談「綠建材標章制度」的綠混凝土

「綠建材標章制度」起源

台灣建築中心(Taiwan Architecture and Building Center),配合內政部建築研究所推動「綠建材標章制度」[1],自民國88年起,進行相關建材逸散(有害氣體,VOC)之分析研究,及相關建材檢測試驗設備建置工作,歷經周密之規劃研究,民國92年開始,籌畫台灣綠建材標章制度。經過草創時期的努力,綠建材標章制度於民國93年7月正式上路,率先針對「健康」綠建材、「再生」綠建材兩類,進行審查與標章核發,見圖1。技術部份,則有綠建材「通則」以及「健康」、「生態」、「再生」、「高性能」等四類綠建材評定基準。

民國94年起,台灣四類綠建材標章,全面開放受理申請,陸續推行多項鼓勵綠建材標章申請的措施、與多方進行綠建材觀念之推廣宣導。綠建材標章,自民國99年1月1日起,其評定方式改採「指定評定專業機構」辦理,標章核發層級提升至「內政部」,並將「技術許可作業」與「核發標章之行政作業」分階段處理,依據綠建材標章相關要點:「綠建材標章申請審核認可及使用作業要點」、「綠建材標章評定專業機構申請指定作業要點」及「綠建材性能試驗機構申請指定作業要點」執行。

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圖1 內政部所頒綠建材標章[1]

「綠建材」,可稱為是「綠建築」的基礎。建築物在居住、使用等功能上,最終目標是要符合人本需求,且在現行居住環境、及未來正處於全球溫室效應嚴峻和極端氣候變遷下,能兼顧到「健康」、「生態」、「再生」、「高性能」的要求。以目前高房價而言,建築物最重要者是要朝向耐久永續使用,因此,建築物的「綠」與建材的「綠」,就顯得格外重要。

「綠建材」在技術的部份有四種領域,分別為「健康」、「生態」、「再生」、「高性能」等四種面向,而且相互間有某種程度的高關聯性。本文介紹探討是屬於「再生」使用的「綠建材」;這種建材必須符合3R原則[1],重複使用(Recycle)、減量使用(Reduce)、重新使用(Reuse);綠混凝土(Green concrete)[2]即是其中一項,它是屬於建築結構構造材料,有異於附屬建築物的一般使用性功能的材料,再生綠建材評定基準與要項,如參考文獻1及圖2所示。

再生建材評定基準,包含「建材項目」、「可使用之回收材料」、「回收材料使用百分率」、「品質與性能試驗項目及方法」、「特殊要求或分級規定」、「備註說明」等六項,其中回收比率(使用比率)項,是以比率超過再生材料某依比例為核,而且確保再生建材性能,必須符合再生建材規定之「品質與性能試驗項目及方法」,保證再生建材設計性能符合設計使用需求。圖2則是「再生綠建材」的評定要項。

再生綠建築評定基準中相關綠混凝土(參考文獻)可分成19.綠混凝土(R類)、18.綠混凝土(G類)、18.綠混凝土(H類)。第19項綠混凝土(R類),主要針對回收粒料取自營建剩餘土石方、污泥、水庫淤泥、無害之無機性廢料如廢陶瓷、廢玻璃、爐石粉、飛灰、石質下腳料等。18.綠混凝土(G類)及18.綠混凝土(H類)採用添加回收的爐石粉、飛灰及其他符合CNS 3036之卜作嵐攙和物等。於第19項綠混凝土(R類)中主要是以添加回收粒料,是總粒料用量20%以上為主,但是28天抗壓強度(CNS 1232)必須大於210 kgf/cm2,56天氯離子滲透電量(CNS 14795)必須小於2000庫倫,這是避免綠混凝土採用再生粒料有低強度的疑慮,CNS 14795是要保證綠混凝土使用之後的長期耐久永續性能得以確保。第18.綠混凝土(G類)及18.綠混凝土(H類)是建築結構與構造混凝土,卜作嵐材料佔膠結材料(包含水泥和添加之卜作嵐材料之總重量)之40%以上,H類卜作嵐材料佔膠結材料(包含水泥和添加之卜作嵐材料之總重量)之50%以上[2],以當前結構混凝土規範ACI 318,與在國內混凝土設計施工規範中,結構混凝土添加卜作嵐比例(以暴露在除冰鹽環境,台灣暴露於鹽霧環境中似可擬沿用),條文限制在50%(含)以下,綠混凝土(G類)此限制是毫無疑慮的;但在(H類)中高性能綠混凝土,卜作嵐添加率50%以上,56天抗壓強度大於420 kgf/cm2,且氯離子滲透電量要小於必須小於2000庫倫(CNS 14795),這可能會有些誤解的地方,就是卜作嵐材料添加越多,強度會起得來嗎?乍看之下確是有疑慮的,尚且是使用高性能混凝土(High-performance concrete,HPC)手法設計的,HPC設計上必須要夠強、夠耐久、夠體積穩定性的高性能,這與綠建材的「高性能建材」化、與本地(本土)化的「生態建材」精神,是非常契合的。

在台灣,早期採用HPC施作建築物,首推高雄東帝士T&C Tower的85層大樓為出發點,結構混凝土設計採用本地的膠結材料-水泥、興達火力電廠回收的「飛灰」,和中鋼煉鋼產生爐碴急速噴水回收磨成細粉的「爐石粉」為主;設計強度56天8000psi(55MPa、560 kgf/cm2),其設計強度也是日後ACI 363(高強度混凝土規範),將高強度混凝土強度定義由原先 f’c=42MPa(420 kgf/cm2、6000psi)提高至目前的 f’c=55MPa(560 kgf/cm2、8000psi)。

東帝士大樓完成後,國科會(目前為科技部)於86-88年,邀集各大學土木營建科系有興趣HPC學者,成立高性能混凝土研究群,針對高強與高流動性的HPC,進行廣泛研究(分成物化性質、新拌性質、硬固性質)三種群體進行研發,當時定義HPC的強度 f’c=55MPa(560 kgf/cm2、8000psi),坍度230-270mm、坍流度500-700mm而且不產生浮(泌)水和析離現象;經過為期三年的研究,充分對HPC的行為有清楚了解,在日後推廣應用影響非常深遠;尤其是日本的高流動化自充填混凝土(Self-compacting concrete,SCC)之推廣應用,在國內已是常態使用的混凝土。HPC在台灣建築中心綠建材的分支-再生建材資料庫,已有綠高性能混凝土的再生材料選項,18.綠混凝土(H類) green concrete:高性能綠混凝土為56天抗壓強度大於420kgf/cm2(41.2MPa),56天氯離子滲透電量(CNS 14795)小於2000庫倫。

在國內,各預拌混凝土廠製作HPC(18.綠混凝土(H類)),要達到56天420(或560) kgf/cm2強度,並非難事;但是要符合56天氯離子滲透電量小於2000庫倫(CNS 14795),在卜作嵐比例50%以上,這便需要特別的設計與產製工作才能達標;HPC同時要達到上述條件,必須要謹慎設計。高雄東帝士T&C Tower柱內灌注56天8000psi的HPC[2],它的卜作嵐用量比例僅為20%,強度為9200psi(63MPa),而氯離子滲透電量為950庫倫,雖然是採用HPC設計法,強度與氯離子電量,均符合綠混凝土(H類)56天抗壓強度大於420 kgf/cm2和56天氯離子滲透電量小於2000庫倫;唯一沒有符合的,是卜作嵐用量比例50%以上的需求。

綠建築九大指標中,CO2減量與廢棄物減量指標中,使用具耐久永續性的HPC及水泥強度效益比例(Cement Strength Efficiency Ratio,CSER psi/kg)和再生材料,都有加分效果;所謂CSER,是56天齡期的抗壓強度(psi)/1立方米混凝土水泥用量(kg),也就是添加卜作嵐材料越多,所能發揮56天強度越高,CSER值一定會越高,與10(psi/kg)傳統混凝土設計(卜作嵐材料=0)相除,即為CSER值,越高加分效果越大。

另外,本文介紹作者在營建科系大學內,所研發推廣HPC之一些成果,以饗讀者。

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圖2 再生綠建材評定要項

高性能混凝土(HPC),在國內EEWH綠建築九大評估系統中,綠建材應用有上兩個指標,一個是CO2減量指標,另一個是廢棄物減量指標。在國內早期,HPC被定義為高工作性與高強度(高強度混凝土一直被認定為高耐久性);而忽略混凝土的高耐久性-永續發展性與穩定性等性質,為此在EEWH中CO2減量指標,凡是採用HPC與再生建材(卜作嵐與回收粒料等)和CSER值建築物,CO2減量指標及廢棄物減量指標中,是很容易通過的,但是建築物設計時,並無配套獎勵容積措施,使得建商並不熱衷於建築物與建材之CO2減量指標及廢棄物減量指標,且兩種指標通過比率,除生態多樣性指標外,通過數較低的現象,呈現與國際潮流-建築物節能減碳與永續發展趨勢,大相逕庭。表1、表2、表3,是筆者在國內大學營建科系就學和服務時,繼高雄東帝士T&C Tower的HPC應用後,展開系列HPC的研發推廣過程,文獻[3]是輔導大學研究生的論文成果,見表1。在表1中,HPC設計的水泥用量,以B2812為例,w/cm=0.28設計水泥用量,只有185 kg/m3,卜作嵐飛灰、爐石粉和矽灰這些再生材料用量,高達305、10、10 kg/m3,卜作嵐用量比例都在50%以上,而B4012配比更高達74%。審視這些配比卜作嵐用量,都超過ACI 318與國內營建署混凝土施工規範50%要求;從表2與表3指出,B28至B3212系列配比,56天齡期,都大於42MPa(420 kgf/cm2,6000psi)甚至超過55MPa(560 kgf/cm2,8,000psi);國際上,與混凝土耐久性息息相關的是電化學性質,諸如表面電阻及氯離子電量,分別為60.5-61.0KΩ-cm及479-707庫倫,事實上,都遠大於20KΩ-cm(不會發生腐蝕的要求)及小於2,000庫倫的永續性需求。針對添加在混凝土內以取代水泥的補充性膠結材料(Supplementary cementitious materials,SCMs),這些工業產品廢棄回收物-SCMs,飛灰與爐石粉和矽灰,都是經過原生工業產品製造過程,經高溫燒結(1,200-2,000oC)過程中,回收再生的材料(灰塵與熔渣),因為成分富含有 SiO2Al2O3化學成分,與水泥水化產物氫氧化鈣 CH(Ca(OH)2)、氫氧化納(NH)、氫氧化鉀(KH)和水(或濕氣),反應合成C(N/K)-S/A-H卜作嵐反應水化產物,這是結構物耐久永續的基因-卜作嵐反應,同時也是古代混凝土(Ancient concrete)永續耐久的基礎。例如:希臘萬(古)神殿與羅馬競技場,這些古代混凝土,所憑藉就是石灰(熟)和義大利的火山灰(經高溫噴出),這些是非常類似水泥水化產物CH與S/A( SiO2Al2O3)的合成,非常近似現代混凝土內的卜作嵐反應。

建築中心再生綠建材評估基準之第18項與第19項,綠混凝土是屬結構性材料,是引用性能規範(Performance specification)作基礎,使用材料仍然要符合CNS相關規定,綠混凝土經各項材料設計組合後,所拌製混凝土的性能需求,見圖3,56天是要強度大於420 kgf/cm2與氯離子電量小於2000庫倫;這個意義就是,在再生建材「綠」的外表下,有著「永續發展」的實質內涵,56天以後,綠混凝土一直到壽命終止前,抗壓強度恆大於420 kgf/cm2與氯離子電量恆小於2000庫倫的精神,這是HPC設計及產製最終的目標;該圖中以28天為例,符合第18項綠混凝土中,只有B4012與C40I和C40II配比,不符合再生建材評定基準中規定;而第19項,56天為例,只有B3212至B28系列與B3012配比,符合高性能綠混凝土相關規定。換言之,添加卜作嵐材料的配方,一定要設計降低水膠比及較低的水量,和使用高性能減水劑(諸如羧酸系列,用量少性能高),是可以製造優質的綠混凝土。高性能綠混凝土如果採用性能規範,以工作性(如自充填混凝土工作性)、強度(56天強度大於420 kgf/cm2)、耐久性(56天氯離子電量小於2000庫倫)、經濟性(56天CSER值大於2)、生態性(配方卜作嵐用量比率50%以上)等性能,達到建築物結構混凝土綠與永續高性能化,可以提供技師先進參酌應用。

結論

在現今地球溫室效用與氣候異常,日趨惡劣化,加上全世界人口,2021年6月時,已接近79億以上[4],解決人口居住問題與綠色節能減碳的工作,已刻不容緩。綠建材是綠建築的基礎,也是建築行業對地球友善的具體表現。再生綠建材評定基準包含再生建材的種類,而其中第18及第19選項,是再生綠混凝土種類規定:第18項綠混凝土(H類)屬於高性能綠混凝土,是同時具有綠建材特性,本地製造的「生態」混凝土、採用大量工業回收卜作嵐材料的「再生」混凝土、又是屬於「高性能」化設計產製的混凝土、耐久「健康」的優生混凝土,採用性能規範(Performance specification)研發產製產品。

參考文獻

1. 台灣建築中心再生建材評估基準http://gbm.tabc.org.tw/modules/pages/regeneration

2. 黃兆龍,卜作嵐混凝土使用手冊,財團法人中興工程顧問社出版,科技圖書股份有限公司總經銷,初版,台北,2007.11。

3. 楊偉奇,優生混凝土耐久性質之研究,國立台灣科技大學碩士論文,台北,1998.6。

4. 世界人口成長及時統計網站https://www.worldometers.info/ 2021.6.10 10:25分

表1 國內高性能混凝土配比設計

*

(kg/m3)

石子

水泥

爐石粉

飛灰

矽灰

+SP

卜作嵐比率(%)

B2812

839

891

185

10

305

10

143

64

B2813

820

872

214

12

299

11

150

60

B2814

802

852

243

13

292

13

157

57

B3012

839

891

170

10

305

9

142

66

B3212

839

891

156

9

305

8

153

67

B3412

839

891

143

8

305

8

159

69

B4012

839

891

109

6

305

6

170

74

CI40

795

642

548

0

0

0

219

0

CII40

795

642

548

0

0

0

219

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*配比:B××××表示採用HPC設計法;第2與第3字是水膠比28,w/cm=0.28;CI:傳統混凝土使用第I型水泥,CII: 傳統混凝土使用第II型水泥。

表2 國內高性能混凝土抗壓強度發展

(MPa)

7

28

56

91

 

CSER*

 

B2812

39

61

69

5.4

76

 

B2813

45

67

76

5.2

82

 

B2814

39

59

62

3.7

66

 

B3012

29

44

52

4.5

59

 

B3212

25

39

41

3.8

48

 

B3412

17

29

34

3.5

37

 

B4012

8

12

18

2.4

23

 

CI40

38

47

51

1.0

49

 

CII40

35

54

60

1.0

62

 

 

*CSER值: f56 /表1之水泥用量,單位:psi/kg。

表3 國內高性能混凝土表面電阻及快速氯離子滲透電量(耐久性)

(KΩ-cm)*

(庫倫)**

28

56

91

28

56

91

B2812

36.4

61.0

81.0

2129

479

469

B2813

37.9

63.5

85.0

1695

562

547

B2814

40.6

60.5

76.0

1430

707

695

B3012

25.2

42.0

53.5

2198

1100

681

B3212

20.0

31.5

42.5

2511

1241

807

B3412

15.6

24.5

38.0

2572

1466

1137

B4012

10.0

14.5

23.0

2953

2378

1576

CI40

9.3

11.5

14.0

4090

3063

2426

CII40

9.3

11.5

14.0

3257

2986

2058

 

*採用英國C.N.S.公司出產四極式表面電阻儀量測; **:採用CNS 14795-快速氯離子滲透電量量測。

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圖3 高性能與傳統混凝土抗壓強度與氯離子電量

 

【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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