混凝土流變性質與施工

邱暉仁 詹穎雯

（1.財團法人臺灣營建研究院計劃工程師；2.財團法人臺灣營建研究院院長／臺灣大學土木系教授）

混凝土的流變行為

混凝土是由水、膠結料（包括水泥、礦渣粉、粉煤灰、硅灰、……），以及粗、細骨料和化學摻料所拌和而成，因此其未硬固前的新拌混凝土屬于一種非均質流體（heterogeneous material）；而在新拌混凝土流動的過程中，骨料等顆粒較大的固體與膠狀或含有細微懸浮顆粒的液體將相互影響，此一特性可由流變行為來表示。

流變行為（rheological behavior，或稱質流行為），是指介于液態與固態之間的材料所產生的變形和流動行為。一般以流變行為分析流體時，流體性質大致被區分為牛頓流體及非牛頓流體；在牛頓流體中，其流動行為的應力與應變率存在著固定的比例，此比例系數稱之為黏滯性（viscosity），如圖1中直線的斜率值。非牛頓流體則除黏滯性外，另存在屈服應力（yield stress），如圖2所示，表示必須存在特定應力下，才能使之如同牛頓流體流動；而相較于牛頓流體一施加應力即產生流動，非牛頓流體則在屈服應力到達前其狀態皆屬于固體的行為。

圖1 牛頓流體質流行為[6]

新拌混凝土的流動行為則以非牛頓流體中的塑性流體（又稱賓漢流體，Bingham model ）作分析較為符合，如圖2所示，其流變的行為主要控制于屈服應力及塑性黏滯系數兩個變量，公式如下，

其中τ0為屈服應力，η為塑性黏滯系數。

圖2 塑性流體質流行為[6]

以上述流變行為分析混凝土拌和物的特性，則混凝土坍度值是為展現屈服應力的最直接現象，當混凝土的屈服應力大時，則混凝土在進行坍落度試驗時坍落的過程中，其自重較無法超過屈服應力，因此新拌混凝土隨即失去坍落性，結果將獲得較小的坍度值，但若混凝土的屈服應力小，則新拌混凝土將可藉由自重持續緩慢坍落，最終可獲得諸如自密實混凝土的23cm以上坍度（如圖3）；另外，由參考文獻數據可知，新拌混凝土的坍落度與其屈服應力大致呈現線性負相關趨勢，如下圖4所示；因此，屈服應力是為區別傳統混凝土與高流動性混凝土最直接的參數。

至于塑性黏滯系數則于流動性混凝土中較易觀察，圖5為自密實混凝土坍落流動度試驗所獲得的結果，其中當坍落流動度達直徑50公分時，其所需的時間記為T50，而參考國外研究數據可知，T50與塑性黏滯系數呈正相關的趨勢，因此新拌混凝土的黏滯性越高，則混凝土流動需求的時間將越長。

圖3 不同混凝土的非牛頓流體行為[1]

圖4 混凝土坍落度與屈服應力的關系[2]

圖5 坍落流動度T 50的表現[2]

除從新拌混凝土試驗獲知流變行為外，混凝土施工過程亦與流變行為息息相關，例如澆注施工時振動搗實的過程，即是提供混凝土額外能量以克服其屈服應力，使混凝土進行流動，或是增加用水使固體顆粒之間有為更多的潤滑，減低臨界應力的值，使混凝土較易流動；然而水的增加亦將降低黏滯性，過量的水易導致混凝土的黏滯性太低而無法支撐骨料受重力沉降的行為，最終產生混凝土析離的情形。

配比對混凝土流變性質的影響

混凝土的流變性質主要取決于配比比例與原物料性質，依ACI 238.1R的建議，包括水泥用量、用水量、骨料因子、化學摻料類型、礦物摻料種類及纖維等，對于混凝土流變行為皆有不同的影響性；其中，水泥、用水量時或水灰比的增加，將直接提高混凝土配比中漿體的體積量，因此對于屈服應力與黏滯性而言，皆會同時降低其數值，而使新拌混凝土更易流動。

圖6 T 50與塑性黏滯性的關系[2]

骨料部分則是用量越高，屈服應力與黏滯性皆將越大幅提高而降低混凝土的流動性；至于砂率的大小則有其最佳的影響范圍，參考下圖7可知，以礫石而言，砂率在35%~40%范圍時，混凝土可具有最小的屈服應力值（約600Pa~800Pa），但最小的黏滯系數則落于砂率為30%時（300Pa·s），而離開此砂率范圍，則新拌混凝土的屈服應力與黏滯系數皆將提高，混凝土的流動性即隨之降低；此外，骨料的形狀與級配亦會影響屈服應力與黏滯性，一般而言，使用級配佳、粒形圓滑的骨料，對新拌混凝土的流動性皆有幫助。

圖7 砂率對屈服應力與黏滯性的影響[2]

表1 混凝土配比參數對流變行為的影響[2]

化學外加劑品種對混凝土流變行為最為相關，當使用高效減水劑（superplasticizer）時，可有效降低混凝土的屈服應力，但對黏滯性的改變與否，則需與配比組成作共同評估；當使用引氣劑（air-entraining agent）時，可改善混凝土的黏滯性，但對屈服應力則需與配比組成作共同評估；當使用黏度調整劑（viscosity modifying admixture）時，則混凝土的黏滯性與屈服應力皆將提高；因此若一混凝土配比的坍流度大，但T50的量測值較高時，則可考慮增加微量的引氣劑，以調整混凝土的流變性。

圖8 混凝土配比因子對流變行為的影響[6]

圖9 混凝土泵送機制[3]

圖10 混凝土于泵送管內的示意圖

至于礦物摻和料對于混凝土流變行為的影響，則與摻和料的種類有關，通常粉煤灰的使用可降低屈服應力，礦渣粉的使用將增加黏滯性，低摻量硅灰的使用可同時減少屈服應力與黏滯性，但提高硅灰用量后則影響相反。最后，將配比中各因子對混凝土流變的影響性匯整如表1及圖8供參考。

混凝土流變行為對泵送的影響

圖11 混凝土于泵送管的流速曲線[5]

在了解混凝土流變行為與影響參數后，進一步探討受混凝土流變行為影響最大的施工過程-混凝土泵送。混凝土泵送的過程系利用活塞的原理，將油壓管的力量轉換輸出予混凝土，以使混凝土推送至欲澆注的工程現場，其機制如圖9所示。而在泵送的過程中，混凝土在泵送管中的情形如圖10所示，其由外而內依序為泵送管、潤滑層與圓柱狀流體，潤滑層（Lubricating Layer）為由水、水泥和砂所組成，在中央圓柱狀流體受壓推送時，起減小管壁間摩擦力作用；其中圓柱狀流體（Conic Plug）為混凝土主體，由骨料、砂和水泥顆粒所組成。根據流體力學理論，在泵送管中央形成的圓柱狀流體，其速率為一定值，且和骨料之間不會產生相對運動，而潤滑層的流速則呈一梯度變化，由中央圓柱狀流體的流速直接遞減至靠近管壁面的零流速，其混凝土于管中的流速剖面狀況則如圖11所示。

圖12 混凝土泵送后水流向示意圖[7]

圖13 SCC與傳統混凝土的泵送速度與壓力關系[4]

圖14 C 280-FL40與T 280-FL50配比泵送速度與泵送壓力的比較圖[8]

此外，泵送中的混凝土會因需求水量供給的多寡而區分為飽和、不飽和與過渡帶，此所謂的需求水量系指填充于混凝土空洞、骨料表面孔隙及潤滑層的總水量，當混凝土配比中的水量滿足泵送需求水量甚易超過，則泵送中的混凝土就像一種過飽和的流體，在這種情況下，混凝土很容易流動到其他地方；但過多的水量將會造成混凝土喪失其黏聚性和均質性，且當壓力增加時，會使水分從流體中泌出，使泵送混凝土變成不飽和流，嚴重者將使得粗骨料堆積，造成塞管情形，如圖12所示。

至于流變性質對泵送的影響則主要取決于流體剪應力對于泵送需求能量的影響，因等管徑直線泵送距離間的壓力差ΔP與流體剪應力τ呈線性正相關（如下式所示），故當新拌混凝土的屈服應力值或黏滯性較高時，需求的泵送壓力即越大，對泵送機具性能就有更高要求。

圖15 HVFA混凝土與其他高性能混凝土泵送速度與泵送壓力的比較圖[8]（單位長度壓力損失v.s. 泵送速度）

另外，由參考圖13自密實混凝土與傳統混凝土的泵送比較可知，若泵送速度較慢（shear rate < 10），則自密實混凝土因具有較低的屈服伏應力，所以產生的流體剪應力亦較小，泵送需求的能量便較傳統混凝土為低；但若泵送的速度提高（shear rate > 25），則自密實混凝土因高黏滯性造成的流體剪應力已較傳統混凝土為高，泵送需求的能量則將大于傳統混凝土的，而此時泵送速率、泵送設備能量或泵送管徑便需作相應的改善，以達施工的需求。

除自密實混凝土外，HVFA混凝土的流變行為亦與傳統混凝土的不同，因HVFA配比中的用水量低（<150kg/m3），故需使用引氣劑作調整，否則其流體的剪應力便相對較傳統混凝土的為高，同時泵送的需求能量亦應隨的提升。參考HVFA的泵送研究資料可知（如圖14、圖15所示），流動型HVFA配比（HVFA T280-FL50）與超高強度自密實混凝土的泵送行為相當，而一般工作型的HVFA配比（HVFAC280-FL40）則與一般型自密實混凝土的泵送行為類似。

壓力泌水與泵送的關系

雖然透過泵送設備性能的提升，可解決混凝土的流體剪應力高而泵送不易的問題，但混凝土在不同壓力泵送下，其流變行為會有所改變，甚至影響其可泵送性。參考文獻資料可知，各種配比混凝土都有一種不同的特定壓力值會使混凝土從飽和流變成不飽和流，超過這個壓力值則會使混凝土漿體與大顆粒骨料分離而阻塞管路，這個特定壓力即稱為離析壓力（Segregation Pressure）。因此，當泵送壓力大于離析壓力時，容易造成粗骨料和水泥漿體分離，導致泵送管堵塞，但當泵送壓力太小時，會造成管壁摩擦力太大，故施工時以稍低于離析壓力為最好的泵送壓力。

混凝土中的離析壓力并非一特定值，其與混凝土中的用水量、水灰比、細骨料量有關聯性，因此國外建議以壓力泌水試驗來評估混凝土的可泵性，其設備如圖16所示，試驗時利用油壓給予混凝土3MPa的壓力，并量測混凝土于壓力施加后10秒與140秒的泌水量，試驗后參考圖17以評估混凝土的可泵性與否，以坍度15cm的混凝土而言，其140秒泌水量與10秒泌水量的差值應大于120cm3，混凝土始可具有泵送性，因此若混凝土的保水性不佳，在壓力施加的初始時間即產生大量泌水，則混凝土便容易變成不飽和流，而使粗骨料和水泥漿體分離，導致泵送管堵塞。

圖16 混凝土壓力泵送設備[9]

圖17 混凝土壓力泵送設備[5]

圖18 利用長距離泵送試驗評估混凝土配比的施工性

結論

混凝土是由水、膠結料、粗細骨料和化學摻料所拌和而成的非均質體，其在硬化前的流變行為可以按牛頓流體考慮，而通過配比中各種材料的變動，可對新拌混凝土的屈服應力與黏滯性作調整，以達到較低的流體剪應力，使混凝土易于泵送；另外，混凝土在壓力作用下的保水性亦是一需考慮的重點，此部分可透過壓力泌水試驗進行評估，但由于相關的研究甚少，建議同時藉由長距離泵送試驗的驗證，以探討出合宜的混凝土泵送評估機制。

[1] Eric P. Koehler, Test Methods for Workability andRheology of Fresh Concrete, ACI Fall Convention, New Orleans, Louisiana, USA, 9 November, 2009.

[2] Peter Billberg, Factors AffectingWorkabilityandRheologyof Concrete,ACI Fall Convention, New Orleans, Louisiana, USA, 9 November,2009.

[3] http://www.symtec.co.jp/english/product.htm l

[4] Dimitri Feys, Ronny Verhoeven, Geert De Schutter, The paradox of SCC,Why does it require more pumpingpressure compared to TC ?,MagnelLaboratoryfor Concrete ResearchHydraulicsLaboratory.

[5] Browne Roger.D, Bam forth Phillip B. （1977） Tests to establish concrete pumpability, ACI JournalMay 1977, 193-203.

[6] 劉誼曦（詹穎雯指導），「自充填混凝土質流行為之離散元素法參數研究」，碩士論文，臺灣大學土木工程系，臺北，2001。

[7] R A Crepas, Pumping Concrete Techniques and Applications,Concrete Constructions, Publ. Inc., USA, PP. 2.1-2.15, 1985.

[8] 顏聰、詹穎雯、楊仲家、陳豪吉、鄭瑞濱、林樹根等，「高粉煤灰摻量混凝土產制技術與應用研究-期末報告」，臺灣電力股份有限公司，2011。

[9] Methods for Testing FreshLightWeight Aggregate Concrete,Economic Design and Construction withLight Weight Aggregate Concrete,Document BE96-3942/R4, December 1999.