火山灰在古羅馬建築構造發展思維

湛淵源 技師/華夏科大建築系教授

火山灰-卜作嵐(Pozzlans或Pozzolana)，是來自於希臘古羅馬，距現今約2,000⁓3,000年留存下來古蹟建築構造物中所採用材料，是屬於一種準混凝土。古羅馬建築中有三個重要永續性關鍵元素：1.拱門2.拱頂3.準混凝土。拱門與拱頂是卓越的抗壓構造，於中國古建築(含橋梁)及台灣早期建築，有著相同的特徵與特色，主要還是仿古羅馬建築，為主要的建築意象呈現；準混凝土這個材料元素，可能是古羅馬建築最偉大成功和最重要的藝術工匠所表現的內涵：火山灰-卜作嵐(Pozzolans)混凝土的發明，奠定並成就了這些不朽、日久彌堅之建築物構造古蹟。

古羅馬混凝土為何有如此耐久永續性能，是採用稱之為藝術黏結劑(Opus Caementicium)，屬於一種營建用膠結材料，為當地特殊的古羅馬水泥砂漿或水泥漿組成，由拌合用水、石灰(CaO)、和極其特殊火山灰(Volcanic ash)砂-卜作嵐(Pozzolans)所組成的，使這種膠結材料，具有非常特殊的強度。此種膠結材料，指出古羅馬工匠在準混凝土施工澆置前，先釘模與組模，然後交替灌入這種膠結材料(拌製成黏稠狀)，在構造以牆面為主的建材，如石頭、磚頭、或岩石塊等，每一層之間(平縫與豎縫)黏結起來，工匠這時候會使用一種叫夯錘(Tamp)工具，把石頭、磚頭、或岩石塊和膠結料緊密夯實成一體。古羅馬的準水泥混凝土，不僅隨時間發展會更強堅固，在有水濕氣供應下，更能歷經千年之久，持續不斷進行水化(Hydraulic)與硬固，而變得更有永續發展性能，古羅馬當時是廣泛應用在建築物(公共與私人)、下水道工程、蓄水池構造、澡盆浴缸器具、甚至河海港口設施等等，足見古羅馬工匠(工程師)具有優秀與極高藝術家的技術天分，從事大地永續雕塑師的歷史使命。

古羅馬建築年代，當時波特蘭水泥(19世紀時)尚未發明，要建築這些準混凝土構造物有其困難度，但是古羅馬工匠除了發明了拱門與拱頂造造物外，最重要者是要把建築物構造單元元素-石頭、磚頭和岩石塊緊密組合起來，而且必須需歷久不致於劣化，有黏結強度，且黏結材料強度隨時間要越來越強，於是另項最重要發明了Pzzolans-火山灰，這項膠結材料，跟現在的混凝土添加卜作嵐材料(人工或天然)，所具有的性質與行為，有相當類似者，也是與科技部專題土建研究群，從事無水泥混凝土的鹼激發相關性研究有關聯。

Pozzolans-火山灰這種材料，在義大利火山群爆發噴出的細小(2毫米，2 mm)以下顆粒組成，化學成分含豐富的活性氧化矽(SiO₂)與氧化鋁(Al₂O₃)和氧化鐵(Fe₂O₃)等，顏色屬於深灰、白或黃色，與石灰(CaO)加水拌合後，會凝結硬化而有適當(緩慢提升)強度，這種反應稱之為卜作嵐反應，或古羅馬所稱的火山灰反應。所加入的石灰，也可以來自水泥中化學成分-石灰質材料中的CaO。換言之，由水泥中的鹼質，包含鉀(K₂O)、鈉(Na₂O)、鈣(CaO)等等，都可與火山灰的氧化矽(SiO₂)與氧化鋁(Al₂O₃)，產生二次水化的火山灰反應(Pozzolanic reaction)。

以目前土建工程上，採用火山灰(卜作嵐)材料，規範規定在ASTM C618- Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete (CNS 3036-混凝土用飛灰及天然或煆燒卜作嵐攙和物)內，這兩種規範一個英文版，另一個是中文版，所稱的卜作嵐(火山灰)，就是燃煤電廠發電廢棄回收再生利用的飛灰，及來自天然或煆燒卜作嵐材料，因為這些材料，都含豐富的氧化矽(SiO₂)與氧化鋁(Al₂O₃)，而且都經過高溫燃燒(例如發電燃燒約1,200^oC，火山爆發燒火山灰結溫度最高者1,400
^oC)。

目前在ASTM C618 (CNS 3036)規範中，針對這些材料是否可作為卜作嵐(火山灰)材料之應用，作一性質與性能的規定。這些材料，包含人造(Artificial materials，如飛灰與矽灰)和天然或煅燒過材料(Natural materials，如高嶺土與稻殼灰等等)[1]，表1顯示卜作嵐材料強弱勢分析，這些材料的基本物化性質，規定在ASTM C618(CNS 3036)中，這些材料相對於水泥(高度加工材料)，其成本是較低(約在1/4⁓1/2水泥之間)。卜作嵐(火山灰)材料，是受到人為或自然的高溫淬鍊而形成高階能量的材料，能與同樣經高溫燒結的水泥成熟料(1,500 ^oC)，在有水與濕氣環境，持續不斷的水化反應，這些符合上述規範的材料，才可以應用於土建工程的水泥砂漿或混凝土中，否則是違法的使用行為，這一點在工程應用上應特別注意。

表1 國際混凝土卜作嵐材料強勢與弱勢分析

表2 添加火山灰(卜作嵐)材料硬固混凝土性質變化

經過本文介紹，古羅馬建築構造物採用準混凝土-卜作嵐(火山灰)材料後，19世紀-1,824年時，英國工匠阿斯巴丁(Joseph Aspdin)，發明取得現在使用的波特蘭水泥專利，純水泥混凝土一直使用到1995年之前，是工程使用上的主流配比；一直到1995年，ACI 318-95才正式將卜作嵐材料，定位成混凝土的第五種材料(水、水泥、細粒料-砂、粗粒料-石子)。

在這之前，除非混凝土有特殊耐久性(暴露海水、污水下水道、除冰鹽環境等)需求與性能(如巨積混凝土、高強度等)需求，才會有添加的場合，而這些在國際工程上仍占少數；歷經約百年的研究及應用推廣，卜作嵐對混凝土性能性質改善與提升，如表2，終於獲得ACI 318編輯委員的認同。加上因應全球節能減碳與耐久永續發展殷求，從ACI 318-89至ACI 318-95以後，將混凝土水灰比(w/c)修正為水膠比(w/cm)，其中m所示膠結材料，為水泥與火山灰(卜作嵐)用量的總和，而火山灰(卜作嵐)取代量，以建議不超過總膠結料量的50%(只建議使用在除冰鹽環境場合)，同時將建築混凝土更名結構混凝土，符合實際工程應用。

表2中可以清楚看出火山灰(卜作嵐)的好處，對混凝土強度發展，人工的矽灰有助於強度提升效果；但是人工飛灰與爐石粉和天然的卜作嵐，對於強度提升有時升高、有時會降低的現象，這與混凝土配方設計及產製施作過程，有直接關聯性。一般以降低水膠比與審慎嚴謹產製因應，同時施作時要按部就班(搗實確實)，尤其養護工作，應認真執行，這是可保證強度及耐久性，一直往上推進的永續目的。對於抗磨性、乾縮與潛便、碳化(中性化)影響不顯著。表中最後就耐久永續性角度分析，對環境中的凍融-除冰鹽、鹼骨材反應(ASR)、滲透性、化學侵蝕等等的影響，都是大幅降低的，主要原因是加入火山灰(卜作嵐)可以大幅降低水泥用量，水泥發生劣化因子，如鹼性物質與氫氧化鈣水化產物，變少了，透過火山灰(卜作嵐)反應，所產生的水化產物，是緻密混凝土構造體耐久永續的保證。

古羅馬另一個達3,000年前地下水窖(Water tank)準混凝構造物，是當時儲水的設施，經過3,000年歲月，至今仍完好無缺，依然繼續使用中。火山灰混凝土經得起歲月歷練，尤其是無法預期環境變遷所帶來酸鹼溶液的侵蝕，絕對不是僅有單純的盛水導流的地下溝渠而已，所憑藉的就是這種持續不斷的火山灰反應，所形成耐久永續的水化產物C-S-H(II)膠體。也因此ACI 318含其它委員會，已幾乎修正(w/c)變成水膠比(w/cm)了，國內土建設計及施工規範，也同步予以修正，以耐久永續發展前提，(w/c)與(w/cm)是不同的，依據表2，採用(w/cm)精神，和節能減碳與耐久永續發展目標是一致。

最後，本文討論國際上火山灰(卜作嵐)儲存供應量問題。如同前述，火山灰可以分人工和天然材料，在2020時全球水泥生產約41億噸，人工卜作嵐(含飛灰-約8億噸、爐石粉約2億噸、矽灰約2千噸等)約有11億噸，以每噸水泥碳排放量，依據英國統計為880 CO₂ kg/1噸水泥，採用卜作嵐約可減少約四分之一水泥碳排放量。天然卜作嵐者大約估計為1億噸。現在人工的卜作嵐，因為全數均為工業化生產品後，廢棄(氣)回收再生利用的寶貴材料，卜作嵐材料可以取代水泥，有著節能減碳的意涵，但是更有永續使用發展的真實意義。

目前全球人口數超過79億，為維持這些人口的日常生計，必須把民生工業的產能極大化，所造成溫室氣體，尤其是CO₂，排放量更加速逸散於大氣中，造成全球氣候變遷加劇，異常氣候如強颶風、豪大雨強降雨、颱風與地震日益頻繁，這對人民生存威脅構成極大的負擔；而最重要的是大都市供應大批住宅的居室工程，及基本民生需求的公共設施，都需要各國政府大興土木建設因應。當前鋼筋混凝土構造物，尚無替代商品替代時，仍是各國公共與民間建設的主流選項，為了能符合工程品質「質」「量」需求，更要達成永續使用與發展目標。

全球現行在節能減碳作業中，風起雲湧，而以最大宗人工化卜作嵐-飛灰，是燃煤電廠的再生副產品，各國生產總量接近8億噸，佔有七成以上的量，雖然它的碳足跡(Carbon footprint)，幾乎全部歸於電力產品生產上，但是燃煤所產生CO₂量與廢氣粉塵，即使是粉塵-飛灰大量回收再生利用，空污問題仍相當嚴重，對電廠附近區域人民健康，形成不可逆的危害，尤其台中火力發電廠(中火)空污，對台灣中部國民健康危害日益惡化，居民對中火擴廠與拆除及除役聲浪，日益高漲。為此，人工化火山灰(卜作嵐)-飛灰產能，受到環保嚴苛的限制，未來產出量會逐漸降低，唯有開發天然的火山灰(卜作嵐)，是環保與減碳和永續發展，另外一個非常可行的綠色選擇。

到底天然火山灰包含有哪些？有沒有實際工程應用範例！圖1為早期美國洛杉磯興建的引水渡槽工程(1910-1912年)，全部使用天然火山灰施作。這些材料，如某些矽藻土(Diatomaceous earths)、蛋白石(Opal)、隧石(Cherts)、頁岩(Shale)、凝灰岩(Tuffs)、火山灰(Volcanic ash)、浮石(Pumicite)、不同經煆燒的黏土或頁岩、石灰石粉末(Limestone powder)、高嶺土(Metakaolin)、棕櫚樹油燃料粉末(Palm Oil Fuel powder)、稻殼灰(Rice Husk ash)、廢棄廢玻璃粉末(Waste glasses Powder)，少部分可直接用開採礦物，絕大部分是要經乾燥、煆燒、研磨而成，這些材料一定要經過ASTM C618(CNS 3036)檢驗合格後使用[1]。

一般來說，加入混凝土三相膠結料(水泥、爐石粉、飛灰)的表現方式，可以經過了解｢單相成分｣的特徵來預測；三相膠結材料的一個好處，是一個 SCMs 的負面特性，可以被另一個SCMs的正面特性抵消。四相膠結材料(水泥、爐石粉、飛灰、矽灰)，更可以發揮各個SCMs特性，例如，爐石粉與飛灰、爐石粉與飛灰和矽灰的組合；人工與天然的卜作嵐，也可以互相截長補短混合使用。

人工化火山灰(卜作嵐)-飛灰(含底灰)、爐石粉、矽灰等材料，應用已達百年以上，也規定在ASTM與ACI 318與其它ACI規範中，有無數的應用實績；惟隨著國際節能減碳潮流，在國內燃煤電廠轉型燃氣與綠能發電或是核電發展，世界也是此種轉型的趨勢，這人工化最大宗的火山灰-飛灰量，未來必須有一替(取)代的商品出來，未雨綢繆可採用稻殼灰與其它天然卜作嵐材料，只要符合ASTM C618(CNS 3036)、或將來以ASTM C1709[2]另類的卜作嵐(ASCMs)為對象，讓混凝土耐久永續性能夠確保。天然火山灰應用，不如人工化火山灰活絡，未來在混凝土配比使用時，應特別注意以下幾點，與控制配比(用純水泥、人工卜作嵐、天然卜作嵐)互相比較。

(1)必須符合ASTM C618(CNS 3036)-N型卜作嵐性質規範。

(2)水化放熱性質。

(3)新拌性能。

(4)抗壓強度發展。

(5)耐久性(鹼骨材反應、硫酸鹽侵蝕等)。

評估結果，混凝土性能天然卜作嵐≧(90%)性能人工卜作嵐>性能無添加卜作嵐，也就是採用天然卜作嵐混凝土，性能必須在使用人工化材料者90%以上，而且兩者都必須優於無添加者。

圖1 美國早期洛杉磯渡槽(1910-1912年)使用天然卜作嵐混凝土[3]

結論

隨著全球溫室效益加劇、極端氣候正侵襲全球，加上世界各國人口量逼近80億，大幅度工業化生產以因應，然各國有共識朝加速節能減碳步伐；尤其國內溫室氣體，CO₂，排放量正加緊腳步降低中，特別是燃煤電廠(台中火力電廠、通宵火力電廠等)，會緊縮規模，改採氣電與綠能發展發電取代，人工化火山灰(卜作嵐)正面臨嚴苛供應挑戰，藉由國外進口，且單價將會飆漲，並不符合在地節能減碳與生態建材需求。火山灰(卜作嵐)是ACI規範中必須添加的第五種材料，工業人工化來源會逐漸吃緊，唯有善用人工化及開發天然卜作嵐，以符合ASTN C618(CNS 3036)與ASTM C1709為前提，滿足土建工程性能、耐久、永續發展需求。

參考文獻

1. Shamir Sakir , Sudharshan N. Raman, Md. Safiuddin
, A. B. M. Amrul Kaish and Azrul A. Mutalib，" Review Utilization of By-Products and Wastes as
Supplementary Cementitious Materials in Structural Mortar for Sustainable
Construction" Sustainability 2020,12,3888; www.mdpi.com/journal/sustainab.

2. https://www.betonconsultingeng.com/astm-c1709-promotes-sustainability/。ASTM C1709 promotes sustainability

3. https://tw.search.yahoo.com/search?fr=mcafee&type=E210TW662G0&p=Los+sangeles+aqueduct+photos。美國早期洛杉磯渡槽照片

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