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
四、混凝土水泥強度效益倍數CSER的提昇策略
臺灣地小人稠，都市更新進程也促使高層建築林立、人口越來越集中，未來再更新將是嚴峻的課題。投入節能減碳的產業，越來越多，促使建築物減碳及延壽(減少更新次數)的材料或工法，勢必將成為趨勢。台灣目前鋼筋混凝土仍然是營建工程主流建材，其中混凝土總體用量非常鉅大，混凝土材料中所含水泥膠結料是碳排放主要貢獻者約佔90%，佔營建工程總碳排放比例甚高。且自1995年後，混凝土朝向高性能化發展，高強度及高流動變成主流，混凝土所需用水泥量相應增加，對工程總碳排放形成巨大壓力，同時傳統混凝土認知50年壽命，混凝土建築物的延壽至幾百年甚或千年，對減碳效益更高。目前台灣混凝土廠配比，各家創意發展百花齊放，錯綜複雜，所以針對混凝土找出統一而合理碳排基線來探討減碳效益，將會有較公平合理標準可依詢，此舉會加速達成國家發展委員所要求「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。」
（一）混凝土的合理碳排基線
台灣預拌混凝土廠各家配比並非一個固定比例值，往往針對工程規模、設計或施工需求進行調整，這些配比混凝土廠又秘不可傳，不能公開。所以不論是業界或是政府機關，皆不可能得到真實配比資料，相關資訊較難建置，因此當申請廠商提送抵換專案申請案件時，如何決定一個可信的基線就是一個重要關鍵。
依據低碳混凝土減碳率的基本定義與計算式如下:
LCCR=1.0-CSER×0.05 (1)
式中，LCCR（低碳混凝土減碳率）：無單位，該低碳混凝土排碳量相對於相同強度之一般混凝土排碳量之減碳比例。
CSER（水泥強度效益倍數）：每單位m3水泥所能發揮的強度混凝土（psi）與標準混凝土強度下強度效益CSE【合理碳排基線28天抗壓強度（psi）÷每m3混凝土水泥用量kg】的值。高性能混凝土強度效益CSE基準以10.0（psi/kg水泥量）估算（林憲德，2023），即CSER＝（28天抗壓強度（psi）÷每m3混凝土水泥用量kg）÷高性能混凝土強度效益基準10.0（psi/kg水泥量）。
未來因應「低碳混凝土」的需求「高性能混凝土強度效益基準10.0（psi/kg水泥量）」，建議修正為「低碳混凝土強度效益基準」。傳統強度效益基準是以10.0（psi/kg水泥量）來估算，例如3000 psi的混凝土使用至少300公斤水泥（6包水泥）。然而仿間配比並非固定比例值，基準值莫衷一是，所以宜參照公共工程委員會施工混凝土綱要規範第3050章，經過嚴謹配比設計及試拌結果之數值，所呈現的表03050-1混凝土材料規格表，加以核算表混凝土強度效益基準，以表中28天抗壓強度（psi）÷每m3混凝土膠結材料最低用量kg/m3計算混凝土強度效益基準值。」比較公允。
基本上表03050-1混凝土材料規格表，係按照常規混凝土配比設計方法，配比依據結構混凝土28天抗壓設計強度（f'c）、組成材料（粗粒料尺寸、膠結材料最低用量）、最大水膠比及工作性（坍度範圍）等來設計，並經試拌結果所得之數值所彙整的成果。表1為混凝土強度效益基準值（CSE），即參照表03050-1混凝土材料規格表計算。基本上膠結材料係指水泥、水淬高爐爐碴粉、飛灰及矽灰，惟水淬高爐爐碴粉、飛灰及矽灰之用量，而依表1中膠結料依據混凝土綱要規範第3050章中2.1.2水泥(2)工程使用水泥材料時，應於設計圖說中註明使用之卜特蘭水泥或水硬性混合水泥及型別，若未註明者，則以卜特蘭水泥 I 型為限。舊版本則明確指出(2)工程使用水泥材料時，其成分配比應於契約書中註明，若未註明者，則以卜特蘭水泥為限。亦即基準值係將膠結材料（B=C+P）中之卜作嵐材料P值設定為0，即不得添加任何摻料的狀況下，換言之，基準值計算用的膠結材料(B)只有水泥（C)一種，並不添加卜作嵐（P）取代水泥（C)。
對於減碳效益如果用在相同混凝土28天抗壓強度f'c條件下來估算，水泥減少的比值，可以簡單估出減碳的效果。為考慮耐久性等延壽問題，未來可以就現有結構體直接鑽取混凝土試體，進行量測抗壓強度f'c值，再除以廠商所提供配比的水泥用量（kg/m3)的數值，以計算減碳效率，如此可以土木營建工作採用低碳混凝土以保障結構安全性與耐久性。由表1混凝土強度效益基準值（CSE）中，可以觀察出不同強度級別混凝土的強度效益值CSE值介於6.32~11.98 psi/(kg/m3) , 與高性能混凝土強度效益基準10.0（psi/(kg/m3）悄有不同，而抗壓強度愈高CSE有愈高的趨勢，減碳效益愈高。可惜表中缺乏「綠混凝土」規格高性能混凝土強度超過420 kgf/cm2(6,000 psi)部份。依據公式(2)計算出相應之CSER＝（28天抗壓強度（psi）÷每m3混凝土水泥用量kg）÷表1混凝土強度效益基準值（CSE），可以得到CSER均為1。
（二）提昇混凝土水泥強度效益倍數CSER的實務
為簡單評估碳排放的方式，將混凝土工程過程包括原物料、原料運輸、製造運送、施工耗能、更新修繕、拆除廢棄等四階段之工業、電力等涵蓋在內，所排放碳CSER，亦可由申請者以現場抗壓強度實測資料提供查驗，申請者自行提出計算數據。若無此數據或基準案則CSER=0，或如上於實際結構物上鑽取混凝土試體，量取抗壓強度（psi），除以申請者提供的每m3混凝土水泥用量kg，再除以表1混凝土強度效益基準值（psi/kg水泥量）成為無單位之減碳CSER，於候選低碳建築階段認可時，可由申請者自行提出設計數據認定，於正式低碳建築階段認可時應提供。CSER水泥強度效益倍數的定義，為達到相同目標強度的水泥效益，可以直接反應出水泥減量的比例，同時也說明減碳的效益。
一般傳統混凝土配比的水泥強度效益約在10 psi（6.32~11.98 psi/(kg/m3)）範圍，見表1所示，其CSER為1。未來在低碳混凝土的需求下，添加飛灰等卜作嵐材料或減水劑摻料，仍會採用如第三節「達成低碳混凝土的策略」1.添加減水劑；或2.以卜作嵐材料取代部份水泥量（約20%），此時所得之混凝土其CSER近於1或1.2。但是新型態的高性能混凝土採用策略；3.黃兆龍緻密混凝土配比設計法，見圖6(1397期)所示之二，將飛灰及爐石粉等卜作嵐材料進行填塞粗細粒料空隙，求出顆粒的最小間隙Vv，物理上係將卜作嵐材料當作粒料使用，事實上卜作嵐材料也會參與卜作嵐反應，化學上卜作嵐材料可以不斷的將水泥水化產生不穩態的20%左右氫氧化鈣(Ca(OH)2)，轉化成為穩態的膠體(C-S-H)，且不斷增加混凝土本體的強度及長期耐久性，圖4(1397期)揭示的優生混凝土Vp/Vv=1.2~1.6，當漿量降低，超過一年的強度提昇至二倍左右。這種狀況下，混凝土就如同羅馬兢技場不斷成長，增加混凝土的耐久性至千年不毀，長期減碳效益更高。所以1 kg水泥可以由表1的CSE＝每一立方米水泥公斤量產生6.32~11.98 psi提升至20、30、40、50 psi甚至更高，同一強度或水膠（灰）比下，相應混凝土中水泥提昇2、3、4、5倍，見表2所示，相應的CSER為1、2、3、4、5，簡單推估水泥用量僅剩1/2、1/3、1/4、1/5，此時相應減碳量由為0%、50%、67%、75%至80%。
這樣的低碳混凝土，如果更進一步可以採歐盟地平線－2020計畫降低至零碳的狀況，混凝土不用水泥膠結料，而採用強鹼激發變黏土質材料達到如同金字塔可歷經三千年以上，見圖4(1397期)所揭示混凝土綠設計使用的仿生策略。
表1 混凝土強度效益基準值（CSE）
（本表參照公共工程委員會施工混凝土綱要規範第3050章中表03050-1混凝土材料規格表計算，基本設計為只準使用水泥為唯一膠結料）
|
混凝土28 天抗壓強度(f’c), kgf/cm2(psi) |
水泥（膠結材料）最低用量 (kg/m3) |
坍度範圍 (cm) |
最大 水膠比 |
粗粒料尺寸 (mm) |
CSE (psi/(kg/m3)) |
CSER |
|
80(1138) |
180（180） |
10.0~21.0 |
0.90 |
4.75~50 |
6.32 |
1 |
|
140(1138) |
215（215） |
10.0~18.0 |
0.71 |
4.75~50 |
9.27 |
1 |
|
175(2489) |
250（250） |
5.0~18.0 |
0.67 |
4.75~50 |
9.96 |
1 |
|
210(2987) |
300（300） |
5.0~21.0 |
0.59 |
4.75~50 |
9.96 |
1 |
|
245(3485) |
325（325） |
5.0~21.0 |
0.51 |
4.75~37.5 |
10.72 |
1 |
|
245 (3485) (水中澆置) |
375（375） |
10.0~21.0 |
0.54 |
4.75~25 |
9.29 |
1 |
|
280(3983) |
360（360） |
5.0~21.0 |
0.45 |
4.75~25 |
11.06 |
1 |
|
280(3983) (水中澆置) |
400（400） |
10.0~21.0 |
0.50 |
4.75~25 |
9.96 |
1 |
|
315(4480) |
430（430） |
5.0~21.0 |
0.42 |
4.75~25 |
10.42 |
1 |
|
350(4978) |
450（450） |
5.0~21.0 |
0.42 |
4.75~25 |
11.06 |
1 |
|
400(5689) |
475（475） |
5.0~21.0 |
0.40 |
4.75~25 |
11.98 |
1 |
表2 增進CSER的實際案例
|
混凝土28 天抗壓強度(f’c) , kgf/cm2 (psi) |
水泥（膠結料）用量 (kg/m3) |
坍度範圍 (cm) |
最大水灰（膠）比 |
粗粒料尺寸 (mm) |
CSER |
|
483(6874) |
548(548) |
23.0~26.0
|
0.4（０.4 |
4.75~10 |
1.23 |
|
297(4221) |
143(626) |
23.0~26.0
|
１.25（0.34） |
4.75~10 |
2.9 |
|
621(8833) |
214(536) |
23.0~26.0
|
0.7(0.28) |
4.75~10 |
4.07 |
|
623(8862) |
185(510) |
23.0~26.0
|
0.77(0.28) |
4.75~10 |
4.7 |
五、未來的挑戰及期許
為了因應未來低碳混凝土高CSER需求，須大量降低水泥量，又為了耐久性能，必需大量減少水量及水泥用量，此刻的混凝土含高量砂石混合料及卜作嵐材料，沿用傳統拌和系統，會面對無法拌和的困難，甚至無法將少量卜作嵐材料，均勻充分散佈在骨材粒料間。為此，依筆者研發團隊過去的經驗，開發出雙核心拌和系統，見圖8所示，而且已成功將卜作嵐材料甚至矽灰等微細材料充分散布於製作核廢料儲存筒上。
當然此拌和系統應用於各工程類型建築物(科技廠房、辦公大樓及住宅)；鋼筋混凝土結構類型；及混凝土材料因子(混凝土配比設計、混凝土設計強度、水泥用量及水泥類型)等不同樣態，可以減少機械磨損，延長使用壽命。未來為了更佳的CSER，會考慮添加拉伸模量約為1,100GPa，斷裂強度為130GPa，為鋼鐵強100多倍的石墨烯材料，混凝土中導入石墨烯材料，想必可以使混凝土強度類似鋼鐵一般，而在少量水泥下強度可大為提昇，這樣估計可以更提高CSER。
但是，石墨烯的單片層厚度為0.35nm左右，只有水泥尺寸的30,000分之1左右，如此細小而比表面積巨大的奈米材料，在混凝土中將會吸附很多表面水膜，勢必造成甚高的黏性，阻礙顆粒材料間的流動性。同時細小的粒徑在混凝土的大海中，會因微細小而產生布朗寧運動，甚難在混凝土均勻散布。據此研發團隊已開發出第二代參核心拌和系統，並已完成專利設計（正提出專利申請中），適合石墨烯及氧化石墨烯在混凝土上使用，相信可以讓台灣土木營建工程低碳混凝土成為亮點。
圖8 製作核廢料儲存筒的採用分段式拌和系統
參考資料
1. 內政部建築研究所，低碳（低蘊含碳）建築評估手冊，LCBA低碳建築聯盟試行版0614，2023年版。
2. 黃兆龍，混凝土性質與行為，詹氏書局，台北，2017.4.1。
3. 黃兆龍，高性能混凝土理論與實務，詹氏書局，台北，2003.4.1。
4. 黃兆龍，卜作嵐混凝土使用手冊，科技圖書公司，台北，2007.12.13。
【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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