-以高鐵C215標全跨徑預鑄橋樑工法之養生為例
□吳建憲／台灣高速鐵路股份有限公司/ C215標
□林志棟／國立中央大學土木系教授
本文探討以施工自動化工法縮短工期，其施工循環週期必須有效壓縮才能達成，其中以混凝土養護時程空間最長，透過蒸汽養生縮短養生時間，進而增加經濟效率，本研究針對高鐵C215標Viaduct 2段之全跨徑預鑄橋樑工法進行相關文獻之彙整與探討，以期養生之時程達到最佳化模式之經濟效益。 |
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一、前言 
國內對蒸汽養生的相關研究十分缺乏，未能加入適當運用，這方面研究與推廣對營建工程自動化、縮短時程、高效率與高性能等方面助益良多；為有效的提昇現地蒸汽養生效率，故對現地蒸汽養生之最佳化進行相關的研究及分析，希望藉由此能提昇國內在蒸汽養生的技術發展。橋樑施工現地養生技術的管理與品質控制，能提高其經濟效益，藉由實驗室試驗與工地試驗之方法，找出與蒸汽養生相關性項目與相互間之影響因素，分析出最佳化之效益，基於上述動機，期望蒸汽養護成效達到下列四項目的工程經濟效益： 1. 品質提昇 2. 節省勞力 3. 有效縮短工期 4. 降低成本 本文探討混凝土蒸汽養生品質，擬採下列數項方式進行： 1.工地調查概況 調查以台灣高速鐵路C215標全跨徑預鑄橋樑工法蒸汽養生現況案例，進而掌握蒸汽養生的實際狀況，以利試驗的規劃與分析。 2.文獻回顧與整理 針對相關研究文獻與混凝土相關規範及文獻等等之書面資料之蒐集彙整。 本研究架構可分為工地調查概況、文獻蒐集與參考、混凝土相關規範、試驗規劃與方法等四大部分；試驗規劃與方法部分從實驗室試驗與工地試驗兩方面著手，根據實驗部分來作最後資料分析與結論，整個研究流程如圖一所示。 
二、文獻回顧 (一)工地調查概況(C215標全跨徑預鑄橋樑蒸汽養生現況)為了解混凝土橋樑現地養生現況，本研究針對高鐵C215標全跨徑預鑄橋樑工法，進行養生資料蒐集與調查，透過資料蒐集與現地調查便能夠了解，掌握現地養生的實際狀況，以利進一步試驗的規劃與分析。針對蒸汽養生做一概括性介紹： 1.全跨徑預鑄橋梁生產 於預鑄廠內鑄造生產全跨徑箱型梁，整個施工過程係採自動化與標準化之不間斷生產循環所構成，因此又兼具工廠化(Factory)之特色，其橋寬13公尺、橋梁跨徑主要為25及30公尺等兩大類，橋梁總計563跨；30公尺長之箱型梁混凝土用量，約為280立方公尺，25公尺長之箱型梁混凝土用量，約為230方公尺，每跨澆置時間約四至六小時，三條生產線每週約可生產八支箱型梁，蒸汽養生的方式為橋梁整跨一體養生。 生產線配置分為鋼筋綁紮區(分底腹頂板鋼筋籠及端隔梁鋼筋籠綁紮兩小區)、混凝土澆置區(同時也是先拉預力工作區)、模板設備整理暨暫置區(含箱型梁後拉預力區及箱型梁修飾工作區)等。箱型梁生產流程，其生產流程如圖二所示，步驟如下： 2.蒸汽養生設備 (1)鍋爐： 在蒸汽養生過程中，鍋爐是提供養生熱源的設備，通常選取以其容量能使養生區域在養生時間內維持最高恆溫為原則，鍋爐可採移動式與固定式，其於預鑄場內生產故鍋爐採固定式，又因橋梁養生面積較大，採三套鍋爐(2T/套)養生。 (2)蒸汽管架與蒸汽管： 蒸汽管的作用在於負責將養生過程中，鍋爐所所產生的蒸汽傳遞至養生區域，蒸汽管有主副管之分，主管設開關閥，以控制鍋爐進入副管的時機，副管則每隔一適當的間距設置大小適當的噴孔，以提供混凝土養生足夠的蒸汽。 (3)養生棚： 現地蒸汽養生是採用臨時架設養生棚將養生區域包圍，使熱蒸汽輸入養生棚內以養生混凝土，因此其具有可耐熱、可流通與密閉性佳之特性。 
3.蒸汽養生程序廠內配置蒸汽養護鍋爐房設備，三條生產線共配置三個蒸汽鍋爐，每個鍋爐產能為2T/小時(傳熱效能為9.9 kgf/cm2)，每條生產線再配置進氣管、溫控設備及遮蓋帆布等設備；待混凝土初凝後，開始蒸汽升溫，二小時後蒸汽溫度達到60℃~ 65℃，維持該溫度六至十小時，再降溫約二小時至常溫，即完成蒸汽養護。全程蒸汽養護時間約十二至十六小時。然橋梁現地蒸汽養生有其固定養生程序，將現地蒸汽養生流程分述如下，流程圖如圖三所示： (1)澆置混凝土 在澆置混凝土時須同時進行下列作業： ◆對養生設備、鍋爐用料、與電源檢查，以確保蒸汽養生得以順利進行。 ◆放置混凝土抗壓試體。 (2)前置時期 在混凝土澆置完成後，而蒸汽養生開始前這段時間稱為前置時間，其應視混凝土之初凝時間長短而定，一般通常為二至五小時。 (3)配設蒸汽管 在混凝土澆置完成後蒸汽養生開始前，應將蒸汽主、副管配管完成，以使蒸汽能有效均勻分佈於養生區域。 (4)架設養生棚 在蒸汽配管架設完成後，應即以耐熱帆布架設一離混凝土養生面約為30~40公分高之密閉養生棚，以利棚內蒸汽均勻流通，使養生溫度均勻分佈，達到預期養生效果。 (5)增溫階段(如圖四所示) 現地增溫階段溫度增加速率不可過快，一般現地規劃上以不超過25℃/hr為原則。 (6)恆溫階段 一般經增溫期將養生棚溫度增至60℃~ 70℃左右後，即開始蒸汽養生的要階段一恆溫期。 (7)降溫階段 降溫過程中，溫度應以不超過25℃/hr的速率徐徐減少，直到較外界大氣溫度高約10℃為止，降溫完成後即可拆除養生棚與蒸汽配管，以便進行後續施拉預力的工作。 (二)混凝土相關規範 蒸汽養生最主要的優點在於能快速增加混凝土強度，於適當的養護過程下，超過60%之溼室養護下的28天混凝土抗壓強度，可以在24小時內達到，但許多調查及試驗過程中也發現，養護過程中較高的初期溫度會減少晚期之抗壓強度，至於抗張與撓曲強度及彈性模數，在養護過程中也有類似抗壓強度的變化，只是程度較抗壓強度為小【1】。 1.強度 (1)前置時間對強度的影響：由於混凝土剛澆置完成，水化反應尚未達到混凝土硬化之程度，必須有一段前置時間，使混凝土穩定，若此段時間過短，則蒸汽養生可能影響強度之發展。Shiedeler等【2】指出，養護溫度愈高時，需較長之前置時間，其早期強度(24小時)愈佳。可見適當之前置時間，混凝土早期硬化佳，對於溫度造成之熱應力抵抗較佳，使混凝土足以形成足夠之抗張強度，可減少蒸汽養生過程中生成裂縫，降低晚期強度之損失。 (2)升溫速率對強度影響：Hanson【3】之研究顯示，在適當的前置時間下，自11℃/hr至44℃/hr的升溫速率都不會對混凝土早期與晚期強度造成影響，但若未有適當之前置時間，過高的升溫速率，對強度有不利之影響，將造成強度損失，且升溫速度愈高，對強度之影響則愈大，原因同前所訴述，由於無適當前置時間則使混凝土早期硬化較差，易於產生開裂縫所致。 (3)養護溫度及時間對強度影響：Klieger【4】研究即指出，較高的養護溫度，使混凝土早期強度較高，但晚期強度之損失亦較大，因為溫度愈高，混凝土固然因水化反應加速，造成強度快速增加，但卻因內外溫度差形成熱應力裂縫及較大孔隙，造成強度損失。 (4)溫度超過會造成晚其強度影響：Shideler【2】提出超過74℃之養護溫度，對混凝土強度將造成損害。Nasser等【5】有關於巨積混凝土之相關研究也顯示，溫度超過71℃之養護溫度會導致混凝土晚期強度的損失，因此損失即溫度升高而加大。; 2.滲透性 一般混凝土設計方向為強度與耐久性並重，而混凝土之耐久性評估時，滲透性是極為常見且重要之指標。由於蒸汽養生過程不僅水化反應加速，造成孔隙體積增加，內外溫度又導致形成裂縫，因此蒸汽養生使混凝土滲透性增加。Higginison【6】建議指出，在蒸汽養生後持續進行水養護，可有效改善滲透性，原因為使混凝土得以持續進行水化反應，使孔隙減少而降低滲透性；但在適當的前置時間下，即使不在蒸汽養生後持續進行水化養生，滲透性仍可以控制在一般濕室養護的水。 3.乾縮 Higginison 【6】指出，混凝土乾縮量會隨養護時間或溫度增加而降低，因此蒸汽養生可以降低混凝土乾縮量。由於蒸汽養生除了使強度加快外，也提高混凝土的彈性模數，使混凝土不易收縮變形，而並非混凝土乾燥速率或膠體型態及組成改變所致。 4.潛變 蒸汽養生也會降低混凝土之潛變量，與乾縮之情況類似，原因部份是由於水化反應的加速，部份則在於熱試體移至乾冷處造成水份損失所致。 5.蒸汽養生對預力混凝土的影響 蒸汽養生為在大氣壓力下，以飽合蒸汽進行養護，其溫度需在100℃以下，根據ACI Committee 517的建議【1，7】，關於預力及預鑄混凝土之養護，由於多項因素相互的作用，影響強度與其它混凝土性質，而有助於提高早期強度的因素通常與提高晚期強度互相衝突。 6.水泥成份 所有符合規範要求條件，可用於一般未進行蒸汽養生之混凝土中之水 泥、骨材及水，皆可使用於進行蒸汽養生之混凝土。但不同水泥有不同之最佳養護流程，且不同骨材在高溫下也有不同之反應【8】。含水量、水灰比及坍度愈低愈好，以縮短前置時間，增加早期強度，其中影響強度最主要的為水灰比〈水灰比0.3~0.4間最佳〉，較低之水灰比其早期強度較佳外，養護後易達到施拉預力之目標強度，耐久性亦較佳。【8】 7.化學摻料 高性能減水劑(Type F、G)之目的在於降低水灰比，提高混凝土早期強度，但經試驗顯示，為達到低水灰比，較高劑量之高性能減水劑用量，會延長初凝時間【11】【12】。高性能減水劑之添加時機，應於拌合時延遲加入，即在水泥和水反應數分後加入，可穫得最佳之早期強度。 8.養護流程 (1)前置期：前置期為混凝土配料拌合後至初凝〈initial set〉完成之時間，於此段期間，水泥水化反應開始，混凝土初始硬化，並供混凝土於蒸汽中之穩定性，此段時間為蒸汽養生效果，具決定性的影響。 (2)升溫期：此時期為將混凝土溫度予以控制之速率上升至所需最高溫度，在適當的前置期後自11℃/hr~44℃/hr升溫速率，在品質或經濟考量方面下都有較佳效果，而對於混凝土早期或晚期強度幾乎沒有影響。 (3)高溫期：此段時間為混凝土或周圍之溫度維持在加溫所達至最高溫度，而能使混凝土強度得以進行處理預力或搬運的程度。 (4)冷卻期：快速冷卻時在較厚且尺寸大混凝土單元之表層會形成裂縫，因此以採用較低冷卻速率，避免使混凝土面形成裂縫之產生。 (三)相關性分析之介紹 
相關分析是探討隨機變數間關係的方向及關係程度的統計方法。其代表的意義如下兩點所述：1.正值表示正相關，變數Y的值隨變數X的值增加而傾向增加;反之，負值表示負相關，變數Y的值隨變數X的值增加而傾向減少。 2.在一些變數之間彼此結合程度有高、低，兩種變數之關係很高，其意義它們幾乎由同一因素決定。 (四)『SPSS』統計分析軟體介紹 SPSS是「社會科學統計套裝軟體」(Statistical Package Social Science)的簡稱，由於其簡易的操作界面，資料處理快，其包括統計方法分析與解說、結果報表呈現與解釋，頗具實用與參考價值。本研究內容之資料分析則藉由此套裝軟體進行統計方法分析、結果與解釋與應用回歸分析方法來進行資料之分析比較。 三、試驗計劃與研究方法 本研究範圍可分為實驗室試驗與工地試驗兩大部分：首先，在實驗室試驗部分，製作4hr、6hr、8hr、10hr、12hr、13hr等六種不同時間之混凝土試體以及不同尺寸試體(10*20cm，12*24cm，15*30cm)，藉由蒸汽養護條件及不同養護面積，再進行抗壓試驗來了解養生之最佳時間及養生面積之關係，以作為後續工地試驗部分之參考和推估；在工地試驗部分，根據實驗室部分來針對主要幾個代表項目作進一步研究。(一)試驗材料 本試驗所採用之材料如下所列： 1.水泥：採用台灣水泥公司所生產的第Ι型波特蘭水泥，比重為3.15。 2.細骨材：所使用的骨材為粗砂、細砂兩種。 3.粗骨材：所使用的骨材為2分石、1分石兩種。 4.添加劑：Type F。 5.拌合水：使用一般的自來水拌合。 6.拌合配比：其配比如表一所示。 (二)實驗室試驗 1.最佳蒸汽養生時間試驗：製作4hr、6hr、8hr、10hr、12hr、13hr等六種不同時間之混凝土試體，進行實驗室蒸汽養護試驗，找出蒸汽養護最佳時間。 2.蒸汽養生後之強度發展：最佳養生時間決定後，另製作三組試體(60、90、180天)蒸汽養生完成後，作為蒸汽養生後之強度發展分析。  (三)工地試驗 在工地試驗部分，根據實驗室部分來針對主要下列所述之代表項目，做為進一步研究探討；針對主要代表項目可分為兩部分：一為紀錄時間與溫度(澆置溫度、室外溫度、養生時間、吊梁時間等等)；二為製作抗壓試體(拆模時強度、吊梁時強度、7天與28天時強度、蒸養後持續水養生與自然養生等等)。項目如下列：
1.澆製時混凝土溫度與蒸養拆模時間-0.473，且顯著水準為0.01。 2.澆製時混凝土溫度與拆模強度0.503：由於施工規範規定混凝土澆置溫度不得大於33℃ ，故影響程度較低。 3.拆模時間與拆模強度0.503且顯著水準為0.01。 4.蒸養後拆模時間與拆模強度0.503：表示強度愈高則蒸養時間需愈長。 5.蒸養後拆模時間與吊樑時間 0.406且顯著水準為0.01。 6.蒸養後拆模時間與水養28天混凝土強度-0.385：拆模時間愈快則實物28天的抗壓強度愈不能與水養28天抗壓強度相符。 7.蒸養後拆模時間與蒸養時週遭環境溫度-0.450：表示環境溫度愈低則蒸養的時間需要愈長。 8.澆置時混凝土溫度與蒸汽時室外溫度0.426。 9.蒸養後，拆模強度與蒸養時室外溫度0.444，表示強度受周遭環境溫度影響。 表四 工地試驗值統計總表 
表五 相關性分析  ** 在顯著水準為0.01時(雙尾)，相關顯著 * 在顯著水準為0.05時(雙尾)，相關顯著 10.吊梁時間與吊樑時混凝土強度0.512：本項分析可評估當預鑄梁吊至現場時混凝土是否能承受之後運梁車+預鑄梁的重量(1000T的重量)。
五、成效評估 由上述分相關性分析的結果對整個工程的品質、工期、人力、機具評估，其結果如下：1.品質：以工程品質評估 (1)養護時程關係混凝土的品質，經試驗分析及混凝土抗壓試驗結果，其提早達到混凝土強度之預期目標與實際結果有過之而無不及。 (2)經試驗結果分析，蒸汽養生其混凝土材料、品質、強度、耐久性等等皆控管維持達良率水準以上。 2.工期：以施工效益評估 (1)蒸養完後拆模時間13~35hr，其差距22hr，表示工地對於蒸汽養生的時間控管未甚理想。 (2)蒸養完後拆模時間，差距(約41.4%)若能以最佳化之時程，其工期效益尤為可觀。 3.人力：以施工作業人力效益評估 蒸養以最佳化之時程，作業循環相同，且高度機械化、自動化之施工方式，提高施工效率，不致有施工人力之閒置或增加人力損耗成本。 4.設備：以設備成本效益評估 (1).其主要在於設備租金、施工時程、施工人力等間接成本上之節省。 (2)在整體施工時程、施工人力等間接成本上的降低，相對的設備租金亦即降低， 成本節省甚為可觀。 六、結論與建議 1.研究結果得知高度機械化、自動化之施工方式，養生方式之決定關係整體工程佔很大比率之影響。2.研究探討得知蒸汽養生品質與技術，為工程施工中重要之一環節，克服影響因素決定最佳化之施工方法是業界重要課題之一。 3.以品質的角度而言品質工作與統計計量分析的技術的結合可提高施工與品質效率，降低工程成本。 4.蒸汽養生施行多年，尚有許多值得研究探討發展空間，如蒸汽配管、溫度控制等。 5.品質工作與統計分析技術的結合，將有利於現場施工。 6.品質文件及相關報告的確實性，將有助於現場工作的調整。 7.品質文件及相關報告，不再只是稽核或查核的證據，品管人員應將這些文件及資料予以量化及分析，將有助於工程的進行。 8.品管工作與統計技術的結合，將有助於品管人員地位的提升。■ 參考文獻 1.ACI Committee 517， “Recommended Practice for Atmospheric Pressure Steam Curing of Concrete，” ACI Journal， Proceedings V.66， No.12， Dec.1969， pp.629~646.2.Shiedeler， JJ. ， “ Early Strength of Concrete as Affected by Steam Curing Temperatures.”ACI Journal， Proceedings V.46， No.4， Dec.1949， pp.273~283. 3.Hanson， J.A.，”Optimum Steam Curing Procedure in Precasting Plants， ”ACI Journal， Proceedings V.60， No.1， Jan.1963， pp.75~97. 4.Klieger， Paul， “Effect of Mixing and Curing Temperature on Concrete Strength，” ACI Journal， Proceedings V.54， No.12， June1958， pp.1063-1081. 5.Nasser， K.W.， and Lohtia， R.P.， “Mass Concrete Properties at High Temperatures，” ACI Journal， Proceedings V.68， No.3， Mar.1971， pp.180~186. 6.Higginson， E.C.， “Effect of Steam Curing on the Important Properties of Concrete，” ACI Journal， Proceedings V.58， No.3， Sept.1961， pp.281~298. 7.ACI Committee 517， “Low Pressure Steam Curing，” ACI Journal， Proceedings V.60， No.8， Aug.1963. 8.混凝土編輯委員會，「混凝土工程須知」，中國土木水利工程學會，1992。 9.吳明隆，「SPPS統計應用實務」，松崗電腦圖書資料股份有限公司，民國88年11月。 10.林志棟、陳世晃、洪境聰、王睿懋，「新材料新工法於高速公路之應用」，中華舖面工程學會會刊，pp16~19，2003。 11.徐慰凱，「應用蒸汽養護與微波加熱技術於新拌混凝土之可行性研究」，碩士論文，2002。 12.林嘉永、楊健國，「北部第二高速公路特殊工法橋樑預立混凝土特性探討與實務應用」，交通部，台灣區國道新建工程局83年局慶技術論文集，第471~489頁。 13.丘惠生，「橋樑場鑄節塊懸臂工法」，台灣營建研究院，橋樑設計與施工自動化，1998。 14.交通部台灣區國道新建工程局，「第二高速公路特殊橋樑專輯」，2000。 15.黃兆龍，「混凝土性質與行為」，詹式書局，台北，第355~387頁，1997。 16.黃登源，「應用回歸分析」，華泰文化事業公司，1998。 17.吳柏林，「現代統計學」，五南圖書出版公司，1998。
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