水庫淤泥輕質(zhì)骨材混凝土在橋樑及高樓綠建筑上推廣應(yīng)用

 
圖1 淤泥1200℃高溫燒結(jié)顆粒輕質(zhì)骨材的比重比較

表1 輕質(zhì)粗骨材及常重砂基本性質(zhì)

表2 輕質(zhì)骨材混凝土配比 

2.抗壓強度發(fā)展
    如圖5可知，由不同骨材密度比較顯示，顆粒密度1.5g/cm3 的強度發(fā)展斜率較大，即密度大的輕質(zhì)骨材可提供較大的強度發(fā)展，相對于顆粒密度0.7g/cm3，其顆粒強度甚低，在同樣水泥漿質(zhì)與量的配比中，在強度上比其它顆粒骨材密度大的相差很多，這應(yīng)歸咎于此類骨材強度甚低的緣故。

    圖6為緻密配比及ACI 配比在不同水膠比的比較，緻密配比用水量固定150kg/m3，ACI配比為用水量為223 kg/m3。在緻密配比組別比較上，呈現(xiàn)水膠比越低，抗壓強度越高，此與傳統(tǒng)混凝土相同趨勢，在不同配比比較上，由于ACI 配比使用較多的水泥漿量，因此，在相同的水膠比情況下，ACI 配比的抗壓強度發(fā)展均高于緻密配比法所得之結(jié)果。

3.水泥強度效益
    圖7為骨材顆粒密度1.1g/cm3 在水泥漿體的量對水泥效益的關(guān)係，在水泥漿(水膠比=0.32)情況下，以緻密配比的水泥強度效益均在0.1 MPa/kg/m3 之上，但在ACI 配比的用水量為223 kg/m3，其混凝土整體結(jié)構(gòu)不是緻密配比，其水泥強度效益為0.06 MPa/kg/m3左右，由此可知混凝土不只是藉由水泥水化增加強度的，也可能是藉由細骨材與飛灰的緻密堆積特性來提高水泥的強度效益。

4.表面電阻量測
    圖8為輕質(zhì)骨材顆粒密度固定為1.1 g/cm3的輕質(zhì)混凝土在98天齡期電阻值比較，其中緻密配比法者共有10 組，ACI 配比有3 組。顯示緻密配比10 組中，固定拌和水量150kg/m3 情況下，水膠比愈低者，其電阻係數(shù)愈高，表示的混凝土的品質(zhì)愈佳，這可由混凝土的抗壓強度及超音波的數(shù)值上相互印證。在不同配比的比較上，緻密配比的10組其電阻值均在40~70K-cm 之間，較規(guī)范之建議值20K-cm 大，表示緻密配比組別的混凝土鋼筋不易腐蝕。ACI 配比在拌和水量為223 kg/m3，水膠比同樣為0.28、0.32、0.40下，其電阻值在11~12K-cm之間，電阻值明顯偏低，都在標準值20K-cm 之下，表示其混凝土的品質(zhì)較差，鋼筋較易腐蝕，對鋼筋混凝土耐久性極為不利。

5. 干縮
    圖9為水膠比0.32，緻密配比用水量分別為140、150、及160kg/m3，ACI 配比的拌和水量為223 kg/m3 之輕質(zhì)混凝土，在預養(yǎng)護28天后置于乾燥環(huán)境中，齡期與長度變化之關(guān)係。圖中顯示浸于水中的試體有持續(xù)膨脹現(xiàn)象，隨著拌和水量增加而增加。當試體置于乾燥環(huán)境下，由于失水現(xiàn)象會立刻產(chǎn)生收縮，且同樣地隨著拌和水量增加，則長度亦隨之增加。在固定水膠比下，隨著拌和水量的增加，相對的也提高水泥漿量，水泥之鈣釩石反應(yīng)及其它水化物吸水反應(yīng)，是造成混凝土膨脹的主因，而乾燥收縮則應(yīng)以毛細管孔水失散為主，因此隨著水泥漿量愈多，其乾燥收縮量也愈大。
6. 熱傳導
    輕質(zhì)骨材顆粒密度愈低者，其內(nèi)部的孔隙就愈多，熱傳導性就愈差，相對地熱傳導係數(shù)就愈低。在相同的水泥漿質(zhì)與量時，顆粒密度1.5g/cm3的骨材，由于骨材本身內(nèi)部孔隙較少，混凝土熱傳導係數(shù)值在0.56~0.65W/m℃之間；顆粒密度0.7g/cm3的骨材，由于骨材本身內(nèi)部孔隙較多，混凝土熱傳導係數(shù)值在0.43~0.63W/m℃之間。所有配比的混凝土熱傳導係數(shù)，其值均在0.45~0.65W/m℃之間。Short and Kinniburgh曾指出不同輕質(zhì)混凝土含水量的密度與熱傳導係數(shù)之關(guān)係(3)。如圖10所示將不同輕質(zhì)混凝土在大氣中風乾密度的熱傳導係數(shù)標示圖10上，顯示其所有配比除有1 組的熱傳導係數(shù)較低外，其餘多落在此兩趨勢線的范圍之內(nèi)。

三、輕質(zhì)骨材混在建筑物上之應(yīng)用性

    表3列出結(jié)構(gòu)輕質(zhì)骨材混凝土在建筑物上之應(yīng)用性(4)。整體上而言由于其質(zhì)輕，故可減少地震力。而它具有熱絕緣性可節(jié)省能源、耐火，及對天候有耐久性以及體積穩(wěn)定性和實際施工性佳，其經(jīng)濟性及隔熱節(jié)能評估已有一些學者進行過研究都相當肯定其應(yīng)用推廣供結(jié)構(gòu)用(5-8)，以下就參考文獻8摘要說明經(jīng)濟效益包括下列各子題：
(一)水庫淤泥製造輕質(zhì)骨材經(jīng)濟性分析
    水庫淤泥製造輕質(zhì)骨材，不僅可解決長久以來水庫淤泥無處堆置及處理問題，更可將淤泥資源化成另一種新材料，符合「綠色」、「環(huán)?！?、「再生利用」的目標，為屬于「綠色材料」之一。因此，將「水庫淤泥」製造處理成「輕質(zhì)骨材」，已提供水庫淤泥的「環(huán)境負擔成本」的經(jīng)濟效益。目前由國外歐、美及大陸進口的骨材單價約為2000～5000 元/m3。經(jīng)模擬在水庫附近設(shè)置輕質(zhì)骨材廠成本分析，可得到假設(shè)工廠生產(chǎn)量可達到360,000m3/年，則在10 年攤提所有生產(chǎn)設(shè)備、人員、租金、水電等費用下，輕質(zhì)骨材成本為450 元/ m3。此一單價具有相當?shù)母偁幜Α２⒁?guī)劃政府在輔導業(yè)者生廠期間，支付淤泥處置成本費用在500～1000 元/ m3之間，經(jīng)一段時間，業(yè)者已能具有獲利下可將淤泥處置費用逐年下降，最終目標為政府不必負擔淤泥處置費用，完全由業(yè)主自行吸收，此有助于減輕政府財政負擔。因此經(jīng)此分析后，可發(fā)現(xiàn)水庫淤泥生產(chǎn)輕質(zhì)骨材是具有經(jīng)濟性的。
(二)輕質(zhì)RC 建筑物結(jié)構(gòu)經(jīng)濟效益比較分析
    在地震帶的臺灣，傳統(tǒng)常重RC 構(gòu)造由于混凝土密度大，增加構(gòu)造物自重，產(chǎn)生巨大的地震水平力。若采用高性能混凝土技術(shù)製造輕質(zhì)骨材混凝土則可，同時具有強度高、工作性佳及耐久性的特性，可以解決以往所用使用的輕質(zhì)混凝土其特性是工作性不佳、強度不足而無法使用于主要構(gòu)件梁及柱的問題，透過ETABS電腦 結(jié)構(gòu)程式，分析實際四棟建筑物案例使用輕質(zhì)骨材混凝土可達到下列之經(jīng)濟效益：
         1.密度愈輕的輕質(zhì)混凝土愈有利于版厚的縮減量，縮減率介于8～28%之間。
         2.在限制相同主鋼筋量為標準，分析自重及外力減少情況下，密度1600kg/m3之輕質(zhì)骨材混凝土可縮短梁柱斷面積，平均達57%，而密度1800 kg/m3及2000kg/m3之輕質(zhì)骨材混凝土可縮短梁柱斷面積分別達到49%與45％左右，如圖11所示。
         3.小梁柱僅考慮垂直靜載重與活載重下，縮減量分別可達到37～54%之間。

表3　結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土在建筑物上之應(yīng)用性(4)

         4.柱與墻斷面的縮減，可增加樓地版的使用空間；梁與版斷面的縮減，可提昇樓層凈高度或增加樓層數(shù)。
         5.高性能輕質(zhì)骨材混凝土具高流動、強度夠及耐久性佳的特性，可解決梁柱接頭處施工不易的問題。

(三)輕質(zhì)RC 建筑物外殼耗能量比較分析
    民國84年內(nèi)政部營建署公布建筑節(jié)能源法(9)，亦即建筑外殼耗能量的最高基準值(ENVLOAD)，目前有關(guān)建筑設(shè)計的審查已將”ENVLOAD”列為必要條件之一(10)。空調(diào)型建筑方面，選取4、14 及31層RC辦公室建筑實例；在住宿類建筑方面選取2、14及31層RC住宅案例，分別采用常重RC及輕質(zhì)RC進行分析計算，可得到如下之結(jié)論：
    1.地區(qū)建筑物無論空調(diào)型建筑或住宿型建筑，其耗能影響主要是建筑外殼之隔熱性能及遮陽性能二大項目。
    2.空調(diào)型建筑2、14及31層建筑整體外殼耗能量ENVLOAD值，輕質(zhì)RC外墻比常重RC外墻分別節(jié)省7%、12%及13%之效果。
    住宿型建筑2、14及31層建筑物隔熱性能計算，比較其RC外墻及屋頂?shù)钠骄鶡醾魍嘎手罡呋鶞手礥aw及Uar 值，可發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)RC隔熱性能較常重RC優(yōu)越40%左右，如圖12所示。

 (四)輕質(zhì)RC 建筑物外界空調(diào)負載分析比較

    根據(jù)參考文獻11說明計算3棟不同實際建筑案例的空調(diào)負載，假設(shè)條件為7月份的室外溫度以35℃考慮，而室內(nèi)溫度維持在26.7℃，在考量不同建筑物的方位、風速、緯度、太陽入射角等，及僅考慮建筑外界日光所造成之空調(diào)負載，計算結(jié)果如圖13所示，說明如下：
    1.物1案例，使用常重混凝土在正午、下午4 點及下午7點所需電力度數(shù)分別為9.86、14.95 及8.09 度，而使用輕質(zhì)混凝土則分別為6.54、8.61 及2.7 度，因此，省電率可分別可省電33.7%、42.4%及66.6%。
    2.物2案例，在正午、下午4點及下午7點使用輕質(zhì)混凝土之省電率分別為39.8%、

39%及66.8%。
    3.物3案例，在正午、下午4 點及下午7點使用輕質(zhì)混凝土之省電率分別為45%、30%及87.4%。

(五)濟性綜合評估
    經(jīng)濟性綜合評估顯示骨材生產(chǎn)成本可控制在1000元/m3以下；高性能輕質(zhì)骨材混凝土工程性質(zhì)符合工程需求；針對三種樓層和二類用途分析，采用輕質(zhì)混凝土后，結(jié)構(gòu)樑柱斷面可減少32%～50%范圍，建筑物外殼耗能量(ENVLOAD)降低7%～13%，建筑物外界空調(diào)負載節(jié)省電力33%以上。證明利用水庫淤泥製造輕質(zhì)骨材及輕質(zhì)混凝土，不管結(jié)構(gòu)及耗能上均為經(jīng)濟可行，符合資源永續(xù)及綠色家園的國家政策，為一項突破性的綠色建材。研究根據(jù)過去進行輕質(zhì)骨材混凝土的種種問題，經(jīng)過以上分析，可獲如表4 綜合評估表，基本上評估使用輕質(zhì)骨材混凝土于RC結(jié)構(gòu)物上，由結(jié)構(gòu)及耗能分析結(jié)果都顯示具經(jīng)濟可行性。

表4 輕質(zhì)骨材混凝土使用于RC結(jié)構(gòu)物之經(jīng)濟性綜合評估表

四、輕質(zhì)骨材混凝土在橋樑上之應(yīng)用

    1999年9月21日凌晨1點47分在集集發(fā)生芮氏規(guī)模7.1的大地震造成27座橋樑毀損、綜合橋樑結(jié)構(gòu)之震害主要發(fā)生之原因是，一般橋樑設(shè)計與一般房屋建筑設(shè)計在結(jié)構(gòu)上有三個主要不同點。一為避免熱漲冷縮的氣溫變化可能產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變而在沿著橋面軸向一定長度之處設(shè)有伸縮縫。以簡支樑為例，其軸向僅由單一橋墩抵抗地震力，而側(cè)向則由兩個橋墩分擔地震力。第二是因應(yīng)橋下河川之流動及行車之需要，一般橋墩之斷面均以沿橋軸方向較扁，而沿側(cè)向則較長之設(shè)計方式，因此此軸向之耐震力較弱。而第三點則是沿橋軸向有呈現(xiàn)「弱柱強樑」之傾向。強震發(fā)生時，常會造成橋墩破壞，而對整座橋樑構(gòu)成安全上之顧慮。橋樑在地震作用下，沿水平橋軸方向有向前后左右擺動與扭動現(xiàn)象，而地震力愈強之情況下，則其擺動量就愈厲害。橋樑結(jié)構(gòu)體及其基礎(chǔ)之作用力也就愈大，故其上部結(jié)構(gòu)可能與擺動量較小的橋臺在伸縮縫之處發(fā)生碰撞現(xiàn)象，因而導致橋樑之上部結(jié)構(gòu)受損或產(chǎn)生落橋現(xiàn)象。橋柱及橋墩亦可能因其所承受之負荷超過其容許應(yīng)力極限而受損或向側(cè)向崩塌。
    由921震災(zāi)可發(fā)現(xiàn)有許多橋樑可能是因為其基礎(chǔ)土層強度不足而使橋樑傾斜，移動甚至崩塌及全毀的現(xiàn)象。而土壤產(chǎn)生液化，導致橋樑破壞現(xiàn)象，則需對土壤可能發(fā)生液化之潛能進行評估。有些橋樑可能由于大樑支撐長度不足，當受到像此次地震的大震幅，則將導致橋面板連同大樑被震落。早期耐震設(shè)計觀念係以結(jié)構(gòu)物在設(shè)計載重下必須維持彈性行為。若考慮強裂地震之作用，則不僅設(shè)計斷面不具經(jīng)濟性，且施工上亦有困難。接著有塑性設(shè)計觀念，係利用結(jié)構(gòu)物之非彈性變形以吸收地震之能量，雖然可以縮減結(jié)構(gòu)體之斷面尺寸，然而由震毀之橋樑案例可發(fā)現(xiàn)因橋墩產(chǎn)生挫屈及剪力破壞而崩塌之事實，可以判斷橋墩之塑性尚未充分發(fā)揮。強震后必須對結(jié)構(gòu)體上所發(fā)生的局部損傷進行一些維修與補強工作。如果能使用高性能輕質(zhì)混凝土，則其自重可縮減三分之一，由于橋樑的設(shè)計水平地震力與其自重成正比，故地震力可相對地減小。另外其強度又可達到10,000psi之高強度，坍度也可達25公分以上，相信可以自行流動至密集之鋼筋處充填而不需使用機械振動方式，如此混凝土設(shè)計與施工方式必定會在耐震效果發(fā)揮相當大的功效。
    挪威應(yīng)用輕質(zhì)骨材混凝土的十座橋樑是使用懸臂工法之預力箱型樑或浮橋及斜張橋建造的。而在基礎(chǔ)方面則以雙柱式加沉箱基礎(chǔ)為主，或打鋼管樁后再填充鋼筋混凝土之摩擦樁為基礎(chǔ)者。其選用LWC之理由可歸納如下(13)：
         1.造型美觀、經(jīng)濟與節(jié)省重量耐久
         2.橋臺之跨距可拉長，有利于航行與海洋牧場養(yǎng)殖
         3.可減少橋面板所需預力鋼數(shù)量
         4.可解決跨度不對稱現(xiàn)象，以結(jié)構(gòu)體及地形景觀美感各方面考量
         5.耐久性考量
         6.不需使用昂貴的施工鷹架，施工簡便
         7.可節(jié)省橋墩基礎(chǔ)施工費用
         8.縮小橋面版斷面，使其具美觀
         9.縮減打數(shù)量，降低打費用
         10.以美觀、品質(zhì)、經(jīng)濟及使用功能各方面之因素考量使用浮式橋及斜張橋
         11.可減輕橋面板之載重
   921集集大地震可以發(fā)現(xiàn)有橋面板樑落橋、樑身折斷、樑端有剪力裂縫、混凝土剝落、橋面位移傾斜、帽樑斷落、橋面龜裂、伸縮縫損壞、橋樑錯開、橋墩剪力龜裂傾斜破壞、鋼筋外露壓毀或折斷、鋼支承座傾到、橋塔底部混凝土龜裂剝落、斜張橋與鄰跨引橋銜接處之混凝土破損、盤式支承錯位壓潰、堤岸道路擋土墻崩塌、引道路面下陷及水壩壩體折斷毀損及崩裂等震害現(xiàn)象發(fā)生(14)。輕質(zhì)骨材混凝土由于具有質(zhì)量輕、強度高及耐久、耐震等特性，因此可使新建橋樑之橋面板細薄，橋柱細長，船只航行之凈空提高及跨距增長，使得橋樑工程能達到采用天然造型、堅固、穩(wěn)定、平衡、和諧與自然環(huán)境互相調(diào)和，工程規(guī)模大且美感，尤其斜張橋多樣化之設(shè)計所展現(xiàn)的新、奇、及美感更是使土木之美發(fā)揮至極點。尤其像九二一集集大地震橋樑發(fā)生剪力破壞的案例特別多，如果能使用耐震的輕質(zhì)骨材混凝土一定可以使災(zāi)害減至最低。表5為結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土在橋樑上之應(yīng)用性概述(4)。由以上可發(fā)現(xiàn)其橋樑應(yīng)用具有技術(shù)可行性及經(jīng)濟利益。尤其是具長跨度之懸臂連續(xù)樑及斜張橋樑之構(gòu)筑為未來交通建設(shè)之主流。因此橋樑工程師考量在耐震、安全、使用功能、經(jīng)濟、自然景觀與生態(tài)環(huán)境保護等諸多優(yōu)點，輕質(zhì)骨材混凝土將是一種優(yōu)生采用的重要材料。
    國內(nèi)發(fā)展輕質(zhì)骨材混凝土橋樑，由于已研發(fā)成功具有可利用之輕質(zhì)骨材，但普遍應(yīng)用必須再經(jīng)過一些測試，才能瞭解其真正之性能。因此在應(yīng)用輕質(zhì)混凝土于國內(nèi)之橋樑工程上應(yīng)可先作一個先導性橋樑，如同國內(nèi)曾引進預力橋一樣，可以充分瞭解其在實際工程上應(yīng)用具有可發(fā)揮其真正之優(yōu)特性，共同為提昇臺灣地區(qū)橋樑的技術(shù)水平而努力。

表5 結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土在橋樑上之應(yīng)用性(4)

五、結(jié)論與建議

    1.臺灣水庫淤泥非常適合製造輕質(zhì)骨材。
    2.水庫淤泥輕質(zhì)骨材具有相當?shù)慕?jīng)濟效益。
    3.水庫淤泥可再生利用為有用的骨材資源。
    4.目前已訂定相關(guān)標準規(guī)范供工程界應(yīng)用。
    5.水庫淤泥輕質(zhì)骨材及其混凝土之產(chǎn)製技術(shù)已開發(fā)成功轉(zhuǎn)移至產(chǎn)業(yè)界。
    6.建議透過宣傳推廣應(yīng)用以打開輕質(zhì)骨材混凝土的市場。
    7.建議串聯(lián)「研發(fā)，製造，生產(chǎn)，品保，運輸，行銷」，使得上游生產(chǎn)，中游製造，下游應(yīng)用行銷能無障得，而打開市場。
    8.政府需投資研究發(fā)展建立產(chǎn)官學間規(guī)范典章。
    9.本技術(shù)相當符合資源永續(xù)的精神，可達到綠色建材的目標。■

參考文獻