現代營建 316---高爐石飛灰水泥混凝土應用於鋪面工程之施工規範問題探討

高爐石飛灰水泥混凝土應用於鋪面工程之施工規範問題探討

□房性中／中華顧問工程司材料試驗部　主任工程師兼鋪面組組長、大地工程技師

摘要
高爐石與飛灰，前者為中鋼公司、後者為臺電公司在工業產製和發電過程中各別所衍生之副產品，昔日皆被視為廢棄物，處理程序令人頭痛不已。近年來，基於土木工程粒料日益短絀之情形未見改善，以及環保意識和資源再利用的觀念持續落實，致產、官、學、研各界皆針對高爐石與飛灰兩項材料，多所研究暨推廣。國外以日本而言，亦將高爐石及飛灰材料予以規格化及務實化，且其所擬定之規範規定，皆具成熟度及實用性，可供國內從業人員參考使用之。本文擬就高爐石飛灰水泥混凝土應用於鋪面工程時，所需撰寫施工規範之條件、依據、限制、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。並祈惠予賜教。

一、前言

台灣及日本等地區，將高爐石水泥混凝土及飛灰水泥混凝土兩材料運用於土木工程已有相當長的歷程及實績，基於資料及經驗的累積日益豐沛，故中外皆已逐步完成高爐石水泥混凝土及飛灰水泥混凝土、甚至於高爐石飛灰水泥混凝土的檢、試驗標準規定、設計準則、使用推廣手冊及施工規範等重要文獻；行政院公共工程委員會除於日前已頒布「公共工程高爐石混凝土使用手冊」[文獻(1)]暨「公共工程飛灰混凝土使用手冊」[文獻(2)]之外，並已委請業界研擬「公共工程高爐石飛灰混凝土使用手冊(草案)」[文獻(3)]，筆者於2004年得幸奉邀參加文獻(3)兩次修訂座談會，未來頒布之後，可作為高爐石飛灰水泥混凝土規劃、設計、施工及品管等工作重要之依據。
本文擬就編寫「高爐石飛灰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、高爐石飛灰水泥混凝土材料使用規定

(一) 高爐石飛灰水泥混凝土定義
        傳統採用之水泥混凝土中，若使用高爐水泥、飛灰水泥或直接將高爐石粉、飛灰混合作為添加劑，而高爐石粉及飛灰添加方式，可分為取代部分水泥、取代部分細粒料或同時取代水泥與細粒料等三種方式，皆可稱之為「高爐石飛灰水泥混凝土」。
(二) 高爐水泥種類與使用規定
        1. 高爐水泥種類依照文獻(4)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(4)CNS 3654之規定，詳如表1所列。
        3. 高爐水泥之化學成分限制應符合文獻(4)CNS 3654之規定，詳如表2所列。
        4. 日本高爐水泥之品質規格詳如表3所列。
(三) 飛灰水泥種類與使用規定
        1. 飛灰水泥種類依照文獻(5)CNS 11270之規定，如表4所示。
        2. 飛灰水泥之品質應符合文獻(5)CNS 11270之規定，如表5所示。
(四) 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(6)]之規定。
(五) 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(7)]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6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7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6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(8)]之規定，依比表面積之大小分為三種，其品質要求詳如表8所列。若考量高流動性或高強度為目的時，應使用6000 cm2/g或8000 cm2/g以上者較佳。
(六)飛灰定義
        飛灰係為煤粉經鍋爐燃燒，由氣體排放，以集塵設備收集而得之粉末。其品質需符合CNS 3036 [文獻(9)]及CNS 11271[文獻(10)]之規定。
(七)飛灰使用規定
        1. 飛灰之物理性質應符合CNS 3036之規定，詳如表9所列。
        2. 飛灰之化學成分亦應符合CNS 3036之規定。規定凡為最大值者，代表該項之試驗值愈低，則品質愈好；反之，規定為最小值者，代表其試驗值愈高，則品質愈佳。
         (1) SiO2、Al2O3及Fe2O3總量：
        台灣地區之飛灰，其SiO2含量平均值為45%且變異係數S約為5%；而Al2O3含量平均值為22%且變異係數S約為4%；至於Fe2O3含量平均值為6%且變異係數S約為2%。唯無論如何，其總量值需符合表10：F類為70%以上或C類為50%以上之規定。
         (2) Na2O+0.658K2O有效鹼：
        F類及C類之最大值皆規定為1.5%。乃為控制或避免鹼性粒料之反應所造成水泥混凝土膨脹性潛能。
         (3) 燒失量：
        燒失量愈高，表示飛灰中的含碳量亦愈高，致拌和用水量也相對提高，亦不利於化學添加劑之使用效益的展現。
        3. 飛灰依使用褐煤、次煙煤或無煙煤、煙煤燃燒之不同，而可分為C類及F類，台灣地區則以F類居多。至於飛灰添加量之上限，使用於鋪面工程時為20% (以重量計)。
(八) 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(12)]或公共工程施工綱要規範[文獻(13)]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(14)]或文獻(13)第03050章之規定。
        3. 拌和用水：
        拌和用水品質應符合CNS 13961 [文獻(15)]或文獻(13)第03050章之規定。
(九)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。
        2. CNS 3091 [文獻(16)]。
        3. CNS 12283 [文獻(17)]。
        4. CNS 12833 [文獻(18)]。
        5. ASTM C494 [文獻(19)]。

三、訂定施工規範之準則

(一) 說明
        高爐石飛灰水泥混凝土係指使用高爐石粉、飛灰或直接使用高爐水泥、飛灰水泥與細粒料、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。
        高爐石飛灰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、CNS11270或文獻(13)第03052章「卜特蘭水泥」之規定。
2. 細粒料：
        應符合CNS 1240或文獻(13)第03050章「混凝土基本材料及施工一般要求」之規定，並嚴禁採用海砂。另可依據CNS 13407 [文獻(20)] 辦理水溶性氯離子含量之測定，其規定值詳表11所示。
3. 粗粒料：
        應符合CNS 1240或文獻(13)第03050章之規定。
4. 拌和用水：
        應符合CNS 13961或文獻(13)第03050章之規定。
5. 添加劑：
        高爐石飛灰水泥混凝土所使用之添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。
        (5) 晚期強度。
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) 強度與齡期。
        (7) 其他要求。
(四) 施工
        高爐石飛灰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. 高爐石粉與飛灰配料計量：          (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) 若採用高爐水泥或飛灰水泥，其拌和與一般水泥之規定相同。 (3) 拌和時間應依CNS 3090 [文獻(21)]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，至於拌和所需之添加劑水溶液，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，在澆置前嚴禁再行「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，應特別調整並控制緩凝劑之用量。
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。
        (4) 養護期間，應避免車輛通行及過度振動之情形發生。
7.拆模：
        (1) 應以高爐石飛灰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或必要的保護方式。
        (3) 一般而言，其拆模時間較傳統之水泥混凝土為慢，且需要更長的養護期程。
(五) 檢驗 1. 高爐石粉、飛灰、高爐水泥與飛灰水泥之品質管制：          (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。
        E. 以「先進先用」為原則。
2. 高爐石飛灰水泥混凝土施工品質管制：
        (1) 產製：
        較普通水泥混凝土之拌和時間為長，因此對於產製作業之流程應特別管制。
        (2) 輸送：
        產製完成之成品應施以防護措施並儘速運達工地，同時嚴禁於澆置之前再加水及任何材料。
        (3) 澆置：
        澆置前必須檢視工作性，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，過與不及皆將損及工程品質。
        (5) 養護：
        養護之作業至為重要，並可作為決定拆模、開放交通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(22)]第17章之規定辦理。
4. 品質評定與認可：
        可依照文獻(22)第18章與第19章之規定辦理。

四、注意事項與建議

        1. 高爐石飛灰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. 高爐石飛灰水泥混凝土雖有數種使用高爐石粉、飛灰、高爐水泥或飛灰水泥之方式，仍建議業界以品質為優先考慮之項目較宜。
        3. 高爐石飛灰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水泥混凝土。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、飛灰或高爐水泥、飛灰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. 高爐石飛灰水泥混凝土之推廣，應以性能之需求及安全性考量為主，產、官、學、研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. 行政院公共工程委員會，“公共工程飛灰混凝土使用手冊”，1999年8月。
3. 行政院公共工程委員會，“公共工程高爐石飛灰混凝土使用手冊(草案)”，2004年8月。
4. CNS 3654，“卜特蘭高爐水泥”，1999年10月。
5. CNS 11270，“卜特蘭飛灰水泥”，2001年8月。
6. CNS 12223，“水淬高爐爐碴”，1997年10月。
7. CNS 12549，“混凝土及水泥墁料用水淬高爐爐碴粉”，1993年12月。
8. 日本土木學會，“高爐石粉末應用於混凝土施工指針”，1996年。
9. 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”，2003年3月。
10. CNS 11271，“卜特蘭飛灰水泥用飛灰”，2001年8月。
11. ASTM C618-03,” Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete”, 2003.
12. CNS 61，“卜特蘭水泥”，2005年3月。
13. 行政院公共工程委員會，“公共工程施工綱要規範”，2000年8月。
14. CNS 1240，“混凝土粒料”，2002年9月。
15. CNS 13961，“混凝土拌和用水”，1997年11月。
16. CNS 3091，“混凝土用輸氣附加劑”，1997年10月。
17. CNS 12283，“混凝土用化學摻料”，2001年12月。
18. CNS 12833，“流動化混凝土用化學摻料”，1991年元月。
19. ASTM C494，“Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete”，2001。
20. CNS 13407，“細粒料中水溶性氯離子含量試驗法”，1998年6月。
21. CNS 3090，“預拌混凝土”，1998年6月。
22. 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。

表1　高爐水泥之物理性質規定表[文獻(4)]

註1：此類水泥之視比重較卜特蘭水泥為低，故在使用氣透儀時，試樣之質量應依照CNS 2924 [卜特蘭水泥細度檢驗法 (氣透儀)] 之方法決定之，而細度必須用實測比重代入 CNS 2924中之適當公式計算之。又該平均值(最小值) 及任一試驗之最小值僅於購方特別要求情形下提供之。
註2：[墁料為水泥1份及級配標準砂2.75份 (依重量計)，依照CNS 1010製備及試驗]。
註3：本規定適用於中度水合熱 (MH) 時，其抗壓強度應以表內數值之80%為準。
表2　卜特蘭高爐水泥(IS及IS-A)化學成分之限制表[文獻(4)]

表3　日本高爐水泥之分類及品質要求表[文獻(4)]

表4　飛灰水泥之種類[文獻(5)]

表5　飛灰水泥之品質規定[文獻(5)]

表6　高爐石粉之物理性質規定表[文獻(7)]

表7　高爐石粉之化學成分限制表[文獻(7)]

表8　日本高爐石粉之品質要求表[文獻(8)]

表9　CNS 3036對飛灰物理性質之規定表[文獻(9)]

表10　CNS 3036對飛灰化學成分之規定表[文獻(9)]

註：(1) ASTM C 618-03 [文獻(11)]已刪除本規定。
(2)有效鹼係以Na2O+0.658K2O計算。表11　高爐石飛灰水泥混凝土細粒料水溶性氯離子含量之規定