「巨積混凝土」施工綱要規範 公佈施行

 

湛淵源 華夏科大副教授/土木技師、李隆盛華夏科大副教授、
陳駟侑 台科大博士、陳海島 土木技師


一、 前言

行政院公共工程委員會(以下簡稱工程會),於民國105年9月,完成「巨積混凝土」施工綱要規範研擬公布(105.09.07),並在工程會網站技術施工綱要規範項目下公告[1],作為公共工程設計、施工時,面對量體巨大或混凝土發熱量過大、或不易散熱等等構件,有一參考遵循的方向;同時,也補足內政部營建署92年頒布「結構混凝土施工規範」,第八章「巨積混凝土」的內容,使業者在設計、施工過程,能有一參酌的依據;並完全呼應及反應ACI 301-10「Specification of Structure Concrete」[2]第八章「mass concrete」專章,對「巨積混凝土」施工規定的法規精神,可以落實在工程實務中。

此次工程會委託台灣營建研究院所研擬的「巨積混凝土」施工綱要規範,是集合產、官、學、研,並參酌ACI 301-10第八章內容,加上配合國內現況所凝聚共識而成,筆者是以技師代表参與施工綱要規範審定工作及提出建言。總之,「巨積混凝土」施工綱要規範,對日後公共工程設計構件,有一導引方向,同時亦能提供民間類似工程之指引。

二、 工程會「巨積混凝土」綱要施工規範
工程會所頒「巨積混凝土」施工綱要規範,編號為第03700章V1.0。本施工綱要規範可分成四章,分別為1.通則、2.產品、3.施工、4.計量與計價。茲取重點闡述使用時應注意事項如下,其中須特別注意兩項重點:(1)核心溫度上升 (Maximum temperature rise)、及(2)核心與表面溫度差異 (Maximum temperature differential)。

1. 「巨積混凝土」的定義:「巨積混凝土」係指體積達到須採取控制水合熱措施,以避免發生溫度裂縫之混凝土;混凝土是否被視為巨積混凝土,須就結構體尺寸、水泥類型與用量、體積變化束制、天候條件等因素綜合考量。ACI 301-10建議,當結構物中混凝土最小澆置尺寸達120 cm以上、膠結材料用量超過390 kg/m3 或在難以散熱的環境下澆置時,須依工程特性,考量水合熱問題;規定澆置量體核心溫度≤ 70 oC或(158 oF)。這個定義,點出因混凝土內水泥用量發熱暨不易散熱問題的嚴重性。
首先,構件量體超過120 cm時,或因膠結料用量超過390 kg/m3,形成不易散熱,導致產生熱應力(溫差梯度)過大,此時混凝土強度尚低,沒有合宜的養護及防護措施,極易發生熱龜裂,見圖1,裂縫是屬既大且寬,裂縫呈上寬下窄的型態。筆者先前在參加交通部(102-104年)傑出工程類「金路獎」決選的考評行程,曾參訪過北捷、公路總局、國工局、高公局、鐵改局等單位之傑出工程,發現交通建設構件量體,尤其是橋梁墩柱的斷面尺寸,若是實體(非空心)構造,均大於120 cm甚多,甚至尺寸有超過600 cm者,而且膠結材料用量,時常超出400 kg/m3,也大於390 kg/m3。最主要目的是要提高強度,減小構件量體;至於民間採用較高強度,大部分為提早拆模,縮短施工時程;這種設計方法,在不知不覺中已達到並超過「巨積混凝土」的定義底線,甚至遠超出規定而不自知,這是非常嚴肅且嚴重的耐久性課題。
在考評行程中,筆者問及構件如此巨大,是否參考「巨積混凝土」設計?是否依據營建署「結構混凝土施工規範」? 且混凝土設計是採用CNS 61的Type II型水泥(現行為中度抗硫水泥),是否洽當? 答案則是模糊回應。一旦構件產生(熱)龜裂時,常責成施工廠商或預拌混凝土廠商,以灌注EPOXY負責修復了事。事實上,是對「巨積混凝土」熱應力,了解不夠透徹,從設計、施工迄至混凝土供應商端,僅從一般混凝土構件設計、施工考量而已。
「巨積混凝土」不是只有量體大而已,它的束制條件及本體發熱問題,以及混凝土熱傳導速度較緩、熱消散特別慢,所衍生之施工問題特別嚴重。因此,ACI 301-10及工程會「巨積混凝土」施工綱要規範,乃特別強調熱溫升與溫度差的問題,最主要是來自配比中會發熱的膠結料-水泥的「質」與「量」。因此,規範中建議使用Type II (MH)(現行為中度水化熱水泥)、及Type IV型(低熱水泥),或混合水泥(水泥+高量爐石粉、或高量F級飛灰、或三者綜合)、此類似(Type II(MH)或Type IV),來解決水合熱的困擾;至於傳統上採用Type II,在現行CNS 61規範中,只有中度抗硫的性能,毫無中度水化熱的性質呢!
混凝土配比最好經由試驗室絕熱溫升試驗 (Adiabatic test)[3]-完全密閉不會發生熱消散條件下,配比內膠結材料水化時所能升高的溫度,或以計算方式求出核心溫度上升,作為配比適宜性之參考。另外,也可以從實體試驗(Mockup test),以決定核心溫度大小。在國內是以後者為主,國際上則兩者兼用之。
2. 「巨積混凝土」另一項重點是構件澆置高度下,核心的溫度與表面(一般距表面下(或裡面)5-10 cm)的差異性,在施工時所監測的(心-表)溫度差要≤ 20 oC或(35 oF)。這種混凝土溫差界限值,在歐洲已沿用60-70年,國際工程界均奉為圭皋準則。所採取的基本假設,混凝土溫差到達20 oC臨界值時,熱應力大於張力強度,發生熱龜裂的機率會大於90%,如圖1所示。但由工程實務證實,溫差達到20 oC不見得會龜裂,相反的溫差小於20 oC時,表面也會發生龜裂。只要養護方法適當、且有適當的保溫材設計,是沒有問題的。只是最終心-表溫度差要接近大氣溫度,而且應小於20 oC的界限值,混凝土構件開裂因素才能去除;這一部分要特別注意及重視。巨積混凝土的養護、保護、拆模時間等,要比一般混凝土來的長,至少要有14天以上。(7天的時間,對強度而言不是問題,最主要是熱應力與熱裂縫所衍生的耐久性問題!)

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 (1)巨積混凝土所產生既大且寬的熱龜裂

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(2)熱龜裂的鑽心試體(上寬下窄) 

圖1巨積混凝土表面產生熱龜裂和鑽心試體熱裂縫分布

3. 另外,要特別強調若是構件心溫大於70 oC以上時,依據國外文獻積極證據顯示,會產生延遲鈣釩石(Delayed ettringite formation,DEF)耐久性的嚴重問題,見圖2。因為一般鈣釩石是水化剛發生時即產生,這時候混凝土尚於新拌狀態,在塑性條件下,混凝土有如麻糬般可以吸收這種強大的膨脹力;可是DEF是發生在數月或數年後,此時混凝土已硬固有一定的強度,一旦有水分或濕氣侵入混凝土內部,立即產生DEF這種致命的巨大膨脹性反應,是一種極端破壞性的混凝土耐久性問題。這在公共工程中的混凝土構件,隨時如同潛伏之不定時炸彈,危害著用路人行車安全;或在民間衝擊著人民生命財產,不可不慎!
控制混凝土溫升最有效的方法有兩種,配比設計後,以絕熱溫升試驗或mockup test試驗,決定配比是否低於70 oC。而溫差控制在20 oC以內,完全取決於混凝土構件施工後養護條件、及保溫材設計成效而定。
近日,筆者(主持人)曾會同陳海島技師(召集人),及作者群之華夏科大團隊,於104年執行過台灣省土木技師公會計畫,由某營造公司委託執行南部的新建醫院,質子中心牆體(最厚達350 cm)構件「巨積混凝土先期品保計畫」,印證巨積混凝土施作時的溫差,均小於25 oC(結構體)以內施工時之SOP制度,並交付工地據以施工準則,且設定溫差在20 oC以內的條件。本計畫已在104年底順利完成,現在工程可能也已順利完成。作者群擷取部分成果轉譯成英文,嘗試投稿在英國的工程施工與營建材料實務應用刊物(Construction and building materials, CBM)上,已被接受刊登在2017年4月份的期刊上[4]。這是產、學、研三方面努力的成果,也是我技師夥伴們共同鑽研之實務研發的果實;此時應用在工程會「巨積混凝土」施工綱要規範上,證明在產、關、學、研通力合作下,為國內「巨積混凝土」開創一盞顯耀明燈,也可以與國際混凝土科研技術同步接軌。而在升溫監控上,也曾創意性的採用Type I型水泥與爐石粉和F級飛灰50%以上,已能控制最高溫度上升≤ 70 oC同時溫差≤ 20 oC,滿足工程會施工綱要規範要求,預計發表在上述期刊上,這是工作人員反覆嘗試驗證的果實。

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(1)「巨積混凝土」所產生的DEF爆開龜裂

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(2) 混凝土產生DEF的情況 

圖2「巨積混凝土」表面產生DEF爆開龜裂及外觀情形(如同火害後)

三、 結論

「巨積混凝土」顧名思義是體積巨大,量體豐盈的混凝土構件,不僅是大、水合熱高、束制條件複雜的混凝土單元。基礎版是最典型的應用;而結構體的版、梁、柱、牆等,當構件量體巨大,或使用配方膠結料量高時,亦或束制條件緊固下,皆須使用「巨積混凝土」設計施作為依歸。如同前面所述,最大升溫及溫差是最重要必須考慮的條件,小於70 oC及20 oC是基本的門檻數值,此需運用配方技巧及施工技術加以克服。一般而言,可以控制配方的溫升,而達到最小化,是可以同時降低溫差效應,但兩者是在有條件的應用。追求配方技術消弭溫升作用,利用施工技術(保溫材)來降低溫差影響,是必須同時進行的。至於巨積混凝土高達≤ 70 oC的溫度作用,對現場混凝土有加溫提升養護成效。強度不是問題,接下來要認真考慮的是,當溫度大於50 oC時,膠結漿體與粒料的膨脹係數差異不一,在界面上發生微裂縫的情況,直接影響硬固混凝土的品質,則有待進一步探討釐清。

四、 參考文獻
1. 公共工程委員會(2017)。施工綱要規範網站03,編號:03700 V 1.0-巨積混凝土。 http://pcces.pcc.gov.tw/csi/Default.aspx?FunID=Fun_8&Sno=528. 2017.2.28.
2. ACI Committee 301-10 (2010), Specification for structure concrete, Chap. 8 MASS CONCRETE (ACI 301.1R-10), Farmington Hills. M I: American Concrete Institute.
3. 邱暉仁、陳誌慶、鍾鴻書、金崇仁 (2013)。混合水泥應用於巨積混凝土之案例分析。台灣混凝土學會,混凝土科技,第七卷,第三期,pp. 23-31。
4. Y.Y. Chen, S.J. Chen, C.J. Yang, H.T. Chen (2017), Effect of insulation materials on mass concrete with pozzolans. Construction and Building Materials, 127,pp. 261–271.

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