剛性水泥混凝土鋪面使用機制探討


一、前言

『水泥混凝土』係土木工程暨建築設施等構造物廣泛所使用之材料,其相關所需之設計準則、圖說與施工規範等文獻均甚為完備。但是,以筆者將近20餘年之工程實務經驗而言,當水泥混凝土應用於鋪面工程時,所可能衍生之問題與盲點最多,連帶地造成失敗案例絡繹不絕;尋根究底,往往只因為少數從業人員的認知錯誤或輕忽其重要性,卻因此而產生極大不良的後遺症,因小失大,實在得不償失呀!

職是之故,筆者擬就剛性水泥混凝土鋪面之機理談起,輔以實務案例及所見所聞來印證其使用機制。至盼能再度釐正視聽、維護品質、節撙公帑並保障用路人之安全。

二、水泥混凝土鋪面基本機理

就剛性鋪面而言,由於水泥混凝土所具備之高彈性模數與剛性(Rigidity)之特質,可將交通量荷重直接傳遞至廣大面積之路基土壤層,並由面層之水泥混凝土版承擔荷重,因此,全線路基土壤強度值若彼此之間差異性較大,基於水泥混凝土面版自身承受彎曲(Flexure)應力之作用結果,對鋪面之結構與強度不至於有顯著之影響。

基於上述機理,使用於鋪面之水泥混凝土的材料,必須特別注意下列各項重點:

1.採用抗彎強度(Flexural Strength)設計及品管。
2.混凝土坍度值最好在7.5cm(3”)以下較宜,粒料標稱直徑值可以選用到38mm。
3.應顧及水泥用量之限制,以免完工後裂縫叢生。“多用水泥”與“成效”並非呈現正比例之相關性。
4.抗彎強度平均需要強度值f’cr須為設計強度值之1.15倍以上;且設計強度值須採用28天材齡650psi為基準,FAA更規定此值不得小於600psi,以免損及混凝土耐久性。
5.鋪面工程最忌採用抗壓強度逕行設計及品管。
三、剛性鋪面配合措施暨注意事項

因應剛性鋪面抗彎之機制,從設計到施工乃至品管各階段,均有必要的配合措施暨注意事項務必確實做到,方能竟其全功。茲扼要條列如下:

1.在混凝土面版中加置鋼筋網,其功能為求能控制混凝土面版因溫差及乾縮而可能產生之不規則裂縫,不能因為加置鋼筋網即認為可以降低抗彎設計強度值或是減少面版之厚度值。
2.正常尺寸之版塊,可不設置鋼筋網;至於畸零版塊,由於溫差效應與承載荷重後之應力傳遞模式未克均勻,則以設置鋼筋網較為妥切。
3.混凝土版塊的長寬比不得大於1.25。
4.路基土壤設計強度平鈑載重k值不得大於500pci(lb/in3或lb/in2/in)。
5.剛性鋪面混凝土版塊之最大接縫間距與面版厚度尺寸關係規定,詳表1所示。

表1 剛性鋪面最大接縫間距與面版厚度尺寸關係表﹝文獻(3)、(6)﹞

面版厚度,吋(公分)

橫向接縫,呎(公尺)

縱向接縫,呎(公尺)

<9(23)

15(4.6)

12.5(3.8)

9~12(23~31)

20(6.1)

20(6.1)

>12(31)

25(7.6)

25(7.6)


表2 各種水泥混凝土規格表﹝文獻(5)﹞

混凝土

澆置方法

水泥

坍度範圍(cm)

最大拌和水量

粗粒料尺寸

28天抗壓

用量

(公升/kg 水泥)

(mm)

強度(fc')

(kg/m3

   

140kgf/cm2

振動式

215~235

10.0~20.0

0.62

4.75~50

175kgf/cm2

振動式

250~275

5.0~15.0

0.62

4.75~50

210kgf/cm2

振動式

300~325

5.0~12.5

0.48

4.75~37.5

245kgf/cm2

振動式

325~400

5.0~12.5

0.48

4.75~37.5

水 中

375~400

10.0~20.0

0.54

4.75~25

280kgf/cm2

振動式

360~400

5.0~12.5

0.44

4.75~25

水 中

400~425

10.0~20.0

0.54

4.75~25

315kgf/cm2

振動式

430~440

5.0~12.5

0.42

4.75~25

350kgf/cm2

振動式

450~475

5.0~12.5

0.4

4.75~25

400kgf/cm2

振動式

475~500

5.0~12.5

0.4

4.75~25

抗彎強度

振動式

350~375

0~7.5

0.44

4.75~50

= 45kgf/cm2

註:本表僅供參考,仍應以配比設計為準。

 

6.縱向接縫處設置繫筋,橫向接縫處設置綴縫筋。

7.採用自動鋪築機施工,較易控制品質。
8.一般施工規範有關水泥混凝土規格之規定,詳表2所示。表2中第九項(抗彎強度值=45kgf/cm2)係特別針對鋪面工程而增設,然而許多從業人員均誤以為抗壓強度140~400kgf/cm2亦適用於鋪面工程之選項。因此,若能於表2中特別加註:「鋪面工程僅適於選用第九項之抗彎機制。」諒可大幅減少誤用之狀況。
9.完成澆置作業後,應立即進行養護作業,並於8~24小時內依規定進行鋸縫工作,以避免衍生不必要之裂縫。
10.品管作業宜建立管制圖表及檢驗總表之制度,並隨時校核,一旦發現重大變異或有疑問時,務必立即予以妥善處理,否則即錯失良機。
11.自開始施工至養護完成,均須特別注意環境溫度及風速等問題,以避免產生裂縫之後遺症。
12.因應表面排水措施之人孔蓋,宜儘量沿路肩邊緣設置,勿任意安置於主車道或機場跑滑道主線等部位。
13.水泥混凝土中是否需要添加附加劑,應同時就適用性、經濟性及成效性等三個方面加以考慮,除非有特別之優點或特殊用途(如輸氣混凝土),否則,採用抗彎機制之鋪面工程,係以不使用附加劑較宜。
四、相關失敗案例說明

茲依筆者所見所聞列舉如下:

1.參與公共工程查核作業時,多次發現山區道路凡是鋪築水泥混凝土者,皆以28天材齡抗壓強度值(140 kgf/cm2、176 kgf/cm2或210 kgf/cm2)予以設計及品管,且全線均未設置接縫與伸縫,導致完工後不到1年即破損不堪。
2.混凝土版塊長寬尺寸採用6m×6m或7.5m×7.5m時,極易產生角隅裂縫或是斷裂損壞之情形。據個人瞭解與現場觀察之經驗,越南地區機場工程係採用3m×3m或4m×4m為主,中國大陸地區則以採用4m×5m居多,兩地區之品質及成效均甚為優良。
3.部份鋪面工程採用抗壓機制之高性能水泥混凝土施工,仍然必須經常性的進行維護作業,豈不是更加傷透腦筋。
4.部份公園步道或是自行車道採用水泥混凝土鋪面,凡是未設置接縫者,皆以長寬比約1.00~1.25之距離段落沿著縱向產生橫向貫穿性裂縫。此一問題正凸顯混凝土版塊務必設置接縫且長寬比不得大於1.25之必要性。
5.部份鋪面工程僅採用10cm之厚度,與FAA設計準則規定:水泥混凝土版塊厚度值必須大於或等於13cm(5吋)之條款亦不相符。導致極易產生斷裂性之損壞情況。
五、結論與建議

1.據知:30年前之台灣地區亦以抗壓機制之方式進行剛性鋪面之設計及品管等作業,正因為飽嚐失敗的痛苦經驗,近10年來,才在施工規範中特別加列抗彎機制之規格(詳表2),唯部份規模較小之工程或較不具經驗之工程師,仍然未克注意此一機理之必要性,實屬不解與遺憾。
2.凡事自有規矩,沒有規矩則難成方圓。所以,若欲獲致高品質之剛性鋪面,理應遵循設計準則、圖說及施工規範之規定進行一系列相關作業。切勿自作聰明地僅依自我判斷而恣意為之。其理應甚明矣!
六、參考文獻

1.交通部台灣區國道新建工程局,“北二高剛性路面建造講習”,1990年9月初版。
2.房性中,“水泥混凝土抗彎與抗壓強度試驗注意事項暨差異性比較說明”,現代營建第245期,2000年5月。
3.FAA,”Airport Pavement Design and Evaluation”, FAA AC No.150/5320-6C,1978.
4.行政院公共工程委員會施工綱要規範,“第02751章:水泥混凝土鋪面”,2008年05月完整版第V4.0版。
5.行政院公共工程委員會施工綱要規範,“第03050章:混凝土基本材料及施工方法”,2008年11月完整版第V7.0版。
6.房性中,“剛性鋪面接(裂)縫處理原則探討”,公路工程月刊第22卷第5期,1995年11月。

【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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