Transcript 造粒輕質骨材燒製輕質骨材

混凝土骨材
骨
◎骨材的種類
依來源或製造方法而分
依顆粒大小而分
依密度而分
◎骨材之性質
比重和含水量
容積密度和孔隙
彈性模數及強度
級配與細度模數
其他性質
◎規範
材
骨材之定義
 骨材是一種類似岩石的材料，它具有各種尺寸
與形狀，可使用於波特蘭水泥混凝土、瀝青混
凝土、石膏、薄泥漿、濾床、鐵道底渣、道路
路基、基礎填方或級配層等。
 ASTM ( C125及D8 ) 定義骨材為一種粒狀材料，
如砂、卵石、碎石或爐渣，它主要是當作膠結
物用以製造砂漿或混凝土，或者單獨使用，例
如做為道路路基或鐵道底渣。
骨材性質
骨材約佔混凝土體積之3/4(66~78%)
 對混凝土之影響
– 混凝土強度
– 耐久性
– 結構性能
 大量使用之優點
– 經濟性
– 體積穩定性
– 耐久性較佳
 與水泥漿體之比較
骨材之主要來源
 骨材之主要來源為各種不同種類之岩石或石塊。
 大多數之骨材係由碾碎與破壞岩石或石塊而得，
因而可在不改變其自然組成的條件下使用之。
骨材與母岩
 骨材係由母岩自然風化、被侵蝕或人工輾碎而成
 骨材受母岩影響之性質有：
化學性質、礦物成分、岩石特性、色澤
比重、硬度、強度、
穩定性、孔隙結構
 骨材有而母岩沒有之性質：
顆粒形狀、尺寸、表面紋理與吸水性
骨材之種類
常用來製造水泥混凝土及瀝青混凝土的
骨材主要有三種類型：
– 碎石
–砂
– 卵石
骨材主要應用於建築物、橋樑、高速公
路、水壩與機場 。
碎石
碎石係指岩石、巨大礫石、大卵石等經
由機械破碎所形成的骨材，其形狀呈多
角形且具有粗糙的表面紋理。
砂
砂是由各種岩石經風化與分解而成，最
豐富的化學成分為石英。
砂可應用於製造各種產品，如從磚塊到
玻璃、混凝土及炸藥。
人造砂係將石頭、礫石或氣冷高爐爐渣
磨碎而成，以具有尖銳、多角的顆粒為
其特徵。
礫石
礫石是由圓形且具有圓滑邊緣的材料所
組成，直徑介於4.75～16 mm 之間。
在湖床的天然沈積區、冰河區、及鄰近
河流地區，可發現的礫石是主要的沈積
物，而且通常被覆著砂。
骨材之取得
雖然全球多數地方可以低價獲得骨材，
但骨材的取得並不具有普遍性。部分地
區缺乏良好品質的砂與礫石，而其他地
區則缺乏經濟且容易開採的碎石及岩石
礦源。
有些骨材因其品質不良，具有鹼骨材反
應潛能及低強度，所以不適用於營建工
程上。
骨材之生產流程
 從母岩採掘骨材最常見的兩種方式為露天開採
及挖掘。經過鑽孔與爆破後，破碎的岩石可用
挖土機、堆土機、挖泥機掘取，然後以卡車或
傳送帶運輸至處理廠。
 處理過程包含：
主要的破碎及次要的破碎
依照顆粒大小分類
以清水洗淨泥砂及黏土等雜質
依規定的顆粒大小比例，將各種尺寸的骨材加以混合
骨材分類之方式
骨材可依據岩石的種類、製造方法、大
小及密度，加以分類之。
骨材分類之方式：
– 依來源或製造方法
– 依顆粒大小
– 依密度
依來源或製造方法分類
天然骨材或天然礦物骨材
以天然狀態或經過機械處理 ( 如破碎、清洗、
依大小分類 ) 的岩石碎片。
人造礦物骨材
經過破碎或由採石場取得的骨材。
天然骨材(BS 812)





玄武岩(Basalt)
燧石岩(Flint)
輝長岩(Gabbro)
花崗岩(Granite)
砂岩 (Gritstone)





角頁岩(Hornfels)
石灰岩(Limestone)
斑岩(Porphyry)
石英岩(Quartzite)
片岩(Schist)
骨材以石英岩最佳，石灰岩次之
優良骨材岩質依序為花崗岩、玄武岩、燧石岩、輝長岩、硬質砂岩
不適用岩質為頁岩、斑岩、片岩
表 2.2
骨
材
種
類
骨材：種類和比重
平均比重
平均容積密度 ( 乾 )
pcf (kg/m 3 )
花崗岩
常重、礦物
2.65
1600~1760 (100~110)
卵石
常重
2.70
1600~1680 (100~105)
石灰岩
常重、礦物
2.65
1520~1760 (95~110)
珍珠岩
輕質、天然
2.50
—
浮石
輕質、天然
0.75
—
石英岩
常重、礦物
2.69
—
熔岩
輕質、天然
0.75
膨脹頁岩，板岩
輕質、人造
1.00
—
800 (50)
鋸屑
輕質、有機
0.50
膨脹蛭石
輕質、人造
0.20
—
105 (6.5)
膨脹珍珠岩
輕質、人造
0.75
200 (12.5)
砂
常重
2.60
1650~1760 (103~110)
重晶石
重質
4.50
2400 (150)
砂岩
常重、礦物
2.55
1440~1600 (90~100)
玄武岩
常重、礦物
2.85
磁鐵礦
重質
4.50
—
2400 (150)
赤鐵礦
重質
5.00
3040 (190)
骨材顆粒形狀分類
類別
圓形
Rounded
不規則
Irregular
扁平
Flaky
稜角
Angular
細長
Elongated
扁長
實例
河海卵石、沙漠
海砂、風吹砂
自然不規則、部分磨損與 其他卵石；地表
與挖掘燧石
圓角
最小厚度小於 0.6 倍平均 薄片狀岩
篩尺寸
粗糙面橫斷面有清晰的 碎石、砂；崩坍
岩石(Ta lus )
邊緣
最大長度大於 1.8 倍平均
篩尺寸
長遠大於寬、寬遠大於厚
描述
完全水蝕、磨損
骨材顆粒形狀分類
骨材之形狀與紋理
 細骨材形狀紋理影響配比；工作度一定，稜角
狀顆粒需要較多的拌合水。
 粗骨材形狀影響混凝土工作度。
 扁平或細長的粗骨材對耐久性有不良影響；因
泌水與空氣孔隙在骨材下方形成。
 骨材形狀與紋理影響強度；尤其以高強度混凝
土更為明顯。
骨材顆粒形狀與紋理分類
表面紋理
 表面紋理分類的根據：顆粒表面被磨光、不銳
利、平滑、粗糙的程度
 影響因素：母岩的
– 硬度(Hardness)
– 微粒尺寸(Grain size)
– 孔隙特性(Pore characteristics)
 較硬、密度高、細微粒岩質者有較平滑之破裂
表面
 粗糙紋理與稜角骨材大表面積一樣可具有較大
的黏結力(Adhesive force)
表面紋理分類
類別
鏡面
Glassy
平滑
Smooth
粒狀
Granular
粗糙
Rough
結晶
Crystalline
蜂巢狀
Honeycombed
特性
貝狀破裂斷面
實例
黑色燧石、玻
璃質熔渣
水蝕、薄片狀破裂面或 卵石；黑珪、
細粒質岩石
板石、大理石
均勻圓顆粒破裂面
砂岩、鮞岩
粗糙細、中顆粒岩質破 玄武岩、長石
裂面、含不易結晶成分 斑岩、石灰岩
含明顯易結晶成分
花崗石、輝長
岩、片麻岩
磚、浮石泡沫
明顯孔隙、凹洞
爐石、熔渣
骨材顆粒形狀指標
圓度(Roundness)
骨材顆粒角偶與邊緣之相對形狀和角度
球形(Sphericity)
骨材表面積與體積比的函數
稜角數(Angularity Number)
骨材填入標準容器體積百分比
稜角因子(Angularity Factor)
骨材鬆體積與特定級配玻璃球體積之比
骨材顆粒形狀與紋理對拌合用水量之影響
稜角數與壓實因子之關係
孔隙率與骨材顆粒圓度之關係
顆粒形狀指標
扁平指數(Flakiness Index)
扁平顆粒所佔骨材試樣之比例
細長指數(Elongation Index)
細長顆粒所佔骨材試樣之比例
形狀係數(Shape Coefficient)
假設調和系統範圍以傅立葉級數評量得之
顆粒形狀指標
扁平量規
細長量規
骨材間黏結
 黏結性係指骨材與漿體間，因介質粗糙表面所
形成之連鎖(Interlocking)
影響混凝土強度(尤其抗彎)之重要因子
 影響黏結性的因素
粗糙、質軟多孔、異質顆粒黏結性佳
骨材物理、化學性質
礦物與化學成分
顆粒表面靜電力、毛細管力
表面潔淨度與吸附沉積質
依顆粒大小分類
 骨材顆粒的大小，從灰塵顆粒尺寸到50.8 mm
都有，特殊情況也有可能更大。根據樣本顆粒
的最大粒徑，骨材可分為兩類：
– 粗骨材
– 細骨材
依顆粒大小分類
 細骨材(Fine Aggregate)
– 粒徑小於5mm或3/16in(ASTM #4篩)
– 粒徑大於60um ～70um
 粗骨材(Coarse Aggregate)
– 粒徑大於5mm或3/16in(ASTM #4篩)

沉泥(Silt)
 粒徑介於2um ～60um

黏土(Clay)
 粒徑小於2um
細骨材
 細骨材 ( 亦稱為砂 ) 係由天然或人造顆粒所組
成，其粒徑介於150 μm 至4.75 mm 之間。
 在混凝土工程中，細骨材係指骨材顆粒絕大部
分介於4.75 mm 至75 μm 間者。
粗骨材
 粗骨材係由圓形河礫石、碎石或粒徑  4.75
mm 之人造骨材所組成。
礫石為天然圓形骨材，其粒徑大於6.35 mm；
碎礫石係由礫石或卵石壓碎所得的骨材。
 骨材顆粒粒徑究竟是細骨材的上限值還是粗骨
材的下限值，則取決於工程種類及所採行的規
範。例如，在瀝青混凝土工程中，骨材顆粒大
於2.36 mm 者，有時被歸類成粗骨材。
依密度分類
根據容積比重或容積密度，骨材可分成
以下三類：
–輕質骨材
–常重骨材
–重質骨材
比重
 在某一特定溫度下，材料單位體積之質量與相
同溫度下相同體積蒸餾水質量的比值，稱為比
重。
 它代表材料密度與水密度 的比值。
容積密度
 若是在包含孔隙體積的條件下，量測骨材的密
度，此密度稱為容積密度，其值約介於1520至
1680 kg/m3 之間。
 骨材容積密度係指在某一特定溫度下骨材單位
體積的重量，其單位為g/m3或pcf等；單位體積
係包括骨材顆粒體積及骨材顆粒間的孔隙體積。
常重骨材
 碎石、礫石與普通砂都屬於常重骨材，常用來
製造常重混凝土、瀝青混凝土及道路基層。
 砂及花崗岩的平均比重分別約為2.6及2.65；而
常重骨材的容積密度約為1520～1680 kg/m3 。
輕質骨材
 容積密度小於1120 kg/m3 的骨材稱為輕質細骨
材；而輕質粗骨材係指容積密度小於880 kg/m3
的骨材。
 輕質骨材可應用於輕質混凝土，以製作輕質圬
工磚 ( 為改善隔熱性 )；此外，輕質骨材亦可
用來製造輕質樓版或屋頂。
輕質骨材之種類
輕質骨材有兩種：
天然輕質骨材
– 天然輕質骨材源自於天然岩石，主要為火山岩，如
浮石、火山岩渣、凝灰岩。
人造輕質骨材
– 人造輕質骨材的產製係將高爐爐渣、頁岩、板岩及
飛灰加熱，以使其產生膨脹。
輕質骨材之製造
 輕質骨材的製造過程非常簡單，將原料壓碎或
磨碎後製成小丸或小球，再將之加熱至1000 ℃
以上。
 材料在這樣的高溫下會產生膨脹像是爆米花
一般因氣體的快速產生而膨脹。
 當冷卻時，材料呈現多孔性、高吸收力以及低
比重。
常見的輕質骨材
最常見的天然輕質骨材
–浮石、火山渣與蛭石。
最常見的人工輕質骨材
–膨脹頁岩、膨脹板岩、
膨脹粘土、膨脹珍珠岩和
膨脹火山渣。
輕質骨材-浮石
 浮石為最廣泛使用的天然輕質骨材，顏色為白
灰色至黃色，但是也有可能是棕色、紅色和黑
色，多半產自美國西部的火山地區。
 浮石具有多孔性結構，可以視為一種含有微小
氣泡之玻璃質岩石。
輕質骨材-火山渣
 火山渣同樣也是產自火山地區，類似工業上的
煤渣，其顏色通常是紅色到黑色 ( 煤渣是煤在
工業用火爐中高溫燃燒後的殘渣 )。
 火山渣的氣泡較浮石大，且其形狀或多或少為
球形。
輕質骨材-珍珠岩
 珍珠岩是一種矽質的火山岩，通常蘊藏於美國
西部。膨脹珍珠岩是壓碎的珍珠岩經由快速加
熱至815 ℃以上，以除去水分。膨脹後會形成
質輕、不燃、多孔的玻璃質材料，可當作輕質
粗骨材以拌製輕質混凝土。
 磨碎的膨脹珍珠岩可取代輕質混凝土中的天然
砂，具有良好的隔熱性。由膨脹珍珠岩製成的
混凝土其比重介於320 kg/m3到640 kg/m3之間，
並具備有限的抗壓強度和高收縮性。
輕質骨材-蛭石
 蛭石是雲母的一種，可使用在輕質混凝土中。
將磨碎的原料加熱至1090 ℃ 左右，直到體積
膨脹成原體積的20倍。
 蛭石骨材的容積密度介於4～192 kg/m3 之間，
幾乎與膨脹珍珠岩相同。
 由膨脹蛭石或膨脹珍珠岩製成的混凝土具有低
抗壓強度、低密度、高收縮性以及絕佳的隔熱
性。
 這種混凝土通常使用於室內，主要乃基於隔熱
性能上的考量。
輕質骨材-高爐爐渣
 高爐爐渣是一種非金屬產物，主要是由矽酸鈣
和鋁酸鈣所組成，它呈熔融狀態與鐵同時存在
於高爐中。
 將熔融狀態的高爐爐渣與水混合，膨脹後即成
為膨脹爐渣。
 熔融狀態的爐渣遇水發生激烈反應，可形成多
孔的骨材顆粒，此顆粒具有相當的強度，但因
含有大量的硫成分，不可使用於結構混凝土上。
輕質骨材-膨脹頁岩、膨脹黏土、膨脹板岩
 膨脹頁岩、膨脹黏土、膨脹板岩也都屬於人工
輕質骨材，製造法係將頁岩、粘土或板岩等原
料壓碎，加熱至熔點 ( 約為1350 ℃ ) 使其軟化
並且膨漲而成。
 基於氣體陷入之效應，其體積可膨脹至原體積
的600～700 %。
 這些輕質骨材也可利用燒結的方式來製造，其
過程係將含煤或灰的原料放置在可移動的爐架
上，再以火燄燃燒之，其產物可依需求壓碎成
不同的尺寸。
水庫淤泥之資源化應用
 水庫的淤積問題
–降低蓄水容量
–政府的清淤計畫
 水庫淤泥的處理
水庫淤泥質細且富含粘土
及有機物質，任意棄置易
產生二次污染
水庫淤泥之資源再利用
水庫淤泥之處置方式
 農地改良
若淤泥之物化性質適當，可淤灌於農田或灘地
需考量淤泥 之運輸問題
 掩埋或填方：透水不良、易產生沉陷
 海拋：造成海洋污染
 資源化應用
–將淤泥燒成磚材
–製造魚礁，或做為地工織物袋的填充物
–燒製水泥
–燒製人造輕質骨材
淤泥輕質骨材之燒製
沈澱池
淤泥之浚渫
、抽取
淤泥晾曬
篩選、造粒
輕質骨材燒製
輕質骨材
淤泥輕質骨材之燒製
抽泥船
沈澱池
淤泥輕質骨材之燒製
水庫淤泥晾曬
淤泥造粒
淤泥輕質骨材之燒製
以旋窯燒製
燒製成輕質骨材
淤泥輕質骨材之燒製
輸送至料場
輕質骨材堆置場
淤泥輕質骨材之燒製
包裝輕質骨材
輕質骨材成品
淤泥輕質骨材之量產
 實驗工廠之建置
 水庫地區設立輕質骨材量產工廠及輕質骨
材混凝土產業工廠
 人造輕質骨材與營建工程及建築結構
淤泥輕質骨材之應用
 輕質骨材混凝土
 園藝、植栽
 其他
輕質骨材混凝土（非結構性）
 元件輕：易於搬運、
施工
 隔熱性佳，可大幅降
低冷氣之損耗能源
 乾燥功能
輕質骨材混凝土（結構性）
 強度可以提升到20～
60 MPa
 結構斷面減小，可使
用淨空增加
 提昇耐震性能
 隔熱性佳
國外應用實例-美國密蘇里州
 Lake Hotel
長跨度的預鑄輕質混凝
土雙T形樑
減少自重、降低構件尺
寸，增加有效空間
–節錄自ESCSI
國外應用實例－紐西蘭
 威靈頓運動場
位於地震帶上，地震
時易產生土壤液化
降低自重
減小構件尺寸
–節錄自ESCSI
輕質骨材的容積密度
輕質骨材的容積密度一般介於160～1120
kg/m3 ( 10～70 pcf )之間，但大部分都小
於800 kg/m3 ( 50 pcf )。
膨 脹 珍 珠 岩 的 容 積 密 度 平 均 約 為 240
kg/m3 ( 15 pcf )；浮石約為480 kg/m3 ( 30
pcf )；膨脹粘土、膨脹頁岩及膨脹板岩
約為800 kg/m3 ( 50 pcf )。
輕質混凝土之優點
 物理性
– 較小之自重。
– 較佳之隔熱性。
– 防火性能優越。
 經濟性
– 輕質構件易於搬運及裝備。
– 結構斷面減小，可使用浮空增加。
– 自重降低，可增加跨度。
 隔熱節能
– 一般混凝土或紅磚之熱傳導係數K介於1.0～1.5W/mK 。
– 輕質骨材混凝土之熱傳導係數K介於0.1～1.0W/mK 。
– 採用輕質骨材混凝土建築物因隔熱效應，可大幅降低使用冷氣之能
源消耗。
輕質骨材混凝土之工程性質
單位重
– 輕質混凝土其氣乾單位重一般均不超過2000 kg/m3 ，
但這種定義並不是強制的標準，譬如 ASTM規定的
氣乾單位重為1850 kg/m3以下。
– 優良的輕質混凝土其單位重應較相同配比之常重混
凝土低約25～30%為佳。
– 適合作為結構用途的輕質混凝土，其單位重之要求，
至 少 需 於 1200 kg/m3 以上 ，常用的大致在 1400～
1800 kg/m3之間。
輕質骨材混凝土之工程性質
抗壓強度
– 輕質混凝土強度與其單位重有密切關係，故
CNS3691 A2046，DIN和ASTM C330中對強度性質
的規定，都以單位重高低作為分級標準。
– 抗壓強度和單位重之比例關係，是衡量輕質骨材混
凝土品質優劣的重要依據。
– 影響輕質混凝土抗壓強度之因素包括骨材種類、級
配、強度、水泥漿量及水灰比等。
– 骨材粒徑愈大對混凝土強度愈不利，故一般建議輕
質骨材最大粒徑應在25mm以下。
輕質骨材混凝土之工程性質
應力-應變關係
– 輕質骨材混凝土之應力一應變曲線較普通混凝土更
接近直線，因為輕質混凝土在降伏破壞以前，其受
力主要由水泥砂漿承擔，而水泥砂漿為均質材料，
故應力一應變關係呈線性發展。
– 當輕質混凝土受力超過強度上限而破壞時，水泥漿
體承受力量迅速傳至輕骨材，將因骨材強度無法承
受而急遽破壞，所以使輕質混凝土之破壞更具脆性。
重質骨材
重質骨材是一種擁有高密度的骨材，主
要使用於製造重質混凝土，以防止核能
輻射及作為炸彈之庇護所。
重 質 混 凝 土 的 單 位 重 介 於 2400 ～ 6400
kg/m3 ( 150～400 pcf ) 之間，視其所使用
的常重骨材種類而定。