台灣混凝土之創新挑戰與機遇

-產業回顧挑戰願景(下)

黃兆龍、湛淵源  技師

3. 能源效率

在混凝土生命週期的所有階段中，混凝土行業將持續推動能源效率的提高方案。到2030年，混凝土行業將減少目前每單位產出能源消耗率水平的50％。在1994年高雄東帝士大樓高性能混凝土設計及施工時已達成這項指標。

除了需要保持競爭激烈的需要外，降低能源消耗，增加能源效率將是混凝土行業未來幾年的關鍵技術。比起任何其他因素，能源效率是可以量化的，在短期和生命週期成本基礎上，都是市場成本的切實組成部分。有鑑於此，配合國際需求及企業管理2.0有關ESG的要求，2023年臺灣開始實行低碳(低蘊含碳)建築評估與認證制度, 並於2024年實施。此時，混凝土行業在管理方面的成功與能源使用及市場份額有直接相關性。整個生命週期中，混凝土產品都有機會降低能源成本，包括水泥生產、運輸、澆置、維護以及維修、拆除和棄置。比起其他競爭的營建材料，混凝土提供了優越能量基準的生命週期優勢。

為了提高能源效率，美國混凝土行業挑戰當前標準，確定了2030年的願景：

●  混凝土行業正使用生物基原材料作為水泥生產的燃料。臺灣也使用植物的廢棄物作為燃料，促進資源化的再利途徑。混凝土行業正使用仿生材料以生產混凝土，如稻草等農業副產物，還可以透過機械疊加的方式與不同種類的材料結合，在充分利用各自材料優勢的基礎上，可以製成強度高的混凝土。臺灣在2010年將這些材料運用於製造綠混凝土，並實質運用在下水道管材上。另外傳承自古金字塔三千年的配方〝鹼激發材料〞，在1984年洪文方研究時即已用爐石粉與氫氧化鈉結合成高強度「鹼激發材料（Alkali-Activated Materials (AAM)）」，2012-2020年筆者參加歐盟計畫與林凱隆、鄭大偉、黃忠信教授共同開發鹼激發混凝土(AAM)與地聚物混凝土（Geo-Polymers, GP），並於2024年綠建中再生綠建材項下推出以鹼激發混凝土與地聚物混凝土為主流的CZ類(近零碳)綠混凝土標章。

●  混凝土行業正用省能技術生產粒料。現今有更有效率的製造技術生產機製粒料及砂，使混凝土工作性更佳，水泥用量更少。

●  混凝土行業正使用先進技術來改善水泥生產中加熱過程的改良。台灣水泥公司曾使用較低能耗技術來生產貝萊土Belite低熱水泥。

●  混凝土行業正使用低熱量及低氣體排放的膠結材料。台灣已普遍使用飛灰及爐石粉當作水泥的補充性膠結性材料。

●  混凝土行業採用工業廢棄物及消費後廢物副產品來節省能源。台灣已普遍使用飛灰及爐石粉當作水泥的補充性膠結性材料及安定化鋼渣為混凝土細粒料。

●  混凝土行業已經優化了其滾動庫存，以減少混凝土移動及運輸總里程數。2024年預拌混凝土業開始採用先進管理系統。

●  混凝土行業縮短運輸水的距離。混凝土行業採用大量回收水及地下水於混凝土拌和水中。

4. 環保性能

混凝土行業和其他行業產出的回收廢物料和副產品於混凝土生產。到2030年時，混凝土行業將在混凝土及其組成材料中實現零淨廢物目標。臺灣2024年將開始執行低碳(低蘊含碳)建築評估與認證制度，這些是ESG目標中的E，徹底執行零淨廢物目標。

環境管理上，對環境法規的響應能力以及廢物管理成為混凝土行業日常運營的一部分。混凝土行業不斷尋求確定增加實踐環保和製程的諾言。而且混凝土行業更積極使用其他行業的副產品，來發展量身定製新型混凝土。混凝土技術人員面臨實現未來混凝土發展，兼顧保護環境，以投射成為重要建築材料的首要選擇。尤其民眾關心因氣候變化造成全球暖化的憂慮增加。

在美國2030年混凝土願景中，混凝土行業追求消除因混凝土生產和特別是水泥生產所造成的氣體排放量，因此隨著發展到2030年該混凝土行業設想：

●  該行業已經消除了以前使用回收廢水的障礙，解除水泥和混凝土製造中廢水再利用的限制。2023年張大鵬教授等人針對「循環應用回收水及粒料對於預拌混凝土工程性質及效益之影響」中探討回收水的再利用於混凝土的障礙被解除。

●  技術上消除了顆粒和氣態排放問題，消除當地社區居民對水泥生產和混凝土製造的虞慮。臺灣地狭人稠，大部分預拌廠分佈在都會區，環境保護要求甚高，所以氣體排放規定非常高，這些問題很早就解決了。

●  水泥行業已開發出有益的再生技術，充分再利用水泥窯灰。水泥窯灰富含氧化鈉及氧化鉀，臺灣廠早就將窯灰等固態廢棄物回摻至水泥中，一度造成水泥含鹼量過高，造成傳統純水泥混凝土產生鹼矽（鹼骨材）反應的表面溶膠的病症，但鹼量對綠混凝土而言反而是飛灰、爐石粉等卜作嵐材料的激發觸媒，1984年高雄東帝士85大樓中的高性能混凝土早就大量使用含窯灰的水泥。

●  靠近需求中心的閉環混凝土廠和水泥製造廠，從而減少了運輸需求。這方面早在1984年就已採用閉環混凝土廠，對環境盡很大社會責任。

●  水泥和混凝土生產和使用再也沒有淨環境廢棄物。這些廢棄物也是拌和廠的資材，台灣嚴格的環境法規要求下，1984年以後就沒有淨環境廢棄物，全部回收使用於混凝土中了。

●  廢棄混凝土再生粒料會回收在新產品中。2004年以後再生粒料已經回收在混凝土新產品中[10]。

5. 技術轉移

一般創新混凝土技術在美國需要15年以上才會被市場接納，而台灣一般需要8年的時間才會被產業界接受。到2030年，混凝土行業接受新混凝土技術的時間將縮短至2年，目前因為有YouTube的網路平台，創新技術應該可以在二年內迅速被產業界接受。

有效移轉研發技術成果，對於任何行業的成功以及應用、測試和學習而言都是必要的關鍵。傳統混凝土行業技術移轉的速率太慢，而美國商務的技術移轉必須變得更有效，且不排除傳統規則。必須創建更合理的手段及激勵措施，來鼓勵私人公司投入大量資金發展技術，並樂於分享研發成果。

2030年混凝土願景中，美國混凝土行業預測技術移轉如下：

●  性能規範以及精進的技術和產品測試，允許新技術和產品進入市場的速率比當前快3倍，此方面在台灣的可行性更高

●  增加混凝土行業推廣行銷，提供一個統一窗口以領導研究和訂定新技術準則，有助於技術轉移效率。

●  設計/建造取代設計/投標/建造成為標準。

●  技術轉移由合併資源庫、技術傳輸數據庫和知識系統等相互操作而達到極大效果。自從ChatGPT等AI人工智能推出後，這種訊息傳輸的功能會大增。

6. 機構改進

混凝土行業致力解決相互間分歧，同心協力以實現共同目標。到2030年，混凝土行業將凝聚力量，表現出強大的領導，追求完全經整合及明確定義的戰略願景。

由於混凝土行業多樣化和分散化，阻止實現完整的力道，阻礙混凝土成為營建業的首選材料。這些障礙包括難以更改不完美的標準和規範，特別是在沒有能夠支持技術改變的研究計畫，以突破不必要的政府法規限制，而造成的成本增加。同時在大學土木工程系所中，缺乏全面性的混凝土技術課程。在臺灣科技大學1983年就已經開授「混凝土性質與行為」、「混凝土品質控制試驗」[11]、「混凝土科學」、「高等混凝士技術」、「高性能混凝土技術」等專門的混凝土課程。並已辦理多次研討會，推廣混凝土技術。其他機構的障礙，包括技術社群利用信息技術的速率緩慢，以及貿易協會維持商品性質的行業趨勢。在混凝土行業間與監管機構、標準和規範機構、學者、技術社團應有更大的合作，解開和其他應對機構的阻礙。許多阻礙只能透過混凝土行業統一的口徑，才可以有效地排除。此點臺灣相關混凝土協會也提供統一的窗口。

美國為了實現2030混凝土願景，需要許多基本的機構體質的改變。2030年的混凝土願景中：

●  混凝土行業加緊合併和垂直整合，建立更多大公司和策略夥伴之關係。

●  混凝土行業與各個管理階層間有著重要的合作關係。

●  有效的開發製程標準規範，產出以材料科學為基礎的標準，俾能精準預測混凝土性能。緻密混凝土配比設計理論的推出，也不斷改變標準的內涵，並且已可以為消費者量身定製特殊混凝土。

●  需有一個值得信任的機構，以領導行業，並作為行業的傳聲筒。目前臺灣有勞動部定期舉辦混凝土技術士考試、臺灣相關混凝土協會、各級協會與學術單位共同推廣混凝土技術。

●  行業領導者每年都得投入40個小時，以推廣混凝土觀念給向政府、營建界和民眾。相關混凝土使用單位及主管單位舉辦說明會及專題研討會，依需求教育使用者。目前大型工程開工前都會舉辦講習會，取得共識。

●  維護、維修和修復能整合擴展至設計和施工、施工招標和合約過程。目前工程界已朝向生命週期成本的考量的設計，以耐久性為主，涵蓋維護、維修和修復項目在內。

●  所有混凝土產品均可被設計符合品質和永續性標準。這一點已有相當多研究及實務案例供參考[12]。

●  混凝土行業被視為服務商家以及產品的提供商。臺灣國產實業2015年即領先引進管理技術於骨材運輸上，並將即時訊息傳給消費者。

7. 教育和就業

為了吸引從工人、工程師到高管的更多熟練員工，混凝土行業越來越重視教育工作。到2030年，混凝土行業將被視為安全、高薪和挑戰性的職業，吸引具堅定創意、多樣性和熟練的勞動力。

混凝土行業成功的未來，很大程度取決於混凝土行業是否能吸引高質量和訓練有素的人員，為了吸引高級優秀人員，混凝土行業必須繼續發展並有效傳達多元化、有利益和具挑戰的優惠職業機會。目前台灣混凝土行業已經有大量博士、碩士及技職體系學生投入，著實對混凝土技術提昇不少。而且職訓局也陸續推出丙級及乙級混凝土技術士的專業證照，所以臺灣混凝土的技術水準會不斷提昇。

在2030年混凝土願景中，混凝土行業將成為挑戰性高和薪資高的行業。到2030年混凝土行業遠景為：

●  混凝土行業吸引「最頂尖和最聰明」人才，更具創新且能使用最新技術。臺灣混凝土行業已經有大量博碩士投入，同時已經有乙級混凝土技術士及丙級混凝土技術士的專業證照，可供專業人員進入此行業。

●  混凝土行業是安全且高薪的職業。混凝土廠朝向智能化，利用自動化的拌和機械，並應用5 M經由PDCA程序使混凝土行業成為安全及高尚的行業。

●  科學家和工程師因應用創新而及時獲得獎勵。設計師和擁有者通過採用這些創新技術而獲得獎勵。在臺灣各預拌廠均有激勵制度，獎勵創新工程師。

●  增加混凝土行業的專門教育軌道，例如可透過網路學習。在台灣已有網路影片可資使用，大專院校設有再職專班協助提升混凝土知識，或專職訓練以獲得混凝土技術士的專業證照。

●  混凝土行業使用的虛擬實境和吸引年輕人大模型環境學習。

●  針對學生、供應商和業主可以使用者親和性的設計工具。臺科大協助產業進行專業輔導以學習臺灣混凝土配比設計，由5M及PDCA循環，循序漸近有效掌握品質設計及驗證產品品質。

●  存在既定的認證計劃，以鑑別出色者。但在臺灣仍然需要有專業輔導，以協助業者透過5M及PDCA循環，脫骨換胎，建立完整品質保證系統。

●  所有混凝土製作程序都必須符合既定行業標準。

●  混凝土行業擁抱「數位技術」。臺灣這部分仍然有發揮的空間。

8. 行業形象

透過製程和產品改良，以及更前衛的教育和拓展，混凝土行業的印象快步傳給消費者和公眾。到2030年，混凝土將被認為環境友善、耐久且用途廣泛的材料。

混凝土行業試圖透過更有效地交流，來改善是一個好鄰居的形象，並宣傳混凝土具有許多好處，既是首選的材料，也是一種環保產品。混凝土行業形象的改善，帶來如上述許多2030目標區域中跨越益處，包括吸引學生和新員工，現場製造設施的能力，並提高客戶認知混凝土的好處，並成為最佳選擇。

改進混凝土行業形象，強調運營和產品品質。隨著越來越多保護資源和保護環境，改進的品質系統，以確保實現了品質目標的關注。這些系統將符合或超過由國際公認的品質標準。

在2030年的混凝土願景中，混凝土行業試圖使混凝土成為耐久、可靠且永續的產品的形象，在環境上是完整而且健全的。混凝土行業到2030年願景如下：

●  消費者從公共工程到住宅各項施工，會選擇混凝土作為主要施工材料。目前可以確定混凝土已在台灣的樹立堅定地位。

●  混凝土製品具有可靠的形像。臺灣朝向更強更耐久的混凝土設計，下水道已接受卜作嵐混凝土管材、稻殼灰混凝土管材，及更高強度的預鑄構件。品質經過嚴謹的管制及標準作業程序，透過5M及PDCA達到品質始終如一，且透過卜作嵐反應而達到經久耐用的混凝土。東帝士大樓的56天設計強度8000 psi 的品質，500天強度達到17000 psi的高性能目標，證明混凝土是可以相當耐久的[13]。

●  混凝土生產商直接與消費者互動，藉此暸解消費者需求，並推廣其購買混凝土意願。目前預拌廠直接與消費者接觸，推銷產品，並有完整的簡報資料，供消費者選擇。

●  消費者可以參與評估混凝土和建立混凝土產品評級系統。目前開始以人工智能(AIot)方式，利用資訊科技快速顯示產品品質，建立消費者信心。

●  骨材採石場被視為鄰近社區的資產。目前臺灣靠近都會區，設立混凝土回收粒料工廠，提供再生混凝土所需的粒料。　

●  水泥製造廠被視為鄰近社區的資產。台灣在東部地區設立水泥專業區，而且注重環境品質，已完全溶入社群中。

●  預拌混凝土廠和預鑄混凝土製品廠被視為鄰近社區的資產。目前臺灣已在都會區設立工業區，預拌混凝土廠和預鑄混凝土製品廠都座落其中。

●  混凝土行業發展自我驗證、品質認證程序。在臺灣2023施行低碳要求，新的行業管理2.0，銀行團重視ESG，做為走入近零碳排的國際趨勢。

●  混凝土行業提供的激勵措施，例如貸款、捐贈和應用新型混凝土技術開發的節能信用。此符合行業管理2.0之ESG中S的要求。

（四）美國混凝土行業目標的達成

美國混凝土行業致力於發展和實施一致願景，成功實施政府-行業間研究伙伴關係，以早日達成2030年混凝土願景的目標，期望能有一明亮、具成效和節能減碳的未來。台灣很幸運的由1983年起，在近40年期間，因為公路鐵路系統、捷運系統、新都會交通系統、都市更新、社會住宅需求的因緣際會，透過學校教育，國外學者歸國服務，造就不少國內混凝土人才，近20年來陸續吸納國際學生的加入，從事混凝土科學研究、實務印證、大型建築的建造，不少新工法推陳出新，比較美國而言，臺灣已陸續達成美國混凝土行業2030年混凝土願景的許多目標，目前更追求全球低碳環保的共識，數位化及科技化，且應用人工智能成為國際的潮流。

參考文獻

1.      Vision 2030: A Vision for the US Concrete Industry，2001/1。

2.      黃兆龍，1984，混凝土性質和行為，廣昌。

3.      黃兆龍，2003，高性能混凝土理論與實務，詹氏書局。

4.      黃兆龍、顏聰、高健章，2003，水庫淤泥輕質骨材產製及輕質骨材混凝土應用與推廣，內政部建築研究所研究計畫成果報告，中華民國輕質骨材混凝土推廣協會。

5.      黃兆龍，2024，氧化石墨烯性質及在混凝土工程應用可行性探討，技師報。

6.      洪文方、黃兆龍，1985，普通水泥中添加高爐熟料之影響，營建材料論文序列001，國立台灣工業技術學院營建系。

7.      蔡宗勳，1998，水泥型別對優生混凝土性質影響研究，國立台灣科技大學碩士論文。

8.      黃兆龍，李隆盛，羅心妤，葉叔通，2003，鋼碴粉之研發與應用先期評估(期末報告)，中聯爐石資源開發股份有限公司，國立台灣科技大學營建系。

9.      黃兆龍、鄭大偉、廖敏志、江奇成、杜嘉崇、黃重福，2018，鋼碴應用於混凝土製品之研究，台鋼資源股份有限公司。

10.   吳漢儒，2004，黃氏富勒緻密配比設計法應用於高性能再生粒料混凝土性質之研究，國立台灣科技大學碩士論文。

11.   黃兆龍，1986，混凝土材料品質控制試驗，詹氏書局。

12.   黃兆龍、歐煜辰、林進隆，2015，高性能混凝土運用於橋梁之委託研究工作，交通部公路總局委託專案計畫。

13.   黃兆龍，2003，高性能混凝土理論與實務，詹氏書局。