混凝土的微觀與巨觀行為對結構物的強度
及耐久性之影響
林維明
台北市水利技師公會理事
明新技術學院土木系副教授
摘要
本文主要目的在剖析混凝土的微觀與巨觀行為，及其對混凝土結構體的強度與耐久性所產生的影響，並由921集集大地震中所發現的混凝土結構物破損現象中提出預期達到優質的混凝土品質應有之處理方式，以利確保優越的混凝土結構體品質。
一、前言
當我們看見國內外許多使用混凝土建造的重大土木及建築工程，例如剛完工跨越高屏溪跨度長達510公尺的斜張橋。單從造型就讓人充分感受到其張力之美;高雄85層樓高348公尺之國際廣場大樓;台北市交通便捷的捷運系統;及台北及高雄地區許多超高層大樓;另外像通過英法兩國間英吉利海峽的海底隧道;聯絡日本本國與北海道的或青函隧道，以及與四國連絡跨越瀨戶內海的許多不同造型之橋梁，如明石及瀨戶大橋均具有多重盤旋之引道，更是展現出混凝土變化多端的美與力；還有像遍佈全球各地的許多摩天大樓、機場、港灣、及水壩等建設之宏偉與壯觀等。在欣賞之餘一定相當讚揚土木工程師應用自然界廣大的能源，以優異的科學技術建造出結合「力與美」宏偉的土木工程，係以追求與自然或人造環境相調合，力求達到便利人類生活的目的之卓越貢獻。有不少美觀的土木工程雖已有幾百年的年齡，例如大陸河北省之趙州橋已高齡1390年，盧溝橋約有900多年，台北市的台灣銀行總行及英國牛津與劍橋大學的校舍都是超過百年的使用，但至今仍堅固如初，不會發生倒塌現象。相對於人的壽命顯得相當地耐久，而且其造型也不斷在創新，常會帶給人引起一陣驚奇與稱讚之感。
然而1999年9月21日1時47分15.9秒曾在台灣中部地區發生一次芮氏地震規模7.3級的強烈大地震，造成無數國人生命財產之損失，舉世共感哀傷，其中房屋全倒者達26,642間，而半倒者有24,177間，而其他土木工程如橋梁、道路、水壩、維生管線、及港灣設施等均有相當大的災害損失。其次像台北市捷運帽梁、及北二高的碧潭橋梁產生龜裂、許多海砂屋發生鋼筋腐蝕和混凝土剝落現象以及許多濱海之混凝土建築與橋梁結構物比預期使用年限提早發生劣化現象等事實存在，使得混凝土原先所具有耐久性之美譽受到相當大的質疑。
其實混凝土如同人一樣具有生命。如圖1所示，混凝土是由膠結材料與填充料等組成材料作適當的組合並應用科技與藝術方式所創造出的一種複合材料。此項行為如同人需透過男女間的愛情結合才能形成胎兒、嬰兒及長大成人一樣。而以優生學之觀點，如今已經可以透過微觀分析生命之基因，利用超音波儀器瞭解胎兒的成長以及透過精密儀器評估潛在之病理基因，例如使用χ光照相分析骨頭斷裂特性、及利用掃瞄儀器調查癌細胞可能擴散的情形、以及應用一些溫度計、體重計、及血壓儀器等了解外觀可能發生病變，以利分析判斷可能之病因，而能準確的提供治療方法。同樣的道理，混凝土技術演進的基因，以及劣化的原因也是可以透過微觀與巨觀之儀器加以探討，以利提出有效之防範策略，及達到耐久性之目標，這方面之技術將在本文中加以詮釋。
二、混凝土技術之演進
混凝土材料的技術發展有極為悠久的歷史。基本上混凝土是由水泥、水及骨材等三種以上性質不同的材料所組成的。而水泥是一種膠結性材料。這種材料與水或水溶液拌合後所形成之漿體能膠結其他物料，而經過一系列的物理與化學反應後，會逐漸硬化並形成具有強度的實體。通常膠結性材料可分為有機及無機兩大類。瀝青和各種樹脂及高分子材料均是屬於有機性膠結材料。而水泥類為一種無機性材料。而若按硬化條件又可分為水硬性和氣硬性兩種。前者是與水拌合後，可在水中及空氣中硬固者，一般通稱為水泥。而後者是僅能在空氣中硬固者，如石灰、石膏等材料。隨著用途與性能需求及科技之發展，目前水泥的品種已有一百多種。
而早在西元前2,000-3,000年，我國、埃及、希臘及羅馬等國家就已經開始學會利用石膏和石灰製作砂漿，例如古埃及的金字塔，中國著名的萬里長城及許多宏偉的古建築物均為實例。我國有關石灰的應用最早可上溯到公元前七世紀的周朝。一直到西元元年初期，古羅馬與希臘人發現在石灰中摻加一些火山灰，不僅可以提高強度，而且可提高耐水之侵蝕能力，例如古羅馬的龐貝城和廟宇等著名古建築就是實蹟。這種火山灰的產地是在義大利的Pozzoli地區。所以後來就將凡是屬於這類性質的礦物材料都稱為卜作嵐材料(Pozzolana)而沿用至今。我國古建築所用的三合土，即石灰與黃土或另加細砂，實際上就是石灰與火山灰混合材料。隨後又發現可在石灰中摻加碎磚或癈陶器等磨細粉末及鍛燒黏土也照樣可以達到水硬性。由於天然的火山灰不易找到，因此人類開始研究利用人工加以製造。1824年英國阿斯普丁(J.Aspdin)首先取得卜特蘭水泥生產的專利權，由於其成分中含有高量的矽酸鈣，因此不僅可在水中硬固，且能長期抗水，強度極高。首度大規模應用實例是1925-1943修建英國泰晤河隧道工程。自從卜特蘭水泥問市後，其應用性日益普遍，對工程建設貢獻很大。隨後科學家們進一步利用精密儀器研究水泥及其他膠結性材料的礦物組成和水化機理而發展水泥生產的新工法，擴大水泥的新品種，而且在1907-1909年又發明以低鹼性鋁酸鹽為主要成分的鋁質水泥，這種材質具有早強快硬之特性。因此膠結性材料開始進入蓬勃發展階段，以利可以滿足隨著社會生產力提高，日益增加的各項工程建設和人民生活的需求為研究與發展應用之目標。
在使用卜作嵐材料方面，天然的卜作嵐材料例如在義大利至今仍大量使用。根據統計資料顯示其水泥產量有40﹪是使用摻加25﹪火山灰的天然卜作嵐材料製成的。1971年已在挪威開始使用矽灰，1863年歐洲開始生產高爐石水泥，而1972及1982分別在加拿大及美國開始使用高爐石水泥，而1948年美國在建造Hungry Horse水壩時就開始使用飛灰。矽灰、高爐石粉及飛灰均為工業副產品，而摻加於混凝土中可取代水泥用量不但較為經濟，而且其所含矽酸鹽較多，易與水泥水化的生成物氫氧化鈣及水泥中所含鹼性材料反應形成緻密性的矽酸鈣水化物及填充微結構中之孔隙量能達到強度高及耐久性等優越性(圖2-圖5)。因此其使用已漸趨普遍。美國混凝土學會曾在1995年製定新規範明定必須填加這種礦物摻料以獲得優質之混凝土。
由於在混凝土的生產及科技研究方面過程中，已經累積相當豐富的知識，而近年來在材料科學之發展下，對於混凝土材料有更深入之探討，其特點與趨勢可歸納為：
(1)對於混凝土材料行為的認識已逐漸深入，由巨觀進入微觀，並逐漸揭露出其性能與內部結構之關係，因此發展許多水泥新品種，擴大其應用領域，也提供學理上之依據。
(2)對於混凝土材料在生產過程中之規律性及水泥水化硬固過程之瞭解上，已由實務經驗提昇至具有理論基礎。由僅以試驗上發現的現象深入到對其特性之解析。因此可以有效的控制水泥料與混凝土的生產程序及採用新的工法與新的技術具有理論依據，因此這方面之研發已是結合材料科學與工程性質之精髓。
在混凝土科技發展中另一突破是使用化學摻料，通常水泥與水拌合後會產生一些絮凝狀結構(圖6)而截留不少之拌合水。為使混凝土工作性佳，不得不任意加水。然而自從高性能減水劑或稱為強塑劑開發成功應用後，由於其易使水泥顆粒分散(圖7及圖8)，因而可提昇工作性，且可減少用水量及水泥用量，因此可以減少水灰比及增加水泥漿體之微結構緻密性，所以可以提高混凝土強度與耐久性(圖9-11)。很明顯的提高技術及經濟效益。因此美國ACI 318-95規範明定混凝土使用料中需加入適量之強塑劑。摻料在近代水泥混凝土科技上已躍昇居最重要的混凝土材料之地位。為滿足使用者之需求目的，其種類、製造材料及使用功能均是混凝土科技開發的重要工作。
與鋼材比較，混凝土的強度與重量之比值較低，因此顯得較不經濟。所以提高單位強度下的經濟效益有兩個方式:一為 1917年開始發展之輕質骨材混凝土，而另一方式則為發展高強度混凝土及高性能混凝土。如圖12所示混凝土強度在近十年來強度提高三倍以上。甚至可製成強度高達200MPa之混凝土。如今混凝土已經可以作到量身定製之階段。混凝土科技持續地提昇，以利民富國及造福大眾為目標，其貢獻已獲得相當的肯定。
三、混凝土的微觀性質
水泥拌合水後立即形成水泥漿體，並逐漸凝聚和硬固。透過研究在硬固前水泥漿體的結構極其形成之過程的微觀特性之瞭解，可以歸納推導出巨觀之特性。因此可藉由控制其微結構形成之基因，而獲得優質的混凝土。
何謂微結構?Hornbogen曾將微結構定義為工程結構與其在材料中的個別相之間的結構水平。其大小可以小至一個原子，或大至一個組成分(Component)。微結構物包含所有相（氣，液及固）以及其間隙或其內部的非連續性微孔。其單元如結構之不平衡特徵例如孔隙、斷層、和晶界、相介面、毛細孔、和顆粒等。其定量描述需有原子結構缺陷、密度大小、及分佈在材料中之排列方向等資訊。對多相材料更需有各相之體積比及其在空間之分佈及介面間之特性及數量。這些微結構觀念對瞭解水泥與混凝土的微結構相當重要。在瞭解這方面之應用技術及最新的研究成果概況之前，首先需定義一些材料上之術語。
1.術語之定義
一般材料係以組成(Composition)及微結構(Microstructure)加以定性。組成包含平均化學與離子組成，平均礦物組成，和平均化合物組成，以及每一個單獨化合物的化學、礦物、和離子成分。而微結構包括按原子大小順序之電子和能帶結構;按結晶結構大小順序之配位結構(Coordinate structure)，晶格缺陷(Lattice defect)和固體溶液結構;按多結晶體結構大小順序的馬賽克式結構、結晶體和雙晶結構，以及凝聚結構，包含結晶、不定形物質及孔隙等。組成與微結構以廣義而言可定義為特性(Character)。
每一種材料均具有其本身的強度、傳導度、折光度、磁性、質量、膨脹性及彈性等性質。性質是材料本質之天性及化學量，由其與其他材料或能量之反應所認知的性質完全依材料之組成和微結構的特性而定。換言之，工程之巨觀行為與其材料微觀性質是相依存的。
特徵描述(Characterization)可定義為闡釋和表明材料的特性。若另Ci及Pi分別為個體之特性及性質，而C,P分別是整體的特性及性質。而M及N分別為組成和微結構則Pi與M, N及C與P關係可表示如下:
Pi
= Fi (
,
)
= Fi (C) (1)
即個體的性質Fi為整體特性之函數。另外P與M, N及C之關係可表示如下:
P
=
= c(
,
)
=
(C) = F (C) (2)
即整體之性質為整體特性之函數，然而若部份的特性以C(1)或M(1) & N(1)表示，則可列如式(3)及式(4):
Pi≒Fi( M(1) , N(1) ) = Fi ( C(1) ) (3)
P≠F( M(1) , N(1) ) (4)
由式（3）及式（4）顯示雖然某些性質與某些特性有近似的關聯性，然而整體性質並無法與其中少數的特性有關聯。也就是預期完整的闡述一工程的性質，必須含蓋其中所有組成材料單元的特性。然而在執行上相當困難，因此在材料科學的領域方面，現在的處理方式僅能應用與部份特性大體上相關的部份特徵描述以供定出某些特定的性質。
反應(Reaction)是特性隨著時間的變化現象。而狀態(State)是特性處於平衡情況下的現象。科技就是應用上列式(1)至式(4)，由確定特性以利澄清性質。這就是所謂的性質理論(Theory of the Properties)。材料(Material)可定義為材質之集合而具有一些性能。而性能(Performance)為材料或材質所擁有具體化的某些性質，可應用於特定之使用目的。評估(Evaluation)為以合格的性質或性能為基準，判斷材料之適用性。材質(Matter)與材料之分別是前者為佔有空間之物體或物質，而後者是可成為物品原料的物質。因此材質設計是確定為了達到具體化的某些預定性質所需的材質特性。而材料設計則可定義為將材質形成一體，使其具有一定之使用目的，以利達到預期的特定性能。
因此可藉由某些材料特性的部份特徵描述及其與整體的特定性質之密切關聯性而可以相當精確的估計其特定之性質。一旦注意到有些異常現象時，則亦可藉由檢查某些令人關心的特性而加以修正與異常性質相關之特性以利改觀。現今這種觀念已經在生產材料的品質控制上廣泛地使用。
品質(Quality)為材料或產品的特性，性質，或性能的一般名辭。雖然品質必須以性質或性能表示。然而若很難或需長期才可以確定其性質或性能時，則亦可以某些特性取代，而作蓋括性的表示。
品質控制(Quality Control)是使用適當的工具，方法，及系統於製作材料或產品上，不僅可使其品質可保持一定或加以改進以符合顧客之需求，而且是最經濟的。
品質控制經常係以澄清材料或產品的特性之間的關係。以定量分析每一特性對性質之影響。分析和量測某些有效的特性，並根據所獲取之數據加以控制特性，且將其性質維持在一定範圍內或加以改善。
特徵描述技術一直在創新，量測之數據經過統計處理後，再透過電腦及人工智慧處理並將數據再回饋到生產製程上之原理現已經可應用到相當高之品質控制及保證程度。這是今日混凝土科技發展進步神速之原動力。
2.水泥混凝土的特徵描述技術概說
水泥熟料(Clinker)，水化水泥，及混凝土等均為含有多組成分的異質系統，所包含的成分，及其構造之大小變化可自數nm(×10-9m)至數cm(×10-3m)範圍，因此水泥熟料，水泥，水化物及混凝土可依其大小按組織結構(texture)，顆粒(Particle)及原子之特性而加以分類。而其各組成和微結構之特性如表1所示。而在表1所描述的特性所需之定性技術的方法可依分離組成份分析、形狀觀測、狀態分析及微結構分析如圖13所示。
在表一中所示之微結構特性(Microcharacters)為在微結構範圍下，例如在一局部地區，表面上及在縱深方向中之組成和微結構的特性描述。而巨觀結構特性(Macrocharacters)則為如表一中所示在巨觀結構範圍下之材料或材質之性質描述，大多數情況下，均以整體體積範圍下之平均組成和結構考量。
由於對大體積及巨觀範圍下之特性描述，通常僅針對確定其平均微結構和平均組成而已，一般將試樣分解為可分析的或可量測的形式，而分析方法可依據試樣的本性和性質，形狀，共存之組成份的種類及內容，試樣的數量及所需之精確度。其技術包括濕潤之化學分析及大尺度之儀器分析等方式。化學組成的主要分析方法如表2所示。
化學分析包括重量法和體積法使用χ射線螢光分析以確定主要之組成分，及發射分光鏡照相，質譜儀及原子吸收能譜等儀器設備於追蹤組成分。因為目標元素的可分析的極限及數據的精確度需求已漸增。因此重大的努力在改進這些技術之靈敏度和慎選所需之分析技術。
為估計水泥熟料的礦物組成分的生產程序，生產反應條件包括溫度、大氣壓及原料之均勻性和可燃燒性，細度等。因此需確定之特性將包括熟料之微結構組織，熟料礦物之形態和含量，搜尋在熟料礦物中之主要元素及次要者之組成形態、及分佈，結晶之大小，光學性質，結晶性，熟料礦物的分佈，熟料的孔隙大小分佈及孔隙率等。
水泥的水化過程所產生的水化物的特性和未水化的水泥顆粒及骨材均與混凝土的絮凝及硬固結構和混凝土的物理性質發展有密切的關聯。因此水泥礦物、水泥、水化物及混凝土系統的特徵描述對於高性能及多功能水泥之發展，水泥之材料設計，以及提供水化反應及微結構形成之控制函數綱要，和水泥和混凝土科技開發的智慧函數，以利發展出滿意的性質等工作是相當地重要。
一般傳統上的分析技術主要是針對在大體積及巨觀範圍下材料特性之描述。使用的方法包括化學分析，紅外線光譜攝影機，核磁共振儀，熱分析儀，光學顯微鏡及粉末χ光螢光分析，掃瞄式電子顯微鏡，穿透式電子顯微鏡等以利確定平均之微結構，估計鍵結狀態、鑑定礦物、觀測表面結構組織的外觀，及測定材料之微結構等工作。而由於近年來電子，控制，及影像處理技術之進步，對於建立材料的特性與性質間之相關性，以及需更精確，可靠的生產及品質控制系統，特徵描述技術已經移轉到微觀領域中，針對表面的特性之闡明，使其與礦物之性質之關連性可以更為密切，同時先進的特徵描述與評估技術可提供基本數據以利選擇適合製作特殊品質及理想性質的條件，及在品質控制系統上扮演相當重要的角色，這方面之研究技術之提昇及研究成果為促進混凝土科技發展的主要關鍵，詳細說明敬請參閱參考文獻1。
3.水泥及混凝土之微觀特性概述
卜特蘭水泥主要含有四種水泥熟料矽酸三鈣(C3S)，矽酸二鈣(C2S)，鋁酸三鈣(C3A)及鋁鐵酸四鈣(C4AF)(圖14-16)其中C,S,A,F分別為水泥化學CaO,SiO2,Al2O3及Fe2O3之縮寫，其四相圖如圖17所示。由於這些水泥熟料均為水泥生料在高溫下所產生的物理化學反應的生成物。它們都是具有固相及部份液相參與燒結反應所得到熱力不平衡固熔體的水硬性礦物，因此是處在高能量狀態。圖18示反應活性能與熱力學驅動力之相關性所以水泥一旦接觸到水，將會傾向於熱力平衡而放出熱量。因此水泥的水化反應是一種放熱反應，所放出之熱量大小及放熱之速率為其反應活性的指標。若能對水泥的水化機理及水化的生成物特性具有充分的瞭解，將有利於水泥材料的正當使用，雖然這方面的認知相當的複雜與困難，但是經過科學家們不斷的研究，現在已經大致上有一些觀念可循，本文僅作一概括性的介紹而已。對這方面之科技發展有興趣深入研究者，敬請可參閱水泥化學相關之研討會論文集(2)。
圖19說明水泥水化過程中所引起的變化特性。而圖20為在此過程中主要的影響參數。而圖21示水化過程中之放熱速率變化。表3為其完全水化所產生之水化熱代表數據。而其物理化學及力學特性之變化如表4所示。而在水化過程中水化產物的形成及漿體結構之發展如圖22-24所示。由圖中可以發現在水化過程中，各種水化產物以不同的成長速率持續地發展相當的複雜。其水化物之微結構示意如圖25所示，而微觀結構之組成及特徵如表5所示，在水化期間的微觀結構之發展如圖26及圖27所示。各種水化物之特性可說明如下：
(1)矽酸鈣水化物(C-S-H膠體)
矽酸二鈣及矽酸三鈣之水化反應可表示如下列通式：
C3S＋(2.5＋n) H＝C1.5＋m‧S‧H1＋m＋n＋(1.5－m)CH (5)
C2S＋(1.5＋n) H＝C1.5＋m‧S‧H1＋m＋n＋(0.5－m)CH (6)
由上兩式可發現其水化生成物很難以一定化學式表示，因此通常用C-S-H膠體表示矽酸鈣水化物。其為一種不定形的非結晶態的固液相。圖28及圖29為C3S水化形成膠體的顯微結構的發展情形。圖30為可能的水化機理。圖31及圖32示各種矽酸鹽之結構及其與水化時間之變化性。由於水化溫度及鈣矽比不同，因此有各種不同之水化物產生如圖33所示。C-S-H膠體特性為混凝土性質最重要的指標。其微觀之外貌如圖34所示。
(2)氫氧化鈣
氫氧化鈣是由C3S和C2S的水化反應所產生的水化物。其體積約佔水泥漿之20﹪。有固定的化學組成。結晶性良好是屬於三方晶系，呈現層片狀結構。是由彼此聯結的Ca(OH)63－八面體所組成的，結構層內為離子鍵，其結合力很強，而兩結構層之間則為分子鍵，層間之聯系較弱，可能為硬固水泥漿體受力時的一個發生裂縫之策源地，使用高倍率的光學或電子顯微鏡就可以觀察到其結晶形態為細薄的六角板狀(水化初期)，疊片狀(成型)或不定型如圖35-36所示。
(3)硫鋁酸鈣水化物
雖然在卜特蘭水泥的成分中C3A僅佔4~11﹪，但因為其放熱量相當大及快速故對早期水化反應有顯著之影響。C3A含量多時，可能會造成混凝土的耐久性問題。因此在暴露在硫酸鹽侵蝕性嚴重的地區之結構物，一般對於水泥中之C3A含量均規定必須小於5﹪，通常在製作水泥時有填加石膏以避免水泥產生閃凝現象。水泥熟料C3A及C4AF水化的生成物中有一種形狀為六角長針結晶稱為鈣礬石常以AFt表示，另一種六角薄板狀或不規則玫瑰狀是單硫型鋁酸鈣水化物以AFm表示。AFt及AFm中之A,F分別為氧化鋁和氧化鐵的縮寫，而t及m為英文字母的三個及單一個表示其所含硫酸鹽有三個或單一之意思。鈣釩石是一種結晶相當完好的三方晶系柱狀結構。這種晶體之結構是以組成為〔Ca3Al(OH)6. 12H2O〕3＋的柱狀物為基礎，係由Al(OH) 63＋八面體的周圍各結合三個鈣，每一個鈣多面體再配以OH－及水分子各四個。柱間的溝槽再以三個陰離子形成電價平衡而聯接形成一整體(圖37)。其通式為C3 (A,F).3Caχ.mH2O，式中χ可為2價陰極子如SO42－，H2SiO32－，CO32－或為一價陰離子如Cl－，OH－等。完全水化時m＝30~32，其結構水佔AFt之體積達81.2﹪，重量亦達45.9﹪。因此比重小，體積膨脹容易造成龜裂。而通式中的(A,F)表示可能完全為Al2O3或Fe2O3或兼含兩者。而陰離子也有可能出現兩種以上的陰離子共同存在的情形。AFt之形貌決定於其生長空間及離子可能的供應情形，因此有針棒狀，稜面清晰而兩端挺直者，也有空心管狀物如圖38所示。
單硫型鋁酸鈣水化物為三方晶系層狀結構，其基本單元層為〔Ca2Al(OH)6〕＋，其中Ca和Al以八面體配位，而層間含陰離子和水分子。與AFt相似亦含有多種陰離子佔據層間位置。故其通式為C3(A,F).CaY.nH2O式中Y可能為SO42－，CO32－，H2SO32－，Cl－或Al(OH)4－。完全水化時，n為10~12(圖39)。因此除單硫型鋁酸鈣水化物(圖38)外，亦有碳鋁酸鈣，氯鋁酸鈣及水化鋁酸鈣如C4AH13(圖40)及C3AH6(圖41)等生成物。同樣地F亦可取代A，或兩者共存。其外觀有不規則板狀、成簇狀、花朵狀、或六方板狀。AFm的結構水僅佔34.7﹪，比重約為1.95。當再與SO42－等陰離子反應時，將轉換形成AFt，而使結構水量增加，比重減輕，造成體積膨脹，這是引起硬固水泥漿體體積變化之主因。
(4)水泥漿體之孔隙結構
水泥漿體是一個多相多孔體系。圖42-44示水泥漿體與滲透性及孔隙水移動及孔結構特徵。因此其內部固相表面的性質及其比表面積的大小，以及固相之間的孔隙大小、分佈、形狀、數量及總孔隙率等特性對於硬固水泥漿體的物理及力學性質如強度，耐久性等有相當大的影響，因此必須充分的瞭解。
由於水泥水化產物含有結構水，所以其體積要比水泥熟料礦物大。根據理論上計算1cm3水泥，其水化後可變為2.2cm3之體積。因此約有55﹪之水化產物佔據原來充滿水之空間。而隨著水化發展過程，使得未被水化物填充的空間形成孔隙，其分類如表6所示。由此表可發現孔徑之大小範圍約自10μm(10－6m)至0.5nm(10－9m)，其大小相差達兩萬倍，至於孔隙之分類方法亦有很多看法，實際上孔隙之分佈曲線具有連續性，很難有明確的區分界限。從具有毛細管效應之觀點而言，屬於膠體孔分類中之膠粒間孔實際上也是一種小毛細孔。一般而言，在水泥水化1天以後，硬固漿體中的大部份孔隙(70-80﹪)的孔徑約在100nm以下，而後繼續水化則小於10nm的膠體孔數量將隨著水化產物之成長而遞增。原有之毛細孔逐漸被水化物填充而縮減孔徑，因此整體的孔隙率亦相對地降低。
毛細孔系統之量測一般可使用壓汞孔隙測定儀(MIP)，其原理是使用壓力將水銀壓入乾燥之漿體中，由於固相的表面不會被水銀潤濕，因此水銀能夠壓入的孔徑僅與其施加之壓力成反比根據Washburn公式可表示如下式：
PR＝2rCosθ (7)
式中r為水銀之表面張力，θ為水銀與孔隙壁之接觸角為140°，P為作用壓力，R為孔隙之半徑。因此可求得孔隙率，表面積及大小分佈等。這些數據對於水泥漿之微觀特性之了解相當的重要(圖45)，MIP使用之上限主要取決於儀器所能提供之壓力及試體所能承受之壓力。一般若加壓至3×104/6×104psi時，則可量測之孔徑可達3 /1.8nm。然而通常假設孔隙是圓形，且為獨立體不連貫性且其微結構不受外界條件而變。此與事實不符，因此有相當的侷限性而且乾燥也會使孔結構發生變化等缺陷事實存在。由於MIP的設備條件有所限制，因此可利用水蒸氣/氮氣吸附儀測定孔隙分佈，但一般對於孔徑小於30nm之膠體孔較適宜。然而由於水蒸氣的進入，可能會與漿體產生反應，例如會使CH溶解，故與實際孔徑分佈仍有一些誤差存在，然而仍不失為一測定之方式。
由於水泥水化產物中例如C-S-H膠體相當地分散，且又含有數量相當多的膠體孔，所以水化水泥漿的比表面積相當大，因此會對其硬固後的物理及力學性質有相當大的影響。通常使用水蒸氣吸附法進行測定。實驗時可將已經乾燥的試樣在不同蒸氣壓力下，測定其對蒸氣平衡時的吸附量，令P為實際壓力，Po為在試驗溫度下之飽和蒸氣壓。因此在相對蒸氣壓(P/Po)之下的含水量可視為非蒸發水。不同齡期下的水泥漿體有不同之非蒸發水量，隨著P/Po之提高，則水蒸氣就會在水泥漿體內部的固相表面上吸附。此吸附層的第一層水分子稱為單分子層吸附水。然後其上有多分子層吸附水。更多的吸附水則為毛細管凝聚水。因此水泥之水化物的數量將隨著水化齡期之增長而遞增而其非蒸發水亦將相對增多。圖46示水泥漿體在各不同齡期下，相對蒸氣壓與平衡吸附水量之關係，而單分子層的吸附量(Vm)可按B.E.T.公式計算如下：
χ／V(1－χ)＝χ(C－1)／VmC＋1／VmC (8)
式中χ＝相對蒸氣壓(P/Po) ; C＝與吸附有關之常數，C＝eχp〔－(Q1－Q2)/RT〕，Q1/ Q2＝第一層/第二層以上之吸附熱，R：氣體常數，T：絕對溫度，V：在平衡壓力為P下之吸附量
若測得在一定齡期、溫度及水灰比下χ＝P/Po下之V值，則令Y＝χ/ V(1－χ)為縱座標，χ為橫座標製圖得到直線Y＝mχ＋b,因此可由圖中之截距及斜率可求得Vm值，然後可依下列公式計算水泥漿體之比表面積
S＝A Vm N/M (9)
式中S為水泥漿體之表面積，N為阿佛加德羅常數(6.02×1023)，M為被吸附氣體之分子量(水蒸氣為18，氮氣為28)，A為被吸附分子之截面積〔水蒸氣為0.114nm2(25℃)，氮氣為0.162nm2(－195.8℃)〕。含有不同礦物組成分的各種水泥料所測得的水化水泥漿體表面積略有差異如表7所示。
表中Sc為硬固水泥漿體的比表面積的實測值，其中含有相當數量的Ca(OH)2 AFt,AFm及C4AH13等結晶相。而Sg則僅為C-S-H膠體的比表面積。因為Sc所含結晶相之比表面積較C-S-H膠體的比表面積為小，因此可發現實測值Sg較Sc為大，純的C3S水化後的產物的Sc值比起純的C2S要小，主要是因為產物中所含Ca(OH)2量較多之故。若僅計算C-S-H膠體之比表面積Sg，則兩者相當接近於300m2/g，而水泥漿體之比表面積約為210m2/g，比起一般水泥原料的比表面積約為280-350m2/kg提高了1000倍。如此巨大的比表面積所具有的表面效應，必須是決定漿體優越性能的一項重要之因素。
必須注意的是使用不同測試方法所測定的比表面積相差很大。例如使用氮氣吸附法所測得之比表面積約為70 m2/g僅為水蒸氣吸附法的1/3。主因是氮分子之截面積較水分子截面積大。所以氮分子不能進入水化物體內較小的孔隙之故。另外亦有使用低角度χ光射線掃描方法測定水化水泥漿體之比表面積。結果發現與其環境之相對濕度(RH)有密切關係。當 RH＝100﹪時，Sc及Sg分別可達700及900 m2/g，均超過上述試樣必須先乾燥者的三倍以上係因使用此測試法可揭示水化矽酸鈣膠體內部更為微細的內表面積之故，由此可見完全水化的水泥漿體，其內部具有如此大的比表面積將會表現在後續的巨觀性質上。
(5)水泥漿體中所存在之水份
水泥漿體中所存在之水份可依其與固相組成之相互作用情形而區分為結晶水、吸附水、和自由水三大類。結晶水又稱為晶體配位水，是以OH－離子形式存在，例如Ca(OH) 2必須在較高溫度下，晶格破壞時才能釋放出來。另一種弱結晶水是以H2O形式存在，當晶體為層狀結構時，則水常存於其間例如AFt或AFm等。脫水溫度約在100-200℃。吸附水是以水分子形式存在，係在吸附效應和毛細管作用下，吸附在固相顆粒的表面上或孔隙表面上，會隨溫、濕度及應力之變化而變，按其所處位置可分為膠體水和毛細孔水。膠體水包括水泥漿體中微孔所含水分和膠粒間孔表面吸附之水分，膠體水佔膠體的體積之28﹪為一常數，而毛細孔水係受毛細管力之作用，其數量取決於毛細孔之數量。而自由水又稱游離水，存於大毛細孔中，與一般水性質相同。
然而在實用上常將硬固水泥漿體之水分區分為可揮發水和不可揮發水。前者是指在規定的標準條件下能去除之水，例如使用乾冰(-79℃)乾燥之D一乾燥法及使用高氯酸鎂之P一乾燥法。可揮發水包括吸附水和自由水量，而不可揮發水為結構水量例如以矽酸三鈣為例。
2C3S＋6H→C3S2H3＋3CH (10)
由於C3S,H,及水化物C3S2H3及CH之克分子量分別為228,18,342及74，故其理論上水灰比為Wn＝6H/2C3S＝108/456＝0.24可達到完全水化，由於兩個反應物C3S及H及生成物C3S2H3及CH之比重分別為3.15,1,2,3及2,24故其克分子體積分別為145,108,147及99cm3。因此在水灰比0.24,0.4及0.5情況下，水化後之總體積量分別縮小7,81,及127cm3。可見水灰比愈大，則水化後之總體積量愈減少，即其孔隙量相對應地增多。若保持體積不變之條件下，則水灰比W/C＝0.22可達充分水化，但在此情況下，水化之水量將嫌不足。而膠體水量為一定值Wg＝0.18，因此最少的用水量為膠體水加上不可揮發之水量。若用水量不足，將會造成水化不完全。而尚未水化的水泥核心將吸附鄰近的孔隙水或膠體孔內之水分，就會有所謂自體乾縮之問題產生。在水灰比0.42情況下，水化後之總體積約縮小的90.52cm3，約縮小36﹪。水量過少，水化不完全，體積會收縮。水灰比若太高，則也會因為多餘的水分被揮發掉而產生體積收縮，或毛細孔隙現象。所以水灰比介於0.42至0.35間，會有水泥漿內部結構自乾現象，嚴重者會產生漿體裂縫現象。上述討論僅就水泥組成分中之C3S加以探討，而水泥成分中尚包含C2S, C3A,C4AF等成分，另外高性能混凝土中亦含有卜作嵐材料及強塑劑等複雜性大，可依此原理推導水泥漿體中所存在之水份需求及可能發生龜裂之現象原因。
(6)水化程度 (11)
水化程度係指在某一時刻內，已發生水化反應的水泥質量或體積與其完全水化狀況下之質量或體積之比值。若以水泥顆粒之直徑為d，而水化深度為h，則水化程度與此兩者之關係為h＝d〔1－(1－α)〕1/3〕/2。因此水化動力速率模式可表示為
〔1－(1－α) 1/3〕n＝kt (12)
式中k為反應速率常數。影響水泥水化速率之主要參數是熟料礦物的組成及微觀結構。其次是水泥之細度，用水量，養治溫度，混合物及摻料的性質等參數。測定水化程度之方法有直接法和間接法兩種。前者可利用岩相分析，χ光射線分析，熱分析及核磁共振方法定量測定已水化和未水化部份之數量。而後者則是測定結合水，水化熱，Ca(OH) 2生成量或矽酸鹽的結合度等方法。其中以結合水法較為簡便，由測定各齡期化學結合水與完全水化之結合水量之數據，可計算不同齡期下之水化程度如表8所示，由此表可發現在齡期28天以前，各種水泥熟料之水化程度大小順序為C3A,C4AF,C3S,及C2S。而三個月後C3S躍升為最大值，然後依序為C3A,C4AF及C2S
由表8可發現所使用的測定方法不同，則其所測得之水化程度未盡相同。圖47為卜特蘭水泥中各種熟料礦物之水化程度，由圖上可見在水化一天後C3A約有65﹪，而C2S僅有18﹪，然而齡期90天時，四種熟料之水化程度已漸趨接近，若將表8中使用結合水法所測得之數據，以水泥熟料之粒徑定為50μm所計算的水化深度如表8中括號所示。齡期6個月時，除C2S水化深度未及原顆粒的1/5。而其他熟料則均已有一半以上發生水化。而在齡期28天的水化後，則C3A,C4AF,C3S等的水化深度分別達到其顆粒半徑之42﹪，32﹪，30﹪而C2S則僅達3.6﹪而已。
水泥的細度愈大，則可增加其比表面積，因此參與反應的表面積就會愈大，而使水化速率加快，故可提高水化程度。水灰比會影響溶液中離子濃度及熟料礦物之溶解與水化速率。因此水化程度將隨水灰比之提高而加大。如果水灰比太小，則由於水化所需的水分不足，及無足夠空間可容納水化產物，故會使後期的水化反應延緩。因為所加拌合水不僅需滿足水化反應之用，而且需填滿C-S-H膠體內部之膠孔，而進入膠孔的水又很難流動，不易從C-S-H膠體流出而使尚未水化的水泥熟料顆粒進行水化反應，因此為達充分水化，水灰比宜在0.4以上。所以在水灰比偏低之情況下，其後期之水化程度將變小，而高水灰比則10天後水化程度將變大。
提高溫度會加速水化程度，表9為溫度對各種水泥熟料水化程度之影響。由表中可見提高溫度對C2S之水化反應影響最大。而C3A及C4AF由於常溫時之水化速率就快，因此溫度對水化程度之影響性不大。對C3S 之影響主要表現在水化早期，而對水化後期的影響不大。採用適當的摻料，會改善水泥之水化速率例如有速凝劑，緩凝劑及快硬劑等可依滿足工程實際需要而選用。
(7)水泥之水化熱
在一化學反應下，由於反應物與生成物之結晶結構不同，故其所具有之熱含量亦異。若反應物較生成物具有更大的熱含量，則根據熱力學平衡原則必須放出能量，這種反應稱為放熱反應。由於卜特蘭水泥熟料是在高溫反應下所形成的固熔體，本身的熱含量高。當遇到與水作用時，為達到低能量狀態，則必須放熱。因此由於其組成水泥熟料礦物的水化作用而產生水泥的水化熱。
水泥水化熱對混凝土結構體之影響性主要是大型基礎或堤霸等巨積混凝土可能會因為體內有水化熱不易消散，因而會使混凝土體內的溫度提高，而與其表面上的溫度將有差值，則會產生溫差應力，而造成龜裂現象。其他像在熱帶或亞熱帶地區，天氣炎熱及刮勁風之情況下施工，若再加上混凝土體內又有水化熱，則在新拌混凝土初期可能會因水分揮發過劇，而產生塑性收縮龜裂現象。因此可在施工時摻加冰塊或冰水加以冷卻或減少水泥用量。例如1950年代以後，美國建造水壩時就是採用低水泥量之設計。1990年代高性能混凝土的發展也是採用添加卜作嵐材料降低水泥用量。例如翡翠水庫之壩體就是使用大量飛灰。高雄東帝士的85層國際廣場大廈就是應用這種控制水泥水化之邏輯策略的成功案例。由於水泥熟料C2S,C3S,C3A,及C4AF的熱含量不同，因此就有不同型態的水泥，例如台灣水泥公司發展一種富貝萊土水泥就是考慮C2S的水化熱低對於其早期工作性及長期的耐久性均有良好的效益而研發出來的一種施工材料。
綜上所述，硬固混凝土體中含有固相水泥水化物，骨材，和尚未水化的殘留熟料，又有水和空氣填充在各種大小不同的孔隙中。所以是一種非均質的三相體系。其中最主要的部份是水化產物，其化學組成及形貌變化種類很多，按其形成之次序又有早期、中期、及晚期等水化物的各種外觀如表10所示。而從水化產物的分佈特性看，亦是相當不均勻性的，在水化剛開始幾天內，從水泥顆粒生成纖組狀的I型C-S-H，還有棒狀之AFt形成，同時亦局部形成網路狀之Ⅱ型C-S-H，並有Ca(OH)2薄片及板狀之AFm相穿插其間。而當水化達到一定程度下，才有Ⅲ型的C-S-H之形成。到後期，雖然不易從整個基質中分辨各別粒子之外觀，但仍可看到有些區域以Ⅲ型C-S-H為主。其中夾有厚實的CH晶體，而另一區域則以CH晶體居多。也可看出仍屬於Ⅰ型和Ⅱ型之C-S-H特徵和孔洞等。因此硬固水泥漿體之結構相當複雜，目前還未完全能闡明結構之真相，必須從組成形貌及結構各方面從不同層次進行研究理解。特別是摻加混合物，外加劑，及其他組成分，以及預鑄力或預力成型、養治工法等日益發展，要研究和預測硬固混凝土的性能應該對水泥漿體之結構性質充分的了解。表11為一般常用的微觀技術，如此才能更有全面的認識其微觀行為。
四、混凝土的巨觀性質
新拌混凝土需有適當的工作性，不會因工作度而影響硬固後之強度，耐久性和體積穩定性。例如強度降低水量過多，蜂窩，泌水、析離和龜裂等現象。因此在新拌混凝土要求的性質及依據如表12所示
硬固混凝土的品質保證為確保混凝土之體積穩定，強度符合性能需求，以達到安全的保障及能夠使用長久而不壞的耐久性。因此需對混凝土的品質進行評估，一般執行的方式包括破壞性及非破壞性檢驗，圖48示混凝土檢查與評估方法歸類。而表13及表14分別為混凝土破壞性及非破壞檢測方法之概述。由於混凝土若含有超量的氯離子，將會造成其體內之鋼材發生銹蝕因此必須於齡期28天及56天硬固混凝土的鑽心取樣試體測定其氯離子含量二次測試值均應低於表15中所列最大氯離子容許含量。
五、混凝土微巨觀特性之相關性
水泥質材料之巨微觀相關性如圖49所示相當的複雜。而優良混凝土性能的要求主要是希望結構體穩定，強度高，及能耐久。其影響因素相當多，圖50a及圖50b分別說明影響混凝土強度及彈性模數之因素概觀。而圖51為混凝土耐久性評估架構，其發生破壞的主要物理和化學致因如圖52及圖53所示。由這些圖示可以發現混凝土的巨觀特性主要與微觀的結構組成和孔隙有相當密切之關係。水泥漿體的組成成分將會因為水化後，水化程度之差異性而改變其水化生成物之形成及其微結構組成和孔隙的特性。因而會影響到水泥漿體的巨觀性質，其關係如圖49所示。然而若欲正確定量其關係，則相當地困難。表16說明水泥水化物微觀組成分對水泥漿體巨觀性質之影響性，分別說明如下：
(一)強度性質
1、C-S-H膠體為連續的母體，為水泥漿中控制強度之主要因素。抗壓強度(fc)較低的主要因素係由於本體含有膠孔隙及膠體間之黏結力係由分子鍵所支配。大約有25~50﹪的分子鍵是受膠體的比表面積大而淵生的界面吸引力所支配。
2、孔隙的存在是必然且重要的成分，它是使強度減弱的主要因素。孔隙愈多及愈大，則強度就愈低。
3、氫氧化鈣(CH)及未水化水泥核心，具有填充孔隙之功能，可使強度增強，但並非是支配強度之主因。因為這種固態水化物容易與CO2作用產生嚴重的體積變化而使強度減弱。
4、硫鋁酸鈣鹽類通常與C3A及硫酸鹽產生體積膨脹的不穩定變化，對強度相當不利的。
5、對混凝土的配比設計而言，為避免對顯微結構造成正面及負面之影響，惟一的法則即是減少孔隙及硫鋁酸鈣鹽類的影響性，而這些都與水有密切關係，減少水量，提高巨微觀結構的緻密性，對強度則是絕對有幫助的。
(二)潛變及乾縮性質
C-S-H膠體相當類似「托伯莫萊土」(Tobermorite)黏土結構體。層間鍵結是由分子鍵所支配。當其間的水分發生變化時則會產生收縮或膨脹現象。在外力作用下會產生內部滑動致生乾縮與潛變的變形。同時由於膠體孔的改變將會帶動大的變形，所以就乾縮而言，它是一個主要的劣化基因。然而齡期愈長結構愈緻密，強度愈強，變形愈小。所以適度控制C-S-H膠體是非常重要的。
孔隙的影響性很大，為缺陷的一種型態，會形成潛變中心而造成潛變量增大。
氫氧化鈣(CH)及硫鋁酸鈣鹽類(AFt, AFm)均為填充物。對潛變及乾縮之影響性並不大，反應有如彈性體材料。未水化水泥核心亦有類似之效果。硫鋁酸鈣鹽類常會有比較大的體積變化，因此被置疑是有利於潛變及乾縮的發展。
從混凝土配比設計的角度而言，減少膠體及孔隙為重要之策略，所以採用適當的水泥及水的用量，將有助於減少潛變及乾縮量。
(三)耐久性性質
水泥漿體耐久性是一項甚為重要的長期特性表現。其受膠體、氫氧化鈣晶體及孔隙等參數之影響性甚大。
1、C-S-H膠體之溶解度甚低，耐久而不透水，有助耐久性。惟如二氧化碳濃度過大，則會被碳化成矽膠。所幸一般而言，其影響性甚小。但是膠體常會有比較大的乾縮量，如果周遭受到朿制，以致產生裂縫，則又會使耐久性變差。所以膠體的作用是有正/負二面性質，適量的控制尤其重要。
2、氫氧化鈣(CH)溶解度高，會因被水溶出而增加孔隙，造成白華的外觀不雅及使耐久性減低。另外CH也會與外界之硫酸根離子反應產生「石膏膨脹反應」，進一步提供硫酸鹽侵蝕的機率。而硫鋁酸鈣鹽類遇水會與石膏產生嚴重鈣釩石膨脹作用，造成硫酸鹽侵蝕之主要原因。
3、孔隙的多寡及連通性，影響耐久性至鉅。減少孔隙量為增加耐久性的重要途徑，此為設計耐久性混凝土之依據。
4、在耐久性觀點，如何減少一些易溶物質(CH)，及容易產生體積變化的物質(AFt及AFm)及增加緻密性的C-S-H成分對提供混凝土的耐久性特別為重要。在高性能混凝土設計上，基本上是以適當的水泥用量，拌和水量，粗細骨材比及數量，卜作嵐和強塑劑用量等作合理的設計與施工技術嚴格要求為最直接及有效的策略。
六、由921集集大地震談如何提昇混凝土結構體的品質問題
921集集大地震混凝土發生的建築物破壞原因概述
1999年9月21日集集大地震造成台灣中部，台中，南投，彰化，及雲林等地區的房屋及橋梁發生倒塌毀損的慘狀，也為其他北中部縣市帶來不同程度的房屋倒塌事件相當的不幸。國內的產、官、學、研等各界均投入救災並有許多專文深入剖析造成損壞的原因及思考日後如何防範。有關混凝土材料方面之缺失，大致可以歸納如下：
1、混凝土規範所要求的坍度過低：因此造成施工困難，而預拌車任意加水，使得混凝土中之骨材與水泥漿發生分離現象。所以在梁柱接頭處鋼筋密集地方沒有混凝土之握裹，而受力後容易產生剪力破壞和爆開現象。
2、混凝土配比設計不當：例如粗骨材之粒徑太大，超過鋼筋間鉅的三倍以上，未依標準的配比設計。
3、混凝土施工品質不佳：大地震震裂之部位均是在混凝土發生泌水與蜂窩之脆弱面，另外施工廠商忽略清洗模板內之雜質，以致於有些木屑、泥土、檳榔雜物及砂拉油桶均存在於混凝土中，而造成混凝土龜裂現象。
4、使用材料品質不佳或偷工減料：使用料源未管制及不合格或偷工減料，造成製作之混凝土品質低落。
5、混凝土品質只重視強度：因此常有驗證時強度夠，但實際結構體強度不足之情形發生。例如本次地震，有許多混凝土的強度只達到原設計強度之1/3。因此結構物強度不足，而發生龜裂或倒塌現象。現今美國混凝土學會1995年就改以「耐久性能」規範，歐洲聯盟亦將於2005年改用「結構壽命」為規範要求，以品質保證觀念確保結構體的耐久性與安全性。
6、鋼筋混凝土構件設計不當：例如學校因窗戶開太多，箍筋不足而形成短柱效應。其次是承擔重力的結構脈向不等強，例如柱，梁剪力牆等配置不均勻對稱，因此建築物所吸收的能量分佈不均勻，例如頂樓加蓋或一樓底層的鋼筋、箍筋、紮筋間距太大，無法發揮圍束作用，柱子斷面太小，及彎鉤耐震設計不當，及採開放空間或大賣場形成軟弱層，整體結構不穩定，傾覆力矩過大，而造成建築底層容易發生破壞。另外建築物的基礎不穩，及沒有適當的深度，還有柱子間距過大約9-15公尺，柱子數量偏低，較嚴重的是柱子內埋設有維生管線如給水，排水，電力，瓦斯，電話等管線，雖然可節省空間，但大幅地降低柱子的有效斷面積，而造成破壞。圖54至圖61為一些代表性的破壞實例。
如何提昇混凝土結構的品質
為何許多混凝土結構體能能夠耐久至3000年而不壞呢?事實上可以透過優質(SMART)的思考模式。所謂「SMART」係以英文的特殊能力(Specific)，量化(Measurement)，可達到(Attainable)，實在(Reality)，及時間(Time)的第一個英文字母之組合，說明如下：
特殊能力(Specific)
如圖1所示，混凝土由於使用功能不同，因此其配料亦不同。所以必須對於其組成材料之特殊功能具有充分的了解。例如摻加卜作嵐材料，由於其中含有高量的氧化矽，所以會與混凝土中之氫氧化鈣及鹼離子反應生成緻密性的矽酸鈣水化物。使其易與骨材鍵結，並可增加強度，且可將原為廢棄物之飛灰、矽灰、爐渣及稻穀灰化為有用資源解決環保問題。又可減少大氣中之CO2排放量，降低溫室效應更可用此種材料作為孔隙之填充料，使混凝土更為緻密。這是對卜作嵐材料之特殊功能之認知。而摻料種類相當多，隨著對摻料有更深刻的認知，及正當使用，可改善混凝土的品質，表17列出一般混凝土及因加摻料後的優質混凝土的性質差異。因此必須充分了解各種組成材料之特異功能。
其次有關設計方面，建築結構物的下部結構，因承受相當大的垂直載重及風力或地震力等所帶來的水平剪力。因此必須使用重質材料(比重3.0以上)，及強度大，重心低之設計。所以在鋼筋及箍筋使用方面一定要密實。然而其上部結構，則要輕及強，例如可使用目前湧源工程公司與台灣科技大學共同合作開發的高性能輕質骨材混凝土。其強度可達10,000psi,比重為1.0-1.6，又像1985年9月19日墨西哥發生8.1級之強震，在震災地區有二棟21層SRC及RC結構物，一者僅出現少量龜裂，而另一則全部塌陷。關鍵是在前者有設立剪力牆，由於剪力牆必須經過多方面，多角度的思考及計算。雖然設計具高難度，但具有耐震之特殊功能。而近年來大跨度的構造及懸臂梁應用相當普遍。因此國內建築法規已經在民國86年起檢核極限層剪力，避免發生一層樓軟弱的特殊能力。另外由於騎樓具有亞熱帶建築特色具遮陽、斷熱之空間意義。若能將樓梯配置在店鋪後面，如此沿著騎樓的平行方向就有兩片梯間牆壁，結合補牆騎樓及最後一排支柱，就可增加其特殊的耐震能力。另外由於混凝土本身是一種脆性材料，必須靠填加適當的鋼筋、鋼構、纖維等以增加其延展性，提供對地震能量之吸收能力。鋼筋混凝土，若設計不當，則延展性將較差，在強震下可能會提前崩裂。牆、柱、梁各有其特殊之能力，必須透過適當的設計，才能發揮其具有之特異功能。
量化(Measurement)
混凝土品質的重要影響因素如圖62所示。不論在使用材料之數量及料源的品質管制方面，及養護、試驗與施工上之各種條件之檢驗方面均著重有正確的量測數據，及其精密度或容許程度，以利分析評估微觀特性及巨觀性質。因此量化可依本文中所述各種精密儀器進行檢測。近年來由於電腦科技之發展已經可以透過專家系統模擬水泥水化之過程變化而預測水泥質之性質如圖63所示為模擬C3S在水化期間內微結構發展之電腦模式製作之流程圖。而圖64為C3S球狀顆粒漿體之電腦模擬圖解輸出範例。未來將可提供優質混凝土的設計與製造。其原理如同如今的生物科技係以研究生物科學的基礎基因研究，及生命複製研究等。其對人類未來的健康糧食、能源和生活品質之提昇會有甚大的助益與影響性的道理是一樣的。因此混凝土如同生物科技發展均為繼電腦資訊後，在21世紀是最具有發展潛力之產業。
可達到(Attainable)
訂定的規範要考慮施工者能達到為原則。例如規範要求混凝土坍度不得小於10公分。但是並未嚴格要求用水量。因此工地無法達到這種要求，就擅自加水，而造成混凝土乾縮龜裂及強度不足之劣化現象。其次是工程審計單位壓低單價，使得許多工程以低於底價的六成得標。因此就無法達到最低品質的要求。所以單價合理化才能夠要求可達到如同「麥當勞食品」有一定的品質。國科會已投資新台幣千萬元以上的經費，進行高性能混凝土之研究。這種新材料具有能以用水量少而可達高流動性，水泥用量少而具有高強度，及雖然水泥漿量少，但能確保體積穩定，及具耐久性等諸多優越的特性。
實在(Reality)
預拌廠甚少根據標準配比設計精神。有時為了節省材料成本，而使用太粗的骨材。另外也有使用中古幫埔車，機械過於老舊，製造馬虎，未對料源作有效的品質管制。台灣許多騎樓或挑高之建築只靠梁柱支撐，而無剪力牆。強震之能量集中於柱子而使其易斷裂倒塌。施工時偷工減料，如水泥之單位重不足，箍筋未按規定彎135度，箍筋間距未在規定範圍內，柱子設計斷面不足，這些施工不良現象會影響到建築物的韌性設計。另外像裝修時任意變更隔壁牆透天厝在頂樓或廚房後側違建增建在梁柱接縫處之鋼筋未錯開，混凝土未能與鋼筋握裹，再加上水電管線站去相當大的面積，因此使得原來的設計斷面不足。建築耐震法規修訂逐漸趨嚴，結構安全設計以成為建築物不可忽視的重點。若規畫無誤，依法規設計，施工落實執行，未在使用上任意變更或違規使用，破壞建築物之結構之行為，則受震災後之風險應該是少數。
時間(Time)
混凝土結構物要能經得起時間的考驗，才能算是能符合優質混凝土的標準。國內一向以混凝土強度為安全性的規範。然而我們知道混凝土的強度會隨著時間而改變的。因此如今國外的混凝土規範以要求性能為導向。所以混凝土務必經過嚴格的品質保證工作。自從「料源管制」、「製程管制」到「成品管制」等過程中都需經過仔細的控管，如此才能保障混凝土品質的均勻性和穩定性。基本上這些管制作業是應用ISO9002及ISO14001之規定透過「計畫—執行—檢核—修正」過程以滿足營建工程的安全、耐久、工作、經濟及生態性等優良品質需求準則，經得起時間上的考驗才可以。
七、結論與建議
根據本文所剖析的混凝土微觀與巨觀行為對結構物的強度及耐久性之影響性，可歸納下列結論與建議事項：
1、如今已有許多精密儀器可供研究及剖析混凝土微觀特性及其巨觀的性質，因此使得混凝土科技進步到具有超高強度(抗壓及抗彎強度分別可達2000kg/cm2及450kg/cm2。特殊預鑄品則可分別可達8100 kg/cm2及1400 kg/cm2)。而耐久性優越(其氯離子滲透係數為一般混凝土的1.8﹪而已)。由於其具有強度高，韌性大及耐久性之優越性因此未來將可在許多土木建築工程中廣泛應用。
2、透過材料科學之發展，已經對混凝土的水化機理、生產程序與技術有更為清晰的認知。
3、使用原有一般混凝土之技術再研究添加卜作嵐及強塑劑等摻料製作高性能混凝土是未來時代中工程應用日漸普及的工程應用材料」。
4、未來混凝土品質將改以耐久性能及結構壽命為規範取代過去以強度為設計基準之觀念。
5、優質(SMART)混凝土可透過特殊能力(Specific)，量化(Measurement)，可達到(Attainable)，實在(Reality)，及時間(Time)之思考模式，使其品質更透明化，而發揮其優越的品質。
6、基本上混凝土的品質務必經過嚴格的品質保證，透過ISO9002及ISO14001之規定由「計畫—執行—檢核—修正」循環經驗累積已滿足「安全性、耐久性、工作性、經濟性及生態性」的創新工程品質為原則，以求品質之均勻性和穩定性達到「混凝土標準品的確立」為追求之目標。
7、RC建築結構物預期能耐颱風及地震之災害必須依據自然界之竹子或椰子樹根深蒂固，重心穩固，下部之節次較多，質地密緻，樹梢輕韌，可隨風或地震搖晃而不倒的道理。在設計理念上力求下部結構的混凝土強度高可採用重質材料深開挖基礎，柱子中的鋼筋及箍筋要密集，混凝土材料可加纖維並可能完全充滿所有鋼筋的界面而無孔隙或空洞存在。以力求底層結構延展性提高，達到堅韌及密實為原則。而建築物上部結構應以質量輕、韌性大、及強度高為原則。此可使用高性能輕質骨材混凝土於橋面板或建築物之樓版上。此現象如同竹子的節次的質量輕而韌性高，強度大之道理相同。
8、工程界應記取本次921集集大地震災害教訓。重視品質保震及耐久性能規範之觀念回歸到民法規定房屋使用壽命至少為50年之保固認證，任何法規均以此為要求條件。
9、結構物需有專業的安全評鑑才可抑制營造廠商偷工減料，及使用不良材料。
10、混凝土養治期間如同胎兒在母體一樣，而新拌時期就如同嬰兒期，硬固時期為逐漸成長期。微、巨觀特性如同身體內部各器官組織的運作情形和身上外觀的健康狀況。而影響到強度與耐久性就像影響人的強壯與壽命一樣。因此就像每一個人為保障身心健康必須自小至大每一個階段均需細心照顧才能獲得強壯及長壽的保障一樣，混凝土也是需有品質保證之觀念。
致謝
本文之完成得感謝湧源工程股份有限公司陳秀菊小姐及董其鈞先生的諸多幫忙。
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