水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材混凝土在橋梁及高樓綠建築上推廣應(yīng)用
2006-10-11 00:00
一、前言
臺(tái)灣地區(qū)位於亞熱帶地區(qū)，降水頻率及強(qiáng)度集中，氣候溫暖潮溼，年平均降水量高達(dá)2510mm。且因降水時(shí)間及空間分佈不均，在豐年期每年5~10月之降水量約佔(zhàn)全年之78%，而因臺(tái)灣地形陡坡，山脈高聳，東西向幅度窄，河川坡陡流快，不易蓄貯，因此水庫(kù)在水資源利用於攔豐濟(jì)旱之功能上更顯重要。以2001年為例，臺(tái)灣的降水量為1108億噸，而河川水只有130億噸，(其中水庫(kù)提供48億噸)約佔(zhàn)總降水量之12%而已。臺(tái)灣農(nóng)業(yè)、工業(yè)及民生用水共需185億噸，顯示臺(tái)灣地區(qū)水資源不足，若無水庫(kù)之?dāng)r蓋功能，則本省用水不足之壓力就更大。而根據(jù)經(jīng)濟(jì)部水利署所著「2001年蓄水設(shè)施水量營(yíng)運(yùn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告」一書中指出目前已完工運(yùn)轉(zhuǎn)且有營(yíng)運(yùn)統(tǒng)計(jì)資料之水庫(kù)計(jì)有40座，其完工當(dāng)年的總?cè)萘繛?,745,000,000m3，水庫(kù)容量因受泥砂淤積之影響，在2001年量測(cè)之結(jié)果發(fā)現(xiàn)其總?cè)萘繛?,204,000,000m3，約減少479,000,000m3，約為總?cè)萘康?7.44%。平均每年減少16,100,000m3，可見水庫(kù)淤積量相當(dāng)嚴(yán)重，甚至有些水庫(kù)的淤積量高達(dá)77%。(1)
有鑑於此，經(jīng)濟(jì)部水利署自1984~2002間在明德、石門等21座水庫(kù)實(shí)施浚渫清淤工作，共清除約25,600,000m3，再加上運(yùn)用水庫(kù)排砂操作方式辦理「空庫(kù)排砂」約排除10,100,000m3，合計(jì)約35,700,000m3，有效地改善水庫(kù)之容量。而民國(guó)91年提出水庫(kù)淤積緊急浚渫計(jì)畫，辦理石門等九座水庫(kù)之清淤工作，共清除4,750,000m3，其中以阿公店水庫(kù)清淤3,240,000m3最多。而白河水庫(kù)740,000m3次之，截至2002年為止，水庫(kù)的累計(jì)清淤量以石門之10,600,000m3最多，而其次是阿公店為5,400,000m3，由這些數(shù)據(jù)顯示水庫(kù)總淤積清除量約為40,500,000m3相當(dāng)驚人(1)。
21世紀(jì)是水資源缺乏之世紀(jì)，臺(tái)灣雖有豐沛的降水量，但因降水之季節(jié)分配不均，再加上臺(tái)灣地形峻峭，水資源不易蓄儲(chǔ)，以及全球氣候溫度效應(yīng)之影響，因此未來臺(tái)灣地區(qū)發(fā)生乾旱及洪澇之機(jī)率相當(dāng)大，而水庫(kù)是防範(fàn)水災(zāi)害的一大設(shè)施。但因水資源開發(fā)的水庫(kù)壩址難尋，再加上維護(hù)生態(tài)、環(huán)保及民眾抗?fàn)幍葐栴}，使得加強(qiáng)水庫(kù)清淤更新工作為未來政府對(duì)水資源永續(xù)經(jīng)營(yíng)之主要工作。水庫(kù)清淤確實(shí)可以減緩現(xiàn)有水庫(kù)淤積率確保水庫(kù)的有效庫(kù)容及促進(jìn)水庫(kù)浚渫淤泥再生利用率和提昇水庫(kù)浚渫淤泥資源化技術(shù)，且增進(jìn)水庫(kù)永續(xù)利用及國(guó)土保育維護(hù)等效益。
由於水庫(kù)浚渫淤積物若未妥善處理可能會(huì)造成環(huán)境公害，且順應(yīng)時(shí)代需求有效處理並減量控制廢棄物，使其資源化與再利用。因此行政院於2002年10月7日研商「營(yíng)建剩餘土石及淤泥再生利用」會(huì)議結(jié)論上，曾表示河川及水庫(kù)清淤應(yīng)朝資源化再生利用方式處理，淤泥處理應(yīng)以永續(xù)再利用為原則，招標(biāo)應(yīng)朝最有利標(biāo)方式辦理，並以淤泥再生利用所產(chǎn)生之附加價(jià)值為決標(biāo)之重要條件。故以往水庫(kù)浚渫採(cǎi)購(gòu)以清淤為單一目標(biāo)之招標(biāo)方式已漸不敷需求，如何將水庫(kù)淤泥再生利用納入決標(biāo)之重要條件為競(jìng)標(biāo)之重心(2)。而行政院經(jīng)建會(huì)已核定內(nèi)政部營(yíng)建署所提之「淤泥再生利用推動(dòng)方案」各相關(guān)單位亦加強(qiáng)再生利用技術(shù)之研發(fā)與推廣工作。
水庫(kù)淤泥再生利用技術(shù)，雖然有許多的方案出現(xiàn)，但是其中已鍛燒至1100℃，製作輕質(zhì)骨材(LA)已被驗(yàn)証是最具潛力之可行方法。主要是其成分含有適合燒製LA之原料，而且其單位重足以製作結(jié)構(gòu)用輕質(zhì)混凝土(LC)，可在高樓建築及橋樑上應(yīng)用。目前已有廠商投資在石門水庫(kù)沉澱池旁設(shè)立試驗(yàn)工廠生產(chǎn)，今後數(shù)年內(nèi)若能在各具有燒製LA原料的水庫(kù)淤泥之水庫(kù)地區(qū)設(shè)廠製造LA及LC廠和預(yù)鑄混凝土廠，則水庫(kù)淤泥將可大量被再生利用，則臺(tái)灣水庫(kù)之淤泥問題將可迎刃而解，不但其蓄水容量可增加，更重要的是我國(guó)之輕質(zhì)骨材混凝土之技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，從此將邁入一個(gè)新的里程碑。
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二、水庫(kù)淤泥燒結(jié)輕質(zhì)骨材及製作混凝土之工程性質(zhì) 本文針對(duì)15 座水庫(kù)淤泥，在試驗(yàn)室中經(jīng)由程式控制電爐及商業(yè)用旋窯所製造的不同輕質(zhì)骨材，進(jìn)行顆粒密度(比重)與吸水率等物理性質(zhì)試驗(yàn)，及所燒結(jié)骨材表面狀況的探討。目前學(xué)者一致認(rèn)為燒製人工輕質(zhì)骨材最佳溫度介於1100～1250℃之間，因此燒結(jié)時(shí)的溫度則採(cǎi)用1200℃，經(jīng)過臺(tái)灣科技大學(xué)試驗(yàn)室之程式控制電爐作初步測(cè)試，結(jié)果顯示大部份之水庫(kù)淤泥均可燒結(jié)成輕質(zhì)骨材，但由於燒結(jié)時(shí)間受限於實(shí)驗(yàn)室電熱爐昇溫的速度，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 天。為求大量產(chǎn)製，另外使用桃園業(yè)者所提供之旋窯燒製骨材，並根據(jù)實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)經(jīng)驗(yàn)，燒製溫度設(shè)定為1210℃，成功地將15 座水庫(kù)淤泥燒結(jié)為輕質(zhì)骨材。本文就是利用這些燒製之LA進(jìn)行其物性，以及製作高性能輕質(zhì)骨材混凝土探討其工程性質(zhì)。(一)水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材之物理性質(zhì)分析 1.顆粒密度(比重) 試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。顯示以程式控制電爐燒製的輕質(zhì)骨材，在相同燒結(jié)條件下，以澄清湖及鳳山水庫(kù)淤泥所燒製的輕質(zhì)骨材，其比重較小約在1.1~1.2 之間；其次為仁義潭、阿公店、石門、大埔等水庫(kù)淤泥所燒製的輕質(zhì)骨材比重為1.3~1.5 之間；其餘九座水庫(kù)之淤泥所燒製的輕質(zhì)骨材比重為2.0~2.2 之間。由此圖顯示在相同燒結(jié)情況下，不同水庫(kù)淤泥所所燒製的輕質(zhì)骨材比重並不相同，而且由旋窯所燒製得知輕質(zhì)骨材，由於溫度歷程控制較容易，因此燒結(jié)所得之輕質(zhì)骨材比重亦較實(shí)驗(yàn)室電熱爐為低。 2.吸水率 輕質(zhì)骨材會(huì)因骨材組織表面孔隙大或表層無產(chǎn)生玻璃化，致使骨材吸水率增大。由程式控制電爐及商業(yè)用旋窯所燒製的15 座輕質(zhì)骨材吸水率均小於10%，如圖2與圖3所示。尤其是以程式控制電爐的輕質(zhì)骨材吸水率甚至低於1%。因此，顯示水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材具有低吸水率的性質(zhì)。 3.筒壓強(qiáng)度與鬆密度 大部分水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材的筒壓強(qiáng)度介於3.0～4.5 MPa之間(圖4)。水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材鬆密度約介於400～1200 kg/m3。 (二)水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材混凝土工程性質(zhì) 共有17種配比包括三種不同淤泥輕質(zhì)骨材，兩種不同細(xì)骨材(機(jī)製砂及河川砂)及二種不同配比(緻密`配比及ACI 配比設(shè)計(jì)法)，水庫(kù)淤泥係採(cǎi)用石門水庫(kù)淤泥經(jīng)商業(yè)化旋窟所製造之輕質(zhì)骨材，其性質(zhì)如表1所示。使用17種混凝土配比如表2所示。 1.坍度及坍流度 雖然所測(cè)試的坍度、坍流度值均顯示較低。但各組混凝土均能符合坍度為230±20mm、坍流度為500±100mm 的高流動(dòng)性設(shè)計(jì)要求。 |
 圖1 淤泥1200℃高溫?zé)Y(jié)顆粒輕質(zhì)骨材的比重比較  圖2 水庫(kù)淤泥單顆粒吸水率比較(電熱1200℃燒結(jié))  圖3 不同水庫(kù)淤泥於單顆粒吸水率比較(旋窯1200℃燒結(jié))  圖4 輕質(zhì)骨材鬆密度與筒壓強(qiáng)度關(guān)係(旋窯1200℃燒結(jié)) |
| 物理性質(zhì) | 水庫(kù)淤泥輕質(zhì)粗骨材 | 機(jī)製砂 (大安溪) |
河川砂 (木瓜溪) | ||
| 顆粒密度(g/cm3) | 90.7 | 1.1 | 1.5 | 2.64 | 2.74 |
| 吸水率(%) | 6.4 | 7.2 | 80 | 2.6 | 3.0 |
| Dmax(mm) | 20 | 13 | 13 | … | … |
| 細(xì)度模數(shù)(FM) | 6.95 | 6.48 | 6.40 | 2.96 | |
| 30顆輕質(zhì)骨材平均抗壓強(qiáng)度(MPa) | 2.66 | 3.33 | 6.74 | … | … |
| 桶壓強(qiáng)度(MPa) | 2.75 | 3.51 | 6.85 | … | … |
| 鬆密度(kg/m3) | 498 | 658 | 836 | … | … |
表2 輕質(zhì)骨材混凝土配比
| 組別 | LWA 比重 |
常重砂 種類 |
W/cm | Wtotal | N | w/c | w/s | 材料配比(kg/m3) | ||||||
| Sand | L.Agg | Cement | Fly | Slag | Water | SP | ||||||||
| M15-32-140 | 1.5 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 140 | 1.173 | 0.4915 | 0.0765 | 781 | 612 | 285 | 138 | 15 | 114 | 24 |
| M15-32-150 | 1.5 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 150 | 1.278 | 0.4716 | 0.0823 | 759 | 595 | 318 | 134 | 17 | 138 | 12 |
| M15-32-160 | 1.5 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 160 | 1.383 | 0.4554 | 0.0881 | 737 | 578 | 351 | 130 | 19 | 151 | 9 |
| M07-32-140 | 0.7 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 140 | 1.173 | 0.4915 | 0.0926 | 781 | 294 | 285 | 138 | 15 | 112 | 28 |
| M07-32-150 | 0.7 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 150 | 1.278 | 0.4716 | 0.0991 | 759 | 286 | 318 | 134 | 17 | 126 | 24 |
| M11-32-140 | 0.7 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 160 | 1.383 | 0.4554 | 0.1056 | 737 | 278 | 351 | 130 | 19 | 147 | 13 |
| M11-32-150 | 1.1 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 140 | 1.173 | 0.4915 | 0.0843 | 781 | 443 | 285 | 138 | 15 | 119 | 21 |
| M11-32-160 | 1.1 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 150 | 1.278 | 0.4716 | 0.0904 | 759 | 431 | 318 | 134 | 17 | 138 | 12 |
| M11-32-150 | 1.1 | 機(jī)製砂 | 0.32 | 160 | 1.383 | 0.4554 | 0.0966 | 737 | 419 | 351 | 130 | 19 | 149 | 11 |
| R11-32-150 | 1.1 | 河川砂 | 0.28 | 150 | 1.417 | 0.3916 | 0.0956 | 751 | 426 | 383 | 133 | 20 | 125 | 25 |
| R11-32-140 | 1.1 | 河川砂 | 0.32 | 140 | 1.193 | 0.4965 | 0.0912 | 796 | 452 | 282 | 141 | 15 | 119 | 11 |
| R11-32-150 | 1.1 | 河川砂 | 0.32 | 150 | 1.301 | 0.4756 | 0.0977 | 774 | 440 | 315 | 137 | 17 | 138 | 12 |
| R11-32-160 | 1.1 | 河川砂 | 0.32 | 160 | 1.409 | 0.4587 | 0.1042 | 752 | 427 | 349 | 133 | 18 | 153 | 7 |
| R11-32-150 | 1.1 | 河川砂 | 0.40 | 150 | 1.140 | 0.6791 | 0.1009 | 807 | 459 | 221 | 143 | 12 | 144 | 6 |
| R-ACI-28-223 | 1.1 | 河川砂 | 0.28 | 223 | …… | 0.28 | 0.137 | 417 | 409 | 796 | 0 | 0 | 200 | 23 |
| R-ACI-32-223 | 1.1 | 河川砂 | 0.32 | 223 | …… | 0.32 | 0.138 | 504 | 409 | 697 | 0 | 0 | 223 | 0 |
| R-ACI-40-223 | 1.1 | 河川砂 | 0.40 | 223 | …… | 0.40 | 0.140 | 625 | 409 | 558 | 0 | 0 | 223 | 0 |
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(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展，相對(duì)於顆粒密度0.7g/cm3，其顆粒強(qiáng)度甚低，在同樣水泥漿質(zhì)與量的配比中，在強(qiáng)度上比其它顆粒骨材密度大的相差很多，這應(yīng)歸咎於此類骨材強(qiáng)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(qiáng)度越高，此與傳統(tǒng)混凝土相同趨勢(shì)，在不同配比比較上，由於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(qiáng)度發(fā)展均高於緻密配比法所得之結(jié)果。
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圖7為骨材顆粒密度1.1g/cm3 在水泥漿體的量對(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的，也可能是藉由細(xì)骨材與飛灰的緻密堆積特性來提高水泥的強(qiáng)度效益。
4.表面電阻量測(cè)
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(qiáng)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)範(fàn)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(biāo)準(zhǔn)值20K-cm 之下，表示其混凝土的品質(zhì)較差，鋼筋較易腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土耐久性極為不利。
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(yù)養(yǎng)護(hù)28天後置於乾燥環(huán)境中，齡期與長(zhǎng)度變化之關(guān)係。圖中顯示浸於水中的試體有持續(xù)膨脹現(xiàn)象，隨著拌和水量增加而增加。當(dāng)試體置於乾燥環(huán)境下，由於失水現(xiàn)象會(huì)立刻產(chǎn)生收縮，且同樣地隨著拌和水量增加，則長(zhǎng)度亦隨之增加。在固定水膠比下，隨著拌和水量的增加，相對(duì)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(xì)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(dǎo)
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(dǎo)性就愈差，相對(duì)地?zé)醾鲗?dǎo)係數(shù)就愈低。在相同的水泥漿質(zhì)與量時(shí)，顆粒密度1.5g/cm3的骨材，由於骨材本身內(nèi)部孔隙較少，混凝土熱傳導(dǎo)係數(shù)值在0.56~0.65W/m℃之間；顆粒密度0.7g/cm3的骨材，由於骨材本身內(nèi)部孔隙較多，混凝土熱傳導(dǎo)係數(shù)值在0.43~0.63W/m℃之間。所有配比的混凝土熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(fēng)乾密度的熱傳導(dǎo)係數(shù)標(biāo)示圖10上，顯示其所有配比除有1 組的熱傳導(dǎo)係數(shù)較低外，其餘多落在此兩趨勢(shì)線的範(fàn)圍之內(nèi)。
三、輕質(zhì)骨材混在建築物上之應(yīng)用性
表3列出結(jié)構(gòu)輕質(zhì)骨材混凝土在建築物上之應(yīng)用性(4)。整體上而言由於其質(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(duì)天候有耐久性以及體積穩(wěn)定性和實(shí)際施工性佳，其經(jīng)濟(jì)性及隔熱節(jié)能評(píng)估已有一些學(xué)者進(jìn)行過研究都相當(dāng)肯定其應(yīng)用推廣供結(jié)構(gòu)用(5-8)，以下就參考文獻(xiàn)8摘要說明經(jīng)濟(jì)效益包括下列各子題：(一)水庫(kù)淤泥製造輕質(zhì)骨材經(jīng)濟(jì)性分析
水庫(kù)淤泥製造輕質(zhì)骨材，不僅可解決長(zhǎng)久以來水庫(kù)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)?！埂ⅰ冈偕谩沟哪繕?biāo)，為屬於「綠色材料」之一。因此，將「水庫(kù)淤泥」製造處理成「輕質(zhì)骨材」，已提供水庫(kù)淤泥的「環(huán)境負(fù)擔(dān)成本」的經(jīng)濟(jì)效益。目前由國(guó)外歐、美及大陸進(jìn)口的骨材單價(jià)約為2000～5000 元/m3。經(jīng)模擬在水庫(kù)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(dá)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(fèi)用下，輕質(zhì)骨材成本為450 元/ m3。此一單價(jià)具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。並規(guī)劃政府在輔導(dǎo)業(yè)者生廠期間，支付淤泥處置成本費(fèi)用在500～1000 元/ m3之間，經(jīng)一段時(shí)間，業(yè)者已能具有獲利下可將淤泥處置費(fèi)用逐年下降，最終目標(biāo)為政府不必負(fù)擔(dān)淤泥處置費(fèi)用，完全由業(yè)主自行吸收，此有助於減輕政府財(cái)政負(fù)擔(dān)。因此經(jīng)此分析後，可發(fā)現(xiàn)水庫(kù)淤泥生產(chǎn)輕質(zhì)骨材是具有經(jīng)濟(jì)性的。
(二)輕質(zhì)RC 建築物結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益比較分析
在地震帶的臺(tái)灣，傳統(tǒng)常重RC 構(gòu)造由於混凝土密度大，增加構(gòu)造物自重，產(chǎn)生巨大的地震水平力。若採(cǎi)用高性能混凝土技術(shù)製造輕質(zhì)骨材混凝土則可，同時(shí)具有強(qiáng)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(qiáng)度不足而無法使用於主要構(gòu)件梁及柱的問題，透過ETABS電腦 結(jié)構(gòu)程式，分析實(shí)際四棟建築物案例使用輕質(zhì)骨材混凝土可達(dá)到下列之經(jīng)濟(jì)效益：
1.密度愈輕的輕質(zhì)混凝土愈有利於版厚的縮減量，縮減率介於8～28%之間。
2.在限制相同主鋼筋量為標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(dá)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(dá)到37～54%之間。
| 應(yīng)用型態(tài) | 現(xiàn)今之使用量 | 使用之形式或斷面 | 與一般混凝土相較下所具有之特性質(zhì)及優(yōu)越點(diǎn) |
| 樓板 | 相當(dāng)大量 |
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| 屋頂版 | 遍及各處及非常大量 | 場(chǎng)鑄及預(yù)鑄型扁平屋頂樓板
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| 牆面板 | 相當(dāng)大量 |
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5.高性能輕質(zhì)骨材混凝土具高流動(dòng)、強(qiáng)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 建築物外殼耗能量比較分析
民國(guó)84年內(nèi)政部營(yíng)建署公佈建築節(jié)能源法(9)，亦即建築外殼耗能量的最高基準(zhǔn)值(ENVLOAD)，目前有關(guān)建築設(shè)計(jì)的審查已將”ENVLOAD”列為必要條件之一(10)?？照{(diào)型建築方面，選取4、14 及31層RC辦公室建築實(shí)例；在住宿類建築方面選取2、14及31層RC住宅案例，分別採(cǎi)用常重RC及輕質(zhì)RC進(jìn)行分析計(jì)算，可得到如下之結(jié)論：
2.空調(diào)型建築2、14及31層建築整體外殼耗能量ENVLOAD值，輕質(zhì)RC外牆比常重RC外牆分別節(jié)省7%、12%及13%之效果。
住宿型建築2、14及31層建築物隔熱性能計(jì)算，比較其RC外牆及屋頂?shù)钠骄鶡醾魍嘎手罡呋鶞?zhǔn)值Uaw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 建築物外界空調(diào)負(fù)載分析比較根據(jù)參考文獻(xiàn)11說明計(jì)算3棟不同實(shí)際建築案例的空調(diào)負(fù)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℃，在考量不同建築物的方位B風(fēng)速、緯度、太陽入射角等，及僅考慮建築外界日光所造成之空調(diào)負(fù)載，計(jì)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(diǎn)及下午7點(diǎn)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(diǎn)及下午7點(diǎn)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(diǎn)及下午7點(diǎn)使用輕質(zhì)混凝土之省電率分別為45%、30%及87.4%。
(五)濟(jì)性綜合評(píng)估
經(jīng)濟(jì)性綜合評(píng)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(duì)三種樓層和二類用途分析，採(cǎi)用輕質(zhì)混凝土後，結(jié)構(gòu)樑柱斷面可減少32%～50%範(fàn)圍，建築物外殼耗能量(ENVLOAD)降低7%～13%，建築物外界空調(diào)負(fù)載節(jié)省電力33%以上。證明利用水庫(kù)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(jì)可行，符合資源永續(xù)及綠色家園的國(guó)家政策，為一項(xiàng)突破性的綠色建材。研究根據(jù)過去進(jìn)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(píng)估表，基本上評(píng)估使用輕質(zhì)骨材混凝土於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(jì)可行性。
| 評(píng)估項(xiàng)目 | 目前問題概況 | 具體評(píng)估內(nèi)容 | 具體評(píng)估效益 | 評(píng)估結(jié)果 | |
| 可行 | 不可行 | ||||
| 水庫(kù)淤泥製造輕質(zhì)骨材經(jīng)濟(jì)性分析 | 1.臺(tái)灣水庫(kù)平均累積淤積率達(dá)20%，總淤積量達(dá)4.7億m3，並且每年淤泥淤積量達(dá)360萬m3，無處堆置及處理。 2.國(guó)內(nèi)以往輕質(zhì)骨材原料以頁(yè)巖或板頁(yè)為主，單價(jià)高，且影響環(huán)境生態(tài)。 |
水庫(kù)淤泥處理問題 | 解決國(guó)內(nèi)淤泥無法處置問題 | ˇ | |
| 國(guó)內(nèi)輕質(zhì)骨材市場(chǎng)需求 | 以產(chǎn)量360萬m3/年，僅佔(zhàn)國(guó)內(nèi)骨材市場(chǎng)10%左右，將供不應(yīng)求 | ˇ | |||
| 水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材設(shè)廠可行性 | 於水庫(kù)附近設(shè)置最具競(jìng)爭(zhēng)力 | ˇ | |||
| 水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材生產(chǎn)與成本分析 | 以36萬m3/年產(chǎn)量，生產(chǎn)成本450元/m3 | ˇ | |||
| 水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材初步工程性質(zhì)分析 | 1.以往國(guó)內(nèi)外輕質(zhì)骨材吸水率高達(dá)20～30%以上。 2.以往輕質(zhì)骨材混凝土強(qiáng)度低、坍度低、水泥用量多。 |
輕質(zhì)骨材吸水率 | 吸水率<10%以下 | ˇ | |
| 輕質(zhì)混凝土工作性 | 坍度250±20mm，坍流度550~700mm | ˇ | |||
| 輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度及E、v值 | 抗壓強(qiáng)度28~68MPa，E及v與ACI 318 95建議值相似 | ˇ | |||
| 輕質(zhì)混凝土耐久性指標(biāo) | 電阻達(dá)57~82k-cm，電滲值低於1000庫(kù)崙 |
ˇ | |||
| 輕質(zhì)混凝土熱傳性質(zhì) | 熱傳導(dǎo)係數(shù)0.53~0.65w/mk | ˇ | |||
| 建築物結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)效益分析 | 以往研究成果報(bào)告內(nèi)容，僅在版牆使用輕質(zhì)骨材混凝土。 | 版梁柱、小梁結(jié)構(gòu)分析 | 可節(jié)省斷面>=30% | ˇ | |
| 各部位之經(jīng)濟(jì)分析 | 增大建築物可使用空間 | ˇ | |||
| 各部構(gòu)件之施工性 | 高流動(dòng)性鋼筋密集處 | ˇ | |||
| RC建築物耗能分析 | 以往未進(jìn)行輕質(zhì)與常重使用於RC建築物之評(píng)估差異性能與比較 | 評(píng)估方法採(cǎi)用ENVLOAD指標(biāo) | ENVLOAD降低7~13% | ˇ | |
| 評(píng)估實(shí)際建築物共四棟，分別以住宅及辦公用途分析 | |||||
| 建築物外界空調(diào)負(fù)載分析 | 以往未進(jìn)行輕質(zhì)與常重使用於RC建築物之評(píng)估差異性能與比較 | 評(píng)估方法採(cǎi)用Carrier計(jì)算方式 | 建築物外界空調(diào)負(fù)載降低30~87% | ˇ | |
| 評(píng)估實(shí)際建築物共三棟，分別以住宅及辦公用途分析 | |||||
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(diǎn)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(jì)與一般房屋建築設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上有三個(gè)主要不同點(diǎn)。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(zhǎng)度之處設(shè)有伸縮縫。以簡(jiǎn)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(gè)橋墩分擔(dān)地震力。第二是因應(yīng)橋下河川之流動(dòng)及行車之需要，一般橋墩之?dāng)嗝婢匝貥蜉S方向較扁，而沿側(cè)向則較長(zhǎng)之設(shè)計(jì)方式，因此此軸向之耐震力較弱。而第三點(diǎn)則是沿橋軸向有呈現(xiàn)「弱柱強(qiáng)樑」之傾向。強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，常會(huì)造成橋墩破壞，而對(duì)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後左右擺動(dòng)與扭動(dòng)現(xiàn)象，而地震力愈強(qiáng)之情況下，則其擺動(dòng)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(dòng)量較小的橋臺(tái)在伸縮縫之處發(fā)生碰撞現(xiàn)象，因而導(dǎo)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(fù)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?yàn)槠浠A(chǔ)土層強(qiáng)度不足而使橋樑傾斜，移動(dòng)甚至崩塌及全毀的現(xiàn)象。而土壤產(chǎn)生液化，導(dǎo)致橋樑破壞現(xiàn)象，則需對(duì)土壤可能發(fā)生液化之潛能進(jìn)行評(píng)估。有些橋樑可能由於大樑支撐長(zhǎng)度不足，當(dāng)受到像此次地震的大震幅，則將導(dǎo)致橋面板連同大樑被震落。早期耐震設(shè)計(jì)觀念係以結(jié)構(gòu)物在設(shè)計(jì)載重下必須維持彈性行為。若考慮強(qiáng)裂地震之作用，則不僅設(shè)計(jì)斷面不具經(jīng)濟(jì)性，且施工上亦有困難。接著有塑性設(shè)計(jì)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?dāng)嗝娉叽?，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(shí)，可以判斷橋墩之塑性尚未充分發(fā)揮。強(qiáng)震後必須對(duì)結(jié)構(gòu)體上所發(fā)生的局部損傷進(jìn)行一些維修與補(bǔ)強(qiáng)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，由於橋樑的設(shè)計(jì)水平地震力與其自重成正比，故地震力可相對(duì)地減小。另外其強(qiáng)度又可達(dá)到10,000psi之高強(qiáng)度，坍度也可達(dá)25公分以上，相信可以自行流動(dòng)至密集之鋼筋處充填而不需使用機(jī)械振動(dòng)方式，如此混凝土設(shè)計(jì)與施工方式必定會(huì)在耐震效果發(fā)揮相當(dāng)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(yù)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，或打鋼管樁後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(jì)與節(jié)省重量耐久
2.橋臺(tái)之跨距可拉長(zhǎng)，有利於航行與海洋牧場(chǎng)養(yǎng)殖
3.可減少橋面板所需預(yù)力鋼數(shù)量
4.可解決跨度不對(duì)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(jiǎn)便
7.可節(jié)省橋墩基礎(chǔ)施工費(fèi)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(fèi)用10.以美觀、品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)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(cuò)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(cuò)位壓潰、堤岸道路擋土牆崩塌、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)骨材混凝土由於具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高及耐久、耐震等特性，因此可使新建橋樑之橋面板細(xì)薄，橋柱細(xì)長(zhǎng)，船隻航行之淨(jìng)空提高及跨距增長(zhǎng)，使得橋樑工程能達(dá)到採(cǎi)用天然造型、堅(jiān)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(jì)所展現(xiàn)的新、奇、及美感更是使土木之美發(fā)揮至極點(diǎn)。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(jì)利益。尤其是具長(zhǎng)跨度之懸臂連續(xù)樑及斜張橋樑之構(gòu)築為未來交通建設(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(jì)、自然景觀與生態(tài)環(huán)境保護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，輕質(zhì)骨材混凝土將是一種優(yōu)生採(cǎi)用的重要材料。
國(guó)內(nèi)發(fā)展輕質(zhì)骨材混凝土橋樑，由於已研發(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(cè)試，才能瞭解其真正之性能。因此在應(yīng)用輕質(zhì)混凝土於國(guó)內(nèi)之橋樑工程上應(yīng)可先作一個(gè)先導(dǎo)性橋樑，如同國(guó)內(nèi)曾引進(jìn)預(yù)力橋一樣，可以充分瞭解其在實(shí)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(tái)灣地區(qū)橋樑的技術(shù)水平而努力。
| 應(yīng)用形態(tài) | 現(xiàn)今之使用量 | 使用之形式或斷面 | 與一般混凝土相較下所具有之性質(zhì)及優(yōu)越點(diǎn) |
| 橋之主樑 | 有一些 | 場(chǎng)鑄懸臂樑 I型或T型橋加場(chǎng)鑄橋面板 箱型樑 中空板 節(jié)塊斷面 |
可降低自重量 可減少結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)負(fù)荷 易於搬運(yùn)和安裝 可減少一些假設(shè)工作 |
| 橋面板 | 有一些 | 場(chǎng)鑄和預(yù)鑄橋面板 場(chǎng)鑄橋面板再加上I型樑 |
可降低自重量 可減少一些假設(shè)工作 |
| 天橋 | 相當(dāng)多 | I型樑 T型樑 箱型樑 節(jié)塊斷面 |
可降低自重量 易於搬運(yùn)和安裝 可減少一些假設(shè)工作 |
| 橋墩 | 有一些 | 橋墩 | 可減少浸水重量 可降低搬運(yùn)和運(yùn)輸費(fèi)用 撓度及能量之吸收能力佳 |
| 浮橋 | 有一些 | 浮箱 | 可減少浸水重量 撓度及能量之吸收能力佳 |
五、結(jié)論與建議
1.臺(tái)灣水庫(kù)淤泥非常適合製造輕質(zhì)骨材。2.水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。
3.水庫(kù)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)供工程界應(yīng)用。
5.水庫(kù)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(chǎng)。
7.建議串聯(lián)「研發(fā)，製造，生產(chǎn)，品保，運(yùn)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(chǎng)。
8.政府需投資研究發(fā)展建立產(chǎn)官學(xué)間規(guī)範(fàn)典章。
9.本技術(shù)相當(dāng)符合資源永續(xù)的精神，可達(dá)到綠色建材的目標(biāo)?！?BR>
參考文獻(xiàn)
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11.王洪鎧譯，「空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)」(譯自Handbook of Air Conditioning System Design Pub. by Carrie Co.)，徐氏基金會(huì)出版，臺(tái)北(1980年)。
12.張荻薇、王炤烈、宋裕祺，「921集集大地震橋樑震害勘察報(bào)告」，土木技術(shù)第21期，pp.50~60臺(tái)北(1999年)。
13.林維明，「由九二一集集大地震的橋樑災(zāi)情談?shì)p質(zhì)混凝土在橋樑工程上應(yīng)用之可行性」，臺(tái)灣公路工程第26卷第12期，pp.41~62臺(tái)北 (2000年)。
14.林呈、孫洪福，「見證921集集大地震(上)」，pp.33~332，麥格羅希爾出版公司，臺(tái)北(2000年)。
摘自：中國(guó)混凝土網(wǎng)
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