混凝土配比设计

.Proportioning Concrete mixes混凝土配比設計Mix design：依據指定之強度、工作性及耐久性，對混凝土之成分進行適當的配比設計，已決定其使用量。基本考慮：1. 經濟材料費用 主要因素 cement 最貴人工費設備費理想情況： a、使用最少之水泥，可減少shrinkage，降低水化熱；b、使用最大之骨材，c、最佳之粗細骨材比。缺點：水泥用量過少易減低早期強度。2. workability（工作性）：使用最少之workability且可達澆置之目的。3. Strength and durability：規範中規定最小之水泥量及允許之w/c範圍，有時並不一定以為設計標準。durability： 考慮抗凍耐寒或化學侵蝕，可決定w/c比值或添加劑之種類。9.2 Fundamental of mix design 含水量 級配水灰比（w/c）1919，Duff Abrams公式(9.1)：在某固定材齡之混凝土強度A：經驗常數14,000 psiB：和水泥性質有關之常數4強度和w/c成反比， w/c增加，水泥漿之孔隙增加，故強度下降。理想之級配：較密之級配，將產生較經濟及較強之混凝土（最少之孔隙，需最少量之cement 來填充）。ACI配比法配比設計之步驟：1. 材料基本性質：篩分析（粗骨材及細骨材）粗骨材單位重bulk specific gravity (BSG)骨材吸水率（absorption capacity）2. 決定坍度（slump）：和澆置方式及處理方式有關構造形式坍度（mm）最大最小含鋼筋之基礎牆及基腳8020樑及強化之牆10020柱10020舖面及版80203. 最大骨材尺寸(a)對於RC，最小模板間距，或 鋼筋淨間距鋼筋束淨間距(b)slab中之混凝土骨材的版厚度。在固定之w/c之下減少，則強度上升。4. 估計用水量及空氣含量工作性決定於paste content of concrete（水泥漿含量）amount of entrained air骨材之最大尺寸、級配及形狀。Table 9.2 Approximate Mixing Water and Air Content Requirements for Different Slumps(坍度)and Nominal Maximum Sizes of Aggregates.Water (kg/m3) of Concrete for Indicated Nominal Maximum Sizes of Aggregate (最大粗骨材尺寸mm)Slump(mm)1012.520254050Non-air-entrained Concrete30-5080-100150-180205225240200215230185200210180195205160175185155170180Approximate amount of air in non-air-entrained concrete %32.521.510.5Air-entrained concrete（輸氣混凝土）30-5080-100150-180180200215175190205165180190160175185145160170140155165（level of exposure）依暴露程度而建議之空氣含量（%）MildModerateextreme4.56.07.54.05.57.03.55.06.03.04.56.02.04.05.0上表可決定含氣混凝土（air-entrained concrete）及不含氣混凝土（non air-entrained concrete）之用水量，由坍度及最大骨材尺寸可決定。試拌時可採用最大之坍度及最大空氣含量 模擬最糟之狀況。5. Water/cement ratio（水灰比）考慮（a） 強度：無強度及w/c關係圖時，可查表 見表9-3。注意9-3是基於，亦可自行建立其他天數下之w/c與關係圖。Table 9-3 水灰比與抗壓強度建議值w/c （重量比）28天抗壓強度（MPa）Non air-entrained concreteair-entrained concrete450.37-400.42-350.470.39300.540.45250.610.52200.690.60150.800.71（b） durability：若混凝土需暴露於惡劣天候之中，如凍害、霜害海水硫化之環境內需遵守嚴格之w/c比例，見表9-4。6. 計算水泥用量當w/c 決定後，每單位體積（公製 1 ）內之水泥量即可算出，但為了工作性（workability）、完工後易於整修及防止工地加水過多，需滿足最小水泥量之要求，見表9.8表9.8 最大允許水量及最小水泥量最小水泥量(kg/m3)Non-air-entrained concreteair-entrained concrete骨材標稱尺寸 （mm）設計強度(MPa)102040102040152852502252902252352032529025033530027025365320290390340315最大用水量(kg/m3)2001801601701501407. 估計粗骨材使用量粗骨材之尺寸接近於指定級配中之骨材尺寸，則工作性增加，見表9.9Table 9.9 Volume of Coarse Aggregate per Unit Volume of ConcreteMaximum Size of AggregateVolume of Dry-Rodded Coarse Aggregate per Unit Volume of Concrete for Different Fineness Moduli （細度模數）of Sandmm2.402.602.803.00100.500.480.460.4412.50.590.570.550.53200.660.640.620.60250.710.690.670.65400.760.740.720.70500.780.760.740.72750.820.800.780.761500.870.850.830.81粗骨材之重量 = 體積 單位重8. 估計細骨材含量兩種方法：質量法及體積法，僅介紹體積法體積法：需先知各成分（如水泥、水、空氣、粗骨材）之體積，將總體積減去上列各成分之體積，可得細骨材之體積。細骨材體積 單位重 =細骨材重量9. 依據骨材含水量調整骨材及水之用量（a） 若骨材為air dry（氣乾），骨材本身會吸收某些水分，降低w/c比值，減低工作性。（b） 若骨材太濕，其表面水分可增加w/c比值，提高工作性，但降低強度。依據骨材之乾濕適當調整w/c比值。10. 試拌（trial batch）以最少之用水量，達指定之坍度，進行試拌。試拌時檢驗：a、坍度，b、單位重，c、yield（每公斤水泥可製造之混凝土體積），d、空氣含量，e、觀察是否析離及完工後是否容易粉光，f、（28天）。注意事項a、 若坍度不正確，則每增加3.5kg/之水，坍度可增加25mm（1 inch）；但w/c會改變，故水泥量亦需增加。b、 若未達指定之含氣量，則需重新估計輸氣劑使用量，每增加 1%空氣含量，需減少2 kg/之水。c、 若以質量法求細骨材使用量，當新拌混凝土之單位重不正確時，需改變配比重新計算。若無相關之資料可用時，ACI建議對於小工程可使用下列配比表9.11配比設計計算例欲設計外柱（exterior column），比地面高，承受凍害及霜害，=35 MPa，坍度要求：2550mm；20 mm ()。已知： cement Type I，比重3.15粗骨材：bulk specific gravity (SSD) =2.70absorption capacity（吸水率）=1.0%Total moisture content=2.5% TMDry rodded unit weight = 1600 細骨材：bulk specific gravity (SSD)=2.65absorption capacity（吸水率）=1.3%total moisture content =5.5%fine modulus (FM)=2.70步驟：1. 材料資訊（已知）2. 選擇坍度（見表9.1，20mmslump100mm，OK）3. 20mm （可由詳細配筋圖求得）4. 估計用水量及空氣含量：因需抗凍故選擇輸氣混凝土，由表9.2，用水量w=165，air content for extreme exposure=6%5. 決定w/c比值，表9.3得w/c=0.39，但表9.4 w/c0.5，取w/c=0.406. 計算水泥量7. 粗骨材量：由細骨材之fine modulus及，參考表9.9內插得FM=2.7時，粗骨材體積=0.63混凝土體積 粗骨材之OD重=0.631600=1008 kg 粗骨材之SSD重=1008(1.01)=1018 kg8. 估計細骨材量（體積法）水之體積 165 kg/ 1000 =0.165 水泥之體積 413 kg/ 3150 =0.131 粗骨材之體積 1018 kg/ (1000*2.7 )=0.377 空氣 0.06 =0.06 _ 總計：0.733 細骨材體積 = 1-0.733 = 0.267 9. adjustment for moisture in the aggregate（調整用水量）現場骨材並非SSD或OD，其內含之水分會改變骨材之重量，又骨材之表面水會改變w/c比值，但骨材內部之水不會改變拌合時之用水量。假設在現場之骨材為wet（濕潤狀態），則骨材之重量調整為粗骨材重（wet）=1018(1.025-0.01)=1033 細骨材重（wet）= 708(1.055-0.013)=738 粗骨材對於表面水之貢獻為 2.5%-1.0%=1.5% 細骨材對於表面水之貢獻為 5.5%-1.3%=4.2% 因此所需拌合水調整為 165-10180.015-7080.042=120整理 1 之混凝土內各成分用量如下 水（to be added）=120 kg水泥（cement）=413 kg粗骨材（濕）=1033 kg細骨材（濕）=738 kg總重（total）=2304 kg10. 試拌 若未達指定性質（如強度、坍度等），則需重新計算，並做調整，若調整幅度過大，需重新計算。配比計算作業：試設計混凝土內柱，使用最大粗骨材粒徑=20mm，28天設計強度 =40MPa，已知：水泥比重 =3.15；w/c=0.43粗骨材：B.S.G.=2.80，AC(a