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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一一○年五月八日

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談加拿大「跨峽大橋」DBOT契約模式

湛淵源 技師/華夏科大建築系 教授

前言

加拿大愛德華王子島省(Prince Edward Island),位於與新布倫瑞克省(New Brunswick)之間,到東點的諾森伯蘭海峽(Northumberland Strait)之間的一座小島,見圖1,長約140英里(225公里),寬240英里(365公里)。該島位於北緯46°47°、東經62°64°之間。諾森伯蘭海峽在南部和西部,將島嶼與新斯科舍省和新布倫瑞克省分開。因該島擁有肥沃的紅色土壤,使該島有了兩個綽號:「海灣花園」(指聖勞倫斯灣)和「百萬英畝農場」,由於當地盛產馬鈴薯,所以有時後也被稱之為「Spud Island」。未興建聯邦跨峽大橋Confederation Bridge[1] (見圖2與圖3)前,往來島嶼與加拿大本土間,是要靠飛機與渡輪(Ferry)接駁,交通不太便利,因而有改善通行問題的構想。

加拿大「跨峽大橋」建造採購契約模式為:設計-興建-營運-轉移(Design-Build-Operate-Transform, DBOT model),總經費約10億美元,是由加拿大聯邦政府提供經費。該橋設計服務年限長達100年,前35年營收與維護修繕,歸開發商負責,這種概念,意味著專案有「設計,建造,營運,轉移」程序,協議的營運部分將持續到35年,或一直持續到2032年,屆時該橋將恢復原狀[2]。在35年的特許期內,離開愛德華王子島時收取的通行費收入,將歸由開發商處理,用來涵蓋專案建設的風險以及設施的維護和運營等費用,35年後,這座橋的所有權,將移交給聯邦政府。

從根本上說,對於私人開發商Strait Crossing Development Inc.SCDI)而言,SCDI負的責任,是作為一個謹慎的所有者來管理該設施,並為旅行公眾提供安全保障。而此專案額外有利的地方,在於橋樑代替渡輪的通行服務,每年可減少50,000噸的溫室氣體排放。SCDI要負責規劃、設計、施工和營運維修至少35年之久,營造單位必須尋找一種是加拿大較為熟悉與最具耐久永續性的材料施作,於是找到加拿大CANMET (The Canada Centre for Mineral and Energy Technology, CANMET)的前領導人V. M. Malhotra[3],商議解決方法,Malhotra與其領導的團隊,在加拿大及國際上相當有名,專精於高性能混凝土(High performance concreteHPC)的研發與開發和應用著稱1996年,曾應邀至台灣分享使用的經驗。HPC這個名詞,並非很新鮮的詞彙,但是卻是混凝土材料耐久永續性的代名詞,特別是在特殊環境或需永續性質的土建結構物上,更值得一提。

負責營建Confederation BridgeSCDI,由Malhotra團隊為其專案簡報HPC後,遂決定橋梁以HPC混凝土為設計主軸,HPC包含材料性質、新拌性質、硬固性質、耐久性質、體積穩定性質等等,尤其是耐久性質的強度、抗磨蝕、凍融、抗腐蝕、抗AAR(鹹骨材反應)等問題,HPC可以滿足Confederation Bridge的耐久服務年限100年需求,而且HPC所有材料,都易於加拿大本土取得,可以大大節省原材料成本費用。但是聯邦政府在採購契約規定,橋結構物必須要具低維修性(Low maintenance),所以HPC應該有耐久性與低維修性能

Malhotra針對Confederation Bridge提出兩種HPC配方,如圖3,第一種是橋梁箱型樑的Box girder,第二種是橋墩的防融冰對橋墩潮汐帶的冰磨蝕高性能混凝土,見圖4與圖5。施工的HPC配方,見表1,從表中可見施工時平均抗壓強度,分別為73 MPa93 MPa,這種配方一大的特色,是水泥添加卜作嵐的飛灰與矽灰都不超過10%,符合目前ACI 318-20耐久性規定;矽灰由於具高細度是nm(奈米)尺度,可以增加HPC早期強度的利器,F級飛灰則是μm(微米)尺度,有助於提升晚期耐久性的最佳選項。

聯邦跨峽大橋冬季結冰與春季融冰,會對橋墩接觸海水潮汐帶,有凍融與浮冰磨蝕嚴峻的考驗,且由低維修性與耐100年服務壽命問題,Malhotra提出高強耐磨性低凍融的HPC配方,橋梁冰盾(Ice shields)的平均強度93 MPa,因w/cm=0.25拌合水量142 kg/m3,有添加高性能減水劑6.0 L/m3,工地工作性達到200 mm,是屬於相當低水膠比及耐久性配方,因有加入輸氣劑(0.35 L/m3),輸氣量約5%(輸氣1%約減少5%強度),否則冰盾強度將由93 MPa提升至124 MPa以上約18,000 psi

1下方註解與圖6表示[4],同為加拿大HPC的專家學者,國際知名Pierre-Claude Aïtcin教授[3],也曾與Malhotra一同來台,分享HPC,在國際期刊發表聯邦跨峽大橋施工時配比,見表1,在以下註解:目前,加拿大紐芬蘭紀念大學的一名學生,正在實驗室追踪橋墩冰盾(Ice shield)的混凝土,根據他的測量,這種冰盾磨蝕HPC混凝土的使用壽命,估計為300年。這是現有的文獻得出聯邦跨峽大橋,最重要單元橋墩的冰盾耐久性實驗室測試結果;而圖6是由Donald J. McGinn在橫渡聯邦跨峽大橋海峽渡口時,檢視冰盾情況所拍攝,並將影像局部放大的照片,這是橋梁完工後10年拍攝的,圖6(a)是冰盾磨蝕後的表面,顯示有輕微剝落(Minor damage),但是冰盾保護層有10公分厚,損傷是十分輕微的;圖6(b)表是冰盾外觀英姿,顯示冰蝕並不是十分顯著,HPC優異品質明顯呈現。

此與加拿大紐芬蘭紀念大學的一名研究生,以模擬聯邦跨峽大橋冬季冰凍及春季融冰,凍融與融冰移動模擬衝擊磨耗情景,追踪橋墩冰盾(Ice shield)混凝土的耐久性,根據其測量,這種混凝土的使用壽命估計為300年。而設計工程師目前較關心潮汐帶橋墩腐蝕問題,根據Malhotra指出,見表2,在氯離子擴散試驗,無論是Box girderIce shields,因HPC保護層都在3"-4"間,水滲透係數都很小<<10-14m/s,而在氯離子快速試驗中,取樣工地鑽心試體,28天齡期時約為300庫倫,「非常低」氯離子滲透性,顯示HPC的滲透性是非常低的,防蝕耐久性沒有問題。

結語

聯邦跨峽大橋Confederation bridgeDBOT採購模式實施後,HPC高性能混凝土,扮演非常稱職的角色,在營運後,檢視橋墩的冰盾(Ice shields),無論是實驗室與現場偵測數據顯示,HPC品質十分優異,對海域混凝土而言,高耐久性HPC、適當的結構形式、足夠的保護層及優異的施工品質,可成功應用於臨海與跨海水域的結構物,值得吾輩土木營建人員參考應用。

 

參考文獻

1.     網站: “Prince Edward Island photo” and “Confederation bridge photo”, 2020.12.6

2.    https://www.coursehero.com/file/74305150/PROJECT-DELIVERY-METHOD-USED-IN-THE-CONFEDERATION-BRIDGEdocx/ . 2020.12.13

3.     黃兆龍主編,高性能研發及推廣研討會論文輯,台科大營建工程系,台北,1997.6.21-22

4.     Confederation Bridge - an overview | ScienceDirect Topics, 2020.12.6.

1  Confederation bridge位於愛德華王子島與新布倫瑞克省之間的跨峽大橋[1]

 

 
德華王子島省位置[1]

 

3  Confederation Bridge完成外觀[1]

     
 
4  Confederation Bridge橋墩漸結冰[1]   5  Confederation Bridge橋墩漸融冰[1]

 

1  Confederation Bridge海洋箱型樑與橋墩冰盾施工配比與平均抗壓強度[4]

Item Box girder Ice shields
w/cm  0.3 0.25
添加矽灰混合水泥 (kg/m3) 430 520
F級飛灰 (kg/m3) 45 60
粗粒料 (20 mm) (kg/m3) 1030 1100
細粒料 (kg/m3) 705 562
拌合水 (L/m3) 145 142
輸氣劑 (L/m3) 0.18 0.35
減水劑 (L/m3) 1.8 1.6
緩凝劑 (L/m3) 0.58
強塑劑 (L/m3) 3.2 6
平均抗壓強度 (MPa) 73 93

:By Pierre-Claude Aïtcin, Jean-Martin Lessard, in Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete (Second Edition), 2019. 目前,加拿大紐芬蘭紀念大學的一名學生正在追踪橋墩冰盾(Ice shield)的混凝土,根據他的測量,這種混凝土的使用壽命估計為300年。

6  (a) The Confederation Bridge (Canada)歷十年後橋墩冰盾微外觀 (b) 93 MPa

 橋墩保護冰盾外觀, 十年後僅有些微剝落(Donald J. McGinn在海峽渡口拍攝)[4]

 

Confederation bridge結構混凝土長期耐久性測試結果[3]

試  驗  項  目 混凝土測試值(Class A)
凍融試驗(ASTM C666 Procedure A) RDF = 99 (500 cycles)
除冰鹽試驗(ASTM C672) 112 g/m² (100 cycles)
快速氯離子滲透試驗(AASHTO T277、ASTM C1202) 300 coulombs Per 28 days
蓄水氯離子滲透試驗(Ponding test) 0 – 13 mm; 0.06% cl-
(AASHTO T259/260) 13-25 mm; 0.002% cl- 
磨耗(損)試驗(ASTM C1138) Vol. loss 36×10-6
水滲透性試驗(CANMET-自行研發試驗) No measureable flow
Inferred k < 10-14 m/s

 

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