台灣混凝土之創新挑戰與機遇-歐盟減碳篇

黃兆龍、湛淵源  技師

2012年至2016年，研究團隊因過去的高性能混凝土研究成果及實務經驗受到臺灣建築科技中心的肯定，特別經過前台科大陳希舜校長的推薦，參與歐盟FP7計畫。該計畫分為四個項目以對應歐洲研究的四個基本組成部分：合作-協作研究、想法-歐洲研究委員會、人-居禮夫人的行動、能力-研究基礎設施和其他能力建構措施。研究團隊參與的計畫為歐盟大型整合全廢棄物計畫-永續、創新及節能的混凝土（SUS-CON）(European Seventh Framework Programme (FP7) Sustainable, Innovation and Energy-Efficient Concrete, based on the Integration of All-Waste Materials (SUS-CON)），計畫執行期限由2012 年 1 月 1 日至 2015年 12 月 31 日[1]。營建工程中混凝土是大量耗能、大量碳足跡的營建材料，歐盟針對混凝土入手是一項重要的手段。因為混凝土材料的生產與使用過程中，同時產生許多的二氧化碳，如平均每生產一公噸水泥過程將排放 0.85 公噸的二氧化碳，整體營建工程大約會排放出一噸之二氧化碳氣體。本項計畫針對混凝土著手方向正確，在歐盟引起共鳴，共有10個歐盟國家由產官學研及小型企業與台灣科技大學研發團隊共同參與16個課題計畫。歐盟團隊的研究經費由歐盟總部支援，台灣部分計畫的研究經費由科技部全部以專案補助贊助。廢棄物資源化著重認知廢棄物之特性、最佳化處理方式和改質再生料，提昇應用效益及層次，使之能節能減碳，並達到永續綠建材的目標。

台灣研究團隊的工作係以黃氏緻密混凝土配比應用於製作低碳（低水泥量）及零碳（無水泥）的鹼激發膠結料及鹼激發混凝土，參與此計畫學習到歐盟應用所有工業農業廢棄物作為粒料，包括各地生產的鋼碴、鋁紅土、鋁廢料、塑膠廢料、廢棄輪胎、稻草、木屑、輕質粒料、再生粒料、水庫淤泥製作輕質粒料等，膠結料係以低水泥量及鹼激發技術製作混凝土。台灣團隊針對農工業廢棄物、回收廢棄物等，以材料科學角度將廢棄物轉化為可用且有經濟價值之綠建材；研究大致可分為三大族群，第一族群為環保綠水泥膠結材料之研發，含凝膠型及鹼激發型的膠結料等二工作小組。一組利用凝膠理論將矽鋁質物質接連成凝膠，應用強鹼加以激發。另一組則以強鹼刺激水硬性及卜作嵐材料，達到無水泥熟料之節能減碳膠結材料。第二族群為綠粒料之應用開發，係透過綠色水泥膠結材之成果，配合農工業廢棄物等，以零能耗或低能耗之冷結造粒技術，取代原本高溫燒結方式，製造具隔熱、防火、耐震之節能型輕質綠粒料，並進行相關綠混凝土之應用與評估其可行性。第三族群為建築綠建材開發，同樣延續膠結材之開發技術，搭配回收廢棄物等，進行建築綠纖維板之研發，並且利用其無機聚合物機理進行發泡，開發兼具阻燃性、抗水性、力學性能和熱性能之多功能性綠色保溫建材。最後，將這些廢棄物相互組合成不同型態之綠建材，開發所習得之機理除了發表論文外，將提供產業界技術移轉之管道，以提昇廢棄物之使用效率及推廣，使研究與應用能一體化。這一計畫領會到歐盟基本並不支援基礎研究，而係將以往各國的科學研究成果及理念直接轉化應用在新混凝土SUS-CON上。所以團隊首先全面普查歐盟各國產生的廢棄物質、量及分佈路線圖，再由各個專長有效率進行相關驗證工作，最後製作多個小型測試站，以評估節能減碳的效果，然後以資通訊(ICT)技術進行推廣使用，見圖1所示。台灣學習到歐盟計畫整體綿密的思考架構，環環相扣都能照顧到，並以實用性為考慮重點，可以提供國內未來相關整合型研究計畫的參考。

圖1  SUS-CON歐盟的內涵及基本精神

2020地平線計畫(Horizo​​n 2020)是歐盟2014年至2020年的研究和創新資助計劃，預算近800億歐元。由於歐盟FP7計畫執行成效良好，團隊再度被獲邀請加入「歐盟Horizon 2020 營建廢棄物再利用（RE4）(2017-2020) 」之研究團隊，此項計畫有歐盟8個國家(義大利、西班牙、瑞典、英國、捷克、德國、比利時、台灣)共13個計畫團隊共同組成，計畫的執行重點為大型資料庫及在道路工程上的應用，所以邀請鄭明淵教授及廖敏志教授共同參與[2]。RE4計畫目標是在工業環境下建立適當設計理念和由營建廢棄物(CDW)中生產構件的示範案例。透過生命週期評估(LCA)和生命週期成本(LCC)分析、認證和標準化程序、示範活動、專業培訓、傳播、商業化和開發策略定義，商業模式和業務計畫等進行。總體目的是發展RE4預鑄節能建築概念，可供開發未來易組裝和重複使用時可拆卸的構件。再生材料含有重量最多65％的營建廢棄物（範圍從50％中度取代礦物成分到高達65％的絕緣板和混凝土產品具有中度取代礦物搭配無機聚合物膠結料）。可循環再利用的結構範圍從15-20％的既有建築到80％-90％的RE4預鑄建築的概念。充分發展「再生綠建材創新價值鏈」與產品整合服務，找到向上轉折躍進的永續發展動能。從事營建廢棄物循環再利用的實用工作，進而成就循環經濟對國家社會世界的實質貢獻。

本計畫研究團隊能夠榮獲二次歐盟計畫，在台灣土木學門來說是唯一的，為台灣建立國際能見度，倍感光榮。本計畫完成後2020年榮獲The Hans Sauer Award 2020主題為Designing Circularity in the Built Environment獎勵，並獲歐盟選為Success Story刊登在歐盟網頁上。整體RE4的輪廓簡單描繪出如圖2所示，由CDW(圖上方)直接應用在結構上(圖下方)，這對國內未來都市更新工程啟發出節能減碳的構想。拆除工程不再是全部打成碎混凝土塊，而是拆成各類構件供利用，這些觀念可以當作國家近零目標的政策。2022年筆者亦協助廖敏志教授獲第三次歐盟計畫，由於筆者退休全部轉由廖教授主導該計畫。

圖2  RE4的整體計畫輪廓

2023年依據2022年國際能源署的報告顯示，全球建築營建部門的溫室氣體排放量約占37%，中華民國國家發展委員會為此發佈「台灣2050淨零路徑」，要求所有公有新建建築物於2030年以前，100%新建建築物及超過 85%建築物應於 2050 年以前達到「近零碳建築」之目標。內政部特別籌組「建築蘊含碳排標示評定小組」，探討如何由大宗碳排放的混凝土來減碳排，筆者有幸透過成大建築系林憲德教授推薦進行減碳分析[3]，筆者特別針對過去三十年有關卜作嵐材料節能減碳的成果，歸納添加卜作嵐材料及高效減水劑達成混凝土水泥減量的常用方法 [4,5]，加以歸納出高水泥強度效益比值（CSER）低碳混凝土的攻堅策略。策略重點為：

1.     骨材緻密堆積方法

骨材相互填塞堆積愈緻密，單位重愈大，見圖3所示，空隙愈少，粘結漿量會更少，水泥量會大大減少，直接提昇CSER。

圖3  粗細骨材混合料單位重的變化

2.  卜作嵐材料的應用

飛灰、爐石粉、矽灰、稻穀灰等卜作嵐之化學成分及物理特性差異甚大，見圖4所示。在物理上，是作為填塞空隙的材料，化學上會與水泥水化產物氫氧化鈣在足夠濕度環境下結合成具膠結特性之產物，見圖5所示，同時因為長期強度提高，耐久性提昇，見本報第1442三版圖5所示。水泥漿量最少的優生配比Vp=1.2Vv長期強度已持續成長超過五成以上，且仍在成長中，在設定強度下，會大大減少水泥用量，而提昇CSER。反觀傳統混凝土配比如同想像會在28天，開始強度衰減的老化現象。　

圖4  CaO-Al2O3-SiO2三相平衡圖

圖5   卜作嵐材料透過卜作嵐反應堵塞微孔隙阻止外界有害物質及液體擴散

3.     強塑劑的超強減水功能

傳統混凝土為了高工作性及流動度，常常加入大量水及水泥漿造成浮漿及品質劣化問題。利用強塑劑的超強減水效能(如目前使用聚羧酸劑型)在極低水量下，也可以獲得高流動性質。水量一減下來，搭配卜作嵐材料在同一強度下可大量減少水泥量，大大提昇水泥強度效益CSER[3]。

4.     混凝土緻密配比設計法

緻密配比理論大部份沿用傳統混凝土觀念及ACI 211.1及ACI 311.4R的資訊，只在配比程序上有所差異。傳統混凝土配比設計著重工作性、強度和耐久性，為了工作性相應增加用水量，為了強度與耐久性，而增加水泥用量。二者忽略了骨材級配的重要性，以致為了強度及工作性改變了砂石摻用比率。而緻密配比設計的骨材級配與富勒曲線的緻密觀念是一致的，都在得到「骨材堆積達到最緻密狀態」，只是緻密配比採用簡單試驗方法就可以達成所要的效果。最大不同點為緻密配比主訴求為固體顆粒最大堆積（物理）下，剩餘之間隙會是最小的，即物理堆積可以達到最緻密，如此可以減少顆粒間空隙，也讓水泥漿量大為減少，降低水泥過多產生微裂縫的風險。使混凝土的水泥強度效益（CSE）由每m³水泥公斤量產生10提升至20、30、40、50 psi甚至更高，同一強度或水膠（灰）比下，相應混凝土中水泥提昇2、3、4、5倍。相應的CSER為1、2、3、4、5，推估同一強度品質下，水泥用量僅剩1/2、1/3、1/4、1/5，此時相應減碳量由為0%、50%、67%、75%至80%，對國內循環經濟及節能減碳而言貢獻甚大。

參考文獻

1.      黃兆龍、林凱隆、鄭大偉、黃忠信，2012，歐盟大型整合全廢棄物計畫－永續、創新及節能的混凝土（SUS-CON），國家科學委員會歐盟專補助專案。

2.      黃兆龍、鄭明淵及廖敏志，2016，營建廢棄物和結構物件的循環再利用於建築整修和營建所需節能預製構件(RE4)，科技部專案補助案。

3.      黃兆龍，2023，達成高CSER低碳混凝土在低碳循環建材中的重要意義，技師報。

4.      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。

5.      黃兆龍，2003，卜作嵐混凝土使用手冊，科技圖書公司。