水库淤泥轻质骨材混凝土在桥樑及高楼绿建筑上推广应用

 
图1 淤泥1200℃高温烧结颗粒轻质骨材的比重比较

表1 轻质粗骨材及常重砂基本性质

表2 轻质骨材混凝土配比 

2.抗压强度发展
    如图5可知，由不同骨材密度比较显示，颗粒密度1.5g/cm3 的强度发展斜率较大，即密度大的轻质骨材可提供较大的强度发展，相对于颗粒密度0.7g/cm3，其颗粒强度甚低，在同样水泥浆质与量的配比中，在强度上比其它颗粒骨材密度大的相差很多，这应归咎于此类骨材强度甚低的缘故。

    图6为緻密配比及ACI 配比在不同水胶比的比较，緻密配比用水量固定150kg/m3，ACI配比为用水量为223 kg/m3。在緻密配比组别比较上，呈现水胶比越低，抗压强度越高，此与传统混凝土相同趋势，在不同配比比较上，由于ACI 配比使用较多的水泥浆量，因此，在相同的水胶比情况下，ACI 配比的抗压强度发展均高于緻密配比法所得之结果。

3.水泥强度效益
    图7为骨材颗粒密度1.1g/cm3 在水泥浆体的量对水泥效益的关係，在水泥浆(水胶比=0.32)情况下，以緻密配比的水泥强度效益均在0.1 MPa/kg/m3 之上，但在ACI 配比的用水量为223 kg/m3，其混凝土整体结构不是緻密配比，其水泥强度效益为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强度的，也可能是藉由细骨材与飞灰的緻密堆积特性来提高水泥的强度效益。

4.表面电阻量测
    图8为轻质骨材颗粒密度固定为1.1 g/cm3的轻质混凝土在98天龄期电阻值比较，其中緻密配比法者共有10 组，ACI 配比有3 组。显示緻密配比10 组中，固定拌和水量150kg/m3 情况下，水胶比愈低者，其电阻係数愈高，表示的混凝土的品质愈佳，这可由混凝土的抗压强度及超音波的数值上相互印证。在不同配比的比较上，緻密配比的10组其电阻值均在40~70K-cm 之间，较规范之建议值20K-cm 大，表示緻密配比组别的混凝土钢筋不易腐蚀。ACI 配比在拌和水量为223 kg/m3，水胶比同样为0.28、0.32、0.40下，其电阻值在11~12K-cm之间，电阻值明显偏低，都在标准值20K-cm 之下，表示其混凝土的品质较差，钢筋较易腐蚀，对钢筋混凝土耐久性极为不利。

5. 干缩
    图9为水胶比0.32，緻密配比用水量分别为140、150、及160kg/m3，ACI 配比的拌和水量为223 kg/m3 之轻质混凝土，在预养护28天后置于乾燥环境中，龄期与长度变化之关係。图中显示浸于水中的试体有持续膨胀现象，随著拌和水量增加而增加。当试体置于乾燥环境下，由于失水现象会立刻产生收缩，且同样地随著拌和水量增加，则长度亦随之增加。在固定水胶比下，随著拌和水量的增加，相对的也提高水泥浆量，水泥之钙钒石反应及其它水化物吸水反应，是造成混凝土膨胀的主因，而乾燥收缩则应以毛细管孔水失散为主，因此随著水泥浆量愈多，其乾燥收缩量也愈大。
6. 热传导
    轻质骨材颗粒密度愈低者，其内部的孔隙就愈多，热传导性就愈差，相对地热传导係数就愈低。在相同的水泥浆质与量时，颗粒密度1.5g/cm3的骨材，由于骨材本身内部孔隙较少，混凝土热传导係数值在0.56~0.65W/m℃之间；颗粒密度0.7g/cm3的骨材，由于骨材本身内部孔隙较多，混凝土热传导係数值在0.43~0.63W/m℃之间。所有配比的混凝土热传导係数，其值均在0.45~0.65W/m℃之间。Short and Kinniburgh曾指出不同轻质混凝土含水量的密度与热传导係数之关係(3)。如图10所示将不同轻质混凝土在大气中风乾密度的热传导係数标示图10上，显示其所有配比除有1 组的热传导係数较低外，其餘多落在此两趋势线的范围之内。

三、轻质骨材混在建筑物上之应用性

    表3列出结构轻质骨材混凝土在建筑物上之应用性(4)。整体上而言由于其质轻，故可减少地震力。而它具有热绝缘性可节省能源、耐火，及对天候有耐久性以及体积稳定性和实际施工性佳，其经济性及隔热节能评估已有一些学者进行过研究都相当肯定其应用推广供结构用(5-8)，以下就参考文献8摘要说明经济效益包括下列各子题：
(一)水库淤泥製造轻质骨材经济性分析
    水库淤泥製造轻质骨材，不仅可解决长久以来水库淤泥无处堆置及处理问题，更可将淤泥资源化成另一种新材料，符合「绿色」、「环保」、「再生利用」的目标，为属于「绿色材料」之一。因此，将「水库淤泥」製造处理成「轻质骨材」，已提供水库淤泥的「环境负担成本」的经济效益。目前由国外欧、美及大陆进口的骨材单价约为2000～5000 元/m3。经模拟在水库附近设置轻质骨材厂成本分析，可得到假设工厂生产量可达到360,000m3/年，则在10 年摊提所有生产设备、人员、租金、水电等费用下，轻质骨材成本为450 元/ m3。此一单价具有相当的竞争力。并规划政府在辅导业者生厂期间，支付淤泥处置成本费用在500～1000 元/ m3之间，经一段时间，业者已能具有获利下可将淤泥处置费用逐年下降，最终目标为政府不必负担淤泥处置费用，完全由业主自行吸收，此有助于减轻政府财政负担。因此经此分析后，可发现水库淤泥生产轻质骨材是具有经济性的。
(二)轻质RC 建筑物结构经济效益比较分析
    在地震带的台湾，传统常重RC 构造由于混凝土密度大，增加构造物自重，产生巨大的地震水平力。若采用高性能混凝土技术製造轻质骨材混凝土则可，同时具有强度高、工作性佳及耐久性的特性，可以解决以往所用使用的轻质混凝土其特性是工作性不佳、强度不足而无法使用于主要构件梁及柱的问题，透过ETABS电脑 结构程式，分析实际四栋建筑物案例使用轻质骨材混凝土可达到下列之经济效益：
         1.密度愈轻的轻质混凝土愈有利于版厚的缩减量，缩减率介于8～28%之间。
         2.在限制相同主钢筋量为标准，分析自重及外力减少情况下，密度1600kg/m3之轻质骨材混凝土可缩短梁柱断面积，平均达57%，而密度1800 kg/m3及2000kg/m3之轻质骨材混凝土可缩短梁柱断面积分别达到49%与45％左右，如图11所示。
         3.小梁柱仅考虑垂直静载重与活载重下，缩减量分别可达到37～54%之间。

表3　结构轻质混凝土在建筑物上之应用性(4)

         4.柱与墙断面的缩减，可增加楼地版的使用空间；梁与版断面的缩减，可提昇楼层净高度或增加楼层数。
         5.高性能轻质骨材混凝土具高流动、强度够及耐久性佳的特性，可解决梁柱接头处施工不易的问题。

(三)轻质RC 建筑物外壳耗能量比较分析
    民国84年内政部营建署公布建筑节能源法(9)，亦即建筑外壳耗能量的最高基准值(ENVLOAD)，目前有关建筑设计的审查已将”ENVLOAD”列为必要条件之一(10)。空调型建筑方面，选取4、14 及31层RC办公室建筑实例；在住宿类建筑方面选取2、14及31层RC住宅案例，分别采用常重RC及轻质RC进行分析计算，可得到如下之结论：
    1.地区建筑物无论空调型建筑或住宿型建筑，其耗能影响主要是建筑外壳之隔热性能及遮阳性能二大项目。
    2.空调型建筑2、14及31层建筑整体外壳耗能量ENVLOAD值，轻质RC外墙比常重RC外墙分别节省7%、12%及13%之效果。
    住宿型建筑2、14及31层建筑物隔热性能计算，比较其RC外墙及屋顶的平均热传透率之最高基准值Uaw及Uar 值，可发现轻质RC隔热性能较常重RC优越40%左右，如图12所示。

 (四)轻质RC 建筑物外界空调负载分析比较

    根据参考文献11说明计算3栋不同实际建筑案例的空调负载，假设条件为7月份的室外温度以35℃考虑，而室内温度维持在26.7℃，在考量不同建筑物的方位、风速、纬度、太阳入射角等，及仅考虑建筑外界日光所造成之空调负载，计算结果如图13所示，说明如下：
    1.物1案例，使用常重混凝土在正午、下午4 点及下午7点所需电力度数分别为9.86、14.95 及8.09 度，而使用轻质混凝土则分别为6.54、8.61 及2.7 度，因此，省电率可分别可省电33.7%、42.4%及66.6%。
    2.物2案例，在正午、下午4点及下午7点使用轻质混凝土之省电率分别为39.8%、

39%及66.8%。
    3.物3案例，在正午、下午4 点及下午7点使用轻质混凝土之省电率分别为45%、30%及87.4%。

(五)济性综合评估
    经济性综合评估显示骨材生产成本可控制在1000元/m3以下；高性能轻质骨材混凝土工程性质符合工程需求；针对三种楼层和二类用途分析，采用轻质混凝土后，结构樑柱断面可减少32%～50%范围，建筑物外壳耗能量(ENVLOAD)降低7%～13%，建筑物外界空调负载节省电力33%以上。证明利用水库淤泥製造轻质骨材及轻质混凝土，不管结构及耗能上均为经济可行，符合资源永续及绿色家园的国家政策，为一项突破性的绿色建材。研究根据过去进行轻质骨材混凝土的种种问题，经过以上分析，可获如表4 综合评估表，基本上评估使用轻质骨材混凝土于RC结构物上，由结构及耗能分析结果都显示具经济可行性。

表4 轻质骨材混凝土使用于RC结构物之经济性综合评估表

四、轻质骨材混凝土在桥樑上之应用

    1999年9月21日凌晨1点47分在集集发生芮氏规模7.1的大地震造成27座桥樑毁损、综合桥樑结构之震害主要发生之原因是，一般桥樑设计与一般房屋建筑设计在结构上有三个主要不同点。一为避免热涨冷缩的气温变化可能产生的应力应变而在沿著桥面轴向一定长度之处设有伸缩缝。以简支樑为例，其轴向仅由单一桥墩抵抗地震力，而侧向则由两个桥墩分担地震力。第二是因应桥下河川之流动及行车之需要，一般桥墩之断面均以沿桥轴方向较扁，而沿侧向则较长之设计方式，因此此轴向之耐震力较弱。而第三点则是沿桥轴向有呈现「弱柱强樑」之倾向。强震发生时，常会造成桥墩破坏，而对整座桥樑构成安全上之顾虑。桥樑在地震作用下，沿水平桥轴方向有向前后左右摆动与扭动现象，而地震力愈强之情况下，则其摆动量就愈厉害。桥樑结构体及其基础之作用力也就愈大，故其上部结构可能与摆动量较小的桥台在伸缩缝之处发生碰撞现象，因而导致桥樑之上部结构受损或产生落桥现象。桥柱及桥墩亦可能因其所承受之负荷超过其容许应力极限而受损或向侧向崩塌。
    由921震灾可发现有许多桥樑可能是因为其基础土层强度不足而使桥樑倾斜，移动甚至崩塌及全毁的现象。而土壤产生液化，导致桥樑破坏现象，则需对土壤可能发生液化之潜能进行评估。有些桥樑可能由于大樑支撑长度不足，当受到像此次地震的大震幅，则将导致桥面板连同大樑被震落。早期耐震设计观念係以结构物在设计载重下必须维持弹性行为。若考虑强裂地震之作用，则不仅设计断面不具经济性，且施工上亦有困难。接著有塑性设计观念，係利用结构物之非弹性变形以吸收地震之能量，虽然可以缩减结构体之断面尺寸，然而由震毁之桥樑案例可发现因桥墩产生挫屈及剪力破坏而崩塌之事实，可以判断桥墩之塑性尚未充分发挥。强震后必须对结构体上所发生的局部损伤进行一些维修与补强工作。如果能使用高性能轻质混凝土，则其自重可缩减三分之一，由于桥樑的设计水平地震力与其自重成正比，故地震力可相对地减小。另外其强度又可达到10,000psi之高强度，坍度也可达25公分以上，相信可以自行流动至密集之钢筋处充填而不需使用机械振动方式，如此混凝土设计与施工方式必定会在耐震效果发挥相当大的功效。
    挪威应用轻质骨材混凝土的十座桥樑是使用悬臂工法之预力箱型樑或浮桥及斜张桥建造的。而在基础方面则以双柱式加沉箱基础为主，或打钢管桩后再填充钢筋混凝土之摩擦桩为基础者。其选用LWC之理由可归纳如下(13)：
         1.造型美观、经济与节省重量耐久
         2.桥台之跨距可拉长，有利于航行与海洋牧场养殖
         3.可减少桥面板所需预力钢数量
         4.可解决跨度不对称现象，以结构体及地形景观美感各方面考量
         5.耐久性考量
         6.不需使用昂贵的施工鹰架，施工简便
         7.可节省桥墩基础施工费用
         8.缩小桥面版断面，使其具美观
         9.缩减打数量，降低打费用
         10.以美观、品质、经济及使用功能各方面之因素考量使用浮式桥及斜张桥
         11.可减轻桥面板之载重
   921集集大地震可以发现有桥面板樑落桥、樑身折断、樑端有剪力裂缝、混凝土剥落、桥面位移倾斜、帽樑断落、桥面龟裂、伸缩缝损坏、桥樑错开、桥墩剪力龟裂倾斜破坏、钢筋外露压毁或折断、钢支承座倾到、桥塔底部混凝土龟裂剥落、斜张桥与邻跨引桥衔接处之混凝土破损、盘式支承错位压溃、堤岸道路挡土墙崩塌、引道路面下陷及水坝坝体折断毁损及崩裂等震害现象发生(14)。轻质骨材混凝土由于具有质量轻、强度高及耐久、耐震等特性，因此可使新建桥樑之桥面板细薄，桥柱细长，船只航行之净空提高及跨距增长，使得桥樑工程能达到采用天然造型、坚固、稳定、平衡、和谐与自然环境互相调和，工程规模大且美感，尤其斜张桥多样化之设计所展现的新、奇、及美感更是使土木之美发挥至极点。尤其像九二一集集大地震桥樑发生剪力破坏的案例特别多，如果能使用耐震的轻质骨材混凝土一定可以使灾害减至最低。表5为结构轻质混凝土在桥樑上之应用性概述(4)。由以上可发现其桥樑应用具有技术可行性及经济利益。尤其是具长跨度之悬臂连续樑及斜张桥樑之构筑为未来交通建设之主流。因此桥樑工程师考量在耐震、安全、使用功能、经济、自然景观与生态环境保护等诸多优点，轻质骨材混凝土将是一种优生采用的重要材料。
    国内发展轻质骨材混凝土桥樑，由于已研发成功具有可利用之轻质骨材，但普遍应用必须再经过一些测试，才能瞭解其真正之性能。因此在应用轻质混凝土于国内之桥樑工程上应可先作一个先导性桥樑，如同国内曾引进预力桥一样，可以充分瞭解其在实际工程上应用具有可发挥其真正之优特性，共同为提昇台湾地区桥樑的技术水平而努力。

表5 结构轻质混凝土在桥樑上之应用性(4)

五、结论与建议

    1.台湾水库淤泥非常适合製造轻质骨材。
    2.水库淤泥轻质骨材具有相当的经济效益。
    3.水库淤泥可再生利用为有用的骨材资源。
    4.目前已订定相关标准规范供工程界应用。
    5.水库淤泥轻质骨材及其混凝土之产製技术已开发成功转移至产业界。
    6.建议透过宣传推广应用以打开轻质骨材混凝土的市场。
    7.建议串联「研发，製造，生产，品保，运输，行销」，使得上游生产，中游製造，下游应用行销能无障得，而打开市场。
    8.政府需投资研究发展建立产官学间规范典章。
    9.本技术相当符合资源永续的精神，可达到绿色建材的目标。■

参考文献