超高性能混凝土(UHPC)於耐震補強之設計與工程實務

作者：黃正豪 助理/吳子其/李其航 研究員/翁健煌 組長/

薛強 副主任/袁宇秉 副教授/鍾立來 教授/洪崇展 教授

摘要

　　耐震補強工程常受施工空間、構件斷面增加、界面處理及長期耐久性等因素限制，傳統補強工法於部分既有建築中仍面臨施作與維護上的挑戰。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)具高抗壓強度、高抗拉韌性、低滲透性及良好界面黏結能力，可於較薄補強厚度下提升構件剪力、撓曲與整體耐震性能，並降低對既有使用空間之影響。本文以工程實務應用為導向，綜整UHPC用於結構補強之材料特性、補強型式、設計流程、施工方法、採購模式及材料允收標準。內容涵蓋柱、梁、磚牆與RC牆之包覆補強，以及增設UHPC剪力牆、翼牆、斜撐與間柱等耐震補強方式；並介紹Mocur2020、UHPC Jacket、UltraRetro及塑鉸分析Excel等補強輔助程式，以協助設計者建立補強後構件之非線性塑鉸模型並銜接整體結構分析。最後，本文整理UHPC補強施工流程、採購配合與品質驗收重點，期能提供工程界對UHPC補強技術之整體認識，作為後續實務應用及標準化推廣之參考。

一、基本介紹

　　隨著國內既有建築物逐漸老化，且耐震設計規範與使用需求持續提升，許多既有鋼筋混凝土構造物已面臨耐震能力不足、耐久性能劣化或使用功能不符現況需求等問題，因此，如何在兼顧施工可行性、補強效率與長期耐久性之前提下，發展有效之結構補強材料與工法，已成為工程實務上重要課題。傳統補強材料如鋼板、碳纖維與高強度砂漿，雖可於特定情況下提升構件強度或勁度，然在界面處理、施工空間需求、長期耐久性與工地施作彈性等方面，仍有其限制。於此背景下，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）因兼具高強度、高韌性、高耐久性及良好施工適應性，近年已逐漸成為既有結構補強與延壽工程的重要材料選項。

　　UHPC 係以低水膠比、高膠結材料含量、細微礦物摻料及顆粒最佳化級配為基礎所發展之高性能水泥基複合材料，其微觀結構極為緻密，故具備優異之力學性能與耐久特性。一般而言，UHPC 之 28 天抗壓強度可達 1,000 kgf/cm² 以上；若再配合短鋼纖維摻入，則可進一步提升材料之抗拉能力、裂縫控制能力與受力韌性，使其在受拉階段展現應變硬化與多重裂縫行為。相較於傳統混凝土受拉後易產生少數寬裂縫並迅速劣化，UHPC 可藉由纖維橋接機制有效抑制裂縫擴展，使裂縫寬度維持在較小範圍內，進而提升構件於反覆載重下之能量耗散能力與損傷容許能力。

　　除力學性能外，UHPC在耐久性方面亦具有顯著優勢。由於其孔隙率低、滲透性小，對氯離子、水分與其他劣化因子之侵入具有良好抵抗能力，可有效延緩鋼筋腐蝕與混凝土材料劣化，降低後續維護需求並延長結構使用年限。對於沿海地區、高鹽害環境、老舊建築修復或需兼顧耐震與耐久之更新工程而言，UHPC不僅可作為補強材料提升構件承載能力，亦可同時提供保護層功能，強化結構物之長期服役表現。此種兼顧補強與耐久提升之特性，亦使其在生命週期觀點下具備一定之永續效益。

　　在施工適應性方面，UHPC可依現場條件與工法需求調整工作性，從高流動性材料用於澆置或灌漿，到較低工作度材料用於噴漿或墁砌，均可因應不同補強場域之限制。此一特性使UHPC能配合狹小空間、既有建築室內施工、局部修復或不易設置模板等工程條件，提升現地施工之可行性與彈性。近年國內已有多項UHPC應用案例，涵蓋橋梁工程、建築耐震補強、老屋修繕及其他結構工程，顯示UHPC已逐步由研究發展走向工程實務，並具備持續推廣與標準化之基礎。

　　綜合而言，UHPC作為新一代結構補強材料，至少具備下列幾項核心特徵：其一，材料強度高，可於薄層條件下提供有效補強效果；其二，纖維橋接機制可提升裂縫控制能力、韌性與能量耗散能力；其三，界面黏結與握裹性能佳，有利於補強層與既有構件形成整體受力；其四，材料緻密且耐久性優異，可兼顧結構延壽與降低維護成本；其五，施工工法具彈性，可配合現地條件採灌漿、噴漿、墁砌或預鑄貼片等方式施作。基於上述特性，UHPC不僅適用於新建構造物，亦相當適合作為既有結構補強與耐震改善之材料。本文後續將進一步介紹UHPC於各類構件之常見補強工法，以及相關之設計、施工與實務應用重點。

二、補強形式

　　UHPC應用於既有結構補強時，可依構件種類、受力需求與現場施工條件，發展多元之補強形式。就目前研究與工程實務而言，UHPC可應用於柱、梁、磚牆及RC 牆等既有構件之表面包覆或披覆補強，亦可作為增設剪力牆、翼牆、斜撐與間柱等耐震構件之材料。相較於傳統RC擴大斷面、鋼板包覆或纖維片材補強，UHPC具有高強度、高韌性、高界面黏結性及薄層高效補強等優點，通常僅需約3-6cm厚度，即可提供顯著之補強效果，特別適用於空間受限或需降低施工干擾之既有建築補強工程。

2.1　梁、柱包覆補強

　　UHPC可應用於柱及梁構件之包覆補強，藉由於既有構件外圍或局部受力區域增設UHPC補強層，使原構件與補強層形成共同受力系統。透過UHPC之高抗壓、高抗拉與高剪力強度，以及良好之界面黏結與握裹能力，可提升構件之剪力與撓曲承載能力，並改善原先偏向剪力脆性破壞之行為，使其朝較具韌性之行為發展。既有研究指出，採用UHPC包覆補強後，RC柱側向強度約可提升20%–40%；若補強層內配置鋼筋網，位移能力可提升至原始值的兩倍以上，並可明顯改善整體消能能力[1]-[4]。

　　梁構件因構件位置與受力型態不同，常見補強形式包括梁底補強、梁頂補強，或配合梁側進行局部補強，如下圖1。相關R/UHPC梁研究顯示，當摻入2%鋼纖維時，構件受拉強度約可提升50%–100%，勁度約可提升100%–500%；而隨縱向鋼筋比提高，梁之韌性、開裂勁度、裂縫型態與彎矩強度亦可同步改善[5][6]。施工方面，此類補強可依現場條件採現場灌漿或預鑄貼片等方式施作；前者適用於外圍施工空間較充足之情況，後者則較適合空間受限或需縮短工期之工程[1][2][4]。整體而言，UHPC包覆補強具有薄層、輕量及對原有使用空間干擾較小之優點，適合應用於既有建築柱、梁構件之局部或全面耐震補強。

圖1 梁補強斷面範例

2.2　牆體補強

　　UHPC亦可應用於磚牆及RC牆等牆體構件補強，其基本概念為於既有牆表面增設UHPC補強層，並視需求配置鋼筋網、鋼線網或界面鋼筋，使補強層與原牆體形成共同受力系統。於RC構架中，磚牆雖常被視為非主要結構構件，然其實際上常參與整體側向受力；一旦於地震作用下發生脆性剪力破壞或面外倒塌，將對建築安全造成顯著影響。UHPC應用於磚牆補強時，通常係於牆面增設薄層UHPC補強層，以提升牆體之面內強度、位移延展性及面外穩定性。根據實尺寸構架試驗結果，於加強磚造表面覆蓋4cm厚UHPC薄層後，牆體面內側向強度可提升超過兩倍，位移延展性與能量耗散能力可提升五倍以上，並可有效降低面外倒塌風險，如下圖2及圖3所示[7]。而UHPC應用於RC牆補強時，相關分析案例指出，若於不增加使用空間之前提下，剔除單側既有保護層4cm並以4cm UHPC補強層取代，且配置鋼筋網，牆體側向強度可提升至補強前之1.5倍，位移能力亦同步提升；即使未配置鋼筋網，側向強度仍約可提升25%，顯示UHPC本身材料性能對RC牆補強已具明顯貢獻[8]。施工上，UHPC牆體補強可採噴漿或人工墁砌等方式施作，無需模板，適合應用於狹窄空間、老舊建築或機具不易進入之補強場域。

圖2 UHPC於磚牆補強之試體圖

2.3　增設剪力牆、翼牆、斜撐與間柱

　　UHPC 之應用不僅限於既有構件之表面披覆，亦可進一步作為新增耐震構件之材料。例如，於既有建築中增設UHPC剪力牆、翼牆、斜撐或間柱，可在有限厚度下提供顯著之側向強度提升，同時改善整體結構之韌性與施工效率。針對低矮型UHPC剪力牆之研究指出，相較於一般低矮型剪力牆，其鋼筋量可減少約30%，而在最大可能地震作用下仍可維持良好之損傷控制表現，避免嚴重壓碎與開裂，整體韌性可提升約 100%。另有研究指出，添加鋼纖維後，牆體剪力承載能力約可提升70%，且縱、橫向鋼筋之應變需求可分別降低逾20%與40%，顯示UHPC可有效降低鋼筋使用量並改善牆體受力機制[8][9]。

　　就新增斜撐與間柱而言，現有研究亦顯示，採用預鑄UHPC斜撐或預鑄UHPC耐震間柱補強後，可明顯提升構架之側向強度與整體韌性，且由於UHPC具有高強度與高握裹能力，故可在較小構件尺寸下達成良好補強效果，並有助於降低施工複雜度與現場配筋困難[10][11]。相較於傳統RC新增構件，UHPC新增構件於空間控制、施工效率及耐久性能等方面均更具優勢，因此對於使用空間有限、但需大幅提升整體耐震能力之既有建築，具相當應用潛力。

2.4　小結

　　綜合而言，UHPC 於結構補強之工法應用具有高度多樣性。若以既有構件補強而言，可應用於柱、梁、磚牆及 RC 牆之表面包覆或披覆補強；而以新增構件提升整體耐震能力而言，則可透過新增UHPC剪力牆、翼牆、斜撐或間柱等方式進行補強。由目前研究與實務結果可知，UHPC補強不僅能提升構件之強度與勁度，亦可改善破壞模式、增加位移能力與消能表現，部分工法甚至可達兩倍以上之強度及顯著位移能力提升。配合其薄層高效、施工彈性大及耐久性佳等特性，UHPC已具備作為既有結構補強重要材料之條件，後續章節將進一步介紹其設計分析流程，以及施工、採購與驗收等實務重點。

四、施工及採購

　　UHPC補強施工方式可依現場條件、補強構件種類及材料工作性進行調整，常見工法包含灌漿、噴漿、墁砌及預鑄貼片等。其中，灌漿工法適用於需確保材料充分填充之補強區域；噴漿與墁砌工法則較適合牆面、梁底或空間受限之補強場域；預鑄貼片工法則可降低現場濕作業比例，縮短施工時間。實務上，工法選擇應同時考量補強厚度、模板設置可行性、施工空間、界面處理需求及現場品質控管能力[12]。

4.1　施工流程

　　UHPC補強於正式施工前，宜先設置現場試拌區，進行試拌與施工性確認，以檢核材料流動性、拌合狀態、施作方式是否符合設計需求。正式施工時，首先應進行既有構件表面處理，可採機械打毛或高壓水刀等方式增加界面粗糙度、去除表面油污、劣化層及鬆動混凝土，以提高UHPC補強層與既有基材間之黏結能力。完成表面處理後，應依圖說配置界面植筋及補強鋼筋網，鋼筋網規格可依構件需求與補強目標選用，常見範圍約為D6至D10鋼筋。完成鋼筋配置後，應進行放樣並確認補強層厚度，最後再施作UHPC補強層。施工完成後，養護方式可比照一般混凝土，以灑水養護維持材料早期水化與強度發展。整體施工流程如圖7所示。

4.2　採購模式與施工配合

　　UHPC補強工程之採購與施工配合，大致可分為整體承作與分離採購兩種模式。整體承作模式係由專業廠商同時負責材料供應與現場施工，其優點為材料配比、拌合程序與施工品質較易整合，責任歸屬亦較明確；惟此模式於執行前需明確界定施工範圍、補強數量及現場配合事項，以避免後續界面或工項分工爭議。

　　分離採購模式則由專業材料商供應UHPC材料，現場施工由一般工班執行。此模式具較高彈性，可配合地方施工團隊及既有工程進度安排；然而，UHPC雖同屬水泥基材料，其拌合時間、拌合狀態與施工判斷仍與一般水泥砂漿有所差異。若現場工班對UHPC材料特性不熟悉，可能發生拌合不足、靜置時間過長或額外加水等問題，進而影響材料強度與補強品質。因此，採分離採購模式時，建議於工程初期由材料商派員進行首批試拌、施工示範與操作訓練，使現場人員掌握拌合順序、材料狀態及施作時間控制。

　　國內外UHPC施作多採現場拌合，以利即時調整與品質控管，材料拌合完成後應儘速施作，避免靜置時間過長而造成工作性下降或提前凝結。實務上，應於施工計畫中明確規劃每批拌合量、運送距離、施作人力及施工區段，使拌合、輸送與施作流程保持連續，降低材料性能波動對補強品質之影響。

4.3　材料允收標準

UHPC補強工程除須確認現場施工品質外，亦應透過材料試驗檢核其力學性能、工作性與耐久性指標。實務上可將抗壓強度、抗彎強度、坍度或坍流度，以及水溶性氯離子含量列為主要驗收項目，建議檢核值如下：

• 28天抗壓強度≥1000 kgf/cm² (CNS 1010)

• 28天抗彎強度≥100 kgf/cm² (CNS 1233或ASTM C1856或ASTM C1609)

• 若採用高流動性UHPC，則坍流度應介於45-70 cm (CNS 14842)。若採用噴漿或墁砌方式施作，則坍度≤ 10 cm (CNS 1176)

• 水溶性氯離子含量≤ 0.15kg/m3 (CNS 14703)

4.4　參考圖說

　　受限於篇幅，本文僅摘錄部分柱與磚牆補強參考圖說作為示意。完整UHPC補強圖說已涵蓋RC柱、RC梁、磚牆及RC牆等構件，讀者可至國家地震工程研究中心相關網頁下載最新版本參考。若於實務應用上有進一步疑問，亦可洽詢本文作者。相關圖說示例如圖8至圖10所示。

五、結論與建議

　　近年國內UHPC補強技術已由材料與構件研究快速推展至實際工程應用，並在設計分析、材料供應、現場施工及品質檢測等面向，逐步形成完整之體系。目前相關應用案例已涵蓋梁、柱、板及牆等構件，顯示其已具備全面推廣至工程實務之基礎。本文從工程應用角度出發，彙整UHPC補強於設計分析、施工規劃、採購配合及材料驗收等面向之重點，期能提供工程界建立UHPC補強應用概念與執行流程之參考。

1.　材料與構件性能

　　UHPC具備極高抗壓強度、良好抗拉強度及韌性行為，能有效抑制裂縫發展並提升能量耗散能力。其緻密微結構亦可降低滲透性與氯離子侵入風險，有助於延緩鋼筋腐蝕與既有混凝土劣化。整體而言，UHPC兼具高強度、高韌性、高耐久及高工作性等特性，適合作為既有結構補強與延壽工程之材料選項。

2.　補強效果與行為改善

　　UHPC補強可提升RC構件之剪力、撓曲及整體耐震性能，並有助於改善原構件可能發生之脆性破壞模式，使補強後構件朝向較具韌性之行為發展。當應用於磚牆或RC牆補強時，可提升牆體面內強度與面外穩定性，強化結構抗倒塌能力。相較於傳統RC擴大斷面補強，UHPC可採較薄之補強厚度，降低對使用空間之影響，並簡化鋼筋配置與施工複雜度。

3.　設計流程與輔助工具

　　本文建議UHPC補強設計可採兩階段流程，第一階段可先進行初步評估，快速掌握補強需求、補強位置、構件種類及補強厚度範圍；第二階段則透過Mocur2020、UHPC Jacket、UltraRetro等國內自主發展之補強輔助程式，建立補強後構件之非線性塑鉸模型，並銜接ETABS、SAP2000或MIDAS等結構分析軟體，以完成補強後整體耐震性能評估。相關標準圖說與程式資料可於國家地震工程研究中心相關網頁下載，供工程實務參考使用。此外，作者團隊已編著完成「UHPC補強設計手冊」，並由國震中心審查完成。該手冊彙整UHPC材料參數、構件設計方法、非線性分析建議及界面行為評估方式，可作為設計者進行補強分析與工程應用時之參考依據。相關設計手冊、補強圖說及輔助分析資料，可至國家地震工程研究中心公開網頁取得，以供實務設計參考。網址：私有建築物耐震弱層補強資訊網－設計審查相關文件。

4.　施工與採購體系

　　UHPC可配合現場條件採灌漿、噴漿、墁砌或預鑄貼片等方式施作，具備良好工法彈性。由於其黏結與握裹性能佳，可促進補強層與既有構件共同受力，並有助於簡化局部配筋與界面細節。國內目前已具備結構設計、材料供應、現場施工及第三方檢測等配套體系，可依工程需求發展出整體承作與分離採購兩種主要執行模式，支援自設計、材料供應、現場施作至品質驗證之實務應用流程。

5.　永續與產業推廣價值

　　UHPC補強可藉由薄層材料達到有效補強目的，相較於傳統補強工法，可減少材料用量、降低施工干擾，並避免因拆除重建造成額外資源消耗與碳排放。同時，UHPC具備優異耐久性，有助於延長既有結構使用年限並降低後續維護成本，符合永續建築與韌性基礎設施之發展需求。未來可望成為台灣既有結構耐震補強與永續更新工程中重要之技術選項。

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