水庫淤泥輕質骨材混凝土在橋梁及高樓綠建築上推廣應用

一、前言

         臺灣地區(qū)位於亞熱帶地區(qū)，降水頻率及強度集中，氣候溫暖潮溼，年平均降水量高達2510mm。且因降水時間及空間分佈不均，在豐年期每年5~10月之降水量約佔全年之78%，而因臺灣地形陡坡，山脈高聳，東西向幅度窄，河川坡陡流快，不易蓄貯，因此水庫在水資源利用於攔豐濟旱之功能上更顯重要。以2001年為例，臺灣的降水量為1108億噸，而河川水只有130億噸，(其中水庫提供48億噸)約佔總降水量之12%而已。臺灣農業(yè)、工業(yè)及民生用水共需185億噸，顯示臺灣地區(qū)水資源不足，若無水庫之攔蓋功能，則本省用水不足之壓力就更大。
         而根據經濟部水利署所著「2001年蓄水設施水量營運統(tǒng)計報告」一書中指出目前已完工運轉且有營運統(tǒng)計資料之水庫計有40座，其完工當年的總容量為2,745,000,000m³，水庫容量因受泥砂淤積之影響，在2001年量測之結果發(fā)現其總容量為2,204,000,000m³，約減少479,000,000m³，約為總容量的17.44%。平均每年減少16,100,000m³，可見水庫淤積量相當嚴重，甚至有些水庫的淤積量高達77%。(1)
         有鑑於此，經濟部水利署自1984~2002間在明德、石門等21座水庫實施浚渫清淤工作，共清除約25,600,000m³，再加上運用水庫排砂操作方式辦理「空庫排砂」約排除10,100,000m3，合計約35,700,000m³，有效地改善水庫之容量。而民國91年提出水庫淤積緊急浚渫計畫，辦理石門等九座水庫之清淤工作，共清除4,750,000m³，其中以阿公店水庫清淤3,240,000m³最多。而白河水庫740,000m3次之，截至2002年為止，水庫的累計清淤量以石門之10,600,000m³最多，而其次是阿公店為5,400,000m³，由這些數據顯示水庫總淤積清除量約為40,500,000m³相當驚人(1)。
         21世紀是水資源缺乏之世紀，臺灣雖有豐沛的降水量，但因降水之季節(jié)分配不均，再加上臺灣地形峻峭，水資源不易蓄儲，以及全球氣候溫度效應之影響，因此未來臺灣地區(qū)發(fā)生乾旱及洪澇之機率相當大，而水庫是防範水災害的一大設施。但因水資源開發(fā)的水庫壩址難尋，再加上維護生態(tài)、環(huán)保及民眾抗爭等問題，使得加強水庫清淤更新工作為未來政府對水資源永續(xù)經營之主要工作。水庫清淤確實可以減緩現有水庫淤積率確保水庫的有效庫容及促進水庫浚渫淤泥再生利用率和提昇水庫浚渫淤泥資源化技術，且增進水庫永續(xù)利用及國土保育維護等效益。
         由於水庫浚渫淤積物若未妥善處理可能會造成環(huán)境公害，且順應時代需求有效處理並減量控制廢棄物，使其資源化與再利用。因此行政院於2002年10月7日研商「營建剩餘土石及淤泥再生利用」會議結論上，曾表示河川及水庫清淤應朝資源化再生利用方式處理，淤泥處理應以永續(xù)再利用為原則，招標應朝最有利標方式辦理，並以淤泥再生利用所產生之附加價值為決標之重要條件。故以往水庫浚渫採購以清淤為單一目標之招標方式已漸不敷需求，如何將水庫淤泥再生利用納入決標之重要條件為競標之重心(2)。而行政院經建會已核定內政部營建署所提之「淤泥再生利用推動方案」各相關單位亦加強再生利用技術之研發(fā)與推廣工作。
         水庫淤泥再生利用技術，雖然有許多的方案出現，但是其中已鍛燒至1100℃，製作輕質骨材(LA)已被驗証是最具潛力之可行方法。主要是其成分含有適合燒製LA之原料，而且其單位重足以製作結構用輕質混凝土(LC)，可在高樓建築及橋樑上應用。目前已有廠商投資在石門水庫沉澱池旁設立試驗工廠生產，今後數年內若能在各具有燒製LA原料的水庫淤泥之水庫地區(qū)設廠製造LA及LC廠和預鑄混凝土廠，則水庫淤泥將可大量被再生利用，則臺灣水庫之淤泥問題將可迎刃而解，不但其蓄水容量可增加，更重要的是我國之輕質骨材混凝土之技術與產業(yè)，從此將邁入一個新的里程碑。

二、水庫淤泥燒結輕質骨材及製作混凝土之工程性質          本文針對15 座水庫淤泥，在試驗室中經由程式控制電爐及商業(yè)用旋窯所製造的不同輕質骨材，進行顆粒密度(比重)與吸水率等物理性質試驗，及所燒結骨材表面狀況的探討。目前學者一致認為燒製人工輕質骨材最佳溫度介於1100～1250℃之間，因此燒結時的溫度則採用1200℃，經過臺灣科技大學試驗室之程式控制電爐作初步測試，結果顯示大部份之水庫淤泥均可燒結成輕質骨材，但由於燒結時間受限於實驗室電熱爐昇溫的速度，燒結時間長達1 天。為求大量產製，另外使用桃園業(yè)者所提供之旋窯燒製骨材，並根據實驗室燒結經驗，燒製溫度設定為1210℃，成功地將15 座水庫淤泥燒結為輕質骨材。本文就是利用這些燒製之LA進行其物性，以及製作高性能輕質骨材混凝土探討其工程性質。 (一)水庫淤泥輕質骨材之物理性質分析 1.顆粒密度(比重)          試驗結果如圖1所示。顯示以程式控制電爐燒製的輕質骨材，在相同燒結條件下，以澄清湖及鳳山水庫淤泥所燒製的輕質骨材，其比重較小約在1.1~1.2 之間；其次為仁義潭、阿公店、石門、大埔等水庫淤泥所燒製的輕質骨材比重為1.3~1.5 之間；其餘九座水庫之淤泥所燒製的輕質骨材比重為2.0~2.2 之間。由此圖顯示在相同燒結情況下，不同水庫淤泥所所燒製的輕質骨材比重並不相同，而且由旋窯所燒製得知輕質骨材，由於溫度歷程控制較容易，因此燒結所得之輕質骨材比重亦較實驗室電熱爐為低。 2.吸水率          輕質骨材會因骨材組織表面孔隙大或表層無產生玻璃化，致使骨材吸水率增大。由程式控制電爐及商業(yè)用旋窯所燒製的15 座輕質骨材吸水率均小於10%，如圖2與圖3所示。尤其是以程式控制電爐的輕質骨材吸水率甚至低於1%。因此，顯示水庫淤泥輕質骨材具有低吸水率的性質。 3.筒壓強度與鬆密度          大部分水庫淤泥輕質骨材的筒壓強度介於3.0～4.5 MPa之間(圖4)。水庫淤泥輕質骨材鬆密度約介於400～1200 kg/m3。 (二)水庫淤泥輕質骨材混凝土工程性質          共有17種配比包括三種不同淤泥輕質骨材，兩種不同細骨材(機製砂及河川砂)及二種不同配比(緻密`配比及ACI 配比設計法)，水庫淤泥係採用石門水庫淤泥經商業(yè)化旋窟所製造之輕質骨材，其性質如表1所示。使用17種混凝土配比如表2所示。 1.坍度及坍流度          雖然所測試的坍度、坍流度值均顯示較低。但各組混凝土均能符合坍度為230±20mm、坍流度為500±100mm 的高流動性設計要求。

圖1 淤泥1200℃高溫燒結顆粒輕質骨材的比重比較 圖2 水庫淤泥單顆粒吸水率比較(電熱1200℃燒結) 圖3 不同水庫淤泥於單顆粒吸水率比較(旋窯1200℃燒結) 圖4 輕質骨材鬆密度與筒壓強度關係(旋窯1200℃燒結)

表1 輕質粗骨材及常重砂基本性質

物理性質	水庫淤泥輕質粗骨材			機製砂 (大安溪)	河川砂 (木瓜溪)
顆粒密度(g/cm3)	90.7	1.1	1.5	2.64	2.74
吸水率(%)	6.4	7.2	80	2.6	3.0
Dmax(mm)	20	13	13	…	…
細度模數(FM)	6.95	6.48	6.40	2.96
30顆輕質骨材平均抗壓強度(MPa)	2.66	3.33	6.74	…	…
桶壓強度(MPa)	2.75	3.51	6.85	…	…
鬆密度(kg/m3)	498	658	836	…	…

表2 輕質骨材混凝土配比

組別	LWA 比重	常重砂 種類	W/cm	Wtotal	N	w/c	w/s	材料配比(kg/m3)
								Sand	L.Agg	Cement	Fly	Slag	Water	SP
M15-32-140	1.5	機製砂	0.32	140	1.173	0.4915	0.0765	781	612	285	138	15	114	24
M15-32-150	1.5	機製砂	0.32	150	1.278	0.4716	0.0823	759	595	318	134	17	138	12
M15-32-160	1.5	機製砂	0.32	160	1.383	0.4554	0.0881	737	578	351	130	19	151	9
M07-32-140	0.7	機製砂	0.32	140	1.173	0.4915	0.0926	781	294	285	138	15	112	28
M07-32-150	0.7	機製砂	0.32	150	1.278	0.4716	0.0991	759	286	318	134	17	126	24
M11-32-140	0.7	機製砂	0.32	160	1.383	0.4554	0.1056	737	278	351	130	19	147	13
M11-32-150	1.1	機製砂	0.32	140	1.173	0.4915	0.0843	781	443	285	138	15	119	21
M11-32-160	1.1	機製砂	0.32	150	1.278	0.4716	0.0904	759	431	318	134	17	138	12
M11-32-150	1.1	機製砂	0.32	160	1.383	0.4554	0.0966	737	419	351	130	19	149	11
R11-32-150	1.1	河川砂	0.28	150	1.417	0.3916	0.0956	751	426	383	133	20	125	25
R11-32-140	1.1	河川砂	0.32	140	1.193	0.4965	0.0912	796	452	282	141	15	119	11
R11-32-150	1.1	河川砂	0.32	150	1.301	0.4756	0.0977	774	440	315	137	17	138	12
R11-32-160	1.1	河川砂	0.32	160	1.409	0.4587	0.1042	752	427	349	133	18	153	7
R11-32-150	1.1	河川砂	0.40	150	1.140	0.6791	0.1009	807	459	221	143	12	144	6
R-ACI-28-223	1.1	河川砂	0.28	223	……	0.28	0.137	417	409	796	0	0	200	23
R-ACI-32-223	1.1	河川砂	0.32	223	……	0.32	0.138	504	409	697	0	0	223	0
R-ACI-40-223	1.1	河川砂	0.40	223	……	0.40	0.140	625	409	558	0	0	223	0

2.抗壓強度發(fā)展
         如圖5可知，由不同骨材密度比較顯示，顆粒密度1.5g/cm³ 的強度發(fā)展斜率較大，即密度大的輕質骨材可提供較大的強度發(fā)展，相對於顆粒密度0.7g/cm³，其顆粒強度甚低，在同樣水泥漿質與量的配比中，在強度上比其它顆粒骨材密度大的相差很多，這應歸咎於此類骨材強度甚低的緣故。
         圖6為緻密配比及ACI 配比在不同水膠比的比較，緻密配比用水量固定150kg/m³，ACI配比為用水量為223 kg/m³。在緻密配比組別比較上，呈現水膠比越低，抗壓強度越高，此與傳統(tǒng)混凝土相同趨勢，在不同配比比較上，由於ACI 配比使用較多的水泥漿量，因此，在相同的水膠比情況下，ACI 配比的抗壓強度發(fā)展均高於緻密配比法所得之結果。
3.水泥強度效益
         圖7為骨材顆粒密度1.1g/cm³ 在水泥漿體的量對水泥效益的關係，在水泥漿(水膠比=0.32)情況下，以緻密配比的水泥強度效益均在0.1 MPa/kg/m³ 之上，但在ACI 配比的用水量為223 kg/m³，其混凝土整體結構不是緻密配比，其水泥強度效益為0.06 MPa/kg/m³左右，由此可知混凝土不只是藉由水泥水化增加強度的，也可能是藉由細骨材與飛灰的緻密堆積特性來提高水泥的強度效益。
4.表面電阻量測
         圖8為輕質骨材顆粒密度固定為1.1 g/cm³的輕質混凝土在98天齡期電阻值比較，其中緻密配比法者共有10 組，ACI 配比有3 組。顯示緻密配比10 組中，固定拌和水量150kg/m³ 情況下，水膠比愈低者，其電阻係數愈高，表示的混凝土的品質愈佳，這可由混凝土的抗壓強度及超音波的數值上相互印證。在不同配比的比較上，緻密配比的10組其電阻值均在40~70K-cm 之間，較規(guī)範之建議值20K-cm 大，表示緻密配比組別的混凝土鋼筋不易腐蝕。ACI 配比在拌和水量為223 kg/m³，水膠比同樣為0.28、0.32、0.40下，其電阻值在11~12K-cm之間，電阻值明顯偏低，都在標準值20K-cm 之下，表示其混凝土的品質較差，鋼筋較易腐蝕，對鋼筋混凝土耐久性極為不利。
5. 乾縮
         圖9為水膠比0.32，緻密配比用水量分別為140、150、及160kg/m³，ACI 配比的拌和水量為223 kg/m³ 之輕質混凝土，在預養(yǎng)護28天後置於乾燥環(huán)境中，齡期與長度變化之關係。圖中顯示浸於水中的試體有持續(xù)膨脹現象，隨著拌和水量增加而增加。當試體置於乾燥環(huán)境下，由於失水現象會立刻產生收縮，且同樣地隨著拌和水量增加，則長度亦隨之增加。在固定水膠比下，隨著拌和水量的增加，相對的也提高水泥漿量，水泥之鈣釩石反應及其它水化物吸水反應，是造成混凝土膨脹的主因，而乾燥收縮則應以毛細管孔水失散為主，因此隨著水泥漿量愈多，其乾燥收縮量也愈大。
6. 熱傳導
         輕質骨材顆粒密度愈低者，其內部的孔隙就愈多，熱傳導性就愈差，相對地熱傳導係數就愈低。在相同的水泥漿質與量時，顆粒密度1.5g/cm³的骨材，由於骨材本身內部孔隙較少，混凝土熱傳導係數值在0.56~0.65W/m℃之間；顆粒密度0.7g/cm³的骨材，由於骨材本身內部孔隙較多，混凝土熱傳導係數值在0.43~0.63W/m℃之間。所有配比的混凝土熱傳導係數，其值均在0.45~0.65W/m℃之間。Short and Kinniburgh曾指出不同輕質混凝土含水量的密度與熱傳導係數之關係(3)。如圖10所示將不同輕質混凝土在大氣中風乾密度的熱傳導係數標示圖10上，顯示其所有配比除有1 組的熱傳導係數較低外，其餘多落在此兩趨勢線的範圍之內。

三、輕質骨材混在建築物上之應用性

         表3列出結構輕質骨材混凝土在建築物上之應用性(4)。整體上而言由於其質輕，故可減少地震力。而它具有熱絕緣性可節(jié)省能源、耐火，及對天候有耐久性以及體積穩(wěn)定性和實際施工性佳，其經濟性及隔熱節(jié)能評估已有一些學者進行過研究都相當肯定其應用推廣供結構用(5-8)，以下就參考文獻8摘要說明經濟效益包括下列各子題：
(一)水庫淤泥製造輕質骨材經濟性分析
         水庫淤泥製造輕質骨材，不僅可解決長久以來水庫淤泥無處堆置及處理問題，更可將淤泥資源化成另一種新材料，符合「綠色」、「環(huán)保」、「再生利用」的目標，為屬於「綠色材料」之一。因此，將「水庫淤泥」製造處理成「輕質骨材」，已提供水庫淤泥的「環(huán)境負擔成本」的經濟效益。目前由國外歐、美及大陸進口的骨材單價約為2000～5000 元/m3。經模擬在水庫附近設置輕質骨材廠成本分析，可得到假設工廠生產量可達到360,000m3/年，則在10 年攤提所有生產設備、人員、租金、水電等費用下，輕質骨材成本為450 元/ m3。此一單價具有相當的競爭力。並規(guī)劃政府在輔導業(yè)者生廠期間，支付淤泥處置成本費用在500～1000 元/ m3之間，經一段時間，業(yè)者已能具有獲利下可將淤泥處置費用逐年下降，最終目標為政府不必負擔淤泥處置費用，完全由業(yè)主自行吸收，此有助於減輕政府財政負擔。因此經此分析後，可發(fā)現水庫淤泥生產輕質骨材是具有經濟性的。
(二)輕質RC 建築物結構經濟效益比較分析
         在地震帶的臺灣，傳統(tǒng)常重RC 構造由於混凝土密度大，增加構造物自重，產生巨大的地震水平力。若採用高性能混凝土技術製造輕質骨材混凝土則可，同時具有強度高、工作性佳及耐久性的特性，可以解決以往所用使用的輕質混凝土其特性是工作性不佳、強度不足而無法使用於主要構件梁及柱的問題，透過ETABS電腦 結構程式，分析實際四棟建築物案例使用輕質骨材混凝土可達到下列之經濟效益：
         1.密度愈輕的輕質混凝土愈有利於版厚的縮減量，縮減率介於8～28%之間。
         2.在限制相同主鋼筋量為標準，分析自重及外力減少情況下，密度1600kg/m³之輕質骨材混凝土可縮短梁柱斷面積，平均達57%，而密度1800 kg/m³及2000kg/m³之輕質骨材混凝土可縮短梁柱斷面積分別達到49%與45％左右，如圖11所示。
         3.小梁柱僅考慮垂直靜載重與活載重下，縮減量分別可達到37～54%之間。
表3　結構輕質混凝土在建築物上之應用性(4)

應用型態(tài)	現今之使用量	使用之形式或斷面	與一般混凝土相較下所具有之特性質及優(yōu)越點
樓板	相當大量	場鑄及預鑄型扁平樓板 預鑄中空樓板 預鑄T型或雙T型樓板 預鑄托樑加上場鑄樓板 在預力托樑上含場鑄複合樓板 場鑄後拉式樓板	可降低自重量 可減少結構及基礎負荷 易於搬運和吊裝 抗火性佳 運輸費用節(jié)省 熱絕緣性 易於切割和澆置 可減少一些假設工作
屋頂版	遍及各處及非常大量	場鑄及預鑄型扁平屋頂樓板 預鑄中空樓板 預鑄T型或雙T型樓板 預鑄和場鑄薄殼和摺曲盤 運動場之大看臺和停機棚用之屋頂蓬蓋 支撐屋頂之桁架	可降低自重量 可降低結構及基礎負荷 抗火性佳 熱絕緣性良好 可減少水汽凝結現象 可降低運送和安裝費用 可減少一些假設工作
牆面板	相當大量	實體嵌板 三明治嵌板 T型嵌板 場鑄築牆 具有特殊建築修飾之嵌板	可降低自重量 可減少結構及基礎負荷 抗火性佳 熱絕緣性良好 可減少水汽凝結現象 可降低運送和安裝費用 易於切割和澆置

         4.柱與牆斷面的縮減，可增加樓地版的使用空間；梁與版斷面的縮減，可提昇樓層淨高度或增加樓層數。
         5.高性能輕質骨材混凝土具高流動、強度夠及耐久性佳的特性，可解決梁柱接頭處施工不易的問題。
(三)輕質RC 建築物外殼耗能量比較分析
         民國84年內政部營建署公佈建築節(jié)能源法(9)，亦即建築外殼耗能量的最高基準值(ENVLOAD)，目前有關建築設計的審查已將”ENVLOAD”列為必要條件之一(10)?？照{型建築方面，選取4、14 及31層RC辦公室建築實例；在住宿類建築方面選取2、14及31層RC住宅案例，分別採用常重RC及輕質RC進行分析計算，可得到如下之結論：
         1.地區(qū)建築物無論空調型建築或住宿型建築，其耗能影響主要是建築外殼之隔熱性能及遮陽性能二大項目。
         2.空調型建築2、14及31層建築整體外殼耗能量ENVLOAD值，輕質RC外牆比常重RC外牆分別節(jié)省7%、12%及13%之效果。
         住宿型建築2、14及31層建築物隔熱性能計算，比較其RC外牆及屋頂的平均熱傳透率之最高基準值Uaw及Uar 值，可發(fā)現輕質RC隔熱性能較常重RC優(yōu)越40%左右，如圖12所示。
(四)輕質RC 建築物外界空調負載分析比較
         根據參考文獻11說明計算3棟不同實際建築案例的空調負載，假設條件為7月份的室外溫度以35℃考慮，而室內溫度維持在26.7℃，在考量不同建築物的方位B風速、緯度、太陽入射角等，及僅考慮建築外界日光所造成之空調負載，計算結果如圖13所示，說明如下：
         1.物1案例，使用常重混凝土在正午、下午4 點及下午7點所需電力度數分別為9.86、14.95 及8.09 度，而使用輕質混凝土則分別為6.54、8.61 及2.7 度，因此，省電率可分別可省電33.7%、42.4%及66.6%。
         2.物2案例，在正午、下午4點及下午7點使用輕質混凝土之省電率分別為39.8%、39%及66.8%。
         3.物3案例，在正午、下午4 點及下午7點使用輕質混凝土之省電率分別為45%、30%及87.4%。
(五)濟性綜合評估
         經濟性綜合評估顯示骨材生產成本可控制在1000元/m3以下；高性能輕質骨材混凝土工程性質符合工程需求；針對三種樓層和二類用途分析，採用輕質混凝土後，結構樑柱斷面可減少32%～50%範圍，建築物外殼耗能量(ENVLOAD)降低7%～13%，建築物外界空調負載節(jié)省電力33%以上。證明利用水庫淤泥製造輕質骨材及輕質混凝土，不管結構及耗能上均為經濟可行，符合資源永續(xù)及綠色家園的國家政策，為一項突破性的綠色建材。研究根據過去進行輕質骨材混凝土的種種問題，經過以上分析，可獲如表4 綜合評估表，基本上評估使用輕質骨材混凝土於RC結構物上，由結構及耗能分析結果都顯示具經濟可行性。
表4 輕質骨材混凝土使用於RC結構物之經濟性綜合評估表

評估項目	目前問題概況	具體評估內容	具體評估效益	評估結果
				可行	不可行
水庫淤泥製造輕質骨材經濟性分析	1.臺灣水庫平均累積淤積率達20%，總淤積量達4.7億m3，並且每年淤泥淤積量達360萬m3，無處堆置及處理。 2.國內以往輕質骨材原料以頁巖或板頁為主，單價高，且影響環(huán)境生態(tài)。	水庫淤泥處理問題	解決國內淤泥無法處置問題	ˇ
		國內輕質骨材市場需求	以產量360萬m3/年，僅佔國內骨材市場10%左右，將供不應求	ˇ
		水庫淤泥輕質骨材設廠可行性	於水庫附近設置最具競爭力	ˇ
		水庫淤泥輕質骨材生產與成本分析	以36萬m3/年產量，生產成本450元/m3	ˇ
水庫淤泥輕質骨材初步工程性質分析	1.以往國內外輕質骨材吸水率高達20～30%以上。 2.以往輕質骨材混凝土強度低、坍度低、水泥用量多。	輕質骨材吸水率	吸水率<10%以下	ˇ
		輕質混凝土工作性	坍度250±20mm，坍流度550~700mm	ˇ
		輕質混凝土抗壓強度及E、v值	抗壓強度28~68MPa，E及v與ACI 318 95建議值相似	ˇ
		輕質混凝土耐久性指標	電阻達57~82k-cm，電滲值低於1000庫崙	ˇ
		輕質混凝土熱傳性質	熱傳導係數0.53~0.65w/mk	ˇ
建築物結構及經濟效益分析	以往研究成果報告內容，僅在版牆使用輕質骨材混凝土。	版梁柱、小梁結構分析	可節(jié)省斷面>=30%	ˇ
		各部位之經濟分析	增大建築物可使用空間	ˇ
		各部構件之施工性	高流動性鋼筋密集處	ˇ
RC建築物耗能分析	以往未進行輕質與常重使用於RC建築物之評估差異性能與比較	評估方法採用ENVLOAD指標	ENVLOAD降低7~13%	ˇ
		評估實際建築物共四棟，分別以住宅及辦公用途分析
建築物外界空調負載分析	以往未進行輕質與常重使用於RC建築物之評估差異性能與比較	評估方法採用Carrier計算方式	建築物外界空調負載降低30~87%	ˇ
		評估實際建築物共三棟，分別以住宅及辦公用途分析

四、輕質骨材混凝土在橋樑上之應用

         1999年9月21日凌晨1點47分在集集發(fā)生芮氏規(guī)模7.1的大地震造成27座橋樑毀損、綜合橋樑結構之震害主要發(fā)生之原因是，一般橋樑設計與一般房屋建築設計在結構上有三個主要不同點。一為避免熱漲冷縮的氣溫變化可能產生的應力應變而在沿著橋面軸向一定長度之處設有伸縮縫。以簡支樑為例，其軸向僅由單一橋墩抵抗地震力，而側向則由兩個橋墩分擔地震力。第二是因應橋下河川之流動及行車之需要，一般橋墩之斷面均以沿橋軸方向較扁，而沿側向則較長之設計方式，因此此軸向之耐震力較弱。而第三點則是沿橋軸向有呈現「弱柱強樑」之傾向。強震發(fā)生時，常會造成橋墩破壞，而對整座橋樑構成安全上之顧慮。橋樑在地震作用下，沿水平橋軸方向有向前後左右擺動與扭動現象，而地震力愈強之情況下，則其擺動量就愈厲害。橋樑結構體及其基礎之作用力也就愈大，故其上部結構可能與擺動量較小的橋臺在伸縮縫之處發(fā)生碰撞現象，因而導致橋樑之上部結構受損或產生落橋現象。橋柱及橋墩亦可能因其所承受之負荷超過其容許應力極限而受損或向側向崩塌。
         由921震災可發(fā)現有許多橋樑可能是因為其基礎土層強度不足而使橋樑傾斜，移動甚至崩塌及全毀的現象。而土壤產生液化，導致橋樑破壞現象，則需對土壤可能發(fā)生液化之潛能進行評估。有些橋樑可能由於大樑支撐長度不足，當受到像此次地震的大震幅，則將導致橋面板連同大樑被震落。早期耐震設計觀念係以結構物在設計載重下必須維持彈性行為。若考慮強裂地震之作用，則不僅設計斷面不具經濟性，且施工上亦有困難。接著有塑性設計觀念，係利用結構物之非彈性變形以吸收地震之能量，雖然可以縮減結構體之斷面尺寸，然而由震毀之橋樑案例可發(fā)現因橋墩產生挫屈及剪力破壞而崩塌之事實，可以判斷橋墩之塑性尚未充分發(fā)揮。強震後必須對結構體上所發(fā)生的局部損傷進行一些維修與補強工作。如果能使用高性能輕質混凝土，則其自重可縮減三分之一，由於橋樑的設計水平地震力與其自重成正比，故地震力可相對地減小。另外其強度又可達到10,000psi之高強度，坍度也可達25公分以上，相信可以自行流動至密集之鋼筋處充填而不需使用機械振動方式，如此混凝土設計與施工方式必定會在耐震效果發(fā)揮相當大的功效。
         挪威應用輕質骨材混凝土的十座橋樑是使用懸臂工法之預力箱型樑或浮橋及斜張橋建造的。而在基礎方面則以雙柱式加沉箱基礎為主，或打鋼管樁後再填充鋼筋混凝土之摩擦樁為基礎者。其選用LWC之理由可歸納如下(13)：
         1.造型美觀、經濟與節(jié)省重量耐久
         2.橋臺之跨距可拉長，有利於航行與海洋牧場養(yǎng)殖
         3.可減少橋面板所需預力鋼數量
         4.可解決跨度不對稱現象，以結構體及地形景觀美感各方面考量
         5.耐久性考量
         6.不需使用昂貴的施工鷹架，施工簡便
         7.可節(jié)省橋墩基礎施工費用
         8.縮小橋面版斷面，使其具美觀
         9.縮減打數量，降低打費用
         10.以美觀、品質、經濟及使用功能各方面之因素考量使用浮式橋及斜張橋
         11.可減輕橋面板之載重
         921集集大地震可以發(fā)現有橋面板樑落橋、樑身折斷、樑端有剪力裂縫、混凝土剝落、橋面位移傾斜、帽樑斷落、橋面龜裂、伸縮縫損壞、橋樑錯開、橋墩剪力龜裂傾斜破壞、鋼筋外露壓毀或折斷、鋼支承座傾到、橋塔底部混凝土龜裂剝落、斜張橋與鄰跨引橋銜接處之混凝土破損、盤式支承錯位壓潰、堤岸道路擋土牆崩塌、引道路面下陷及水壩壩體折斷毀損及崩裂等震害現象發(fā)生(14)。輕質骨材混凝土由於具有質量輕、強度高及耐久、耐震等特性，因此可使新建橋樑之橋面板細薄，橋柱細長，船隻航行之淨空提高及跨距增長，使得橋樑工程能達到採用天然造型、堅固、穩(wěn)定、平衡、和諧與自然環(huán)境互相調和，工程規(guī)模大且美感，尤其斜張橋多樣化之設計所展現的新、奇、及美感更是使土木之美發(fā)揮至極點。尤其像九二一集集大地震橋樑發(fā)生剪力破壞的案例特別多，如果能使用耐震的輕質骨材混凝土一定可以使災害減至最低。表5為結構輕質混凝土在橋樑上之應用性概述(4)。由以上可發(fā)現其橋樑應用具有技術可行性及經濟利益。尤其是具長跨度之懸臂連續(xù)樑及斜張橋樑之構築為未來交通建設之主流。因此橋樑工程師考量在耐震、安全、使用功能、經濟、自然景觀與生態(tài)環(huán)境保護等諸多優(yōu)點，輕質骨材混凝土將是一種優(yōu)生採用的重要材料。
         國內發(fā)展輕質骨材混凝土橋樑，由於已研發(fā)成功具有可利用之輕質骨材，但普遍應用必須再經過一些測試，才能瞭解其真正之性能。因此在應用輕質混凝土於國內之橋樑工程上應可先作一個先導性橋樑，如同國內曾引進預力橋一樣，可以充分瞭解其在實際工程上應用具有可發(fā)揮其真正之優(yōu)特性，共同為提昇臺灣地區(qū)橋樑的技術水平而努力。
表5 結構輕質混凝土在橋樑上之應用性(4)

應用形態(tài)	現今之使用量	使用之形式或斷面	與一般混凝土相較下所具有之性質及優(yōu)越點
橋之主樑	有一些	場鑄懸臂樑 I型或T型橋加場鑄橋面板 箱型樑 中空板 節(jié)塊斷面	可降低自重量 可減少結構及基礎負荷 易於搬運和安裝 可減少一些假設工作
橋面板	有一些	場鑄和預鑄橋面板 場鑄橋面板再加上I型樑	可降低自重量 可減少一些假設工作
天橋	相當多	I型樑 T型樑 箱型樑 節(jié)塊斷面	可降低自重量 易於搬運和安裝 可減少一些假設工作
橋墩	有一些	橋墩	可減少浸水重量 可降低搬運和運輸費用 撓度及能量之吸收能力佳
浮橋	有一些	浮箱	可減少浸水重量 撓度及能量之吸收能力佳

五、結論與建議

         1.臺灣水庫淤泥非常適合製造輕質骨材。
         2.水庫淤泥輕質骨材具有相當的經濟效益。
         3.水庫淤泥可再生利用為有用的骨材資源。
         4.目前已訂定相關標準規(guī)範供工程界應用。
         5.水庫淤泥輕質骨材及其混凝土之產製技術已開發(fā)成功轉移至產業(yè)界。
         6.建議透過宣傳推廣應用以打開輕質骨材混凝土的市場。
         7.建議串聯「研發(fā)，製造，生產，品保，運輸，行銷」，使得上游生產，中游製造，下游應用行銷能無障得，而打開市場。
         8.政府需投資研究發(fā)展建立產官學間規(guī)範典章。
         9.本技術相當符合資源永續(xù)的精神，可達到綠色建材的目標。■

參考文獻

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13.林維明，「由九二一集集大地震的橋樑災情談輕質混凝土在橋樑工程上應用之可行性」，臺灣公路工程第26卷第12期，pp.41~62臺北 (2000年)。
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摘自：中國混凝土網