台灣混凝土之創新挑戰與機遇

研究應用篇

黃兆龍、湛淵源  技師

1993年高雄東帝士集團在高雄建造85層東帝士摩天大樓(T&C Tun-tex Tower)，筆者參與高性能混凝土的主導工作，因為協助過遠東企業中心遠東企業總部高流動化混凝土的經驗，所以有信心完成此一使命。但是強度由6,000 psi（420 kgf/cm²）提昇至8,000 psi（560 kgf/cm²）是有心理上的關卡，因為1990年時日本新日鐵牛尾經理，曾委託進行高雄地區生產10,000psi（700 kgf/cm²）的調查及試驗，研究室評估與測試結果，10,000 psi是可行，可是工作性是乾硬的，要流動是不可能的；二年後團隊接受邀請時真的有點擔心。但與遠東企業總部不同的是東帝士集團85大樓沒有要求只能使用水泥的禁忌，只要符合設計品質，而且具高流動性行為，足以泵送混凝土至鋼柱內，只要保證品質就可以了，這種規範是一種前衛的「性能規範標準」，只要求56天強度至少8,000 psi （560 kgf/cm²），流動化工作性（坍度210~250 mm，坍流度400~600 mm），這也就是當時各國追求的一種「高性能混凝土(High Performance Concrete, HPC)」，此如同日本所指的「自充填混凝土(Self-Compacting Concrete, SCC)」。

然而這種混凝土配比如果採用傳統混凝土觀念來設計，參照遠東企業中心的設計則至少必須採用800公斤的水泥，並且加上大量強塑劑，才可以達成流動性目標。由於強塑劑與水泥的互制關係，其流動性質將在60分鐘內喪失殆盡，即坍度損失很大[1]，除非重覆添加強塑劑藥劑，並進行再拌和作業，這種重覆加劑方法在工地是不可行的。研究室曾嘗試不同做法，如果堅持傳統思維，則由於過多水泥水化熱過高，混凝土粘度會很大，拌和機拌和鼓壁上粘滿了水泥漿，幾乎毀掉拌和機，這是初期研發時研究生林豐益(中台禪寺法號建王法師)的困擾[2]。圖1顯示典型研究室參與執行過工程案例。

此時，回顧過去協助臺灣電力公司謀求飛灰資源化應用時，研究生洪賢信執行「普通水泥添加飛灰之影響」計畫中發現一有趣的現象，即不同比例的砂與飛灰為基礎，當飛灰取代量到達某一點時強度最好[3]，茅塞頓開，悟出這個強度最高點就是最緻密點，如同台大土木系高健章教授所教的顆粒堆積的理念，就把這些成果整合起來，成為一種新理念：即是將粗細顆粒材料與飛灰交互堆積堆到最緊密態。研究人員嘗試失敗後，利用緻密堆積理論(Densified mixture design algorithm, DMDA)就輕易破解[4]，見圖2，終於宣告臺灣進入高性能混凝土的首張門票，據此同時也勾勒出完整的高樓混凝土由配比設計至施工，經由PDCA及5M的標準作業程序(圖3)，進行高性能混凝土設計流程，成為後續高樓混凝土施工提供很好的工程樣板，也同時將幾個後來應用DMDA設計的HPC案例。這種DMDA配比設計流程與傳統設計程序不同，傳統混凝土配比添加卜作嵐材料係直接「取代水泥用量」，而東帝士高性能混凝土配比是將卜作嵐材料「填塞粒料的孔隙／空隙」達到最緻密狀態，即「物理填塞」，卜作嵐材料又會與水泥水化物產生卜作嵐反應，混凝土強度會不斷增強，即「化學強化」作用，如圖4。所以水泥必須能充分水化，水灰比（w/c）須大於0.42以上以防止自體乾縮，控制水量少於160 kg/m³來防止乾燥收縮，添加強塑劑來達成不同工作性需求，即使在極低水量下也能產生高流動的行為。

傳統認知的ACI配比混凝土設計理念會造成老(劣)化現象，這是因為傳統配比中的砂會隨強度及工作度的增加，而減少砂的用量，單位重隨砂石比率改變而改變及降低，致使混凝土體質很弱。而利用緻密混凝土配比設計方法砂石率是固定不變，單位重均較傳統配比高出甚多，可以保證強度持續發展。混凝土配比漿量(Vp=1.2~1.6)及水灰(膠)比，w/cm，0.27~0.29對混凝土強度的影響，顯示水泥漿量愈多，早期強度愈高，見圖5上傳統混凝土所示，28天後的強度會降低的而且受限制，對比用緻密配比設計的優生混凝土，其強度會持續成長，特別是水灰(膠)比0.27，漿量Vp /Vv=1.2的配比，500天的強度已經由56天強度8,000 psi成長超過110 MPa (約16,000 psi)，而且強度仍然增加中，由長期研發結果揭示水泥漿量愈多對混凝土耐久性不利的影響，如圖6及圖7。

圖1  混凝土配比設計的標準作業程序及 完成案例		圖2  緻密配比堆積理論追求最緊密堆疊
圖3  混凝土透過PDCA及5M的標準作業程序		圖4  卜作嵐材料的物理緻密和化學強化的 雙重效益
圖5  混凝土配比漿量及漿質對強度的影響		圖6  傳統ACI配比與DMDA緻密配比設計之 骨材含量與單位重之關係
圖7  水泥漿愈多混凝土體質愈差耐久性愈差

高性能混凝土配比設計須經過品質保證計畫的擬定(Plan, P )，然後要按部就班執行(Do, D)試驗工作，依照水泥添加飛灰的研究成果，以飛灰取代砂的曲線中找出飛灰與砂的最緊密部位，再以此一飛灰/砂比例的組成的細粒料，進一步用來填塞粗粒料(石子)，由此獲得飛灰/砂/石子間的最大單位重的組成比例，見圖2所示，由配比單位重下求出最小孔隙率／空隙率，此即稱之為「黃氐緻密配比曲線」的原因，基本上一個星期後，小型高性能混凝土試拌出來即確認高性能混凝土被開發出來，是可行的。研究室所有的研究人員依據初步成果，日以繼夜進行設定試驗變數去開發及印證高性能混凝土的合宜性，配比設計選定三種配比漿量（漿量為孔隙體積的1.1、1.3、1.5倍），配比設計完成進入檢核工作(Check, C)，測定坍度及坍流度確定工作性滿足高流動性後，製作大量試體，等待1天、3天、7天、14天、28天、56天、90天、180天、365天齡期，進行抗壓強度、抗彎強度等巨觀性質，確定品質符合設計要求後，再經過箱形試驗(Box Test)以驗證施工廠商泵送機的泵送能力，選擇最終漿量比例為緻密孔隙體積的1.3倍，就以此為主配方到福華大飯店工地進行大尺寸Mock-Up test，以確定泵送機向上泵送的可行性，經過檢查凝結時間仍未盡完滿，所以再進行修正配比延長凝結時間，最後進行原樣模型的Mock-Up test，量測泵送速率及確認實務可行性。完成全部施工作業前準備後，再修正原有混凝土施工計畫書(Act, A)。

此後即依據建構的標準作業程序，仔細查核(Check, C)：操作人員(Man, M)、機械(Machine, M)、材料(Material, M)、資財(Money, M)、下料方法(Methodology, M)等5M的每一環節，見圖3所示。接著利用電子顯微鏡進入微觀世界，摸索及解開材料間的物理化學的互制作用，找出生剋之道，以建立完整資料庫及找出水泥/卜作嵐材料/強塑劑間物化性質的反應機理，以解釋長命百千歲的原因，這就是「知其然，也知其所然」(Know How and Know Why)的必經途徑，隨後各代學生前仆後繼的持續這種辛苦的研究發展任務。1994年完成了高雄東帝士摩天樓高性能混凝土的計畫後，特別舉辦了多次研討會[5-9]及積極出國參加各類型國際研討會，將所得寶貴的經驗皆分享給國人，並與國際研究人員交流，求取回饋，也得到很多回應，混凝土已然步入高科技之流。

經過500天長期追蹤的強度變化，已經由設計的56天的8,000 psi成長達到目前16,000 psi（1,100 kgf/cm²）了，此結果進一步印證混凝土強度是會不斷增加，呼應古羅馬帝國的混凝土至今超過2300年仍屹立不搖存在的原因。然而筆者將東帝士大樓的配比公諸於世，許多學校按照配比數據模仿試配，結果無法複製出流動化的高性能混凝土來，以致有所怨言，其問題出在於各試驗室並未依照混凝土的製作工藝，見圖1至圖3所示之步驟，且未遵循查核5個M(人機料材法)及依照PDCA循環才可以配製成功。換言之，必須依據標準作業流程，才能完成了整體研究試驗工作。為了更深入了解高性能混凝土的物化特性，研究室持續進行基本學理的探討，獲得更完整的配比及品質資訊，此時又擴展為防止混凝土不良劣化反應，同時步入兼顧安全性、耐久性、經濟性、生態性及工作要求的優生混凝土的領域[10]。高性能混凝土經過多次實務計畫執行後，同時推出凹型模試驗(圖8)，以檢視高漿量及高粉料配比，造成比重較大的粗料粒及砂粒沉澱析離的現象，主要是為了減少嚴重冷縫產生的機率及品質不均勻的問題。

圖 8  凹型模試驗檢視多漿混凝土粗料粒及砂粒沉澱析離現象

1997年原子能委員會為了儲存低放射線核能廢料，尋求設計一種核廢料儲存桶，又稱為「高健全容器（High-integrity container, HIC）」，HIC儲存桶基本的概念，係沿習法國的核能單位所提出來的「活性粉混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)」，主導原子能委員會核能研究所化工組的黃慶村博士（化工背景），請筆者負責進行開發研究工作，研究室李隆盛、湛淵源、陳驷侑等研究人員，在經歷中國鋼鐵公司的軌枕研發使用鋼纖維混凝土實務研究經驗後，只要將混凝土強度提升到12,000 psi(840 kgf /cm²)以上，且為了防止乾縮裂縫的產生機率，又須具非常好流動性行為，設計水量必須小於120 kg/m³，按一般常用混凝土的拌和用水量至少大於200 kg/m³，混凝土長期裂縫問題將會不斷發生，如圖7所揭示。配比設計開發研究工作順利完成後，即製作迷你樣品，破解內筒脫模問題，經確認所設計之混凝土可以防止低放射性核廢料300年以上滲透漏的壽命。2000年研究室持續協助原子能委員會進行「低放射性硫酸鈉固化廢料高性能容器研發」，並開始進行量產工作。由過去的研究經驗已充分掌握卜作嵐及強塑劑摻料的應用技術，並且也充分了解水泥、飛灰、爐石粉、矽灰、稻殼灰及強塑劑生剋之道[11]，更重要的是重新改變混凝土拌和機的設計理念，將一般的水平雙軸拌和系統改變為雙機拌和系統（下料順序、機械及財務），見圖9所示，先充分將少量的水/水泥/卜作嵐材料之水泥漿拌均，減少水泥結球現象，並使水泥/卜作嵐材料水泥漿充分拌均，如此可以對混凝土同一工作性下，減少整體水泥膠結料的用量，接著加入砂充分而快速拌均水泥砂漿，最後再加入粗粒料拌均，強塑劑在水泥漿拌和完成後再加入，以免被鈣矾石中的32個水分吸入強塑劑，以致削弱強塑劑功能（材料及方法）[12]。目前這種HIC混凝土核能桶已經成功使用在金山核能二廠裡面了[13]。

由東帝士大樓HPC經驗肯定現行強度可以超過16,000 psi、 HIC放射性廢棄物承裝容器，再經過中央大學黃偉慶教授依據滲透理論，量測DMDA配比設計的混凝土顯示水膠比0.32、保護層7.5 cm時，可以耐450年以上;而保護層4 cm時，可以耐100年，見圖10所示，耐久性是有保障的。 

圖9  HIC製作採用雙拌系統(水泥砂漿(上)／混凝土拌和機(下))

圖10  HIC混凝土保護層厚度與服務年限

1997年啟動「高性能混凝土TAICON研究群-物化性質研究」[14]，量身定做台灣混凝土（TAICON），進行TAICON材料物化性質及耐久性研究，探索混凝土最適水泥漿「質」及「量」的理論，並以富勒理想級配曲線估算粒料緻密配比及飛灰水泥漿包裹厚度對混凝土性質之影響，見圖11所示，由大-中-小-微-奈米，均能緻密化對混凝土品質有絕對好處，基本邏輯上仍然沿習DMDA緻密配比設計法。

圖11   混凝土由大-中-小-微-奈米均須考慮緻密化

參考文獻

1.      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.。

2.      黃兆龍、林豐益、陳廷芳、陳文君、詹宜峰、朱惕之，1994，高性能混凝土組成模式推演及損傷力學研究，國科會專題研究計畫。

3.      黃兆龍、林草英、洪賢信，1986，「使用飛灰的策略及其對水泥砂漿性能的影響」，中國土木水利季刊，第九卷，第三期，第289-299頁。

4.      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。

5.      黃兆龍，主編，1994，高性能混凝土(HPC)研發及應用研討會論文輯，高雄。

6.      黃兆龍，主編，1994，高性能材料研討會論文輯，台北。

7.      黃兆龍，主編，1996，高性能混凝土研發實務研討會論文輯，高雄。

8.      黃兆龍，主編，1997，高性能研發及推廣研討會論文輯，台北。

9.      黃兆龍，主編，1999，高性能混凝土設計及應用，國立台灣科技大學。

10.  黃兆龍，2003，高性能混凝土理論與實務，詹氏書局。

11.  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。

12.  黃兆龍、沈永年，1995，高性能混凝土材料物化性質探討整合型計畫研究，國科會專案研究計畫。

13.  黃兆龍、張大鵬、李隆盛、湛淵源，1997，低放射性硫酸鈉固化廢料高性能容器研發(HIC)，原子能委員會委託計畫。

14.   黃兆龍、王秋斌、蔡志達、葉叔通、魏立帆，1997，高性能混凝土TAICON研究群-物化性質研究，國科會專題研究計畫。