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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○一年五月二十六日

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本期主筆:張渝江
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文字記者:許素梅

高性能混凝土綠色混凝土【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AitcinMalhotra、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()比通常比較低、水泥用量過高、而現行水泥C3SC3A含量多、水泥磨得太細、和加()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

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

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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. 

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