徑分兩種 ( 表 6),(1) 有試驗紀錄廠家可依統計學計算標準差, 並算出三種配比目標強度, 取最大值出貨 ; (2) 若試驗數據不足以統計, 則依據混凝土工程施工規範與解說計算直接依規定強度範圍加值, 且規定強度愈大加值愈大, 通常得到更保守值, 水泥耗用隨之增加表 6 配比目標強度決定途徑及應用例規定強度 kg/cm 2 配比目標強度 kg/cm 2 依據廠內保留之試驗紀錄計算選擇最大值無適當之試驗紀錄 1. 規定強度 +1.34S 2. 規定強度 +2.33S 規定強度 0.9 倍 +2.33S 210 以下規定強度規定強度以上規定強度 1.1 倍 +50 應用例 : 某廠欲交規定強度 245kg/cm 2 混凝土, 依據廠內保留之試驗紀錄, 標準差 S 為 20 kg/cm 2 可計算得到 (1)271 (2)257 (3)267 三值, 取最大值配比目標強度為 271kg/cm 2 ; 該廠若無適當之試驗紀錄, 則依規定強度 +85 得配比目標強度為 330kg/cm 2 兩配比水泥用量大約差 80Kg, 每立方公尺混凝土僅水泥成本近 200 元差距註 1: 混凝土工程施工規範與解說 [ 土木 a]( ) 註 2:S 為統計標準差, 依各廠保留之試驗紀錄計算規定強度 350kg/cm 2,S<28 kg/cm 2 為最佳 ; 規定強度 >350kg/cm 2,S <7 kg/cm 2 為最佳註 3: 發包單位亦可指定計算式註 4: 通常以 28 天之強度驗收, 此時普通水泥之化合反應接近平衡 12

13 混凝土強度設計常藉提高安全係數增加安全性, 導致配比目標強度常為規定強度倍, 如表 6 之應用例, 兩不同業績預拌混凝土廠欲交同規格混凝土, 某廠水泥耗用量較它廠增加 20%, 其成本卻不能列於帳目之現象近年納入新材料如爐石粉飛灰等, 往往需要更長時間多次累積試驗數據方能縮小標準差, 產生兩趨勢 (1) 未來數年間總膠體耗用量因屬新配方故採保守設計,(2) 將來配方即使變動其範圍亦小表 7 混凝土版坍度強度選擇例交通狀況用例坍度 cm 28 天強度 Kg/cm 2 行人住宅行人稍多學校行人及膠輪車輛車道行人多及膠輪車輛商用行人多及磨耗車輛工業行人多及嚴重磨耗工地底 10/ 面 2.5 底 245/ 面混凝土規格中坍度與強度具有相同重要性, 混凝土在施工作業上, 在材料不分離的前提下, 須根據施工方法施工地點工程結構機具設備等條件而改變工作度作因應表 7 所列以磨耗程度設計混凝土版之例, 乃為強度耐久性工作性三者並重的設計, 常例而言坍度 10 公分為中低強度混凝土無鋼筋阻礙之流動條件, 較高磨耗及耐久性需求, 需配合減少拌合水量坍度便隨之更低, 嚴重磨耗區段須進ㄧ步分層設計分層施工, 面 13

14 層強度更高坍度低至 2.5 公分混凝土之工作性以坍度流度或坍流度表示 ( 圖 5), 通常可於現場簡易量測混凝土工作性坍度 (h) 試驗是將混凝土裝填於高 30 公分試錐並由重力脫出, 量測高度損失即坍度值 ( 圖 6) 一般於出廠及到達工地用本法測定新拌混凝土的坍度坍流度係普遍應用於自充填混凝土或高流動性混凝土的檢驗方式, 以彌補單純用坍度不足以表現出此類特殊混凝土的特有性質, 其方式乃延續坍度試驗並量測混凝土坍下擴散之平均直徑 ( 圖 7), 如下圖之擴散範圍 (D) 值, 即稱為流度, 亦可將兩值相乘成為坍流度 (h d) 圖 5 坍度 (h) 流度 (d) 及坍流度 (h d) 定義 14

15 圖 6 坍度試驗及量測圖 7 流度試驗及量測, 流度 (D)=(D1+D2)/2 15

16 預拌混凝土需要流動性, 選擇混凝土坍度以對應模具間隙, 方便輸送並通過模具模版或鋼筋間隙, 通道愈狹窄流動阻力愈大模具愈深流動距離愈長最大骨材粒徑愈大相對通道變狹窄, 相對愈需要較佳流動性混凝土, 故樑柱牆需較高坍度 (12.5cm) 之預拌混凝土 ( 表 8), 版或巨大體積之預拌混凝土坍度要求可較寬鬆表 8 混凝土坍度選擇參考值 ( 未施用高性能減水劑 ) 結構物種類混凝土坍度 (cm) 鋼筋混凝土基腳牆基無鋼筋混凝土基腳沉箱地下牆鋼筋混凝土樑及牆建築物柱鋪面及版巨積結構註 1: 混凝土工程施工規範與解說 [ 土木 a]( ) 註 2: 本表之值為未施用高性能減水劑之混凝土坍度, 不利流動需輔以器械震動緻密, 澆置現場須額外配置人力機具 ; 如採泵送方式需設計較高坍度混凝土 ; 亦可改用高坍流度之自充填混凝土 (SCC) 16

17 混凝土之拌合水量, 依坍度及骨材最大粒徑尺寸決定, 如表 9 所示, 以坍度公分六分石 (19mm) 為例, 需 213 公斤拌合水量表 9 依坍度及骨材最大粒徑決定混凝土之用水量 (Kg/M 3 ) 粒徑 9.5mm mm 25m 37.5m 50mm 坍度三分石 mm 六分石 m m 3-5 公分公分公分空氣占體積 3% 2.5% 2% 1.5% 1% 0.5% 註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 用水量大致為向左遞增向下遞增, 本表骨材最大粒徑僅列至三分石, 可向左外插如二分石ㄧ分石之用水量註 3: 以公分坍度及六分石查表需 213 公斤拌合水 ; 如合約限制拌合水量為 200 公斤, 則坍度僅 10 公分, 需補充摻劑 ( 減水劑 ); 如降低拌合水量為 183 公斤, 則坍度僅 5 公分, 工作性低僅適用於預鑄廠內使用, 預拌廠則需補充摻劑水泥用量 ( 總膠量 ) 與強度相關, 故可由強度需求查表得水膠比 ( 表 10), 以 280 kg/cm 2, 對應水膠比 0.53 為例, 水泥量為 402 公斤 ( 水泥量 = 水量 / 水膠比 =213/0.53) 17

18 表 10 混凝土抗壓強度與水膠比 28 天抗壓強度水膠比 kg/cm 2 psi 水重 / 總膠量 420 6, , , , , , , , , , 註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 膠包括水泥爐石粉飛灰等卜作嵐材料註 3: 用膠量與強度呈正比, 當固定水量後, 將水重除以總膠量就與強度呈現反比註 4: 可應用插值法註 5: 通常以 28 天之強度驗收, 此時普通水泥之化合反應接近平衡為方便查得膠量, 特編製總膠量速查表, 分兩類 (1) 以三種坍度範圍坍度 cm cm cm 速查總膠量 ( 表 11-13),(2) 以三種最大骨材粒徑 25mm 19mm 9.5mm 速查總膠量 ( 表 14-16), 可應用插值法求得各配比目標抗壓強度總膠量 18

19 表 11 坍度公分總膠量速查 ( 或純水泥用量 )Kg/M 3 水膠比抗壓強度 kg/cm 2 最大 25mm 石用水量 203 Kg 最大 19.mm 石用水量 213 Kg 最大 9.5mm 石用水量 243 Kg 總膠量 ( 或純水泥用量 ) K g 註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 可應用插值法註 3: 本表可延用於坍度 18cm 混凝土 19

20 表 12 坍度 8-10 公分總膠量速查 ( 或純水泥用量 )Kg/M 3 水膠比抗壓強度 kg/cm 2 最大 25mm 石用水量 193Kg 最大 19.mm 石用水量 203 Kg 最大 9.5mm 石用水量 228Kg 總膠量 ( 或純水泥用量 ) K g 註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 可應用插值法 20

21 表 13 坍度 3-5 公分總膠量速查 ( 或純水泥用量 )Kg/M 3 水膠比抗壓強度 kg/cm 2 最大 25mm 石用水量 178 Kg 最大 19.mm 石用水量 183 Kg 最大 9.5mm 石用水量 208 Kg 總膠量 ( 或純水泥用量 ) K g 註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 可應用插值法 21

22 表 14 最大 25mm 石總膠量速查 ( 或純水泥用量 )Kg/M 3 水膠比抗壓強度 kg/cm 2 坍度 3-5 公分用水量 178Kg 坍度 8-10 公分用水量 193Kg 坍度公分用水量 203 Kg 總膠量 ( 或純水泥用量 ) K g 註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 可應用插值法 22

23 表 15 最大 19mm 石總膠量速查 ( 或純水泥用量 )Kg/M 3 水膠比抗壓強度 kg/cm 2 坍度 3-5 公分用水量 183Kg 坍度 8-10 公分用水量 203Kg 坍度公分用水量 213Kg 總膠量 ( 或純水泥用量 ) K g 註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 可應用插值法 23

24 表 16 最大 9.5mm 石總膠量速查 ( 或純水泥用量 )Kg/M 3 水膠比抗壓強度 kg/cm 2 坍度 3-5 公分用水量 208Kg 坍度 8-10 公分用水量 228Kg 坍度公分用水量 243Kg 總膠量 ( 或純水泥用量 ) K g 註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 可應用插值法 24

25 前段藉由 (1) 目標配比強度 (2) 坍度 (3) 骨材最大粒徑已得到水量總膠量, 接著分別填入粗骨材及細骨材粗骨材 ( 石 ) 用量為 (1) 骨材最大粒徑 (2) 細度模數之函數, 由表 17 可查得粗骨材需用體積 ( 立方米 ); 粗骨材配方重量係由粗骨材體積乘以石的乾搗單位重便得到石用量乾搗單位重係乾燥之骨材充滿一立方米體積後稱重以六分石 (19mm) 細度模數 2.80 則需粗骨材 0.61m 3 ;( 配方重量 = 體積乾搗單位重, 乾搗單位重 1600Kg/M 3 ), 粗骨材重量需 976Kg 表 17 依骨材最大粒徑及細度模數決定混凝土粗骨材用量 (M 3 ) 粒徑 mm 細度模數三分石六分石註 1: 混凝土工程施工須知 ( ) 註 2: 以細度模數 2.80 及六分石查表得粗骨材用量 0.61 立方公尺 (M 3 ) 註 3: 可應用插值法求細度模數 2.90 及六分石, 即 2.9 為之中間值, 對應查表取之中間值, 故需 0.60 立方公尺粗骨材 25

26 細骨材 ( 砂 ) 用量為 (1) 骨材最大粒徑 (2) 水膠比 (3) 砂細度模數之函數, 故可依基準砂率 X( 表 18) 套用砂率估算式推估, 估算式中常數各廠依品管前置分析數據及砂石料源變化可自行微調砂率 = 砂重 /( 砂重 + 石重 ) 某廠砂率估算式如下砂占全粒料百分比 = X +20 ( 水膠比 -0.57)+5 ( 砂細度模數 -2.75) 舉例 1: 六分石 (X=44) 水膠比 0.53 砂細度模數 2.8 砂率 = ( )+5 ( )=45.05% 舉例 2: 六分石 (X=44) 水膠比 0.53 砂細度模數 2.6 砂率 = ( )+5 ( )=43.55% 舉例 3: 三分石 (X=49) 水膠比 0.53 砂細度模數 2.8 砂率 = ( )+5 ( )=50.05% 例 3 顯示砂石各占ㄧ半配比, 亦符合表 17 三分石所需粗骨材用量較六分石為少表 18 依粗骨材最大粒徑決定混凝土之基準砂率 X (%) 粒徑 9.5mm 三分石 12.5 mm 19mm 六分石 25m m 37.5m m 50mm 基準砂率 X 註 1: 水泥混凝土配比實務 ( ) 註 2: 重量比率砂率 = 砂重 /( 砂重 + 石重 ) 26

27 可見得廠商舉證之配方需能通過二項檢視,(1) 每立方混凝土總重量應落於公斤範圍,(2) 配方各組成之淨體積係由個別重量除個別比重換算, 加總後應近似 1 立方公尺 ; 重量超過範圍或體積超過 1 立方公尺, 便有矛盾之處, 附一驗證例 ( 表 19 ) 內容顯示為合理配方表 19 混凝土配方重量淨體積複核例成份比重 (g/cm 3 ) 用量 (Kg) 淨體積 (M 3 ) 膠水泥爐石粉飛灰骨材 ( 面乾內石飽和 ) 砂化學摻劑水孔隙 ( 空氣 ) 合計註 1: 本配方總重量公斤合於公斤範圍註 2: 本配方各組成之總體積為 , 近似 1 M 3, 本配方重量及體積均為合理註 3: 本配方之砂率為 45.3%=878/( ) 27

28 為求瞭解強塑劑影響整體配比並熟悉插值法應用, 特以下例 ( 表 20) 探討表 20 強塑劑影響整體配比設計及插值應用例 (Kg/M 3) 成份水泥砂石水強塑劑水膠比單位重未加強塑劑加強塑劑本例粗骨材水泥用量不因強塑劑調整 ; 假設粗骨材乾搗單位重約 1600Kg/ M 3, 換算本例石體積為 0.62 M 3 = 994/1600; 由拌合水量 203 Kg, 查 ( 表 9) 設計坍度 8-10 公分骨材最大粒徑六分石 ; 以粗骨材用量六分石 0.62 M 3, 查 ( 表 17) 0.62 為 ( ) 中間值, 對應 ( ) 之間, 插值得細度模數 2.7; 由水膠比 0.64, 查 ( 表 10) 0.64 為 ( ) 之間, 對應其強度為 ( ) 之間插值得 217kg/cm 2 ; 強塑劑添加量 5.6Kg, 調整後拌合水量公斤, 經計算 ( )/5.6=12.46 kg/ kg 俗稱減水率 ; 拌合水量節省 kg 後, 雖有 5.6kg 強塑劑加入, 整體體積及重量仍有不足現象 =( ) kg, 故先填補與水相同體積但比重為 2.61 g/cm 3 的細砂 ( =167Kg), 本例增加 186Kg 砂大致合理 ; 砂量增加導致砂率由 44.4%=794/( ) 增為 49.6%=980/( ), 不利漿體流動性, 且表面積增加, 強塑劑彌補此缺憾 ; 水膠比經計算為 ( )/320=0.434, 係提高耐久性之配比設計 ; 本例需添加細砂及強塑劑, 總成本較高, 坍度不變, 強度及耐久性均提高, 單位重屬合理 28

29 第三章主要原料一水泥製造業製造水泥的主要原料包括石灰石黏土煤灰矽砂鐵渣, 燃料為煤, 燒成物稱熟料, 熟料研磨後配合石膏 ( 緩凝劑 ) 成為水泥終端產品水泥大約由熟料噸及石膏噸構成, 且石灰石於熟料燒成階段會分解出二氧化碳導致重量損失, 故生產 1.0 噸水泥約需 1.13 噸石灰石二混凝土預拌業預鑄業之主要原料如下 : ( 一 ) 水泥 : 係採用水泥製造業之各型水泥並與適量之其他配料拌合, 預拌業將混凝土澆置於工地模具, 預鑄業將混凝土澆置於工廠內之模具 ( 二 ) 水硬性混合水泥 ( 包含爐石粉及飛灰 ) 水硬性混合水泥係依據 98 年 10 月 21 日公布之 CNS15286 規範, 增訂添加卜作嵐材料的混合水泥 ; 並已有數家鋼鐵業與水泥業合資之爐石水泥公司成立, 其製程係將高爐水淬爐渣收集並研磨且與水泥調和為產品 CNS 規範為 IS(x),x 標記爐石粉占整體產品之比例, 而添加卜作嵐材料例如飛灰並與水泥調和為產品 CNS 規範為 IP, 並規範各相關比例檢驗項目回顧二十餘年來之混凝土配比設計, 基本觀念已由節省成本進展至高性能 ; 而飛灰 ( 燃煤發電煙道靜電集塵灰 ) 爐石粉 ( 煉鐵高爐之爐渣經水淬冷再研磨 ), 歷經長期研發得以納為高性能混凝土膠結材, 其研磨至特別的細度雖然耗能卻可視為提升價值而非廢物利用, 對於工作性發熱控制耐久性均能藉配方調整而改善其替代水泥上限列於表 (21-22) 29

30 1. 爐石粉 : 爐石粉為水淬爐渣研磨產品, 粒形呈多邊尖銳, 較水泥更細 ( 約 5000cm 2 /Kg) 更輕, 惟拌合時易飛揚不易均勻, 爐石粉於混凝土的角色能有效降低澆置初期水化熱提高晚期強度增加水密性抑制氯離子滲透緩減鋼筋鏽蝕抵抗硫酸鹽侵蝕抑制鹼骨材反應等表 21 混凝土中爐石粉取代水泥量之參考值種類爐石粉取代水泥之上限 ( 重量 %) 地面上結構混凝土 30 其他工程混凝土 65 註 1: 混凝土工程施工規範與解說 [ 土木 a]( ) 2. 飛灰 : 飛灰為玻璃質具細粒球形且可增進混凝土流動性耐久性水密性晚期強度, 臺灣的飛灰來自燃煤發電之靜電集塵機飛灰於混凝土的角色與爐石粉大致相當, 但反應更慢, 故常以部分卜作嵐材料部分細骨材雙重角色視之表 22 混凝土中飛灰取代水泥量之參考值種類飛灰取代水泥之上限 ( 重量 %) (1) 不屬於 (2)-(7) 項之混凝土 20 (2) 預力混凝土 10 (3) 版混凝土 15 (4) 海邊及地下工程混凝土 25 (5) 巨積混凝土 25 (6) 水密性混凝土 20 (7) 鋪面混凝土 20 註 1: 混凝土工程施工規範與解說 [ 土木 a]( ) 註 2: 同工程之不同部位, 採保守取代上限 ( 小值 ) 30

31 各類混凝土組成份比重粒徑範圍列於 ( 表 23) 表 23 混凝土組成份比重粒徑範圍成份比重 (g/cm 3 ) 粒徑範圍註膠水泥 µm -0.4µm 爐石粉 µm -0.4µm 飛灰 µm -0.4µm 骨材石 mm-4.75mm a 砂 mm-75µm 化學摻劑液態水 1.00 液態孔隙 0.00 氣態註 a: 碎石粗骨材之乾搗單位重約 1600Kg/ M 3 ( 三 ) 骨材混凝土屬於陶瓷金屬高分子三大材料家族之陶瓷材料, 其抗壓性佳但延展性差, 強度控制因子為臨界裂隙尺寸, 故存在於砂石骨材原料及混凝土中之空隙遂成為強度的致命傷, 尤其製作高強度混凝土的砂石必須高標準選用, 否則僅以製程及配方之緻密化無法達成高強度之目標 31

32 骨材 ( 亦稱粒料 ) 為岩石之碎屑, 或於河川挖掘或採取岩石經破碎而得, 經大致分級 ( 篩選 ) 後出售 ; 其標示方法以通過某篩號或最粗粒徑為準, 通常之砂石廠產品可略分為粗石 (<19mm) 細石 (<9.5mm) 粗砂( 通過 4 號篩 ) 細砂( 通過 8 號篩 ) 等此類天然岩石產品均非單一粒徑及圓球粒型, 其過篩分析大致呈現各粒徑之組合如圖, 並經計算得到細度模數以顯示整體偏粗或偏細趨勢圖 8 粗細骨材照相, 六分石 ( 左上 ) 三分石 ( 右上 ) 粗砂 ( 左下 ) 細砂 ( 右下 ), 各級以最大粒徑標示且非單一粒徑, 並且均有其粒徑組合河川砂石粒形多角多面, 流動性不佳 32

33 骨材品質尚有多項指標, 概略為 :(1) 篩分析 (2) 細粒料小於 200 號篩物質檢驗 (3) 有機物質含量檢驗 (4) 土塊及易碎顆粒含量檢驗 (5) 健度試驗 (6) 細料孔隙率檢驗 (7) 細粒料表面含水率檢驗 (8) 細粒料比重及吸水性檢驗 (9) 粗粒料磨損檢驗等, 並作綜合評等圖 9 骨材累積粒徑圖, 各級以最大粒徑標示, 且均呈現粒徑分布 33

34 篩分析及細度模數計算舉例如表 24, 將七個篩網及底盤疊置依篩號序疊好, 愈粗孔置上方, 取約 500 克砂石樣品, 經篩分後, 稱量各篩面留篩重量, 並換算百分比, 再作累加並除 100 即可得細度模數 ; 此係數可代表其整體表面積 ( 顯示應用時吸水及水泥需要量 ), 此值愈高砂石愈偏細水泥耗用愈多表 24 骨材經過篩分級稱重計算細度模數留篩重量留篩重量百分率累計百分率篩號克 % % 英吋 No No No No No No 底盤共計 /100 細度模數 2.95 註 1: 本例樣品總重 540 公克 34

35 ( 四 ) 摻劑摻劑類別眾多且成份及功能各異 ; 礦物摻劑能降低水化熱及增加混凝土之強度工作度與耐久性, 更可減少工業廢料及降低混凝土材料成本, 超微粒礦物摻料, 例如矽灰及高活性高嶺土為最近發展的礦物摻料配合強塑劑與超微粒礦物摻料的使用, 發生多重之反應機制包括顆粒堆積效用高卜作嵐反應成核作用及在骨材與漿體間介面轉換區之癒合, 從而製作出低水膠比且高密度高強度低滲透性之混凝土混凝土摻劑之成份及功能詳見附錄之附表 1,2,3 化學摻劑依據 CNS A2219 的規範係能達成以下七型之單一或合併功效, 化學組成大略為木質磺酸鹽類加萘磺酸鹽類或聚羧酸 ; (1)A 型 : 減水緩凝劑, (5)E 型 : 減水早強劑, (2)B 型 : 緩凝劑, (6)F 型 : 高性能減水劑, (3)C 型 : 早強劑, (7)G 型 : 高性能減水緩凝劑 (4)D 型 : 減水和速凝劑, 各廠採用之減水劑緩凝劑強塑劑 ( 高性能減水劑 ), 價格性能均有差異, 且每公斤單價由數元到數十元且比水泥更貴, 如何視場合適量添加摻劑, 並迎接高強度高性能自充填等混凝土的市場競爭, 將是預拌廠面臨新的考驗混凝土各組成材料因粒徑比重差異而傾向分離, 漿料添加適當水量可產生之毛細壓力將任意兩顆粒聚在一起, 而漿料水量過多反而導致粒徑比重差異分離, 故當坍度不足時絕對不能任意添加水 ; 正確的調整方式為添加高分子界面活性劑 ( 化學摻劑或稱減水劑 - 木質素及萘系強塑劑 - 羧酸系 ) 以維持流動性, 混凝 35

36 土設計坍度愈高其摻劑添加量成正比增加, 摻劑添加百分比係以總膠量為基準 ; 摻劑添加比例以用水量 180kg 混凝土設計坍度 200mm 為例說明, 於圖面縱軸 180 公斤處繪水平線向右與強塑劑 (SP) 添加量線相交, 於圖面橫軸坍度 200mm 繪垂直線向上與強塑劑 (SP) 添加量線相交, 故可得建議摻劑添加量為 2% 摻劑供應商應提供其產品性能曲線圖供混凝土設計及後續查核用圖 10 固定拌合水量 ( 縱軸 ) 之坍度控制可藉強塑劑添加比例 ( 橫軸 ) 達成, 各型號特性曲線略異, 可請業者提供 36

37 第四章原物料耗用情形一水泥製造業全製程採封閉型, 燃煤廢氣循環用於預熱生料無廢料產生, 耗損僅稱量誤差容許量 1-3% 原料及配方例於圖 1, 生產流程詳圖 2 二混凝土預鑄業本業別於工廠內完成製品, 排程較易掌握, 預拌量控制較準確, 不同製程前後段耗料及凝結耽擱或養生失敗估計耗損 3%, 及稱量誤差容許量 1-3% 配方例列於 ( 表 26), 附屬鋼材配料粗估, 電桿或基樁每 1 m 3 產品, 需用 m 3 鋼材及 m 3 混凝土, 鋼筋鋼線鋼鍵之重量為 126 kg 高壓混凝土磚通常小訂單多樣產品, 故前段試作耗料及後段餘料均造成耗用, 訂單量愈小耗料比率較高三混凝土預拌業本業別運送混凝土於工地, 必須於初凝時限內完成澆置, 排程變數複雜不易掌握, 預拌量控制須較寬, 不同強度及位置澆置前後段耗料及凝結耽擱或澆置瑕疵估計耗損 5%, 及稱量誤差容許量 1-3% 參考配方列出常用坍度 (18cm) 及粗骨材最大粒徑 (19mm) 各強度於 ( 表 25-26) 如有其他強度坍度及目標強度之差異, 便回溯 ( 表 9) 至 ( 表 19) 流程以複核配方合理性 37

38 表 25 較具規模之預拌廠混凝土配方例強度 (28d) 砂石水泥爐石粉膠量飛灰摻劑 kg /cm 2 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 Kg % % kg /m 3 矽灰總膠量 B 減水劑強塑劑減水量用水量水膠比 W/B 註 : 為普遍使用之六分石坍度 18cm 混凝土, 其他坍度及最大粒徑可循配方設計ㄧ節查表卜作嵐材料如爐石粉飛灰已被採用 38

39 表 26 水泥製品廠自充填性高性能高強混凝土配方例強度 (28d) 砂石水泥爐石粉膠量飛灰矽灰總膠量 B 減水劑摻劑強塑劑 kg /cm 2 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 kg /m 3 Kg Kg % 水泥製品廠 ( 註 1) 減水量用水量 kg /m 3 水膠比 W/B 高性能混凝土 - 自充填性混凝土 ( 註 2) 註 1: 水泥製品廠同尺寸產品尚細分數級, 詳各廠型錄註 2: 高性能混凝土 - 自充填性混凝土, 強塑劑已被採用, 矽灰亦被採用, 水膠比已非設計重點四控制性低強度回填材料 CLSM 近年推動再生粒料以補砂石骨材來源, 並施以相同檢驗, 以控制性低強度回填材料用途 ; 台灣電力公司與台灣自來水公司ㄧ向為管線工程發包方, 台電於公布高煤灰量控制性低強度回填材料作業要點, 以林口台中興達大林四廠燃煤飛灰底灰, 由輸配電處工程合約營造廠自燃煤發電廠無償領 39

40 用, 強制用於各項台電工程, 並公布 CLSM 參考配比 ( 表 27) 表 27 台電公司自產飛灰底灰用於輸配電工程 CLSM 參考配比類別水泥飛灰水底灰粗細粒料摻劑全煤灰 a,b 高煤灰 a,d 單位 :Kg/M 3,a: 一般型 0-5%,b: 早強型 55-60%,d: 早強型 25-30% 台灣自來水公司亦於控制性低強度回填材料施工說明書公布管線工程 CLSM 參考配比 ( 表 28), 且可利用道路挖方表 28 台灣自來水公司管線工程 CLSM 參考配比類別水泥爐石粉飛灰粗細骨材註 a 水摻劑用量註 b (Kg/M 3 ) 註 a: 粗細骨材可利用道路挖方,b: 早強劑 % 經濟部水利署 CLSM 施工說明亦容許應用經分類後開挖土方, 其他各單位從內政部營建署至各縣市新工處養工處, 均有規範本項 CLSM 半成品須運送混凝土至工地, 通常為延道路開挖之當日回填, 運輸距離交通狀況不易掌握, 必須於初凝時限內完成澆置, 排程變數複雜預拌量控制須較寬, 澆置前後段耗料及凝結耽擱或澆置瑕疵估計耗損 5%, 及稱量誤差容許量 1-3% 本節之級配料 ( 底灰飛灰道路挖方再生骨材 ) 常為業主規定用料由業主提供領用或現地處理後使用或運往再生廠處理後使用, 預拌廠之配比僅呈現水泥用量及補足粒料用量, 查核時可請其說明並補足文件 40

41 附表 1 混凝土摻劑成分及功能摻劑成份獲得效果礦物摻劑高鈣質飛灰 (ASTM 卜作嵐膠結料 C618.Class C) 細磨粒化爐石粉 (ASTM C989) 礦物摻料大理石白雲石石英花惰性材料崗岩等之粉末造氣劑鋁粉肥皂鹽松脂肥皂或蔬菜或動物黏膠蛋白質灌漿劑見輸氣劑速凝劑緩凝劑工作性助劑減滲劑矽灰飛灰 (ASTM C618) 細磨爐石粉 (ASTM C989) 天然卜作嵐減水劑乳液助泵劑有機及合成高分有機聚合物石蠟焦油瀝青壓克力有機乳化劑皂土和焦化矽天然卜作嵐 (ASTM C618,N 級 ) 飛灰 (ASTM C618,F 及 C 級 ) 消石灰 (ASTM C141) 緩凝劑木質素硼砂糖酒石酸及其鹽類如膠結料和卜作嵐材料之說明增加工作性與當填充料使用凝結前引起膨脹調整水泥漿性質以待特殊應用降低混凝土滲透性增進混凝土泵送性延緩混凝土凝結時間 41

42 附表 2 混凝土摻劑成分及功能摻劑成份獲得效果促凝劑 (ASTM C494) 亞硝酸三羖三乙酸蟻酸鈣硝酸鈣加速混凝土凝結與強度發展輸氣劑 (ASTM C360) 木脂鹽類人造清潔劑木質磺酸鹽類增進混凝土耐久性 ( 凍融卻冰硫酸鹽和鹼性反應 ) 鹼反應抑制劑卜作嵐 ( 飛灰矽灰 ) 高爐石粉鉀及鋇鹽輸氣劑減低混凝土鹼骨材反應黏結摻料橡膠聚氮乙烯壓克力增加混凝土黏結強度聚酯酸乙烯丁二烯 - 苯乙烯聚合物著色劑氧化鐵氧化鉻碳黑赭使混凝土顏色改變土鈷藍 (ASTM C979) 阻鏽劑亞硝酸鈣亞硝酸鈉安息香鈉磷酸及氟化鹽鋁氟氯環境下減低鋼筋鏽蝕活性酸鹽礦物摻料膠結性材料細磨粒化爐石 (ASTM C989) ; 天然水泥 ; 水硬性石灰水硬性性質部分取代水泥 (ASTM C141) 礦物摻料卜作嵐材料矽藻土貓眼角岩黏土頁岩火山堆石浮石 (ASTM C618,N 級 ) 飛灰(ASTM C618.F 及 C 級 ) 矽灰卜作嵐反應增加工作性增塑性抗硫 ; 減低鹼骨材反應滲透水化熱 42

43 附表 3 混凝土摻劑成分及功能摻劑成份獲得效果強塑劑 (ASTM CIO17,1 型 ) 磺酸化三聚氰胺甲醛凝縮物流動混凝土減低水灰比強塑劑和緩凝劑 (ASTM CIO17,2 型 ) 減水劑 (ASTM C494, A 型 ) 減水和早凝劑 (E 型 ) 減水和速凝劑 (D 型 ) 高度減水劑 (F 型 ) 高度減水緩凝劑 (G 型 ) 木質磺酸素磺化苯酸甲醛使混凝土具流動與緩凝縮物凝效果見強塑劑和減水劑減水至少 5% 木質磺酸素碳氧酸碳水減水 ( 至少 50 %) 和化合物 ( 亦將造成緩凝故常速凝加入促凝劑 ) 同減水劑 ( 加入速凝劑 ) 減水 ( 至少 50 %) 和速凝同減水劑減低用水量 ( 至少 12 %) 同強塑劑減水 ( 至少 12 %) 和緩凝 43

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Microsoft PowerPoint - 綠營建.ppt 綠營建工程劉玉雯國立嘉義大學土木工程研究所 National Chiayi University 內容什麼是綠營建營建材料與綠營建探討實例焚化廠底灰綠色營建材料之前景結語工程與環境之諧合文明開發不逾越自然環境的法則認知工程技術並非