先期研發篇

黃兆龍、湛淵源  技師

1990年開始，針對台電飛灰及添加強塑劑的水泥化學作用，做深度探索[1]，學習到添加強塑劑的最佳時機，應在水與水泥接觸反應過後，與1980年進行伊利諾州公路局強塑劑混凝土坍度損失的研究相似[2,3]，另外重要貢獻是了解以飛灰取代部分水泥，可以延長強塑劑功效至少2小時以上。而在此一時期，有機會參與遠東企業中心的6,000 psi（420 kgf/cm²）流動化混凝土計畫。(本文另一作者，當時任營建系助教，隨黃教授至工地現場執行工作度試驗，也是首次接觸到流動化混凝土，執行成果坍度25公分、坍流度65公分，感覺到非常新奇；因以前觀察到都是只有坍度18公分以下，沒有擴展的坍流度)，與美國UC Berkeley大學的Hester教授及臺灣工業技術學院(現為臺灣科技大學)張大鵬教授協助進行鋼柱內填混凝土計畫，此構想係由日本新日鐵牛尾總經理（筆者美國伊利諾大學管理組同學）的創意，一反傳統混凝土由上向下搗灌入鋼管中的施工方式，是為了解決過去鋼柱內澆注混凝土易造成充填不實產生蜂窩等品質問題，創新將混凝土由鋼柱底部往上灌注的嘗試，開啟台灣高流動化高強度混凝土的鋼柱底部向上泵送的施工首例。

有了此一產學合作經驗，宣告台灣學術界步入混凝土工程高樓施工實務的行列。然而非常遺憾且可惜的是，雖然筆者的研究室已經進行一系列添加強塑劑、飛灰和高爐石粉的基礎研究，累積很多試驗室經驗，並且充分理解這些材料間相生相剋的邏輯，可以成熟應用添加飛灰及爐石粉等摻料，以延長可工作時間及增加長期強度的藝術[4,5]，而當時遠東集團針對6000 psi的混凝土只容許添加強塑劑，不可以加上飛灰、爐石粉等卜作嵐摻料，這是因為先前坊間普遍不了解甚或誤解飛灰和爐石粉的特性，預拌廠及學術界對飛灰和爐石粉仍有很多不確定的雜音，誤以為添加飛灰和爐石粉會造成早期強度不佳的混凝土問題，所以錯失混凝土複配方的機遇，遠東集團遠東企業中心所使用的混凝土純粹為「強塑化高流動性混凝土(Super-Plasticized High Flowing Concrete, SPHFC)。這裡非常重要觀念是如果沒有添加卜作嵐摻料取代部分水泥，則水泥量過多，其中C₃A立即水化時產生鈣矾石時會吸附32個水分子，則強塑劑也會被大量吸入鈣矾石32個水分子中，而喪失減水的功能及嚴重坍度損失[6]，必須重覆加強塑劑入預拌車內，且必須再拌和均勻，造成很多施工實務的不便與困擾。

卜作嵐摻料與強塑劑的效能，如同兩條平行線，沒有交集，錯失了利用卜作嵐摻料減水及水泥可以延長混凝土凝結時間的機遇，以致損失卜作嵐化學強化的功能。但此一計畫案學習到早期利用高量強塑劑製作高流動性混凝土的實務(目前為聚羧酸系高性能減水劑具環保強大的減水率用量減少許多)，且過程中利用圓筒試驗(Drum Test)，驗證不同漿量及工作性下，對橫隔版間的下方氣泡量的影響程度及提出減少氣泡量方法，這也是國內首次進行原型試驗(Mock-Up Test)樣板工程，提供後續相關工程寶貴資訊。

在1990年時，為了探討水泥漿體理論強度 [7]，也進行一序列高壓及高溫燒結技術製作混凝土極限強度的研究[8]，然而當時在利用微波產生器高溫燒結過程，氧化鎂試體異常熔融，而激發出可以在月球建立基地時，利用微波燒結技術，生產預鑄塊做為基地建造構件的概念，1991年就將此研究構想發表於「月球混凝土會議(Lunar Concrete SP-125) [9]」上。此一時期也進行針對澎湖大橋腐蝕問題，而進行一序列混凝土樑之鋼筋腐蝕機理之研究[10]，同時開啟飛灰輕質粒料的研究攸關工作[11]，協助混凝土產業界提昇混凝土品質計畫，學習到實質計畫如何保證的手法。這一時期更學習到意外失誤的結果，也是一種另類創意方式，同時認知鋼筋腐蝕防治方法，不是僅利用化學法處理一途，而是可以透過緻密混凝土體質改良宏觀及微觀結構，和應用卜作嵐反應的DNA，來達成防腐蝕效果。

1992年中國鋼鐵公司鐵水運輸鐵路，因過去長年使用木枕鋪設，而木枕壽命僅兩年，非但不符合經濟效益，同時因環保意識提高，取材於砍伐森林的木枕取得困難，所以有必要尋求替代方案，考慮使用壽命超過25年的預力PC軌枕。中鋼運輸處陳澄興處長，特別請中鋼研發處推薦研發團隊，進行PC混凝土枕取代木枕的替換方案，當初研究室缺乏此方面經驗，不敢冒然承接，隨後大量搜尋圖書館資料，並沒有找到任何有關混凝土枕木的設計資料，也不能參考日本鐵路混凝土軌枕的圖式來承載中鋼的鐵水魚雷車[12]。只好硬著頭皮，抱著嘗試的心態，心裡想著混凝土強度遠大於木材，而木枕多年來一直承受超重鐵水魚雷車的反覆碾壓，仍然無恙，照理講以高強度混凝土加上模仿木材纖維的鋼纖維，輔以縱向鋼棒將混凝土材料像打麻將時，緊壓麻將塊般扣住，會有非常高的強度及靱性，可以勝任魚雷車重覆碾壓，且壽命可以超過25年以上。有這樣的信心支持著，就順理成章設計出預力鋼纖維混凝土軌枕，開始進行試驗室測試工作，製作模擬鋼纖維混凝土軌枕，以MTS反覆載重機，進行三百萬次反覆載重，驗證研究室設計的鋼纖維混凝土軌枕，符合中鋼鐵水車載重的需求，而且至少有50年以上的壽命。本階段的研究，學習到應用MTS進行反覆載重，並且探討結構梁腐蝕的行為與防治防法。後續中鋼於2006年委託進行道岔預力PC軌枕開發工作[13]，亦順理成章的完成使命，為中鋼節省不少費用，圖1顯示軌枕完成的效益在追求商品化適用為主流。

圖1 中鋼商品化軌枕的主流效益在追求適用性

參考文獻

1.    黃兆龍、郭文田(1990)。添加飛灰及化學摻料對普通水泥水化機理及巨微觀性質之研究，台灣電力公司研究發展專題。

2.    黃兆龍(1984)。混凝土性質和行為，廣昌。

3.    Hwang, C.L., 1983, Slump Loss and Freeze-Thaw Resistance of Superplasticized Concrete, Illinois Cooperative Highway and Transportation Series No.197, Department of Civil Engineering, University of Illinois, USA.

4.    郭文田(1990)。添加飛灰及強塑劑對混凝土材料巨微觀性質影響之研究。國立台灣工業技術學院營建系碩士研究論文。

5.    黃兆龍、沈得縣(1988)。普通水泥添加波索蘭材料水化機理之研究（Ⅱ）。NSC76-0410-E011-11，國科會專題研究計畫報告。

6.    Young, J.F., C.J. Duston, C.L. Hwang, 1984, “Adsorption and Hydration Behavior of Tricalcium Aluminate-Water Gypsum-Water and Tricalcium Aluminate-Systems in the Present of Superplasticizer,” ACI Journal (March-April), pp. 199-200.

7.    Roy, D. M., G.R. Gouda and A. Bobrowsky, 1972, “Very High Strength Cement Pastes Prepared by Hot Pressing and Other High Pressure Technoques,” Cement and Concrete Research, Vol. 2, No. 3, pp. 349-366.

8.    黃兆龍、李隆盛、謝素蘭(1990)。高壓及高溫燒結技術探討水泥漿體理論強度之研究，國科會專題研究計畫。

9.    Hwang, C.L., R.Y. Lin, S.L. Shieh and L.C. Lee, 1991, “Precast Segments Made with Compacted Dry Mix for Lunar Construction," Lunar Concrete SP-125, pp.　265-276.

10.  黃兆龍、陳建成、邱英嘉、鄭棟元、陳廷芳、王文清(1992)。反覆載重下單筋混凝土樑之鋼筋腐蝕機理之研究。國科會專案研究。

11.  黃兆龍、王景信、許桂銘、詹榮鋒(1992)。煤灰輕質骨材性質製造及應用開發研究。台電專案研究計畫。

12.  黃兆龍、李隆盛、洪盟峰、江奇成(1993)。PC軌枕高壓成型製造技術及力學行為分析研究。中國鋼鐵公司專案計畫。

13.  黃兆龍、陳希舜、潘誠平、李隆盛、廖克弘(2006)。中鋼鐵路道岔預力PC軌枕開發。中國鋼鐵公司專案計畫。