高性能混凝土使用於鋪面工程之注意事項探討

一、前言

混凝土一直是土木工程中使用最普遍,亦為最大宗的施工材料,唯基於傳統混凝土機理上的限制,經常造成其與鋼筋間握裹力不足、設計斷面過大、構造物靜載重超高以及容易衍生紋裂等缺失不一而足。

因此,致力於研究如何提昇或改變傳統混凝土性能之工作,世界各國皆不遺餘力。直至1990年,乃由美國混凝土協會(American Concrete Institute;簡稱ACI)首先提出「高強度混凝土」﹝High-Strength Concrete﹞之名稱﹝文獻(1)﹞,爾後逐漸被業界廣義地稱為「高性能混凝土」﹝High Performance Concrete﹞,並以HPC之代號簡稱之,HPC應用之範疇亦日益廣泛而多元。

本文擬就筆者淺顯經驗,輔以蒐集所得之文獻,針對高性能混凝土基本定義、因應鋪面工程之性能需求暨使用於鋪面工程之注意事項,採扼要方式予以敘述,企盼可供從業人員進一步參考並予賜教。

二、基本定義

高性能混凝土,由文獻(2)指出,截至目前為止,尚無一個讓大多數人都能接受的定義;因此,遂造成各國或各機構乃至於各專家對於HPC定義乙事,可謂眾說紛紜、莫衷一是。

筆者除於文獻(3)中已綜合歸納整理過各項定義之說法,然而經歷3年餘,相關之定義亦陸續蒐集彙整中,致資料頗豐,本文謹再依據文獻予以分門別類列述如下:

(一)法國學者F.de Larard﹝文獻(4)﹞

直接定義HPC為圓柱試體抗壓強度大於50Mpa(約7,000psi)的混凝土。

(二)日本東京大學岡村甫教授﹝文獻(5)、(6)、(7)﹞

明確定義高性能混凝土為一種可以補償不良的施工與結構細部設計的一種材料。基於此一理念,高性能混凝土須具備下列之特性:

1.具有足夠的後期強度,而且透水性低、耐久性佳及抵抗劣化的能力強。
2.只需要稍為振動搗實或自始至終均不須使用振動器搗實,即具有自行填充成形之能力。
3.混凝土拌和料具備低析離性及優良的粘結性。
4.混凝土澆置完成初期,因水泥水化熱所衍生之乾縮、潛變與龜裂現象極少。
(三)美國混凝土協會﹝文獻(1)、(6)、(8)﹞

於1990年率先提出高強度混凝土之用詞,即為現今所謂之高性能混凝土,但美國混凝土協會至今仍保留高強度混凝土之名稱,其一般之定義如下所列:

1.高強度混凝土係指28天抗壓強度達6,000psi或420kgf/cm2以上之混凝土,高強度為其主要條件,但未必具有高流動性與免振動搗實之特性。另外,亦定義高性能混凝土為28天抗壓強度大於8,000psi或560kgf/cm2之高流動性混凝土。明確顯示ACI之立場,對於高強度混凝土而言,並不百分之百等同於高性能混凝土。
2.ACI 363R限定有效使用之高抗壓強度值為9,000psi,才具有生產商業化之價值。12,000~15,000psi甚或更高之值,雖屬可行,但需考慮的機制卻相對繁瑣,未必經濟實用。ACI 363R並規定:若採用水灰比為控制值,其建議範圍值為0.27~0.50,並應由配合設計準則決定之。
3.必須考量使用較低的水膠比之值(ACI 211.4R)。
4.測試強度之養護期程並不以28天為唯一之值,可依需要訂定56天、91天或更長之養護時間,同時「配合設計準則」應配合因應之。
(四)美國國家標準與科技局﹝文獻(5)﹞

概略定義高性能混凝土為具有使用傳統材料成分、一般拌和澆置與養護方法而無法獲得之具特殊性質與均勻度之混凝土。

(五)美國策略公路研究計畫﹝文獻(6)、(9)﹞

該研究團隊之C-205號計畫曾針對高性能混凝土訂出定義如下:

1.高性能混凝土必須符合下列其中之一的特性:
(1)澆置後4小時之抗壓強度大於3,000psi或210kgf/cm2。
(2)澆置後24小時之抗壓強度大於5,000psi或350kgf/cm2。
(3)澆置後28天之抗壓強度大於10,000psi或700kgf/cm2。
2.水灰比須小於0.35(若依現階段使用水膠比,其值將遠小於0.35)。
3.經過300次之循環凍融試驗,其耐久性因子須大於80%以上。
(六)中華民國結構工程學會高性能混凝土委員會﹝文獻(6)、(7)﹞

1.高性能混凝土可依其工程需求指定設計強度,其28天抗壓強度可指定為280kgf/cm2、350 kgf/cm2、420 kgf/cm2、560 kgf/cm2、700 kgf/cm2或更高之值。
2.高性能混凝土係以低水膠比或低水灰比拌和而成,且添加適量之卜作嵐材料,使其具有低水化熱、高緻密性及優良耐久性之特點。
3.高性能混凝土為了達到其高流動性,且能保有其成品之均勻性與粒料不產生析離現象,可適度使用化學添加劑與卜作嵐材料(飛灰、爐石粉及矽灰等材料)。
4.高性能混凝土乃指需要較一般傳統混凝土品質為高之「免振動搗實高流動性混凝土」,此混凝土並可能具有高強度、高耐磨性、高緻密性、高體積穩定性及其他所需要的特殊性能要求。
5.除抗壓強度之外,品質管制作業尚應著重於流度及坍度等性質。
(七)台灣地區本土化定義﹝文獻(4)、(10)﹞

因應工程界實際需要,台灣地區目前對高性能混凝土之一般性的定義如下:

1.1992年發展尹始,定義為「高強度及高流動化混凝土」。
2.較傳統混凝土之性能為佳,且最終品質能符合設計性能要求之混凝土。
3.抗壓強度達560kgf/cm2以上,坍度250±15 mm,45分鐘之坍度至少在235mm以上。
三、因應鋪面工程之性能需求

使用於鋪面工程之傳統混凝土的舖築特性,一般要求為低坍度(低工作性)、粒料尺寸大、用砂率高、低體積變化以及較高的水泥用量,並在施工時須配合大量技術人力的振動搗實和表面的修飾整平,方能獲致較佳之品質。

因此,若能採用高性能混凝土作為鋪面工程施工之材料,一般而言,可得到下列之優良性能:

(一)工作性

增加工作性為高性能混凝土優於傳統混凝土的主要訴求之一,因其具有高流動性(高坍度)的特性,可以簡化施工程序、縮短工期及節省人力,並能提高抗析離性、容易施工與表面易於粉光處理,從業人員更不需要在混凝土拌和後、澆置前偷偷地違規加水,這將使得鋪面品質能夠獲致較確實的保障。

(二)耐久性﹝文獻(11)﹞

傳統水泥混凝土長久以來的設計理念(含ACI 318-89),均以水灰比來評估耐久性,而ACI 318-95新規範自1995年以來,特別改以水膠比來釐定混凝土之強度(其強度係由粒料透過應力傳遞而達成),以期獲致其應有之耐久性。另外一方面,ACI 318-95允許使用水泥以外的卜作嵐材料,例如:爐石粉、飛灰、矽灰、稻穀灰及火山灰材料等,可增加混凝土的抗蝕性與阻滲性功效。

基於耐久性之需要,必須提高混凝土的緻密性,相對地,低用水量以及低水膠比之作法,乃為促使氯離子滲透率降低的主要策略。

(三)安全性

安全性為配合設計與結構設計兩大工作之精神準則,然而,安全性亦非無限上綱,而應以「設計需求強度」為基本條件,同時以配合設計之手段,只要能滿足設計時之需求強度以及使用上之安全性即可。

現階段ACI規範(自1995年起)改以水膠比之機理,在此一機理下,混凝土強度僅須適量的水泥漿即可達到設計之需求值,可大幅降低因水泥漿乾縮所可能衍生龜裂或紋裂之問題。相對地,亦保障了使用者之舒適感及安全性。

(四)經濟性

評估經濟性尤其應該具備宏觀角度,不能僅斤斤計較於初期材料之有形成本。因此,若從提高工作性、增加耐久性、保障安全性、促進早期強度、節省人力、時間、降低施工困難度及減少構件斷面尺寸,使用爐石粉、飛灰及矽灰等工業副產品,減少水泥用量等多重無形效益綜合比較之後,則不僅可彌補材料之價差,且更具實際競爭力與經濟實體規模。

四、使用於鋪面工程注意事項

1.高性能混凝土及傳統混凝土應用於一般建築結構物時,均採用抗壓強度之機制;但唯獨使用於鋪面工程,則務必採用抗彎強度之機制,否則,將非常容易在施工後即於短期內造成失敗案例。
2.工地常發生澆置混凝土後,發生龜裂的情況層出不窮,其龜裂的原因固然很多,但和配合設計必定有連帶關係。故如何減少單位體積用水量及減少單位體積水泥用量,絕對是配合設計時應予以特別重視的議題。高性能混凝土尤須特別注意減少表面浮水量。
3.使用添加劑時,應確認對混凝土之硬化、強度、耐久性沒有不良影響且以不腐蝕鋼筋為基本原則。
4.若膠結材料中水泥之使用量較低時,將致使混凝土中性化之速率較快,其初期強度亦較低,此時須特別檢核卜作嵐材料添加量對硬固後混凝土品質所造成之各方面的影響。
5.高性能混凝土若用水量過多,將造成水泥漿比重過小、稠度過低、混凝土之粗細粒料易與漿體析離、於泵送時塞管、澆置後粗粒料下沉、上下層強度不一、硬固後混凝土之緻密性不足、易產生紋裂等情形,降低自充填性能,亦成為混凝土耐久性欠佳之主要致因。
6.高性能混凝土與傳統混凝土最大的差異點是使用適當的卜作嵐材料(爐石粉、飛灰、矽灰、稻穀灰及火山灰等材料)或添加劑以增加混凝土的工作性與耐久性,因此,其組成材料的特性與應用係進行配合設計時所必須評估與分析的重點。
7.當設計抗彎強度較高時,膠結料之使用量將大增,水泥在水化過程中釋放出之熱能將使混凝土因溫度效應而有產生紋裂之潛在危機。故運用高性能混凝土時,完善的養護作業與計畫尤其重要。
8.澆置時,新拌高性能混凝土不得靜置超過30分鐘。分層連續澆置時,更應注意避免層間之澆置作業時間過長或停工過久再行澆置,以防杜層間界面產生冷縫。
9.由於高性能混凝土之添加劑可能使初凝時間延遲至5~8小時,終凝時間將延至10小時以上,故拆模時間應參考試體之抗彎強度為基準。
10.高性能混凝土運輸計畫之建立及落實甚為重要,必須事前評估泵送車數量和配置等問題,運距和運輸車輛的數量亦要作好妥善規劃。特別是運輸車輛若無法及時供料給泵送車時,等料太久,必將造成管內阻塞爆管。
11.高性能混凝土的配合設計暨量產,需要使用大量的水泥及拌和水量。因此,容易造成下列的問題,宜力求避免之。
(1)水泥用量過多將使早期水化熱高及溫度上昇速率太快、塑性收縮量相對增加、經濟性亦不佳。
(2)拌和水量過多將降低抗彎強度、提高滲透性、降低緻密性及增加吸水性、降低抗蝕能力、降低澆置層內混凝土與鋼筋之界面結合力、增加乾濕作用下體積的不穩定性、增加乾燥龜裂之發生機率。
12.施工時,應特別注意模板工程架設或組裝之品質,加強支撐並避免產生漏漿之情形。
13.高性能混凝土澆置後的優良養護作業及充足的養護時間攸關強度、耐久性與避免紋裂叢生之關係至為重要。
五、結論與建議

1.高性能混凝土使用於鋪面工程,務必採用抗彎設計之機制。
2.高性能混凝土從材料準備、配合設計、量產、進而至施工並養護完成為止,承包商均應研擬完善的計畫書暨應變措施因應之,以避免因任何環節出問題而造成失敗或生命財產的損失。
3.若擬使用添加劑,過與不及皆將造成失敗之可能,因此,添加的種類、份量、方式以及操作人員的純熟度,成為高性能混凝土成功與否非常關鍵之機制,不可小覷之。
4.性能愈佳、需求愈多的混凝土,其品質管制作業一定要相對更加小心,從業人員應先瞭解書面資料並聚精會神地進行工作,不可因高性能混凝土具有高性能之特質而隨便應付了事,否則一定出事。
5.高性能混凝土係為一種具有極高敏感度的施工材料,故其所可能衍生的問題亦多,有些時候即使使用相同的配比資料,但卻無法得到相同品質的成品;職是之故,如何落實混凝土的均勻性,應從拌和設備的穩定性、生產流程的規格化以及人員操作的熟練度等多層面著手佈建及訓練,切忌囫圇吞棗或是一心只想要急就章。
六、參考文獻

1.ACI 211.4R-93,”Guide for Selecting Proportions for High-Strength Concrete with Portland Cement and Fly Ash.”,1998.
2.苗伯霖,「高性能混凝土原理、優點及用途」,高性能混凝土研討會講稿,台灣大學,1992年4月。
3.房性中,「高性能混凝土特性與應用概論」,現代營建第326期,民國96年2月。
4.孫吉甯,「高性能混凝土未來在捷運工程上應用之展望」,台北捷運局捷運技術第19期,1998年10月。
5.林正喬,「高性能混凝土使用於橋梁工程設計探討」,高性能混凝土研討會論文輯,黃兆龍主編,1993年。
6.陳振川,「高性能混凝土規劃與推動」,高性能混凝土(HPC)研發及應用研討會論文集,國立高雄工商專科學校,1994年10月。
7.陳振川,「高性能混凝土之定義與特性」,結構工程季刊第9卷第1期,1994年3月。
8.ACI 363R-92, ”State-of-the-Art Report on High-Strength Concrete ”, 1997.
9.廖肇昌,「高性能混凝土耐久性之探討」,結構工程季刊第9卷第1期,1994年3月。
10.黃兆龍,「混凝土未來應有的形象」,經濟日報專刊,1994年。
11.ACI 318-89、ACI 318-95, ”Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318) and Commentary(ACI 318R)”, 1989 & 1995.

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