第1409期- 談輕質骨材LWA與輕質骨材混凝土LWAC之運用

顏聰/中興大學土木系名譽教授

陳豪吉/中興大學土木系特聘教授

黃中和/台北科大土木系副教授

王順元/優泥來公司總經理

摘要

利用(水庫)淤泥、汙泥燒製的輕質骨材(粒料)，其量輕、隔熱與再利用性，已可歸屬於綠建材，而據以製成的輕質骨材混凝土，應用於營建工程上，更具有綠建築與循環經濟特色，可促成其永續發展。本文旨在論析輕質骨材與混凝土形成綠色建材的真諦，針對屬於亞熱帶，又位於環太平洋地震帶上的台灣，面臨這種高溫、頻震的特殊環境，發展質輕、隔熱、耐久、耐震的輕質骨材混凝土，以替代傳統混凝土，應用於高樓、橋梁等工程營建上，對台灣極具經濟效益的價值與重要性。

壹、輕質骨材混凝土的產製與特性

一、輕質骨材

輕質骨材(LWA)主要有天然和人造兩種，天然LWA早期曾大量採用，如今已因量減而式微，人造LWA研發成功後迭代應用於工程上。人造LWA的種類多種多樣，目前應用於世界各國者主要有燒脹型的膨脹粘土、膨脹頁岩、燒結飛灰(圖1)等。此等輕質骨材的原料，主要是粘土、頁岩、板岩和飛灰等，從1995年起中興大學研究團隊研發以水庫淤泥燒製LWA成功後，國內即改用淤泥或汙泥產製LWA，水庫淤泥是LWA的主體原料，在台灣取之不盡，且可達成減廢並增加水庫蓄水量。

質輕密度小，是各類LWA的共同特性，其顆粒密度範圍約為0.5~1.8 g/cm³，明顯的都低於常重骨材的約2.6 g/cm³，而可具有優越的隔熱功能；密度愈小、熱傳導係數愈小、隔熱性能愈佳。LWA顆粒內部的孔隙率，是決定顆粒密度和強度的重要因素，孔隙愈大其密度愈小，強度也愈小；一般LWA的顆粒密度和強度，都隨粒徑的增大而降低。

應用於混凝土製作的輕質骨材，其顆粒粒徑等同於常重混凝土，也主要分成粗骨材(如#4-3/2〞)和細骨材(0-#4)兩粒群。進行顆粒分佈的篩分析試驗時，須注意顆粒密度差異所產生的誤差，建議對策是將試驗的粒群細分。

孔隙率偏高的輕質骨材，相對具有較大的吸水率，常用LWA的24小時吸水率約為5~25%，這種高吸水率不利於輕質骨材混凝土之性能，特別在新拌階段，骨材吸水會引起較大的坍度損失，因而須考量混凝土在拌和、澆置時段的LWA吸水量，對配比之用水量作必要的調整。

二、輕質骨材混凝土(LWAC)

LWAC的組成材料和混合產製模式，基本上與常重混凝土者相近，在配比設計理論上也可彼此引用。由於LWA具有多孔結構、強度較差、密度較小且具有大吸水率，致於拌和、製造、輸送和澆置作業的處理上，需加以適當的調整。

實務應用上的LWAC構造體，分為結構性及非結構性兩類，其組成材料和構成方式也各自不同。結構性用途的LWAC以承重能力為主要考慮因素，而非結構性LWAC則以隔熱為重點，在配比設計上，前者講究強度的達成，後者著重於孔隙的存在，從而有不同的配比設計法。

由於輕質骨材的介入，乃使LWAC的性質有所變化，最明顯的是工作性、密度、吸水率、強度、熱傳性等的改變。工作性中最值得重視的是，混凝土泵送作業過程可能發生的塞管問題，是因泵送壓力引起LWA吸水，使混凝土稠度增大，泵送失靈而塞管。

硬固LWAC的強度形成與發展，有別於常重混凝土者。由於水泥漿體的晚期終極強度會大於輕質骨材，致其強度發展曲線，如圖2所示，早齡期的強度提升較為快速，晚齡期後趨緩，形成早強的現象；而配比相同的LWAC，其最終強度也會低於常重混凝土(NWC)者。在彈性模數部分，LWAC的Ec值也低於NWC者，一般只達約50%~75%，即約為10~17GPa。

擁有優質的隔熱性，是LWAC應用於房屋建築上的重要特色。內部孔隙含量大的輕質骨材(30~60%)，使LWAC的熱傳導係數大幅降低，如圖3所示，只為NWC者的25~60% (0.3~0.9W/mk)。此為LWAC被歸類為綠建材的主要原因。

貳、LWAC綠建材與循環經濟

一、LWAC之綠建材特質

由於輕質砂(＜4.7mm)燒成不易，致於應用上常由碎化粗骨材取代之。另一方面，在實務上產製輕質骨材混凝土時，大都以輕質粗骨材混和天然砂與水泥拌和而成。這種混凝土雖受制於輕質骨材而有不超過2,000 kg/m³的單位重，但其抗壓強度可高達50 MPa以上。密度較低的LWAC，由於LWA內部的多孔隙，其熱傳導係數(k)常低於1.0 W/mk，且與單位重成反比下降，可低至近0.3W/mk；比起常重混凝土所具有的單位重約2,300 kg/m³，k值約1.5W/mk，典型的LWAC其k值，都會有約25%的下降幅度，這種輕又低熱傳的特性，符合綠建材標章的生態綠建材條件。

LWAC能降低建築物自重，其結構元件(如梁、柱)可對應縮小，所需材料(鋼筋、混凝土)從而減少。因此，以LWAC打造的高樓建築，樓層越高建造成本越低，如圖4所示。LWAC k值低具有高隔熱性能，用於外牆或屋頂時，屋內空調的耗電量可節省約15%，如圖5所示。以上所述LWAC的優質特性：輕量、隔熱，國際上普遍應用於超高樓建築(圖6)、跨海大橋(圖7)、海域鑽油平台(圖8)以及離岸風電的漂浮式平台(圖9)。更凸顯LWAC於營建工程上的經濟價值。

二、LWAC循環經濟價值

就LWAC而言，在台灣係採用水庫淤泥製造的輕質骨材拌製而成，此舉可緩解水庫清淤引起的環境汙染，而淤泥燒製成的輕質骨材(LWA)更能增加營建資源。前述LWAC應用到高樓建築、長跨橋梁乃至於海域結構時，尤能彰顯其經濟性和特有之功能價值；另，此等構造體，一旦延伸至生命週期終點，瀕臨廢棄拆除之際，尚可仿效廢棄混凝土再生利用手法，將之進行碎化、篩分處理，以得再生粒料，可重複應用於再生LWAC 混凝土之製造，達成循環經濟的真諦。

叁、LWAC在台灣營建工程之運用

台灣是處於高溫又多震的環境。島上所有房舍都需供應冷氣取涼，建築物的隔熱省能因而深具必要性。921集集大地震造成的震撼性破壞，加深了我輩對地震的重視。

LWAC可以改善鋼筋混凝土(RC)結構的隔熱性能和耐震能力，如前述LWAC代替RC常重混凝土，用於房屋外牆時，冷氣耗電量節省約15 %；再者，抗震能力較佳；就強度20-60MPa的混凝土而言，LWAC梁的阻尼比可比NWC梁者提高約13%-30%。

至於目前國內已研發成功，利用水庫淤泥燒製LWA，用以製作優質的LWAC，應用營建工程上，得以解決環保問題，增加水庫蓄水量，並提供優質的砂石資源於工程上。

肆、結語

輕質骨材混凝土是優質的綠建材：量輕、隔熱、耐震等性能，應用於超高大樓、長跨橋梁、海域鑽油平台和離岸風電漂浮平台等工程時，可收省能、節電的經濟效益以及耐震、耐久的安全性。

有鑑於LWAC的特性與特色，美、歐、亞洲大部分先進國家，早已將LWAC引用於各國境內和海域的特有建築和特殊工程結構上，也在工程品質和經濟效益各方面獲得優異的評價；台灣若能將LWAC廣為運用於營建工程上，當可獲取前述各項優點，又可大量消化淤泥，增加水庫蓄水量，並間接解決環保問題，一舉多得，值得政府與工程界參考支持。

參考文獻

1. 顏聰，「輕質混凝土之工學性值及工程特性」，混凝土工程技術研習會，台灣營建研究中心，1985年。

2. 顏聰、黃兆龍、陳豪吉等，「水庫淤泥輕質骨材產製及輕質骨材混凝土應用與推廣」，內政部建築研究所研究計畫報告，內政部建築研究所，2003年。

3. Chandra, S. and Berntsson, L.,"Lightweight Aggregate Concrete", Noyes Publications, New York, USA, 2002.

4. Mindes, S., Young, J. F., Darwin, D.,"Concrete" 2nd Edition, Prince Hall, NJ 07458, 2003.

5. Short, A., and Kinniburgh, W., "Lightweight Concrete", MCMCXⅢ, 1963.

6. 黃中和(2005年8月)。「輕質骨材混凝土樑耐震行為之研究」，博士論文。

7. 王順元(2009年9月)。「廢棄物資源化再製輕質骨材之應用研究」博士論文。

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