從「新生高架橋改善工程」

談化學植筋黏著劑之「潛變」現象

陳正平技師

摘自[1] 台北市工務局新建工程處「新生高架橋改善及北端引道改建工程主題網」 

前言

台北市南北向交通要道新生高架橋，因耐震能力不符合現行橋梁耐震設計規範要求，台北市政府為提高其結構安全性，乃辦理「新生高架橋改善及北端引道改建工程」案，該改善工程之工程項目中，與化學植筋黏著劑相關者計有「帽梁擴座」、「橋墩補強」、「護欄增設隔音牆」、「橋面伸縮縫改善」及「加設止震塊和防震拉條」等(示意圖見圖1)。工程發包後，自民國97年7月起展開補強工程，至民國98年10月10日重新通車。本案補強工程承包商工信公司所採用之化學植筋黏著劑係由西卡公司（Sika Corporation）所生產之Anchor Fix-4緩凝型黏著劑，鑒於同為使用西卡公司產品Anchor Fix-3速凝型(Fast Set Epoxy)化學錨栓黏著劑，作為美國波士頓州際公路90號連接隧道(The Interstate 90 Connector Tunnel) 混凝土天花版懸吊裝置之工程，曾於民國95年間發生隧道頂部混凝土天花板片掉落，造成民衆傷亡事件(見圖2及圖3)。美國運輸安全委員會(National Transportation Safety Board)之調查報告，認為隧道天花板掉落意外事件之肇事主因，為該工程所使用之黏著劑為西卡公司所生產的AnchorFix-3速凝型黏著劑，且西卡公司美國分公司曾於民國98年1月發函回收Anchor Fix-3及Fix-4黏著劑，導致民國98年8月間新聞媒體報導「新生高架橋改善工程」所使用西卡公司產製的植筋黏著劑，存有下列安全疑慮：

1、西卡公司美國分公司發函回收Anchor Fix-4 黏著劑，其回收原因為何？是否會影響公共安全？

2、西卡公司製造之黏著劑長期承載能力是否足夠？

圖1 植筋使用位置示意圖[1]聯合報、工務局		圖2 天花板掉落現場照片[4]
圖3 破壞現場之照片可見屋頂懸吊基板己明顯的被拖離隧道頂[4]

美國波士頓州際公路九十號連接隧道工程災害事件

2006年7月1日位於美國波士頓州際公路90號連接隧道內所發生之交通工程意外事件，係約9 m寬，12m長，總重達24 tf的混凝土天花版片，掉落在北向車道上，造成一對正巧駕車經過的夫妻一死一重傷。意外事件發生後，美國國家運輸安全委員會(National Transportation Safety Board)調查報告「National Transportation Safety Board Accident Report, 2007」中，指出黏結天花板錨栓的速凝型黏著劑是這起意外的禍首，因為這款速凝型黏著劑，在承受長期的拉力時有較大的潛變(Creep) ，因而錨栓產生較大的位移而失去握裹力。破壞現場之照片(圖3)可見隧道頂，懸吊基板(Roof Hanger Plate)因受長期軸向懸吊拉力，己明顯的向下脫離隧道頂。調查報告指出此款速凝型黏著劑是美國Powers Fasteners公司，使用美國西卡(Sika)公司Sikadur Anchor Fix-3的原料重新包裝之產品；新生高架橋所使用之黏著劑為西卡公司之緩凝型黏著劑 (Anchor Fix-4) 雖與波士頓隧道所使用之(Anchor Fix-3)速凝型黏著劑不同，但仍受到社會大衆對其安全性的質疑。

植筋黏著劑測試 

針對各界質疑台灣西卡公司提出美國西卡公司決定自願性召回AnchorFix-4產品之原因摘要如下：

1、2008年底，美國西卡公司認為部分批號的Anchor Fix-4植筋膠，有不同程度的樹脂結晶現象，因此將Anchor Fix-4產品之使用期間由2年縮短為9個月。

2、銷售到台灣西卡公司之Anchor Fix-4產品均特別標示須於9個月內使用，所有銷售予台灣西卡公司之Anchor Fix-4產品均經過美國西卡公司以熱處理方式特別處理，以去除結晶，並確保銷售後至少9個月內無結晶現象。

「新生高架橋改善工程」所使用化學黏著劑為西卡公司產品Sika Anchor Fix-4黏著劑，經鑑定單位[2]委請國立台灣大學謝國煌教授於民國98年9月2日至工地現場於暫封存之Sika Anchor Fix-4環氧樹脂材料中抽樣選取樣本，產品批號為082910X1LC，製造日期西元2008年11月(最佳使用期限為西元2009年11月30日)。樣品於民國98年9月3日至9月10日在台灣大學化學工程系附屬實驗室進行化學及物理性質試驗，測試結果顯示，Sika Anchor Fix-4之環氧樹脂Sika（A劑）硬化前，在200℃內仍能維持結構穩定，不會產生熱裂解現象；由微差掃瞄卡計分析儀(Differential Scanning Calorimeter，DSC)之分析結果，顯示30℃至200℃之溫度範圍內並無結晶吸熱峰現象，顯示Sika環氧樹脂抽樣材料之物理性質呈現無結晶現象。Sika CONTRACTORS產品外觀如圖4，由A、B兩劑組成，經注射器擠壓以體積比1：1混合射出。

圖4 Sika CONTRACTORS產品外觀，Sika (A)為環氧樹脂；Sika (B)為硬化劑。

鑑定單位[2]亦委請「財團法人國家實驗研究院國家地震工程研究中心」，及國立台灣大學營建工程系」進行植筋(栓) 黏著劑之抗拉拔試驗，試驗模式示意圖見圖5至圖9所示，試驗結果Sika Anchor Fix-4黏著劑強度均能達到原設計要求。

化學植筋黏著劑之「潛變」行為

波士頓隧道天花板與隧道屋頂的固定方法如圖10及圖11所示，每一個屋頂懸吊基板(Roof Hanger Plate)由兩根用西卡公司產品Anchor Fix-3速凝型化學錨栓黏著劑黏結之錨栓，固定於隧道頂，整個24噸重的混凝土天花板懸掛在52根錨栓上，每根錨栓的設計承載懸吊拉力約為1.18 tf (容許工作強度＝1.8 tf；極限破壞強度＝7.3 tf，安全係數＝4)。

從破壞現場取出的20根錨栓發現，平均有1/10的埋置長度(Embedment length) 有空隙 (沒有黏著劑)，其中有5根錨栓的空隙達29 %的埋置長度；3根從破壞現場取出之錨栓情況如圖12，這些問題大多是由於向上植入安裝(Overhead Installation)之施工方法及長期承受軸向懸吊拉力，導致潛變拉出的現象； 新生高架橋之錨栓是向下或水平植入安裝法，亦無長期承受軸向直接拉力的現象，應不致有類似問題發生。

圖12  錨栓上之黏著劑之情況 [1] 

在意外事件發生後，美國聯邦公路總暑(FHWA)曾作了速凝型和緩凝型黏著劑之潛變(Creep)試驗。從圖13可知以速凝型黏著劑(Fast Set Epoxy， Anchor Fix-3) 黏結之錨栓的潛變位移(Displacement)，隨受力時間增加而增大；然而以緩凝型黏著劑(Standard Set Epoxy，Anchor Fix-4) 黏結之錨栓的潛變位移，隨受力時間的增加而增大甚微。圖13為錨栓之潛變曲線 (受2000 磅垂直張力)，上兩條曲線為速凝型黏著劑黏接之錨栓的位移；下兩條曲線為緩凝型黏著劑黏接之錨栓的位移[4]。依據ICC EVALUATION SERVICE INC. AC58(2007)4.4.3節之規定(2007年1月起由ICC AC308取代)，潛變試驗之試體，承受靜載重試驗所得平均極限載重之40%之荷載，經過600天後其平均總變位不得超過3.05mm，才可判定為合格。

  圖11  錨栓之潛變曲線(上2條：速凝型，下2條：緩凝型) 

結論

由「新生高架橋改善工程」化學植筋黏著劑事件的始末，工程界體認到植筋系統發生「潛變」現象的嚴重性。向上植入且承受長期軸向張力之植筋(栓)之設計與施工，除須注意植筋黏著劑之填充可行性外，亦須考慮到長期承受軸向直接張力時，發生潛變拔出之可能性。 

【參考資料】

[1] 台北市工務局新建工程處，「新生高架橋改善及北端引道改建工程主題網」。

[2] 台灣省結構工程技師公會，「新生高架橋改善工程化學黏著錨筋及化學黏著錨栓拉拔試驗鑑定報告書」，台省結技鑑字第1782號。

[3] 喜利得股份有限公司，「植筋設計應用手冊化學黏著錨筋及化學黏著錨栓拉拔試驗鑑定報告書」，台省結技鑑字第1782號。

[4] National Transportation Safety Board Accident Report, July 2007: “Ceiling Collapse in the Interstate 90 Connector Tunnel, Boston, Massachusetts, July 10, 2006,” NSTB/HAR-07/02.