第1397期-探討「高CSER低碳混凝土」在低碳循環建材中的重要意義(上)

黃兆龍技師/臺科大特聘教授/美國伊利諾大學材料博士

湛淵源技師/臺科大華夏校區建築系教授

一、前言

二十世紀初期，由於全球共同消除貧窮，工業長足發展，促進經濟快速進步，以致人為溫室氣體快速排放，加劇地球環境危機、危害人類文明並面臨生死存亡之秋，隨後《京都議定書》溫室氣體減量倡議、《巴黎氣候協定》呼籲全球推動淨零排放立法等，減緩氣候變遷戰略逐次提出，期盼2050年全面達到淨零排放的目標。在此大環境下，台灣自不能置身事外，2022年中華民國國家發展委員會發佈「台灣2050淨零路徑」，要求所有公有新建建築物於2030年以前100%新建建築物，及超過85%建築物應於2050年以前達到近零碳建築之目標。

據此，在國家政策下，內政部建築研究所(以下簡稱ABRI)推出「低碳(低蘊含碳)建築評估手冊草案」，而開發「低碳循環建材認定(Low-carbon Recycled Materials Certification，簡稱 LCR)」規範，對建築市場之再利用、再循環、再生等循環建材或構件，進行減碳額度之認定，由製造、運輸、施工、更新修繕、拆除廢棄等階段的蘊含碳排評估法，以作為低碳建築評估系統（LEBR）減碳評估之依據，此一認定機制將直接或間接促進營建產業的低碳化，促進低碳循環建材的開發，呼應國家淨零建築政策，更是未來營建產業升級及配合公司治理ESG的重要措施。本文主要針對土木營建工程碳排放最高的混凝土，依筆者研究團隊三十多年研發實務經驗，分享給各工程先進參考，拋磚引玉，祈更多人參與節能減碳行列。

二、混凝土水泥減量的時代趨勢

全球有50% 以上的天然資源皆用於建築業，其溫室氣體排放佔全球的37%。在歐洲建築產業更是能資源耗用及廢棄物產生的大戶：50%的原生物料、50%能源、30%水的耗用、產生30% 廢棄物，並且是40% 的碳排來源。但依目前的設計方式，僅有3-4% 的營建廢棄物能回到建築物本身再使用，因此包含荷、法等歐洲國家，循環經濟政策都將建築業列為首要轉型產業。筆者研究團隊有幸獲得科技部核淮：兩個四年歐盟地平線－2020臺歐盟國合作計畫－(2012-2016)FP7「永續、創新及節能的混凝土（SUS-CON）永續混凝土」、及(2017~2020)「營建廢棄物和結構物件的循環再利用於建築整修和營建所需節能預製構件(RE4)」，[科技部]之研究重點以「工業廢棄物再利用」與「低碳及零碳混凝土」為標的，其中混凝土水泥減量儼然成為本世紀的重點。

台灣營建業長期依賴鋼筋混凝土建材，鋼筋及混凝土都是高耗能建材，碳排量甚大，整體工程的混凝土累積量體最大。水泥由材料開採至整體搖籃，到工地施工過程，每年所耗用水泥材料量超過一千萬噸，背後付出的都是大量的能源與資源代價，但是水泥也是一種剛性需求的大宗工業產品，是國民經濟建設的必需品。既然如此，必須考量混凝土減量，尤其是混凝土配方所用水泥的減碳技術改善及減量，亦是選項策略。亦即水泥除了改變現有生產技術，加強碳減排技術應用，全面推進節能降耗技術改造，並建立完善的碳排放管理體系外，考慮達到工作性、安全性及耐久性品質下，減少水泥用量也是本文之重點策略。

期能發展出低碳混凝土「低碳循環建材」，如此才有機會在2050年配合達成新建建築物能超過85%減碳量的目標。

三、低碳混凝土的攻堅策略

改變混凝土配方達到節能減碳的方法，一般會直覺的減少水泥用量，就是「偷工減料」。殊不知混凝土中水泥用量太多，會造成混凝土內分泌失調、陰陽(離子)不調、泌水、析離、收縮、龜裂、劣化等富貴病，使用適量水泥才是重點，但是適量到底多少？這是必須深入探討的，混凝土水泥減少用量的方法，是找出合宜的水泥漿量點，這是有技巧的，包括學理、經驗、數學模擬方法等，在學術上多有所表。以下為筆者研發團隊歸納：添加卜作嵐材料及高效減水劑達成混凝土水泥減量的常用方法。

（一）在固定混凝土結構設計強度（不改變水灰（膠）比）狀況及不改變工作性（坍度）條件下，添加減水劑以降低用水量，相應降低了水泥用量，此策略因減水劑價格不菲，水泥減量效果相當有限，單位水泥強度效益約10 psi。

（二）在相同混凝土結構設計強度（不改變水灰（膠）比）狀況及不改變工作性（坍度）條件下，添加20%左右卜作嵐材料取代水泥，此策略一般業者會擔心影響混凝土早期強度，所以即使用卜作嵐材料亦對外保密。此策略可以提昇單位水泥強度效益至約12 psi左右。

（三）在相同混凝土結構設計強度（不改變水灰（膠）比）狀況及調整工作性（坍度）條件下，將卜作嵐材料填塞入粗細粒料空隙中，緻密顆粒材料，提昇顆粒材料堆積密度，並添加大量減水劑增進工作性（坍度），應用卜作嵐材料物理填塞及化學強化的反應機理，不斷增加混凝土強度及耐久性。此一策略可以提昇單位水泥強度效益提昇至20、30、40、50psi或更高。筆者研發團隊所創的混凝土緻密配比方法，由學術理論來探討實際工程上應用，其技巧為配合應卜作嵐材料及強塑劑等超減水劑所達成，係綜合（一）及（三）方法，歸納其特色如下。

1. 骨材緻密堆積方法

緻密堆積骨材旨在減少骨材間空隙，透過精密量測顆粒材料間緊密堆疊，減少空隙（Vv），而達到最大單位重。圖1明顯可觀察出，經由研究以不同粒徑骨材互填，原則以較小顆粒骨材填入較粗骨內，骨材乾搗單位重，每立方米由1,700公斤逐次可以高至2,000公斤左右，相比一般骨材乾搗單位重而言，空隙相對降低不少，此狀態下單位重與混凝土單位重2,400公斤只差400公斤。如果再將卜作嵐材料填入空隙內，那麼空隙更少，此刻當然粘結顆粒材料的水泥漿量會更少。如果再加入強塑劑，藉以潤滑顆粒間摩擦阻力，就可以隨心所欲達成不同工程需求的工作性，甚至狀如蜂蜜般高流動性也不困難。

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圖1　粗細骨材混合料單位重的變化

2.卜作嵐材料的應用

卜作嵐包括飛灰、爐石粉、矽灰、稻穀灰等，其化學成分及物理特性差異甚大，見圖2所示各種卜作嵐材料的相關位置。卜作嵐材料，被定義為「在足夠濕度狀態下，能與水泥水化產物氫氧化鈣結合成具膠結特性之產物」，這種反應被叫做「卜作嵐反應」，也就是「二次水化膠結反應」。

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圖2 CaO-Al₂O₃-SiO₂ 三相平衡圖

燃煤火力發電廠產生的飛灰，因係煤粉中所含SiO₂及Al₂O₃之粘土雜質被高溫熔解，再受到N₂及H₂膨脹作用，形成中空圓球體，當煤炭中含石灰雜質較少時，飛灰含少量鈣之屬於F級飛灰，此種燃煤飛灰又稱為粉煤灰，不同於垃圾焚化廠的飛灰，不可混淆；鋼鐵公司治煉鐵所產生之高爐石，係煉鐵過程採用CaCO₃清潔劑清除鐵礦砂中之粘土，主要成分為SiO₂及CaO相當接近「水泥」，具有少量膠結性，屬性相當類似「水硬性水泥」，經水淬裂解後形成粒狀水淬爐石，其研磨之粉末，形成台灣混凝土工程常用的「高爐石粉」，被歸類為「卜作嵐和膠結性材料」；矽灰也叫微矽粉或稱凝聚矽灰，是鐵合金在冶煉矽鐵和工業矽（金屬矽）時，礦熱電爐內產生出大量揮發性很強的SiO₂和Si氣體，氣體排放後與空氣迅速氧化冷凝沉澱而成；而農業生產之稻殼含有大量SiO₂，經700°C之煆燒，再研磨所形成之灰，富有高SiO₂，稻殼灰及矽灰主要以SiO₂為主要成份（高達88%以上）。矽灰、F類飛灰及稻殼灰離開水泥甚遠，見圖2所示，只具有卜作嵐反應作用。

而爐石粉和C類飛灰則與水泥接近，所以兼具有「膠結性及卜作嵐」二種反應特性。這些卜作嵐中以稻殼灰及矽灰之卜作嵐活性最大，爐石粉則因具膠結性特性而居次，F類飛灰反應最慢，但反而具有漸次清潔鹼質物之功能，能固化水泥漿中佔20%量的CH，可見這些不同的卜作嵐，基本功能不同，也各具互補特性。美國Mehta教授指出顯微結構上，卜作嵐材料將水泥水化產物中20%以上的氫氧化鈣轉化為低密度C-S-H膠體及並將孔隙細緻化，所以卜作嵐材料化學強化的功能，可以充分堵塞水泥漿體的顯微通道，見圖3所示，所以除了水泥材料自身強度發展外，額外卜作嵐反應持續不斷增加膠體，可以大大增加混凝土長期強度及耐久性，見圖4所示。使用低漿量（Vp）的混凝土Vp/Vv為1.2、1.4、1.6時比多漿量的傳統混凝土在高強度低所用水膠比（0.27~0.31）範圍而言，多漿的傳統混凝土在28天後，即已呈平緩，亦即內分泌失調、陰陽（離子）不調、泌水、析離、收縮、龜裂、劣化等富貴病產生，係因為低水灰（膠）比下，水泥水化因自體收縮及乾燥收縮造成的劣化現象，最後甚至崩解，這也是傳統所認為常理的混凝土行為。仔細觀察圖4中優生混凝土早期強度稍低，但強度持續不斷增加，各組試驗數據顯示成長斜率持續成長（隨對數時間軸），尤其Vp/Vv=1.2的混凝土，這種混凝土係應用在高雄東帝士85大樓的鋼柱內，混凝土強度由620成長至1,100 kgf/cm²(8,800~15,600 psi)約二倍左右，此也可同時佐證古羅馬競技場可以歷經千年而不毀的原因，古代「石灰與火山灰反應」所造成的，見圖5之意象，混凝土結構物不會如同常理所認知的「混凝土結構物僅有五十年壽命」而已。據此可以推論只要追尋先人的步履，也可以讓近代的混凝土結構物永續長存，完全達到「循環台灣基金會」所期盼能以「延長建築壽命」達成2050年後每年10億公噸二氧化碳排放的使命。

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圖3 卜作嵐材料透過卜作嵐反應堵塞微孔隙阻止外界有害物質及液體擴散

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圖4　混凝土配比漿量及水灰（膠）比對混凝土強度的影響

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圖5　卜作嵐反應相應增加耐久性超越千年

3. 強塑劑的超強減水功能

早在1970年代起，台灣即應用強塑劑減水摻料於「高速公路圓山橋」上，許多國內重大工程建設中亦被廣泛使用強塑劑，理論上並不陌生的，然而強塑劑長期以來被披上一層神秘的外衣，也一直在限制條件下特許使用，所以依規範規定，每次應用均要經過工程師的核可，讓這種1930年即被發現類似清潔劑及一般減水劑的「高性能減水劑」，在台灣蒙上陰影。2000年「公路工程施工規範」與「混凝土工程施工規範與解說」中，摻料已然成為混凝土組成材料之一，且隨高性能混凝土與綠混凝土的科研發展，不但減少混凝土較高量的水及水泥的二項劣化基因，並可達成高度工作性，甚至可配成如蜂蜜般流動的自流平、自密實或自充填混凝土。強塑劑搭配卜作嵐材料使用，成為「高性能混凝土」製造的二大配方，把「強塑劑」應用推上了高點。

強塑劑類似洗手乳般的一種界面活性劑，屬於混凝土化學摻料的一種，在固體(水泥)/液體(水)上，改變界面的物理與化學性質，其減水效率為一般減水劑的3倍以上，所以規範稱為「高效減水劑」。強塑劑只是一種商用名稱，係指超強（Super）減水塑化之藥劑。強塑劑的化學組成，是天然或人工製造的聚合物，為一種直鏈式高分子有機化合物，包括磺酸基及多元酸之羰酸基等，能大幅增加工作性度，因此容許大量減水，相應亦可大量降低水泥量，仍然保持高流動性、高強度、高耐久性。一如「低碳混凝土的攻堅策略」中所述，可利用來減少混凝土拌和用水量，增加耐久性；或降低水膠比，提高混凝土強度及耐久性品質。而在相同強度及工作性下，適度添加強塑劑可減少水泥用量，減少劣化基因，同時降低混凝土的成本，也可節省工程費用，進而提高混凝土的經濟效益。強塑劑的應用，促使混凝土可以兼顧安全性、耐久性、工作性、經濟性及生態性特質。

混凝土在拌和時加入水，水泥水化即刻產生化學及物理作用。物理上加水可提供混凝土流動性質，水與水泥充分接觸產生水泥化學作用，而隨時間發展出強度，在可工作範圍內，僅需少量的水來進行水泥水化作用，可降低劣化風險。水泥顆粒帶有未飽和表面電荷，當與具有極性之分子的水接觸後，即會產生激烈凝聚反應，產生凝結行為，混凝土逐漸失去流動性。一旦添加強塑劑，界面化學特性使水泥分散，混凝土產生流動。

4. 混凝土緻密配比設計法

混凝土緻密配比設計法，係經歷東帝士85大樓等洗禮後所推演出來的配比方法，圖6為黃氏緻密配比設計的流程，緻密配比理論大部份沿用傳統混凝土觀念及ACI 211.1及ACI 311.4R的資訊，只在配比程序上有所差異。傳統混凝土配比設計著重工作性、強度和耐久性，為了工作性相應增加用水量，為了強度與耐久性，而增加水泥用量，二者忽略了骨材級配的重要性，以致為了強度及工作性改變了砂石摻用比率。而緻密配比設計的骨材級配與富勒曲線的緻密觀念是一致的，都在「得到骨材堆積達到最緻密狀態」，只是緻密配比採用簡單試驗方法就可以達成所要的效果，最大不同點為緻密配比主訴求為固體顆粒最大堆積（物理）下，剩餘之間隙會是最小的，即物理堆積可以達到最緻密，如此可以減少顆粒間空隙，也讓水泥漿量大為減少，降低水泥過多產生微裂縫的風險，圖1指出堆疊骨材粒料可以達成最大單位重，相應空隙也最小化，另外以細粒的卜作嵐材料來充填粗砂的間隙達到最緻密的方式，見圖7，再以最緻密條件下的卜作嵐與粗砂混合料來充填粗粒料之間隙，最後以此粗細粒料混合比例為固定值，可自由調整水泥漿的質（水膠比W/B）或水泥漿的量（Vp）。工作性的達成，係在固定水量與強塑劑摻料下來調配的，並非以加水及水泥來達成，這與傳統增加水泥粉體量來增加工作度的方法大異其趣。此點又類似傳統混凝土的體積比配比設計觀念，但實質上仍是採用重量比的精確計算方法。整體而言，緻密配比法強調「物理緻密和化學強化」來達到耐久性的最終目標，並且束制條件為用水量少於160kg/m³及水灰比（W/C）大於0.42來保障混凝土乾燥收縮及自體收縮等體積穩定性問題，圖4揭示混凝土配比漿量體積比、水灰比及水膠比對混凝土強度的長期影響。

黃氏緻密配比在設計流程中之二中，見圖6，事先就已將砂、石及卜作嵐的比率決定了，而在設計流程中之四及五，揭示配比設計的另一特色，就是工作性在傳統最低坍度要求下的水量下，甚至可以要求水量低至不可能的拌和水量下，再決定添加超強減水的強塑劑，最後才反其道依所需強度及耐久性選定水膠比進而求出水泥、強塑劑、卜作嵐材料等用量。這種設計方法自由度甚高，可以設計出超高性能混凝土（強度超過700 kgf/cm² (10,000 psi)以上的纖維混凝土）。(待續)

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