土建構造物混凝土加爐灰好？或純水泥配方好？

在筆者手機Line專業領域的群組裡，曾有這樣一段對話:「各位學長前輩，大家好！有一個疑問請教，近年工程的查核委員，要求混凝土要提高水泥用量，最好100%純水泥...，請問先進前輩們，到底這是什麼原因嗎？」。土建構造物混凝土，加入爐灰(爐石粉與飛灰)好？抑或採用純水泥的配方好？這個問題，一直困擾業主、監造和現場工程師。現在探討這個問題，或許有些專家與筆者也都認為是多餘的!但是從材料領域來看，很多積非成是的觀念必須要被釐清。

水泥，是經由高溫旋窯，將組成原料(4:1石灰石與黏土混合磨碎)，煅燒約1400-1550 ^oC延續數小時，變成熟料(Clinker)後，排出再冷卻加入石膏，研磨成粉末後，再包裝運出廠[1]，絕大部分就是CNS 61(ASTM C150)的第I型波特蘭水泥，這是本文最主要探討的對象。水泥熟料礦物，有四種成分(C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF)，水泥最主要成分C₃S，加水後的反應是如式(1)，這個反應式所生成的東西(水化生成物)，→ C-S-H膠體與CH晶體[1]，C-S-H膠體是水泥最主要強度來源，而最主要討論對象是3CH這種成分，是最惱人與最不健康的水泥生成物，叫做氫氧化鈣Ca(OH)₂，這種成分佔水泥水化產物約體積20%，它的特性是水化生成，呈現層狀(有節理)，僅提供填充孔隙及些許強度。

以下僅介紹兩種劣化因子，1.CH是屬於易溶於水的晶體，只要接觸到水或濕氣(經由漏水、裂縫、蜂窩、冷縫或高濕度環境等等)，是非常容易溶於水而流出混凝土本體，沉澱在表面上形成白華(Efflorescence)析晶、或成鐘乳石狀或石筍狀，或俗稱壁癌，見圖1；2.在受污染源環境中，諸如硫酸鹽溶液(污水下水道或工業區污水處理場及管道)，CH與硫酸根離子結合形成石膏而膨脹，再與單硫型鋁酸鈣水化產物，和水生成更具有侵蝕危害性的鈣釩石(Ettringite)，容易招致混凝土巨微觀結構破壞；也就是說弊遠大於利，如果CH沒有轉換改變機制時，是屬於混凝土中一種極具危害性癌細胞，必須想辦法將它去除。

C₃S + H₂O → C-S-H(膠體) + 3CH(結晶體) (1)水泥水化反應

SiO₂/Al₂O₃ + Ca(OH)₂/NaOH/KOH+ H₂O → C/N/K-S/A-H(膠體) (2)卜作嵐材料水泥水化產物

S/A+ CH + H → C -S/A -H(膠體) (3)典型卜作嵐反應式

美國混凝土協會ACI318結構混凝土設計規範中，1995年版，將ACI 318-89(含以前)規範中，混凝土強度為水灰比(w/c)觀念，是水與化學摻料重，比上水泥的重量比，改成ACI318-95以後版本為強度，是採用水膠比(w/cm)，也就(水與化學摻料重)、比上(水泥與補充性膠結材料(Supplementary cementitious materials, SCMs))的重量比。究竟是為什麼ACI318會將(w/c)變成(w/cm)呢？將這個c改成cm，是有重大意義存在裡面，這個m就是SCMs所謂的補充性膠結料，也就是現在台灣的預拌混凝土廠、或工地中，俗稱的爐灰(爐石粉加飛灰)材料。

到底要不要添加SCMs呢？從圖2水泥與膠結材料種類、及圖3敘述SCMs化學成分三相圖，可以獲得足夠資訊。圖3中，水泥(Portland
cement)、爐石粉(Slag)和高鈣質飛灰(Class C fly ash)是屬於矽鈣質(Silicocalcic)材料；水泥與爐石粉是一種近親材料，但是爐石粉是一種鹼激發型材料(如水泥般)，水與水泥和爐石粉加入水後，水泥水化產物-氫氧化鹼(如CH-氫氧化鈣、NH-氫氧化鈉、KH-氫氧化鉀)，破壞爐石粉表面一層酸膜，之後爐石粉可以自行水化了，所以爐石粉也稱為催化性或鹼激發性膠結材料，見表1，可用於取代水泥。

低鈣質飛灰(Class F fly ash)、以及高嶺土(Metacolin)、與矽灰(Silica fume)、及稻殼灰(Rice husk ash)，和鍛燒黏土、頁岩和高嶺土，則是屬於高矽質或矽鋁質(Silicoaluminous)的SCMs材料，如文獻[1,2]指出是卜作嵐材料，也就是只有卜作嵐反應，見式(2)與式(3)。但是要特別強調，上述所有材料都是必須要經高溫煅燒過，而且是在ASTM與CNS規範內有規定的材料，才可以安心將SMCs，經由混凝土配方設計，試拌且大小規模實際量產經驗品質無誤後，才可以使用；並非經燒結的垃圾灰、與未經安定化處理的電弧爐鋼碴、或還原碴，及無規範或無有力試驗證明者，皆不可以使用於混凝土中。

混凝土配方中加入爐灰，對混凝土有些什麼需要注意與問題呢？如同ACI 318規範，在1995年後是以(w/cm)取代(w/c)，也就是在膠結料中一定必須要加入SCMs材料，國內是以添加爐灰為主，而且添加50%為限度(ACI規定SCMs的量是50%)，其中飛灰必須要小於25%(用於巨積混凝土)為限，因此爐灰是採1:1⁓4:1為主，可參考國內規範：內政部營建署頒布混凝土施工規範[3]，及工程會頒布混凝土配比設計綱要施工規範。

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圖1 中部某新建鐵路工程混凝土構件產生白華現象(病變)

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圖2 國內外常用混凝土補充性膠結材料[2]

表1爐石粉的好處與顧慮[2]

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圖3 水泥與補充性膠結材料CaO-SiO2-Al2O3化學成分三相圖[2]

表2 水泥與補充性膠結材料水化與卜作嵐反應示意[2]

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混凝土配方中，到底應『採用純水泥配方、或添加爐灰的配比』呢？依現行規範而言，混凝土配方中加入爐灰，是國內外規範所允許的，而且也必須加入，是一種設計常態，對混凝土物化性質相當有利，特別在工作性、泵送性、早晚期強度提升、耐久性、體積穩定性等等都非常有助益。

問題是在一般土建工程查核中，為什麼部分查核委員建議最好要改成純水泥配方，跟國內外主流規範背道而馳呢？其實問題癥結點，可能在土建的新建工程中，添加爐灰配比的混凝土強度早期發展(尤其是7天以前)強度，遠較純水泥配方要低，只加入飛灰或爐石粉都一樣，如圖4與圖5，無論加入爐灰(飛灰或爐石粉)，混凝土配比，從添加0%→60%以上或混合，7天抗壓強度隨添加量越多，強度折減幅度越大；現行土建工程中，為求快速施工並提早拆模，以爭取工程進度時效，一般會採用營建署混凝土施工規範第四章4.7節規定:現場製作試體的7天抗壓強度，是否達到70%作為拆模依據[3]；理論上要達到此目標，只要將混凝土水膠比(w/cm)調降，在夏天約4-10月間，特別是氣溫較高時候是很容易達成的。反觀在秋冬季時，尤其近幾年，10月至隔年3月間，較低溫度(寒流)發威時，尤其去年冬季時，溫度驟降至10 ^oC以下，在工地裡與澆置構件相同養生條件的試體，往往強度都會偏低，如圖6水泥漿為例，當相對溼度在80%時，水灰比0.35-0.59之間時，強度只有浸泡在飽和石灰水養護試體的50-55%而已，如果再加上溫度更低作用，強度發展比浸泡在飽和石灰水養護試體(養護環境溫度23±2 ^oC)將更低，尤其是配比中有加入爐灰的混凝土，在強度發展上尚處於低濕度及低溫環境下，早期強度發揮更緩慢，見表1，這是需要正視的問題，也難怪查核委員要建議採用純水泥配比了；惟純水泥配比，是違反國內外主流規範的精神，同時也與現代構造物朝向綠色永續發展、及節能減碳理念相左。

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圖4 混凝土爐石粉含量與抗壓強度[1]

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圖5 混凝土飛灰含量與抗壓強度[1]

若要解決『低溫，添加爐灰配比，造成早期強度低於預期的問題』，建議可採以下列方式進行:1)加強工地養(保)護工作(加水與麻布袋或舊棉被覆蓋)，早期混凝土如同剛出生嬰兒一樣，必須要特別呵護它，則7天強度至少可在70-75%之間；2)調降更低水膠比策略，把設計強度再適當提高，滿足7天強度達到70%以上拆模目標，但是工地適當養護工作，不可缺少。

總之，在土建混凝土構造物中是否加入爐灰或採純水泥配方？這個問題已相當清楚，為了要達到提早拆模目標，冬季遇低溫時，可以商請預拌混凝土廠調整配比，將水膠比(w/cm)要適當往下調，以提高早期強度，讓工地養護試體能夠確保在70%以上為目標，並加強工地養護至少7天以上，以確保強度發展；純水泥配方是可以獲得早期強度，但是混凝土內因加入太多水泥而形成如圖1的白華「富貴病」問題，應極力避免，況且採用高污染性製成的水泥，這對地球環境也不夠友善和不利永續發展，建議大家正視這個問題。

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