我們歡迎您!! …為服務大台北地區技師朋友,省公會台北辦公室成立了,開辦帶案技師各項業務掛件審查等服務,可在辦公室前臨時停車掛件,或通知會務至門口取件,交通便捷,請多加利用。台北辦公室位於台北市復興南路2段160巷8號1樓,近『科技大樓捷運站』,步行約 3 分鐘。…

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○○年三月五日

廣告專線 :(02)8961-3968轉149
傳真:(02)2964-1159,2963-4076
地址:新北市板橋區三民路二段37號A3
網址:http://www.twce.org.tw
E-mail:mail@twce.org.tw

NO.
743

發  行 人:施義芳
社務委員:周子劍、巫垂晃、梁詩桐、洪建興、陳清展、余 烈、涂泰成
     蔡得時、蔡震邦、吳亦閎、吳朝景、洪啟德、陳玫英、曾傳來
監  察 人:黃科銘、陳錦芳、鄭明昌、張錦峰、周功台
社務顧問:李咸亨(北區)、顏 聰(中區) 、徐德修 (南區)
社  長:周子劍

副  社 長:蔡得時、吳朝景

總  編 輯:拱祥生
營運總監:巫垂晃

總  主 筆:莊均緯
本期主筆:官明郎
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

本土化高性能混凝土是綠建築耐久永續發展的礎石

湛淵源 技師

高性能混凝土具耐久永續性能

本土化高性能混凝土,顧名思義,就是在當地都可以購買到的材料,加起來拌製而成的混凝土所組成。組成的材料包含水、高性能減水劑、水泥、砂、石子、飛灰及高爐石粉,若用在需提早發揮強度,或高強度的場合,需再加入矽灰這種外來的礦粉摻料,因此,嚴格來講,本土化高性能混凝土是前述7種材料所組成,性質相當優異,價格比一般混凝土稍貴,但是它的耐久永續性能,卻值得建築商、建築師、土木工程師及結構工程師,在設計時可納入選擇參考的選項。

拼經濟是目前國際環境的潮流,以至於台灣的房屋市場交易十分熱絡,可說是熱昏了頭,存在建築商與房仲業者和廣大的消費者之間的,只有不動產保值與增值的問題,建案對消費者的生活品質需求面,只強調捷運與交通便利話題,而對消費者最應重視的生活品質、健康愉悅的生活機能及未來可朝永續發展的議題,卻很少談及與強調,或根本不提,好像只要交通便捷,一切都可迎刃而解;現代人的確也是如此,交通不便所衍生耗費的時間及精神,卻是不爭的事實,自然成為購屋的首要條件與考量。但生活過度緊繃,無適當的宣洩管道,心靈的滿足這項訴求卻得不到一處安身立命之處,真可悲呀!

根據研究顯示,現代人約有70%以上的時間是待在室內,建築與室內環境品質,對人一生的影響真得很大也很重要;但ㄧ般建築物並無法提供良好的生活品質環境,因此,成功大學的建築學者專家們,率先提出生態、節能、減廢、健康(EEWH)的綠建築構想,而內政部營建署及建築研究所,也從善如流,將綠建築列入建築技術規則設計及構造編專章中,又出版綠建築評估手冊(已增訂至2009)。這是一本相當完整綠建築設計評估的參考準則;而在台灣綠建築已施行10年以上的時間,但依據財團法人台灣建築中心的資料,筆者針對EEWH 9大指標的統計數據(2000~200910)整理如表1所示,赫然發現,截至200910月止,中華民國台灣地區具有綠建築的建築物不到500件案例,近十幾年來,新的建案拿到使用執照不下幾十萬件,其通過比率真是少的可憐!如前所述,綠建築對消費者是健康有益的,但現在的消費者是被牽著鼻子走;這些綠建築的案例中,多數屬於公家機關的建築,部分為鋼骨結構,其它絕大部分為鋼筋混凝土構造,很顯然混凝土結構,仍然是建築商、建築師、土木工程師和結構工程師的首選與最愛。 

1 2000~200910月台灣綠建築EEWH系統各指標通過率統計(本文整理)

年度 

生物多樣性指標

綠化量指標

基地保水指標

日常節能指標

CO2減量指標

廢棄物減量指標

室內環境指標

 水資源指標

污水垃圾改善指標

次數

2000

0

1

1

1

1

1

0

1

1

2001

0

1

1

2

0

0

0

2

2

2002

0

2

1

2

0

0

0

2

2

2003

0

2

2

8

2

3

0

8

7

2004

0

2

6

17

1

1

3

17

7

2005

0

22

11

42

4

1

12

42

16

2006

3

58

38

79

15

10

16

79

47

2007

6

56

43

95

11

12

38

95

65

2008

3

66

66

96

9

6

23

96

61

2009

6

94

84

111

21

14

30

111

67

10月止

累積通過數量

18

304

253

443

64

48

122

443

275

累積通過

4.1

68.6

57.1

100

14.4

10.8

27.5

100

62.1

%

台灣建物使用年限尚不及歐美二分之ㄧ

根據內政部建築研究所的「2009綠建築評估手冊」紀載,對全世界建築物使用拆除年限的統計資料顯示,英國為141年、美國為104年、德國為80年,而台灣卻只有40年的服務壽命,雖然,各國所使用建築材料可能不大一樣,但仍然是以鋼筋混凝土為主,顯然台灣建物服務年限,跟歐美國家比較起來,尚不及二分之ㄧ,英國是我們的3倍強、美國是2倍多,亦只有德國的二分之一而已;看看這些數據的統計資料,發現身為現代的台灣人,建築物使用與享受品質的指數真是有夠低落!義大利羅馬的古蹟諸神殿及競技場(圖1),這種準混凝土構造,則約有二千年以上的壽命,歷經日夜風吹雨打、日曬雨淋、氣候環境不斷變遷,仍屹立不搖,真是名符其實、夠耐久的永續綠建築,讓人看了既心動又感動呢!看看台灣,消費者大眾的建築物生活品質是既不很健康,但卻又是相當不耐久,更不用去談永續性了,建築物要當成跨世代的傳家寶,是一件遙不可及的事,真得很無奈!為什麼現在工程科技如此發達進步,而建築生活品質及永續性,一直跟不上國外的發展,真是想不透!

 HPCSCC都是優質化的混凝土

綜觀台灣建築物既不耐久也不永續,部分建物除了因為都市更新等業務需求,可能會提前改建外,當建物使用40年之後,所有消費者都要面臨的同樣問題,必須要大幅度維修、補強、或是拆除重建,其理由是建物不堪使用,這些都是起因於建物設計、施工及維護等的品質不佳所造成的,例如921地震之後的勘災報告,在在都顯示建物品質非常不良,達不到應有的設計、施工及使用的水準,這才是主要因素。

國內外混凝土專家學者們,將建物品質改善目標集中在改善混凝土品質上,歐美國家與加拿大,如SwamyMehtaAitcinMalhotra等學者,特別進行高性能混凝土(High-Performance ConcreteHPC)的開發及應用;而日本,東京大學的岡村甫教授,則全力發展出自平性或自充填混凝土(Self-Compacting ConcreteSCC),成功研發出應用的配方及實務推廣,以改善混凝土的施工品質;然而相較ㄧ般混凝土,無論是HPCSCC都是優質化的混凝土,其施作的品質上及硬固的行為上都是上等的選擇,使用上可媲美國、德國的建築物使用壽命。

基於營建與建築結構物在耐久設計及永續發展的需求,台科大營建所黃兆龍教授提出綠色混凝土(Green ConcreteGC)與永續混凝土(Sustainable ConcreteSC)的觀念及實務應用,乃以本土化高性能混凝土(HPC)為基礎,專為耐久性設計發展出來,相當符合永續使用的訴求,也就是將混凝土耐久永續服務設計年限,定位於至少100年以上的壽命,已有許多國內與國際使用案例可以印證。

 

HPC要達到耐久性 使用SCMs有其必要性

要達到混凝土永續的目標,採用HPC是一個非常可行的方式,而在美國綠建築組織(LEED)及台灣的綠建築EEWH系統,都有明文規定RC採用HPC的好處;例如在LEED系統中,2010年加拿大冬季奧運場館設施,即獲得LEED銀級以上的認證,而在場館設計裡,加拿大溫哥華市採用20-50%的高量飛灰混凝土(HVFA),作為永續發展的材料;至於,高爐石粉也可用在HPC上,日本研發應用的自平性混凝土SCC;台灣廣為應用的配方亦使用高爐石粉,也列入EEWH評估系統中。

HPC要達到耐久性的目標,使用工業附加膠結材料(Supplementary Cementitious MaterialsSCMs),是有其必要性,諸如飛灰、水淬高爐石粉及矽灰等工業廢棄物(圖2), SCMs在此是指上述工業廢棄回收物而已,其他的不在此應用範圍內。但到底要加多少才適當呢?可從ACI 318-08及土木水利學會出版的混凝土施工規範402-94a(表2)來進行探討。在惡劣的除冰鹽環境中,是可以用飛灰、水淬高爐石粉、矽灰,或其中2者與3者的合成;可合成使用的主因在水泥所提供的鹼性水化產物,可刺激這些附加膠結料進行後續的反應,而且材料相容性很高,是相當有用的反應組合,難怪LEED稱飛灰、水淬高爐石粉、矽灰為3R(ReuseReduceRecycle)回收材料,而給予綠色加值點數的優惠;同時,在台灣的EEWH中,也對HPC與高爐石粉使用時,有優惠的加值係數以資獎勵,顯然,SCMs材料用於混凝土達耐久永續化,效益已受到大家的肯定,工程界隨著大環境節能減碳的世界潮流,應好好勵行環保回收SCMs及善用HPC,達到永續使用發展的目標,此對台灣廣大消費者的住與行關係極為密切。                                                                             

2 混凝土暴露除冰鹽卜作嵐材料建議用量限制(ACI 318-08;土木水利402-94a)

膠    結    料    名    稱 佔總膠結料重量(%) 標  準  規  範
(1)飛灰與其他卜作嵐材料 25 CNS 3036
(2)爐石粉 50 CNS 12549
(3)矽灰 10 ASTM C1240
(4)=(1)+(2)(飛灰須低於25%總膠結料重量) 50 CNS 3036
CNS 12549
(5)=(1)+(3)(飛灰須低於25%總膠結料重量) 35 CNS 3036
ASTM C1240

若是使用混合水泥時,仍然需將卜作嵐計算在總膠結料的重量內,其限制應符合本表之規定。

耐久永續設計的因素 在滿足設計強度 水泥要用的少 拌合水量越低越好

隨著自然環境與氣候日益加速變遷與惡化,國際上各行各業無不思索解決方法,並付諸於實際行動。節能減碳以拯救地球,吾輩土木建築的從業人員,亦不落人後,在營造方法與及材料上,特別在RC構築工法,提出SCMsHPC的研發與應用,建築與營建工程耐久永續發展,已拋開ACI 318SCMs(除冰鹽環境)的用量限制,將原條文規定式用量的SCMs,轉換成以性能規範(Performance Speciation)為主要參考依據,也就是將強度、耐久服務性、體積穩定性、水化熱及工作性等,規範其應有的設計性能,並明定其標準或可信度高的檢驗方法,材料用量則可大幅度的鬆綁;對SCMs材料的用量,如表3所示,表3是加拿大溫哥華市對飛灰(見圖2(B))在不同RC構件用量建議,相較於ACI 318的耐久規定,飛灰用量已超過2倍以上,對這最適合人類居住的城市之一,為什麼會比ACI用到兩倍以上的飛灰呢?主要係基於對於混凝土耐久行為的研究與新觀念。

加拿大渥太華CANMET(加拿大礦物及能源中心)先進混凝土科技部門主要領導人V.Morhan Malhotra博士是SCMs回收材料再利用的專家,曾分別在加拿大、美國、澳洲、印度和國際上做過許多飛灰的分析、試驗、應用等;同時,加拿大Shebrooke University土木系混凝土材料學者教授Aitcin,是享譽國際HPC專家中的專家,加拿大有了這2位大師級的研發應用者,只要材料成份適中及檢驗合於品質需求,在嚴謹的管控制度下,對於混凝土中添加飛灰深具信心。德不孤必有鄰,美國前加州大學柏克萊(U.C. Berkeley)分校土木系教授P.Kumar Mehta即主張呼應加拿大的作法,大量採用飛灰,作為混凝土的輔助膠結材料,可達到建築結構物耐久永續發展的目標;Mehta曾經講過,使用ACI 318耐久性設計法,只考慮到最大水膠比(w/cm) 、最低強度值、甚至限制最少水泥量是不夠的。耐久永續設計的因素,在於水泥漿量的多寡與拌合水量的高低而定,也就是在滿足設計強度下,水泥要用的少,而符合工作性的條件下,設計拌合水量是越低越好;此論點是MehtaMalhotra一直強調的。

為增加混凝土結構物耐久永續性,水泥量應小於膠結漿量的二分之一以下,拌合水量應束制在130 kg/m3,他們2位所設計的混凝土結構物,服務年限都在100 ~1,000年以上;黃兆龍教授及筆者也提出水泥漿「質」與「量」的觀念,就是水膠比要低,品「質」要很好,強度自然越高;水與膠結材料用量要少,「量」要很低,水泥漿量要越低越有利,在()工作性或適合的黏稠性下,混凝土密度(單位重)越高,性質與行為和耐久永續性也可超過100~300年以上;黃教授則主張總拌合水量應小於150 kg/m3,多用SCMs且用到三相及四相材料會更好。

(A) SCMs及天然卜作嵐材材料

(B)燃煤電廠工業廢棄回收物-飛灰

(C)煉鋼廠工業廢棄回收物-水淬高爐石粉

(D)冶煉矽金屬廠工業廢棄回收物-矽灰

          2 (A)不同SCMs與天然卜作嵐材料;(B)~(D)各種工業廢棄回收物

飛灰產生C-S-H膠體 建築結構物耐久永續的基因

4及表5分別為美國材料試驗協會ASTM C595、與美國水淬高爐石粉協會(SCA),對不同RC構件所建議的高爐石粉(見圖(2)(C))用量,達20~80%之間,對ACI而言還是偏高的。但混凝土內使用高爐石粉,強度與耐久性質,只要成份適中及檢驗合於品質要求,仍然是可以信賴的。但高爐石粉的永續發展性質不若飛灰,這是不爭的事實;剖析這種原因在於,F級飛灰如同火山爆發回收的灰一樣,見圖3,與水泥水化產物氫氧化鈣(CH)、少量的氫氧化鈉(NH)與氫氧化鉀(KH),常溫下可透過緩慢的卜作嵐反應(Pozzolanic Reaction),可消耗掉水泥水化物中對耐久永續性極具有危害性的CH(佔重量約20%),亦可消化並固定具危害強鹼的功能,轉換成耐久永續、健康有益的類似C-S-H膠體產物,這是建築結構物耐久永續的基因。

3中的義大利古羅馬競技場及諸神殿,就是靠矽質火山灰及熟石灰(氫氧化鈣CH),這長達兩千年以上的卜作嵐反應,造就這最耐久永續經典的建築物,如同飛灰與水泥的氫氧化鈣,長期緩慢纏綿的不斷成長,仿如醫學上優質胚胎幹細胞,在人體不停的增生、修復微結構,而反覆循環成長,達到再生與重生的境界。

至於,高爐石粉的性質很像水泥,只是不若水泥加水反應快,而是要靠水泥所提供的強鹼及硫酸鹽,來刺激與激發進一步的水化反應,其反應產物如同水泥,只是生成CH量比較少,但CH還是存在的,建築結構物使用歷程間,混凝土內水化產物CH,依然受暴露環境的危害,不如飛灰可漸漸的消化CH般。因此,混凝土配方內使用SCMs時,採用高爐石粉的耐久性質佳;而使用飛灰時,則更可達到建築結構物的耐久永續性能,而2者混合使用,效果會更好。採用SCMs時,因其生產過程,不若水泥熟料來的嚴謹,若無嚴格控管品質,或以ISO品管制度要求,性質與性能可能有變異,達不到預期目標,因此,黃教授提出「料源管制」的「零級品管」理念,也就是以廢棄物回收的口號「清淨在源頭」為出發點,任何SCMs出廠前,必定要有合乎ASTMCNS品質的「出生證明(Birth Certificate Card)」,以確保SCMs使用的品質保證。

表3 飛灰取代水泥可減少的百分比

構     造     單     元 加拿大溫哥華市使用範圍,%
樓版,是最大部分 40~60
基礎(腳),在高的部分 40~50
不影響進度、表面修飾、低水化熱等
柱、板垂直構材,在中等部分 35~45
限制在早期模板脫模及冬天的場合
梁水平構件,在較低等部分 10~40
限制在早期養護、修飾、脫模會影響時間及成本
暴露在C-1的部分,低的部分 ~15
HVFA暴露在除冰鹽及冰凍環境中

表4  ASTM C 595不同水泥爐石含量

名                稱  水淬高爐石粉含量,%
卜特蘭爐石粉水泥 25〜70
輸氣卜特蘭爐石粉水泥 25〜70
改良型爐石粉卜特蘭水泥 Less than 25
爐石粉水泥 Least 70
輸氣爐石粉水泥 Least 70

表5 爐石粉建議用量(SCA,2006;本文整理)

應   用   場   合 取 代 量,% 應   用   場   合 取 代 量,%
混凝土路面 25~50 混凝土塊 20~50
外部鋪面,無暴露除冰鹽 25~50 混凝土鋪築 20~50
外部鋪面,有暴露除冰鹽 25~50 高強度混凝土 25~50
室內鋪面 25~50 鹼矽粒料反應 25~70
基礎版 25~50 抗硫-採用II型水泥 25~50
基礎 30~65 抗硫-採用V型水泥 50~65
牆、柱 25~50 低透水性 25~65
懸吊版 25~50 巨積混凝土 50~80
預力混凝土 20~50 - -

水泥 + 水 → C-S-H + n×CH

SCMs + n×CH + H → 產生更多類似的C-S-H

{火山灰 + 石灰 S(矽質飛灰) + CH(水泥劣化主因之一) C-S-H(強度、永續性來源)}

圖3 義大利羅馬古蹟(2000年以上壽命)耐久永續的基因 

本土化高性能混凝土,是採用飛灰與沙和石子做為緊密堆積架構,以能達到物理最大密度為前題,同時,經由飛灰緩慢卜作嵐的化學反應,逐漸達到化學上細緻化的微結構,整體混凝土物理化學的緻密結構裡,將產生密度越大,強度會越來越高,微結構孔隙越來越小或獨立,耐久永續性質會越來越好,這是應用飛灰的優點,也是上天惠賜給混凝土具永續發展性的恩典,更是師法自然的傑作;最重要的是,台灣自己也能作得出來,而且不輸給國外,甚至比外國更棒呢!想一想,溫哥華市善用且必須要用SCMsHPC作為結構性材料,讓混凝土構造物相當具有耐久永續性,未來台灣及五都的建築結構物一樣也行,只要使用台灣本土化高性能混凝土,並依據EEWHLEED和本土化高性能混凝土設計建造的建築結構物,將如同英國與美國一樣,RC建築結構物耐久永續服務壽命將可長達100年以上。屆時民眾買的房子將可當作傳家寶與歷史古蹟,絕對是指日可待了。

    Top   Back