台灣混凝土之創新挑戰與機遇

-揭開UHPC神秘面紗與市場潛力(下)

黃兆龍、湛淵源  技師

5.鋼纖維

UHPC本質上並非混凝土，比較像是水泥漿或是水泥砂漿，具非常高的強度，是非常脆性材料，在壓力下破壞時會垂直爆裂而崩解，所以必須通過添加鋼纖維增加延展性。最常用的鋼纖維尺寸是長度(L)為13 mm，直徑(D)為0.20 mm，L/D=65，一般L/D>40。UHPC配比設計使用2%鋼纖維是經濟可行的方案。

6.納米材料 (Nano Materials, nm)

    UHPC配比設計的成功，很大程度上取決於混凝土基體的最高顆粒填充密度和超高固結度，由微觀結構來說，排列組合很重要，因此添加二氧化矽（SiO₂）、氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鐵（Fe₂O₃）、二氧化鈦（TiO₂）或二氧化鋯（ZrO₂）等納米顆粒。同時也常會添加尺寸0.15-0.6 μm的矽灰、尺寸1.7 μm矽粉、尺寸9.4～25 μm的飛灰、尺寸1.4 μm的變高嶺土、尺寸45 μm的高爐石粉或尺寸45 μm的石灰粉末，企圖完全填塞微米級膠結材料之間的空隙。較細粒料可使孔隙率降低和提高顆粒堆積密度，納米材料還可以通過成核（Nucleation）和生長機制加速水泥水化，刺激通過卜作嵐反應，產生額外鈣-矽-水合物膠體（C-S-H　Gel)，減少鈣浸出造成氫氧化鈣的薄弱區，這樣可以顯著提高UHPC的機械和耐久性能。UHPC配比設計中添加水泥重量1~5%的納米顆粒，成功改善UHPC材料性能[21]，而隨著納米二氧化矽(nano Silica, nS)用量的增加也增加UHPC的抗壓強度。nS的最佳含量為膠結料質量的3.74%[22]。此外，UHPC 混合物中添加 nS會閉塞UHPC中的N毛細管孔隙，阻絕水分滲入，會降低鋼筋的腐蝕速率。使用1%的納米偏高嶺土，會增強UHPC微觀結構，降低UHPC中氯離子滲透；在UHPC中加入納米碳酸鈣( CaCO₃)改善了早期的水化過程，產生更緻密的顆粒堆積，抗壓強度比對照UHPC樣本增加了17%；摻入納米TiO₂顆粒的UHPC可以透過光催化具有自癒效應特性。摻入納米Fe₂O₃的混合物可提高 UHPC 的機械強度並誘導自感知能，此外，納米碳管、石墨烯和納米纖維亦可用於UHPC，進一步提高其機械性能。所以在UHPC中使用納米材料可以帶來更緻密的微觀結構和更好的機械和耐久性能是無疑的。石墨烯的橫向尺寸對UHPC的力學性能有重要影響，在固定石墨烯質量分數的情況下，較小橫向尺寸的石墨烯顯示出更好的增強效果，顯著提高了UHPC的抗壓強度和彈性模量。此外，石墨烯的添加還改善了UHPC的韌性，提高了抗彎強度和斷裂韌性。研究顯示添加石墨烯/氧化石墨烯可以改善超高性能混凝土的機械性能、耐久性和微結構緻密度，從而提高其工程應用的可行性。筆者團隊的研究印證少量添加石墨烯或氧化石墨烯均可增加UHPC強度增加10％左右。

7.熱催化(養護)

UHPC在養護的過程中，會以熱養護方式來加速水泥水化反應及卜作嵐反應進行，經由熱壓(Hot Pressed)及壓製(Pressed)，使材料緊密接觸，再以飽和溫度及濕度下，促進細粒料與粉末間活性反應，包括水泥水化反應及卜作嵐反應，改善水化產物微結構，提高界面黏結力。一般強度200 MPa(28000 psi)的 UHPC的熱養護溫度為40~90 °C，而800 MPa (114000 psi)的熱養護溫度則為250~400 °C，其力學性質皆隨著養護溫度升高而提升。但是要達到Roy教授的理論強度值，在常溫下則需要更高的成型壓力1414 MPa (287000 psi)。另外需注意熱催化施行的時機，過早施行熱催化容易使漿體和粒料界面間的氫氧化鈣層越粗糙，反對於強度發展較不利，適當的「火候」（溫度及時間）非常重要。

8.緻密配比的顯微結構系統

一般HPC含較大骨材，只要以黃氏緻密配比堆積方法即可，但UHPC則無法以傳統HPC的緻密配比方法達成，因為以手工堆積奈米及微米是有困難的。所以需以理論「富勒堆積曲線」的數學計算方式來進行顯微結構系統緻密化，如此奈米/微米組成材料與膠體材料都必須緊密靠在一起，才能達到宏觀及微觀角度「物理堆積」的目的，也符合趨近「零孔隙」的目標。同時這些奈米/微米材料與膠體材料都會參與反應，包括水泥水化反應與卜作嵐材料反應，達到「化學強化」的功能。最後在不產生裂縫的條件下，以適當熱催化方式來加速水泥水化反應及卜作嵐反應的速率是非常重要的手段。

二、     超高性能混凝土的發展與市場潛力

超高性能混凝土（UHPC）作為新型添加劑材料在建築技術中的應用研究正在大量進行中，由於UHPC超高的機械性能（例如強度、和易性和延展性）取得了顯著的改進，在澆鑄工作性、更高的密度和耐久性方面也有了進一步的改進，適用性也提高不少。適用於製作鑽頭、下水道管道、預製旋壓混凝土柱、預製護牆、預製樁、預製隧道管片、橋樑支座等，在法國、加拿大、美國、韓國、日本、中國大陸、馬來西亞等20多個國家陸續被推出。然而由於UHPC跟傳統混凝土（Normal Concrete, NC）或高性能混凝土（High Performance Concrete, HPC）的特性及理念差異仍大，奈米材料及水泥量太多，UHPC黏性太大，如以傳統方式來施工，因為工作度損失很大，施工性甚差，會有很大的拘限性，難於保證現場施工品質。另外一個問題是材料單價太高，除非有很大的利基，否則曲高和寡，市場推廣有很大的困難。但是超高性能混凝土相對於普通混凝土的最大優勢之一是潛變和乾燥收縮等體積變化較小，強度及靭性高，可以最小化結構元件的橫截面尺寸，經過多年對 UHPC 特性的開發和研究，被用於商業應用以滿足優質建築的需求不斷增長。世界上許多專案開始使用UHPC來實現不同的施工目標，例如可用於預鑄大跨距構件、柱、護套、雨幕覆層系統、面板系統、外牆等。UHPC的潛在應用包括高層建築、修復工程、結構和非結構元件、機器零件和軍事工程結構[23,24]。而且UHPC的高強度及高靭性，構件橫截面可以設計成較小尺寸，也可以特殊設計成類似鋼鐵結構的各種型式，製造重量較輕的UHPC結構。換言之，UHPC可以有效地應用於預製混凝土產業上，尤其配合更佳的拌和技術，UHPC已可現場澆築、澆築、疊加或噴射，可以進行加固和升級各種基礎設施，如橋樑及舊建築等。在台灣曾經製作導電混凝土及儲能系統，未來可朝高經濟效益方向進行。

在臺灣轉機是因為目前正處於嚴重缺工情況，這對高度勞力密集的混凝土工程施工是不利的，此條件下急需技術密集的現代化施工技術，及更佳的混凝土技術，UHPC似可填補此一需求。筆者的研究團隊所進的石墨烯奈米材料應用在混凝土中的研究中，因石墨烯抗拉強度為鋼筋抗拉強度的100倍，所以鋼筋混凝土結構可能就不需用鋼筋，同時由於拌和時鋼纖維會均勻佈分散成為理想的等向性材料，並且已可以利用雙核心拌和設備，調製成工作性適宜的UHPC，也可以利用3D列印的技術，來列印結構系統，未來結構施工能像堆積木一樣的方式結合BIM，直接按圖吊裝施工。當然也可以利用3D技術列印出各種不同接頭及筍頭，施工就像明代傢俱般，直接組裝結構系統即可。

此外，UHPC 設計規範條款的製定和廣泛接受性，必須以透過研討會及講習會方式大力推廣UHPC，鼓勵建築業的利害關係人實施大規模應用。目前臺灣比照ACI(美國混凝土協會)新版「鋼筋混凝土」，進行本土化使用「高強度鋼筋及高強度混凝土」的新鋼筋混凝土(New RC)的規範。相信UHPC和高強度鋼筋的結合，預計將在不久的將來產生獨特的結構系統，將是預鑄混凝土結構物的一片天，是一種挑戰也是際遇，讓大家一齊期待。

感謝

本文記述臺灣科技大學營建材料研究室的研究足跡，分析美國混凝土2030遠景，並對未來超高性能混凝土(UHPC)所面臨的挑戰與際遇進行探討。這項工作不僅旨在為臺灣混凝土的未來發展提供幫助，挑戰那些似乎不可能完成的任務，也希望能促進土木工程專業人士在面對新挑戰時展現出更大的韌性。筆者要對在過去四十餘年對營建材料研究室不懈支持的國內外同仁表示衷心的感謝，他們的辛勞和奉獻是不可或缺的。特別是對臺灣科技大學提供的場地與設施支持、科技部及產官學界的經費支持，以及歐盟夥伴的協助，這些都是研究成果能茁壯成長的關鍵，對此筆者深感謝意；若有先進同好從事混凝土科研推廣實務應用者，有需要完整內容者，請逕與公會編輯小組林小姐洽詢如何取得一至八完整篇幅之PDF電子檔!