Saturday, December 7, 2019

新版「混凝土結構設計規範」之混凝土設計、允收標準及耐久性質要求

Ref:
1. 台灣混凝土學會2019年混凝土工程研討會論文集, 台北, 2019
2. 混凝土結構技術規範之修正研擬, 內政部建築研究所


新版「混凝土結構設計規範」之混凝土設計、允收標準及耐久性質要求

摘要
新版「混凝土結構設計規範」草案參考美國ACI 318-19修訂章節及內容,其中混凝土之設計及耐久性質要求見於第十九章、允收標準見於第二十六章。有別於前版ACI 318-14規範,就混凝土設計而言,依更多的構材型式而要求最低抗壓強度,亦加入輕質混凝土與噴凝土的設計。就耐久性質而言,環境暴露新增類別與分級,亦新增使用混合水泥時的混凝土暴露分級及對應要求。允收標準則對設計與耐久性質的要求而加入輕質混凝土與噴凝土的相關規定。然而,為符合現行CNS國家標準及配合國內實務應用的需求,新版規範略修訂部分條文,有別於ACI 318-19中的敘述,例如新拌混凝土中的氯離子含量降低至0.15 kg/m3、楊氏模數須考慮國內粒料性質而採較低數值計算等。

關鍵字: 規範,混凝土,噴凝土,配比,允收,耐久性質

一、前言
        中國土木水利工程學會混凝土工程委員會(土木401委員會)於2016年出版ACI 318-14結構混凝土建築規範及解說繁體中文版[1],同年執行內政部建築研究所研究案「混凝土結構技術規範之修正研擬」,以ACI 318-14繁體中文版為基礎,結合國內研究及CNS國家標準,以內政部營建署「混凝土結構設計規範」格式呈現「混凝土結構技術規範(草案)」(以下簡稱「舊版規範」)[2]。隨著ACI 318-19[3]的出版,委員會基於舊版規範並參照ACI 318-19再次修訂而草擬新版「混凝土結構技術規範」(以下簡稱「新版規範」或「規範」),後續將提供內政部營建署修訂「混凝土結構設計規範」的參考,如圖 1所示。

圖 1 文獻關係圖


       本文著重在新舊版規範及ACI 318-19的比較。簡而言之,新舊版規範分別基於ACI 318-19與ACI 318-14而修訂,因此兩版規範的主要差異多源於ACI 318的變革,為本文所探討重點。然而,新版規範為符合現行CNS 國家標準及配合國內實務應用,內容並非完全採用ACI 318-19之條文,此差異亦將於本文敘述,其中有關ASTM與CNS標準的對照,可參見表 1所整理。另一方面,內政部營建署現行所頒布之「混凝土結構設計規範」[4]係基於「混凝土工程設計規範與解說(土木401-100)」[5],更源於ACI 318-05及ACI 318-08,因此該頒布版本之章節排列及內容條文與新版規範差異甚多,本文不探討其與新版規範的差異。為利說明,本文僅擇要新版規範部分條文並以不改變原意原則下改寫部分敘述及表格編排順序、內容,讀者宜對照所引用之各規範原文以便理解。

表 1新版規範所及之CNS國家標準與ACI 318-19所使用之ASTM規範對照
新版規範使用之CNS國家標準
ACI 318-19使用之ASTM規範
CNS 1231
ASTM C31
CNS 1240
ASTM C33
CNS 1232
ASTM C39
CNS 1238
ASTM C42
CNS 61
ASTM C150
CNS 1174
ASTM C172
CNS 9662
ASTM C173
CNS 9661
ASTM C231
CNS 3691
ASTM C330
ASTM C457
ASTM C469
CNS 15286
ASTM C595
CNS 3036
ASTM C618
CNS 10733
ASTM C803
CNS 10732
ASTM C805
ASTM C900
CNS 15286
ASTM C989
CNS 14794
ASTM C1012
CNS 14917
ASTM C1140
ASTM C1157
ASTM C1609
ASTM C1778
CNS 14703
ASTM C1218
CNS 15648
ASTM C1240
ASTM C1580
CNS 1237
ASTM D516
ASTM D4130

      本文介紹新版規範「第十九章 混凝土:設計與耐久性要求」、「第26.4.2.2節 混凝土拌成物合格要求」、「第26.4.3.1節 混凝土拌成物配比合格要求」、「第26.4.4.1節 混凝土拌成物特性之文件合格要求」及「第26.12節 硬固混凝土評估與驗收」,亦即允收標準著重於混凝土本身性質,不包含混凝土拌成物之組成材料及混凝土生產與施工。

二、混凝土設計性質
2.1 規定抗壓強度(`fc^'`)
      混凝土的規定抗壓強度( `fc^'`)見於規範第19.2.1節,應依循以下(a)至(d)之規定:
      (a) 規範表19.2.1.1(本文表 2)中 `fc^'`之限制,同時適用於常重與輕質凝土。
      (b) 規範表19.3.2.1(本文表 9)之耐久性要求。
      (c) 結構強度之要求。
      (d) 用於特殊抗彎矩構架、特殊結構牆及其基礎中的輕質混凝土,其`fc^'`不應超過350  `kgf//cm^2` [35 MPa],若經實驗證明輕質混凝土構材,其強度和韌性等於或超過相同強度常重混凝土構材,則不受此限


表 2規定抗壓強度(`fc^'` )之限制 (Ref.: 規範表19.2.1.1)

應用範圍
混凝土
最低`fc^'`
kgf/cm2 [MPa]
最高`fc^'`
kgf/cm2 [MPa]
一般
常重與輕質
210 [21]
特殊抗彎矩構架及特殊結構牆
常重
280 [28]
輕質
280 [28]
(2)
預鑄非預力打擊樁(1)
鑽掘樁(場鑄樁)(1)
微型樁(1)
常重
280 [28]
預鑄預力打擊樁(1)
常重
350 [35]
(1) 新版規範新增

(2) 新版規範改以敘述表示`fc^'`不應超過350 kgf/cm2 [35 MPa]

      設計錨栓時,混凝土之`fc^'`要求見於規範第17.3.1節,「用於計算之`fc^'`值,在預埋錨栓不可大於700 `kgf//cm^2` [70 MPa],在後置錨栓不可大於560 `kgf//cm^2` [55 MPa]。當後置錨栓實際 值大於560 `kgf//cm^2` [55 MPa]時應進行試驗。」

      相較於舊版規範,新版規範中並未要求`fc^'`之數值應在「施工圖說」(construction document)中指定,但如同以往規定試驗齡期,「 `fc^'`應於28天試驗。若非28天,則施工圖說應指定`fc^'` 之試驗齡期。」。就應用範圍而言,新版規範新增使用預鑄非預力打擊樁、鑽掘樁(場鑄樁)、微型樁、預鑄預力打擊樁。

      ACI 318-19對於`fc^'` 的限制如表 3 所示。相較而言,新版規範對於一般(general)構材所要求的最低 `fc^'`較高,達21 MPa而非2500 psi(項次1)。此外,國內並未實施與美國相同的耐震設計分類(SDC,seismic design category),故項次2-4並未納入新版規範。國內未使用ASTM Grade 100鋼筋製作特殊結構牆,故項次6亦未納入,雖然項次5的特殊抗彎矩構架及特殊結構牆納入新版規範,但規範使用最低`fc^'` 達280 `kgf//cm^2`,亦高於ACI 318-19的3000 psi。項次7-8則皆已納入新版規範。

表 3規定抗壓強度( `fc^'`)之限制 (Ref.: ACI 318-19 Table 19.2.1.1)
項次
Application
Minimum `fc^'`, psi
1
General
2500
2
Foundations for structures assigned to SDC A, B, or C
2500
3
Foundations for Residential and Utility use and occupancy classification with stud bearing wall construction two stories or less assigned to SDC D, E, or F
2500
4
Foundations for structures assigned to SDC D, E, or F other than Residential and Utility use and occupancy classification with stud bearing wall construction two stories or less
3000
5
Special moment frames
Special structural walls with Grade 60 or 80 reinforcement
3000
6
Special structural walls with Grade 100 reinforcement
5000
7
Precast-nonprestressed driven piles
Drilled shafts
4000
8
Precast-prestressed driven piles
5000


2.2 彈性模數(Modulus of elasticity)
      混凝土的彈性模數見於規範第19.2.2節。混凝土之彈性模數Ec,應符合表 4中之(a)或(b),此兩式於新舊版規範相同,但相較於ACI 318-19此兩式所得Ec較低,係因為「台灣混凝土因粒料強度較低和漿體量較高,導致其彈性模數值相較美國規範 (ACI 318) 所預估之値有偏低的趨勢,故參照國內相關研究成果(廖文正等 2016; 陸景文等 2004)予以修正,以反映台灣粒料及配比特性。」。

       相較於舊版規範,新版規範允許用於設計的Ec可由試驗指定與驗證,因此於規範第19.2.2節中,工程規定之Ec應可依據以下(a)至(c)所得混凝土拌成物之試驗值:
       (a) 規範第26.4.3節混凝土拌成物配比設計之試驗結果須符合規定Ec。
       (b) 須進行試驗證明可達到規定之Ec,該結果應隨拌成物配比設計書提交。
       (c) 量測Ec之測試齡期須為28天或如施工圖說所指定。

表 4混凝土之彈性模數Ec
適用條件
新版規範
ACI 318-19
(a) wc介於1,440 2,560 kg/m3之間
Ec = wc1.50.11 (`kgf//cm^2`)
[Ec = wc1.50.034] (MPa)
Ec = wc1.533 (psi)

Ec = wc1.50.14 (`kgf//cm^2`)
[Ec = wc1.50.043] (MPa)
(b) 常重混凝土
Ec = 12,000 (`kgf//cm^2`)
[Ec = 3,750] (MPa)
Ec = 57,000 (psi)
Ec = 15,000 (`kgf//cm^2`)
[Ec = 4,700] (MPa)


2.3 破裂模數(Modulus of rupture)
      混凝土的破裂模數見於規範第19.2.3節及19.2.4節。混凝土破裂模數  ,應以下式計算:

fr=2`lambda``sqrt(fc^')`
[ fr=0.62`lambda``sqrt(fc^')` ]

       其中,λ的決定有三個方式,除可依表 5中所假設之混凝土拌成物「粒料組成」而定外,相較於舊版規範,新增λ值的其他決定方式,除依表 6要求外,λ值應依表 7中所使用混凝土拌成物之「穩定後密度」wc而定。此外,新版規範刪除了以平均劈裂抗張強度fct及平均抗壓強度fcm來計算輕質混凝土的λ值。

表 5以粒料組成決定輕質混凝土之l值 (Ref.: 規範表19.2.4.1(b))
混凝土
粒料組成
粒料標準
l
全輕質粒料混凝土
全輕質粒料
細粒料:CNS 3691
粗粒料:CNS 3691
0.75
部份輕質粒料混凝土
細粒料:常重+輕質
粗粒料:輕質
細粒料:符合CNS 3691CNS 1240
粗粒料:CNS 3691
0.75 to 0.85(1)
細粒料:常重
粗粒料:輕質
細粒料:CNS 1240
粗粒料:CNS 3691
0.85
細粒料:輕質
粗粒料:常重+輕質
細粒料:CNS 1240
粗粒料:符合CNS 3691CNS 1240
0.85 to 1(2)
(1)   可依常重細粒料佔全部細粒料之絕對體積百分比,在0.75 ~ 0.85間使用線性內插法。
(2)   可依常重粗粒料佔全部粗粒料之絕對體積百分比,在0.85 ~ 1.00間使用線性內插法。

表 6受拉竹節鋼筋及麻面鋼線伸展長度之修正因數 (Ref.: 規範表25.4.2.5)
修正因數
條件
因數值
輕質 l
輕質混凝土
0.75
常重混凝土
1.0
鋼筋等級ψg
SD 280SD 420
SD 490WSD 550W
SD 690
1.0
1.15
1.3
環氧樹脂[1] ψe
環氧樹脂塗布或鋅與環氧樹脂雙層塗布鋼筋,且其淨保護層小於3db或其淨間距小於6db
1.5
其他情況之環氧樹脂塗布或鋅與環氧樹脂雙層塗布鋼筋
1.2
未塗布或鋅塗布 (鍍鋅) 鋼筋
1.0
鋼筋尺度 ψs
D22及較大之鋼筋
1.0
D19及較小之鋼筋及麻面鋼線
0.8
澆置位置[1] ψt
水平鋼筋下新拌混凝土澆置厚度大於30 cm
1.3
其他
1.0

表 7以穩定後密度wc決定輕質混凝土之l值 (Ref.: 規範表19.2.4.1(a))
wc(kg/m3)
l

1,600
0.75
(a)
1,600< wc2,160
0.0075wc1.0
(b)
>2,160
1
(c)

三、混凝土耐久性要求
        混凝土之耐久性質要求見於規範第19.3節,首先基於表 8所定義的暴露類別與等級訂定混凝土耐久性,設計者將結構中的構材歸類於適當的暴露類別與等級(規範第19.3.1節),接著根據暴露嚴重性所指定的暴露等級,依表 9決定適當混凝土性質,並包含於施工圖說中(規範第19.3.2節)。相較於舊版規範,新版規範於19.3節的解說將水膠比w/cm對混凝土耐久性影響的論述移至第19.3.1節的解說。

表 8暴露環境類別與分級 (Ref.: 規範表19.3.1.1)
類別
分級
混凝土之環境條件
凍融 (F)
F0
非暴露於凍融循環
F1
暴露於偶而受潮之凍融循環
F2
暴露於經常受潮之凍融循環
F3
暴露於經常受潮及使用
除冰化學藥劑之凍融循環
硫酸鹽 (S)

土壤中水溶性硫酸鹽 (SO42-),質量%(1)
水中溶解之硫酸鹽 (SO42-)
ppm[2]
S0
SO42-< 0.10
SO42-< 150
S1
0.10 £ SO42-< 0.20
150 ≤ SO42-< 1500
或海水
S2
0.20 £ SO42-£ 2.00
1500 ≤ SO42-£ 10,000
S3
SO42-> 2.00
SO42-> 10,000
與水接觸 (W)
W0
處於乾燥環境
W1(3)
與水接觸,不需要求低滲透性
W2(4)
與水接觸,需要求低滲透性
鋼筋的腐蝕防護 (C)
C0
處於乾燥環境或有防潮處理
C1
暴露於潮濕但無外來氯鹽之環境
C2
暴露於潮濕且有外來氯鹽之環境,如除冰化學藥劑、鹽、
微鹹水、海水或其潑濺水
(1)   土壤中硫酸鹽的質量百分比應依ASTM C1580 測定。
(2)   水中溶解硫酸鹽的濃度ppm 應依CNS 1237 ASTM D4130 測定。
(3)   新版規範將就版規範中W0等級之「與水接觸,不要求低透水性」獨立分級。
(4)   新版規範新增,等同於舊版規範W1分級。

表 9不同暴露分級之混凝土要求 (Ref.: 規範表19.3.2.1)
暴露分級
w/cm(1,2)
`fc^'`
kgf/cm2 [MPa]
附加要求
膠結材之限制
含氣量
F0
N/A
210 [21]
N/A
N/A
F1
0.55
245 [24]
混凝土適用表19.3.3.1、噴凝土適用表19.3.3.3
N/A
F2
0.45
315 [31]
混凝土適用表19.3.3.1、噴凝土適用表19.3.3.3
N/A
F3
0.40(3)
350 [35](3)
混凝土適用表19.3.3.1、噴凝土適用表19.3.3.3
26.4.2.2(b)

膠結材料[4]-種類
氯化鈣摻
CNS 61
CNS 15286
S0
N/A
210 [21]
無限制
無限制
無限制
S1
0.50
280 [28]
II(5,6)
(MS)標記之分類
無限制
S2
0.45
315 [31]
V(6)
(HS)標記之分類
不允許
S3
選項1
0.45
315 [31]
V加卜作嵐材料(6)
(HS)標記之分類加卜作嵐材料(6, 7)
不允許
選項2
0.40
350 [35]
V(8)
(HS)標記之分類
不允許

W0
N/A
210 [21]
W1
N/A
210 [21]
26.4.2.2(d)
W2
0.5
280 [28]
26.4.2.2(d)

新拌混凝土中最大水溶性氯離子(Cl-)含量,kg/m3 (9,10)
額外規定
非預力混凝土
預力混凝土
C0
N/A
210 [21]
0.15
0.15
C1
N/A
210 [21]
0.15
0.15

C2
0.40
350 [35]
0.15
0.15
混凝土保護層厚度(11)
(1)   w/cm係基於混凝土拌成物中所有的膠結及輔助膠結材料。
(2)   表中之w/cm最大限不適用於輕質混凝土。
(3)   無筋混凝土之w/cm最大限為0.45`fc^'`最低限為315 kgf/cm2 [31 MPa]
(4)   所列膠結材料之替代組合,經抗硫酸鹽測試且能符合第26.4.2.2(c)節中之準則者,允許使用。
(5)   暴露於海水環境下,若w/cm不超過0.40時,允許使用鋁酸三鈣(C3A)10%以下之其他類型卜特蘭水泥。
(6)   允許於暴露分級S1S2中使用其他種類之水泥,如I型或III型,若C3A含量低於8%則可用於S1暴露分級或含量低於5%則可用於S2暴露分級。
(7)   當使用於含V型水泥之混凝土時,指定來源之卜作嵐或高爐水泥用量,須至少達可改善抗硫酸鹽能力使用紀錄之用量。或者,指定來源之卜作嵐或高爐水泥用量,須至少為符合CNS 14794及符合第26.4.2.2(c)節中準則所定之用量。
(8)   若僅使用V型水泥作為膠結材料時,須指定CNS 61任選規定中所及,抗硫酸鹽膨脹下之最大膨脹量0.040%
(9)   用於測定氯離子含量之補助膠結材質量不應超過水泥質量。
(10) 測定氯離子含量之標準見於第26.4.2.2節。
(11) 混凝土保護層厚度須符合第20.5節規定。


3.1 暴露環境分類與分級(Exposure categories and classes)
     混凝土構材的所暴露環境的分類與分級見於規範第19.3.1節,設計者須依表 8規定之各種暴露類別及構材的預期暴露程度設定暴露分級。

     與舊版規範相較,新版規範於表 8將與水接觸類別(W)中的「處於乾燥環境」、「與水接觸,不需要求低滲透性」兩環境條件獨立分級為W0與W1,因此與水接觸(W)類別增為W0、W1、W2三個等級。於解說,則新版規範具有以下變更:
     (1) 暴露類別F不再侷限於「戶外」混凝土。
     (2) 暴露類別W不再侷限於「不暴露於凍融、氯鹽或硫酸鹽」之混凝土。
     (3) 須為構材於各暴露環境類別分級,亦須符合這些暴露下最嚴格的要求。「例如,在寒冷氣候下的車庫可能被指定為暴露等級F3、S0、W2及C2,而供暖建築中的飲水儲槽可能被指定為暴露等級F0、S0、W2及C1。」
     (4) 暴露類別W中,與水接觸的定義包括「連續接觸水、斷續水源或可由周圍土壤吸收水分之環境」。

3.2 混凝土拌成物要求(Requirement for concrete mixtures)
        就耐久性質而言,混凝土拌成物的要求見於規範第19.3.2節,應基於表 8暴露分級並符合表 9中最嚴格的要求。

        與舊版規範相較,新版規範於表 8主要有以下變更:
        (1) 於暴露分級F1、F2、F3,新增噴凝土的附加要求,須適用表 10。
        (2) 於暴露分級S1、S2、S3,刪除IP、IS或IT分類之敘述。
        (3) 於暴露分級S3,新增選項2使用於使用卜特蘭第V型水泥或含(HS)標記之水硬性混合水泥,此時最大w/cm為0.4、最小 `fc^'`為350 `kgf//cm^2'` [35 MPa]。
        (4) 於暴露類別W,因應新增分級,原暴露分級W1歸為W2,新增暴露分際W1,未要求最大w/cm,但要求最小 `fc^'`為210 `kgf//cm^2'` [21 MPa],兩者之附加要求均須參加規範第26.4.2.2(d)節,「混凝土供應商可提供文件說明潛在的鹼-粒料反應。ASTM C1778 提供測定粒料活性之方法、準則、以及指引如何降低混凝土中鹼-粒料反應的危害。」
         (5) 新增對於新拌混凝土中最大水溶性氯離子(Cl-)含量之測定要求,包括「用於測定氯離子含量之補助膠結材質量不應超過水泥質量。」及測定氯離子含量之標準見於規範第26.4.2.2節。
         (6) 若僅使用卜特蘭第V型水泥,「須指定CNS 61任選規定中所及,抗硫酸鹽膨脹下之最大膨脹量0.040%。」
         (7) 於S1級暴露解說中說明,「浸泡於海水下的水泥,相較於浸泡於含同樣硫酸鹽含量的淡水時,具有較低的膨脹量」,故將海水列為S1級暴露。
         (8) 於S3級暴露解說中,選項1同舊版規範之分級S3,與選項2差別主要在於選項1係指額外添加卜作嵐材料之膠結材,解說亦說明「添加卜作嵐材料或高爐水泥的好處在於允許使用高於選項2的w/cm。」。選項2則適用未再額外添加卜作嵐材料之「極限最大膨脹量0.04%的CNS 61第V型卜特蘭水泥、CNS 15286中含HS標記的二元與三元混合水泥及未添加額外卜作嵐材料或爐石水泥的ASTM C1157 HS型水泥」。
         (9) 於W1級暴露解說中,新增關於粒料鹼活性要求的敘述,須依規範第26.4.2.2(d)節,證明用於混凝土中的粒料非具鹼活性。若粒料具鹼-二氧化矽活性,則須提供建議補救措施,此外禁止使用鹼-碳酸鹽質活性的粒料。
         (10) 於W2級暴露解說中,對於粒料的要求同W1級暴露,主要說明「達到低滲透性混凝土之主要方法為降低w/cm。」
         (11) 於暴露類別C解說中,說明規範第20.6.3節與第26.8.2節提供了保護鋁質埋置物以避免腐蝕的要求,第26.4.2.2節提供評估氯離子含量的要求。

        與ACI 318-19相較,新版規範主要有以下差異:
        (1) 刪除適用ASTM C1157附加要求的欄位。
        (2) 暴露分級F0、S0、W0、W1、C0及C1,最小`fc^'` 皆提高為210 `kgf//cm^2` [21 MPa],而非2500 psi。
        (3) 暴露類別C中對於氯離子含量的附加要求,無論預力或非預力混凝土皆定為0.15 `kg//m^3`,而非膠結材的質量比。

表 10暴露於凍融環境之混凝土總含氣量 (Ref.: 規範表19.3.3.3)
拌成物種類
取樣位置
目標含氣量,%
F1
F2
F3
濕拌噴凝土
澆置前
5.0
6.0
6.0
乾拌噴凝土
現地
N/A(1)
N/A(1)
4.5
(1)   乾拌噴凝土於這些暴露等級中不需要輸氣。

3.3 暴露於凍融之附加要求(Additional requirement for freezing-and-thawing exposure)
       針對暴露凍融環境(類別F),規範另有附加要求,見於規範第19.3.3節。其中,目標含氣量的規定包括:
(1) 暴露於F1、F2或F3級凍融之混凝土,除規範第19.3.3.6節允許者外,須依表 11之含氣量輸氣(規範第19.3.3.1節)。
(2) 若為噴凝土,受到凍融暴露F1、F2或F3級之濕拌噴凝土及受到凍融暴露F3級之乾拌噴凝土,除規範第19.3.3.6節允許者外,須依表 10之含氣量輸氣(規範第19.3.3.3節)。
(3)  `fc^'`大於350 `kgf//cm^2`  [35 MPa]者,含氣量可依前述兩點指示量減少1.0%(規範第19.3.3.6節)。
在F3級暴露下,混凝土拌成物設計中,卜作嵐材料包括飛灰、矽灰及高爐水泥佔混凝土之最大質量百分比,須依規範第26.4.2.2(b)節之規定。(規範第19.3.3.7節)

相較於前版規範,新版規範主要新增噴凝土相關規定,包括:
(1) 前述第(2)點及第(3)點關於噴凝土的目標含氣量。解說中主要說明,關於第(2)點中的乾拌噴凝土,「於未暴露於鹽水或除冰鹽的凍融環境中,無輸氣之乾拌噴凝土表現良好。」,關於濕拌噴凝土,「於交貨地取樣之濕拌噴凝土,其較高含氣量係考量到施噴中所預期含氣量損失。」
(2) 濕拌噴凝土應符合CNS 1174取樣,且應符合CNS 9661或CNS 9662量測含氣量。(規範第19.3.3.4節)
(3) 乾拌噴凝土應如設計者所指示而取樣並量測含氣量。(規範第19.3.3.5節)解說中主要說明,「如果設計者需要量測新拌乾拌噴凝土的含氣量時,將於施工圖說中闡明此要求」,乾拌噴凝土含氣量的現場量測,可藉由直接施噴材料於含氣測定儀的容器而量測,或施噴到試驗格板上、單輪手推車中或地表面上取得含氣量試驗的試樣,再用於依CNS 9661所進行的試驗。

表 11暴露於凍融環境之混凝土總含氣量 (Ref.: 規範表19.3.3.1)
粗粒料之標稱最大粒徑,mm
目標含氣量,%
F1
F2F3
9.5
6.0
7.5
12.5
5.5
7.0
19.0
5.0
6.0
25.0
4.5
6.0
37.5
4.5
5.5
50
4.0
5.0
75
3.5
4.5

3.4 氯離子含量之附加要求(Additional requirement for chloride ion content)
        氯離子含量之附加要求見於規範第19.3.4節,為新版規範新增,只有單條規定,「除非其他專案條件要求更嚴格的極限,採用免拆鍍鋅鋼模澆置之非預力混凝土應符合暴露C1級之氯離子極限。」(規範第19.3.4.1節)解說提及,「鍍鋅鋼板或免拆鍍鋅鋼模可能發生腐蝕,尤其是在潮濕環境中或被混凝土厚度、塗層或不透水覆蓋物抑制乾燥時。」然而,有別於ACI 318-19,新版規範規定,使用免拆鍍鋅鋼模時,混凝土最大水溶性氯離子含量皆為0.15 `kg//m^3`,不因暴露環境而變。

四、灌漿材料之耐久性要求(Grout durability requirement)
        灌漿材料之耐久性要求同時見於新舊版規範第19.4節,僅一條規定,「依CNS 14703試驗,包覆鋼腱之灌漿材料其水溶性氯離子含量,不得超過0.15 `kg//m^3`。」該氯離子含量規定,不同於ACI 318-19所要求。

五、混凝土允收標準(Compliance of concrete materials and mixture)
        混凝土允收標準見於規範第26章,主要包括混凝土拌成物之組成材料、混凝土拌成物、混凝土配比、混凝土拌成物特性之文件、混凝土生產與施工、硬固混凝土評估與驗收等。本文著重在混凝土拌成物性質之允收標準,因此不討論混凝土拌成物之組成材料及混凝土製程與施工的允收標準。

5.1 混凝土拌成物合格要求(Compliance requirements of concrete mixtures)
     混凝土拌成物之合格要求見於規範第26.4.2.2節,包括:
(a) 結構各部位在特定施工階段需要之抗壓強度,若非由設計者訂定,應提交審查。
(b) 對於施工圖說註記受凍融循環與適用除冰劑之構材,其混凝土輔助膠結材料所含之飛灰或其他天然卜作嵐材料、矽灰、水淬高爐爐碴粉最大百分比不超過表 12和下列(1)與(2)之規定:
     (1) 輔助性膠結材料所含之飛灰或其他天然卜作嵐材料、矽灰、水淬高爐爐碴粉用於製造CNS 15286混合水泥者,應符合表 12規定。
     (2) 不論混凝土拌成物所含膠結材料有幾種,表 12之個別限制量均適用。
(c) 對於施工圖說註記暴露在硫酸鹽之構材混凝土,如經抗硫酸鹽測試能符合表 13標準,允許採用不同於規範第26.4.2.1(a)(7)節規定之膠結材料組合,亦即構材位於暴露類別F3,指定混凝土配比適用之輔助性膠結材料不再受表 12規定而限制。
(d) 對於混凝土確認用於接觸水之環境者,須提交證明混凝土拌成物符合(1)和(2)之規定:
     (1) 非鹼-氧化矽反應活性粒料,或另訂減輕鹼-氧化矽反應之措施。
     (2) 非鹼-碳酸鹽反應活性粒料。
(e) 須以下列(1)或(2)顯示氯離子含量符合規定限制:
     (1) 依據混凝土材料檢測的氯離子含量與混凝土拌成物配比,計算混凝土拌成物中總氯離子含量。
     (2) 依CNS 14703測定28天至42天齡期內之硬固混凝土水溶性氯離子含量。
(f) 預力混凝土禁用含氯化鈣之摻料。
(g) 除構材有更嚴格之限制外,混凝土澆置於或接觸免拆鍍鋅鋼模時,混凝土水溶性氯離子含量最大容許值為0.15 kg/m3。
(h) 輕質混凝土新拌密度和穩定後密度分別以CNS 11151和ASTM C567測定,並建立相關性。已建立相關性之新拌混凝土密度,可作為允收之依據。
(i) 用於抵抗剪力之鋼纖維混凝土應符合下列(1)與(2)之規定:
     (1) 符合CNS 12892之規定。
     (2) 每一立方公尺混凝土至少包含 60公斤重之異形鋼纖維。

     與舊版規範相較,新版規範主要有以下變更:
(1) 使用「輔助膠結材料」,並明確說明其包括CNS 3036規定之飛灰其他「天然」卜作嵐材料、符合CNS 12549規定之水淬高爐爐碴粉及符合CNS 15648之矽灰。
(2) 暴露等級S3分為兩選項,並新增選項2之最大膨脹應變要求。
(3) 新增混凝土用於接觸水之環境者,須提交證明混凝土拌成物非使用鹼-碳酸鹽反應活性粒料,非使用鹼-氧化矽反應活性粒料或另訂減輕其措施。
(4) 須計算混凝土拌成物中總氯離子含量及測定硬固混凝土水溶性氯離子含量。
(5) 新增預力混凝土禁用含氯化鈣之摻料。
(6) 新增使用免拆鍍鋅鋼模時,混凝土水溶性氯離子含量的要求。
(7) 新增測定輕質混凝土密度和穩定後密度,並建立相關性。

     與 ACI 318-19相較,新版規範規定使用免拆鍍鋅鋼模時,混凝土最大水溶性氯離子為0.15 `kg//m^3`,非水泥質量之0.3%。

表 12暴露等級F3之混凝土膠結材料限制 (Ref.: 規範表26.4.2.2(b))
輔助性膠結材料
佔總膠結材料
最大質量百分比
符合CNS 3036規定之飛灰或其他天然卜作嵐材料
25
符合CNS 12549規定之水淬高爐爐碴粉
50
符合CNS 15648之矽灰
10
飛灰或天然卜作嵐材料和矽灰總量
35
飛灰或天然卜作嵐材料、水淬高爐爐碴粉和矽灰總量
50

表 13暴露等級S之膠結材料組合的適用性要求(Ref.: 規範26.4.2.2(c))
暴露等級
使用符合CNS 14794規定測試之最大膨脹應變
6個月
12個月
18個月
S1
0.10%
無要求
無要求
S2
0.05%
0.10%(1)
無要求
S3 選項1
無要求
無要求
0.10%
S3 選項2
0.05%
0.10%(1)
無要求
(1)只有當量測膨脹超過6個月之最大膨脹限值,才適用12個月之膨脹限值。

5.2 混凝土拌成物配比合格要求(Compliance requirements of proportioning concrete mixtures)
       混凝土拌成物配比之合格要求見於規範第26.4.3.1節,包括:
       (a) 應建立混凝土拌成物配比,使混凝土符合下列(1)至(4)之規定:
            (1) 可順利澆置包裹鋼筋且不產生析離。
            (2) 符合施工圖說之耐久性要求。
            (3) 符合標準養護試體之強度試驗要求。
            (4) 依施工圖說要求測試混凝土之彈性模數時,應符合下列(i)至(iii)項規定:
                 (i) 測定彈性模數須從同一混凝土樣品製作至少三個圓柱試體,在28天或在指定之齡期測試,並計算平均值。
                 (ii) 用於測定彈性模數之圓柱試體,須按CNS 1230製作及養護,再依據ASTM C469試驗。
                 (iii) 混凝土拌成物之彈性模數量測值大於或等於規定值,應被判定為可接受。
       (b) 混凝土拌成物之配比,應依據設計圖說相關規定,或專業技師可接受之替代方法來建立。此替代方案採用的混凝土拌成物配比強度試驗紀錄應為24個月內之數據。
       (c) 用於混凝土拌成物配比之混凝土材料,應與預定工程使用者相當。
       (d) 如果不同的混凝土拌成物用於工程中之不同部分,每一拌成物皆應符合設計圖說所載之混凝土拌成物要求。
       (e) 應建立噴凝土配比,使噴凝土符合下列(1)至(3)之規定:
            (1) 可順利包裹鋼筋且不產生析離。
            (2) 符合施工圖說之耐久性要求。
            (3) 符合噴凝土強度試驗要求。

     與舊版規範相較,新版規範主要有以下變更:
     (1) 新增要求依施工圖說測試混凝土之彈性模數,「施工中經試驗確認混凝土是否達到規 定的彈性模數由專業技師研判,包括決定允收標準。」
     (2) 新增對於噴凝土的要求。

5.3 混凝土拌成物特性之文件合格要求(Compliance requirements of documentation concrete mixture characteristics)
      混凝土拌成物特性之文件合格要求見於規範第26.4.4.1節,包括:
      (a) 混凝土使用前和變更已使用之拌成物前,其特性證明文件須送交設計者審核。證明文件中應包括能符合設計圖說對新拌和硬固混凝土拌成物要求之證明,該證明應包括曾使用過的相同混凝土拌成物,依第26.12.1.1節規定之連續強度試驗紀錄或實驗室之試拌。
      (b) 若無現場或實驗室試驗數據,且 `fc^'`≦350 `kgf//cm^2`[35 MPa],則經專業技師核可,混凝土配比應根據其他經驗或資料決定。若 `fc^'`>350 `kgf//cm^2`[35 MPa],則須提供試驗數據以證明提議之拌成物特性。
      (c) 施工階段可允許調整混凝土拌成物,使用前應提交佐證資料給監造者審核,證明其可符合設計圖說要求。
     (d) 噴凝土拌成物使用前和變更已准用之拌成物前,噴凝土拌成物之特性證明文件須送交監造者審核,證明文件中應包括提議的拌成物能符合設計圖說之要求。

     與舊版規範相較,新版規範主要有以下變更:
     (1) 新增滿足「新拌」與「硬固」混凝土要求之證明,強調包括曾使用過的「相同」混凝土拌成物,且明確說明依規範第26.12.1.1節規定之連續強度試驗紀錄或實驗室之試拌。
     (2) 施工階段可允許調整混凝土拌成物,不再限制僅可降低平均強度,「可適當要求調整拌成物倘若強度試驗結果高於或低於要求。」
     (3) 新增噴凝土拌成物之特性證明文件要求。

5.4 硬固混凝土評估與驗收(Evaluation and acceptance of hardened concrete)
       硬固混凝土之評估與驗收見於規範第26.12節。相較於舊版規範,新版規範主要新增了噴凝土(規範第26.12.4節)與輕質混凝土密度(規範第26.12.5節)之允收準則。

5.4.1 合格要求通則
     合格要求通則見於規範第26.12.1節,包括:
     (a) 硬固混凝土評估應根據強度試驗結果,一組強度試驗結果應為一組試體強度之平均值,須從同一混凝土樣品依據CNS 1174及CNS 3090取樣,依據CNS 1231製作及標準養護至少兩個直徑15 cm高30 cm,或三個直徑10 cm高20 cm圓柱試體,在28天或在指定之 測試齡期依CNS 1232辦理測試。
    (b) 對於噴凝土,一組強度試驗結果應為至少三個直徑7.5 cm鑽心試體強度之平均值,取樣自符合CNS 14917準備的格板樣品。
    (c) 進行驗收試驗之測試機構應符合相關規定。
    (d) 合格現場試驗技術人員應在工作現場對新拌混凝土進行試驗,製作標準養護試體,需要時製作現場養護試體,及製作強度試驗試體時記錄新拌混凝土溫度。
    (e) 合格之實驗室技術人員應執行需要之實驗室試驗。
    (f) 驗收試驗之所有報告應提供給設計者、承包商及混凝土製造商,如有必要,亦須提供給業主和主管單位。

      與舊版規範相較,新版規範主要有以下變更:
     (1) 將舊版規範第26.12.3.1節試驗標準刪除,並於此節明確說明取樣、製作試體及強度試驗所依據的標準。
    (2) 新增對噴凝土取樣及強度試驗的要求。

5.4.2 試驗頻率合格要求
      試驗頻率合格要求見於規範第26.12.2節,包括:
      (a) 每天澆置之各種混凝土拌成物強度試驗試體取樣準備,應依據下列(1)至(3)規定:
           (1) 至少每天一次。
           (2) 至少每120 `m^3`混凝土一次。
           (3) 至少每450 `m^2`樓版或牆壁面積一次。
      (b) 某計畫之特定混凝土配比,若混凝土總體積使得該試驗頻率少於五次強度試驗時,則強度試驗試體應選自於至少五個隨機批次;若少於五個批次時,則每個批次均需選取。
      (c) 若混凝土拌成物之總量小於40 `m^3`時,在有合格及足夠強度證據提交主管單位並經核准下,則不需要進行強度試驗。
      (d) 噴凝土各配比每一噴嘴和操作員,至少每天或每40 `m^3`噴凝土準備一個格板試樣,格板試樣較多者為準。

     與舊版規範相較,新版規範新增噴凝土之試驗頻率。

5.4.3 標準養護試體之允收準則
     標準養護試體之允收準則見於規範第26.12.3節,包括:
     (a) 如符合下列(1)和(2)之規定,混凝土拌成物之強度等級可被接受:
          (1) 任何三個連續強度試驗結果之算術平均值大於或等於`fc^'` 。
          (2) 如 `fc^'`小於等於350 `kgf//cm^2`  [35 MPa],強度試驗結果`fc^'`低於 之值不超過35 `kgf//cm^2` [3.5 MPa];如 `fc^'`大於350 `kgf//cm^2` [35 MPa],強度試驗結果低於 `fc^'`之值不超過0.10 。
      (b) 如不符合規範第26.12.3.1(a)節中任何一要求,應採取相關步驟以增加後續強度試驗結果之平均值。
      (c) 如未能符合規範第26.12.3.1(a)(2)節,應依規範第26.12.6節辦理強度試驗調查。

     與ACI 318-19相較,新舊版規範驗收試驗之試體若不符合上述(a)任一要求,「應採取相關步驟以增加後續強度試驗結果之平均值。」,然ACI 318-19之敘述刪除「平均值」。'

5.4.4 噴凝土之允收準則
      噴凝土之允收準則見於規範第26.12.4節,為新版規範所新增,包括:
      (a) 驗收試驗之試體應依據下列(1)和(2)之規定:
           (1) 格板試樣之座向應與噴嘴操作員施工時預期施噴位置一致。
           (2) 鑽心試體取樣、準備及試驗應依據CNS 1238辦理。
      (b) 如符合下列(1)和(2)之規定,噴凝土拌成物之強度可被接受:
           (1) 任何連續三個格板試樣強度試驗結果之算術平均值大於或等於 `fc^'`
           (2) 同一個格板試樣的三個鑽心試體強度平均值至少達到0.85`fc^'` ,且無單一鑽心試體強度低於0.75`fc^'` 。
      (c) 如不符合規範第26.12.4.1(b)節中任何一要求,應採取相關步驟以增加後續強度試驗結果之平均值。
      (d) 如未能符合規範第26.12.4.1(b)節,應進行低強度試驗結果調查。

5.4.5 輕質混凝土密度之允收準則
     輕質混凝土密度之允收準則見於規範第26.12.5節,為新版規範所新增,包括:
     (a) 新拌密度之檢驗頻率應依據規範第26.12.2節辦理。
     (b) 輕質混凝土新拌密度試驗應依CNS 1174在混凝土卸料或輸送出口取樣。
     (c) 輕質混凝土新拌密度應依據ASTM C172方法測定。
     (d) 除設計者另有規定外,輕質混凝土新拌密度試驗值介於穩定後密度規定值±64 kg/m3範圍內視為可接受。

5.4.6 試驗強度調查
     試驗強度調查見於規範第26.12.6節,包括:
     (a) 如果任何標準養護圓柱試體之強度試驗結果低於 `fc^'`,且超過可驗收之限值,或若現場養護圓柱試體試驗顯示保護和養護不足,則應採取必要步驟,以確保未危及結構適當性。
     (b) 若已確認低強度混凝土之可能性,且計算結果顯示結構之適當性已明顯降低,則應可依據CNS 1238在有問題區域進行鑽心試驗。在此情況下,每組強度試驗結果低於`fc^'` 之值超過允許限值之代表區域,應取三個鑽心試體。
    (c)專業技師或主管建築機關應可依CNS 1238補充說明混凝土鑽心試體試驗細節。
    (d) 鑽心試體應先取樣,在潮濕狀況下儲存在水密袋或容器中運至檢測機構,並依據CNS 1238之規定進行試驗。除非經專業技師或主管建築機關核准外,否則鑽心試體應於取樣後2天內完成濕度調節並置放至少5天,鑽取後7天內完成試驗。
    (e) 如果符合下列(1)和(2)之規定,由鑽心試驗所代表區域之混凝土應視為結構性適當:
         (1) 三個鑽心試體強度平均值至少達到0.85`fc^'` ;
         (2) 無單一鑽心試體強度低於0.75`fc^'` 。
    (f) 鑽心強度結果不穩定,其所代表之區域,應可額外增加鑽心試驗。
    (g) 如果鑽心強度試驗結果無法滿足結構適當性之標準,且結構適當性仍有疑慮時,主管部門應可依據規範第27章,對有問題之結構部分進行強度評估或採取其他適當做法。

     與舊版規範相較,新版規範主要有以下變更:
     (1) 新增「專業技師」及「主管建築機關」的角色,兩者可補充說明混凝土鑽心試體試驗細節。
     (2) 鑽心試驗的完成時間變更,改由專業技師或主管建築機關核准。

與ACI 318-19相較,新版規範規定「鑽心試體應於取樣後2天內完成濕度調節並置放至少5天,鑽取後7天內完成試驗。」,然而ACI 318-19並未提及「2天內完成濕度調節」,僅說明於最後受潮(last wetting)後5天及鑽取後7天間完成試驗。

5.4.7 鋼纖維混凝土之驗收
       鋼纖維混凝土之驗收見於規範第26.12.7節,主文與解說皆沿用舊版,用於抵抗剪力之鋼纖維混凝土,應符合下列(1)至(3)之規定:
       (1) 標準養護試體抗壓強度之允收準則。
       (2) 依照相關規定之抗彎試驗,跨度中央撓度為1/300跨距時,殘餘強度至少為下列(i)和(ii)之大者:
             (i) 從抗彎試驗中量測第一峰值之90%強度,和
             (ii) 對應 2.0 `sqrt(fc^')` [ 0.62 `sqrt(fc^')`]強度之90%。
       (3) 依照相關規定之抗彎試驗,跨度中央撓度為1/150跨距時,殘餘強度至少為下列(i)和(ii)之大者:
             (i) 從抗彎試驗中量測第一峰值之75%強度,和
             (ii) 對應 2.0 `sqrt(fc^')` [ 0.62 `sqrt(fc^')`]強度之75%。
     
      與ACI 318-19相較,ACI 318-19於規範主文明確指定依照ASTM C1609進行纖維混凝土抗彎試驗。

陸、結論
       本文介紹新版「混凝土結構設計規範」之混凝土設計、允收標準及耐久性質要求,並比較其與前版「混凝土結構技術規範(草案)」的內容差異。由於前後兩版本分別基於ACI 318-14與ACI 318-19而編修,故差異主要源自於ACI 318的變革,主要包括納入更多的構材形式、變更暴露類別分級、新增噴凝土規定、新增輕質混凝土部分規定、明確規定試驗法等。然為符合CNS國家標準及產業現況,新版規範部分內容有別於ACI 318-19,包括氯離子含量的限值、E值的決定等。

柒、參考文獻
[1] 中國土木水利工程學會、社團法人台灣混凝土學會、美國混凝土學會台灣分會, 結構混凝土建築規範與解說(ACI 318-14),中國土木水利工程學會,科技圖書,台北,2016。
[2] 王炤烈、黃世建、李釗、蕭輔沛,「混凝土結構技術規範之修正研擬」,內政部建築研究所委託研究報告,編號PG 10502-0033,台北,2016。
[3] ACI Committee 318, “318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary,” American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, USA, 2019.
[4] 內政部營建署,「混凝土結構設計規範」,發布日期108.2.25
[5] 中國土木水利工程學會,混凝土工程設計規範與解說(土木401-100),科技圖書,台北,2011.

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