巨積混凝土施工案例介紹及反思(上)

湛淵源 技師

一、巨積混凝土(Mass concrete)

目前所使用的混凝土，水泥細度太高，C₃S含量過大、水灰(膠)比低、加溫等等技術的應用，主要在追求早期強度，加快施工速度，提早結構物的使用；這些因素常造成混凝土溫度急速上升，原本這是對混凝土有利的措施；但混凝土熱膨脹係數介於6~12 ×10^-6/⁰C，對常重混凝土，彈性係數21 GPa，混凝土內外溫度差在19⁰C時，假設熱膨脹係數為10×10^-6/⁰C，產生的熱應力約為4 MPa，已超出了容許抗拉強度或極限強度值而開裂，特別是大體積和構件較厚的單元，問題更為繁複與嚴重，必須謹慎處理。ACI 116R-00¹定義巨積混凝土:「混凝土體積及尺寸夠大，需要量測水泥水化熱與體積變化，以減少熱應力所產生裂縫」，而這種定義也很含糊，到底體積及尺寸要多大，才算是巨積混凝土。因此，ACI 207.1R-05^2,3及其系列規範定義巨積混凝土(Mass concrete)，是指混凝土構件澆鑄厚度在90公分(3 ft)以上時，施工時必須考慮構件水泥水化熱應力的差異，含混凝土任一處最高溫不大於135⁰F(57⁰C)，核心與表面溫度差最好控制在35⁰F(19⁰C)以下；須有適當的防護措施，包含設置溫度鋼筋、分層及分塊澆注、在夜間施工、施工場所遮陰、加強蓄水養護等外在配合條件；及混凝土配方調製，含使用波特蘭Type II型中度水化熱的水泥、降低水泥量(低C₃S、C₃A含量)、減少水量、必須採用礦物摻料-F級飛灰及爐石粉-(取代量可概估1kg的F級飛灰、C級飛灰、爐石粉=0.5 kg、0.8 kg、0.8 kg水泥的發熱量)、使用高性能減水劑、冰水或液態氮冷卻拌合料溫度，粒料有遮陽(陰)棚架等等內在設計條件，在這內外良好的施作環境下，去營造一個良好無瑕疵的巨積混凝土構造。目前筏式基礎(Mat foundation)設計厚度往往超過3.25ft(1.0 m)，都可稱之為巨積混凝土；以往國外累積工程界經驗而定義，最小構件厚度尺寸在1.5至6.5ft(0.46到2.0m)不等為巨積混凝土，以上所陳述者適用在傳統典型結構混凝土，至於採用高性能及高早強混凝土(High-performance or High-early-strength concrete)時，溫度則有極大的差異。

筆者先前在技師報第753期(100.5.14)曾經介紹，「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」，已將該案例施工作一介紹，現在則探討此基礎巨積混凝土的配方設計，剖析前加州大學柏克萊分校土木與環境工學系，世界上最具有權威性的混凝土學者專家P.Kumar Mehta教授，對這既有土木工程節能減碳迄至極具有永續發展的構造體設計與施作考量進行回顧與反思，提供技師先進參考。

二、美國夏威夷San Marga Iraivan Temple巨積混凝土

美國夏威夷是一個地處熱帶的島嶼，終年環境炎熱風大的氣候特性，平均氣溫在攝氏24~30度之間。印度教在當地新建San Marga Iraivan Temple廟宇，特別商請Mehta教授設計施做廟宇的基礎奠石，作為不朽的地方傳承。廟宇的基礎平面為36 × 17 m，厚度為1.0 m；Mehta因考慮基礎耐久永性長達1000年之久，遂參考羅馬古神殿與競技場和龐貝古城，這些具歷史古蹟建築準混凝土的歷史足跡，這種設計如同中國大陸已故中國工程院吳中偉院士，知名的混凝土專家學者，倡導推廣的綠色高性能混凝土(Green High-Performance Concrete，GHPC)一樣，由北京科技大學劉娟紅教授及北京建築工程學院宋少民教授4，合著的「綠色高性能混凝土技術與工程應用」2011年專書中，強調並提及GHPC是由義大利火山所產的火山灰，加上細磨石灰及沙子和水混合而成，造就這千年不朽混凝土的遺跡。Mehta5分析這種工程材料反應的效能為火山灰(卜作嵐)反應，與現行的水泥科技中的水泥加礦物摻料與水的緩慢反應，Pozzolanic Reaction，極其相似而且是相當緩慢永續性的反應程序。劉娟紅與宋少民合著的書中更指出，古代的混凝土構造，分析其關鍵膠結料成分仍然是如水泥水化產物C-S-H膠體，且佔有量是最多的；經與水泥水化產物比較其溶於水、酸鹼有害溶液的溶出結果，顯示溶出率是目前C-S-H的四分之一至七分之一而已，表示歷經數千年的火山灰反應，古代混凝土是屬於「慢工出細活」的結構，此與水泥及添加F級飛灰有異曲同工之妙，因為水泥水化產物氫氧化鈣CH，與F級飛灰-反應最緩慢的礦物摻料(ASTM C618)，如同前述取代水泥時可大幅降低水化熱，也是國際上最適合且常用於設計巨積混凝土，也是永續混凝土構造計畫中的重要參考應用材料。

San Marga Iraivan Temple神廟基礎設計厚度為1.0公尺；91天設計強度為21 MPa且最小張力強度(tsnsile strength)為2 MPa；基礎應處在無目視可見裂縫(foundation in free crack)；擬分兩次澆置個別厚度為0.61 m；基礎沉陷量控制在3 mm/3.6 m；作用基礎上均佈載重為800~1600 psf；基礎設計使用服務年限須達到1000年以上。Mehta為能達到永續設計需求，特別以羅馬當地古建築物為參考對象。為何這長達2000多年建築仍然屹立不搖，而現代建築卻不到一百年(甚至數十年)即損壞或需大量維修，推究其原因到底出在甚麼地方呢?以往火山灰加石灰、砂和水所製成準混凝土水泥基的材料，具有膠結作用，可長期適應暴露環境與氣候的變遷，及雨水和有害物質的物理與化學侵蝕，到現在仍然完好無缺，這是Mehta教授所依據邏輯理論。

三、巨積混凝土配方介紹與反思

    San Marga Iraivan Temple基礎混凝土配方如表1.所示。從表中可看出有以下特性:

1.大底混凝土使用傳統的普通波特蘭Type II型水泥，具有中度抗硫及水化熱的性質，設計量每一立方米為106公斤，以巨積(大底)混凝土而言，採用水泥型別適當，所用水泥量算是很低了，可以有效降低水化熱應力。

2.使用符合ASTM C618(CNS 3036)的F級飛灰，燒失量低於1 %，設計量每一立方米為142公斤，使用量將更可大幅度降低基礎的水化熱，並且增加膠結料的量，以降低水膠比，提高晚期及永續時程的強度。

3.石頭採用以玄武岩破碎研磨而成的機製石，粒徑在1"及3"/8間，設計量每一立方米為640及445公斤。

4.砂取自鈣質石子研磨成的機製砂，細度模數為2.7，設計量每一立方米為950公斤。

5.拌合水量設計値為95 kg/m³，設計水量如此低有幾個因素，先是用水量低可降低混凝土的乾縮率；其次因配方的水灰比(w/c)=0.93，遠大於0.42，可避免內部微結構水化產物的吸水，導致自體收縮；最重要者，混凝土用水量與耐久永續性呈反向發展，低拌合水量更可緻密巨微觀結構，而先決條件是使用高型能減水劑，獲得適宜工作性為前提；最後，因設計水灰比在0.90以上，水泥可充分水化，所形成的CH完全提供給F級飛灰，慢慢進行卜作嵐反應，此時又回到古羅馬建築物的永續發展路徑；此外， F級飛灰與水泥水化產物CH，緩慢的卜作嵐反應，對混凝土內部微裂縫有自癒 (Self-healing)的作用，也就是有自行修復的功能，如同人體幹細胞有對傷口(殘缺) 部分，可進行自我復原的功用。配方內的用水量與所有固體材料重量比例為4.320(4.253)%、體積則為9.862(9.717) %，在在都顯示配比內佔最少的是水，這對水化熱及體積變化(含乾縮)量，將會是很低的；而混凝土潛變量也會變小，因為粒料用量多、產生潛變質流的水化膠結漿體少得多，是很健康的一種配方。

6.新拌混凝土工作坍度為150~180 mm，低用水量仍然有適當的工作性，主要取決於優異的高性能減水劑，有極高的減水效應(30%以上)，可拌出良好工作性的混凝土。

7.使用微氣泡輸氣劑除可將細小氣泡輸入混凝土內，可有效改善低拌合水量配方的工作性外，對混凝土耐久性的提升是非常有益；只不過輸入1%的氣泡，將降低5%的強度，必須謹慎使用。使用輸氣劑配合應降低用水量和低水膠比的策略，則可以補償輸氣造成強度降低的缺陷。

 表1.夏威夷San Marga Iraivan Temple巨積混凝土配方設計

  *玄武岩機製的石子；

 **鈣質石子研磨的機製砂，FM=2.8，

***()表示化學摻料去除固含量後，淨水量與拌合水量合成總用水量。

 8.雖然混凝土的水膠比為0.40，但水灰比高達0.93，混凝土早期強度將非常低，尤其是7天之前，且91天設計抗張強度只有2 MP，表示抗張能力僅有抗壓強度的十分之一。因此，早期的濕養護顯得格外的重要，加入卜作嵐材料的混凝土，特別是飛灰及爐石粉，養護工作更是重要。根據大陸學者劉娟紅與宋少民合著的書中，闡述營建工程一味追求快速施工，而混凝土疏於養護，所造成結構體龜裂及劣化的事件層出不窮，導至幾年至幾十年之後結構體毀損，卻屢見不鮮。在大陸普遍存在是這種現象，在國內又何嘗不也是一樣呢!

9.混凝土配方的最大及最重要的特性，在於配方的設計拌合水量控制在100 kg/m³以下，混凝是屬於低乾縮的配比，値是相當低的；而會引起混凝土發熱的主成分，水泥，接近100 kg/m³左右，且加入142公斤的F級飛灰，可預期發熱量將會很低；而總膠結料的量維持在248公斤上下，接近21MPa(3000 psi)的需求，但水膠比為0.40，是屬於41 MPa(6000 psi)等級強度的混凝土，雖然，91天強度值只大於21MPa，也是設計強度，未來應可隨時間成長到41 MPa，表示強度成長曲線是持續正成長，一直到數百年甚至千年，只要氣候、環境及地質變動不是很明顯時，San Marga Iraivan Temple基礎配方是相當具耐久的。

10.現在討論為什麼Mehta及Malhotra所設計的高量飛灰混凝土，前者用水量為約99 kg/m³、後者則為118 kg/m³，在如此低的用水量下，工地中還有約15公分的坍度?這有幾個因素：(1)粒料級配，包含粗細骨材的分佈佳，這有助於減水及提升工作性；(2)配方中添加F級飛灰，因外型為中空球形且大大小小都有，可發揮軸承效應(Bearing effect)，提高工作性，這一點有許多國內外專家學者都證實這種效果；(3)採用較佳性能的高性能減水劑(減水率在30%以上)，有大幅度減水的功能(4)利用晚上(夜間)氣溫較低時施工等等。雖然有以上提高工作性的可能，但筆者嘗試應用粒料(骨材)級配來分析，Mehta與Malhotra和ACI傳統混凝土，在每一粒方米佔有60~70%體積的骨材級配，對工作性的影響，差異性在什麼地方?二十世紀早期混凝土專家Fuller，提出理想粒料(骨材)的級配分佈，命名為「富勒氏曲線」，如式(1)，是以二十個篩由大而小排列，當相鄰兩號篩的差距在二分之一時，可建立最佳的粒料級配分佈，在此級配下所設計的混凝土，工作性佳、強度發展性更好，是一種最理想的粒料級配；

     P(%)=(d/D)ⁿ……………………………………………………(1)

                 式中:P(%)為粒料通過篩的百分比，

                      d(mm)為骨材粒徑，

                      D(mm)為標稱最大粒徑，

                      n為0 ~ 1的常數。 

本文以各配方粗細粒料及F級飛灰的通過百分比(級配曲線)，反推各號篩的遺留重，而各篩遺留重再除以粒料的密度，得到各篩遺留粒料所佔的體積，最後再計算出粒料體積通過百分比，與Fuller氏(n=0.5)級配曲線 (以粒料體積通過百分比表示)比較差異性。

圖1.顯示ACI傳統配比粒料及配分析結果，0312表示水灰比0.30，坍度為1至2英吋；至0556表示水灰比0.50，坍度5至6英吋，配方中粒料的級配曲線，都與Fuller曲線分離，表示傳統混凝土是要靠增加水泥漿量來調整工作性的，這種作法有利於調整新拌混凝土工作性(短時間，3小時以內)，但即使強度足夠或超過甚多時，卻不利於長期的耐久性(數年之後)，尤其今日世界各地環境急劇惡化導致結構體劣化，因為混凝土加水過多，水泥用量過高，都會造成過度的乾縮，致使巨微觀結構開裂，引起結構體的崩壞；圖2.表示Mehta及Malhotra所設計高量飛灰混凝土，所使用粒料及F級飛灰合成的粒料分佈曲線，與Fuller級配曲線的比較，可看出兩者無論是重量(W)與體積(V)粒料級配分佈曲線，和Fuller曲線頗接近，雖然不盡完全相同，只是實際粗細粒料(除F級飛灰)並非球形，富勒氏曲線都假設粒料是圓球形，及材料異相性所致，但差異性不大；與ACI配方最大的差異在通過#100篩以下，ACI是空白的，而Mehta與Malhotra配方，F級飛灰可拉長粒料級配分佈至0.0001mm，而ACI僅到0.1mm，具有極大的落差，暗示會有較佳的工作性，再使用高性能減水劑與微氣泡輸氣劑，更可在低拌合水量下，維持適當的工作性；粒料堆積密度，ACI在0.7 m³以下，而高量飛灰混凝土在0.8 m³以上，象徵Mehta與Malhotra的配方製成結構體屬「完美無瑕，堅硬如石」的基本特徵，採用低水量與低水泥用量，及高飛灰量和高粒料量，在適當的工作性與適宜強度時，是一種耐久永續的結構材料，巨積混凝土構造是如此，在結構混凝土的應用也是如此，這種混凝土是名符其實的永續綠色混凝土(Sustainable Green Concrete)。

圖1.ACI(傳統混凝土)粒料，包含粗、細骨材， 級配分佈與富勒曲線關係		圖2.Mehta與Malhotra設計的高量飛灰混凝土粒料， 包含粗、細骨材及F級飛灰，級配分佈與 富勒曲線關係

四、巨積混凝土施作

混凝土施工時如照片1.至照片2.所示，第一層施工完成後，蓋上帆布進行濕養護7天，隨後進行第二層施工，並經過連續一個月的濕養護，才進行上部施作；養護工作在混凝土後尤其重要，ACI建議混凝土澆注後，養護工作應連續進行7天的濕養護，絕對不要施予斷斷續續的濕養護，此會形成乾溼循環作用，致使混凝土龜裂；在前3天的養護工作是關鍵，而第1天得濕養護更是關鍵中的關鍵，因混凝土早期失水時，先期強度發展較慢(抗張強度太低)，混凝土更易開裂，而失去整體性，這時候再進行補強養護，已為時甚晚，不得不謹慎；添加飛灰混凝土，更需14天的濕養護。

在良好澆注計畫下，分層施工並在基礎裡埋設溫度量測計，所量得數據如圖3.及圖4.所示，對照平均溫度(24~30度)及核心和表層混凝土溫度，最高溫43度，混凝土溫度差異不超過19 OC，混凝土澆置厚度為0.61m，溫度上升是屬於不高且溫和的，不過，此與分層澆置、使用Type II型水泥、使用高量礦物摻料、及認真與確實養護等等因數有關；而San Marga Iraivan Temple基礎混凝土澆注後，Mehta即要求執行確實的濕養護，且有專人持續進行至一個月後。從另一個案例，加拿大CANMET所作巨積混凝土試塊，見照片3.，由Malhotra的工作團隊施作，尺寸為4×4×9 m的立方體，同樣以高量飛灰混凝土進行配方設計，見表2.，採用Type II型水泥、水泥量為150 kg/m³、飛灰用量達180 kg/m³，水膠比0.33，水灰比為0.77，澆置厚度4m，所量測混凝土內部溫度58 ^OC，略高於57 ^OC，如圖5.所示，而加拿大因屬於寒帶氣候，以溫哥華為例，最高溫7月平均氣溫為26 ^OC，除了厚度較大(4m)外，巨積混凝土最高升溫仍非常可觀；本案例混凝土升溫的溫差値可達約32度左右，遠遠超過差19 ^OC的容許值，因此要有適當的澆置計畫，降低混凝土溫度，即使採用高飛灰量混凝土設計，仍然會有如此高的溫度。