混凝土配比设计.doc

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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 psi
B：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
80
20
樑及強化之牆
100
20
柱
100
20
舖面及版
80
20

3. 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)
10
12.5
20
25
40
50
Non-air-entrained Concrete
30-50
80-100
150-180
205
225
240
200
215
230
185
200
210
180
195
205
160
175
185
155
170
180
Approximate amount of air in non-air-entrained concrete %
3
2.5
2
1.5
1
0.5
Air-entrained concrete（輸氣混凝土）
30-50
80-100
150-180
180
200
215
175
190
205
165
180
190
160
175
185
145
160
170
140
155
165
（level of exposure）
依暴露程度而建議之空氣含量（%）
Mild
Moderate
extreme
4.5
6.0
7.5
4.0
5.5
7.0
3.5
5.0
6.0
3.0
4.5
6.0
2.5
4.5
5.5
2.0
4.0
5.0

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 concrete
air-entrained concrete
45
0.37
-
40
0.42
-
35
0.47
0.39
30
0.54
0.45
25
0.61
0.52
20
0.69
0.60
15
0.80
0.71

（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 concrete
air-entrained concrete

骨材標稱尺寸 （mm）
設計強度(MPa)
10
20
40
10
20
40
15
285
250
225
290
225
235
20
325
290
250
335
300
270
25
365
320
290
390
340
315
最大用水量(kg/m3)
200
180
160
170
150
140

7. 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9.9

Table 9.9 Volume of Coarse Aggregate per Unit Volume of Concrete
Maximum Size of Aggregate
Volume of Dry-Rodded Coarse Aggregate per Unit Volume of Concrete for Different Fineness Moduli （細度模數）of Sand
mm
2.40
2.60
2.80
3.00
10
0.50
0.48
0.46
0.44
12.5
0.59
0.57
0.55
0.53
20
0.66
0.64
0.62
0.60
25
0.71
0.69
0.67
0.65
40
0.76
0.74
0.72
0.70
50
0.78
0.76
0.74
0.72
75
0.82
0.80
0.78
0.76
150
0.87
0.85
0.83
0.81

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：25~50mm；20 mm ()。
已知： cement Type I，比重3.15
粗骨材：bulk specific gravity (SSD) =2.70
absorption capacity（吸水率）=1.0%
Total moisture content=2.5% TM
Dry rodded unit weight = 1600
細骨材：bulk specific gravity (SSD)=2.65
absorption 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9.1，20mm<slump<100mm，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/c<0.5，取w/c=0.40
6. 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=0.63×1600=1008 kg
粗骨材之SSD重=1008×(1.01)=1018 kg
8. 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 165-1018×0.015-708×0.042=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 kg

10. 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(absorption capacity)=0.5%，E.A.=0.3%，dry rodded unit weight=1650；
細骨材：B.S.G.(SSD)=2.62，AC=1.2%，S. M.=2.6%，F. M.=2.9，試以體積法計算所需之W、C、fine aggregate及coarse aggregate之重量。
已知：坍度80~100mm，使用non-air-entrained concrete，請參考講義Table 9.2及Table9.9 。

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