從高性能混凝土到綠色混凝土【下】

湛淵源 技師

耐久性焦點，可以從中國已故國家工程院資深(混凝土專家)院士吳中偉教授，在1996年，曾對混凝土耐久性提出:"有人認為高強度必然高耐久性，這是不全面的，因為高強度混凝土會帶來不利於耐久性的因子……"，並早在1986年即已提出"高強度未必一定是高耐久性，低強度也未必就是不耐久"³。這種講法對時下許多結構工程師，與土木工程師而言，是很難接受的，而會一再強調混凝土是高早強，比28天設計強度超出甚多，為何會有這種問題呢?但此可從美國Mehta、英國Nevil、加拿大Aitcin及Malhotra、和國內台科大黃兆龍教授等等學者與專家，共同一致的看法，高強度將伴隨高體積穩定性的癥結問題，因為，要得到早期強度，勢必採取高強度時，水膠(灰)比通常比較低、水泥用量過高、而現行水泥C₃S及C₃A含量多、水泥磨得太細、和加(高)溫養護等，導致水泥水化熱太高了；早期(1天前)會產生嚴重的塑性收縮、早齡期(3天前)的自生體積收縮量相當大、晚期(7天以後)產生乾燥收縮，這些因數引起表面龜裂(巨觀)，迄至微觀結構產生開裂，使得水分濕氣、有害離子(硫酸鹽、氯離子、其他酸鹼離子等)侵入，耐久性受到所處環境氣候挑戰，而喪失一體性，需局部修補甚至要重建。因此，只要工程按部就班進行，應避免高早強的設計，且需加強工地混凝土養護工作；至於，晚期高強度是絕對有利於耐久性；此可由理論與經驗的實務中得到證實，高性能混凝土強度是越久越強，不會有衰減或遲滯往前正向發展的情況。加拿大Malhotra的研究也展顯出，如圖1所示，純水泥和添加飛灰、爐石粉、矽灰等混凝土

圖1.混凝土添加礦物摻料強度與強度效益發展 

抗壓強度及水泥強度發展，値得特別注意者，所有混凝土配方的用水量大約在120 kg/m3左右，及12~15cm的坍度。圖中△與○符號為加入矽灰/水泥重，分別為427/59與449/39 kg/m3的配方，見圖左；可以看出添加矽灰，1天強度幾乎到達70及55 MPa，與馬來西亞雙子星塔混凝土效果極為類似，1天就可以拆模了；至於，加入爐石粉和純水泥的配方，見圖□(水泥、爐石、矽灰)、◇(水泥、爐石)、◇(含十字，純水泥)，1天都可以達到40 MPa以上，都可以滿足高早強目的；田符號為加入水泥/飛灰，分別為150/200 kg/m3的配方，水泥用量是其它配方1/2~1/3之間，1天時，強度只有8 MPa，7與28天則為32及50 MPa，但是在91天時，變成最高強度值為82 MPa，約為12,000 psi，而在10年後，更高達112 MPa(16,000 psi)，仍然是試驗配方中強度最高者。由Malhotra的經驗告訴我們，工程貪圖快速、搶時間、搶進度，所得到只是1天的成就感而已；配方上只需適當的水泥用量，在3天至28天後，仍然可以達到強度需求；高早強者所花費的材料成本，是會更高的，且疏於養護工作，所得到的結構物品質，將無法受到時間的檢驗，而有「吃緊弄破碗!」的隱憂及遺憾，也就是這個道理。混凝土產生龜裂與體積嚴重變化，無法承受環境變化的試煉，耐久及永續性將會蕩然無存。

另一個案例也可說明是屬於「慢工出細活」的真理。Mehta(1999)曾為夏威夷印度教San Marga Iraivan Temple神廟混凝土，設計基礎耐久永續的配方；w/cm=0.398(約為0.40)，3天、7天、28天、91天強度分別為7、11、17、27 MPa；在91天時，基礎設計強度需大於21 MPa，未來將會發展至42 MPa以上；配方特徵是採用低用水量(小於100 kg/m3)、低水泥量(小於106 kg/m3)、高F級飛灰量(142 kg/m3)、粗細粒料用量(大於2,035 kg/m3)，可說是一種非常綠色環保耐久的混凝土配方。可是為什麼3,000 psi的混凝土與傳統混凝土配比不一樣呢?一般配方膠結材料(水泥+礦物摻料)為300 kg/m3，用水量在190 kg/m3以上，粒料約在17,00 kg/m3左右；但此與Mehta的配方設計出入頗大，主要在於水泥用量過低、飛灰用量過高、水用量更低，想一想，這種配方真的能做出來嗎?事實上，以水灰比而言，高達0.90以上，早期(7天)強度發展將會很低，但晚期(91天)以後，除可達到設計強度外，強度將會隨時間緩慢持續成長，且連續不斷的卜作嵐反應-水泥+F級飛灰，是這種耐久永續基因的保證。因此，設計為1,000年的壽命，歸結原因為混凝土強度是低早強、晚期高強度、高體積穩定性、低水化熱、無目視可見裂縫、確實施行一個月工地的濕養護等技術，而歸根究底就是使用綠色HPC設計，是一種標竿式的永續混凝土設計與施工的結晶。所以，Mehta做法也正應證大陸已故混凝土工程院士吳中偉 教授所言:混凝土低強度也未必就是不耐久的至理名言；耐久性以水的用量為前提，低用水量且有適當的工作性，添加適量礦物摻料，和紮紮實實的濕養護，就是一種永續的品質保證。

諸多先進與現場工程師們，會另外有一個很大的疑問?San Marga Iraivan Temple混凝土配方上，飛灰的使用是否太過量(57.3%)了？與現行規範(25%以下)有所衝突呢？為什麼只使用飛灰，而不使用爐石粉來取代水泥呢?依據筆者所蒐集資料及淺見，廟宇基礎是屬於無筋混凝土，飛灰量不受ACI 318耐久性專章之規定；添加爐石粉對混凝土水化熱貢獻大過飛灰，所散發出的熱量，水泥：爐石粉:飛灰=1：0.8：0.5；爐石粉因要研磨，發出CO2的量等於98.5 kg/ton，而飛灰碳足跡則為0，因為環保需求，只要蒐集即可使用，但兩者與水泥的碳足跡 880 kg/ton，相比，真的少得太多了，飛灰比爐石粉更環保與綠色；最重要者，爐石粉與水泥水化產物Ca(OH)2【CH】，早期與晚期都有進行卜作嵐反應，這是大家都知道的；由英國的Lea(1980)9和美國的Roy與Idorn(1982)10研究中，前者，在水泥化學專書中有說明，爐石粉在水化初期，包覆在爐石粉的酸模，受到水泥水化產物CH及其他鹼性物質影響，酸膜被破壞了，可自己獨立進行水化作用，爾後不再依賴CH的幫助，是屬於延遲性的膠結材料，非常相似於水泥；後者，指出爐石粉的水化產物，諸如C-S-H膠體、鈣矾石、單硫型鋁酸鈣化合物、及少量CH，CH或多或少都是存在的，這是沒有辦法改變；F級飛灰可完完全全與CH進行卜作嵐反應，將易溶於水而析出的CH，完全固化起來，轉變成C-S-H，這種最主要強度來源的成分；行政院原子能委員會核能研究所化工組，與台科大營建系，積極開發研究的低放射性核能廢料貯存桶，及最終處置場工程障壁HPC配方，飛灰用量約使用35%，針對貯存桶及工程障壁的品質驗證中，模擬混凝土在暴露環境中，受地下水浸泡侵蝕，混凝土內CH與C-S-H的溶出率，試驗結果對添加飛灰混凝土在清水、人工海水下溶出率較不添加者為低，而進行這個測試之目的，是擔心貯存桶與工程構造體，在服務年限內(300年)，受到地下水及海水的侵蝕，溶出導致劣化而造成貯存桶及工程障壁毀損；當然所應考慮因數還有許多尚待解決；不過水泥中水化存在著CH，從現在極端氣候變成常態，結構體受到不預期有害物質侵蝕更加嚴苛；況且一般建築結構物，尤其像台灣，由於海平面正逐漸上升，低漥部分將被海水淹沒，混凝土結構物耐久性受到更嚴重威脅。因此，採用高耐久性的HPC，已是當務之急，而應用綠色混凝土，除可遵節資源浪費外，有節能減碳與環保和生態保護的功能，更能夠讓結構物永續發展使用。 

強度效益值

國內與國外HPC的比較，參考圖2.，上方表示配方內添加的膠結料種類。有1天強度是屬於Malhotra設計者，3天強度是屬於國內的HPC；顯示3天後強度都大於3,000 psi，表示配方都可以達到拆模的時間，比Malhotra配方(僅加飛灰者除外)1天的強度要低，這是因未使用爐石水泥，並以爐石粉及飛灰緊密堆積所得配方；較使用

圖2.國內與國際(Malhotra)HPC的比較

純水泥與再加入爐石粉和飛灰，能更減少水泥的用量，且又不失去3天的早期強度，可供拆模時的參考；符號±是只有使用純水泥加上飛灰與爐石的配方，與採用高細度(High Fineness)及中細度(Medium Fineness)爐石水泥在加上爐石和飛灰配方，強度發展的情況；28天前，純水泥(±符號)配比強度較高，28天時，強度幾乎是一樣的，表示水泥真的用太多了，爐石粉與飛灰只要使用得當，在配合低水量，強度與耐久性是可以達到設計需求；總之，以往設計水泥真的使用過量了，而水泥過多，不僅達不到預期服務目標，也被冠上環境生態的殺手。

圖1.及圖2.右方表示各配比水泥強度效益値；圖1.右邊田符號是添加飛灰的配方，7天之後，水泥強度效益呈現一路領先，直到十年齡期，差距是越來越大；符號□(水泥、爐石、矽灰)與◇(水泥、爐石)則為加入爐石及矽灰的強度效益是第二及第三高者，顯示出使用新型膠結材料配方，水泥和所有礦物摻料相容性甚佳，表現在水泥強度效益上更是亮麗，更為節能減碳，更是具有永續發展的條件；加入飛灰的配比更是箇中翹楚，這是拜低用水量之故，只要滿足設計強度需求，還是慢工出細活的設計較優；純水泥的配比，效益値一直是最低的，不僅不經濟、也不環保、與不節能減碳、更不永續了。圖2.右方也是國內與國際混凝土配方的水泥強度效益値，Malhotra的飛灰配方效益值仍然是最大的；高細度及中細度爐石水泥在加入爐石粉與飛灰，新型膠結材料形成的效益値僅次於飛灰値，顯現出配方應用得當，低用水量(小於160 kg/m3)與良好的工作性，再加上強度發展得到預期效果，是一種極為環保與永續的配方。¡符號為國內另一種HPC(飛灰)研發與應用的配方，w/cm=0.28，水泥設計用量185 kg/m3，F級飛灰用量達到305kg/m3，爐石粉與矽灰是水泥量的5%；3d的強度3,000 psi，在28天為8,000 psi以上，到150天時，有12,000 psi，與Malhotra的飛灰(田符號)配方強度發展相似；水泥效益値僅次於飛灰(田符號)及採用高與中細度的爐石水泥；倘若這個配比是採用高細度爐石粉水泥，水泥用量=185/2=93 kg/m3，且有足夠時間養護，並能保有原來的強度值時，這個配方的水泥強度效益値將達到65×2=130psi(150天)，比十年後的飛灰(田符號)效益値109 psi更高，更是一種節能減碳、環保永續的新型膠結材料的混凝土。不過這是假設値，仍需有足夠的試驗印證設計性能。

結語

本文提出從高性能混凝土到綠色混凝土，是以強度設計到性能設計為依歸；採用HPC與水泥效益因子，是國內綠建築(EEWH)減廢指標中特別有益因子，對CO2減量與廢棄物減量指標通過很有幫助，而所提供的是非金屬再生材料，及高性能混凝土的應用；但現在建築與土木設計工程師們，都被營建相關規範綁得死死的，設計工作在保守中更趨保守，舊有經驗規則一直墨守成規，一樣的畫葫蘆，以前都是這樣做的，現在又有什麼不可以呢?地球生態環境是這麼的吃緊，台灣已經歷種種極端氣候的洗禮，人民真是苦不堪言。想想，日據時代的土木工程師「八田與一」曾講過:土木工程應向人民的利益看齊，在這南部偏遠地區(嘉南平原)需要蓋烏山頭水庫及做溝渠方便灌溉，讓老百姓可以更方便，自然就賺錢可改善生活了；雖然，這是前人(特別是日本人)就是有這種胸襟，值得效法，無論國籍，只要是土木工程人，就必須常懷著「民之所欲、常在我心」，將土木建築物耐久永續性，當成是自己永遠的責任與義務。 

參考文獻

1.Pieer-Claude Aïtcin（2000）， Cements of yesterday and today，Concrete tomorrow，Cement and Concrete Research，20。

2.Malhotra,V.M.（1999）. Making Concrete Green with Fly Ash, Concrete International, pp.61-66.

3.劉娟紅、宋少民（2011），綠色高性能混凝土技術與工程應用。北京：中國電力出版社。

4.國家標準（2001）。建築結構可靠度設計統一標準CGB50068-200D。 北京：中國建築工業出版社。

5.國家標準（1984）。建築結構設計通用符號計量單位和基本術語(GBJ83-85)。北京：中國計畫出版社。

6.黃興隸編著（1989）。工程結構可靠性設計。北京：人民交通出版社。

7.李田、劉西拉（1994）。混凝土結構的耐久性設計。土木工程學報，27(2)，47-55。

8.黃兆龍（2008）。放射性廢棄物設施混凝土結構長期安全規範之研究。行政院原子能委員會。

9.F.M.Lea（1980）.The Chemistry of Cement and Concrete.（3rd edition）, London:Edward Arnold.

10. Roy, D.M.,＆ Idon, G.M.（1982）. Hydration,Syructure,and Properties of Blast Furnace Slag Cements,Mortars and Concrete. ACI Journal,Techncal paper NO.79-43, 444-457.