使用巨積水泥混凝土之注意事項探討

房性中 技師

一、前言

在土木及建築工程領域中，隨著結構體之規模日益龐大，致使水泥混凝土澆置或成型之體積亦隨之增加，而水泥混凝土澆置量體(體積)超過某一限度後，可能會衍生塑性沉陷、水化熱反應時間較長及溫度裂縫等後遺症。致各從業人員若擬使用巨積水泥混凝土材料時，一定必須特別謹慎及充分了解各重點之注意事項，才能避免衍生失敗案例，並保障工程構造體良好的施工品質。

職是之故，本文擬扼要敘述巨積水泥混凝土之基本定義暨各注意事項探討，殷盼得以導正部分從業人員錯誤行止，則幸甚！

二、巨積水泥混凝土定義

巨積水泥混凝土茲有下列各種定義：

1.ACI 116R-00【參考文獻(1)】：將形狀不規則且每塊100磅(50公斤)或以上的石頭(粒料)沉積時崁入水泥混凝土中，藉以構築大型體積的水泥混凝土者，稱之。同時，亦闡釋：『任何具有尺寸的水泥混凝土體積量只要夠大時，則必須採取措施以因應(控制)其水化熱所產生之熱量及隨之而來的體積變化等龜裂防制作為者，稱之。

2.The Concrete Society Digest No.2【參考文獻(2)】：水泥混凝土尺寸達到需要特別考慮材料供應、澆置順序、冷縫、塑性沉陷、水化熱及溫度裂縫等因素者，稱之。

3.ACI 301M-05【參考文獻(3)】：定義與參考文獻(1)相同。惟尚另外建議水泥混凝土斷面之最小尺寸達到75公分以上或單位水泥用量超過360kg/m³時，可能須依工程特性考慮水化熱問題。

4.混凝土配制使用技術手冊【參考文獻(4)】：當基礎邊長大於20m，厚度大於1m，體積大於400m³時的水泥混凝土者；或水泥混凝土結構物中的實體任何一個邊長之最小尺寸大於等於1m的部位所用者；均可稱之。一般而言，凡是基礎尺寸大到必須採取措施、妥善處理內外所產生的溫差、合理解決體積變化所引起之應力、力圖控制裂縫僅開展到最小程度者，亦可稱之。

三、使用巨積水泥混凝土之注意事項

使用巨積水泥混凝土之注意事項茲列述如下：

1.凡在設計圖說中載明巨積水泥混凝土之適用位置，而有較大尺寸之結構物卻未被指示為巨積水泥混凝土時，監造者應提請設計者澄清，並確認【參考文獻(5)】。

2.宜選用中熱或低熱的水泥種類，乃為控制巨積水泥混凝土溫升最根本方法【參考文獻(4)】；台灣地區之參考文獻(5)則規定宜使用波特蘭第Ⅱ型、第Ⅳ型或新近發展之富貝萊(Belite-Rich Cement)型等具有較低水化熱之水泥，較適合巨積水泥混凝土工程之使用，同時，亦規定巨積水泥混凝土不得使用波特蘭第Ⅲ型水泥。

3.宜添加適當的水泥用量，巨積水泥混凝土其核心內部之最小水泥用  量，日本規定為140kg/m³，中國規定為150kg/m³，外部構造體應選用較高水泥用量，但亦不宜超過300kg/m³【參考文獻(4)】，台灣地區則規定為配比設計應以降低水泥用量為首務，且選用所需之水泥用量應以其區間值之最少者為主【參考文獻(5)】。此措施之重要性乃為降低結構體內外部由於水化熱所引起之溫度應力，以及保障巨積水泥混凝土的抗壓強度與耐久性【參考文獻(4)、(5)】。

4.宜選用適當的水泥細度，水泥細度雖然對水化熱量之多寡影響不大，  但卻能顯著影響水化熱的放熱速率，因此，當水泥的表面積值每增加100cm²/g，則一天的水化熱放熱量增加17~21焦耳/g，7~28天約增加4~12焦耳/g。但亦應注意，當水泥細度增加太多時，抗壓強度會下降過多，此時，又須增加水泥用量，反而增加了水化熱的放熱量。因此，低熱水泥與一般水泥的細度值，在實務上，其實相差不大【參考文獻(4)】。

5.宜充分掌握後期的抗壓強度值，因每m³巨積水泥混凝土中之水泥用量每增減10kg，其水化熱溫度將相對應升降約1℃。為控制溫升、降低溫度應力、避免溫度裂縫、符合強度及耐久性之前提下，應儘量減少水泥用量，致可採用養護45天、60天或90天之齡期強度替代養護28天齡期強度作為設計強度【參考文獻(4)】；台灣地區則建議可採用養護56天齡期強度取代養護28天齡期強度作為設計強度【參考文獻(5)】。

6.可使用緩凝劑以延長初凝時間，並減少產生冷縫之機率。

7.可使用減水劑以減少單位用水量及水泥用量，並降低水化熱。

8.可使用輸氣劑以改善工作性。

9.不得使用氯化鈣及早強劑等附加劑，以避免造成早期水化熱過高之溫度變化所衍生之裂縫【參考文獻(5)】。

10.宜使用飛灰或水淬高爐爐渣粉，以降低水化熱及減緩放熱速率。惟飛灰使用量一般占總膠結材料的15%~35%，水淬高爐爐渣粉之使用量可提高至25%~70%【參考文獻(5)】。

11.一般水泥混凝土粒料重量約佔總重量的75%，而巨積水泥混凝土粒料重量則約佔總重量的85%，高出約10%，參考文獻(4)同時規定粗粒料為全部粒料絕對體積的78%~80%，而細粒料含量相應為20%~22%，此作法乃在於保障巨積水泥混凝土之品質、節省水泥用量、降低水化熱量及成本【參考文獻(4)】。為達到旨揭諸多目的，致須慎選粒料與巨積水泥混凝土之熱膨脹係數值，詳表1所示【參考文獻(5)】，且宜選用熱膨脹係數值較低者為佳。

表1  粒料與巨積水泥混凝土典型熱膨脹係數值一覽表【參考文獻(5)】

12.巨積純水泥混凝土之坍度值應小於8cm，巨積鋼筋水泥混凝土之坍度值應依參考文獻(5)之第3.4節規定辦理。而該文獻(5)第3.4節亦規定在適當施工條件下，拌和水量越少越好；此乃表示水灰比或水膠比越小越好，等同表示坍度值還是要越低越好。

13.粗粒料之標稱最大粒徑不得大於15cm(6”)【參考文獻(5)】。另依參   考文獻(4)所示，採用5mm~40mm粒料比採用5mm~20mm粒料，每m³水泥混凝土可減少用水量15kg左右，在相同水灰比的情況下，水泥用量可節省20kg，水化熱溫升可降低2℃。足證選用較大粒徑之粒料，確實有明顯的優越性。惟粒料最大粒徑不應超過鋼筋間距的2/3、構件斷面最小尺寸的1/4及巨積純水泥混凝土板厚1/2。

14.巨積水泥混凝土澆置時之材料溫度不得大於30℃，並應同時考量澆置後其內部之最高溫度不得大於70℃【參考文獻(5)】。致須採用埋設冷卻管並以添加冰水、碎冰或液態氮方式來達成預冷之要求。

15.巨積水泥混凝土澆置時之分層高度約為45cm，同時仍以一體連續澆置為主【參考文獻(5)】。

16.巨積水泥混凝土仍以水養護為宜，養護時間亦較普通水泥混凝土為長，其養護期最短為14天，若使用較大量之卜作嵐材料時，則養護期應再酌予延長，惟通常不超過28天【參考文獻(5)】。續以筆者經驗而言，至少養護28天較為妥當。另若擬採用45天、56天、60天或90天養護齡期強度取代養護28天齡期強度作為設計強度時，則養護天數必須配合展延至45天、56天、60天或90天，始可停止養護作業。

17.當巨積水泥混凝土在規定之養護期間及養護終了時，應以適當措施控制冷卻速率，使其表面溫度每24小時之累計降溫不超過11℃。以避免衍生張應力之表面裂縫【參考文獻(5)】。

18.在規定之養護期間，如周圍氣溫降低到0℃以下時，應以隔熱材覆蓋保溫以防止表面凍傷，但不得使用蒸氣或其他加熱方式作為保護方法【參考文獻(5)】。

19.在工程施工中，巨積水泥混凝土普遍採用泵送法施工，為增加流動性及避免發生堵管現象，故須在配合設計時適度提高用砂率，但用砂率過大，則強度又會大幅降低，因此，應在滿足可泵性的前提下，盡可能選取用砂率合理範圍區間值的較小值即可【參考文獻(4)】。另據筆者經驗，一般抗壓強度機制之水泥混凝土，因其用砂率介於32%±5%，級配篩分析一定會合格，所以，抗壓強度機制之水泥混凝土規範或是設計圖說從不管制用砂率項目。

20.優質的粒料品質直接攸關到巨積水混凝土之品質，而粒料中的含泥量及黏土含量均會影響結構體之收縮性、抗壓強度及抗拉強度，對於抗裂性更是十分不利，故參考文獻(4)針對含泥量及黏土含量限制，明確規定如下：

(1)粗粒料含泥量：  A.D₂₀及D₄₀粒級<1%。 B. D₈₀及D₁₂₀粒級<0.5%。

(2)細粒料含泥量<3%。

(3)細粒料黏土含量<1%。

四、綜合討論及建議事項

1.結構體澆置水泥混凝土是否屬於巨積者，其關鍵性除了攸關尺寸外，  其他重點乃在於因為尺寸過大所可能衍生之水化熱、體積變化、塑性沉陷及溫差裂縫等項目必須分別得到充分的控制及避免產生損壞狀況，方能得到優良的施工成品與品質。

2.任何從業人員面對水泥混凝土結構體作業時，均必須特別注意其是否屬於巨積者，因巨積水泥混凝土所須特別的注意事項(列如前述20項)明顯不同於一般之水泥混凝土者，故筆者建議各從業人員務必謹慎將事，切勿囫圇吞棗地任性而為呀！

五、參考文獻

1.ACI 116R-00,”Cement and Concrete Terminology”,2000.

2.P.B.Bamforth,”Mass Concrete”,The Concrete Society Digest No.2,The Concrete Society,London British,1984.

3.ACI 301M-05,”Specifications for Structural Concrete”,2005.

4.李繼業主編，”混凝土配制實用技術手冊”，化學工業出版社，2011年9月二版。

5.中華民國內政部，”結構混凝土施工規範”，2021年7月13日修訂版。