卜作嵐材料應用於混凝土管材之永續理念

卜作嵐材料應用於混凝土管材之永續理念 黃兆龍陳建成陳俊村 台灣科技大學綠建材研究團隊及德霖技術學院營建系 簡報大綱 1 2 3 4 5 卜作嵐材料卜作嵐材料在混凝土扮演角色卜作嵐混凝土管材之永續理念卜作嵐混凝土管材品管要點結論

卜作嵐材料 廢棄物再利用, 創造混凝土管材新價值 兼顧物理及化學之相容性, 全面改善混凝土管材品質 建立新品管制度, 造就高品質穩定之混凝土管材製造水準 減少水泥用量, 增加環境及資源之負擔 利用生剋互制, 提升混凝土管材之耐久性 增加混凝土管材壽命, 減少建造成本 卜作嵐材料的神秘力量 An important recipe of ancient Roman concrete structure Lime+Pozzolan m-size particle to nano-size particle

水泥 卜作嵐才料三相圖 SiO2 稻殼灰 高矽質卜作嵐材料 ( 矽灰 ) 飛灰 水泥 爐石粉 CaO Al 2 O 3 卜作嵐材料應用策略 經濟性 1. 減少水泥用量 2. 增加孔隙緻密 3. 降低早期強度 4. 延長凝結時間 部份取代水泥 同時填塞砂及取代部份經濟及耐久性 1. 增品質利經濟 2. 提振耐久優質 3. 改變工程性質 卜作嵐材料和礦粉摻料 品質確保 填塞砂空隙耐久性 1. 增加粘結材料 2. 提昇長期強度 3. 增進耐久性能 4. 增進工作性質

1. 飛灰 低鈣飛灰 (F 類飛灰 ) 高鈣飛灰 (C 類飛灰 ) 飛灰用量的限制 (1/2) 大量使用飛灰會延長混凝土的凝結時間及低早期強度的結 果, 因此有必要設定飛灰的限制用量 F 類飛灰抗壓強度指定齡期之摻用上限建議表 抗壓強度 Wfly / (Wc+Wfly) 上限值 (%) 指定齡期 ACI 211.1 重量法 ACI 211.1 絕對體積法 7 天 - - 14 天 - - 28 天 18 24 35 天 20 26 56 天 23 30 91 天 25 32 註 1.Wfly 為飛灰重 ;Wc 為水泥重 註 2. 飛灰比重以 2.2 計算 註 3. 若以致密堆積或富勒曲線填塞之飛灰量, 可依最大乾密度來決定用量

飛灰用量的限制 (2/2) 混凝土暴露卻冰鹽下對卜作嵐材料之限制量 (ACI 318-95) 膠結料名稱 占總膠結料重量 (% 膠結料重量 ) 標準規範 (1) 飛灰或其他卜作嵐材料 25 CNS 3036 (2) 爐石粉 50 CNS 12549 (3) 矽灰 10 ASTM C1240 (4) = (1) + (2) 飛灰或其他卜作 CNS 3036 嵐與爐石粉總量 50 CNS 12549 ( 飛灰須低於 25% 總膠結料量 ) (5) = (1) + (3) 飛灰或其他卜作 CNS 3036 嵐與矽灰總量 35 ASTM C1240 ( 飛灰需低於 25% 總膠結料量 ) 註 1..總膠結材料重量包括水泥及各項膠結性礦物摻料之總重量 註 2..表中之卜作嵐材料及爐石粉等重量是以總量計算, 卜特蘭飛灰水泥或 卜特蘭高爐水泥等混合水泥中所添加之膠結材料仍應受到總量之限制 若普 通水泥中含飛灰或爐石粉時 ( 一般含 5%), 其量亦受上述總量之限制 飛灰最佳用量影響因素 單位水泥用量 飛灰活性 水膠 ( 灰 ) 比 水泥種類 廠牌 化學摻料 自然環境

飛灰在營建工程與材料的優點 2. 爐石 生產鑄鐵 ( 生鐵 ) 過程中, 礦渣廢棄物在空氣裡緩慢冷卻時, 即形成 氣冷爐石 細磨粒化 氣冷爐石粉 液體礦渣在高溫下, 被迅速噴水和空氣急速冷卻 ( 淬火 ), 呈現非結晶型的玻璃狀態, 此種粒子稱之為 水淬爐石粉 細磨粒化 水淬爐石粉

爐石的用量限制 (1/2) 1 依添加目的 膠結材料與摻料品質 混凝 土規定強度及大氣溫度等條件而異 2 CNS 3654 規定在卜特蘭高爐水泥中爐石粉所佔之重量百分率應在 25% 至 65% 範圍 3 JIS R5211 將卜特蘭高爐水泥之爐石粉含 量分為三級 (A 級之爐石粉含量為 5%~30%, B 級為 30%~60%,C 級為 60%~70%) 爐石的用量限制 (2/2) 4 混凝土暴露卻冰鹽下對卜作嵐材料之限制量 (ACI 318-95) 膠結料名稱 占總膠結料重量 (% 膠結料重量 ) 標準規範 (1) 飛灰或其他卜作嵐材料 25 CNS 3036 (2) 爐石粉 50 CNS 12549 (3) 矽灰 10 ASTM C1240 (4) = (1) + (2) 飛灰或其他卜作嵐與爐石粉總量 ( 飛灰須低於 25% 總膠結料量 ) (5) = (1) + (3) 飛灰或其他卜作嵐與矽灰總量 ( 飛灰需低於 25% 總膠結料量 ) 50 CNS 3036 CNS 12549 註 1..總膠結材料重量包括水泥及各項膠結性礦物摻料之總重量 註 2..表中之卜作嵐材料及爐石粉等重量是以總量計算, 卜特蘭飛灰水泥或卜特蘭高爐水泥等混合水泥中所添加之膠結材料仍應受到總量之限制 若普通水泥中 含飛灰或爐石粉時 ( 一般含 5%), 其量亦受上述總量之限制 35 CNS 3036 ASTM C1240

3. 矽灰 同樣放大倍數的卜特蘭水泥顆粒 ( 左邊 ) 和矽灰微粒 ( 右邊 ) 顯微照片 矽灰圖邊的白色長條是 1 微米長 注意 ACI 234R 矽灰使用在混凝土中指南, 估計矽灰取代水泥, 則對每一顆卜特蘭水泥粒子, 大約有 2,000,000 顆矽灰微粒 矽灰的應用 高性能混凝土橋樑 位於科羅拉多州, 使用強度混凝土來增加跨徑以削減二個橋墩和增加橋樑下空間

矽灰混凝土橋面版 場鑄停車結構物 高強度矽灰混凝土柱 矽灰高性能混凝土橋樑橋樑位於新罕布夏州, 使用高強度混凝土, 以減少結構物上的大梁數量

卜作嵐材料在混凝土扮演角色 化學作用 卜作嵐反應 S/A + 卜作嵐 KH NH CH 水泥或外加鹼 K-S/A-H + H N-S/A-H C-S/A-H 水 膠體

水化良好的卜特蘭水泥及卜特蘭 - 卜作嵐水泥漿體水化模型示意圖 卜特蘭水泥 A 卜特蘭 - 卜作嵐 A 表結晶不佳的 C-S-H 膠體集合物, 其尺寸約 1~100nm, 內膠體集合物空間距離為 0.5~0.3nm( 平均 1.5nm) H 表 CH,CC 4AH 16,C 4AH 19 等六角晶體, 晶體尺寸, 典型為 1mm 寬 C 表原來為水但未水化完全時造成的孔隙或空隙, 通常為 10mm~1mm; 但水化完全或低水灰比水泥漿體則 <100nm CH+S C-S-H 卜作嵐反應作用轉化高密度的 CH 及大孔隙至低密度的 C-S-H 和小孔隙 1. 降低水泥用量 原始自充填混凝土配比設計結果 (D max =12.5 mm 及 19 mm; 設計強度 =350 kgf/cm 2 ;SCC 等級 =R1 障礙 ) 每立方米材料使用量 (kg/m S/A 3 ) 廠商 W/C W/B W/S (%) I 型藥劑單位重砂細石粗石水水泥 (G) (kg/m 3 ) 0.37 0.37 0.084 54.5 490 914 771 --- 175 7.0 2357 天誠 0.35 0.35 0.084 53.6 520 885 774 --- 175 7.3 2361 0.33 0.33 0.084 52.7 545 859 779 --- 175 7.5 2366 備註 細石採 4 分石 立竑 0.43 0.43 0.084 54.0 424 949 407 407 178 5.80 2371 0.38 0.38 0.084 53.0 478 907 406 405 177 6.55 2380 0.33 0.33 0.083 52.0 549 860 401 400 176 7.53 2394 細石採 3 分石 混凝土類別 巨積 自充填 設計 強度 W/C W/B W/S kgf/cm 2 D max (mm) S/A (%) 水泥 飛灰 每立方米材料使用量 (kg/m 3 ) 爐藥石砂石水劑粉 單位重 280 0.83 0.41 0.076 19 48.15 200 120 80 853 915 160 5 2333 350 0.72 0.37 0.076 12.5 51.90 230 130 90 896 823 159 6.3 2335

2. 增加水泥效益 改善骨材介面強度,Hμ(kgf/cm 2 ) 55 50 石英岩鈣鈉斜長岩微斜長石 骨材界面距離, m 微硬度 45 150 100 骨材 50 10 0 50 100 150 200 250 0 水泥漿 5 0 骨材

增加混凝土中水泥強度效益 減少混凝土滲透性 氯離子電滲量 (coulombs) 氯離子滲透 >4000 高滲透量 2000~4000 中滲透量 1000~2000 低滲透量 100~1000 非常低滲透量 <100 忽略不計

3. 增加混凝土管材耐久性 a. 消耗氫氧化鈣 (CH) 以降低硫酸鹽侵蝕形成的石膏量 b. 取代部份水泥, 直接降低混凝土中 C 3 A 及 C 3 S 的總含量, 具有稀釋的效果 c. 鈣釩石只有在高 ph 值才會產生, 添加卜作嵐材料可降低 ph 值, 減少鈣釩石的產生 d. 形成似 C-S-H 膠體, 可以提供強度, 並且可以包覆含有氧化鋁的物質, 減少鈣釩石的二次反應機會 e. 形成 C-S-H 膠體填塞孔隙, 使混凝土更加緻密, 降低硫酸鹽滲透進混凝土的滲透力 降低硫酸鹽侵蝕

物理作用水泥顆粒卜作嵐微粒子 1. 填塞孔隙 廠商代號 α (%) β (%) 最大單位重 U max (kg/m 3 ) 最大堆積體積比率 (%) A 10 58 2109 80 B 11 62 2071 79 C 10 63 2097 80 D 9 67 2021 77 E 9 58 2111 80 3

2. 卜作嵐材料對漿體濃度改變的影響 水泥漿 卜作嵐 / 水泥漿 25~40% 砂漿或混凝土 W w W c W ( 拌和水 ) C ( 水泥 ) V w V c W w W c W pz W ( 拌和水 ) C ( 水泥 ) P z ( 卜作嵐 ) V w V c V pz W C P z A ( 骨材 ) V w V c V p V a W p=0;w a=0 W C W W B S W a=0,w P?0 W W W C B S W a?0,w p?0 W W W C B S W/C,W/B,W/S 之關係 增加混凝土工作性 -- 球承作用 上方顆粒材料自重 W D N 1 N 2 ( o, ) N 1 N 2 o 底板

劑用量0 添加飛灰降低骨材沈澱率 300 0% 沉澱速率 (mm/min) 200 100 30% 20% 4% 3% 強塑2% 1% 140 150 160 170 180 190 200 黏度 ( a - f ) / 3. 卜作嵐材料對混凝土性質的影響 混凝土抗壓強度 混凝土吸水率

3. 卜作嵐材料對混凝土耐久性的影響 降低孔隙率 低滲透性質 增加漿體品質 施工品質佳 降低用水量 減少泌水收縮 降低水泥量 減少物化侵蝕 回收材再利用 資源永續用 卜作嵐混凝土管材之永續理念

1. 取代水泥 - 增加經濟 減少資源耗盡 工程名稱 南港車站地下化工程之 SCC 高雄 85 層大樓之 HPC 海洋生物博物館之 HPC 台北 101 大樓之 HPC 南投國宅污水處理廠之 HPC Type І 改良 ( 台科大 ) W/C W/B 卜作嵐材料卜作嵐取水泥用量代率 (%) (kg/m 3 用量 ) (kg/m 3 ) CO 2 減量 (ton/m 3 ) 總 CO 2 減量 (ton) CO 2 減量相當樹木量 ( 棵 ) 0.83 0.41 50.0 200 200 0.1700 6,304 170,378 0.72 0.37 48.88 230 220 0.1870 3,653 98,730 0.72 0.37 48.8 230 220 0.1870 44,162 1,193,568 0.72 0.37 48.8 230 220 0.1870 2,350 63,514 0.45 0.34 24.6 355 116 0.0986 1,035 27,973 0.53 0.34 28.9 290 118 0.1003 8,485 229,324 0.42 0.28 29.1 380 172 0.1326 27,846 752,595 0.76 0.40 44.3 206 164 0.1394 154 4,162 0.69 0.36 50 230 230 0.1955 61,405 1659598 降低水泥量 減少 CO 2 排放, 保護環境 2. 增加工作性 - 減少機械磨損

3. 增加強度 - 減少孔隙 改善界面 4. 增加耐久性 - 減少滲透 有害因子 150 電阻係數 (K Ω - C m) 100 50 矽灰 // 飛灰 無添加卜作嵐材料 0 爐石 / 飛灰 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 毛細孔體積 (cm 3 /g)

5.. 增加壽命 - 減少資源耗盡及建造成本 廢料再生 爐石 飛灰 稻殼灰 木質素 很高 高 中至底 不可能 腐蝕產生率 W/B (W/C)=0.30~0.60 90 天齡期試驗 依 ASTM C1202 氯離子滲透性 電滲量 ( 庫倫 ) 高 普通混凝土高性能混凝土 中低非常低 電阻 (KΩ-cm) 卜作嵐混凝土管材品管要點

品管工作標準作業程序 混凝土產製需要材料源頭的 0 級品管 產製過程的均勻性及穩定性及正確的施工方式, 方能確保其品質, 因此初期有專業之品保顧問協助其品管施工之進行, 建立 SOP( 標準作業程序 ), 以保證其品質, 並進行教育訓練及技術轉移 藉由 SOP 之建立與執行, 可減少不良品或異常現象之發生, 使品質達到穩定之優良等級

粒料料源及混凝細粒料含煤量視需要 CNS 1172 須小於 10% 配比設計粗細骨材鹼性反應料源變動 CNS 1240 (ASTM C239 C227) 品質項目試驗頻率標準規範及失誤率 級配 視需要 比重及吸水率每三個月及必要時 CNS 487,488, AASHTO T84,T85 健性試驗每六個月及必要時 CNS 1167, AASHTO T104,5 循環不超過 12%( 粗粒料 ) 及 10%( 細粒料 ) 土混凝土品質試驗頻率及規範 小於試驗篩 #200 材料視需要 CNS 491, 粗粒料須小於 1.0%, 細粒料須小於 5% 粗粒料磨損率每六個月及必要時 CNS 490, 3408, AASHTO T96, 500 轉不大於 40% 粘土料含煤量視需要粗粒料須小於 0.25%; 細粒料須小於 0.5% 細粒料含煤量 視需要 CNS 1172, 須小於 1.0% 粒料有機物 視需要 CNS 1164, AASHTO T21 不得較標準色深 粗粒料扁長率 視需要 須小於 10% 混凝土配合設計 料源變動 粒料級配 每批次進料 粒料小於 #200 材料 每批次進料 CNS 491, ASTM C33, 粗粒料須小於 10%; 細粒料須小於 5.0% 水泥品質 視需要 CNS 61 拌 水質品質 水源變動 CNS 1237, ph 值介於 4.5~8.5 水泥溫度 視需要 不高於 50 C 摻料濃度 每日一次 和 混凝土含氣量 視需要 CNS 3090, 輸氣混凝土之含氣量不得超過定值之 ±1.5% 混凝土坍度 隨時 CNS 3090, 1176, 坍度介於 50~100mm, 誤差值 ±25mm; 坍度大於 100mm, 誤差值 ±38mm 磅秤校正 每三個月及必要時 廠 計量精度 隨時 CNS 3090, 靜載重測試準確度為其最大容量之 ±0.4% 拌和時間 隨時 CNS 3090, 小於 076m 0.76m 3 時間為 1 分鐘, 每增加 076m 0.76m 3, 則時間增加 15 1.5 秒 拌和片磨耗 每一個月及必要時 不得大於 20mm 混凝土坍度 隨時 CNS 3090, 1176 混凝土溫度 每日至少 1 次及必要時 CNS 3090, 10 C 至 32 C 間 澆 含氣量 視需要 CNS 9661 及 CNS 9662;AASHTO 152 試體製作及抗壓強度試驗 依規範規定辦理 CNS 1231, 1232, AASHTO T22 及 T126 鑄 摻料品質 每批 CNS 12283, 3091, AASHTO T24 混凝土鑽心 視需要 CNS 1238, 1241, AASHTO T24 工 混凝土養護劑 視需要 CNS 2178, AASHTO M148 飛灰添加試驗 1000 公噸 CNS 3036 A2040 地 爐石添加試驗 CNS 11826, 12223, 12549 混凝土初終凝試驗 視需要 AASHTO T187 混凝土彈性模數及包生比 視需要 CNS 1239, ASTM C 469 註 : 粒料即為 骨材 1. 定期性 ( 每 300m 3 ) 辦理粒料比重 吸水率與磨損率等項試驗, 並記錄之 2. 混凝土產生前檢查粒料品質情形, 並抽樣試驗之 項目包括 : (1) 級配篩分析 (2) 含泥量 (3) 含水量 監工單位通知承包商出料, 並執行其生產過程之各項檢驗工作, 並進行混凝土品質均勻性及穩定性試驗 ( 每批次至少 30 個試體 ) 核對拌和車之出料單, 隨時檢視到場之各批混凝土品質狀況, 及抽樣試驗混凝土之坍度 坍流度 含水量與製作試體等項工作, 並記錄之 1. 材料調查 2. 粒料品質試驗 3. 水泥 水質及摻料檢驗 4 拌和廠混凝土生產品質檢驗 5. 配比試驗 6. 澆鑄工地抽取試驗混凝土之取樣試樣 7. 試驗室試驗 分析 ( 品質試驗分析 ) 調查督導承包商辦理混凝土各項材料之品質試驗, 以選擇符合規範之材料 1. 水泥 : 核對廠家定期 ( 每 100 噸或 2,000 包 ) 檢送品質管制資料, 必要時取樣試驗, 並記錄之 2. 摻料 ( 化學 礦物 ): 每批次 ( 每 9,500 升或 400 噸 ) 進貨取樣試驗 3. 水質 : 視需要, 並記錄之 1. 會同承包商以合格材料辦理混凝土配比試驗, 以了解混凝土之各性質是 否符合規定, 並解釋適合製工地施工之混凝土配程比, 並記錄成果 管2. 審核承包商所提送之混制凝土配比 3. 水質 : 視需要, 並記錄之 辦理品質管理成果之統計分析評估與繪製管製圖 料源混凝土材料品質檢驗流程源管制將試體抗壓強度試驗結果

粗 細粒料儲存堆料標準作業程序 調度室執勤人員收繳送貨單驗磅原料滿載重驗磅原料空車重簽證送貨單 / 填寫驗收單 細粒料進廠 材料試驗組人員目視檢驗 / 多點取樣卡車停車待命樣件篩分析 / 細度模數含泥量 / 篩號是否符合 粗粒料進廠 材料試驗組人員 1. 目視檢驗 / 多點取樣 2. 卡車停車待命 3. 樣件篩分析 / 含泥量 / 篩號是否符合 細粒料抽驗結果不符合標準規範原車遣返 原料驗證符合驗收規範同意放行 粗粒料抽驗結果不符合標準規範原車遣返 檢驗結果通知供應商改善 露天貯存備用區 檢驗結果通知供應商改善 粒料貯存待料槽 品管部不合格品 ( 料源地 ) 記錄管制 驗證記錄篩分析報告依 ISO 品保記錄保存每日進廠資料彙整保存記錄不合格品 ( 料源地 ) 通知材料試驗組人員加強抽驗頻率 1. 粒料依不同尺寸分別存放 2. 堆放場應排水良好 3. 粒料庫加蓋 4. 灑水器噴水達飽和, 以利控溫及拌和用水量之管控 水泥 飛灰 爐石 藥劑等收料標準作業程序 水泥 飛灰 爐石暨強塑添加劑等原料進廠 調度室執勤人員收繳送貨單驗磅水泥車等原料滿載重驗磅水泥車等原料空車重簽證送貨單 / 填寫驗收單 材料試驗組人員 1. 目視檢驗 / 多點取樣 2. 卡車停車待命 3. 樣件比重 細度抽驗是否符合 抽驗結果不符合標準規範原車遣返 原料驗證符合驗求規範同意放行 抽驗結果符合規定依不同粒料貯存待料槽 檢驗結果通知供應商改善 品管部不合格品 ( 料源地 ) 記錄管制 驗證記錄 報告依 ISO 品保記錄保存水泥飛灰爐石抽樣封罐保存每日進廠資料彙整保存記錄不合格品 ( 料源地 ) 通知材料試驗組人員加強抽驗頻率 藥劑爐石 飛灰水泥貯存待料槽

拌合機清理標準作業程序 施工要領施工流程檢驗項目 控制室停止運轉電源關閉確保人員安全 拌合機停機準備 1. 目視檢查 2. 拌合機內殘餘混凝土清除 3. 混凝土等附著物以破碎機打除 拌合機內部檢視 1 攪拌刮刀殘缺立即更換 2 攪拌刮刀與拌合機鋼板間隙 >2cm 時立即更換 1. 拌合機內以人工再次檢查並清除其餘廢棄物 2. 控制室電源開啟及拌合機沖入清水清洗直至無附著物 3. 停機再目視檢查並重複以上動作至清洗程序完成 拌合機清洗 混凝土管材製作標準作業程序 施工要領施工流程檢驗項目 1. 檢查預留筋 止水帶等預埋物 2. 模板安全檢核 3. 標記混凝土澆置完成面高程 1 連絡協力廠商 2 混凝土數量計算 3 澆置位置及交通動線安排 4 照明及加班人力安排 1 澆置人員配置 2 澆置時間 3 澆置順序 4 確認混凝土強度 水泥型式 坍流度等 5 混凝土試體取樣 6 澆置厚度及推平作業按高程標誌施作 鋼筋 機電等配合工程, 預留筋及施工縫等, 施作完成 澆置前準備 混凝土管材澆置 ( 離心 ) 養護 1 混凝土自拌合到澆置完成不得超過 90 分鐘 2 坍度試驗 : 不可過大 3 氯離子檢測 : 不得超過 0.3 kg /m 3 4 混凝土溫度 :13 ~32 1 混凝土蒸氣養護, 保持溫度及濕潤 2 養護時間持續七天

17.4 混凝土檢驗 17.4.1 核對承包商所提出之擬用材料 17.4.2 核對承包商所提供之配比設計 17.4.3 自拌和廠或存料堆中抽取材料樣品 於混凝土澆置點依 17.4.7 規定之試驗頻率, 隨機取樣 有需要時得另於特定位置增加取樣 17.4.5 坍度試驗 澆置前測定坍度 強度試驗樣品亦應測定其坍度 巨積混凝土或一般混凝土在惡劣天候下施工, 須做混凝土溫度控制時, 應量測混凝土之溫度

抗壓強度 (kgf / cm2) 535 515 495 475 455 435 415 395 375 355 335 315 建立 SOP 初期管制圖 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 組 別 / cm2) 抗壓強度 (kgf / 550 530 建立 SOP 後之管制圖 510 490 470 450 430 410 390 370 350 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 組別 修正 A 計劃 P 檢核 C 修正 A 檢核執行執行 C D D 計劃 P 透過 PDCA 累積新觀念

結語 廢棄物再利用, 創造混凝土管材新價值 兼顧物理及化學之相容性, 全面改善混凝土管材品質 建立新品管制度, 造就高品質穩定之混凝土管材製造水準 減少水泥用量, 增加環境及資源之負擔 利用生剋互制, 提升混凝土管材之耐久性 增加混凝土管材壽命, 減少建造成本