發表於 : 2007-09-07, 08:05
自充填混凝土（Self-Compacting Concrete，SCC）之特性與應用mieh 寫:自充填混凝土
摘 要
土建工程與人民生活福祉息息相關，鋼筋混凝土構造又為工程最常用之型式，不只成本低廉，且施工方法為業界較為熟悉，故材料品質及施工良好與否，對構造物之安全關係甚鉅。921震災後，曝露了RC構造物許多設計與施工問題。造成了生命與財產重大損失，故如何針對傳統之材料及施工方法加以改進，提昇品質，實有迫切之需要。
近年來，RC構造物品質常為人詬病，使構造物安全性、耐久性大打折扣，令人憂慮。在此工程環境與施工習性而言，改善之機制，唯有使用SCC使整個施作過程，「人」為影響因素降至最低，再就SCC配比實務及施工過程作確切之瞭解和改進，將可確保工程之施工品質，並可因為適當的施工管理與人工的免除，降低成本更間接地對結構之可靠度與安全性則有更重要的影響和提昇。
一、前言
近年來，國家為增進整體經濟發展，提昇全民生活品質及國內砂石資源和勞力市場短缺及環保觀念的盛行。使得資源運用最佳化、施工效率化、品質提昇化和建造成本經濟化等方面產生了迫切的需求。爾後，經921震災之洗禮，造成了許多生命財產無謂之損失，更暴露了工程品質之隱憂，促使工程界實有必要針對傳統的施工方法及材料技術，作實質的改進，以有效提昇工程品質。
經921震災之震撼，工程界鑒於耐震的攷慮，更提高耐震係數之攷量，鋼筋之排列更為緻密，澆置搗實更形困難，加上日益短缺的技術勞工，噪音的改善等，如何適應較複雜的結構需求及耐久性，提昇營建自動化，開發更新的土建材料技術已成為勢在必行。水泥混凝土在營建工程中，使用最普遍且為最大宗的材料，所以如何開發新材料及改善施工方法，對整體工程品質及成本實有非常大的助益，有鑑有此，本處研發小組乃積極研發市場最普遍使用之一般強度（3000psi-6000psi）之自充填混凝土（Self-Compacting Concrete），以符合市場迫切之需求。
自充填混凝土為日人所研發，我國內亦有甚多學術單位及機構投入研發，行之多年，但多侷限於高強度方面（6000psi以上）真正從事於中低強度自充填混凝土的研發，惟此是首樁。惟由於自充填混凝土具有優良的材料特性，又合乎我國施工環境的需求，預期今後將普遍使用於土木、建築工程及預鑄之領域，期望透過本文的介紹，從而促進SCC材料在國內之發展與應用。
(一)SCC之研發背景與材料特性及用途
1.自充填混凝土於日本之研發背景
傳統混凝土經由訓練有素之工人，借機械振動方式來搗實成形。在人工昂貴的日本，部分工程曾因減少搗實工人數而出現瑕痴，影響工程之品質。在1980年代初期，此問題引起業界高度重視。為解決此問題，東京大學岡村甫教授，於1986年提出靠混凝土自充填免搗實能填滿模具各處之「自充填混凝土」之觀念。之後，小澤及前川宏一教授就能夠代表自充填混凝土工作性之安全性質（流動性、粘著性、抗析離性、通過性及填充性）作了大量基礎的研究。包括其測試方法及試驗設備之研發。
2.本處研發小組之研發背景
近年來，工程品質飽受不佳評語之壓力與影響，在以RC構造物許多設計及施工和材料之問題，更造成了許多生命財產的損失，921震災之後更是眾矢之的。檢討其原因，不外乎與設計不當及施工不確實按步驟去做；材料忽略品質控制及人謀不贓等造成了品質不佳之後果。更由於近年來，環保意識之抬頭，技術工人勞力之短缺，工人素質之普遍低落，更加深了改善品質實務之困難。有鑑於此，研發一新材料、除符合設計需求外、並能提昇品質及使施工能自動化提昇效率之前提下。一般SCC（自充填混凝土），實是刻不容緩，最符合現階段環境及潮流之最佳材料。
混凝土材料變異性極大，尤其是粗細粒料之形狀、含水量、級配、細度模數及摻料品質用量等因素，都是控制新拌混凝土性質之關鍵，而SCC對材料性質較傳統混凝土更為敏感，產製成功率極低，對以一般普通強度（350kgf/cm2∼210kgf/cm2）之SCC而言，於本研究前尚無產製成功之實例，但是一般普通傳統水泥混凝土卻是國內土建工程中使用量最大者。
我國與日本研發之誘因類似，研發之目標相同，但由於使用材料隨著天然環境不同，基本條件不盡相同，故本土化及簡易化是本研究計畫之動機。簡易生產一般普通強度SCC，並測試室內硬固後之乾縮潛變、彈性模數等工程上所需之物理及力學性質，以回饋設計；並使SCC產製品質穩定，以作為工程使用之範本，同時藉由技術轉移，俾使國內各工程單位能將SCC應用於土建工程中，以提昇國內工程品質，對營建自動化有所助益。
3.何謂高性能混凝土
依據美國混凝土學會（ACI -American Concrete Institute）對高性能混凝土所下的定義，指稱「高性能混凝土」（HPC- High Performance Concrete）為性質優於傳統混凝土，其「性質」究竟所指為何？應為強度、彈性模數、工作度、流動性、體積穩定性、耐久性、耐磨性、水密性、完整性及其他特殊性能（如低水化熱）經濟性等。因此所謂高性能乃是針對一般傳統混凝土的施工方式仍無法滿足工程需求的情況下，所開發出來的混凝土，高性能混凝土可能具有一種至數種的“高性能”以符合工程的需求。其實我們可將“高性能混凝土”視為是一個較廣義的工程材料名詞。
4.何謂自充填混凝土
充填混凝土（SCC -Self-Compacting Concrete）係指澆置過程中不需施加振動搗實，完全藉由其自身之重力而填充至鋼筋與鋼筋間及鋼筋與模版間各角落之特殊混凝土。SCC所要求的“高性能”便是“自行充填、免振動搗實”，更明確來說SCC應該是HPC的一種。
“高流動化混凝土”與“SCC”兩者之間，實有所不同，“高流動”與“自充填混凝土”差別在高流動化混凝土顯然只有高流動性，但無通過鋼筋間隙性及填充性。性能上差異甚大，市場上常有混淆不清之解釋。
5.材料特性
SCC具有在施工澆置時免振動搗實、高流動性，通過鋼筋間隙及模版間充填能力，使用SCC的精神，在於改良混凝土性質為手段，來達到確保構造物品質與可靠度的目的，及藉由良好而確實的模版間充填，提高鋼筋混凝土構造物整體的品質及耐久性。SCC具有高流動性，良好之模版間充填能力，不需振動、搗實藉由自身重力，即可充填成型。由於具有足夠之稠度，在施工時可抵抗析離現象的發生，材料之均勻性優於經過振動搗實之傳統混凝土，故為提昇流動性及充填能力，SCC將粗粒料用量減少約為傳統混凝土之80﹪和粒料最大尺寸為通過鋼筋間隙亦有所限制並增加化學摻料用量至臨界析離狀況，為避免高流動性造成析離。SCC大量利用再生材料飛灰、爐石粉、矽灰等礦物摻料，以增加漿體比重及稠度，使其有足夠懸浮力托住粗細粒料而達到材料不析離之目的。
6.用途
依施工性質及其適用性可歸納如下：
(1)用於有特殊施工性需求之情況：如剪力牆、樑柱系統、預力箱型樑結構
、多開孔（窗）之牆、SRC柱及隧道襯砌不易施工或無法施加振動搗實等之構造物。
(2)巨積混凝土：以減少勞力縮短工期。如LNG儲存槽等。
(3)當作修補材：如921震災樑柱破壞，敲除部分澆置不易。
(4)由於水密性佳：作為地下結構將可節省防水材料或作為場鑄基樁材料。
(5)有特別耐久性、水密性需求狀況：由於具高緻密性可防堵外來有害物質侵蝕。如跨海（河）橋樑、海域工程等。
(6)應用於預鑄製品。
(7)建築結構物耐震係數提高，鋼筋排列緻密，澆置時不易搗實，最適宜採用SCC
二、自充填混凝土之配比概念
SCC之研發使甚多傳統混凝土配比設計觀念作了許多改變，且其硬固后之力學行為，也截然不同。故如何測量其實際值，如彈性模數、乾縮、潛變等，回饋設計者供其參攷，實有迫切性之需要，而非傳統混凝土以富配比，單純慮攷以強度為先決性攷量條件。故以下將就各項攷慮條件簡略敘述於後：
(一) SCC達到自充填性能之概念
為達到更好的充填性能及材料均勻性之攷量，利用粉體材料較佳的水中懸浮性托住細粒料，阻止細粒料下沉堆積。再藉由細粒料阻止粗粒料下沉堆積。充分拌和後，所有材料皆懸浮於拌和水中，粗粒料摩擦力將降至最低，新拌混凝土變形能力大增，最佳之充填性能因而得到。為此SCC配比設計對組成材料增加許多限制，諸如「限制粗粒料之最少用量，細粒料率（S/A）及使用化學摻料」「採低水膠比、高粉體量（飛灰、爐石粉、水泥、石灰、石粉……等）」
(二) SCC之用水概念
攷量耐久性、工作性應儘可能減少單位用水量，故如何尋求最佳用水量，須經多次不同配比之試拌求得。原則上，單位用水量宜控制在185kg/m3以下。
(三) SCC之粉體使用概念
一般SCC皆使用具有膠結功能之粉體，其單位膠結材量可由水膠比及單位用水量兩者計算求出，再依規定之品質基準與施工時之條件加以檢討後決定其用量，以達兼顧強度、工作性、耐久性等要求之性能。
當設計強度較高時單位膠結料之需求量大增，水化過程中放出之熱能將因混凝土溫度高而產生裂縫，一般皆採取以下對策。
1.使用低鹼（低水化熱）水泥
2.以爐石粉及飛灰等卜作嵐材料取代部份水泥。
3.使用石灰石粉等礦物微粉摻料充當粉體。
若單位膠結材料中水泥比例低時，將使混凝土中性化速度較快，初期強度亦較差，此時須特別檢核卜作嵐材料添加量對硬固後品質所造成之影響。
根據此次及過去相關研究顯示，建議單位粉體量不宜低於400kg/m3，否則工作性不易達到要求（尤其是中間尺寸粒料，其細長扁平率過多時），宜在400kg/m3~500 kg/m3之範圍。
(四)SCC之粗粒料使用概念
1.粗粒料最大粒徑對SCC之影響
一般傳統混凝土，其粗粒料之最大尺寸可達40㎜，依日本研究單位表示，自
充填混凝土最大粒徑需小於25㎜，若使用於樑柱接頭等鋼筋密集區，最大粒徑不
宜大於20㎜，若用於其他鋼筋間距較大之構件，則可視情況而定。
粗粒料粒徑針對SCC的充填與間隙通過性，以單向鋼筋而言，其淨間距至少為
（2+√3）倍的粗粒料半徑。若為雙向鋼筋網，其淨間距至少為（2+2√2）倍的粗粒
料半徑。
2.粗粒料單位用量對SCC之影響
粗粒料單位用量是SCC配比設計之重要參數之一，對工作性具有絕對之影響力。若含量太高，會導致顆粒間經常的接觸與碰撞，在摩擦力大增之下，將會降低澆置時自重造成之衝力，因此，當SCC接近障礙物時，其內應力迅速增加而導致架橋現象如【圖3-1】。反之，較低之粗粒料含量，增加了粒料間的相對距離，減低摩擦產生之內應力，可有效的增加障礙通過性。
依岡村甫教授之研究顯示，單位粗粒料可訂在0.50m3/m3∼0.55 m3/m3之範圍內作調整。
此外，由於地區性粒料之材質、形狀不同，可視其間隙通過性作調整，且應一併攷量彈性模數及體積穩定性，不能因貪求過高流填性而影響SCC之服務性。
(五)SCC之細粒料使用概念
細粒料使用率（S/A）之對SCC工作性也有甚大之影響，當細粒料率大時，有時無法確保其所需之流動性，而當細粒料率小時，容易產生材料析離現象，原因在於細粒料之單位顆粒重量遠小於粗粒料，因此懸浮性優於粗粒料，有助於阻止粗粒料下沉，但重力作用下相對運動之能力，則遜於粗粒料，過量使用將減低澆置時充填之衝力，因此，一般建議，自充填混凝土之S/A＝48﹪∼55﹪之範圍，FM值為2.5∼3.2之間。
資料來源：http://www.ceci.org.tw/book/50/ch50_5.htm
