談 基礎「巨積混凝土」

溫控計畫案例與建言

湛淵源  技師

前言

台灣混凝土學會(TCI)所屬混凝土科技期刊第7卷第3期專文(102年，2013)刊載，由邱暉仁等人所著-混合水泥應用於「巨積混凝土」之案例分析[1]一文。適值筆者於104執行省公會「巨積混凝土」專案-(104年)省土技建字北第1537號-高雄長庚醫院質子中心新建工程混凝土品質驗證鑑定，以及105年參與完成工程會綱要施工規範-「巨積混凝土」[2]研擬等專案，針對TCI文中案例執行成果，認為過程中有些值得讚賞和有些建言應予加強之處，提出個人拙見。

從時間尺度來看，上述專案各分別在民國102、104、105年時間完成，因「巨積混凝土」設計施工要項，屬於溫度控制計畫，一般而言，圓柱試體與鑽心試體抗壓強度，都應能符合施工規範要求；施工重點工項，應避免混凝土水化熱溫控程序失當，造成溫差過大(芯表溫差≧20^oC)產生熱裂縫，及高溫(芯溫≧70^oC)衍生延遲鈣釩石(DEF)等問題。此兩項均會影響結構構件安全性與體積穩定性，在結構體設計與施工現場要格外注意。因此，在構件量體碩大3呎(約1 m)、或混凝土配方膠結材料≧390kg/m³以上，須考慮到膠結材料水化熱影響。必須以內政部營建署結構混凝土施工規範[3]「巨積混凝土」專章規定設計之。也因此，工程會105年於專擬綱要施工規範時，參考ACI 301-10，完成「巨積混凝土」綱要施工規範，作為公共工程建設應用參酌。

「巨積混凝土」施工時，一般仍是以建築物與橋梁之基礎或墩柱，或大型柱梁構件澆置工作為對象。實務上無論構件量體大小或混凝土膠結料量是否≧390 kg/m³以上，往往都是儘速完成構造工項澆置作業而已，留有構件表面裂縫、或已產生DEF(延遲鈣釩石)後遺症時，似乎只要求施工廠商負責修復，而忽略發生熱龜裂和DEF，會影響構件一體性及長期耐久性，往後會縮短工程服務年限與將來投入大量維護經費，吾輩技師與工程設計者，不可不慎。

案例說明

查，TCI專文-混合水泥應用於「巨積混凝土」之案例分析，工區現場是位於台北港北部沿海地區(圖1)，屬於海域(水)環境地區，工址乃位於海域，地下區域含有鹽分、硫酸鹽，構築面積34 m×34 m的八角型、且深達2.4 m鉅大的結構，是標準沿海的「巨積混凝土」構件(圖2)。距離沿海在300 m至1公里範圍內的重鹽害區域與工業區內，設計時需考慮鹽害、硫酸鹽、酸雨、工業污染等環境影響(表1)。水膠比(w/cm)，建議宜採用Min.[表2-0.4(腐蝕)，表3-0.44(摻用卜作嵐)，表4-0.50(海水)，0.46-設計強度)]=0.40[3]，可能設計的水膠比，以0.40似乎較為恰當；「巨積混凝土」配比設計結果，參考表5，設計強度f´_c = 280 kgf/cm²，膠結料及拌合水用量，分別為382 kg/m³及176 kg/m³，設計w/cm=0.46，工作坍度為18 cm。

工區環境，預先設計三種型態膠結料配比，是集合CNS 61波特蘭水泥、CNS 15286混合水泥[4,5]，設計LH(CNS 15286混合水泥-低熱型)-280、II(Type II水泥)-280、CSF(IT，Type I、爐石粉、飛灰，卜作嵐48%)-280，此三種配方，在水泥中度抗硫(MS型)需求，都是非常恰當的，尤其是LH型與CSF(IT)型，更可接近Type V高度抗硫水泥(HS型)。

接續探討者「巨積混凝土」配比部分，三種水泥或混合水泥CNS 61波特蘭及CNS 15286規定之水合熱(2021.1月以前)，7天(Type II(MH)、MH型中度水合熱水泥，290 kJ/kg)，與28天水合熱(Type IV及LH型低度水合熱水泥，250 kJ/kg)；在2021.1月以後，CNS 61規定3天Type II(MH)型中度水合熱水泥，水合熱330 kJ/kg，Type IV及LH型低度水合熱水泥，水合熱200 kJ/kg、7天水合熱Type IV及LH型低度水合熱水泥，水合熱225 kJ/kg。要符合並滿足採用現今CNS 61規定中或低度水合熱水泥，會卡在3天水合熱Type II(MH)是330 kJ/kg而Type IV為200 kJ/kg的問題(見表6)，工程設計若僅採用Type II(MH)抑或Type IV型單一水泥型別，水泥單價可能顯著高過Type I及Type II，且運用於「巨積混凝土」的芯溫與溫差溫控計畫，可否符合芯溫≦70 ^oC和芯表溫度≦20 ^oC的規定，仍然是未知數。

圖1 案例施工位置圖(摘自Google map) 1

表1 特殊環境下混凝土的要求(摘自混凝土施工規範表R3.3.2)

圖2案例「巨積混凝土」平面圖與各監測點溫控配置1

表2 特殊環境下混凝土的要求(摘自混凝土施工規範)

表3 須暴露於含硫或其他侵蝕性容易之混凝土要求(摘自混凝土施工規範)

表4 混凝土在不同暴露程度之要求(摘自混凝土施工規範)

表5 巨積混凝土配比設計(化學摻料皆為.2%)

單位:kg/m³

表6 摘自(部分翻譯)ASTM C1157表1水硬性水泥性能標準物理性需求

*水泥型別:GU-一般用途場合；HE-高早強場合；MS-中度抗硫場合；HS-高度抗硫場合；    MH-中度水化熱場合；LH-低熱水合熱場合。

水合熱:先前規範:CNS 61(2021.1.15)；目前規範:CNS 61(2021,7.31)；混合:摘自CNS 15286-混合水泥。

此時，CNS 15286(ASTM C595)混合水泥的Type IT(三相膠結料)水硬性混合水泥，是可以登場救急，本案場址緊鄰海邊、又是「巨積混凝土」，混凝土設計須Type II(MH)或Type IV水泥因應，也可以採用CNS 15286(IT)-混合三相(水泥/爐石粉/飛灰)，而最恰當的是採用ASTM C1157-水硬性水泥的性能規範(譯自表1)[6]，見表6。也就是綜合CNS 15286的IP(HS)與IP(LH)，合成為ASTM C1157之IP(HS, LH)需求性能的規定。

此時，讀者可能會有一些疑慮，為何CNS與ASTM規範，會有合體一起使用呢？因為，目前國際上水硬性水泥規範，仍然是以美國ASTM為主流，是集ASTM C150(波特蘭水泥；CNS 61)、ASTM C589(水硬性混合水泥;CNS 15286)和ASTM C1157(水硬性水泥性能規範)三大規範，可以涵蓋所有工程應用單元場合；前兩者CNS與ASTM是有接軌，而最後ASTM C1157在ACI 318第26章特殊環境暴露下混凝土耐久性場合，ASTM C150、ASTM C595、ASTM C1157，在抗硫與水合熱規定可以並用，同時也呈現在營建署的混凝土結構設計規範(108.2.15)附錄E。材料之品質要求部份，建議以CNS 61、CNS 15286和ASTM C1157，可以相互混合取代使用，本文介紹台北港的「巨積混凝土」案例中，由中聯資源(股)有限公司生產的IP(HS, LH)型混合水泥，相當符合滿足CNS 15286-水硬性混合水泥和ASTM C1157­-水硬性水泥性能規範，從表7和表8中可以看出此結果。

受限於國內工程規模，CNS水泥應用於Type II(MH)~Type V型水泥場合，勢必非常有限(國內市場不大，產量低，價格較高)，可以利用混合水泥(Type I型水泥+卜作嵐)加上ASTM C1157規範，去迎合滿足需特殊性能工程場合之要求，而且性能更優越、價格上更符合競爭、經濟、實用。也就是說，ASTM C1157只規範水硬型水泥物理性能，對於化學成分與水泥、卜作嵐添加量沒有限制，水泥化學成分與熟料礦物成分和卜作嵐，於C1157相關水硬性水泥規範，見諸於ASTM C150(CNS 61)，與ASTM C595(CNS 15286)中；所需卜作嵐材料物化性能，見諸ASTM C618(CNS 3036)-飛灰與天然卜作嵐材料、ASTM C989(CNS 12223) –水淬爐石粉材料、ASTM C1240(CNS 15648) –矽灰材料。前述這三種ASTM和兩種CNS水硬性水泥規範，捍衛著所有特殊混凝土構件性能使用服務性，在ASTM C1157規範引導，混凝土設計、施工者，如本文所述之案例，將更有彈性達標工程結構物任務。

目前正值環境氣候巨幅變遷，溫室效用加劇，加上全球人口猛然接近80億關卡，工程環境日益惡化，所需工程服務性能不適合使用指定規範(如限制水泥型別、卜作嵐數量比率等)，而須以ASTM C1157規範完全採用性能規範，佐以ASTM C150(CNS 61)、ASTM C595(CNS 15286)和嚴謹品質管制，建構工程設計與施作鐵三角規範，俾使國內工程設計、施作單位，可早日與國際潮流接軌。

表7 混合水泥性能比較(以CNS 15286) 1

表8 案例各試拌配比不同時間坍度與各齡期抗壓強度5

「巨積混凝土」另一項主要溫控棘手問題，是構造體溫差作用。構件量體的芯溫(中心)與距表面(頂面或側面)最短距離(表溫)溫度差距(≧20 ^oC)[2,6]過大，產生熱應變，ε_熱應變=α×Δ_T (α:熱膨脹係數；Δ_T:量測點溫度差異)，過大溫差表面，極易發生熱裂縫而失去完整性，特別是在早齡期(14天以前)。解決量體構件溫度差異問題，「巨積混凝土」實物構造量體中，必須在澆置時，需如絕熱升溫(圖3與圖4)設置的觀念與概念，應該有所認識與實踐。絕熱溫箱中混凝土，因膠結材料加水產生劇烈化學放熱反應，絕熱溫度是箱內新拌混凝土所產生溫度上升，逐漸朝向外擴散至模板或表面達降溫，若是透過保溫材(例如，PS、PE、保麗龍板等1吋厚)，與外界冷卻元素(環境溫度)隔絕而能保溫甚至維持恆溫，中心與箱圍溫度差(溫度坡降幾乎是零)，可以測出因膠結料水化時所產生的絕對溫度(不含外界環境溫度)，因此，保溫材可以將「巨積混凝土」澆置後，因水化放熱漸漸趨緩而降溫，維持溫度坡降(溫差)在可控制範圍內。

一般國外基礎工程，建議值以20 ^oC以下居多，在結構「巨積混凝土」量體大構件(如梁、住、牆、板等)以小於25 ^oC為基準[6]。基礎版後為2,400 mm(2.4公尺)屬於大體積「巨積混凝土」，溫差監控以平面中央設置T型(左三處右一處)加上中央一處，合計五個監控斷面，每一個斷面監測點，見圖2右側和圖5。現場溫度監控結果，斷面A部分(圖6)保溫配置是局部中央覆蓋不織布灑水養護+保麗龍+帆布；B部分(圖7)覆蓋不織布灑水養護+帆布；C部分(圖8)覆蓋不織布灑水養護等；從各個圖形中可知，三個部分芯溫最高溫度，都約在58 ^oC(以A部分略高)，發生時間約在96小時，均小於ACI 301-10及工程會綱要施工規範(107年)規定，顯示IP(MS-LH)水泥混凝土，水合熱試驗都符合上述規範值(7天為186.6 kJ/kg，比Type IV(LH)的225 kJ/kg更低)。溫差結果，A部分顯示芯表溫差約在12 ^oC以下，符合20 ^oC以下規範規定；B部分，約138小時溫差略大於20 ^oC；C部分於48小時超過34 ^oC以下，凸顯只有A部分溫差符合要求；B與C部分，前者稍超越，而後者完全無法符合規範要求。「巨積混凝土」在工程施工時，理應全部設置保溫裝置，維持大底平面各處，如A部分(B與部分如同A處保溫設計)，保麗龍的保溫效果顯著(但是拆除後會有環保大問題)；不織布+帆布保溫設計，也許在台灣北部夏季高溫無風、無雨氣候時是適合的；B與C部分之保溫設施顯然不足，特別是C部分，溫差達30 ^oC以上對混凝土表面產生劇烈的熱拉應力，很有可能在C部分，早已發生熱裂縫，寬度約在1-2 mm以上。

另外，「巨積混凝土」在保溫養護層或模板拆模時，會產生熱衝擊(Thermal shock)，也就是保護裝置突然去除，熱構件量體倏然接觸環境較通風屬低溫情況下，表面被突來溫度變化作用(降溫)而受拉力導致龜裂，因此，拆模與去除保溫層，要漸進式執行，避免熱衝擊效應發生。總結「巨積混凝土」保溫設置，必須全面設置保溫材，溫控監測計畫至少延續2星期以上，並避免熱衝擊效應發生且應注意養護作業。

圖3案例「巨積混凝土」絕熱溫度試驗裝置1		圖4案例「巨積混凝土」1×1×1m 模型試驗1
圖5案例基礎「巨積混凝土」施工保溫材配置1		圖6案例「巨積混凝土」保溫材 配置A部分溫控結果1
圖7案例「巨積混凝土」保溫材 配置B部分溫控結果1		圖8案例「巨積混凝土」保溫材 配置C部分溫控結果1

結語

本文陳述案例是屬於102年發表文章，工程基礎「巨積混凝土」設計施工時，可供參考規範為-營建署混凝土施工規範第十三章巨積混凝土，當時並無如工程會綱要施工規範「巨積混凝土」項目那麼詳細，案例焦點在最高溫升，採用策略：以水硬性水泥性能規範ASTM C1157(CNS 15286)的IP(HS, LH)混合水泥，現場最大尖峰溫度約58 ^oC，滿足ACI 301-10規定小於70 ^oC要求；最大溫差，A部分(中央覆蓋透水不織布灑水+保麗龍板+帆布)符合小於溫差20 ^oC規定，而且應全區施作覆蓋(如A部分)至少14天，並加強養護作業，拆除保溫覆蓋物應避免Thermal shock效應發生。最後，建議以ASTM C1157規範採用水硬性水泥性能規範，完全以工程所在暴露環境所需物理性質做基準，佐以ASTM C150(CNS 61)、ASTM C589(CNS 15286)，建構工程設計與施作的鐵三角規範，俾使國內工程設計、施作單位早日與國際潮流接軌。

參考文獻

1.       邱暉仁，陳誌慶、鐘鴻書、金重仁，混合水泥應用於「巨積混凝土」之案例分析，混凝土科技，第七卷，第三期，PP.23-31，2013。

2.       工程會綱要施工規範，巨積混凝土，第03770章，V1.0，2016.10.07。

3.       內政部營建署，結構混凝土施工規範，110.7. 30。

4.       CNS 61-波特蘭水泥(ASTM C150)，110.7.12。

5.       CNS 15286-水硬性混合水泥(ASTM C595)，108.10.26。

6.       ASTM C1157/1157M-20a-Standard performance specification for hydraulic cement，2020。