湛淵源 技師/華夏科大建築系教授

陳駟侑 聯曜實業公司研究員/明新科大土木系兼任助理教授

矽灰(微矽粉,學名"矽灰",Microsilica或Silica Fume),是在冶煉矽鐵合金或工業矽時,通過煙道排出的矽蒸汽氧化後,經特別設計的收塵器收集,得到的無定形、粉末狀的二氧化矽(SiO2),是屬於外來的工業廢棄物再生利用的典範。矽灰平均粒徑在0.15~0.20
μm,歸於奈米級(Nanometer)顆粒,比表面積爲15000~20000m2/kg,具有極強的表面活性。近20年來,矽灰在國外建築、化工、冶金等領域廣泛應用。其中大量的矽灰,主要用於水泥或混凝土摻合料,以改善水泥或混凝土的性能,調配具有超高強(fc≧C70以上,≧10000 psi)、耐磨、耐沖刷、耐腐蝕、抗滲透、抗凍、早強的特殊混凝土,可應用於大壩、大型水庫、水電、海港碼頭、鐵路橋樑、高速公路、飛機場跑道、隧道及超高層建築等特殊土木建築工程場合。同時,矽灰還可以用於耐火材料和陶瓷製品的生產,提高產品的強度和耐久性;用於油漆、塗料、樹脂、橡膠及其他高分子材料填充物,能發揮改善材料綜合性能目的。

卜作嵐材料,是現代混凝土科技不可或缺的主要材料之一,有別於煉鋼業資源化回收物的爐石粉,以及燃煤火力發電廠燃燒廢氣回收資源化粉塵的飛灰;國內並不生產矽金屬材料,矽灰全然由國外進口(歐洲、美國、澳洲、中國等),價格自然比較昂貴(相較於爐石粉和飛灰)。表1顯示混凝土主要材料價格,膠結材料中矽灰價格約是水泥8倍、爐石粉15倍、飛灰31倍,同屬於工業回收再利用材料,矽灰產製過程,比水泥流程更精緻複雜,性能也比爐石粉和飛灰高,產量較少稀有自然不便宜。

表1混凝土主要材料單價一覽表(民國100年)

水泥

爐石粉

飛灰

矽灰

石子

SP(羧酸/傳統)

單價(元/kg

3.1

1.65

0.8

25

0.5

0.5

0.007

60/30

本文嘗試以壩體相關設施,說明矽灰混凝土問題與應用。矽灰混凝土(Silica fume concrete,SFC)配比設計,主要是引用ACI 211.1與211.4R-高強度混凝土(fꞌc=8000 psi,55 MPa)、ACI 234R-矽灰混凝土、同時參考ACI
318-14結構混凝土等設計規範[1]。到底矽灰量要用多少才適宜呢?依據ACI 318第19.3耐久性章節的表19.3.1.1,對處於冰凍-融解的F3暴露(Very severe)-於除冰鹽或連續潮濕環境中,表19.3.2.1混凝土暴露等級,矽灰用量建議不大於總結膠結料10%(見ACI 318-14的表26.4.2.2(b));工程會綱要施工規範-矽灰混凝土建議用量也是10%。在國內,水壩體的洩洪(引水)道,因有高差水流沖刷混凝土表面,及因洪水夾雜一些樹木與小石塊等,造成洩洪(引水)道局部移動應力相當巨大,對混凝土表面沖蝕加劇,表面必須耐水流(與夾雜物)沖刷要足夠才能抵抗,而混凝土強度與粗粒料(骨材)強度扮演重要角色。圖1顯示位於南投雪霸國家公園的士林壩及仁愛鄉的栗栖霸外觀,矽灰混凝土主要應用在溢洪道、排砂道、靜水池、進水口等,其中士林壩靜水池的矽灰混凝土面產生龜裂[2],如圖2;栗栖霸改良士林壩配比,加入飛灰時有顯著改善上述問題癥結。士林壩設計規定矽灰用量為水泥15±1%,參考美國賓州Kinzua水壩淨水池之修補材料,且較無矽灰混凝土施作經驗,在士林壩施作後由文獻[2]改良配比用於栗栖霸,而稍得到問題解決。在國內,幾乎在同一時間研發出本土化矽灰混凝土配比,可供工程界參考。

1231-6-1

圖1 苗栗縣泰安鄉士林壩與南投縣仁愛鄉武界栗栖壩外觀

 

1231-6-2

圖2 雪霸國家公園士林壩淨水池矽灰混凝土表面龜裂

表2與表3是士林壩、栗栖壩、本土化矽灰混凝土配方。三種配方,都是使用中部河川流域的砂石粒料,可加以比較各配比材料成本差異(表4)、設計抗壓強度(表5)等。本土化矽灰混凝土(Modified silica fume concrete, MSFC),採用國內生產之爐石粉與飛灰,加上國外進口的矽灰和國產水泥,結合成四相膠結材料的MSFC[1]。各配比使用材料成本分析,將表1材料成本帶入表2及表3各配比計算出所使用材料成本,如表4,MSFC的材料成本是士林壩(57%以下)與栗栖壩(67%以下)的三分之二以下,是具有相當大的競爭潛力。由表5各配比不同齡期強度發展,水膠比介於0.24~0.26之間,強度發展上,28天與56天時,MSFC均大於士林壩與栗栖壩強度,從表3各配比的水泥量發現,MSFC只有312 kg/m³是非常低,但是fc可以達12000至13000 psi以上,已經成功地應用在中鋼魚雷車的軌枕,以及台電低放射性核廢料的高承裝性貯存容器HIC桶上,未來可朝壩體工程與土建工程上應用。

表2 雪霸國家公園士林壩與栗栖霸矽灰混凝土配比

   *

水膠比

矽灰%

材料重量,kg/m³

附加劑

水泥

矽灰

飛灰

細粒料

粗粒料

G10-S15-24a

0.24

12.7

150

550

80

-

660

988

17.6

G20-S15-24b

0.24

12.7

150

550

80

-

577

1071

17.6

G20-S14-18c

0.26

12.4

145

480

68

-

707

1127

15.3

S12-F15-22D1

0.25

14.1

150

438

72

90

653

987

14.4

S12-F15-18D2

0.25

14.1

150

438

72

90

653

987

13.2

S12-F15-15D3

0.25

14.1

150

438

72

90

653

987

12.0

 

士林霸: a.坍度:24公分,Dmax=3"/8;b.坍度:24公分,Dmax=3"/4;c.坍度:18公分,Dmax=3"/4。

栗栖霸: 1.坍度:22公分,Dmax=3"/4;2.坍度:18公分,Dmax=3"/4;3.坍度:15公分,Dmax=1"/2。

 

表3 傳統與本土化矽灰混凝土配比設計結果

配比模式一、SFC-ACI配比設計

比(單位:kg/m3

SP*(%)

編號

W/C

W/S

W/B

矽灰(%)

水泥

爐石

飛灰

矽灰

石子

+SP

A2410

0.27

0.092

0.24

10

750

---

---

83

485

853

200

0.46

配比模式二、MSFC-理論配比設計

(單位:kg/m3

SP*(%)

編號

W/C

W/S

W/B

t(μm)

矽灰(%)

水泥

爐石

飛灰

矽灰

石子

+SP

T2410

0.42

0.057

0.24

10

4.2

312

78

132

23

849

886

131

0.68

 

*: SP用量為(水泥+爐石+飛灰 +矽灰)%。

表4 不同配比矽灰混凝土(SFC、MSFC和士林壩)材料成本單價分析

配比模式

價(單位:元/m3

總成本

(/m3)

編號

W/B

矽灰(%)

水泥

爐石

飛灰

矽灰

石子

SP

SFC

0.24

10

2,325

---

---

2,075

243

427

1

230

5,300

MSFC

0.24

4.2

967

129

106

575

425

443

1

222

2,867

G10

0.24

12.7

1,705

---

---

2,000

330

494

1

528

5,058

G20

0.24

12.7

1,705

---

---

2,000

289

536

1

528

5,058

G10

0.26

12.4

1,488

---

---

1,700

354

564

1

459

4,565

S121

0.25

14.1

1,368

---

72

1,800

327

494

1

432

4,494

S122

0.25

14.1

1,368

---

72

1,800

327

494

1

396

4,458

S123

0.25

14.1

1,368

---

72

1,800

327

494

1

360

4,422

 

 表5 SFC與MSFC和士林壩與栗栖霸矽灰混凝土抗壓強度[1,2]

配比模式

SFC(ACI)配比模式

壩體應用案例

試體編號

A2410

士林壩

栗栖霸

              

抗壓強度                       MPa

1

57.8

-

-

3

68.5

55

-

7

79.4

69

-

14

84.7

-

-

28

96.5

82

-

56

102.1

89

89

91

103.8

-

-

配比模式

MSFC配比模式

壩體應用案例

試體編號

T2410

士林壩

栗栖霸

              

抗壓強度                       MPa

1

22.1

-

-

3

47.2

55

-

7

68.2

69

-

14

79.6

-

-

28

91.0

82

-

56

97.0

89

89

91

100.0

-

-

 

結語

矽灰混凝土(SFC)配比與應用,大都來自國外(採用ACI為主流),國內使用上案例並不多見,衍生問題也較特殊,不像爐石粉應用較為廣泛普遍。本土化矽灰混凝土(MSFC),結合飛灰、爐石粉、矽灰和水泥,由文獻[1]蒐集國內外文獻開發成功,並應用在中鋼魚雷車的預力軌枕(已取得美國專利),和台電低放射性核廢料貯存桶(HIC)上,成本是本文介紹水工案例的三分之二以下,具有相當競爭力優勢,此可提供工程界參考。

參考文獻

1.陳俊村(陳駟佑),矽灰混凝土配比簡化模式建構與其相應工程性質之研究,博士論文,台灣科技大學營建工程系,台北,2011。

2.宋讚恒,台灣地區耐磨混凝土工程水工結構應用探討,碩士論文,朝陽科技大學營建工程系,南投,2011。


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