從高性能混凝土到綠色混凝土【上】

湛淵源 技師

二十一世紀的混凝土

2000年，著名的加拿大高性能混凝土(High-Performance Concrete，HPC)專家Pieer-Claude Aïtcin在國際知名期刊¹上，水泥與混凝土研究(Cement and Concrete Research，CCR)發表"Cements of yesterday and today，Concrete tomorrow"，文中提到，21世紀水泥工業，應改名為水硬性膠凝材料工業，而且應是一種綠色工業，此種新型的膠凝材料應該是生態的、綠色的。1999年，也是加拿大CAMET的HPC專家Malhotra在ACI國際混凝土雜誌(Concrete International)²上發表" Making Concrete Green with Fly Ash "，以不同礦物摻料製作6組HPC，用水量很低且工作性適當，經過十年後鑽心取樣試驗，添加飛灰配比的強度最高，顯現出高度綠色的足跡。

1999年5月，在英國雪菲爾大學召開的國際混凝土發展會議「下一千年混凝土研討會」，結論上摘要如后:「混凝土不僅要求28天強度而已，未來要將混凝土服務壽命(年限)，列在規範中，當成是合約的一部分；2030年時，要將高性能混凝土變成現行使用的一般商品」。從這個結論上衍伸出來的行動綱領，目前國際混凝土科研的重點-環境服務壽命³，諸如國際結構混凝土聯合會，於2006年6月，提出全概率服務設計流程圖；法國土木工程師學會，2007年，提出混凝土服務壽命設計指南；中國的GB/T 50476-2008的《混凝土結構耐久性設計規範》；日本於1986年提出"考慮耐久性的建築物設計、施工維護大綱"，1989年，《混凝土結構耐久性設計準則(試行)》；歐洲混凝土委員會，1989年，通報了"耐久性混凝土結構設計指南"；1995年，歐洲共同體一項資助名為DuraCrete的研究項目，2000年出版一份名為《混凝土結構耐久性設計指南》；1998年，歐洲共同體又資助了為期3年DuraNet工作網，全名為"支持、發展與應用以性能為基礎的混凝土結構耐久性設計與評估工作網"，有歐洲19個單位參與，旨在改善歐洲混凝土耐久性設計、評估與維修水平；美國ACI 201委員會，1992年，提出"耐久性混凝土指南"，2000年，又對該指南進行修改；1990年，歐洲國際混凝土委員會編製的混凝土結構CEB-FIB模式規範，歐洲規範2暫行本(1992)；1994年，美國AASHTO《公路橋梁設計規範》等等；在台灣，2000年，交通部規範，混凝土都列有耐久性的條款。經由上述文獻可知21世紀混凝土是集耐久、壽命、永續、綠色、環保、節能減碳的綜合產物。

結構可靠度及耐久性

在中國，RC結構的「結構可靠度設計統一標準」⁴規範中，針對結構可靠性的定義為：RC結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的能力。這裏的規定時間，是指結構的設計使用年限，規定條件是指正常設計、正常施工、正常使用和正常維護；而預定功能則指結構的安全性、適用性和耐久性。所謂結構的耐久性，是指結構在正常設計、正常施工、正常使用和正常維護條件下，在規定的時間內，由於結構構件性能隨時間的劣化，但仍能滿足預定功能的能力⁵；結構耐久性還可以定義為：結構在化學的、生物的或其他不利因素的作用下，在預定的時間內，其材料性能的惡化不致導致結構出現不可接受的失效概率⁶；或指結構在要求的目標使用期內，不需要花費大量資金補強處理而能保證其安全性和適用性的能力⁷。從結構可靠性與耐久性的定義可以看出，結構可靠性主要表徵結構的行為能力問題，而結構的耐久性則主要反映在服務時間所應具備設計性能問題。

中國的"十五"科技攻擊中³，中國建築材料科學研究總院，對C30~C50中等強度混凝土高性能化關鍵技術進行系統研究，提出"壽命優先、強度適中"，更清楚定義了高性能混凝土應具有良好的工作性、高的耐久性和工程所需要的強度。中國工程建設標準CECS 207-2006《高性能混凝土應用技術規程》，規定"採用常規材料和工藝生產得能保證混凝土結構所需要的各項力學性能，並具有高耐久性、高工作性和體積穩定性的混凝土"。重點是結構混凝土所處的環境應具耐久性，包含下列一種或數種要求:

(1)水膠比≦0.38。

(2)56d齡期總導電量≦1000庫倫。

(3)300次凍融循環後動彈性模數≧80%。

(4)膠凝材料抗硫酸鹽腐蝕試驗試件15周膨脹率≦0.4%，混凝土最大水膠比≦0.45。

(5)混凝土中可溶性減的總含量≦3.0 kg/m³。

在台灣，由台灣科技大學營建系所黃兆龍教授主持，將行政院原子能委員會所轄的放射性核廢料最終處置場，研擬「放射性廢棄物設施混凝土結構長期安全規範之研究」⁸，進行耐久性設計及驗證探討，研究結論為:要確保混凝土之耐久性，配比設計應以耐久性考量為主，設計強度為輔，且組成材料必須落實品質管制。而材料之配比由相關文獻及驗證結果顯示，混凝土的用水量及水泥用量應儘量減少，服務壽命，100年，水膠比(W/B)應≦0.32；服務壽命，300年，水膠比(W/B)應≦0.26，而水灰比均需大於0.5。在低用水量及水泥用量的要求下，須適量使用優良品質的卜作嵐材料（奈米級矽灰、微米級飛灰及爐石粉）及減水摻料。循此配比原則，由驗證結果顯示：混凝土除能符合設計強度外，更具有高體積穩定性、高阻抗性、低滲透性、耐硫酸鹽侵蝕及低氯離子滲透性和低的地下水溶出(瀝濾)率。由氯離子滲透係數來評估混凝土工程障壁之耐久性，在施工良好及足夠鋼筋保護層的前提下，透過計畫-執行-檢核-修正(PDCA)程序，建立標準作業程序(SOP)，應可滿足低放射性廢棄物管制年限的要求。無論，在國際與國內的研究及應用，耐久性已經是混凝土科技最重要一環，正值惡劣氣候的變遷、及生態環境急速惡化、各種污染源加速RC結構物的劣化，耐久永續性是建築結構物，最基本且亟需要迫切解決的問題。

耐久性因子

高性能混凝土，顧名思義，就是有需要特殊設計性能的混凝土，諸如需高強度、高工作性、高耐久性、高體積穩定性(低乾縮及潛變)、低水化熱、及特殊環境適應力等等，很適合現代建築與土木工程的應用。現在工程界採用的高性能混凝土、自充填混凝土等強調的是高工作性、高早期強度、需添加礦物摻料及化學摻料等，尤其是高工作性的訴求，滿足RC構件佈滿鋼筋、梁柱箍筋密集，所衍生澆注困難問題，常需將混凝土做成高流動性；日本甚至以自充填混凝土(SCC)，能灌滿模板與鋼筋，及可緊密包裹鋼筋，如此可提高結構物耐久性。目前，建築與土木工程，無論是公共工程或私有開發案，均有工期時間壓力，常採用高早強的策略，以降低水膠(灰)比、提高水泥用量、使用高C₃S及C₃A和水泥細度、使用早強劑、加溫養護等，藉以提高早期強度，達到提早拆模並縮短養護甚至不養護，加快工程進行的速度。筆者在大專院校教授建築構造與建築材料課程，時常以馬來西亞雙子星塔-RC超高層建築，這種高早強高強度混凝土的應用，當作課程補充教材的範例；比較特殊的地方在，88層雙塔施工中，是以每3天為一層的施工速度在趕工，理論上，上部結構施工時間=88×3=264天，若再採用逆打工法施作基礎，完工時間約只有3年而已；雙子星塔混凝土設計強度是71 MPa，實際上則是高達100 MPa(15000 psi)，要達到拆模時間只需要1天，其他2天，則是拆模與組模時間，而變成是關鍵要徑作業；從施工速度而言，這個工程真的是太快了，稱得上是世界保持記錄者；但是事後思索這棟大樓的永續使用性，果真是如此嗎?使用高早強、低水灰比、無養護或加速養護等條件，結構物耐久性一直受到質疑。

（未完待續）