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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○○年五月十四日

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美國夏威夷San Marga Iraivan Temple寺廟奠基介紹

古代火山灰與石灰加上現代HPC科技達到千年耐久永續設計

湛淵源 技師

San Marga Iraivan Temple寺廟希望有永續的基礎與千年的壽命

美國夏威夷的San Marga Iraivan Temple寺廟,是當地的信仰中心,於1980年代由印度廟宇建築師Dr. V. Ganapati Sthapati設計,所使用的石雕材料為3,000塊的花崗岩,係1990年產自印度一個當地盛產花崗岩-班格洛(Bangalore)的地方。2001年開始,花崗岩用船運輸到夏威夷的寺廟處,而隨行的雕刻團隊,在主要負責建築師Sthapati指導下,展開廟寺各個單元的雕刻工作。接近3,200,000磅的寺廟建築,預計在2017年才能全部完成。當地民眾與寺院住持有一共同深遠的宏願,希望San Marga Iraivan Temple能香火鼎盛、一脈相傳,直至天長地久、永垂不朽。因為花崗岩質地相當耐久、堅硬,寺廟可視之為永恆的鎮寺寶物,但基地的地質與基礎,和地上的結構物,在歲月無情摧殘下,會有損壞或變形之虞,所以在選擇寺廟位址上,地質條件要良好及穩定,並經妥善處理、無日後下陷問題。而最重要的是在往後長達1,000年的歲月中,基礎不能有任何的閃失,也就是大底要永恆耐久、堅實、穩固、屹立不搖。故在美國與國際上尋找,能夠做為永續發展的大底材料,作為San Marga Iraivan Temple奠基的礎石構造。亦即大底的設計,混凝土須符合千年以上的耐久性,再搭配印度花崗岩,所雕塑的成品,構成此一完整的寺院建築。

高性能混凝土(High-Performance ConcreteHPC)具永續的特色

印度裔的前美國加州柏克萊大學土木環境學系工程材料教授,P. Kumar Mehta係這位享譽國際混凝土耐久性問題的學者,提出以義大利古羅馬諸神殿與競技場為例子,這個歷經長達二千年以上的歷史古蹟,正可以滿足San Marga Iraivan Temple的永續使用需求。可是古羅馬諸神殿,可能費時數十年甚至數百年之久才得以建造完成,可能不符合現代時空環境的要求。於是Mehta以加拿大(Canada Centre for Mineral and Energy TechnologyCANMET)的先進混凝土科技部門(The Advanced Concrete Technology Program)、專案主管經理Dr. V. Mohan Malhotra博士所開發成功廣為國際上應用的高量飛灰混凝土(High-Volume Flyash ConcreteHVFC),搭配加拿大University of Sherbrooke土木工程應用科學系、與加拿大卓越高性能混凝土網絡中心領導人(The Network of Centres of Excellence on High-Performance Concrete)Pieere-Claude Aitcin教授,所專注製造及應用於工業化副產品(By-Product)與高效率高性能減水劑(High-Range Water-Reducing AdmixturesHRWRA)的高性能混凝土(High-Performance ConcreteHPC),以此2種深具耐久永續性建築材料為基礎,添加50%以上F級飛灰(類似火山灰)的高飛灰量高性能混凝土(High-Volume Fly ash High-Performance ConcreteHVFHPC),再佐以低拌合水量及低漿量,並使用強塑劑(HRWRA),營造一個可施工性的耐久永續大底混凝土構造。

圖義大利羅馬古蹟諸神殿、火山灰及燃煤電廠F級飛灰 

混凝土的配比材料是永續的基石

Mehta指出,古羅馬諸神殿遺蹟是永續建築的出生地(Birthplace)-Ash Concrete,它的耐久永續基因,在於當地(Italian cityPozzuoli)的矽質卜作嵐材料(Pozzolan),加上石灰的連鎖化學反應,造就此源源不斷的修復及再生的遺傳因子,火山灰即具有這個特徵,如圖1所示;而燃煤發電廠所產生的工業廢棄回收物-F級飛灰,則具有這種類似火山灰的遺傳工程;這種工業廢棄物副產品,目前全世界的產量約有7億多噸,且各國幾乎都有生產,是一種隨處可得的綠色材料。San Marga Iraivan Temple寺廟基礎,大底混凝土設計長達1,000年使用壽命,配方採用性能規範設計為原則,而是屬於無筋混凝土,且以能達到ACI耐久性要求。Mehta曾言,如果耐久性與永續性對建築結構物是重要的性質,則建造一個巨微觀均無裂縫的混凝土網絡架構是有必要的,此與配方的用水量及水泥量有顯著的關聯性,要達到耐久永續的要件,在可施工的條件下,低拌合水量與低漿量是關鍵。

卜作嵐反應是混凝土耐久性的基石

San Marga Iraivan TempleKapaa,面積56(17m)*117(35.7m),基礎厚度為4英呎(1.2 m),合計約730 m3的大底基礎混凝土;Mehta採用HVFHPC設計,考慮到夏威夷地區耐久性,決定以低拌合水量、與較低的水泥用量,以減少孔隙量、乾縮量和自體收縮量,降低混凝土產生收縮、與熱裂縫發生的機率。添加高性能減水劑,使得低水量及低漿量配方具有適當的工作性,在配方內應用F級飛灰,主要是延伸粒料的級配範圍,並填塞混凝土的空洞及孔隙,透過卜作嵐反應,將水泥高鹼性物質固化起來。並且將水泥水化產物CH,緩慢與F級飛灰進行交換,造就類似C-S-H的耐久性生成物,上述就是卜作嵐反應,類似醫學工程的再生與重生的機制。值得一提之處,F級飛灰因具有圓形顆粒外觀,如同滑石粉一樣,可增加新拌混凝土工作性與減水的功能。整體配方設計如表1,顯示這種配比與傳統混凝土及一般HPC,有著明顯不同的邏輯觀念。

 

耐久性設計觀念的建立

1中卜作嵐用量比例(P/B=57.3%),而且都是採用F級飛灰,特別是與使用在除冰鹽環境裡的ACI耐久性設計規範中比較,顯然都太高了,由於夏威夷並無下雪除冰的問題,況且使用57.3%的比率,強度真的是一個大問題。本案例是建築物大底的混凝土,屬於沒有鋼()筋構造。從表2與表3裡可以看出,設計強度(90)21 MPa;以結構設計強度而言,當涉及耐久性問題時,大部分結構工程師以增加強度設計值,而且都是提升f´c為主,換言之,必須將原先設計強度值,大幅度的提高,把原先f´c(21 MPa),提高至35甚至41 MPa,如此可視為確保設計結構物之耐久性?這種觀念是有待商榷的。從MehtaHVFHPC,參考表2,低強度配方的發展,在1年後,強度值可達40 MPa,強度成長約2倍,可是水泥用量為120~130 kg/m3,而San Marga Iraivan Temple則為106 kg/m3,可看出配方是可以慢工出細活,因為,到90天時,才達到設計強度。問題是,若耐久性採用強度設計法,設計強度f´c變成3542 MPa之間,水泥量將達350~420 kg/m3以上,28天強度是可達到設計值,但長期成長有限,甚至可能會有降低的情況,何況混凝土會伴隨高熱量,產生熱應力裂縫與高乾縮量,此絕對不利於高耐久永續性的發展需求。

高強度不一定符合永續性

從本案例來看,結構工程師所強調的是高水泥用量、低水灰比與低水膠比,一切以達到f´c的要件,認定只要在規定齡期,滿足特定強度時,混凝土所有性質都可符合設計需求;這時設計的構造與材料可能屬於外強中乾,陷入表裡不一的迷失,也就是混凝土強度不會等於耐久性,更和永續發展性互不相容。Mehta已清楚告訴我們,用水量與混凝土配方的耐久永續性,是呈反向比例,且是唯一的關鍵要件,由San Marga Iraivan Temple可明白闡述,要為後代子孫留下永垂不朽的歷史古蹟,採用HVFHPC作為建築材料,是最可行的選擇之一。

水泥用量非耐久性的保證

另外,從水泥強度效益(Cement Strength EfficiencyCSE)分析,也就是各個齡期抗壓強度值與水泥用量的比值進行比較,以達到40 MPa為例,傳統配方為16.6 psi(水泥用量350 kg/m3);而HVFHPC則為28.3 psi,只是設計的齡期不一樣,傳統配方為28~56天,而HVFHPC90天以上,一年後,則有55 psi,兩者相差約3倍,對耐久性設計的混凝土結構物,似乎是越長齡期越好,但實務上有其限制及不便之處;不過,可以確定的是,水泥用的越多,及拌合水量越高時,都不利於耐久性的設計要求。為能達到設計強度,所採取的性能規範中,HVFHPC必須經「料源嚴格管制」、「配比充分驗證」、「生產製程管制」、「端末品質檢驗」,等嚴謹的程序,以ACIASTM規範做基準,整體量產有一完整的標準作業程序(SOP),確保HVFHPC品質的「均勻性」及「穩定性」,這是耐久永續結構物的生產準則。

1  San Marga Iraivan Temple寺廟長達1000年使用壽命混凝土配比的設計

材料成分 用量,kg/m3
卜特蘭水泥 106
F級飛灰 142
混凝土細粒料 950
粗粒料(1 inch) 680
粗粒料(3/8 inch) 445
95(L/m3)
強塑劑 3.5
微氣泡劑 0.115(L/m3)

 

2  HVFA與傳統混凝土設計範例(Mehta2004)

強度(MPa) 傳統混凝土 HVFA HPC 低HVFHPC 中HVFHPC 高HVFHPC
28天 25 25 47.5(56天) 20 30 40
90天 to 1年 53.5 40 50 60
配方設計kg/m3
水(含強塑劑) 178 120 162 120~130 115~125 100~120
水泥(Type I/II) 307 154 231 120~130 115~125 100~120
F級飛灰(ASTM F) 0 154 175 125~150 180~200 200~225
粗粒料kg/m3 1040 1210 921 1100~1200 1100~1200 1100~1200
細粒料kg/m3 825 775 897 800~900 800~900 800~900
坍度,mm 100~150 150~200 250 150~200 150~200 150~200
w/cm 0.58 0.39 0.4 0.40~0.45 0.33~0.35 0.30~0.32
w/c 0.58 0.78 0.74 0.92~1.08 0.92~1.09 0.83~1.20
(w/s)1,% 8.2 5.23 7.3 5.12~5.96 4.80~5.24 4.17~5.4
(Vw/Vs)2,% 21.7 13.6 19.3 13.6~14.9 13.0~14.3 11.1~13.6
單位重kg/m3 2350 2413 2386 2310~2465 2350~2510 2365~2500
F級飛灰 0 50 43.1 55 60 65
%

註:1.表示每1m3拌合水量/所有固體材料重量。

2.表示每1m3拌合水體積/所有固體材料體積。

 

3  San Marga Iraivan Temple寺廟混凝土配比的強度值

齡期,天 第一層,MPa 第二層,MPa
3 6 7.3
7 9 10.9
28 14.8 17.5
90 23.1 24.6

註:設計強度,90天時,21 MPa

San Marga IraivanTemple寺廟透視圖

San Marga Iraivan Temple的大底構造HVFHPC施工簡介

基礎尺寸為56 × 117英呎(17 × 36m),厚度為4英呎(1.2m)。大底混凝土屬於巨積混凝土,為降低水化熱,造成熱()應力裂縫,仍考慮分兩層施工,第一層在1999821日澆置完成,厚度2英呎;第二層則在1999828日澆置完成,厚度亦為2英呎。HVFHPC到現場的工作性,坍度原先設定為6”(15公分),在採用強塑劑調整後為4”6”(10~15公分)的範圍內。由於HVFHPC的設計用水量夠低了,混凝土是沒有浮()水現象,澆置後應立即進行養護工作;澆置速度在每小時5個車次;現場進行的試驗包含坍度試驗、空氣含量測試、抗壓試體製作等。San Marga Iraivan Temple大底澆置期間,含當地政要及宗教領袖和老一輩長者,齊聚在工地周遭,大家一起祈禱工程能順利進行。

HVFHPC凝結時間較長

Bill, head mason of Steel Tech公司負責大底泥作的澆置作業。原先在工地現場施工時,由於HVFHPC的凝結時間較長,而低水量及高黏滯性的配方,澆置、搗實、移動、及修飾和粉飾工作相當費時,承包廠商找來長距離的滑槽,將預拌車上混凝土卸下,經由滑槽流入澆置區域,使得預拌車不必進入澆置區內卸料,而大幅增加澆置速度。

一個星期後,第二層開始施作。由於第一層與第二層之間,澆置溫度不一樣,第一層約與大氣溫度相同;HVFHPC水泥用量不高,水化熱相對較低;而第二層的溫度稍為高一點,但差異性不大,但不至於產生熱應力裂縫,影響上下層的握裹力。況且,水泥與F級飛灰的卜作嵐反應,是在28天之後,可有效改善界面使其成為一體性,這是F級飛灰特有的功能。

第一層與第二層施工介面的的細節

HVFHPC的配方特性,使用高飛灰量及低拌合水量,早期強度偏低,而兩層澆置時間的間隔為7天,從現場澆鑄養護的試體,所進行抗壓強度已有1,000 psi,足以承受行走在第一層上預拌車的重量。同時要注意應避免對第一層端部較弱區域產生過度擾動及避免預拌車過於接近邊緣處,造成第一層及第二層發生分離現象,現場工程師應特別注意這些施工細節。大底基礎全部完工後,隨即進行覆蓋帆布進行養護,混凝土強度如表3所示。目前,San Marga Iraivan Temple的地面層施工進度,結構體已經完成,其他細部則在印度石工雕刻團隊的積極努力下,預計在2017年完成,如照片1

註:

本文主要參考摘自網路San Marga Iraivan Temple Placement of "Fly Ash Concrete" Foundation ...

www.himalayanacademy.com/ssc/hawaii/iraivan/.../images.html

 

照片1   San Marga IraivanTemple寺廟現況(2010)

 

HVFHPC已是永續混凝土科技的代表

San Marga Iraivan Temple寺廟是建築結構物耐久永續設計的典範,長達1,000年的使用壽命裡,建築材料都能表現出永恆的文化與藝術的價值;印度花崗岩的佛像及石雕,與Mehta教授的HVFHPC,結合而成象徵當地人民的信仰中心與精神寄託所在。雖然,大底構造是屬於無鋼筋混凝土,但HVFHPC如同印度花崗岩般耐久,只要寺院位址選擇在夠堅實,不易產生沉陷的地質,預期將會是另一個世界上,千年的古蹟與奇蹟。倘若,在基礎裡加設鋼筋,也就是如同一般的建築物基礎,在符合規範的保護層下,HVFHPC配方是有些許變化,設計壽命不若San Marga Iraivan Temple長達1,000年之久,但依據台科大與核能研究所化工組的研究與應用資料顯示,低放射性高健全貯存桶(HIC),在7.5公分的保護層時,設計壽命可達300年以上,f´c(28)也超越55 MPa(8,000 psi),這已經適合且含蓋絕大部份建築結構設計強度,包含基礎與結構體部分,而他的特性在應用約30~40%F級飛灰,拌合水量小於150 kg/m3、水膠比低於0.32以下、低乾縮與低潛變、而且做到高流動性(坍度250mm,坍流度 > 600mm以上),仿如日本的自充填混凝土SCC;服務壽命測試的條件相當嚴苛。至於,保護層為4公分的情況下,也有200年以上的壽命;在應用於大底基礎及結構體時,水泥量可控制在200 kg/m3以下,服務年限已可達2百年以上。

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