活性粉混凝土應用於橋梁工程之可行性探討(上)
一、前言
活性粉混凝土（Reactive Powder Concrete, RPC）為超高性能混凝土（UHPC）之一種，係以水泥、矽灰、石英粉、石英砂、高性能減水劑及鋼纖維或有機纖維拌和而成，具有超高強度、高韌性及高耐久性之特色。
自1994年法國首次發表以來，其優異的性質展現，引發歐美及日本等先進國家積極投入研究與發展，後續更將之引用於橋梁工程興建，均獲得良好評價，如：加拿大Sherbrook人行橋（1997，世界第1座RPC構件橋梁）、法國OA4 Bourg-Les-Valence跨越橋（2001）及A51之PS34預鑄節塊跨越橋（2005）、日本福岡
Horisaki堀崎公路C匝道橋（2005）、美國FHWA推動之公路橋梁推廣運用計畫-愛荷華州Mars Hill道路橋
（2006）、奧地利WILD拱橋（2010，以RPC預鑄空心構件建構）以及美加地區近年（2011~2013）興建之多座RPC道路橋等。
依國外使用案例顯示若將RPC材料應用於橋梁工程，可縮小構件斷面尺寸、減輕上部結構自重及地震力影響，減少墩柱與基礎尺寸及基礎開挖數量，降低砂石材料用量，低滲透的高耐久特性並能抑制鹽害侵蝕、延長橋梁使用壽命，以全生命週期之永續工程觀念看待RPC材料，其具有降低對環境衝擊之效益。
相較於國外已有許多工程實際案例，國內目前只有學術研究及應用於部分功能性構件(水溝蓋、乾儲桶、機台基座等)，並無主體工程使用案例，本文係以RPC應用於公路橋梁結構為主題，從本土RPC材料性質發展開始、到現有橋梁試設計比較及最後與傳統工法之成本效益分析等項目進行探討，淺談國內實際應用之可行性。
二、RPC組成材料與配比
2.1 RPC組成材料性質
1. RPC組成材料性質
RPC的組成材料包含水泥、矽灰、石英粉、石英砂、高性能減水劑及鋼纖維等，其顆粒一般小於400 μm（ASTM標準篩No.40孔徑為0.425 mm=425 μm），本研究除矽灰、高性能減水劑及鋼纖維由國外進口外，其餘各材料皆採用國內產品，各組成材料之照片如圖2.1所示，材料性質說明如下。
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| ▲ | 圖2.1 RPC之主要組成材料 |
| (1) | 水泥：採用台灣水泥公司波特蘭Ⅰ型水泥，密度3.15 g/cm3，平均粒徑15.8 μm。 |
| (2) | 矽灰：採用台灣西卡公司自挪威進口之圓球形非壓密矽灰，密度2.2 g/cm3，平均粒徑0.372μm，比表 面積18 ~ 20 m2/g。 |
| (3) | 石英粉：採用志純實業股份有限公司所提供產自苗栗地區之粉碎結晶石英粉，其主要成分為SiO2，平均粒徑約8.3 μm，密度2.46 g/cm3。 |
| (4) | 石英砂：採用志純實業公司所提供產自苗栗地區、產品型號#3之石英砂，SiO2純度達96％，硬度約在6~7之間，粒徑分佈介於200~600 μm之間，平均粒徑約367.5 μm，密度2.62 g/cm3。 |
| (5) | 高性能減水劑：採用由恆美公司代理，日本竹本油脂製造型號SSP-104之TYPE-F高性能減水劑，主要成分為聚羧酸類共聚物(polycarboxylic acid copolymerization) ，密度約1.05~1.13 g/cm3，固含量30%，外觀為淡黃色。 |
| (6) | 鋼纖維：採用產自中國之Dramix圓形斷面直線型鋼纖維，長13 mm，直徑0.2 mm，極限拉力強度達2,850 MPa，其表面並經鍍銅防腐蝕處理。 |
2. RPC配比與試體養護
本研究之RPC配比如表2.1所示，以設計強度(f'c)120 MPa為配比目標，鋼纖維含量2%。
試體採常溫養護，於試體灌製後，先以塑膠膜封蓋養護24小時拆模，再將試體置於溫度為23±2℃、相對溼度RH > 90%之環境養護至試驗齡期。
| ▼ 表2.1 RPC試驗配比 |
| 組成成分 | 水泥 | 水 | 矽灰 | 石英砂 |
| 比例 | 1 | 0.28 | 0.3 | 1.25 |
| 組成成分 | 高性能減水劑 | 石英粉 | 鋼纖維 | 水膠比 |
| 比例 | 0.015 | 0.35 | 0.222 | 0.22 |
三、試RPC材料性能試驗與結果
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| ▲ | 圖3.1 RPC之流度試驗結果 |
3.1 新拌性質
新拌混凝土的工作性主要取決於其稠度、流動度及可密實度，同時在澆置成形期間，必須能夠保持組成材料均勻分佈之穩定性，包括抗材料析離與浮水等現象。
由於RPC並無粗骨材的存在，整體材料組成可歸類為水泥砂漿，故RPC的工作性係依ASTM C230進行流度試驗，試驗結果平均值約為24.9 cm，如圖3.1所
示，顯示本配比具有優良的流動性。
3.2 硬固性質
本研究硬固試驗包含抗壓強度、彈性模數及抗彎強度等，各試驗結果如表3.1所示。
| ▼ 表3.1硬固性質試驗結果 |
| 試驗項目 | 抗壓強度(MPa) | 彈性模數(GPa) | 抗彎強度(MPa) |
| 齡期 | 平均值(標準差) | 平均值(標準差) | 平均值(標準差) |
| 7天 | 105(2.37) | 33.3(1.35) | 19.9(1.03) |
| 28天 | 136(1.37) | 35.2(1.01) | 21.7(0.61) |
| 56天 | 143(2.93) | 37.1(0.52) | --- |
| 91天 | 145(2.05) | 38.8(0.88) | 27.5(0.34) |
1. 抗壓強度試驗
本RPC配比依據ASTM C39規範規定辦理抗壓強度試驗，圓柱試體直徑50 mm，高100 mm，7天齡期抗壓強度105 MPa，91天齡期時為145 MPa，顯示PRC材料強度優良且發展快速，短時間內即可達到施工要
求。
2. 彈性模數試驗
彈性模數代表材料受力時產生彈性變形之難易程度，數值越大表示剛性越大。本RPC配比7天齡期彈性模數為33.3 GPa， 91天齡期彈性模數為38.8 GPa，較一般混凝土具有較大剛性。
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| ▲ | 圖3.2單向彎曲試驗架構 |
抗彎強度試驗係依據ASTM C78及C1018規範規定辦理單向靜態三分點彎曲試驗及計算相關強度與性能指數，見圖3.2。
抗彎試驗除可瞭解材料抗彎強度之差異外，藉由觀察試驗過程中加載力量和中點變位的歷時紀錄，可看出添加鋼纖維之RPC材料韌性行為變化，並可求得其相關韌性指數及殘餘強度因子。7、28及91天齡期之抗彎強度分別為19.9、21.7及27.5 MPa。
各齡期加載力量-中點變位歷時結果如圖3.3所示，圖中曲線在初裂產生後並不會快速陡降，而是平緩下降，顯示材料具有韌性，因為RPC組成含有纖維材料，因此當試體初裂後，鋼纖維與基材間良好的握裹力產生互鎖效應，吸收載重增加所產生之破壞能量，增加材料韌性，阻止裂縫擴張。
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| ▲ 圖3.3 抗彎強度試驗中點位移與力量歷時圖 |
另由韌性指數推算各齡期之殘餘強度因子R5,10皆大於100，具有完全的彈塑性性質，故RPC材料可視為彈塑性材料。
| ▼ 表3.2韌性指數、殘餘強度因子及開裂應力 |
| 齡期 | I5 | I10 | R5,10 | 開裂應力(MPa)平均 |
| 7天 | 5.37 | 10.89 | 110.4 | --- |
| 28天 | 5.88 | 12.62 | 134.6 | 16.34 |
| 91天 | 6.59 | 14.84 | 165.0 | --- |
3.3 體積穩定性試驗
體積穩定性試驗包含乾縮試驗及潛變試驗，兩項試驗均分別設計有養護7天和28天二種試驗齡期條件。
1. 乾縮試驗
乾縮試驗依據ASTM C596規範規定辦理，結果如圖3.4~圖3.5所示，由圖中可看出，養護7天後之91天
齡期乾縮量為450×10-6，而養護28天後之91天齡期乾縮量為291×10-6，此結果顯示增加養護時間可降低乾縮變化約35%，有較佳之體積穩定性能。
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2. 潛變試驗
潛變試驗部分係依據ASTM C512規範規定辦理，養護7天後之91天齡期總潛變量為75.3×10-6/MPa，養
護28天後之91天齡期潛變量為49.0×10-6/MPa，顯示延長養護時間可降低潛變量約35%，此與乾縮試驗結果相似。
此種潛變差異主要因為較短之養護齡期，使膠結材水化程度較低，致孔隙率較高，故長時間加載後會有較大之變形量，但相較於普通混凝土約為86.73×10-6/MPa(於濕潤環境時)~183.67×10-6/MPa(於乾燥環境時)之間的潛變量，PRC材料具有良好之體積穩定性能。
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| ▲ | 圖3.6 貯鹽試驗 Ponding Test試驗情況 |
本研究分別進行貯鹽試驗及中性化試驗以檢視RPC材料之耐久性，試驗養護齡期與體積穩定性相同，試驗前分別養護7天與28天，之後再各進行91天貯鹽試驗及中性化試驗。
1.貯鹽試驗（Ponding Test）
貯鹽試驗係依據AASHTO T259規範規定辦理，所得之氯離子擴散係數為反映混凝土緻密程度的指標之一，數值越低表示緻密性越佳，即耐久性越好，如圖3.6所示。
91天貯鹽試驗結果如表3.3所示，分別養護7天及28天之擴散係數平均值為0.242×10-8cm2/s及0.182×10-8cm2/s，顯示增加養護齡期使混凝土緻密性越佳，將可降低氯離子擴散係數及入侵混凝土機會，混凝土耐久性越好。
| ▼ 表3.3貯鹽試驗結果 |
| 養護齡期 | 擴散係數D(10-8cm2/s) | 表面氯離子濃度Cs(%) |
| 7 | 0.250 | 0.443 |
| 0.234 | 0.466 | |
| 28 | 0.185 | 0.481 |
| 0.179 | 0.473 |