第二章 「建築技術規則」納入輕質骨材混凝土 隔熱標準之草案研擬
第四節 輕質粒料混凝土隔熱標準之草案研擬
4.1 隔熱材料的基本條件
台灣位於亞熱帶氣候區，且緯度低(北緯 23°~北緯 25°28')，故受日 照影響較大，致使年平均溫度偏高；尤其甚者，人口密集之重要都會地 區其夏季月平均溫度均已超過28℃；再者，人們對居住環境舒適性的要 求也愈來愈高，使得能源消耗量大幅成長。根據經濟部能源委員會 89 年台灣能源統計年報電力消費統計資料(如表 2-4.1)(參考文獻中文部分 [20])，民國 86~89 年間，全國總電力消費都呈現逐年成長的趨勢。以 89 年來看，全國總電力消費共 1,719.5 億 kWh，比 88 年成長約 10%。
但台灣地區近年來的電力系統負載資料顯示，耗電量越來越高，電力備 轉率則越來越低，若電力消費成長態勢繼續發展下去，對於總體能源 97%依賴進口的我國而言，必定會對國家整體經濟的發展造成重大影 響。現今國內住商建築部分之耗能量約佔台灣地區總耗能量的17%，建 築空調尖峰耗電量甚至達全國夏季尖峰總用電量的三分之一。因此，在 國內輕質粒料混凝土逐漸量產並普遍使用之際，應研擬將輕質粒料混凝 土隔熱標準納入「建築技術規則」之草案，以期透過改善建築外殼的隔 熱性能，達到建築節能之目的。
熱的傳播途徑包括輻射、對流及低溫輻射、傳導三種方式。就房屋 建築而言，輻射是太陽輻射直接射到其外殼(即屋頂、牆壁及門窗)，並 到達室內，通常白色或表面光滑之物體容易反射長波輻射，黑色或粗糙 面容易吸收長波輻射而轉變成熱量。對流及低低溫輻射係因熱上升到天 花板、壁面、門窗等經空氣對流和低溫輻射傳至室內和人體，天花板有 13%之熱經對流傳播，牆壁有 38%之熱經對流傳播，其餘則經由低溫輻 射傳播。傳導是建物外殼受到太陽直接的輻射或周圍的接觸，造成熱從 構體外側傳透建材而導入室內，此熱能的多寡與建材本身的熱傳導係數 k 有關。基本上，k 值越高者，導熱能力越強；反之，k 值愈小者，適合 作為隔熱材料。循此，現行CNS 所訂定之隔熱材料檢驗標準即以測定 k 值為主。
如上所述，在講求節約能源的前題下，一般建築物大都採用具有低 熱傳導係數的隔熱材料來進行隔熱措施，以達適宜的居住室溫。換言 之，具有良好隔熱性質之隔熱材料是建築節能上不可或缺的要素。惟隔 熱材料種類繁多，其功能又因材料而異，因此必須慎重其事，選用適當 的隔熱材料。大體而言，隔熱材料應具備下列基本條件：
(1).低熱傳導係數
隔熱材料之熱傳導係數愈小，隔熱效果愈佳。
(2).較低之熱膨脹係數
材料因溫度之升降，而發生膨脹及收縮，其內任兩點間之距離變化，
稱之為線膨脹係數。隔熱材料之熱膨脹係數以愈小者為佳。
(3).具防水性
因為隔熱材料經雨淋或吸收濕氣後，水份易留滯在孔隙內，使材料 熱導係數提高，而降低其隔熱效果。若在表面塗蓋一層防水塗料，
不但確保隔熱效果，並兼具有防水之功能。如此不但增加材料之耐 久性，亦可增進防水之效果。
(4).熱容量大
室內溫度之變化，若受氣溫及日射等之影響而改變時，雖在同一場 所，亦會因建築物之構造不同其所受之影響亦不同。例如：木造之 薄牆其熱容量小，磚造壁熱容量大。熱容量小之構造，受到熱量之 供給，溫度急速上升，若熱源停止供熱時，則溫度急速下降，溫度 變化之振輻較大。反之，熱容量大之構造，溫度上升緩慢，其下降 亦依時間而遲延，亦即溫度改變之振輻較小。因此，隔熱材料之選 用，應以熱容量愈大者為佳。
(5).質輕易施工
隔熱材料內部構造因具有許多小氣泡，故重量較輕；氣泡最好是密 閉性，因為半連續性氣泡會吸水，因而導致反效果。另外，隔熱材 料應容易施工，以降低工程費用。
(6).物美價廉
隔熱材料如能兼具物美價廉，營建業必能推廣採用，使用範圍亦可 日趨廣泛。
綜上所述，隔熱材料不僅要具備隔熱性質，還必須考量其隔熱效 果、經濟性及施工性等問題，也唯有如此方能真正達到節約能源之目的。
4.2 輕質粒料與輕質粒料混凝土之種類
根據ASTM C330 規範，容積密度小於 1120 kg/m3(70 pcf)的粒料稱 為輕質細粒料；而輕質粗粒料係指容積密度小於880 kg/m3(55 pcf)的粒 料。天然輕質粒料源自於天然岩石，主要為火山岩，如浮石、火山岩渣、
凝灰岩。人造輕質粒料的產製係將高爐爐渣、頁岩、板岩及飛灰加熱，
以使其產生膨脹。輕質粒料的容積密度一般介於160~1120 kg/m3之間，
但大部分都小於 800 kg/m3。膨脹珍珠岩的容積密度平均約為 240 kg/m3；浮石約為 480 kg/m3；膨脹粘土、膨脹頁岩及膨脹板岩約為800 kg/m3。輕質混凝土就是以輕質粗粒料取代傳統粒料所製成的混凝土，
其氣乾容積密度往往不超過1850 kg/m3(115 pcf)。雖然輕質混凝土的種 類甚多，但這個名詞一般是指以輕質粒料製成的結構混凝土。當粗細粒 料均為輕質時，混凝土稱為全輕質混凝土；而普通砂與輕質粗粒料同時 使用時，則稱這種混凝土為砂輕質混凝土(參考文獻中文部分[2])。
輕質粒料的製造過程係將原料壓碎或磨碎後製成小丸或小球，再將 之加熱至1000℃以上，材料在這樣的高溫下會產生膨脹像是爆米花一 般因氣體的快速產生而膨脹；當冷卻時，材料即呈現多孔性、高吸收 力以及低比重。最常見的天然輕質粒料為浮石、火山渣與蛭石。浮石為 最廣泛使用的天然輕質粒料，顏色為白灰色至黃色，但是也有可能是棕 色、紅色和黑色，多半產自美國西部的火山地區。浮石具有多孔性結構，
可以視為一種含有微小氣泡之玻璃質岩石。火山渣同樣也是產自火山地 區，類似工業上的煤渣，其顏色通常是紅色到黑色(煤渣是煤在工業用 火爐中高溫燃燒後的殘渣)。火山渣的氣泡較浮石大，且其形狀或多或 少為球形。
人造輕質粒料以膨脹頁岩、膨脹板岩、膨脹粘土、膨脹珍珠岩和膨 脹火山渣等最為普遍。珍珠岩是一種矽質的火山岩，通常蘊藏於美國西 部。膨脹珍珠岩是壓碎的珍珠岩經由快速加熱至815℃以上，以除去水 分。膨脹後會形成質輕、不燃、多孔的玻璃質材料，可當作輕質粗粒料 以拌製輕質混凝土。磨碎的膨脹珍珠岩可取代輕質混凝土中的天然砂，
具有良好的隔熱性。由膨脹珍珠岩製成的混凝土其比重介於 320 kg/m3 到640 kg/m3之間，並具備有限的抗壓強度和高收縮性。無論是天然的 或是磨碎的珍珠岩，均可使用於製作水泥砂漿。蛭石是雲母的一種，也 可使用在輕質混凝土中。將磨碎的原料加熱至1090℃左右，直到體積膨 脹成原體積的 20 倍。以之做為結構混凝土用材料則顯得過於軟弱，因 為混凝土需要有足夠強度的粒料，但是它可取代水泥砂漿中的天然砂。
蛭石粒料的容積密度介於4~192 kg/m3之間，幾乎與膨脹珍珠岩相同。
由 膨 脹 蛭 石 或 膨 脹 珍 珠 岩 製 成 的 混 凝 土 具 有 低 抗 壓 強 度 、 低 密 度 (240~800 kg/m3)、高收縮性以及絕佳的隔熱性。這種混凝土通常使用於 室內，主要乃基於隔熱性能上的考量。
膨脹頁岩、膨脹黏土、膨脹板岩等人造輕質粒料的製造，係將頁岩、
粘土或板岩等原料壓碎，加熱至熔點(約為 1350 )℃ 使其軟化並且膨漲而 成。基於氣體陷入之效應，其體積可膨脹至原體積的 600~700%。這些 輕質粒料也可利用燒結的方式來製造，其過程係將含煤或灰的原料放置 在可移動的爐架上，再以火燄燃燒之，其產物可依需求壓碎成不同的尺 寸。至於高爐爐渣，則是一種非金屬產物，主要是由矽酸鈣和鋁酸鈣所 組成，它呈熔融狀態與鐵同時存在於高爐中。將熔融狀態的高爐爐渣與 水混合，膨脹後即成為膨脹爐渣。熔融狀態的爐渣遇水發生激烈反應，
可形成多孔的粒料顆粒，此顆粒具有相當的強度，但因含有大量的硫成 分，不宜使用於結構混凝土上。
4.3 輕質粒料混凝土之特性與工程應用
熱傳導是材料傳遞熱的一種能力，它可定義為熱流對溫度梯度的比 率。熱流的量測單位為每秒每平方公尺所測量的焦耳數；也就是厚度為 一公尺的物質其溫度改變1℃時，該物質每秒每平方公尺所測量的焦耳 數(或是以 Btu 為單位，即每一英呎厚的物質溫度改變 1℉時，該物質每 小時每平方英呎傳遞之熱能)。基本上，熱傳導除受材質影響外，最重 要的是依其孔隙率或單位重而定。對同一材料而言，內部孔隙含量愈大 者，熱傳導係數愈小(即隔熱性愈佳)。由於輕質粒料內部含有大量孔隙，
在其他組成材料相同的條件下，輕質混凝土最主要的優點就是擁有低密 度，可減輕作用於基礎與支撐結構上的載重達2/3 或更多，也因其低密 度而具有比普通混凝土小的熱傳導係數，故作為建築外殼時，可展現出 良好的隔熱性，進而節約能源。一般而言，輕質混凝土之熱傳導係數僅 為常重混凝土的一半，甚至於更低；以使用膨脹頁岩或黏土為粒料的混 凝土為例，其隔熱能力約為使用一般粒料者的4 倍。
依據 ACI 213R-87 之建議(參考文獻外文部分[21])，依使用粒料類 型及拌製硬固後 28 天齡期氣乾容積密度與抗壓強度之不同，輕質粒料 混凝土可概略分為：低密度輕質粒料混凝土、中強度輕質粒料混凝土及 結構用輕質粒料混凝土(如圖 2-4.1、表 2-4.2)。低密度輕質粒料混凝土 之烘乾容積密度低於800 kg/m3；28 天抗壓強度約介於 0.69~6.9 MPa 之 間；因熱傳導係數較低，故主要作為隔熱材料。中強度輕質粒料混凝土 以輕質粒料或部分輕質粒料製成，主要使用於次結構或非結構體的組
依據 ACI 213R-87 之建議(參考文獻外文部分[21])，依使用粒料類 型及拌製硬固後 28 天齡期氣乾容積密度與抗壓強度之不同，輕質粒料 混凝土可概略分為：低密度輕質粒料混凝土、中強度輕質粒料混凝土及 結構用輕質粒料混凝土(如圖 2-4.1、表 2-4.2)。低密度輕質粒料混凝土 之烘乾容積密度低於800 kg/m3；28 天抗壓強度約介於 0.69~6.9 MPa 之 間；因熱傳導係數較低，故主要作為隔熱材料。中強度輕質粒料混凝土 以輕質粒料或部分輕質粒料製成，主要使用於次結構或非結構體的組