湛淵源 技師/華夏科大建築系教授
陳駟侑 聯曜實業公司研究員/明新科大土木系兼任助理教授
矽灰(微矽粉,學名"矽灰",Microsilica或Silica Fume),是在冶煉矽鐵合金或工業矽時,通過煙道排出的矽蒸汽氧化後,經特別設計的收塵器收集,得到的無定形、粉末狀的二氧化矽(SiO2),是屬於外來的工業廢棄物再生利用的典範。矽灰平均粒徑在0.15~0.20
μm,歸於奈米級(Nanometer)顆粒,比表面積爲15000~20000m2/kg,具有極強的表面活性。近20年來,矽灰在國外建築、化工、冶金等領域廣泛應用。其中大量的矽灰,主要用於水泥或混凝土摻合料,以改善水泥或混凝土的性能,調配具有超高強(fꞌc≧C70以上,≧10000 psi)、耐磨、耐沖刷、耐腐蝕、抗滲透、抗凍、早強的特殊混凝土,可應用於大壩、大型水庫、水電、海港碼頭、鐵路橋樑、高速公路、飛機場跑道、隧道及超高層建築等特殊土木建築工程場合。同時,矽灰還可以用於耐火材料和陶瓷製品的生產,提高產品的強度和耐久性;用於油漆、塗料、樹脂、橡膠及其他高分子材料填充物,能發揮改善材料綜合性能目的。
卜作嵐材料,是現代混凝土科技不可或缺的主要材料之一,有別於煉鋼業資源化回收物的爐石粉,以及燃煤火力發電廠燃燒廢氣回收資源化粉塵的飛灰;國內並不生產矽金屬材料,矽灰全然由國外進口(歐洲、美國、澳洲、中國等),價格自然比較昂貴(相較於爐石粉和飛灰)。表1顯示混凝土主要材料價格,膠結材料中矽灰價格約是水泥8倍、爐石粉15倍、飛灰31倍,同屬於工業回收再利用材料,矽灰產製過程,比水泥流程更精緻複雜,性能也比爐石粉和飛灰高,產量較少稀有自然不便宜。
表1混凝土主要材料單價一覽表(民國100年)
材料 |
水泥 |
爐石粉 |
飛灰 |
矽灰 |
砂 |
石子 |
水 |
SP(羧酸/傳統) |
單價(元/kg) |
3.1 |
1.65 |
0.8 |
25 |
0.5 |
0.5 |
0.007 |
60/30 |
本文嘗試以壩體相關設施,說明矽灰混凝土問題與應用。矽灰混凝土(Silica fume concrete,SFC)配比設計,主要是引用ACI 211.1與211.4R-高強度混凝土(fꞌc=8000 psi,55 MPa)、ACI 234R-矽灰混凝土、同時參考ACI
318-14結構混凝土等設計規範[1]。到底矽灰量要用多少才適宜呢?依據ACI 318第19.3耐久性章節的表19.3.1.1,對處於冰凍-融解的F3暴露(Very severe)-於除冰鹽或連續潮濕環境中,表19.3.2.1混凝土暴露等級,矽灰用量建議不大於總結膠結料10%(見ACI 318-14的表26.4.2.2(b));工程會綱要施工規範-矽灰混凝土建議用量也是10%。在國內,水壩體的洩洪(引水)道,因有高差水流沖刷混凝土表面,及因洪水夾雜一些樹木與小石塊等,造成洩洪(引水)道局部移動應力相當巨大,對混凝土表面沖蝕加劇,表面必須耐水流(與夾雜物)沖刷要足夠才能抵抗,而混凝土強度與粗粒料(骨材)強度扮演重要角色。圖1顯示位於南投雪霸國家公園的士林壩及仁愛鄉的栗栖霸外觀,矽灰混凝土主要應用在溢洪道、排砂道、靜水池、進水口等,其中士林壩靜水池的矽灰混凝土面產生龜裂[2],如圖2;栗栖霸改良士林壩配比,加入飛灰時有顯著改善上述問題癥結。士林壩設計規定矽灰用量為水泥15±1%,參考美國賓州Kinzua水壩淨水池之修補材料,且較無矽灰混凝土施作經驗,在士林壩施作後由文獻[2]改良配比用於栗栖霸,而稍得到問題解決。在國內,幾乎在同一時間研發出本土化矽灰混凝土配比,可供工程界參考。
圖1 苗栗縣泰安鄉士林壩與南投縣仁愛鄉武界栗栖壩外觀
圖2 雪霸國家公園士林壩淨水池矽灰混凝土表面龜裂
表2與表3是士林壩、栗栖壩、本土化矽灰混凝土配方。三種配方,都是使用中部河川流域的砂石粒料,可加以比較各配比材料成本差異(表4)、設計抗壓強度(表5)等。本土化矽灰混凝土(Modified silica fume concrete, MSFC),採用國內生產之爐石粉與飛灰,加上國外進口的矽灰和國產水泥,結合成四相膠結材料的MSFC[1]。各配比使用材料成本分析,將表1材料成本帶入表2及表3各配比計算出所使用材料成本,如表4,MSFC的材料成本是士林壩(57%以下)與栗栖壩(67%以下)的三分之二以下,是具有相當大的競爭潛力。由表5各配比不同齡期強度發展,水膠比介於0.24~0.26之間,強度發展上,28天與56天時,MSFC均大於士林壩與栗栖壩強度,從表3各配比的水泥量發現,MSFC只有312 kg/m³是非常低,但是fꞌc可以達12000至13000 psi以上,已經成功地應用在中鋼魚雷車的軌枕,以及台電低放射性核廢料的高承裝性貯存容器HIC桶上,未來可朝壩體工程與土建工程上應用。
表2 雪霸國家公園士林壩與栗栖霸矽灰混凝土配比
編 號* |
水膠比 |
矽灰% |
材料重量,kg/m³ |
附加劑 |
|||||
水 |
水泥 |
矽灰 |
飛灰 |
細粒料 |
粗粒料 |
||||
G10-S15-24a |
0.24 |
12.7 |
150 |
550 |
80 |
- |
660 |
988 |
17.6 |
G20-S15-24b |
0.24 |
12.7 |
150 |
550 |
80 |
- |
577 |
1071 |
17.6 |
G20-S14-18c |
0.26 |
12.4 |
145 |
480 |
68 |
- |
707 |
1127 |
15.3 |
S12-F15-22D1 |
0.25 |
14.1 |
150 |
438 |
72 |
90 |
653 |
987 |
14.4 |
S12-F15-18D2 |
0.25 |
14.1 |
150 |
438 |
72 |
90 |
653 |
987 |
13.2 |
S12-F15-15D3 |
0.25 |
14.1 |
150 |
438 |
72 |
90 |
653 |
987 |
12.0 |
士林霸: a.坍度:24公分,Dmax=3"/8;b.坍度:24公分,Dmax=3"/4;c.坍度:18公分,Dmax=3"/4。
栗栖霸: 1.坍度:22公分,Dmax=3"/4;2.坍度:18公分,Dmax=3"/4;3.坍度:15公分,Dmax=1"/2。
表3 傳統與本土化矽灰混凝土配比設計結果
配比模式一、SFC-ACI配比設計 |
材料配比(單位:kg/m3) |
SP*(%) |
|||||||||||||
編號 |
W/C |
W/S |
W/B |
矽灰(%) |
水泥 |
爐石 |
飛灰 |
矽灰 |
砂 |
石子 |
水+SP |
||||
A2410 |
0.27 |
0.092 |
0.24 |
10 |
750 |
--- |
--- |
83 |
485 |
853 |
200 |
0.46 |
|||
配比模式二、MSFC-理論配比設計 |
材料配比(單位:kg/m3) |
SP*(%) |
|||||||||||||
編號 |
W/C |
W/S |
W/B |
t(μm) |
矽灰(%) |
水泥 |
爐石 |
飛灰 |
矽灰 |
砂 |
石子 |
水+SP |
|||
T2410 |
0.42 |
0.057 |
0.24 |
10 |
4.2 |
312 |
78 |
132 |
23 |
849 |
886 |
131 |
0.68 |
*: SP用量為(水泥+爐石+飛灰 +矽灰)%。
表4 不同配比矽灰混凝土(SFC、MSFC和士林壩)材料成本單價分析
配比模式 |
各材料單價(單位:元/m3) |
總成本 (元/m3) |
|||||||||
編號 |
W/B |
矽灰(%) |
水泥 |
爐石 |
飛灰 |
矽灰 |
砂 |
石子 |
水 |
SP |
|
SFC |
0.24 |
10 |
2,325 |
--- |
--- |
2,075 |
243 |
427 |
1 |
230 |
5,300 |
MSFC |
0.24 |
4.2 |
967 |
129 |
106 |
575 |
425 |
443 |
1 |
222 |
2,867 |
G10 |
0.24 |
12.7 |
1,705 |
--- |
--- |
2,000 |
330 |
494 |
1 |
528 |
5,058 |
G20 |
0.24 |
12.7 |
1,705 |
--- |
--- |
2,000 |
289 |
536 |
1 |
528 |
5,058 |
G10 |
0.26 |
12.4 |
1,488 |
--- |
--- |
1,700 |
354 |
564 |
1 |
459 |
4,565 |
S121 |
0.25 |
14.1 |
1,368 |
--- |
72 |
1,800 |
327 |
494 |
1 |
432 |
4,494 |
S122 |
0.25 |
14.1 |
1,368 |
--- |
72 |
1,800 |
327 |
494 |
1 |
396 |
4,458 |
S123 |
0.25 |
14.1 |
1,368 |
--- |
72 |
1,800 |
327 |
494 |
1 |
360 |
4,422 |
表5 SFC與MSFC和士林壩與栗栖霸矽灰混凝土抗壓強度[1,2]
配比模式 |
SFC(ACI)配比模式 |
壩體應用案例 |
|||||
試體編號 |
A2410 |
士林壩 |
栗栖霸 |
||||
硬 固 性 質 |
抗壓強度 (MPa) |
1天 |
57.8 |
- |
- |
||
3天 |
68.5 |
55 |
- |
||||
7天 |
79.4 |
69 |
- |
||||
14天 |
84.7 |
- |
- |
||||
28天 |
96.5 |
82 |
- |
||||
56天 |
102.1 |
89 |
89 |
||||
91天 |
103.8 |
- |
- |
||||
配比模式 |
MSFC配比模式 |
壩體應用案例 |
|||||
試體編號 |
T2410 |
士林壩 |
栗栖霸 |
||||
硬 固 性 質 |
抗壓強度 (MPa) |
1天 |
22.1 |
- |
- |
||
3天 |
47.2 |
55 |
- |
||||
7天 |
68.2 |
69 |
- |
||||
14天 |
79.6 |
- |
- |
||||
28天 |
91.0 |
82 |
- |
||||
56天 |
97.0 |
89 |
89 |
||||
91天 |
100.0 |
- |
- |
結語
矽灰混凝土(SFC)配比與應用,大都來自國外(採用ACI為主流),國內使用上案例並不多見,衍生問題也較特殊,不像爐石粉應用較為廣泛普遍。本土化矽灰混凝土(MSFC),結合飛灰、爐石粉、矽灰和水泥,由文獻[1]蒐集國內外文獻開發成功,並應用在中鋼魚雷車的預力軌枕(已取得美國專利),和台電低放射性核廢料貯存桶(HIC)上,成本是本文介紹水工案例的三分之二以下,具有相當競爭力優勢,此可提供工程界參考。
參考文獻
1.陳俊村(陳駟佑),矽灰混凝土配比簡化模式建構與其相應工程性質之研究,博士論文,台灣科技大學營建工程系,台北,2011。
2.宋讚恒,台灣地區耐磨混凝土工程水工結構應用探討,碩士論文,朝陽科技大學營建工程系,南投,2011。
【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】
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