綠化混凝土工業朝向永續發展

在國內,鋼筋混凝土(RC)建築結構物,從以前到現在,一直都被視為偷工減料、品質低劣的次級商品,而廣大的消費者,無論在使用公共建設、或私有財產使用上,無時無刻,都得忍受這既昂貴又不耐久與永續的產物,心態上總是又愛又恨,尤其921地震後,更是又很期待又深怕受到傷害! 由內政部建築研究所的統計資料顯示,RC建築物英國平均拆除年限140年、美國為103年、德國80年、而台灣則僅有約40年而已,比較之下,台灣老百姓房子住了30年後,就如同住在寒窑般一樣,真是情何以堪。現在大台北地區房價,已飆到歷史的新高點,央行即使有打壓的動作,未來還是有繼續攀升的趨勢。試想,各個國家消費者所購買的RC建築結構物,在使用30-40年後,歐美國家的人民還可以朝都市更新、舊建築物再利用的創意巧思方向發展,去動手設計自己的安樂窩,反觀國人則又要開始煩惱,下一個窩到底是在那裡呀!房地產當作傳家寶的觀念,好像是一個遙不可及的夢想,到底問題出現在什麼地方呢?不動產開發商、建商、建築結構設計師及營造業者缺乏永續發展觀念,一切都是向錢看,置廣大消費者基本權利於不顧了,台灣的消費者真的很無助。所以,本篇報導主要探討如何綠化混凝土建築結構物,以邁向耐久永續使用的綠建築。

RC建築結構體現在與未來的問題

2002及2004年間,世界知名的混凝土專家,P. Kumar Mehta於ACI混凝土雜誌(Concrete Interational/July 2002)上發表-綠化混凝土工業邁向永續發展;及在ACI(美國混凝土協會)所舉辦混凝土科技永續發展研討會上,以如何使用高量飛灰混凝土 (High Volume Fly Ash,HVFA)及高性能混凝土(High-Performance Concrete ,HPC)達到永續發展為題,發表專文。

Mehta教授為前美國加州大學柏克萊分校(U.C. Berkeley)土木及環境工程學系著名的學者,在工程材料領域的學理與實務經驗相當具權威且豐富。Mehta在前篇專文提到,由一群科學家、經濟學家及生意人所組成的the Factor Ten Club(10項因素俱樂部),於1994發表聲明如下:世代中,人們只要獲得並提升10倍的資源使用效益,就可以降低及減少約90%所使用的能源與材料。換句話說,假如產品在生產與使用時能更耐久,則未來將更能節省所需耗用的材料,例如,假設今天混凝土工業能提升5倍資源效益,則RC建築物服務壽命可達到250年,可以取代傳統混凝土只有40-50年的服務年限,經濟效益可立即倍增的顯現出來。

針對現代混凝土建築結構物因為不耐久所遭遇的耐久性問題,Mehta指出:由許多研究者都顯示,相較於50-60年前,由於快速營造施工的需求,一般水泥熟料的C3S與細度(磨細的程度)都大幅度提高,所製造混凝土產生高量熱拉力及乾燥收縮等,導致結構體龜裂(巨、微觀裂縫),而失去水密性,引起有害物質侵入而失去耐久性。由過去經驗顯示,快速施工結果是昂貴的,不良的混凝土品質,含蜂窩、冷縫及諸多裂縫等,業主將(政府或一般消費者)需花費更多生命週期的維修費用,且結構物有比預期更快損壞的趨勢,例如,在強烈氣流暴風雨及地震的侵襲下,有巨、微觀龜裂和缺陷,極易遭受損壞或毀損。1998年4月,美國土木工程協會,ASCE News,以"D grade"報導指出,預估聯邦政府必須花費1兆3千億美金,用於維修耐久性不佳的既有公共建設,如今,所需費用比這個數字將更高了。在工業化及都市化的污染環境中,對大部分損壞的結構物,主要是受到除冰鹽、鋼筋腐蝕而產生損壞;少部分則是鹼-矽粒料反應、硫酸鹽侵蝕等問題。鋼筋腐蝕問題與台灣環境是一樣的。

文中另有預測本(21)世紀(未來100年)世界人口成長及所需的混凝土數量(圖1)。以人口成長而言,按照最後的預測,歐洲與北美洲人口穩定持平;而亞洲、非洲和南美洲成長趨緩,但還是增加。起初(2000年)全球人口為60億,一直到2050年之後,成長速率將遲緩;到2100時,預估地球人口上看100億以上,直至持平。將人口成長與都市化傾向連結在一起,預估大約有四分之三的人口,會往生活條件較佳的城市遷移,住在都市裡。根據2001年聯合國的”世界城市狀態”資料報導顯示,1980年時,全球最大的20個都市中,幾乎有過半數是位在已開發國家裡;現在(2002年)時,除了東京、大版、紐約及洛衫磯等4個大城市外,其它超過百萬以上人口的都市(千萬人口)都位於開發中國家。基於都市中公共設施,與生活條件較為優厚,人口往都市發展已經是必然的趨勢,且會更加速腳步進行。這些國家的政府,正面臨著都會區公共建設與住宅工業龐大需求量的壓力。由上述發展,假設能在未來50年,所增加的人口數及都市化,約佔有50%的混凝土需求時,則需求量到2050年時,預估約超過180億噸/年;此後,視未來50年,如何來提升建築結構物的耐久性,使混凝土需求量能開始下降。假設沒有任何的耽擱,進行包括水泥、原始粒料及乾淨水等的保存步驟,依此行動方針,混凝土工業只要有2倍的資源生產力,將可使所建造RC建築結構物,在預計未來數百年是耐久的而不需要重建與修復時,則2050年所有開發中國家的建築物及公共建設都符合耐久性要求,混凝土需求量可開始減少並降低(見圖1),那麼混凝土工業就可以達到綠化,出現永續發展的光芒了。

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圖1未來全球人口成長率及混凝土需求量的預測(Mehta,2002)
耐久永續的HVFA

Mehta (2004)為了進一步闡述,混凝土工業能達到永續發展,聯合加拿大國際相當著名的混凝土學者:T. C. Aitcin及Malhotra (專家),前者是國際HPC知名的權威,後者是享譽國際的卜作嵐應用專家,要達到減少CO2的目標,必需強化產品的耐久永續發展性,而不只是單從產品的生產中來節能減碳而已,尤其是建築結構物,這種需具有長期發展壽命,更能達成CO2減量與減廢,以收到治標和治本雙重的目標。Mehta指出:當前混凝土工業不永續的原因有3個:

1. 製造生產時需耗用大量的自然資源。
2. 主成份-水泥,生產時排放出大量溫室氣體,是造成全球暖化及氣候極速變遷的元兇之一。
3. 混凝土建築結構物太缺乏耐久性,形成耗用資源與生產力相左的結果。
而ACI與國際上定義高性能混凝土(HPC):是具有一種或多種特殊性能的混凝土,依所選用的材料與配比方法而定。現在,無論產、官、學、研都有一種誤解,以為HSC(高強度混凝土)與HPC都應具備高強度,自然就會有高耐久性的迷思。目前,高性能HPC配方都隱含高水泥用量的隱憂,有案例顯示高水泥用量,極易造成裂縫,及比預期提早損壞的問題。低w/c常伴隨的早期(塑性)裂縫;熱應力所產生的龜裂;自體收縮;水泥漿體/粒料比較高,導致引起乾縮量較大,這些問題使得HPC變成只符合快速營造施工的利器,但失去耐久永續發展的目標。所以,Aitcin定義HPC:應具有低水膠比及最佳的粒料-膠結材料比值(控制乾縮)及適當的水養護(控制自體乾縮)。綜合上述論調,Aitcin與Mehta則定義HPC應具高工作性、高強度及高耐久性。一般傳統HPC都不是屬於具永續耐久性,此乃含高水泥量,且只添加少許的卜作嵐材料取代水泥,拌和水量變化太大了。因此,Mehta及Malhotra從新定義具耐久永續卜作嵐混凝土,添加大量礦物掺料-F級飛灰,稱為高飛灰量的HVFA混凝土,也是屬於HPC的一種,應用建議如下:

1. 維持膠結料內含有50%以上高品質的F級飛灰(LOI < 6%)。
2. 配比拌和水量(含SP劑)應小於130 kg/m3
3. 水泥量應少於200 kg/m3
4. f'c(28天) > 30 MPa;需使用高性能減水劑(HWRA)
5. 工作性,坍度 > 150 mm以上。
6. 有凍融的地方輸氣時,應有適當的空氣/孔隙間距。
7. 坍度小於150mm且f'c(28天) < 30 MPa,w/cm可調整到最大值0.40,且不用添加HWRA劑。
值得一提,水泥製造時所排放的CO2為409.57 kg/t,尚不包含石灰石分解所排放的CO2,總計排放量為880 kg/t;高爐石粉因需要研磨,排放量為98.3 kg/t;至於飛灰,因是屬於工業廢棄物回收再利用,碳足跡可視為0。從此處可發現,若能善用飛灰(特別是F級),用於取代高污染的水泥,是多麼節能減碳和具備永續發展的策略方向,如同從漁鱗及漁皮般,由這種海鮮廢棄物,淬取提煉出高附加價值膠原蛋白的生技材料般的可貴。

而工程業界一直有疑慮或存疑者,在HVFA因應快速施工需求,到底要如何處理,Mehta所建議方法如下:

1. 採用較高的水泥/飛灰比值。
2. 利用早強水泥取代普通水泥。
3. 以活性、細度較高的卜作嵐-矽灰及稻穀灰取代F級飛灰。
4. 適當使用高溫(< 500 C)加速養護。
5. 但拌和水量(含SP劑)仍應限制在100-130 kg/m3;F級飛灰LOI < 6%;良好粒料級配等。
只要符合以上規定,HVFA是一種兼具耐久永續及節能減碳的高價值材料。

Mehta亦同時指出,HVFA也是ㄧ種屬於HPC的材料,因特別考量耐久性永續設計,與混凝土耐久性具有關鍵性影響的是拌和水量,將其限制在130 kg/m3以下,此可確保長期的耐久性。但這麼低的用水量,工作性會大受影響,也引起混凝土業者質疑而不敢採用;況且使用50%以上的飛灰,和現行主流規範有所衝突,以至無法應用。這個問題,Mehta解釋:以往燃煤電廠的副產品-飛灰,是較為粗糙,含碳量又高,使用在混凝土內,強度與耐久性都無法達到設計要求,也因此規範都限制用量,最大使用比率都在25%以內,避免產生結構及耐久問題。不過,現在燃煤電廠為提高能源效益及環保回收要求,飛灰品質已經大幅獲得改善,似可考量放寬用量,並以性能規範(Performance Specification)取代限制規範(例如,ACI Code)。

HVFA限制低拌和水量的問題,Mehta亦解釋道:一般混凝土工作性,受到材料固體系統影響很大,例如,粒料粒徑分佈及堆積效應等,而傳統混凝土並沒有最佳粒徑分佈規定,因此,需要使用更多的拌和水量,以達到工作性;傳統混凝土配比內,因水泥顆粒表面帶有負電荷,加水後易形成團絮結構狀,將水緊緊地圍束住,導致,新拌混凝土常需比水泥水化所需要更多的水,來維持工作性,此亦造成日後的乾縮裂縫,而開放性結構更是會造成耐久性不佳。球形的飛灰結構體,如同滑石粉般,是有助於減水,原因為:

 1.飛灰顆粒可吸附在水泥顆粒的表面,形成反向的電荷,此可進一步阻止水泥顆粒,聚集成團絮的結構狀,如此,水泥可均勻的分布在混凝土內,而釋放出大量的水,維持工作性,有助於減水的效果。
 2.飛灰圓形顆粒的表面,可當作潤滑劑(或滑石粉)的功用,此可降低粒料間的互瑣摩擦力,尤其是使用機製砂石粒料的場合,可解決工作性不佳的窘狀。
 3.飛灰與水泥的堆積效應(顆粒尺寸介於1~45μm之間),可延長粒料級配區間範圍,可有效地達到減水作用。飛灰的低密度(約2.1-2.4之間)與高體積特性,比水泥有更好的填塞孔隙效果。
而目前,商業化高性能減水劑(HWRA),性能上已經有所突破,減水效率都在30~50%,或更高的減水效果,應用在HPC、HSC、HVFA等相當便利,混凝土要達到耐久永續性,所需減水的設計策略,是可辦到的。

Mehta再比較HVFA與傳統混凝土差異時如下:

 1.施工時可更容易執行流動、輸送及搗實工作。
 2.具有良好且快速的表面修飾性,並不需要額外輔助動力鏝飾設備。
 3.有較慢的凝結時間,應特別注重濕(水)養護工作,至少在7天以上。
 4.7天前的早期強度會較低,有提早拆模及有早期載重需求的場合,可藉由調整配比,以加速取得強度。
 5.28~90天後,可得到後續強度的發展,一般均會超過100%以上強度,因此,f'c並不需要Overdesign。
 6.有較佳的體積穩定性,可抵抗熱應力所產生牽引力而衍生的龜裂、自體乾縮量是可避免的、而至少7天的濕養護可降低乾燥收縮。但在無適當的防護下,塑性收縮較大,極易造成表面龜裂。
 7.經過3~6個月後的濕養護,有較高的表面電阻值( > 20 kΩ-cm),及較低的氯離子電滲量( < 2000 coulombs;ASTM C1202-97),這些試驗可指出配方是否具耐久性。
 8.可有效抵抗鋼筋腐蝕、鹼-矽骨材粒料的膨脹反應及硫酸鹽的侵蝕。
 9.有較佳的成本效益(低材料成本費用),也有較高的生命週期效益。
 10.使用大量工業廢棄物- F級飛灰,有較佳的環境親合性,可降低水泥的CO2的排放量,可有效的提高混凝土工業資源利用率。
HVFA經Mehta、Malhotra、Aitcin等學者及專家闡述後,得到結論為: HVFA可同時解決並提高水泥業及燃煤電廠-副產品F級飛灰,這2個工業問題達到經濟效益,特別是對中國及印度這兩個國家。各國在有限的財政及自然資源下,未來都市化對人民最急迫的公共建設及房地(不動)產工業需求,提供一種較具符合成本效益的生態和永續發展的方法。

HVFA與傳統混凝土的配比差異比較如表1所示, HVFA比傳統混凝土主要差異包括:(1)HVFA拌和水量比傳統混凝土低上三分之一,這時候必須採用HWRA改善工作性;(2)HVFA水泥量比傳統混凝土低了許多,暗示水化熱量低,較無熱應力問題;(3)w/cm,HVFA較傳統混凝土為低,此可改善低早期強度問題;(4)水泥漿量,HVFA較傳統混凝土少三分之一,顯示乾縮量也會比較小;(5)材料單位重,HVFA=2,413 kg/m3,比傳統混凝土=2,350 kg/m3更重,整體混凝土結構較為緻密。

Mehta舉出美國西部兩個實際應用案例,說明HVFA的應用。第1個是1座設計服務年限長達1,000年的無筋巨積混凝土基礎,包括兩個平行的版塊,36*17*0.62 m(120*56*2 ft),使用20 MPa(3000 psi)的HVFA混凝土澆灌,材料包含106 kg/m3(180 lb/yd3)ASTM Type I水泥,142 kg/m3(240 lb/yd3) F級飛灰,2年後,到現場檢視,混凝土表面並沒有發現任何龜裂,而抗壓強度幾乎是2倍的設計強度。第2個案例,為一大片鋼筋混凝土剪力牆構造,11 ft深及6 ft寬,3.4*1.8 m),結構工程師要求施工單位,需建造一個沒有表面裂縫的綠色混凝土。剪力牆及基礎混凝土是係採用HVFA來設計,坍度為150 mm;56天設計強度為35 MPa(5 ksi),為了模板轉用需求,7天強度應達到20 MPa(3 ksi);基礎部分須克服熱應力,使內部與表面溫差在250C(770F);採用含強塑劑的HVFA配比,w/cm=0.32,195 kg/m3(329 lb/yd3)ASTM Type I水泥,195 kg/m3(329 lb/yd3)F級飛灰,以符合剪力牆設計要求。施工前,基礎混凝土為降低熱應力,水泥降至160 kg/m3(270 lb/yd3),以控制水化熱。由於良好的工作性,剪力牆與基礎都沒有蜂窩及孔洞,而在最近的檢查裡,施作後9個月,表面都沒有龜裂。

表1 25MPa(3600 psi)混凝土配方的比較(Mehta,2002)

種類 傳統混凝土 HVFA
材料性質 重量 體積 重量 體積
lb/yd3(kg/m3) ft3(m3) lb/yd3(kg/m3) ft3(m3)
水泥 517(307) 2.65(0.075) 260(154) 1.33(0.037)
飛灰 - - 260(154) 1.73(0.049)
水(含SP劑) 300(178) 4.81(0.136) 200(120) 3.21(0.091)
輸氣(2%) - 0.54(0.015) - 0.54(0.015)
粗粒料 1750(1040) 10.40(0.294) 2030(1210) 12.10(0.343)
細粒料 1390(825) 8.60(0.244) 1300(775) 8.00(0.228)
總重 3957(2350) - 4050(2413) -
w/cm 0.58 - 0.38 -
水泥漿體積 - 8.00(0.226) - 6.81(0.192)
% - 29.60% - 25%
坍度,mm 125-150 - 125-150 -
抗龜裂性 - -

台灣本土HPC永續的經驗

以上是針對Mehta教授,就混凝土工業朝永續發展所提出深具實用性的論述及建議加以敘述。這種構想與實踐方法,與台灣所倡導的優生混凝土理論與應用,頗為一致。記得在1990時,台科大營建系黃兆龍教授,從高雄東帝東士85大樓高性能混凝土研發案例,開啟了HPC在國內本土化研究及應用的基礎,從緻密配比法(DMDA)-緊密粒料堆積開始,當時作者並未參與研發工作。迄至1995年,以博士研究生正式加入研發及推廣應用團隊,這個小組名稱為「優生混凝土研發推廣工作群」,期間定位本土化高性能混凝土,因為都是使用本土材料,以耐久設計為出發點,而黃教授對從漁鱗及漁皮等,海鮮廢棄物,經由生技專家的創意巧思,提煉出膠原蛋白,對於這種高附加價值技術十分欣賞,因為,優生混凝土的基本邏輯觀念,是以F級飛灰填塞砂的孔隙,再以最緊密堆積的合成細粒料,與粗粒料充填堆積,使成為最緻密架構,剩下的部分,以水泥漿充填,而以HWRA調整工作性,以能達到高工作性(坍度 > 250 mm)。最重要的要求,設計服務年限必須大於100年,最典型的應用案例,為高雄東帝東士85大樓使用HPC的柱內灌漿;與核能研究所共同研發的低放射性核廢料貯存桶(HIC),設計服務壽命在100-300年之間。事實上,黃教授的研究成果,在ACI與相關國際研討會的場合,及所發表期刊論述中,與Malhotra、Aitcin、Mehta等學者的觀點非常接近,尤其是與Malhotra在設計高F級飛灰量、低拌和水量及高耐久性的研究成果是一致的。簡單來講,優生混凝土的研發及實務應用條件建議如下:

1. 混凝土各項材料須符合CNS(ASTM)相關規定。
2. 選用機制砂石(河川沙石亦可);最大粒徑 < 1/2";砂的細度模數 > 2.7以上,砂石粒料最佳化後,再填塞飛灰。
3. F级飛灰應符合CNS 3036規定;LOI(碳燒失量) < 6 %。高爐石粉應符合CNS 12549規定,細度 > 5,000 cm2/g。
4. 拌和水量(含SP劑) < 160 kg/m3;或w/s(拌和水量含SP劑與所有固體材料用量比值) < 7%。
5. 卜作嵐比率 > 20 %;爐石粉用量 < 5%;矽灰(ASTM C1240) < 10%。
6. 水泥用量(kg/m3) < f'c/20(f'c in psi);細度 > 3,300 cm2/g。
7. w/cm依設計強度而定,但需 < 0.40。
8. 60分鐘後,坍度 > 250 mm;坍流度 > 600 mm;流動時間 > 20秒;不析離、不泌(浮)水。
9. 澆置後應立即進行水養護至少7天以上。
10. 試體面乾內飽和表面電阻值(91天;C.N.S.四極式電阻儀) > 20 kΩ-cm。
11. 氯離子電滲量(91天,ASTM C1202-97) < 2000 coulombs。
12. 使用本配比前,應經過設計性能驗證,及材料穩定來源證明,且有經常性與例行性資料佐證。
13. 配比使用前,應使用相類似的材料,於不同時間、不同氣候及不同人員等情形下,進行場拌,以測試混凝土的新拌與硬固性能,並作30組抗壓試體,7天時進行抗壓試驗,求出平均值、標準偏差值、和變異係數,評估配方的均勻性、穩定性,是否在5%之內
14. 應用前,若有需要,應執行Drume Test & Moc-kup Test,驗證輸送工程性能;並建立SOP制度,以管控建築結構體的品質。
在國內,表2指出飛灰混凝土可應用的場合及經濟效益。優生混凝土的配比邏輯,使用卜作嵐(F級飛灰)的精神,以仿生觀點,如同生物科技的組織工程(Tissue Engineering)一樣,技術應用人類的臍袋血、幹細胞、膠原蛋白、到組織和器官中,都可以經由實驗室培養後移植,甚至如打針吃藥一樣,人體受損及欲更換的組織及器官就可以獲得修復、更生和再生,和羅馬的競技場、諸神殿,這種千年不朽長壽建築的耐久永續基因-「火山灰加石灰」,可達到具節能減碳及永續性的需求。

表2飛灰混凝土應用的經濟效益

項 目 工程種類 應用途徑 經濟 效 益
預拌混凝土業 HVFA,HPC,HSC, 取代部分水泥或填充細粒料間隙;可當成膠結材料,降低成本;增加耐久永續性,提高服務壽命。
巨積(大底)混凝土。
水泥製品業 隔熱磚、空心磚、耐火磚、輕質磚。 質量輕、強度高、降低成本、耐火、隔音、隔熱。
建築材料 人造粒料、輕質混凝土。 質量輕,可取代部分砂或碎石粒料。
下 水 道 預鑄混凝土管、預鑄環片。 可抵抗硫酸鹽及化學侵蝕作用。
建築物梁柱主結構體、剪力牆 結構混凝土、自充填混凝土。 可當成減水劑增加工作度;易於施工及具充填性。配合低水量,具備高抗裂性能。
水   壩 巨積混凝土。 添加大量F級飛灰可降低水泥量,減少水化熱,防止熱應力裂縫,提高晚期強度。
隧道、港灣、剛性路面 高性能混凝土、抗硫防蝕混凝土。 有助於混凝土的輸送及施工;加強抵抗海水侵蝕;易施工性、體機穩定性佳、抗彎強度高。
  隧道、港灣、剛性路面 高性能混凝土、抗硫防蝕混凝土。 有助於混凝土的輸送及施工;加強抵抗海水侵蝕;易施工性、體機穩定性佳、抗彎強度高。
建築物梁柱主結構體、剪力牆 結構混凝土、自充填混凝土。 可當成減水劑增加工作度;易於施工及具充填性。配合低水量,具備高抗裂性能。
  巨積混凝土。 添加大量F級飛灰可降低水泥量,減少水化熱,防止熱應力裂縫,提高晚期強度。
水   壩
  隧道、港灣、剛性路面 高性能混凝土、抗硫防蝕混凝土。 有助於混凝土的輸送及施工;加強抵抗海水侵蝕;易施工性、體機穩定性佳、抗彎強度高。

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