高爐石水泥混凝土應用於鋪面工程之施工規範問題探討

☆ 房性中

摘要
         國內的高爐石材料係中鋼公司在煉鐵過程中所衍生之工業副產品，基於土木工程粒料日益短絀、材質江河日下之窘境，為達物盡其用之目的，近十年來，產、官、學各界先進針對「高爐石材料」均多所研究暨推廣。
         國外如以日本而言，亦將高爐石材料予以規格化及精緻化，且其所擬定之規範規定，皆具成熟度及務實性，堪供國內業界參考使用之。
         本文擬就高爐石水泥混凝土應用於鋪面工程時，所需編撰施工規範之條件、限制、依據、作業準則及注意事項等，提出綱要性的敘述暨筆者個人淺見，希有助於業界酌參、採用之。並祈不吝賜教。

一、前言

         台灣及日本等地區將高爐石水泥混凝土材料使用於土木工程已有相當久之歷程，基於經驗的累積及資料日益豐富，故中外皆逐步完成高爐石水泥混凝土之檢、試驗標準規定、使用推廣手冊、設計準則及施工規範等重要文獻；國內之行政院公共工程委員會基於本項大勢之所趨，亦於數年前聘請各界專家、先進編寫「公共工程高爐石混凝土使用手冊[文獻(1)]一書，業於民國90年4月頒布實行。
         由於台灣地區天然粒料日益缺少、資源有限，公共工程鋪面建設又屬最大宗的項目之一，以至於鋪面工程採用高爐石水泥混凝土的方式，成為不錯的選擇方案；近年來，筆者所承辦之業務、以及國內高速公路施工技術規範改版[文獻(2)]，均增列之。故其成效已粗具規模、有利於推廣採用。
         本文擬就編寫「高爐石水泥混凝土應用於鋪面工程之施工規範」的重要事項、條款精神、規定依據等項目，作扼要性的敘述，俾利從業人員卓參暨使用。

二、高爐石水泥混凝土材料使用規定

(一)高爐石水泥混凝土定義
         傳統採用之水泥混凝土中，若使用高爐水泥[文獻(3)]、或使用高爐石粉作為添加劑或部份使用高爐水泥且不足之部份再使用高爐石粉添加劑等三種方式所形成者，皆可稱之為「高爐石水泥混凝土」。
         目前國內業者大多採用第二種方式，但第一或第三種方式較能確保品質，宜落實運用之機制。
(二)高爐石粉定義
         煉鐵過程中所產生之爐碴，以水淬方式冷卻再經研磨而成之細粉，稱為「高爐石粉」。
         由於水淬高爐石含有高量之玻璃質且具潛在之膠結能力，故研磨成細粉之後與水泥混合使用，則會產生「卜作嵐」效應，形成類似水泥熟料之水化物C-S-H膠體。然而同屬爐石材料的氣冷爐石、轉爐爐石及電弧爐爐石等三類均不具備此項特性，故在選用水淬高爐石時，需符合CNS 12223[文獻(4)]之規定。
(三)高爐石粉使用規定
         1.高爐石粉之物理性質應符合CNS 12549[文獻(5)]之規定，且其比重值以2.80以上為宜。其他相關之試驗項目及規範值，詳表一所列。
         2.高爐石粉之化學成分限制應符合CNS 12549之規定，詳如表二所列。
         3.高爐石粉依活性指數分類，可分為80級、100級和120級等三級(詳表一所示)。
         4.高爐石粉之比表面積值，依CNS 12549之規定，必須達到2800cm2/g以上，惟實際使用時以4000cm2/g以上較優。依日本JIS A6206[文獻(6)]之規定，依比表面積之大小分為三種，其品質要求詳如表三所列。若考量高流動性或高強度為目的時，應使用6000或8000 cm2/g以上者較佳。
(四)高爐水泥使用規定
         1.高爐水泥依照文獻(3)CNS 3654之規定，可分為下列之型別：
(1)IS型：用於一般混凝土構造之卜特蘭高爐水泥。
(2)IS-A型：用於一般混凝土構造之輸氣卜特蘭高爐水泥。
(3)IS(MS)型：用於中度抗硫酸鹽之卜特蘭高爐水泥。
(4)IS-A(MS)型：用於中度抗硫酸鹽之輸氣卜特蘭高爐水泥。
(5)IS(MH)型；用於中度水合熱之卜特蘭高爐水泥。
(6)IS-A(MH)型：用於中度水合熱之輸氣卜特蘭高爐水泥。
(7)IS(MS-MH)型：用於中度抗硫酸鹽及中度水合熱之卜特蘭高爐水泥。
(8)IS-A(MS-MH)型：用於中度抗硫酸鹽及中度水合熱之輸氣卜特蘭高爐水泥。          2.高爐水泥之物理性質應符合文獻(3)CNS 3654之規定，詳如表四所列。
         3.高爐水泥之化學成分限制應符合文獻(3)CNS 3654之規定，詳如表五所列。
         4.日本高爐水泥之品質規格詳如表六所列。


(五)水泥、粒料及拌和用水使用規定
1.水泥：
         水泥品質應符合CNS 61 [文獻(7)]或公共工程施工綱要規範[文獻(8)]第03052章「卜特蘭水泥」之規定。
2.粒料：
         粒料品質應符合CNS 1240 [文獻(9)]或文獻(8)第03053章第2.1.2節之規定。
3.拌和用水：
         拌和用水品質應符合CNS 13961 [文獻(10)]或文獻(8)第03053章2.1.3節之規定。



(六)添加劑
         有需要而必須使用添加劑時，應符合下列各項指定之規範或相關特定條款之規定：
1.CNS 3036 [文獻(11)]。
2.CNS 3091 [文獻(12)]。
3.CNS 12283 [文獻(13)]。
4.CNS 12833 [文獻(14)]。
5.ASTM C494 [文獻(15)]。

三、訂定施工規範之準則

(一)說明
         高爐石水泥混凝土係指使用高爐石粉作為添加劑或直接使用高爐水泥與細粒料、粗粒料及水混拌而成，經工程司同意，得使用其他添加劑，組合而成之水泥混凝土。
         高爐石水泥混凝土需依施工規範、特定條款、設計圖所示或工程司指示之線路、高程、厚度及斷面尺寸，於鋪設完成之基層、底層或路基上澆置而成剛性路面。
(二)材料
1.水泥：
         應符合CNS 61、CNS 3654或文獻(8)第03052章「卜特蘭水泥」之規定。
2.細粒料：
         應符合CNS 1240或文獻(8)第03053章「水泥混凝土之一般要求」之規定，並嚴禁採用海砂。另可依據CNS 13407 [文獻(16)]辦理水溶性氯離子含量之測定。
3.粗粒料：
         應符合CNS 1240或文獻(8)第03053章之規定。
4.拌和用水：
         應符合CNS 13961或文獻(8)第03053章之規定。
5.附加劑：
         高爐石水泥混凝土所使用之附加劑與普通之卜特蘭水泥混凝土所採用者大致相同，沒有特別差異。唯使用各種不同的種類或型別時，需個別符合相關之規範，並應提請工程司認可。
(三)配合設計基本要求
1.應考慮之注意事項：
         (1)耐久性要求。
         (2)規定抗彎強度之大小。
         (3)規定抗彎強度之齡期。
         (4)早期設計強度之管制。
2.施工規範中應標明之項目：
         (1)最大水膠比。
         (2)最少水泥用量。
         (3)空氣含量。
         (4)坍度。
         (5)粒料最大粒徑。
         (6)強度。
         (7)其他要求。
(四)施工
         高爐石水泥混凝土之產製與施工之工作項目包括材料計量、拌和、輸送、澆置、表面修飾、養護及拆模等，其重點扼要說明如下：
1.高爐石粉配料計量：
         (1)計量精度要求與水泥相同。
         (2)以單獨計量較宜，若與水泥使用相同的設備累積計量時，則其下料稱重應跟隨在水泥之後。
2.拌和：
         (1)為減少浮水，可適當增加拌和之時間。
         (2)若採用高爐水泥，其拌和與一般水泥之規定相同。
         (3)拌和時間應依CNS 3090 [文獻(17)]之規定辦理。
         (4)拌和時間之計算，應自所有固體材料全部放進拌和機時起算，至於拌和所需之附加劑水溶液，應在規定拌和時間的前　25%時段內注入完畢。
3.輸送：
         (1)與一般之水泥混凝土的輸送方式無異。
         (2)為避免降低耐久性、強度及衍生紋裂等考量，拌和完成之成品，嚴禁再行「加水」。
4.澆置：
         (1)為控制工作性，水膠比相同時，坍度值將因高爐石粉用量之減少而降低。同時在冬天施工時，應減少「減水緩凝劑」之使用量，以避免凝結時間過長。
         (2)改善浮水量應適當降低拌和用水量、或添加適量之輸氣劑、石粉與飛灰。
         (3)控制澆置速率，以免發生爆模現象，在冬天施工時，應特別調整緩凝劑之用量。
5.表面修飾：
         (1)進行表面修飾前，可先行選取小面積或次要區域之澆置面試作之。
         (2)修飾時機可酌予延後或作二次修飾。
         (3)應及早進行養護作業，以避免增加塑性收縮龜裂之機率。
6.養護：
         (1)養護時間至少需持續7天(含)以上。
         (2)養護溫度需全程掌握，若溫差變化劇烈，將損及強度暨耐久性。
         (3)在浮水消失前，即應進行養護作業；故養護時機的評估至為重要。
7.拆模：
         (1)應以高爐石水泥混凝土的強度來決定拆模時間。
         (2)若欲提前拆模，應研擬適當的再撐措施。
         (3)一般而言，其拆模時間較傳統之混凝土為慢，且需要更長的養護期程。
(五)檢驗
1.高爐石粉與高爐水泥之品質管制：
         (1)進料品質管制：
A.查核出廠證明。
B.定期查核檢驗報告。
C.訂定合理的試驗頻率。
D.若有疑慮時，應增加試驗頻率並檢討改進相關之品管措施。
E.料源應維持穩定。若有變化時，應重新辦理品質管制作業。
         (2)儲存管制：
A.應存放於密閉料倉內以防受潮及污染。
B.各料倉之進料口處應明確標示材料種類並加鎖管制。
C.檢查是否有洩漏，並應於進料時避免溢出而造成與其他材料混雜之現象。
D.輸送、計量等相關設備應與普通水泥分別設置、運用，並定期查驗與清理。 2.高爐石水泥混凝土施工品質管制：
         (1)產製：較普通混凝土之拌和時間為長，因此對於產製作業應特別管制。
         (2)輸送：產製完成之成品應儘速運達工地，並嚴禁再加水及任何材料。
         (3)澆置：澆置前必須檢視工作度，若坍度不合規定時，應依相關規範辦理。
         (4)搗實：應適當充分地搗實，過與不及皆將損及施工品質。
         (5)養護：養護之作業至為重要，並可作為決定拆模或施加預力時間之依據。
         (6)拆模管制：配合養護之作業，宜審慎進行拆模時機之評估。避免太早拆模而衍生後遺症。
3.品質檢驗：
         取樣進行品質檢驗，可依照土木402[文獻(18)]第17章之規定辦理。
4.品質評定與認可：
         可依照文獻(18)第18章與第19章之規定辦理。

四、注意事項與建議

         1.高爐石水泥混凝土運用於鋪面工程時，仍應採用抗彎強度為控制之機制。
         2.高爐石水泥混凝土雖有三種使用高爐石粉或高爐水泥之方式，仍建議業界以品質為優先考慮之項目較宜。
         3.高爐石水泥混凝土之特性不外乎早期強度較低、後期強度較高，而耐久性、抗氯離子、硫酸鹽及鹼性粒料之能力亦優於一般傳統之混凝土。故在使用時應特別留意因不同之工程特性而指定其強度值、高爐石粉或高爐水泥之級別及替代率、養護及拆模時間等項目。
         4.設計者應建立試拌、試作之觀念，切忌照本宣科或閉門造車地撰寫施工規範。
         5.高爐石水泥混凝土之推廣，應以性能之需求及安全性考量為主，產、官、學各界似乎不宜太過重視其「省錢」效益。

參考文獻

1.行政院公共工程委員會，“公共工程高爐石混凝土使用手冊”，2001年4月。
2.交通部台灣區國道高速公路局，“國道高速公路施工技術規範研修計畫期末報告定稿”，1998年8月。
3.CNS 3654，“卜特蘭高爐水泥”，1999年10月。
4.CNS 12223，“水淬高爐爐碴”，1997年10月。
5.CNS 12549，“混凝土及水泥墁料用水淬高爐爐碴粉”，1993年12月。
6.日本土木學會，“高爐石粉末應用於混凝土施工指針”，1996年。
7.CNS 61，“卜特蘭水泥”，1996年12月。
8.行政院公共工程委員會，“公共工程施工綱要規範”，2000年8月。
9.CNS 1240，“混凝土粒料”，1998年6月。
10.CNS 13961，“混凝土拌和用水”，1997年11月。
11.CNS 3036，“卜特蘭水泥混凝土用飛灰及天然或煆燒卜作嵐攙和物”，1997年10月。
12.CNS 3091，“混凝土用輸氣附加劑”，1997年10月。
13.CNS 12283，“混凝土用化學摻料”，1997年10月。
14.CNS 12833，“流動化混凝土用化學摻料”，1997年10月。
15.ASTM C494，“Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete”，2001。
16.CNS 13407，“細粒料中水溶性氯離子含量試驗法”，1998年6月。
17.CNS 3090，“預拌混凝土”，1998年6月。
18.中國土木水利工程學會，“混凝土工程施工規範與解說 (土木402-88)”，1999年。