卜作嵐摻料與強塑劑搭配對混凝土的意義及妙用

黃兆龍  土木技師/

國立臺灣科技大學名譽教授/美國伊利諾大學管理碩士及材料博士

卜作嵐益混凝土，
水泥減量力道強。
施工靈活延時效，
耐久性能更突顯。

一、引言

現代建築配合綠建築、節能及低碳工法，以滿足淨零排放的時代潮流，透過添加卜作嵐摻料填塞粒料間隙，降低碳排最高的水泥用量，提高水泥強度效益(CSE)，但是比重較輕的材料又會造成漿體粉料過多而損及工作性，所以適當加入強塑劑也是非常重要的工作。本文主要詮釋卜作嵐摻料的性能，並且強調搭配強塑劑，達成永續耐久的目的。

二、礦粉摻料的類型及應用策略

礦粉摻料主要區分為四大類型【1】、【2】，見表1所示【3】。材料的種類繁多，用途廣泛，有益耐久性能，有很大的創意空間，可以自由發揮，有益土木技師進行鑑定工作時的參考。

表1　混凝土礦粉摻料及減水劑的功能及材料[黃兆龍，2002，混凝土性質與行為]

1.  膠結性材料

膠結性礦粉摻料，包括細粒化高爐石粉﹑天然水泥及水硬性消石灰等見表1所示，化學成分與水泥成分鄰近，故其性能類似水泥，圖1所示，具有加水硬化之性質，所以一般可直接取代部份水泥，發揮甚佳的強度及耐久性效果。

2.  卜作嵐材料

卜作嵐材料為富含氧化矽及氧化鋁成分材料，能與水泥水化生成大約佔有水泥重量的20%左右之氫氧化鈣(CH)，或外加鹼質物產生緩慢卜作嵐水化反應，而具有類似水泥水化產物之膠結性反應之任何材料均屬之，CNS 3036指「天然或煆燒卜作嵐攙和物」，直白說就是燒結過的「粘土材料」，使氧化矽及氧化鋁產生質變，而富有反應活性，會如同火山灰一般，火力發電廠的燃煤飛灰，是煤炭裡的粘土雜質在高溫下燒結而成的，這是古羅馬建築歷經二千年的長壽基因之一。卜作嵐的膠結功能係透過如下公式(1)之卜作嵐反應而達成。

由公式(1)及圖1，可看出卜作嵐材料主要因含有大量的氧化矽(SiO₂)及少量的氧化鋁(Al₂O₃)，能與水泥中之「氫氧化鈣、氫氧化鈉及氫氧化鉀」及「水」產生緩慢反應作用，這類卜作嵐的材料也包括矽藻土﹑貓眼石、角岩﹑粘土﹑頁岩﹑火山堆石﹑浮石﹑飛灰﹑稻殼灰及矽灰等均屬之，表1標示黃色部分。公式(1)同時揭示這種反應需要充分水的助益下才會達成，所以混凝土配方中的水灰比(w/c)必須大於0.42，且愈高愈能發揮效益。

卜作嵐材料如果顆粒較細且形狀呈圓形，對增加工作性及塑性有相當幫助，可以當作「助泵劑」。另外因卜作嵐材料產生卜作嵐反應會消耗鹼質產生膠結反應，可清除水泥中之有害物質，如硫酸根離子及活性骨材的反應，有助「抗硫酸鹽侵蝕性質」及「抗鹼骨材反應作用」雙重作用。更由於卜作嵐反應固化易溶性之氫氧化鈣、氫氧化鉀及氫氧化鈉，使骨材與水泥漿界面更穩定，會明顯降低水的滲透性，所以又被稱之為「減滲劑」，見表1所示。

卜作嵐材料取代部份水泥，因其固化產生之低密度C-S-H物質，呈現低密度泡棉狀，見圖2下圖所示，充填宏觀及微觀孔隙與空隙，確保長期強度發展及耐久性，在初期水化過程因降低水泥量，而減低水化熱量，對防止熱裂縫及減少塑性裂縫有很大助益。 

3.  卜作嵐和膠結性材料

高鈣質飛灰及細磨水淬爐石粉屬於兼具卜作嵐及膠結性之材料，當然使用高爐石粉兼具以上1及2項之特徵。

4.  標稱惰性材料

礦物粉末等惰性材料，僅有緻密充塞空隙之功能，可用來增加工作性，增加混凝土密度，有益長期穩定性，台灣水泥公司推廣石灰石粉末（CaCO₃）添加入混凝土也是利用此項特徵達成。

三、礦粉摻料的添加量

礦粉摻料的添加量到底多少才正確呢?其實添加的原則是「不該加而添加」即是「多」，「該添加而不加」即是「少」。據此黃氏緻密配比法【1】以燃煤飛灰等卜作嵐材料填塞砂粒間的空隙，達到緻密點的比率【2】即先透過物理緻密。如同砂石粒料，然而飛灰等本質上仍可透過卜作嵐反應產生膠結材料，達到化學強化的功能，見圖3所示。但一般使用者常會參考表2及表3列示的資訊，其實是壓抑飛灰的使用比例及特殊耐久性功能【4】，近三十年來利用黃氏緻密配比法【1】已經完成許多大型建築工程【5】、【6】、【7】，見證這種「綠混凝土」強度佳、耐久性好【8】。所以大家可以打破傳統框架，使用量完全可以依據混凝土工程品質需求、骨材形狀及空隙大小而定【3】。簡而言之，不必過分受到拘束。目前「綠混凝土」規定卜作嵐至少取代40%以上才符合標章要求，也就是水泥強度效益約20psi/kg水泥。

四、卜作嵐材料搭配強塑劑達到各項混凝土性能

混凝土中單獨摻加卜作嵐材料時，比重較水泥輕的卜作嵐材料，比表面積大，吸咐大量水分子而影響工作性。所以為了滿足高流動性及自充填水準，必須添加表1中之強塑劑或減水劑，粉紅色標示部分，以達成所需之工作性。但也因此時常會添加大量水，通常水量約為200kg/m³，以致造成品質劣化現象，如裂縫、浮灰、滲水等。而採用緻密混凝土配比方法，以卜作嵐材料填塞「粗砂（FM＝2.8~3.1）」的空隙，類似金屬合金元素的技巧，將稀土「置入」而非「替代」的策略，使鋼鐵材料突顯出更佳的特性，混凝土也是如此【4】。為了滿足工作性需求，添加超強減水劑-強塑劑，同時將水量降至170kg/m³以下，著重以緻密最大單位重為架構，可以製造出「低水量高流動與低水泥量高強度」的混凝土，兼顧圖3所示「物理填塞」及「化學強化」的雙重特性，是一舉兩得的䇿略，目前甚至依此已調出強度超出30,000psi的「超高性能混凝土(UHPC)」。同時透過卜作嵐材料與搭配添加強塑劑，可以達成各項如表4的所需性能。表4列舉出可以透過添加不同種類型的卜作嵐材料及強塑劑摻料，獲取某項無法短期間獲得的性質。

　　表2　混凝土在卻冰鹽環境下容許卜作嵐材料最高使用量(ACI 318-99)

表3    ASTM C595規定細磨粒化高爐石粉及飛灰用量【黃兆龍，高性混凝土理論與實務】

表4   添加摻料入第I種水泥而獲得其它型別水泥之性質

五、卜作嵐及強塑劑的添加對混凝土耐久性的效益

卜作嵐反應作用的功能係將已水化形成之氫氧化鈣產物及水泥中所含之鹼(N,K,C)轉化成密度較低之C-S-H膠體及小孔隙，如泡棉般有些微膨脹作用，促使水泥漿結構被充塞，空間網絡閉塞，而形成不透水組織。見公式(1)及圖2之下圖，卜特蘭－卜作嵐，顯示卜作嵐作用將原來易溶性之CH，轉換成穩定低密度之C-S-H膠體，見圖2所示【3】，經過長期之探討，卜作嵐作用與卜作嵐材料的「質」(品質)與「量」(數量)均有關。「質」在選擇上應以「量多價低」為主。「質」同，則「量」應以充填顆粒材料之空隙為原則，如此則對混凝土的貢獻是正面的。另外燃煤飛灰的「質」以「含碳量」或「燒失量」為最直接。但質的影響只對工作性及早期強度有關，但對混凝土耐久性而言，只要添加卜作嵐入混凝土中都有益處，圖4及圖5顯示添加卜作嵐對混凝土電阻係數與電滲量的耐久性指標都是正向的。這種利用材料生剋之原理，透過鹼-酸反應創造出膠體，進而增強耐久性能。總而言之，使用摻料的技術基本觀念是應用摻料可以改變混凝土材料的性質，意義非凡。 2001年3月UC Berkeley梅塔教授指出水泥中含過量水泥量與水量，均不利於耐久性之觀點，即使只採用第I型水泥，並添加卜作嵐及減水劑消耗及減少有害的氫氧化鈣的量，可以控制及減低混凝土體質不良的基因，善用表1的摻料甚為重要。

圖4　用水量W/C，W/B及W/S與電阻之關係 （圖中S及F分別表示混凝土中添加爐石∕飛灰和矽灰∕飛灰）

圖5　電阻與氯離子滲透之關係

六、結論

本文詮釋混搭添加卜作嵐及強塑劑，可以改變混凝土各項性質，不論工作性、流動性、強度、耐久性等，都可以獲得保障，先決條件都必須充分了解添加摻料的真正功能，混凝土材料經緻密調配至最低水量及最低水泥量，更重要的是仍需要完善的混凝土品質計畫書，並確實進行品質認證工作，依照計畫(Plan,P)-執行(Do,D)-檢討(Check,C)-修正(Act,A)的流程，建立標準作業流程及完整資料庫，確認品質穩定性及隨氣候變化而性質改變之影響，幸運的是這些資訊已經可以透過AI及Iot技術，使混凝土品質可控，達到「始終如一」的優良品質，符合ESG管理目標。

參考文獻

1.黃兆龍，2003，高性能混凝土理論與實務，詹氏書局。

2.黃兆龍，2003，卜作嵐混凝土使用手冊，科技圖書公司。

3.黃兆龍，2002，混凝土性質與行為，詹氏書局。

4.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。

5.黃兆龍，1994，「HPC使用於高雄東帝士85層高樓整合規劃」，結構工程，第九卷，第一期，第43~52頁。

6.黃兆龍等，2005，國立海洋生物博物館世界水域館－新建工程耐蝕高性能混凝土配比設計及研究，鳳勝預拌廠委託，國立海洋生物博物館工程報告。

7.黃兆龍、王和源、李隆盛、陳建成、林利國，1999，台北國際金融中心超高層大樓新建工程－高性能混凝土先期品質管制，結構學會與台北金融大樓股份有限公司建教合作報告。

8.內政部建築研究所，2024，綠建材解說與評估手冊。