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混凝土及其他材料
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林子訓 前廠長 /亞東預拌公司汐止廠
邱暉仁 計畫工程師 /臺灣營建研究院
一、前言
台北雙子星大樓位於台北市的台北車站特定專用區內,是由一棟地上 76 層(320.7 公
尺)與另一棟地上 56 層(241.5 公尺)、地下皆為 4層,中間以空中平臺相互連通的
摩天大樓所組成。其工程的地上二樓到地下四樓之樓層(CA450B 標)由台北市政府捷運工
程局興建,地下三層樓未來將規劃作為桃園機場捷運台北車站使用,並與位於台北車站的
台鐵、高鐵、台北捷運紅線、台北捷運藍線、台北捷運綠線北門車站相連通,成為名符其
實的台灣國門。
高強度混凝土配比開發之考量
柱內灌漿高強度混凝土配比開發之考量
柱內灌漿
圖 1 CA450B標段工程位址與設計示意圖
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混凝土及其他材料
此計畫由於為國內近年來之首要工程案,
為考量工程施作之品質與結構體百年使用之耐
久性,因此整體主要結構設計使用自充填混凝
土(SCC)搭配鋼骨或鋼筋而成;此外,為支撐起 56層、76層之樓高並提供各樓層充足之使用空間,更於國內首次挑戰將超高強度 84 N/mm2之高流動性混凝土設計使用於柱內灌
漿中;而如是之工程設計,若無配合適當之施
工規劃、混凝土性質掌握與混凝土供料商品控
等,則未來施工時當可能面臨相當之問題與挑
戰,包括自充填混凝土自充填性與乾縮潛變性
質對結構設計影響、84 N/mm2之高流動性混凝
土量產之可行性與品質穩定性、84 N/mm2之高
流動性混凝土柱內泵送灌漿的可行性、營造公
司未來於施工現場如何管控混凝土品質等。
為此,亞東預拌混凝土公司在國家使命
之驅使下,於工程初期即密切與國內對於自充
填混凝土與高樓施工具經驗之專家,包括國立
台灣大學土木系、財團法人臺灣營建研究院等
單位進行討論,並透過會議與台北市捷運局、
互助營造股份有限公司、台灣世曦公司、永峻
公司等單位,共同界定本工程標自充填混凝土
材料之詳細性能規範與工程相關問題之解決方
案,最終冀望在各方之協助下,順利產製符合
要求之超高強度柱內灌漿自充填混凝土,使本
工程案可以順利完成任務,並打造出一座具高
品質之國家大門,成為台灣另一個躍上國際舞
台之工程。
二、台北雙子星大樓柱內灌漿混凝土
性能要求
為撐起台北市中心象徵國家大門之兩
棟大樓,台北雙子星大樓在槙文彥建築師
(Fumihiko Maki)與潘冀聯合建築師事務所之設計與台灣世曦股份有限公司、永峻工程顧問
股份有限公司之結構規劃下,兩棟大樓皆採用
鋼骨柱內灌漿混凝土(Concrete Filled in Tube, CFT)之結構型式,且為達 76樓(322公尺)
及 56樓(243公尺)之建築高程,並使建築內具有充足之空間供使用,該柱內灌漿混凝土設
計採用國內最高量產等級:90天齡期抗壓強度達 84 N/mm2(12,000 psi)之混凝土,另亦針對柱內灌漿施工及水合熱性等特性,規範出該柱
內灌漿混凝土應具備之性質,包括:
A. 材料方面
採用 CNS 61 R2001 IV型之水泥(低水合熱水泥)
膠結材中卜作嵐材料取代水泥量限制:飛
灰≦ 20%,矽灰≦ 10%
粗骨材最大粒徑≦ 12.5 mm
細骨材細度模數 FM = 2.7±0.2
B. 功能方面
柱內灌漿混凝土之工作性需為:坍度
≧ 250 mm,坍流度 = 700±50 mm
經與台北市捷運局、台灣世曦股份有限
公司討論後,柱內灌漿混凝土亦應滿足
CNS 14840自充填混凝土障礙通過性試驗法(U形或箱形法)之 R2等級、CNS 14841自充填混凝土流下性試驗法之 R1等級及坍流度達直徑 50 cm時間應介於 5 ~ 20秒。
空氣含量 < 3%
ASTM C341 自體乾縮量≦ 300 µm/m
三、高強度自充填柱內灌漿混凝土配
比研發與檢驗
自充填混凝土為具有高流動性、自充填
性、抗析離性及免搗實之高性能混凝土,該混
凝土係由日本岡村甫教授、前川宏一、小澤一
雅等人進行基礎性之研究及實際之工程應用所
開發出的新式工程材料,而台灣地區則於民國
85年由學者、研究單位積極投入研究,後續並透過中二高烏日穿越橋工程、南投縣政大樓、
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遠東世紀廣場、長庚林口分院、安碁資訊電腦
資料中心及無數民間工程、捷運工程之使用
後,目前已成為台灣地區最常使用之高性能混
凝土。
國內對於自充填混凝土之生產,在十多
年之使用經驗下已趨成熟,但既往其設計強
度多集中於 42 N/mm2 (6,000 psi)以下,雖然近年來在台北 101之成功使用 10,000 psi高樓泵送下,部分新建大樓亦開始利用較高強度
(> 6,000 psi)之自充填混凝土於工程中,但就台北雙子星大樓之自充填柱內灌漿混凝土之
12,000 psi要求,實屬國內大量生產之首次,因此為求其施工品質之穩定性,亞東預拌混凝土
公司特別集結公司內外之混凝土材料專家,針
對台北雙子星大樓之高強度自充填柱內灌漿混
凝土進行一系列之材料及性能評估,最終在多
方之協助下終於得予量產使用,而其配比研發
之過程所曾考量之重點彙整如下:
A. 水泥選擇
為避免台北雙子星大樓產生較高之水合熱
而影響耐久性,該柱內灌漿混凝土要求使用符
合卜特蘭 IV型之水泥(特別用於需要低度水合熱者),然而台灣地區水泥廠商通常未生產
IV型水泥,且本工程專案之 IV型水泥使用量約 3,000 T,未達如台北 101之特案生產經濟規模;另如採用進口 IV型水泥方式執行,則所需運輸船隻及儲運設備,均未達特案進口之經濟
規模,且 IV型水泥於大陸地區及歐規地區並無此水泥規格名稱,美國地區亦幾無生產。
然為使此標的工程可如期如質完成,亞
東預拌混凝土公司在亞洲水泥公司之專業建議
下,遂採用替代膠結材之方式,以達成 IV型水泥生產之各項混凝土性質,其中有關水合熱
之性能部分,參考 CNS 61卜特蘭水泥規範可知,IV型水泥之要求為 7天水合熱應低於 250 kJ/kg(60 cal/g)、28天水合熱應低於 290 kJ/kg (70 cal/g),而參照亞洲水泥公司不同水泥類型與不同爐石粉摻合比例之調整(如表 1∼表 2
所示)及線性內插之計算,則可獲知當 II型水泥與爐石取代量界於 57% ~ 65%間時,其混合之膠結材料水合特性將可滿足卜特蘭 IV型水泥之要求,因此,亞東預拌混凝土公司於台北雙
子星大樓之高強度自充填柱內灌漿混凝土配比
研發時,將依此原則作規劃。
表 1 卜特蘭水泥物理性質任選規定
水泥類別 I IA II IIA III IIIA IV V
假凝結(False Set)終入度最小值,%
50 50 50 50 50 50 50 50
水合 熱7天,最大值kJ/kg(cal/g)
28天,最大值kJ/kg(cal/g)
–
–
–
–
290{70}330{80}
290{70}330{80}
-
-
-
-
250{60}290{70}
-
-
硫酸鹽膨脹,14天最大值,% – - - - - - - 0.040
表 2 不同水泥類型與不同爐石取代量之水合熱特性
項次 水泥摻合類型7天水合熱(cal/g)
28天水合熱(cal/g)
1 亞泥 I型水泥 80 912 亞泥 I型水泥 +25%爐石粉 79 903 亞泥 I型水泥 +45%爐石粉 61 864 亞泥 I型水泥 +65%爐石粉 53 665 亞泥 II型水泥 77 886 亞泥 II型水泥 +25%爐石粉 67 807 亞泥 II型水泥 +45%爐石粉 64 798 亞泥 II型水泥 +65%爐石粉 55 659 亞泥 II型水泥 +80%爐石粉 44 50
B. 粗骨材之選擇
對一般強度(< 6,000 psi)之混凝土而言,由於骨材之強度通常大於漿體之強度,因此混
凝土於抗壓試驗中之破裂面多數位於漿體或漿
體與骨材之接觸面上,故該類混凝土對於粗骨
材之品質要求則較寬鬆,主要以粒徑分佈、含
泥量、氯離子含量等檢驗為主。然而就抗壓強
度需達 12,000 psi之混凝土而言,其骨材之強度則與混凝土之抗壓強度具有密不可分之關
係,由於其漿體在低水膠比與粉體顆粒之適當
堆疊設計下,漿體之強度已達骨材或超越骨材
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之強度,因此若骨材之強度較弱,則混凝土於
受壓之條件下,開裂面將呈直接劈裂骨材,且
亦將無法發揮漿體之強度,而如是之現象從國
外之文獻亦可查知,由表 3和表 4及圖 2和圖3可知,在高強度混凝土之抗壓強度試驗中,混凝土之抗壓強度將與骨材強度呈正相關性,
而骨材強度亦將與洛杉磯磨耗之試驗結果呈逆
相關,其中依國外之試驗結果可知,骨材之強
度以輝長岩(Gabbro)>石英岩(Quartsite)>玄武岩(Basalt)>石灰岩(Limestone)>砂岩(Sandstone),因此就台北雙子星大樓之設計,為使混凝土之強度可達設計需求且具穩定性,
其骨材之選擇將為一重要之因子。
亞東預拌混凝土公司在多年之預拌生產經
驗深知,台灣砂石品質受河流短、急影響差異
極大,尤其近期越往上游開採之砂石,頁岩、
變質片岩成份很高,且骨材形狀不佳,如此之
砂石對於較高強度混凝土而言,頁岩與變質片
岩將可能形成混凝土強度之弱點,且此因子對
於超高強度自充填混凝土的影響將更為顯著,
因此未來之量產當須慎選骨材。
而經骨材與混凝土強度關係之評估後,
在考量砂石是影響自充填混凝土產製性能穩定
之最重要因素,遂派員至中國大陸進行最佳
化骨材之探尋,最終在下列五點之原則要求
下,決策以源自中國大陸之粗細骨材作為台北
雙子星大樓自充填柱內灌漿混凝土之骨材,
其品質並符合 CNS 1240、粗骨材最大粒徑12.5 mm、細骨材細度模數 F.M. = 2.7±0.2等要求。另外根據本工程之供應量,採一次購足
12,000噸大陸砂石堆置於汐止廠堆場內,以有效掌控砂石及供料品質,亦可避免砂石短缺造
成供料不足之虞。
表 3 文獻中骨材類型與骨材強度等性質之比較
表 4 文獻中骨材類型與混凝土抗壓強度之比較
圖 2 混凝土抗壓強度與洛杉磯磨耗(左)及粗骨材強度(右)之關聯性
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(1) 強度:一般設計超高強度混凝土的漿體強度已超過骨材強度,所以骨材強度越高,混凝
土強度越高。粗骨材以花崗岩、安山岩等火
成岩較佳,細骨材以石英質河砂較佳。
(2) 節理面:某些骨材雖然具有高強度,但卻存在許多特定方向的節理面,這些節理面將是
受到外力時首先潰解的地方。
(3) 有害物質:過渡區成為超高強度混凝土中另一個重要的脆弱面,含有害物質,例如:黏
土、碎磚、樹枝、風化石等都是造成強度無
法提升的要素。
(4) 粗骨材表面:圓潤光滑的粗骨材表面雖然能減少用水量,但是對於水泥漿體的膠結效果
卻不如粗糙面的碎石粗骨材好,但 SCC應選用較圓潤但表面略為粗糙之粗骨材。
(5) 粗骨材形狀:扁平狀、長條狀、片角狀等骨材在超高強度混凝土中也屬於產生弱面的要
素,配製超高強度混凝土應對粗骨材粒形有
更嚴格的要求。
C. 配比之考量
在配比之考量上,由於台北雙子星大樓
之自充填柱內灌漿混凝土需具有超高強度,
因此 了盡量減少混凝土中孔徑 50 nm的孔隙數量,水膠比將控制在 0.30以下;另外,亦再透過超細礦物摻料的使用(比表面積可從
6,000 cm2/g 到 15,000 cm2/g 以上),包括矽灰、120級以上超細爐石粉、超細粉煤灰、超細沸石粉、超細稻殼灰、超細石灰石粉等
之使用;此類礦物摻料因為具有卜作嵐活性
反應,顆粒粒徑小,具有極大的比表面積,
故能填充混凝土中細微的空隙,並快速增加
C-S-H膠體數量,降低混凝土中孔隙率,增加緻密度(表 5)。
然而配比除滿足超高強度外,為使混凝
土之工作性在如此低水膠比之條件下,仍可
達自充填之相關要求,因此採用具有良好的
流動性、高減水率(減水率大於 30%)的超高效減水劑,該減水劑係以羧酸系與氨基磺
酸鹽系兩大類減水劑為主所調配而成,除具
良好工作性外,其坍損保持之效果亦佳(圖 4和圖 5)。
D. 自體收縮之考量
在混凝土與外界無濕度交換的情況下,隨
著水化作用的進行,會消耗混凝土孔隙結構內
部的水份,使混凝土產生「自乾現象」而導致
收縮,稱為自體收縮。根據其發生的原因,自
體收縮可分為水解收縮(Dehydration Shrink-
圖 3 高強度混凝土試體破壞模式
表 5 台北雙子星大樓之自充填柱內灌漿混凝土強度表現
圖 4 台北雙子星大樓之自充填柱內灌漿混凝土工作性能表現 [1]
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age)、碳化收縮(Carbonation Shrinkage)、轉化收縮(Conversion Shrinkage),以上三種收縮均屬於化學收縮。一般而言,普通混凝土因為
水灰比較高(W/C > 0.42),所以因為水化作用使得毛細孔隙所產生的負孔隙壓力,可由存
在於孔隙結構內多餘的水份來平衡,因此普通
混凝土的自體收縮量並不明顯,大約介於 50 ~ 100 μm/m,所以在計算收縮變形時,通常不以考慮。但就高性能混凝土而言,由於卜作嵐材
料的添加及通常採用低水灰比高漿量(W/C < 0.42),使得高性能混凝土可能具有不可忽視的自體收縮量,這對於應用高性能混凝土於隔絕
環境或大體積之結構上時,顯然必須加以評估
與考量混凝土潛在的自體收縮量可能導致的工
程問題。以高度 508公尺之台北 101大樓的鋼柱內灌漿混凝土而言,其即要求混凝土於 90天齡期之自體收縮量應小於 300 μm/m,以避免混凝土柱因過大之收縮而產生非預期之裂縫;而
台北雙子星大樓雖不若台北 101之高度,但在結構安全之考量下,仍要求混凝土之自體收縮
量應小於 300 μm/m,以確保其鋼柱可在混凝土之完全充填下達結構之設計性能。
但就混凝土之配比設計而言,台北雙子
星自充填柱內灌漿混凝土之強度要求已較台北
101之 10,000 psi為高,因此配比中水膠比勢
必應再予降低,但較
低之水膠比將造成較
大之自體收縮量,故
兩者產生在配比設計
之矛盾現象。為此,
亞東預拌混凝土公司
利用膠結材比例之調
整配合高減水率化學
藥劑之使用,控制水
化過程可能造成之自
體收縮,另外利用骨
材量之增加(粗骨材
體積提昇至 0.32),以使粗骨材堆疊產生之
圖 6 自體收縮試體封裝狀態及量測情況
圖 5 台北雙子星大樓之自充填柱內灌漿混凝土工作性能表現 [2]
構架,抑制混凝土之收縮量;而如是之配比調
整後,應用於台北雙子星自充填柱內灌漿混凝
土之 90天齡期自體收縮量為 172 μm/m,已符合規範之要求(圖 6和圖 7)。
四、結論
由亞東預拌研發、可量產、可商業化之
「12,000 psi自充填混凝土」為當前台灣公共工
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程所見最高設計強度之自充填混凝土,由於設
計規範的限制,能夠符合所有條件的配比的變
動性很小,因此在設計時必須要控制的條件應
考慮的更為周全,相關問題及亞東所做的努力
如下表所示。
問題 設計控制 設計方向 亞東需做的努力
黏滯性
高
V75漏斗留下時間 90分鐘維持能在 25 sec內
降低總膠結
量、降低細骨
材含泥量
挑選最適合的骨
材、化學摻劑以
減少黏滯性
水化熱
高
降低水化熱 降低總膠結
量、 降 低 水
泥量、使用 II型水泥
降低材料溫度、
降低骨材含水量
增加冰水添加量
自體
乾縮大
90天期齡自體乾縮≦ 300*10-6 m/m
增加骨材體
積、尤其是粗
骨材的體積並
降低用水量、
降低膠結材
挑選最適合的骨
材、化學摻劑以
減少用水量及膠
結材
強度
穩定性
90 天 強 度 >84N/mm2
控制水膠比0.25 ~ 0.28
挑選優質的骨
材、化學摻劑及
水泥
本產品目前已應用於「桃園國際機場聯
外捷運系統建設計畫台北車站特定區工程」施
工。其中單位水泥強度效益徹底發揚了節能減
碳的精神,利用最少的水泥量即可獲取最高的
強度效益,每公斤水泥強度效益大於 3.8 kgf/cm2,已達世界頂尖之列,能大量節省建築原料
並大幅增加使用空間,為未來國內綠建材及節
能減碳的最佳典範。
本產品研發的成功,不僅對亞東預拌意義
深遠,對台灣建築業的影響更是舉足輕重;亞
圖 7 自體收縮試體收縮量與齡期量測結果
東預拌研發團隊勝不驕、敗不餒,將持續秉持
集團『誠、勤、樸、慎、創新』的企業精神,
為提升亞東預拌的專業能力與品牌形象而努力
不懈。
五、誌謝
感謝國立台灣大學土木系、財團法人臺
灣營建研究院、台北市捷運局、互助營造股
份有限公司、台灣世曦公司、永峻公司等單
位自充填混凝土與高樓施工專家予以協助。
更感謝有麒實業股份有限公司羅一傑、曾益
賢經理、沈榮貴工程師在研發及生產過程中
與亞東預拌公司研發及生產團隊共同合作達
成此項艱鉅的挑戰任務。以及所有參與本案
的所有亞泥及亞東預拌同仁不眠不休的努力
及付出。
參考文獻
[1] 李尚叡、高嘉濃、林建華、蘇重威、鹿島大睦,2007,臺北車站特定專用區歷史發展新契機- C1/D1聯合開發大樓與機場捷運臺北站之興建,捷運技術半年刊,第 36期,頁 117~130,2月。
[2] Kilic, C.D., Atus, A. Teymen, O. Karahan, F. Ozacn, C. Bilim, M. Ozdemir, “The influence of aggregate type on the strength concrete”, Cement and Concrete Research, pp. 290-296,
2008.