黃兆龍、湛淵源 技師
筆者從事混凝土研究，從科研、推廣應用、廢棄物再生利用和精進過程中，歷經四十餘年，獲致些許心得成果，藉以分享其中心路歷程及對未來發展的期許。本文以台灣混凝土之創新挑戰與機遇為主題，介紹以時間尺度，在混凝土工程領域應用成果供技師先進與有興趣者參酌；文章內容分成八個部分，包含(一)基礎研究篇、(二)先期研發篇、(三)研究應用篇、(四)應用推廣篇、(五)精進推廣篇、(六)歐盟減碳篇、(七)產業回顧挑戰願景篇、(八)揭開UHPC神秘面紗與市場潛力等，將分期刊載於技師報。
一、引言
2023年，筆者的營建材料研究團隊，忙於開發極致強度達C200 MPa（29,000 psi）及C800 MPa（116,000 psi）的超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC），同時探索石墨烯在混凝土材料中的應用可能。團隊充滿熱情地梳理國內外相關文獻，研究起點是審視賓州大學Roy教授[1]於1972年在《水泥與混凝土研究》發表的一篇論文，該論文探討了利用熱壓或高壓技術，製作超高強度水泥漿體的方法，顯示水泥的強度可以達到120,000 psi的高強度值。此外，團隊亦研讀了幾篇由台灣年輕研究者撰寫的關於UHPC的論述[2,3]，感到後繼有人，延續了前人的智慧，朝著混凝土發展的未來道路邁進。
回想2000年，美國混凝土產業為了解決長期問題，共同提出了2030年混凝土的願景[4-9]，詳細列出了未來混凝土發展的構想。在拙著《混凝土性質與行為》 (詹氏書局出版) 一書中，將這些構想整理成一個表格，見表1[10]。從美國混凝土2030年的願景中，可以大致概覽混凝土發展的心路歷程。基本上，混凝土的發展是有其脈絡可循的，在不斷的反思和精進中向前行，隨著社會經濟的發展節奏，或為了解決工程問題而進步。
自1980年代以來，隨著水泥混凝土顯微結構觀測技術的應用，再加上超強減水劑（Superplasticizer, SP）的發明[11]，以及對工業和農業廢棄物再利用研究的不斷進展，改變了傳統混凝土研究的思維、和廢棄物再利用的範疇[12-15]。研究領域不斷擴大，激發了各學校研究者的研究興趣，這種需求-發展（Demand-Development）的循環研究模式，為大學教育的研發能量提供了堅實的基礎。透過本研究室同仁的共同努力，我們可以見證台灣混凝土研究與世界同步發展的歷程。當然，這並不代表所有學術研究單位，都遵循同樣的模式。
在夜深人靜時，經常回憶起在國立臺灣科技大學營建工程系所，度過四十多年研究混凝土的艱辛歷程，希望將這段經驗記錄下來，提供未來的台灣土木工程師以及產官學研各界，對混凝土材料應用有興趣者的參考。
表1 放眼美國2030混凝土八大願景-混凝土工業的新展望[10]
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工作內涵 |
執行策略 |
目標 |
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一、製程改良： 混凝土生命週期中所有設計、生產製造、運輸、施工、維護和修復等作業 |
1.再生材料的應用。 2.人造材料及生化材料。 3.模仿生物演變過程。 4.模仿大地變遷過程。 5.最佳化級配。 6.低耗能水泥。 7.生產輕質高強度混凝土產品。 8.進階系統模式預測性能。 9.混凝土輸送系統的強化。 10.自動化施工。 |
混凝土成為最有效及成本低廉的施工材料 |
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二、產品性能： 持續改良混凝土強度和性能，增加混凝土的需求與品質。充分整合設計方法，分享網路資訊、電腦輔助施工管理、分享生命週期數據、標準化施工檢測技術(SOP)、共同處理資源及技術，促使破碎的營造工業重新整合 |
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符合生命週期成本和性能下的主要施工材料 |
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三、能源效率： 混凝土工業化、混凝土產業持續設計增進混凝土生命週期下之能源效率 |
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減少50%之能源損耗 |
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四、環境性能： 持續使用再生材料 |
1掃除回收廢水的障礙。 2.水泥及混凝土生產減少微粒塵土及氣體排放。 3.水泥產製中完全回收旋窯中之粉塵。 4.密閉式之水泥及混凝土生產系統，近工程地點，減少輸送距離。 5.水泥及混凝土生產不再產生廢棄物。 6.混凝土廢棄物充分被使用於新混凝土上。 |
達到「零」廢棄物 |
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五、技術轉移： 新技術需花費15年才能移轉至市場 |
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減至2年即可技術移轉 |
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六、團隊改造： 混凝土工業界減少紛爭，而共同合作 |
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成立集體領導中心，整合分享與傳承 |
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七、教育與就業： 透過教育，吸引優秀人才投入 |
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使混凝土工業成為高安全、高薪資、具挑戰性之工作 |
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八、工業的形象： 透過製程和產品改良，使混凝土形象改善 |
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成為親環境、耐久及多變化的材料 |
二、始自1983年混凝土研究室的創新研究發展記實
北宋吕蒙正談到人生的際遇，不外乎「時也、命也、運也」，而材料的發展應用，則關乎「天時、地利、人和」，時機不對，則再好的研究成果也只能束之高閣，無法展現其風，形成主流，只得靜待時機。混凝土的研發，在台灣純粹是為了解決工程問題，而及時提出改善措施的驗證研究。
1980年，筆者有幸在美國伊利諾大學，師承混凝土材料大師Francis Young(Concrete一書的主筆)，學習到混凝土的微觀及宏觀技術，初步邁入水泥漿微觀世界的探討領域，借助高倍電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscope, SEM)下，看到水泥微觀的大千世界，美的不可勝數，給無聊枯燥的水泥漿研究添加不少生氣，三年混凝土材料學習研究的辛苦歷程，充滿了無限喜悅。在學習期間，參與恩師Young所主持的「美國伊利諾州公路局」官學合作計畫案：「高性能減水劑(強塑劑)應用在混凝土的性能探討」[16]，第一次接觸到神秘的混凝土添加劑-強塑劑（SP）的妙用，二年的強塑劑混凝土性能的研究，學習到強塑劑與水泥相互作用的水泥化學反應特性，說實在的，那時候對強塑劑（SP）還是一知半覺，當時也才了解到1971年曾經用在台灣高速公路圓山橋使用的黑藥劑，就是超強減水劑(High Range Water Reducing Agent, HRWRA)。
1983年學成回國，研究主要以科技部(國科會)的基礎科學研究為主[17-19]，恰逢中國鋼鐵公司面臨高爐礦碴無處可棄問題，及臺灣電力公司燃煤火力電廠的飛灰(粉煤灰)無處可排放的窘境，所以搭配產學合作研究工作，全力為工業及農業廢棄物，找尋創新應用的途徑，幫助中國鋼鐵公司、臺灣電力公司及農委會等，活化高爐石粉、飛灰及稻殼灰再利用研究[20-24]，同時也延續過去減水劑的功能探討[16]。除國科會持續贊助基礎科學研究經費外，加上二家國營公司提供龐大的研究經費支持，探討去化這些廢棄物途徑，使之成為有用資源。當然這些國營單位並非慈善機構自動給予經費，而是筆者透過寫計畫書，親自拜訪臺灣電力公司及中鋼公司，一一說服他們，好運就連連到來。特別幸運的是臺科大有一流技職學校科班學生及大專院校在職進修的老師，共同努力參與研究工作，把筆者在美國習得的一些新材料研究觀念及技術，如顯微觀測、微觀結構等世界先進科研儀器技術，有系統的傳授給學生們，有效進行一序列相關混凝土材料基礎研究工作，承擔為中鋼開發高爐石粉的應用以及臺電火力電廠飛灰再利用，同時也激發起國內學術界混凝土相繼應用SEM/TEM電子顯微鏡，探討微觀結構研究的浪潮，見圖1。
圖1 顯微鏡下的水泥微觀結構與卜作嵐材料的顯微圖[10]
筆者當初對高爐石粉及飛灰的性能仍沒有完全掌握，所以研究的初期，像是在茫茫大海中撈針，盲目追求一些隱隱約約不清楚的一些觀念，透過系統化，進行化學成分分析及物理特性探索，逐一深入了解，並參與國際研討會與大師們交流，逐漸找出脈胳，才釐清材料用途與飛灰及爐石粉綜合再利用的方向。研究室緊急動員試驗人員：廖肇昌與林建州及四位碩士研究生林仁益、王和源、洪賢信及洪文方備戰[13-15,19,20,22]，全面啟動高爐礦碴與飛灰的基礎研究，參考Lea「水泥與混凝土化學由水泥化學」的指引[25]，進行化學分析及物理性質量測，定性定量探索水泥和高爐礦碴與飛灰間的相互作用，協助解開工業廢棄物產業再利用的鑰匙，此時沈得縣教授，也加入研究陣容[26]。一路走來，糢糢糊糊的邊做邊學，不斷摸索，經歷「做中學，學中覺」的過程。慶幸筆者在美國從事全世界各類型強塑劑研發應用的經驗[16]，又經大量高爐石粉及飛灰的基礎研究洗禮，同步趕上國外混凝土卜作嵐材料研發的班列，多次赴國外參加由加拿大V. M. Malhotra舉辦的國際混凝土研討會，汲取國外學者專家的基礎實務成果，也分享台灣研發經驗[27-30]，求取各國專家反饋的意見，歷經八年時光，終於將中鋼高爐石粉及台電飛灰（粉煤灰）引入中國國家標準水泥規範(CNS 61)中，容許卜特蘭水泥中總添加物含量小於5%，具體促進高爐石粉及飛灰資源化的步調，也促成國營會及投審會的認可，成立「中聯爐石公司」，這也更加確認了爐石粉與飛灰在水泥混凝土如同「膠原蛋白」的角色定位。同時為了解決台灣混凝土，經常發生的蜂窩、裂縫、鋼筋腐蝕、漏水等等問題，也進行了一序列針對性的基礎科學研究 [31,32]，水泥水化反應及高爐石粉及飛灰的卜作嵐反應間，錯綜複雜的關係，逐漸撥雲見日，解開其中奧妙，也更理解水泥熟料礦物C3S、C2S、C3A、C4AF所扮演的角色功能，混凝土最重要的水泥水化機理，已然更為清晰。
反思1983年至1990年期間，透過基礎科學的研究及實務應用案例，建立出工農業廢棄物再利用的完整的資料庫，參悟出高爐石粉、飛灰、強塑劑的相生相剋道理，激發出更多新的混凝土應用觀念。由參與國際研討會期間，探訪羅馬競技場及萬神殿，見圖2所示，讚歎這些古羅馬建築，係以火山灰、生石灰、小碎石製成的混凝土澆築而成（混凝土材料），經歷二千三百年，仍然存在，領悟出混凝土長命百歲耐久性DNA，就是「生石灰加上火山灰」，見圖3所示。完全水泥水化(生石灰)，所釋放出來約20%的氫氧化鈣(熟石灰)就極類似的性質，台灣電力公司燃煤火力發電廠所排放出來的粉塵，為高溫燒結的粘土內含氧化鈣(Al2O3)及氧化矽(SiO2)，其成分與火山爆發噴出的火山灰是相同組成的，會與水泥水化產生的20%氫氧化鈣在潮濕(水)的環境下，反應(卜作嵐反應)形成至少20%的膠體量(C-S/A-H)，因此混凝土在不失水的情境下，強度會長長久久不斷成長，百千年壽命是不足為奇的。
圖2古羅馬競技場與萬神殿古蹟[10]
圖3 火山灰與石灰的卜作嵐反應使結構物超越千年[10]
三、參考文獻
1. Roy, D. M., G.R. Gouda and A. Bobrowsky, 1972,"Very High Strength Cement Pastes Prepared by Hot Pressing and Other High Pressure Technoques," Cement and Concrete Research, Vol. 2, No. 3, pp. 349-366.
2. 陳育聖(2023/4)。「超高性能混凝土 UHPC 之發展介紹」，營建知訊。
3. 顏誠皜、洪崇展(2022)。「超高性能混凝土(UHPC)材料與結構應用及文獻回顧」，土木水利，第四十九卷，第五期，第 43-47 頁。
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17. 黃兆龍(1986)。普通水泥添加波索蘭材料之水化機裡研究，國科會專案研究。
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20. 洪文方、黃兆龍(1985)。普通水泥中添加高爐熟料之影響，營建材料論文序列001，國立台灣工業技術學院營建系。
21. 王和源、黃兆龍、林草英(1985)。爐石製程及添加方式對水泥漿體強度之影響，營建材料論文序列002，國立台灣工業技術學院營建系。
22. 林草英、 黃兆龍、洪賢信, 郭淑德、郭麗雯(1986)。飛灰部份取代混凝土細骨材之可行性研究，台灣電力公司75年度研究發展專題。
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30. Hwang, C.L., and J.C. Lee, 1989, "The Effect of NF Super-Plasticizer on the Micro and Macro-Properties of Concrete Material," Presented in Third International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete.
31.胡秀昌(1987)。現行營建體制下混凝土品質問題研究--台灣北部地區預拌混凝土品質分析探討，淡江大學建築研究碩士研究論文。
32.黃兆龍(1987)。「海域混凝土鋼筋腐蝕之研究－澎湖跨海大橋初步診斷」，海洋混凝土工程研討會論文集，第3/1~3/27頁。
【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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