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1 台灣鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土 之應用案例及成效 張吉佐中興工程顧問公司協理兼地工部經理劉弘祥中興工程顧問公司地工部工程師 壹 前言 很早以前, 人類就有以纖維來改善建材力學行為之觀念 例如, 稻草加入泥漿中製成土磚為老舊農莊常見之建材 ; 而近代則有利用動物的毛髮或石棉加入灰泥中壓製成波浪板等, 均是以纖維加強材料的例子 自十九世紀以來, 混凝土於土木及建築工程中的使用量與日俱增, 時至今日已成為構築現代化社會不可或缺的工程材料 雖然混凝土作為工程材料有許多優點, 諸如耐壓能力高 現場製作容易 外觀多變化 經濟性高及耐久性佳等 但是, 混凝土亦有其缺點, 諸如低抗拉強度 低抗彎強度及低韌性等方面 雖然在結構設計中, 一般是不考慮混凝土的抗拉強度, 而以鋼筋承受拉力荷重 但是混凝土脆性與低抗拉強度等弱點仍會影響整體結構的韌性, 且亦會因拉力裂縫的產生而造成內部鋼筋加速腐蝕及混凝土品質劣化等問題 為改善傳統鋼筋混凝土的缺點, 工程界學者專家不斷地研究改善, 直至 1950 年美國首先於混凝土中加入鋼纖維材料, 才獲得相當滿意的成效 鋼纖維混凝土 (Steel Fiber Reinforced Concrete, 簡稱 SFRC) 及鋼纖維噴凝土 (Steel Fiber Reinforced Shotcrete, 簡稱 SFRS) 是一種新型噴 ( 混 ) 凝土材料, 係將不連續且細短的鋼纖維加入噴 ( 混 ) 凝土中, 並將鋼纖維均勻散佈於噴 ( 混 ) 凝土內, 使噴 ( 混 ) 凝土在承載外力時, 增強其抗拉 抗龜裂的能力 又因鋼纖維本身具有等向性, 能增進噴 ( 混 ) 凝土的抵抗破碎 剝落性質, 並具有相當的耐磨特性 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土係利用鋼纖維具備的高抗拉強度 高彈性模數及延展 1 H10-1

2 性, 以改善混凝 ( 噴 ) 土易脆及低抗拉強度等兩項缺點 並藉鋼纖維作為噴 ( 混 ) 凝土張力裂縫的阻止物, 阻礙張力裂縫在噴 ( 混 ) 凝土構造物內蔓延 故鋼纖維主要功用在於改變混凝土破壞模式 本文除了簡要說明鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土的力學特性及組成材料性質之外, 並列舉台灣鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土應用實例及展望, 以供相關工程參考 貳 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之力學特性一 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之破壞機制 : 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土破壞機制與鋼纖維含量 長寬比 (Aspect Ratio) 鋼纖維與水泥材料間握裹特性及鋼纖維排列方向有密切關係 鋼纖維與噴 ( 混 ) 凝土間之應力傳遞係藉著鋼纖維表面之剪應力與鋼纖維之拉應力, 如圖一 (a) 所示 噴 ( 混 ) 凝土破壞前, 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土所承受之拉力係由噴 ( 混 ) 凝土與鋼纖維共同負擔 ; 當噴 ( 混 ) 凝土開裂後, 外界作用力即由噴 ( 混 ) 凝土體經鋼纖維表面的剪力變形而傳遞至鄰近的鋼纖維上 當鋼纖維所受之拉應力大於鋼纖維臨界容許剪應力時, 此刻即有剝離 (Debonding) 現象產生, 鋼纖維即被拉脫 (Pullout), 如圖一 (b) 所示 為了確保最低之拉脫抗力, 除了使鋼纖維長度大於其臨界長度 (Critical Length) 外, 還可增加鋼纖維表面積或表面摩擦阻抗係數 此外, 當噴 ( 混 ) 凝土破裂後, 鋼纖維受拉過長時, 因包生比作用致其側向體積收縮導致握裹力減少亦會加速拉脫破壞, 如圖一 (b) 所示 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之另一種破壞機制為噴 ( 混 ) 凝土破裂後, 由於鋼纖維含量少於臨界鋼纖維體積 (Critical Steel Fiber Volume) 而導致鋼纖維遭受拉斷破壞, 如圖一 (c) 所示 此種破壞現象發生時, 鋼纖維之拉應力雖低於臨界容許剪力強度, 但卻超過鋼纖維之抗拉強度 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之鋼纖維亦可因剪力作用而破壞, 如圖一 (d) 所示 此因鋼纖維之長寬比甚大, 其抗剪面積小, 對改善噴 ( 混 ) 凝土抗剪能力之貢獻不大 1,2 二 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之韌性特性 : 鋼纖維加入噴 ( 混 ) 凝土材料中, 可改善混凝土甚多之工程性質, 如表一所示 3~6 從表中可以看出該材料之優越性, 尤其在抗彎強度 韌性 疲勞壽 2 H10-2

3 命 抗衝擊力及抗震能力上, 更是表現的相當突出 圖一 鋼鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之破壞模式 表一鋼纖維混凝土與傳統混凝土工程性質之比較 項目 工程特性 傳統混凝土 鋼纖維混凝土 1 抗壓強度 1 1~1.3 2 抗拉強度 1 1.5~1.8 3 初始裂縫強度 1 1.5~2.0 4 抗彎強度 1 2~3 5 剪力強度 1 4~6 6 抗疲勞強度 1 1.4~2.0 7 抗扭強度 1 1.5~2.0 8 磨耗阻力 防滑及轉動阻力 韌性 1 70~ 疲勞壽命 抗衝擊力 抗震能力 潛變 凍融阻力 1 優於傳統混凝土 本文限於篇幅, 僅將鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土的韌性特性說明如下 : 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土條型試體受三點撓曲載重時, 其載重與變位之關係, 如圖二所示 7 A 點以前鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土與傳統噴 ( 混 ) 凝土相同約呈一直 3 H10-3

4 線, 到了 A 點即裂縫形成點, 傳統噴 ( 混 ) 凝土稱 A 點為破裂強度 (Strength of Rupture), 隨即破裂而完全喪失強度 ; 但是鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土稱 A 點為初裂強度 (First Crack Strength), 其噴 ( 混 ) 凝土體開裂後, 載重即轉由跨越 (Bridging) 裂縫之鋼纖維承擔, 其承受應力大小由鋼纖維強度及鋼纖維與水泥界面剪力支配 ; 當噴 ( 混 ) 凝土體繼續開裂, 此時則有不少鋼纖維與噴 ( 混 ) 凝土體剝離及拉脫發生, 到了 A 點即表示材料的最高極限載重, 部份鋼纖維被拉斷或剪斷, 此情形視鋼纖維的體積含量及幾何形狀而定 超過 A 點, 則外作用力遠超過鋼纖維與混凝土間之結合力, 此時鋼纖維將以很快的速率被拉脫, 終至破壞 由圖二亦可看出, 由於鋼纖維之作用, 使得噴 ( 混 ) 凝土之韌性 (Toughness) 亦即載重一變位曲線所圍成之面積, 由 O AB 增至 O AGH, 故鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土在拉脫等破壞前可吸收甚多的能量, 因而適用於耐震 耐衝擊 甚至耐爆震之結構 一般可以韌性指數 I5 I10 及 I20 評估鋼纖維噴凝土之韌性 (I5 I10 及 I20 之意義, 請參閱圖二 ) 國內工程一般韌性指數要求最小為 I5=4,I10=6 及 I20=10 8 (a) 上凹曲線至初裂點 (b) 上凸曲線至初裂點 圖二 承受三點載重梁之載重與變位關係圖 參 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之組成材料性質與施工配比 影響鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土品質之因素極多 : 包括組成材料 施工配比 岩盤性質 工作面情形 操作人員技術之良窳及施工方式等 本章僅對組成材料與施工配比分別說明如下 : 4 H10-4

5 一 水泥 : 所用水泥一般為卜特蘭第一型普通水泥, 其品質應符合 CNS61( 卜特蘭水泥 ) 之規定, 但因鋼纖維混凝土所用水泥較傳統混凝土為多, 為避免水化熱過高而產生乾縮裂縫影響結構之壽命, 宜使用水化熱較低之第二型改良水泥或第五型抗硫水泥 若鋼纖維噴凝土在施噴後需要早期強度或隧道遭遇湧水時, 則可使用第三型早強水泥或添加速凝劑以防止脫落 二 骨材 : 骨材之品質須符合 CNS1240( 混凝土粒料 ) 之規定 為防止結構物中的鋼纖維腐蝕, 粒料中氯離子含量應符合 CNS13407( 細粒料中水溶性氯離子含量試驗法 ) 之規定 骨材粒徑與鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之材料分離及鋼纖維成團現象有相當大的關係 因骨材佔據混凝土的空間, 而鋼纖維又不能穿越骨材, 故愈大的骨材將使鋼纖維愈受排擠, 而提高了單位體積的鋼纖維數量, 甚至使鋼纖維發生成團現象 相對的, 因鋼纖維之成團而造成粗骨材的排擠, 而使得材料分離 因此為避免上述兩種不良情形發生, 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土最好採用富配比及最大粒徑較小之骨材, 如圖三所示 2 一般而言, 鋼纖維混凝土之粗骨材最大粒徑為 19mm, 惟為達到高性能鋼纖維混凝土的流動性, 其粗骨材最大粒徑宜採用 9.5mm~12.7mm, 細骨材之細度模數 FM 宜採用 2.3~3.1 而鋼纖維噴凝土之粗骨材最大粒徑宜採用 12.7mm, 其反彈量較少且較不易塞管, 細骨材之細度模數 FM 宜採用 2.5~3.3 三 水 : 圖三 不同粒徑骨材對鋼纖維分佈之影響 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土用水, 只要符合 CNS1237( 混凝土拌合用水 ) 之規定, 一般 5 H10-5

6 使用自來水即可 ; 地下水及預拌廠的回收水, 若經檢驗證明其拌合試體之 7 天及 28 天抗壓強度達蒸餾水拌合試體抗壓強度 90% 以上, 且凝結時間與控制試體凝結時間差異不早於 1 小時及晚於 1.5 小時, 則可使用 四 鋼纖維 : 早期之圓形鋼纖維是由具均勻斷面的平滑高張力鋼絲製成, 為了改善其與噴 ( 混 ) 凝土體間的握裹特性, 以及提高鋼纖維在噴 ( 混 ) 凝土中的分散能力, 近年來甚多研究致力於改變鋼纖維外形, 以求得最佳之效果, 例如將鋼纖維平滑表面改成不規則表面 將端點放大 將端點作成彎折狀或將外形作成波浪狀等, 其目的是藉著機械互鎖作用而提高鋼纖維與噴 ( 混 ) 凝土體間的握裹效果, 而提高其拉拔抗力, 如照片一所示 鋼纖維之品質應符合 CNS ( 纖維混凝土用鋼纖維 ) 之規定, 依據不同之產品來源, 鋼纖維分為下列四類 9 : 照片一 各種外形之鋼纖維 1. 第一類 : 冷拉鋼線鋼纖維 ; 2. 第二類 : 裁切鋼片鋼纖維 ; 3. 第三類 : 熔抽鋼纖維 ; 4. 第四類 : 其他可隨機均勻分散於混凝土中之鋼纖維 6 H10-6

7 鋼纖維的材質須滿足抗拉強度大於 3520 kg/cm2 為證明鋼纖維的延展性, 可進行彎曲試驗 : 於 16 以上溫度, 將鋼纖維繞成 3.18 mm 內徑, 彎曲達 90 時不得破裂 鋼纖維型式之選擇與使用應考慮下列因素 :1. 長度 ;2. 直徑 ;3. 使用量 ;4. 與噴 ( 混 ) 凝土之握裹力 ;5. 拌和難易性 ;6. 長徑比 l/d 值 ; 及 7. 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土的抗彎強度與韌性等 10 國內鋼纖維混凝土中常用鋼纖維尺寸為長度 13~64mm, 等值直徑 0.25~0.76mm, 而鋼纖維噴凝土中常用鋼纖維尺寸為長度 25~30mm, 等值直徑 0.4~0.5mm 五 卜作嵐細粉 : 一般將飛灰 爐石粉及矽灰通稱為卜作嵐細粉 (Pozzolans), 其泛指在一般溫度下, 能與氫氧化鈣反應並能生成具膠結性 (Cementitous Property)C-S-H 之物質, 其反應式可表示為 : Pozzolans + CH - + aq C - S - H 由上式可知 : 由於卜作嵐反應直接消耗易溶於水之 CH - ( 即 Ca(OH)2) 而增加 C-S-H 膠體之含量, 此膠體係水泥硬固後產生強度之主因 所以卜作嵐反應會使影響界面性質的重要物質 CH - 晶體大幅減少, 同時其生成物 C-S-H 膠體也具有充填孔隙的功效, 增加骨材與水泥漿間轉換區的緻密性 1. 飛灰飛灰的主要成份為矽酸鹽及鋁酸鹽, 在常溫有水的環境中, 能與氫氧化鈣反應, 生成化學性質穩定且具有膠結性的矽酸鈣水化產物, 故鋼纖維混凝土中摻用飛灰不僅可降低水化熱, 提高晚期強度, 抗硫酸鹽侵蝕, 抑制鹼骨材反應及改善工作性 但是, 由於 F 級飛灰一般僅含低於 10% 之氧化鈣, 只能產生卜作嵐反應, 因而影響含 F 級飛灰之鋼纖維混凝土早期強度發展 ( 若規範要求鋼纖維噴凝土需有早期強度, 則飛灰不可用於鋼纖維噴凝土中 ), 一般 F 級飛灰替代水泥百分比為 10~25% 飛灰之品質應符合 CNS11271( 卜特蘭飛灰水泥用飛灰 ) 或 CNS3036( 卜特蘭水泥混凝土用飛灰及天然或鍛燒卜作嵐摻和物 ) 之規定 2. 爐石粉因爐石粉具有膠結性, 可取代水泥用量而減少材料成本, 並且爐石粉的顆粒較水泥為細, 易填充水泥水化物之孔隙 另外爐石粉會與氫氧化鈣起卜作嵐反應產生膠結作用, 對鋼纖維混凝土的晚期強度及耐久性有增強效果 又爐石 7 H10-7

8 粉的細粒性質及保水性差, 雖會增加鋼纖維混凝土之流動性, 但偶而會發生泌水現象, 也會使鋼纖維混凝土早期強度成長較慢, 所以必須在水中或潮濕環境中養護, 晚期強度才會高 11 爐石粉之品質應符合 CNS 12549( 混凝土及水泥墁料用水淬高爐爐碴粉 ) 之規定 3. 矽灰矽灰 (Silica Fume) 為製造矽元素或矽鋼合金之副產品, 係將石灰 煤 焦炭與木屑在電弧爐中加熱至 2000, 再經過濃縮與過濾而得 矽灰具有非結晶狀球體構造, 體積比水泥顆粒小約 100 倍 ( 未經壓縮狀態之單位重約 0.2 t/m 3, 壓縮狀態之單位重約 0.6 t/m 3 ), 故可通過 #325 篩之重量百分比大於 90% 其化學成份 85% 以上為 SiO2, 燒失量小於 6%, 具有膠凝作用, 與水泥混合 7 天後之加速膠凝作用指標大於 85% 其品質應符合 ASTM C 之規定 未經壓縮之矽灰較能表現其優越特性, 惟需注意矽灰與其他材料送入拌合鼓之拌合次序 矽灰摻入鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土中, 其主要功能有下列三項 10 : a. 矽灰可均勻地分散在水泥顆粒之間, 故為優良的填充物, 能增進鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土表面的光滑程度 另矽灰與噴 ( 混 ) 凝土中的氫氧化鈣發生作用而產生矽酸鈣, 可以增加鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土的強度 b. 矽灰可使水泥漿成黏稠狀態, 降低材料析離及水泥粒料損失, 致能降低完工後水份滲透性及減少施工中噴凝土反彈率 c. 矽灰與減水劑及強塑劑一起作用, 可減少鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土的用水量, 並且具有潤滑的功能, 降低骨材間的摩擦力, 提高工作性 六 附加劑 : 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土較常使用附加劑為強塑劑 (Superplasticizer), 而鋼纖維噴凝土為達速凝要求, 須再添加速凝劑 (Accelators), 分別說明如下 : 1. 強塑劑強塑劑是一種能分散水泥絮團, 而使其間之禁閉自由水被打開的高性能減水劑 強塑劑可分成四類, 即 (1) 磺酸鹽甲醛縮合物, 簡稱 N.S.;(2) 密胺磺酸鹽甲醛縮合物, 簡稱 M.S.;(3) 改良型木質素磺酸鹽, 簡稱 L.S.; 及 (4) 其他 根據試驗可知 12 含有 N.S. 之水泥漿的流動值高於其他類型, 係一種改善鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土流動性最有效的添加劑, 且不會延遲鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土的凝結時間 強塑劑之品質應符合 CNS12283( 混凝土化學摻料 )F 型之規定, 惟在夏天 8 H10-8

9 泵送鋼纖維混凝土時要使混凝土緩凝時, 可使用 G 型高性能減水緩凝劑 液態強塑劑中所含的水份, 應為拌合水之一部份, 在配比設計時需調整用水量 強塑劑之功能如下 : a. 做為減水劑 : 於相同工作度下, 加入強塑劑可減低水灰比達 30~40%, 水分減少可使鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土強度提高, 並改善表面性質 b. 增加流動性 : 可用適量強塑劑配比以控制鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土的坍度, 使於低水灰比之下仍具有高工作性 c. 維持適當坍度 : 於鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土施工過程, 若因外在因素延遲送抵現場或因氣溫太高而損失坍度時, 可直接加入強塑劑, 以維持適當工作性 d. 改善品質 : 添加強塑劑可增進工作性, 卻無泌水及析離現象發生, 可改善鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之均勻性及防水性 2. 速凝劑速凝劑一般可區分為粉狀及液狀, 粉狀依製造成份及製程不同區分為化學系及水泥系, 液狀也可概分為水玻璃系 鋁酸鹽系及有機系 其中化學系速凝劑是由鋁酸鈉 碳酸鈉 生石灰及其他助劑按比例拌合而成 雖然它已被工程界普遍使用數十年, 但它有甚多缺點, 因此新近開發的水泥系速凝劑將改善化學系速凝劑缺點並取而代之 水泥系速凝劑是將鋁礬土 石灰石等礦物以製造水泥的方式及流程鍛燒而成 由於此種速凝劑之生產與水泥一樣, 採燒結方式製造, 細度也與水泥相似, 故品質相當穩定 此種速凝劑之優點如下 13 : a. 鹼度低約為 PH10~11, 無毒, 無氣味, 不會灼傷皮膚, 不會剌激眼睛和呼吸器官, 對鋼纖維亦不會腐蝕 b. 黏稠性能好, 反彈量低, 具有良好的抑制灰塵功能 c. 屬於鋁酸鈣系水泥, 晚期強度的衰減較少, 一般約在 20% 以內, 甚至可不減反增 d. 生產流程與水泥相同, 若能達到經濟規模, 成本較化學系者便宜 粉狀速凝劑一般添加量為水泥用量之 2~5%, 液狀速凝劑為水泥用量之 3~6%, 實際使用量與水泥品質有關, 須於現場試驗後決定 其品質須符合下列規定 : a. 速凝劑如含有氯化物, 其含量不得超過速凝劑重量之 1% b. 若速凝劑添加量低於水泥用量之 4.5% 條件下, 應滿足 Huber Test 初凝時間 75 秒以內, 終凝 150 秒以內 9 H10-9

10 七 鋼纖維混凝土配比設計 : 鋼纖維混凝土與一般常重混凝土之配比設計方法相同 故配比設計的基本考慮就是按照結構要求 使用環境及施工條件, 算出能滿足強度 耐久性 工作性 經濟性和環保性要求之每立方鋼纖維混凝土的原材料用量 ACI 規範列出典型配比如表二所示 14 表二 典型常重鋼纖維混凝土配比 粒 料 類 別 材 料 粒料最大尺寸 3/8 (9.5mm) 粒料最大尺寸 3/4 (19mm) 粒料最大尺寸 1 1/2 (38mm) 水泥,kg/m 3 356~ ~ ~415 水灰比,W/C,% 0.35~ ~ ~0.55 用砂率,S/A,% 45~60 45~55 40~55 輸氣劑含氣量,% 4~8 4~6 4~5 變形鋼纖維含量 ( 體積比,%) 0.4~ ~ ~0.7 光滑鋼纖維含量 ( 體積比,%) 0.8~ ~ ~1.4 註 :1. 1% 鋼纖維體積比 =78.5kg/m 3 2. 本表未列出卜作嵐細粉及附加劑等摻料比例, 使用者可依需要適量添 加 八鋼纖維噴凝土配比設計 : 鋼纖維噴凝土之配比設計目前並無理論依據 可先行研討影響配比之因素後, 參考同類構造物之施工先例, 並依照施工地點附近之材料品質作初步設計, 再經現場試噴及試驗作適當修正後求得最適當之施工配比 一般鋼纖維噴凝土常用的配比設計如下 15 : 1. 骨材採用 ACI506R-90 表 2.1 級配 ; 2. 水泥使用量為每立方公尺 350~480 公斤 ; 3. 乾式水灰比為 0.3~0.4, 濕式水灰比為 0.4~0.5; 4. 坍度為 7.5 公分 ±2.5 公分 ; 5. 鋼纖維使用量為每立方公尺 45~80 公斤, 鋼纖維長度與等值直徑比值為 50~ 10 H10-10

11 70; 6. 矽灰使用量為水泥重之 8~13%; 7. 速凝劑使用量粉質者為水泥重之 2~4%, 液體者為水泥重之 5%; 8. 強塑劑使用量為每 100 公斤水泥採用 1.0~1.5 公升 ; 9. 減水劑使用量為每 100 公斤水泥採用 0.5 公升 ACI 規範列出典型配比如表三所示 16 表三 典型鋼纖維噴凝土配比 材 料 粒料類別細粒料拌合 3/8 (9.5mm) 粒料 水泥,kg/m 3 446~ 細粒料,kg/m 3 ( 最大粒徑 6.35mm) 1679~ ~697 粗粒料,kg/m 3 ( 最大粒徑 9.5mm) - 700~875 鋼纖維,kg/m 3 39~157 39~150 速凝劑 變化 變化 水灰比 0.40~ ~0.45 註 : 本表未列出卜作嵐細粉及附加劑等摻料比例, 使用者 可依需要適量添加 肆 鋼纖維噴凝土之施工案例 本章僅以台灣鋼纖維噴凝土較著名案例, 就其設計要求 配比合設計及施工成果作扼要說明如下 : 一 明潭地下廠房及變壓器室 : 明潭地下廠房 ( 長 158.4m 寬 22.4m 及高 46.5m) 及變壓器室 ( 長 169m 寬 12m 及高 18m) 形狀均為倒 D 型, 位於地表下約 300 公尺處 廠房及變壓器室之岩盤由砂岩 粉砂岩及砂頁岩互層所組成, 岩質屬佳至極差 本案係國內地下 11 H10-11

12 廠房採用半剛性支撐之首例, 而鋼纖維噴凝土亦是首次使用之支撐材料 明潭地下廠房及變壓器室鋼纖維噴凝土厚度..頂拱為 15-20cm, 每層厚度 5cm( 若斷層及破碎帶前二層施噴 7.5cm 厚 ), 最後一層係於整個廠房頂拱開挖完成後整體一次施噴完成, 側壁施噴厚度為 5-20cm 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 22 : 1. 水泥 :450kg,CNS61 第一型 2. 水 :198kg 3. 細粒料 :1159kg, 料源為清水溪 4. 粗粒料 :497kg, 最大粒徑 12.7mm, 料源為清水溪 5. 鋼纖維 :60kg,CNS12892 第一類, 長度 30mm, 直徑 0.5mm, 兩端彎折狀 6. 矽灰 :45kg,ASTM C 速凝劑 :22.5kg, 液態 8. 減水劑 :0.9kg,CNS12283 第 A 型 9. 強塑劑 :9kg,CNS12283 第 F 型 10. 坍度 :6-8cm 經試噴結果統計,7 天方塊試體平均抗壓強度為 349kg/cm 2, 抗彎強度為 65kg/cm 2, 韌性指數 I5 及 I10 分別為 5.5 及 8.9 採用濕拌法及機械臂施噴, 反彈率約為 19% 廠房及變壓器室另有預力鋼腱及岩栓作支撐 二 新天輪地下廠房及變壓器室 : 新天輪地下廠房 ( 長 41.8m 寬 22.6m 及高 41.3m) 及變壓器室 ( 長 11m 寬 21.8m 及高 16.4m) 形狀均為倒 D 型, 位於地表下約 150m 處 廠房及變壓器室之岩盤由砂岩 硬頁岩互層所組成, 岩質尚佳 鋼纖維噴凝土設計厚度頂拱為 12cm, 側壁為 8cm 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 23 : 1. 水泥 :430kg,CNS61 第一型 2. 水 :212kg 3. 細粒料 :1068kg, 料源為濁水溪 4. 粗粒料 :577kg, 最大粒徑 12.7mm, 料源為大甲溪 5. 鋼纖維 :60kg,CNS12892 第一類, 長度 30mm, 直徑 0.5mm, 兩端彎折狀 6. 矽灰 :43kg,ASTM C 速凝劑 :17.2kg, 液態 12 H10-12

13 8. 減水劑 :0.86kg,CNS12283 第 A 型 9. 強塑劑 :8.6kg,CNS12283 第 F 型 10. 坍度 :7cm 經試噴結果統計,7 天方塊試體平均抗壓強度為 331kg/cm 2, 抗彎強度為 55.8kg/cm 2, 韌性指數 I5 及 I10 分別為 4.1 及 7.9 採用濕拌法施噴 廠房及變壓器室另有預力鋼腱及岩栓作支撐 三 鯉魚潭士林地下廠房 : 鯉魚潭士林地下廠房 ( 長 51.6m 寬 16.4m 及高 36.85m) 形狀為倒 D 型, 位於地表下約 150m 處 廠房之岩盤由厚層砂岩 泥質砂岩及粉砂岩互層所組成, 岩質膠結不佳 鋼纖維噴凝土設計厚度..頂拱為 15-20cm, 側壁為 5-10cm 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 24 : 1. 水泥 :450kg,CNS61 第一型 2. 水 :218kg 3. 細粒料 :1090kg, 料源為大安溪 4. 粗粒料 :468kg, 最大粒徑 12.7mm, 料源為大安溪 5. 鋼纖維 :60kg,CNS 第一類, 長度 30mm, 直徑 0.5mm, 兩端彎折狀 6. 矽灰 :23kg,ASTM C 速凝劑 :18kg, 液態 8. 減水劑 :5.4kg,CNS12283 第 A 型 9. 強塑劑 :5.4kg,CNS12283 第 F 型 10. 坍度 :8cm 經試噴結果統計,28 天方塊試體平均抗壓強度為 391kg/cm 2, 抗彎強度為 76.7kg/cm 2, 韌性指數 I5 及 I10 分別為 4 及 6 以上 採用濕拌法施噴 廠房另有預力鋼腱及岩栓作支撐 四 中二高蘭潭隧道 : 蘭潭隧道位於嘉義市仁義潭與蘭潭兩水庫間之雙孔各三車道之高速公路隧道, 各孔之長 寬及高分別約為 1.2km 17m 及 12.6m, 開挖斷面積約 172m 2, 兩孔中心間距約 40m 全線地質可歸類為軟弱泥岩 膠結疏鬆砂層及砂泥岩互層, 覆蓋深度約為 35-80m, 地下水位線高於隧道頂拱約為 10-20m 鋼纖維噴凝土設 13 H10-13

14 計厚度..頂拱及側壁為 30cm, 仰拱為 25cm 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 25 : 1. 水泥 :440kg,CNS61 第一型 2. 水 :207kg 3. 細粒料 :1031kg, 細度 2.4, 料源為濁水溪 4. 粗粒料 :566kg, 最大粒徑 12.7mm, 料源為濁水溪 5. 鋼纖維 :55kg,CNS12892 第一類, 長度 30mm, 直徑 0.5mm, 兩端彎折狀 6. 矽灰 :40kg,ASTM C 速凝劑 :8.8kg, 液態 8. 強塑劑 :6.6kg,CNS12283 第 F 型 9. 坍度 :12cm 經試噴結果統計,7 天圓柱試體平均抗壓強度為 479kg/cm 2, 抗彎強度為 74.9kg/cm 2, 韌性指數 I5 I10 及 I20 分別為 及 18.2 採用濕拌法及機械臂施噴 隧道另有岩栓 桁型鋼支保及管冪鋼管等作支撐 五 北迴鐵路新南澳隧道 : 新南澳隧道位於宜蘭縣蘇澳鎮境內, 北迴鐵路東澳至南澳站間, 緊臨原北迴線南澳隧道東側闢建, 全長計 5340m, 淨高 RL 起 5.5m, 開挖斷面積約 40m 2, 是東改計畫北迴雙線工程中第二長大隧道工程 全線地層以大南澳片岩為主, 山麓邊緣及低地則為沖積層及崖錐崩積層 鋼纖維噴凝土設計厚度依據岩體分類區分為 8cm 12cm 及 16cm, 為原設計一般噴凝土厚度之 80%, 並且免鋪設鋼線網 鋼纖維噴凝土 28 天圓柱試體設計強度為 250 kg/ cm 2, 配比強度為 kg/cm 2 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 26 : 1. 水泥 :400kg,CNS61 第一型 2. 水 :216kg 3. 細粒料 :935kg, 細度 2.75, 料源為和平溪 4. 粗粒料 :757kg, 最大粒徑 12.7mm, 料源為和平溪 5. 鋼纖維 :60kg,CNS12892 第一類, 長度 30mm, 直徑 0.5mm, 兩端彎折狀 6. 矽灰 :40kg,ASTM C 速凝劑 :15.4kg, 粉態 8. 減水劑 :1.76kg,CNS12283 第 A 型 14 H10-14

15 9. 坍度 :15 cm±2cm 經試噴結果統計,28 天圓柱試體平均抗壓強度為 294kg/cm 2, 抗彎強度為 65.6kg/cm 2 採用濕拌法及機械臂施噴 隧道另有岩栓及 H 型鋼支保等作支撐 伍 鋼纖維混凝土之施工案例 本章僅以台灣鋼纖維混凝土較著名案例, 就其設計要求 配比設計及施工成果作扼要說明如下 : 一 新竹機場跑道新建工程 : 由於飛機著陸時機場跑道承受著衝擊載重, 另外飛機起降時又承受相當快速的動力載重, 所以機場跑道使用鋼纖維混凝土是相當適合的一種材料 根據規範的要求最重要的有兩點 :(1)28 天抗彎強度需在 60kg/cm 2 以上,28 天抗壓強度需在 422kg/cm 2 以上 ;(2) 不能有縮裂的情形發生 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 17 : 1. 水泥 :385kg,CNS61 第二型 2. 飛灰 :100kg,CNS3036 第 F 類 3. 水 :185kg 4. 細粒料 :826kg 5. 粗粒料 :762kg, 最大粒徑 19mm 6. 鋼纖維 :60kg, CNS12892 第一類, 長度 50.8mm, 寬度 0.76mm, 厚度 0.38mm, 波浪狀 7. 減水緩凝劑 :1.45kg,CNS12283 第 D 型, 其用量可因混凝土的溫度而調整 8. 坍度 :7.5cm±2cm, 使用傾卸車送達工地後維持在 5~8cm 之間 9. 混凝土溫度 : 拌合用水以冷卻水塔降低溫度, 水溫維持在 4 ~8 之間, 拌和結果混凝土溫度在 14 ~24 之間 為了使本工程鋼纖維混凝土跑道獲得良好養護, 除了採用 ASTM C309 Type I 養護劑噴灑外, 並另加蓋粗麻布袋澆水濕潤 為了減少鋸縫時鋼纖維拉壞邊角, 在鋼纖維混凝土正式舖築前另外擇地先行試舖, 以求出最適當的鋸縫時間 15 H10-15

16 二 建安機場跑道新建工程 : 考慮飛機降落時的衝擊載重及起降時的動力載重特別大的因素, 本工程於跑道前後兩端各 600 公尺舖設鋼纖維混凝土, 以加強混凝土抗拉 抗彎 抗衝擊及抗疲乏等能力 根據規範的要求,28 天設計抗彎強度為 60kg/cm 2,90 天設計抗彎強度為 63kg/cm 2 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 18 : 1. 水泥 :400kg,CNS61 第二型 2. 水 :172kg 3. 細粒料 :937kg 4. 粗粒料 :865kg, 最大粒徑 19mm 5. 鋼纖維 :50kg,CNS12892, 第一類, 長度 60mm, 直徑 0.8mm, 兩端彎折狀 6. 減水緩凝劑 :1kg,CNS12283 第 D 型 7. 坍度 :5cm 以下, 以傾卸車運送至工地, 傾倒後以挖土機初步舖平 8. 混凝土溫度 : 拌合用水以冷卻水塔降低溫度, 水溫維持 4 以下, 拌合結果混凝土溫度在 31 以下 施工過程係以振動棒以每間隔 50cm 振動一處, 逐次振動至表面稍有浮水或氣泡產生即可, 並以整平機將表面刮平 當表面水光澤消失時再以鏝刀壓實鏝平, 如此可增加鋼纖維混凝土的水密性, 並確實使鋼纖維埋入混凝土中, 避免曝露現象發生 接著再以一般剛性路面施工步驟進行刷紋 養護及澆置後 7 小時鋸縫 本工程舖面分塊尺寸為 7.5m x 7.5m 三 中正機場跑道整修工程 : 中正機場跑道整修工程基於早日開放飛航的要求, 乃決定使用鋼纖維混凝土作為整修材料, 並由試驗室試配結果擬定開放飛航時間, 皆是本項工程之創舉 經配比設計結果, 其中較佳之每 m 3 的配比如下 19 : 1. 水泥 :340kg,CNS61 第二型 2. 水 :190kg 3. 細粒料 :794kg, 料源為濁水溪 4. 粗細料 :971kg, 最大粒徑 25mm, 料源為大安溪 5. 鋼纖維 :40kg, CNS12892 第一類, 長度 50.8mm, 寬度 0.76mm, 厚度 0.38mm, 波浪狀 16 H10-16

17 6. 坍度 :7.5cm 經由配比設計試驗報告顯示, 抗彎強度試驗值在 14 天材齡時已達到設計要求 46kg/cm 2 的 1.26 倍, 故建議施工後 14 天即可開放飛航 於工地實地澆置時, 根據試體壓驗結果, 決定於澆置鋼纖維混凝土後 12 天開放飛航, 較原訂計畫還要提早 2 天 本整修工程舖面分塊尺寸為 6m x 7m, 版塊厚度於跑道兩端為 41cm, 於跑道中央部份為 38cm, 共計 40 塊 四 中山高泰山收費站整修工程 : 由於高速公路常年交通量過大, 且常有超載情形發生, 尤其是位在緩坡面上收費站之路面所受衝擊更大, 以致收費站之混凝土路面經常破損, 為改善混凝土路面的耐衝擊能力, 且儘量減少交通封閉時間的前提下, 業主選擇一塊範圍 1000cm x 400cmx22cm 試舖鋼纖維混凝土路面 根據規範的要求,28 天設計抗壓強度為 316kg/cm 2, 抗彎強度為 56kg/cm 2, 韌性指數 I5 I10 及 I20 分別為 4 8 及 12 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 20 : 1. 水泥 :731kg, 急結型 2. 水 :205kg, 加冰塊冷卻 3. 細粒料 :732kg 4. 粗粒料 :732kg, 最大粒徑 19mm 5. 鋼纖維 :50kg,CNS12892 第一類, 長度 50mm, 直徑 1mm, 兩端彎折狀 6. 坍度 :7cm 以下 經現場澆置 4 小時後即開放車輛通行, 因此非常適合緊急舖築工程 通車使用至今尚未發現裂縫發生 五 預力鋼纖維混凝土軌枕 : 中鋼公司於廠區內舖設 14 公里的重型鐵軌, 供載運鐵水的角雷車通行, 由於單一車廂載重達 576 公噸, 平均軸重達 48 公噸, 是國內載重最大的鐵軌 原採用傳統木枕為軌枕, 但木材取得日益困難, 且壽命只有二至三年, 造成維修成本大幅升高, 於是研製預力鋼纖維混凝土軌枕之可行性 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 21 : 1. 水泥 :417.92kg, 台泥 IS 型含有 5% 爐石 2. 水 :146.31kg 17 H10-17

18 3. 細粒料 :839.57kg, 細度模數 2.41, 料源為大漢溪 4. 粗粒料 :923.53kg, 最大粒徑 19 mm, 料源為大漢溪 5. 鋼纖維 :58.88kg,CNS12892 第一類, 長度 60mm, 直徑 0.8mm, 兩端彎折狀 6. 爐石粉 :83.96kg, 中鋼水淬爐石粉 7. 強塑劑 :7.31kg,CNS12283 第 G 型 鋼纖維混凝土試體 28 天平均抗壓強度可達 kg/cm 2, 抗彎強度可達 83.49kg/cm 2, 在 Pmax=1.5P 反覆載重下, 爐石鋼纖維 PC 軌枕承受 300 萬次循環後, 殘餘勁度仍約有 80% 目前台鐵及台北捷運已有部份改用預力鋼纖維混凝土軌枕 本軌枕另有 4 支 ψ15mm 預力鋼棒 六 核廢料鋼纖維混凝土容器 : 為解決現有低放射性廢料鋼桶損壞問題及因應蘭嶼貯存場未能擴建, 而現代化核廢料倉庫未能合法啟用所引發之問題, 台電公司研發出容納低放射性核廢料之鋼纖維混凝土容器, 每一容器至多儲放 12 個 55 加侖碳鋼桶, 屬於 放射性物質安全運送規則草案 所定義之第二型工業包件 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 12 : 1. 水泥 :420kg,CNS61 第一型 2. 水 :220kg 3. 細粒料 :661kg, 細度模數 粗粒料 :716kg, 最大粒徑 12.7mm 5. 鋼纖維 :32.5kg,CNS12892 第一類, 長度 30mm, 直徑 0.5mm, 兩端彎折狀 6. 飛灰 :180kg, 台電興達電廠,CNS3036 第 F 類, 燒失量小於 12% 7. 強塑劑 :3kg,CNS12283 第 F 型, 不含氯化物 鋼纖維混凝土試體 28 天抗壓強度介於 400~600kg/cm 2, 抗彎強度介於 40~55kg/cm 2 容器可露儲於沿海地區, 並可貯存於溫度 -10 ~60, 濕度 60%~95%, 可耐 800 環境下 15 分鐘 本容器另有配置鋼筋 七 新武界隧道 TBM 用預鑄鋼纖維混凝土舖片 : 新武界引水隧道工程中, 以開放型 TBM 開挖之隧道段長度約為 6300m, 隧道襯砌後內徑為 5.24m,TBM 開挖直徑為 6.2m 隧道支撐材料採用噴凝土 鋼線網 岩栓及鋼支保等, 仰拱舖片原設計採用預鑄鋼筋混凝土舖片, 但是施工承 18 H10-18

19 包商基於預鑄鋼纖維混凝土舖片製作過程較為簡單快速, 並且在相同功能條件 下, 預鑄鋼纖維混凝土舖片的體積僅為預鑄鋼筋混凝土舖片的 1/4, 亦即預鑄鋼纖維混凝土舖片的堆置 搬運及舖設等作業較為方便之理由, 根據設計圖授權提出替代方案 根據規範的要求最重要的有兩點 :(1)28 天抗彎強度需在 50kg/cm 2 以上, 韌性指數 I5 及 I10 分別為 4 及 6;(2)28 天抗壓強度需在 350kg/cm 2 以上 經配比設計結果, 每 m 3 的配比如下 : 1. 水泥 :501kg,CNS61 第二型 2. 水 :174kg 3. 細粒料 :637kg 4. 粗粒料 :954kg, 最大粒徑 19mm 5. 鋼纖維 :30kg,CNS12892 第一類, 長度 61.2mm, 直徑 0.9mm, 兩端彎折狀 6. 高性能減水緩凝劑 :1.25kg,CNS12283 第 G 型 7. 輸氣量 :1.5% 8. 坍度 :12.5cm 本工程受到施工場地的限制, 混凝土由工區外拌合廠生產, 先以拌合車運至工區, 再將鋼纖維倒入拌合車之拌合鼓內強制拌合, 接著倒入露天預鑄廠之鋼模內進行自然養生 預鑄鋼纖維混凝土舖片內靠近上緣處另加一層 mm 鋼線網, 以增加預鑄鋼纖維混凝土舖片之抗彎矩能力 陸 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土應用展望 由於鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土具有甚多優異的工程特性, 故應用的範圍有逐漸增多的趨勢, 列舉如下 : 1. 舖面工程 : 公路路面 機場跑道 廠房地板及橋面板等 2. 水壩及海洋工程 : 溢洪道表層及防波堤之碎波結構等 3. 噴凝土工程 : 隧道之初期支撐及永久襯砌 圓拱及薄殼建築物 鋼結構防火及防蝕被覆等 4. 預鑄材料 : 襯砌環片 鐵路軌枕及道板 管涵 人孔 預力樁及建築隔間等 5. 耐溫材料 : 煉焦爐門 燜爐及爐拱門等 19 H10-19

20 6. 特殊結構 : 抗爆震結構物 飛彈儲放結構體及砲陣地等 7. 其他應用 : 核廢料儲存櫃 基礎灌漿材料及核電廠防爆掩體等 展望國內即將推動的重大工程如高速鐵路工程 東部高速公路工程 核能四廠工程 各大都會區捷運工程及新武界引水隧道工程等, 都需要大量噴 ( 混 ) 凝土構築結構體, 因此國內產官學界 27 正致力推動高性能鋼纖維噴( 混 ) 凝土 (High Performance Fiber Concrete, 簡稱 HPFC) 之研究與應用, 以能兼顧工作性 耐久性及生態性的條件下, 求得最經濟的鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土 根據其研究成果顯示 28, 高性能鋼纖維混凝土採用低用水量 低水泥量及低水灰比的原則, 調配出混凝土之流動性 ( 坍度 22±2cm) 為傳統混凝土之二倍左右, 可自動充填各個死角, 符合良好工作性之需求, 並可直接應用自動化生產, 減少製程品管瓶頸 高性能鋼纖維混凝土採用卜作嵐材料, 改善混凝土材料界面鍵結強度, 充份運用再生資源 ( 飛灰 爐石粉及矽灰等 ), 提升工業廢料之再生經濟效益, 不但解決環保問題, 更可減少水泥需求量至少 1/2 以上, 充份物盡其用 另外, 添加鋼纖維改善混凝土脆性的缺點, 提升其韌性, 同時減少裂縫產生機率, 故可增進結構物的耐久性及安全性 整體而言, 高性能鋼纖維混凝土可提高水泥強度效益達 5 倍之多 ( 抗壓強度 kg/cm 2 ), 相當符合能源與資源節約之原則 因此高性能鋼纖維混凝土將是台灣混凝土 (TAICON) 之主流 柒 結論 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土由於添加了鋼纖維 卜作嵐細粉及附加劑等材料, 改善了許多傳統噴 ( 混 ) 凝土的缺點, 使噴 ( 混 ) 凝土材料更具多樣化 多功能的應用角色 今將台灣鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土應用成果所獲得結論列舉如下 : 1. 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土在抗張強度 抗彎強度 耐衝擊荷重 抗疲勞載重及低潛變上均優於普通噴 ( 混 ) 凝土之性質 2. 添加鋼纖維後改善了噴 ( 混 ) 凝土的脆性缺點, 提升其韌性, 同時減少裂縫產生機率, 故可增進結構物之耐久性及安全性 3. 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之破壞與鋼纖維含量 長寬比 鋼纖維與水泥材料間握裹特性及鋼纖維排列方向有密切關係 4. 採用卜作嵐材料可改善噴 ( 混 ) 凝土材料界面鍵結強度, 增加噴 ( 混 ) 凝土之耐 20 H10-20

21 久性與水密性, 充份運用資源 ( 飛灰 爐石粉及矽灰 ), 並提升工業廢料之經濟效益, 解決環保問題 5. 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土之配比與拌合之首要考慮因素是工作性, 尤其是添加強塑劑後, 其流動性已大幅改善, 可杜絕工地加水惡習, 故能提升工程品質 6. 鋼纖維噴 ( 混 ) 凝土應用在橋樑工程 隧道工程 路面工程 軌枕與軌道板工程 預鑄接頭 耐震結構物及海洋氣候與溫濕凍融差異大地區等方面均有良好的效果 7. 高性能鋼纖維混凝土雖然水泥用量較少, 但水泥強度效益較傳統混凝土提高很多, 展望未來將是台灣混凝土之主流 誌 謝 本文撰寫期間承蒙東改局傅子仁副局長 中興公司許榮漢經理 培頓公司陳吉祥董事長 柏拿公司賴淑美經理及熊谷組公司陸廣武主任提供寶貴資料並予以斧正, 才使本文順利完成, 謹此一併致謝 參考文獻 1. 陳振川, 特殊混凝土( 二 ) 纖維加強混凝土, 混凝土施工技術研討會, 台北市, 第 頁 (1987) 2. 宋佩瑄, 纖維混凝土實務, 現代營建雜誌社, 台北市, 第 7-20 頁 (1991) 3.Joslfek, C.W., The Largest Fibrous Concrete Aircraft Parking Ramp in The World-at Mc carran International Airport, Bekaert Steel Wire Corp(1980). 4. SHINKO FIBER, Kobe Steel, Ltd. Japan (1981). 5. DRAMIX FIBER, Bekaert Steel Wire Corp. Belgium(1983). 6.Lankard, D.R., The Engineering Propertites of Steel Fiber Reinforced Concrete, Lankard Materials Laboratory, Columbus, 21 H10-21

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