國工局規劃組馮焱明/撰稿及圖片提供
2.中性化試驗
中性化試驗是依據Papadakis所提出的加速試驗法進行，將養護完成的混凝土試體置於95%濃度以上、1大氣壓及75%濕度的CO2環境中加速中性化至指定齡期，再依照RILEM CPC-18規定，利用酚酞指示劑於
pH8~12環境中呈現紅色的特性，以濃度1%的酚酞指示劑(溶於70%酒精中)噴灑於經清潔乾淨的試體上進行中性化檢測，當混凝土pH值高於9左右，指示劑顏色會由無色轉變為紫紅色，但當混凝土pH值低於9以下時，指示劑顏色則無顏色變化，即表示已經受環境影響轉變為中性化，藉由量測無色區域範圍深度，即可表示混凝土材料之中性化深度。
RPC材料中性化試驗結果如圖3.7~圖3.8所示，除試體表面因接觸二氧化碳已中性化，噴灑酚酞指示劑後無變色外，其餘分別經養護7天及28天再加速中性化處理91天之試體內部剖面，檢測顏色變化皆呈現為紫紅色，顯示RPC材料於各齡期養護後皆無中性化反應。
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圖3.7常溫養護7天，中性化91天
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圖3.8常溫養護28天，中性化91天
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由貯鹽試驗與中性化試驗結果顯示，RPC材料具有良好緻密性，能有效阻擋外界腐蝕因子進入材料內部，故能有效保護內部鋼筋不易遭受環境腐蝕因子影響，進而增加構造物耐久性與使用效益。
四、RPC應用於公路橋梁工程試設計分析
由前章節各項試驗結果顯示RPC材料具有超高強度、高韌性及高耐久性等優秀工程性質，參考國外將此材料應用於橋梁工程之相關工程案例，本研究選擇以「東山服務區跨越橋」為試設計案例，將此橋梁改採用RPC材料重新進行設計，並探討與原設計兩者間之差異。
4.1結構形式設計分析
原橋型設計為場鑄預力箱型梁，橋梁立面、斷面與設計參數如圖4.1~圖4.2與表4.1所示，採用RPC材料後，改為預鑄節塊箱型梁之橋型設計，其斷面如圖4.3，設計參數如表4.1所示。
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圖4.1東山服務區跨越橋立面圖
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圖4.2東山服務區跨越橋標準斷面
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原設計(預力箱型梁) |
RPC預鑄節塊箱型梁 |
| 橋梁跨徑 |
27+44+27=98 m |
27+44+27=98 m |
| 橋面寬 |
16.6 m |
16.6 m |
| 設計車輛載重 |
HS20-44 提高25% |
HS20-44 提高25% |
| 設計抗壓強度(fc') |
41.2 MPa(420 kgf/cm2) |
120 MPa(1,223 kgf/cm2) |
| 彈性係數(Ec) |
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35 GPa(356,779 kgf/cm2) |
| 開裂強度(fr) |
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15 MPa(152.91 kgf/cm2) |
| 乾縮 |
300~800μm/m |
350 μm/m(高溫養護)
500μm /m(常溫養護) |
| 潛變比 |
1.5~2.0 |
0.5 (高溫養護)
1.0 (高溫養護) |
| 熱膨脹係數 |
1.1×10-5/℃ |
1.1×10-5/℃ |
| 單位重 |
2,400 kg/m3 |
2,477 kg/m3 |
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圖4.3預鑄節塊箱型梁斷面圖
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RPC預鑄節塊箱型梁設計採用外置預力及平衡節塊配置，於橋台前並配置場撐邊跨，其預力施拉需配合節塊吊裝順序，另外在節塊閉合處預留30cm，使用場鑄RPC做為濕接縫閉合；預鑄節塊箱型梁頂板配合預鑄節塊吊裝工法施工，總計配置42股12T-12.7mmø預力鋼腱，預鑄節塊箱型梁底板配置28股19T-15.2mmø預力鋼腱，此設計經檢核後符合交通部公路橋梁設計規範相關規定，由此顯示RPC材料除可符合橋梁工程結構設計要求條件外，且能減少梁深及斷面尺寸。
因RPC預鑄節塊箱型梁之試設計斷面，較原設計斷面縮小，故可將靜載重減少約33%，而傳遞至橋墩的地震力也相對變小，對於墩柱尺寸與配筋量的需求也變小，在維持墩柱配筋量需求下，墩柱尺寸由原本的外徑300cm內徑200cm，縮小為外徑250cm內徑150cm，基礎尺寸也由原本870cm×840cm，配置30支60cmø基樁，減少為720cm×660cm，配置20支60cmø基樁，原設計的墩柱尺寸如圖4.7所示，基礎尺寸如圖4.8所示，採用RPC材料重新設計的墩柱尺寸如圖4.9所示，基礎尺寸如圖4.10所示。由此顯示採用RPC材料具有縮小整體結構物尺寸、減小地震力衝擊、降低對鄰近景觀視覺影響等效益。
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圖4.8原設計基礎尺寸圖
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圖4.10 RPC預鑄節塊箱型梁橋基礎尺寸圖
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2.經濟性分析
前小節結果指出雖然RPC材料的各方面性質皆比一般混凝土優良，但目前的材料成本較一般混凝土昂貴，RPC組成材料單價如表4.2所示，1立方米使用量成本約36,000元，導致建造成本是使用RPC材料的最大考量，針對東山服務區跨越橋之原設計與使用RPC材料的試設計成果進行建造成本評估，其建造成本比較資料如表4.3所示。
| 項 目 |
石英砂 |
矽灰 |
石英粉 |
| 單價[元/kg] |
2 |
30 |
5 |
| kg/m3 |
906 |
217 |
254 |
| 複 價[元/m3] |
1,812 |
6,510 |
1,270 |
| 項 目 |
水 泥 |
SSP104 |
鋼纖維 |
| 單價[元/kg] |
2.5 |
40 |
150 |
| kg/m3 |
725 |
11 |
161 |
| 複 價[元/m3] |
1,813 |
440 |
24,150 |
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預力混凝土場鑄逐跨橋 |
RPC預鑄節塊橋 |
| 上部結構 |
| 上構混凝土總價 |
8,338,243 |
31,919,544 |
| 上構鋼筋總價 |
4,904,454 |
1,157,768 |
| 上構預力總價 |
2,171,489 |
1,805,861 |
| 上部結構總價(元) |
15,414,186 |
34,883,173 |
| 下部結構 |
| 下構混凝土總價 |
2,263,236 |
1,867,679 |
| 下構鋼筋總價 |
1,503,625 |
1,285,195 |
| 下構模版、運輸總價 |
5,955,747 |
4,748,878 |
| 下部結構總價(元) |
9,722,608 |
7,901,752 |
| 總 計(元) |
25,136,794 |
42,784,925 |
※ 上構混凝土總價包含模板及支撐系統設備等費用
雖然採用RPC材料設計後，上部結構可以減少混凝土用量34%，減少鋼筋用量76%，減少預力系統用量17%，但由於RPC材料較一般混凝土單價高上許多，所以上部結構總價(包含混凝土、鋼筋、預力系統、模板與支撐系統設備等)，還是為一般預力混凝土場鑄逐跨工法總價的2.26倍，不過因為自重減輕、地震力減小，所以下部結構的總價略為減少，整體總價方面，以實際完工案例估算，使用RPC材料之造價為使用一般混凝土材料造價的1.7倍。
雖然使用RPC材料成本較為昂貴，但依前述各章節材料試驗結果顯示，RPC材料在工程性質、體積穩定性及耐久性能方面皆較一般混凝土優良，此外近來公共工程構造物之設計使用年限朝向為百年設計，因此在整體使用年限考量下，在工程規劃時必會選擇耐久性佳之材料，若將RPC材料用於工址環境較為嚴苛，或對於使用年限有所需求的結構時，可延長維修週期與使用年限，進而節省後續管理與維護成本。
由氯離子試驗結果，配合文獻[7]可知，臺灣地區鹽害作用等級為極嚴重鹽害區的混凝土表面氯離子濃度設計值C0為30kg/m3，於此鹽害作用等級區域在設計年限為100年的情況下，比較RPC、爐石取代40%及純水泥的混凝土配比，可得各項最小保護層厚度值，其值如表4.4所示，由此顯示RPC材料具有優良之耐久性能，可大幅降低結構物維護費用。
| ▼ 表4.4 RPC與普通混凝土於鹽害環境中保護層厚度及設計年限之比較 |
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| 種 類 |
設計100年最小保護層厚度 |
保護層厚5cm對應設計年限比 |
| RPC |
3.7~4.4 cm |
8 |
| 爐石40% |
7.3cm |
4 |
| 純水泥 |
12.3cm |
1 |
此外，RPC材料配比設計中即針對一般混凝土材料之缺點進行改良，且RPC混凝土製程與一般混凝土無顯著差異，因此無需大程度更動生產設備，另由國外應用案例顯示，無論是採場鑄澆置或以預鑄構件方式施工，RPC材料皆能配合現有生產流程及構件施工方式，且能提供更良好之構造物品質，表4.5為RPC構造物全生命週期優勢彙整表，由表中顯示RPC材料不論在工程規劃、設計、施工及維護方面均有其優勢，如有效縮減斷面尺寸、提升構件施工品質、易於掌握工期、延長維護週期、增加構造物使用年限、節省整體維護管理費用，因此相當具有應用於橋梁構造物之潛力。
| 階 段 |
使用RPC材料較一般混凝土優勢 |
| 規劃 |
使用高性能材料，縮減結構尺寸，降低地震力衝擊，整體減少膠結材料、鋼筋、預力系統總用量，進而降低碳排放量。 |
| 設計 |
| 施工 |
搭配應用預鑄工法，有效提升構件品質與縮短施工期程。 |
| 維護管理 |
使用高性能材料，延長維護週期、增加構造物使用年限、節省整體維護管理費用。 |
五、結論
| 1. |
新拌及硬固性質試驗結果顯示，本土化RPC材料具有良好之工作性與力學性質，具可實際應用之潛力。 |
| 2. |
在耐久性試驗部分，貯鹽試驗及中性化試驗結果顯示，RPC材料不易遭受環境腐蝕因子影響，進而增加構造物耐久性與使用效益。 |
| 3. |
在「預鑄節塊箱型梁」試設計案中，使用RPC材料可較原設計減少33%靜載重，墩柱與基礎斷面積亦可隨之縮小。 |
| 4. |
RPC材料成本目前雖較昂貴，但其工程性質、體積穩定性及耐久性能、降低地震力影響、減少材料用量及降低碳排放等各方面，皆較普通混凝土優良，若將RPC材料用於在工址環境較為嚴苛或對於使用年限有所需求的結構時，將能延長使用年限與維修週期，進而降低後續管理與維護成本，依橋梁全生命週期觀點來看，具有應用於橋梁結構勿之潛力。 |
