本土化矽灰混凝土 工程上之應用

湛淵源 技師/華夏科大建築系教授

陳駟侑 聯曜實業公司研究員/明新科大土木系兼任助理教授

矽灰(微矽粉，學名“矽灰”，Microsilica或Silica Fume），是在冶煉矽鐵合金或工業矽時，通過煙道排出的矽蒸汽氧化後，經特別設計的收塵器收集，得到的無定形、粉末狀的二氧化矽（SiO₂），是屬於外來的工業廢棄物再生利用的典範。矽灰平均粒徑在0.15~0.20 μm，歸於奈米級(Nanometer)顆粒，比表面積爲15000~20000 m²/kg，具有極強的表面活性。近20年來，矽灰在國外建築、化工、冶金等領域廣泛應用。其中大量的矽灰，主要用於水泥或混凝土摻合料，以改善水泥或混凝土的性能，調配具有超高強（fꞌc≧C70以上，≧10000 psi）、耐磨、耐沖刷、耐腐蝕、抗滲透、抗凍、早強的特殊混凝土，可應用於大壩、大型水庫、水電、海港碼頭、鐵路橋樑、高速公路、飛機場跑道、隧道及超高層建築等特殊土木建築工程場合。同時，矽灰還可以用於耐火材料和陶瓷製品的生產，提高產品的強度和耐久性；用於油漆、塗料、樹脂、橡膠及其他高分子材料填充物，能發揮改善材料綜合性能目的。

卜作嵐材料，是現代混凝土科技不可或缺的主要材料之一，有別於煉鋼業資源化回收物的爐石粉，以及燃煤火力發電廠燃燒廢氣回收資源化粉塵的飛灰；國內並不生產矽金屬材料，矽灰全然由國外進口(歐洲、美國、澳洲、中國等)，價格自然比較昂貴(相較於爐石粉和飛灰)。表1顯示混凝土主要材料價格，膠結材料中矽灰價格約是水泥8倍、爐石粉15倍、飛灰31倍，同屬於工業回收再利用材料，矽灰產製過程，比水泥流程更精緻複雜，性能也比爐石粉和飛灰高，產量較少稀有自然不便宜。

表1混凝土主要材料單價一覽表(民國100年)

本文嘗試以壩體相關設施，說明矽灰混凝土問題與應用。矽灰混凝土(Silica fume concrete，SFC)配比設計，主要是引用ACI 211.1與211.4R-高強度混凝土(fꞌc=8000 psi，55 MPa)、ACI 234R-矽灰混凝土、同時參考ACI 318-14結構混凝土等設計規範[1]。到底矽灰量要用多少才適宜呢?依據ACI 318第19.3耐久性章節的表19.3.1.1，對處於冰凍-融解的F3暴露(Very severe)-於除冰鹽或連續潮濕環境中，表19.3.2.1混凝土暴露等級，矽灰用量建議不大於總結膠結料10%(見ACI 318-14的表26.4.2.2(b))；工程會綱要施工規範-矽灰混凝土建議用量也是10%。在國內，水壩體的洩洪(引水)道，因有高差水流沖刷混凝土表面，及因洪水夾雜一些樹木與小石塊等，造成洩洪(引水)道局部移動應力相當巨大，對混凝土表面沖蝕加劇，表面必須耐水流(與夾雜物)沖刷要足夠才能抵抗，而混凝土強度與粗粒料(骨材)強度扮演重要角色。圖1顯示位於南投雪霸國家公園的士林壩及仁愛鄉的栗栖霸外觀，矽灰混凝土主要應用在溢洪道、排砂道、靜水池、進水口等，其中士林壩靜水池的矽灰混凝土面產生龜裂[2]，如圖2；栗栖霸改良士林壩配比，加入飛灰時有顯著改善上述問題癥結。士林壩設計規定矽灰用量為水泥15±1%，參考美國賓州Kinzua水壩淨水池之修補材料，且較無矽灰混凝土施作經驗，在士林壩施作後由文獻[2]改良配比用於栗栖霸，而稍得到問題解決。在國內，幾乎在同一時間研發出本土化矽灰混凝土配比，可供工程界參考。

表2與表3是士林壩、栗栖壩、本土化矽灰混凝土配方。三種配方，都是使用中部河川流域的砂石粒料，可加以比較各配比材料成本差異(表4)、設計抗壓強度(表5)等。本土化矽灰混凝土(Modified silica fume concrete, MSFC)，採用國內生產之爐石粉與飛灰，加上國外進口的矽灰和國產水泥，結合成四相膠結材料的MSFC[1]。各配比使用材料成本分析，將表1材料成本帶入表2及表3各配比計算出所使用材料成本，如表4，MSFC的材料成本是士林壩(57%以下)與栗栖壩(67%以下)的三分之二以下，是具有相當大的競爭潛力。由表5各配比不同齡期強度發展，水膠比介於0.24~0.26之間，強度發展上，28天與56天時，MSFC均大於士林壩與栗栖壩強度，從表3各配比的水泥量發現，MSFC只有312 kg/m³是非常低，但是fꞌc可以達12000至13000 psi以上，已經成功地應用在中鋼魚雷車的軌枕，以及台電低放射性核廢料的高承裝性貯存容器HIC桶上，未來可朝壩體工程與土建工程上應用。 

表2  雪霸國家公園士林壩與栗栖霸矽灰混凝土配比

士林霸: a.坍度:24公分，D_max=3"/8；b.坍度:24公分，D_max=3"/4；c.坍度:18公分，D_max=3"/4。

栗栖霸: 1.坍度:22公分，D_max=3"/4；2.坍度:18公分，D_max=3"/4；3.坍度:15公分，D_max=1"/2。

表3  傳統與本土化矽灰混凝土配比設計結果

*: SP用量為(水泥+爐石+飛灰 +矽灰)%。 

表4  不同配比矽灰混凝土(SFC、MSFC和士林壩)材料成本單價分析

表5   SFC與MSFC和士林壩與栗栖霸矽灰混凝土抗壓強度[1,2]

結語

矽灰混凝土(SFC)配比與應用，大都來自國外(採用ACI為主流)，國內使用上案例並不多見，衍生問題也較特殊，不像爐石粉應用較為廣泛普遍。本土化矽灰混凝土(MSFC)，結合飛灰、爐石粉、矽灰和水泥，由文獻[1]蒐集國內外文獻開發成功，並應用在中鋼魚雷車的預力軌枕(已取得美國專利)，和台電低放射性核廢料貯存桶(HIC)上，成本是本文介紹水工案例的三分之二以下，具有相當競爭力優勢，此可提供工程界參考。

參考文獻

1.陳俊村(陳駟佑)，矽灰混凝土配比簡化模式建構與其相應工程性質之研究，博士論文，台灣科技大學營建工程系，台北，2011。

2.宋讚恒，台灣地區耐磨混凝土工程水工結構應用探討，碩士論文，朝陽科技大學營建工程系，南投，2011。