結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估

指標之建立(1)

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 100 年 12 月

（國科會GRB 編號） PG10001-0202 10030107000G1024

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估

指標之建立(1)

受委託者 ： 國立台灣海洋大學

研究主持人： 張建智

協同主持人： 紀茂傑

研 究 員： 葉為忠

研究助理： 洪啟哲

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 100 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目 次

目 次

目 次

I 

表 次 ... III 

圖 次 ... XI 

摘 要 ...XV 

第一章 緒 論 ...1 

第一節 研究緣起與背景 ...1 

第二節 研究目的 ...4 

第三節 研究計畫之重要性 ...7 

第四節 研究流程 ...10 

第二章 文獻回顧 ...13 

第一節 生命週期評估 ...13 

第二節 國內外有關結構材料生命週期評估之研究情況...17 

第三節 結構材料之耐久性評估 ...20 

第三章 生命週期評估 ...33 

第一節 界定範圍與目標 ...33 

第二節 鋼筋混凝土原料生產階段 ...35 

第三節 鋼筋混凝土原料運輸及製成產品階段 ...63 

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

第四節 生命週期盤查分析 ...66 

第四章 混凝土結構材料耐久性評估 ...103 

第一節 定義與範疇 ...103 

第二節 權重方法之決定 ...103 

第三節 材料因子耐久性指標之分層 ...104 

第四節 腐蝕現況耐久度指標介紹 ...108 

第五節 混凝土現況耐久度指標介紹 ...119 

第六節 耐久性綜合評估方法 ...149 

第七節 建築物耐久性評估實例分析 ...152 

第五章 結論與建議 ...187 

第一節 結論 ...187 

第二節 建議 ...188 

第三節 完成工作 ...190 

附錄一 各編號詳細質量數據 ...191 

附錄二 會議記錄表 ...199 

附錄三 專家問卷表 ...201 

附錄四 審查委員意見回覆 ...227 

參考書目 ...245 

表 次

表 次

表 2.1 國內目前常用檢測準則 ...28 

表 2.2 D.E.R.&U.評估準則...29 

表 3.1 相關數據及編號 ...34 

表 3.2 98 年全國砂石供應量表 ...36 

表 3.3 花蓮縣土石採取、洗選場平均生產量統計表 ...37 

表 3.4 花蓮縣砂石碎解洗選場機具設備概況表 ...37 

表 3.4 花蓮縣砂石碎解洗選場機具設備概況表(續)...38 

表 3.4 花蓮縣砂石碎解洗選場機具設備概況表（續） ...39 

表 3.4 花蓮縣砂石碎解洗選場機具設備概況表（續） ...40 

表 3.5 挖掘機型號、耗油量 ...41 

表 3.6 推土機型號、耗油量 ...41 

表 3.7 鏟裝機型號、耗油量 ...41 

表 3.8 卡車型號、耗油量 ...42 

表 3.9 柴油及電力之熱值與 CO

2

排放量計算 ...44 

表 3.10 乘載大陸砂石貨船資料表 ...45 

表 3.11 生產 1 立方公尺的砂石耗能量及排放 CO

2

量...46 

表 3.12 生產每公噸水泥平均需原料耗用百分比 ...47 

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

表 3.13 產 1 公噸水泥、爐石粉及飛灰 CO

2

排放量...49 

表 3.14 全國各大水泥業總耗能 ...49 

表 3.14 全國各大水泥業總耗能(續)...49 

表 3.15 生產 1 公噸水泥耗能多少(千卡/公噸)...50 

表 3.16 生產 1 公斤 slag sand cement 需排放到空氣的物質...51 

表 3.16 生產 1 公斤 slag sand cement 需排放到空氣的物質(續) ..52 

表 3.17 生產 1 公斤 slag sand cement 需排放到水的物質...53 

表 3.17 生產 1 公斤 slag sand cement 需排放到水的物質(續) ...54 

表 3.18 生產 1 公斤 slag sand cement 需排放到土壤的物質...54 

表 3.19 鋼胚及鋼筋生產單位產品耗能調查表 ...57 

表 3.20 鋼胚及鋼筋生產單位產品 CO

2

排放量調查表...57 

表 3.21 生產 1 噸鋼筋排放物質表 ...58 

表 3.21 生產 1 噸鋼筋排放物質表(續)...59 

表 3.21 生產 1 噸鋼筋排放物質表(續)...60 

表 3.21 生產 1 噸鋼筋排放物質表(續)...61 

表 3.22 生產 1 度水耗能及排放 CO

2

量 ...62 

表 3.23 砂石、水泥、鋼筋、自來水運輸階段 CO

2

排放量...64 

表 3.24 砂石、水泥、鋼筋、自來水運輸階段耗能量 ...64 

表 次

表 3.25 混凝土成品運輸階段 CO

2

排放量 ...65 

表 3.26 混凝土成品運輸階段耗能量 ...65 

表 3.27 鋼筋混凝土原料生產、產品製成及運輸階段耗能表...66 

表 3.28 鋼筋混凝土原料生產、產品製成及運輸階段 CO

2

排放

表 ...66 

表 3.29 Eco-Indicator95 之特徵化單位...69 

表 3.30 Green house(溫室效應)常態化單位及權重因子 ...70 

表 3.31 Ozone layer(臭氧層破壞)常態化單位及權重因子 ...71 

表 3.32 Acidification(酸化)常態化單位及權重因子...72 

表 3.33 Eutrophication(水質優養化)常態化單位及權重因子(續) 74 

表 3.34 Heavy metals(重金屬)常態化單位及權重因子...75 

表 3.35 carcinogens(致癌物質)常態化單位及權重因子...76 

表 3.36 pesticides(農藥使用)常態化單位及權重因子 ...77 

表 3.36 pesticides(農藥使用)常態化單位及權重因子( 續)...78 

表 3.36 pesticides(農藥使用)常態化單位及權重因子( 續)...79 

表 3.37 Summer smog(夏季煙霧)常態化單位及權重因子 ...80 

表 3.37 Summer smog(夏季煙霧)常態化單位及權重因子(續)...81 

表 3.37 Summer smog(夏季煙霧)常態化單位及權重因子(續)...82 

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

表 3.38 winter smog(冬季煙霧)常態化單位及權重因子...82 

表 3.39 Energy resources(能源消耗)常態化單位及權重因子 ...83 

表 3.39 Energy resources(能源消耗)常態化單位及權重因子 ...84 

表 3.40 Solid  waste(廢棄物產生)常態化單位及權重因子 ...85 

表 3.40 Solid  waste(廢棄物產生)常態化單位及權重因子(續)...86 

表 3.41 試體符號表 ...87 

表 3.42 試體編號表 ...88 

表 3.43 設計的配比(kg/m

3

)...89 

表 3.44 各配比抗壓強度(MPa) ...89 

表 3.45 柱受到各載重組合 ...90 

表 3.46 各配比混凝土柱邊長(m) ...91 

表 3.47 各配比特徵化後的數值(本國數據)...95 

表 3.48 各配比特徵化後的數值(水泥使用國外數據)...96 

表 3.49 河川、陸上砂石及進口砂石排放量 ...97 

表 3.50 建築資訊與建材使用量(實例一)...97 

表 3.51 建築資訊與建材使用量(實例二)...99 

表 4.1 『耐久性→材料因素』評估項目之權重問卷 ...105 

表 4.2 『耐久性→腐蝕現況』評估項目之權重問卷 ...106 

表 次

表 4.3 『耐久性→混凝土現況』評估項目之權重問卷 ...106 

表 4.4 結構混凝土中鋼筋鏽蝕電位的判定標準 ...113 

表 4.5 混凝土碳化深度的評定標準 ...115 

表 4.6 結構混凝土中氯離子含量的評判標準 ...118 

表 4.7 鋼筋銹蝕電流的判定標準 ...119 

表 4.8 混凝土電阻率的評定標準 ...122 

表 4.9 非水平狀態檢測時回彈值修正值 ...126 

表 4.10 混凝土澆注表面、底面回彈值的修正 ...127 

表 4.11 泵送混凝土測區混凝土強度換算值的修正值...129 

表 4.12 結構混凝土現場檢測強度的評定標準 ...131 

表 4.13 混凝土建築結構構件表觀損傷的損傷度指標體 ...132 

表 4.14 混凝土建築結構構件表觀損傷的分級評定方法表...133 

表 4.15 鋼筋混凝土構件非結構受力裂縫分級評定標準 ...134 

表 4.16 工混凝土構件非結構受力裂縫分級評定標準 ...135 

表 4.17 預應力鋼筋混凝土構件非結構受力裂縫分級評定標準.136 

表 4.18 鋼筋混凝土構件結構受力裂縫分級評定標準表 ...137 

表 4.19 圬工混凝土構件結構受力裂縫分級評定標準 ...138 

表 4.20 預應力鋼筋混凝土構件結構受力裂縫分級評定標準...139 

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

表 4.21 鋼筋混凝土及圬工混凝土結構構件表觀損傷(除裂縫)分

級評定標準 ...140 

表 4.22 預應力鋼筋混凝土構件表觀損傷(除裂縫)分級評定標準

表 ...141 

表 4.23 混凝土保護層厚度合判定係數值 ...147 

表 4.24 混凝土保護層厚度的評定標準 ...148 

表 4.25 混凝土構件材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值...150 

表 4.26 混凝土單一構件之耐久性評估標準 ...150 

表 4.27 結構整體的耐久性綜合評價標準 ...151 

表 4.28 鑽心取樣試體水溶性氯離子含量檢測結果(實例 1)...158 

表 4.29 鑽心取樣試體中性化檢測結果(實例 1) ...159 

表 4.34 腐蝕訊號量測結果(室內柱主筋) ...163 

表 4.35 腐蝕訊號量測結果(室內柱箍筋) ...163 

表 4.36 腐蝕訊號量測結果(戶外柱主筋) ...164 

表 4.37 腐蝕訊號量測結果(戶外柱箍筋) ...165 

表 4.38 混凝土試體抗壓強試驗結果(實例 1)...168 

表 4.39 戶外梁的混凝土材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值173 

表 4.40 戶外柱的混凝土材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值173 

表 次

表 4.41 戶外牆的混凝土材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值174 

表 4.42 室內梁的混凝土材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值174 

表 4.43 室內柱的混凝土材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值175 

表 4.44 室內牆的混凝土材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值175 

表 4.45 建築整體結構耐久性評價表(實例 1) ...178 

表 4.46 樓高及用途 ...179 

表 4.47 氯離子含量檢測結果(實例 2) ...180 

表 4.48 鋼筋探測試驗結果 ...180 

表 4.49 混凝土試體抗壓強試驗結果(實例 2) ...181 

表 4.50 混凝土中性化程度試驗結果 ...181 

表 4.51 一層的混凝土材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值.182 

表 4.52 二層的混凝土材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值.182 

表 4.53 建築整體結構耐久性評價表(實例 2) ...183 

表 5.1 研究進度及完成之工作項目 ...190 

圖 次

圖 次

圖 1.1 結構材料之生命週期 ...3 

圖 1.2 典型混凝土製作的生命週期評估程序樹狀圖 ...8 

圖 1.3 本計畫之研究流程圖 ...11 

圖 2.1 生命週期評估的架構與應用 ...15 

圖 2.2 混凝土耐久性與性能關係圖 ...21 

圖 2.3 混凝土劣化之物理性因子 ...22 

圖 2.4 混凝土劣化之化學性因子 ...23 

圖 2.5 層級分析法與網絡分析法架構圖 ...25 

圖 2.6 服務功能、劣化因子、材料劣化程度、時間關係圖...27 

圖 2.7 耐久性評估架構圖 ...32 

圖 3.1 98 年全國砂石供應量統計圖 ...35 

圖 3.2 砂石產業產銷步驟示意圖 ...36 

圖 3.3 水泥生產流程圖 ...48 

圖 3.4 鋼鐵工業生產流程及產業體系 ...56 

圖 3.5 各配比混凝土試體特徵化圖(本國數據)...92 

圖 3.6 溫室效應特徵化圖(本國數據)...93 

圖 3.7 能源消耗特徵化圖(本國數據)...93 

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

圖 3.8 各配比混凝土試體特徵化圖(水泥使用國外數據)...96 

圖 3.9 河川、陸上砂石及進口砂石特徵化圖 ...98 

圖 3.10 建築物各建材排放量比較(實例一)...98 

圖 3.11 整體建材物之建材排放量分析(實例一) ...99 

圖 3.12 建築物各建材排放量比較(實例二)...100 

圖 3.13 整體建材物之建材排放量分析(實例二)...100 

圖 4.1 材料因子耐久性評估項目 ...105 

圖 4.2 腐蝕現況耐久度指標 ...108 

圖 4.3 銅/硫酸銅參考電極結構圖 ...110 

圖 4.4 測試系統簡圖 ...112 

圖 4.5 鑽孔取混凝土粉末的方法 ...116 

圖 4.6 利用 GalvaPulse 測量地區的示意圖 ...119 

圖 4.7 混凝土現況耐久度指標 ...120 

圖 4.8 混凝土電阻率測試技術示意圖 ...121 

圖 4.9 標定塊 ...143 

圖 4.10 (1)兩根鋼筋橫向並在一起/(2)兩根鋼筋豎向並在一起 ...146 

圖 4.11 房屋檢測體之地理位置...155 

圖 4.12 鑽心取樣位置示意圖 ...156 

圖 次

圖 4.13 室內柱腐蝕量測編號示意圖 ...157 

圖 4.14 戶外柱腐蝕量測編號示意圖 ...158 

圖 4.15 鑽心取樣試體水溶性氯離子含量試驗結果圖 ...159 

圖 4.16 鑽心取樣試體中性化檢測結果圖. ...160 

圖 4.17 鑽心取樣試體中性化檢測照片(1~4)...161 

圖 4.18 鑽心取樣試體中性化檢測照片(5~8)...162 

圖 4.19 腐蝕訊號-開路電位比較圖 ...166 

圖 4.20 腐蝕訊號-腐蝕電流密度比較圖 ...166 

圖 4.21 腐蝕訊號-混凝土電阻比較圖 ...167 

圖 4.22 室內柱開路電位平面圖 ...169 

圖 4.23 戶外柱開路電位平面圖 ...170 

圖 4.24 室內柱腐蝕電流密度平面圖 ...171 

圖 4.25 戶外柱腐蝕電流密度平面圖 ...172 

圖 4.26 宜蘭縣冬山國中基本位置圖 ...179 

摘 要

摘 要

關鍵詞：生命週期評估、耐久性評估、層級分析法 一、 研究緣起 在天然資源逐漸減少以及環保意識提昇的今日，建築物的興建該採用何種方式以及對老舊 建築物是否應該進行維修的判斷成為重要的課題。前者涉及到該使用何種營建材料，方能降低 建築物的生命週期衝擊；後者則涉及到如何使用恰當的耐久性評估方法來評斷建築物目前的狀 況，以做出是否應進行維修的決定，此兩者都與永續經營相關。緣此，本研究將針對此兩課題 進行探討。 二、 研究方法及過程 本計畫分為兩個部份，第一部份是對於結構材料進行生命週期評估，也就是基於組合材料 的觀點對於建築物興建時會使用到的各種材料進行清單分析，並依此瞭解當使用不同比例時其 對環境所造成之影響衝擊有多大；第二部份則是針對既存建築物之材料耐久性進行評價，所採 用的方式乃是透過觀測混凝土現況以及腐蝕的相關檢測，然後依據專家所推薦的權重，可以計 算出單一構件還有整體建築物的耐久性評價分數，最後可以依此瞭解建築物的耐久性狀況。 三、 重要發現 在生命週期評估部份，我們發現 (1). 生命週期所需要的生產階段相關的數據，國內僅有二 氧化碳排放量以及能源使用的數據，故使用國內數據所產生的生命週期衝擊只會出現此二類的 影響；(2).國內砂石來源不同時，所得到的生命週期評估會有不同，主要差異在開採器具的使用 所造成的差異將由原產地吸收；(3). 依照生命週期評估從搖籃到墳墓的精神，應該也要考量建 築物在使用時期還有拆除時期的數據，然而經過調查，國內建築物使用天然氣的狀況並無統計， 又拆除後廢棄建材的回收使用率也無統計，因此無法達到全生命週期的評估，只能完成從原料 開採到成品製成的生命週期評估。

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 在建築物材料耐久性評估部份，我們建立(1). 將混凝土材料耐久性評估，分為混凝土現況 以及腐蝕狀況兩大類指標；(2). 已建立本土化權重；(3)層級分析法可以評斷單一構件之耐久 性，也可以整合評斷建築物整體之耐久性。(4)本研究成果，可做為業界進行建築物耐久性評估 之參考。 四、 主要建議事項 在生命週期評估部份，我們建議應該加速國內相關數據之量測與統計工作，以使國內能更進 行完整之生命週期評估。在建築物材料耐久性評估上，我們建議將來應該根據本研究精神，將 其它會影響耐久性之因子如地震帶分級、坡地發生土石流潛能、施工良宥與否、齡期因子等納 入，以同樣的精神進行考量。基於此，本研究提出以下建議: 建議一 (建議事項)立即可行之建議—將地震帶分級、坡地發生土石流潛能、施工良宥與否、齡期等因 子，納入建築物材料耐久性評估時之考量因素。 主辦單位: 內政部建築研究所 對地震帶分級、坡地發生土石流潛能、施工良宥與否、齡期等因子進行五等份分級，再以 影響係數相乘的方式將本研究成果加以應用，得到更具有代表性之耐久性評等，可以考慮另行 以委託研究計畫案之方式達到。 建議二 (建議事項) 立即可行之建議—建議辦理研討會，推廣本研究案之研究成果。 主辦單位: 內政部建築研究所 本研究之成果，建議辦理研討會，加以推廣。

摘 要 建議三 (建議事項) 立即可行之建議—本研究案成果，可做為業界進行建築物耐久性評估之參考。 主辦單位: 內政部建築研究所 本研究之成果，可以做為業界進行耐久性評估之參考，建議主辦單位可以透過報告分送各 相關機構等方式推廣。 建議四 (建議事項)長期可行之建議—加速國內有關營建材料生命週期相關數據量測與統計 主辦機關：經濟部能源局、內政部營建署 建議政府單位應盡快建立營建材料生命週期相關數據資料庫，特別是天然氣使用狀況以及 混凝土回收使用狀況。 建議五 (建議事項)長期可行之建議—建立營建材料生命週期評估之本土化軟體 主辦單位: 內政部建築研究所 本研究針對營建材料生命週期評估從原料開採到鋼筋混凝土建築物興建完成，已經具有本 土化數據。建議主辦單位再以委託計畫形式，對其它類型建築物如鋼骨加勁混凝土結構物、鋼 結構等國內常用之建築型態進行類似之研究。統合本研究成果以及這些成果，將可以發展給建 築設計師使用的本土化營建材料生命週期軟體。

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

ABSTRACT

Keywords: Life-cycle assessment, durability evaluation, AHP

Nowadays, the nature resource decreases and environmental requirement becomes more and more important. To know what constructing materials should we use when a building is newly built and to know whether or not should we repair or maintain an existing building become important issues. The former one relates to selecting appropriate constructing materials such that the total life cycle impact can be reduced and the later one relates to using appropriate durability index to decide whether or not one should repair the structural members in the existing buildings. These two issues are important to the sustainable buildings. Based on the abovementioned reasons, it is proposed to do fundamental research in these two folds in this project.

This project consist two parts: the first part is to use the life cycle assessment to evaluate the construction materials. Based on the concept of construction materials, we evaluate the possible environmental impacts from all these construction materials. It is expected that after we have completed inventory analysis, we can analyze the environmental impacts for using different amounts of construction materials. The second part is the durability evaluation of existing buildings. We will use data from evaluating concrete status and corrosion status and use the weights recommended by professional specialists and calculate the final score for a single element and/or whole structure.

For the life cycle assessment, we have the following conclusions:

1. In our country, only data related to carbon dioxide emission and energy consumption exist such that we can only have environmental impact in these two folds.

2. When the sources of aggregates are different, the life cycle impacts will be different. It mainly comes from the fact that the energy consumption and carbon dioxide emission for using the extraction

摘 要 machine will count for the location of sources.

3. According to the concept of from-cradle-to-grave in life cycle assessment, one should analysis from extraction of raw materials to tearing down of buildings. However, we found that the data of natural gas consumption of buildings and recycle percentage of demolishing waste is lack. Therefore, we can only have the life cycle assessment from the stage of extraction of raw materials to the stage of constructing the building.

For the durabilty of buildings from the material concept, we concluded:

1. We have categorized two categories to evaluate the material durability: concrete status and corrosion status.

2. We have constructed the domestic weighting coefficients for all indices.

3. The analytical hierarchy process (AHP) can be used to evaluate the material durability for a single structural member as well as the whole building.

4. The results of this research project can be applied for civil engineers to evaluate the durability of buildings.

For the life cycle assessment, we suggest the government and academic institutes should speed up constructing the data base to make the life cycle assessment for building possible. For the

durability index, we suggest in the future the earthquake potential, landslide potential, construction quality and age of building can be considered together using the AHP structure. Based on the abovementioned points, we give the suggestions as follows:

Suggestion 1

(Suggestion) Immediate strategy: to use the same method in this study to include the effects of earthquake potential, landslide potential, construction quality and age of building into the durability indices.

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

Organizer: Architecture and Building Research Center, Ministry of the Interior.

We suggest the organizer can provide another research project to consider the earthquake

potential, landslide potential, construction quality and age of building by dividing into five grades and then give each grade an appropriate enlarge coefficient such that the durability can be measured by multiplying the result from the current research with these enlarge coefficients.

Suggestion 2

(Suggestion) Immediate strategy: to hold a forum to popularize the research results of the current project.

Organizer: Architecture and Building Research Center, Ministry of the Interior.

We suggest the organizer can hold a forum to popularize the research results of the current project.

Suggestion 3

(Suggestion) Immediate strategy: to popularize the research result in this project and let civil engineers use the proposed method to perform the durability evaluation.

Organizer: Architecture and Building Research Center, Ministry of the Interior.

We suggest the organizer can popularize the research result of this study and let civil engineers use the proposed method to perform the durability evaluation. For example, the organizer can distribute the report of this project to related companies or institutions.

Suggestion 4

(Suggestion) Long-term strategy: to collect and build up the database for the life cycle assessment of the construction materials.

摘 要 Ministry of the Interior.

We suggest the organizer begin to collect and build up the database for the life cycle assessment of the construction materials especially for the use of nature gas, the recycle percentage of concrete.

Suggestion 5

(Suggestion)Long-term strategy: to develop a domestic software for the life cycle assessment of the construction materials.

Organizer: Architecture and Building Research Center, Ministry of the Interior.

In this research project, we have obtained the domestic life-cycle-assessment data for the construction materials of the reinforced building from extraction of raw materials to the end of construction. We suggest the organizer to promote other project to collect the domestic

life-cycle-assessment data for other structure types such as steel reinforced concrete (SRC) and steel structure. Combining these data, the domestic software for the life cycle assessment of the

construction materials then can be developed and can be used by architecture engineers. .

第一章 緒 論

第一章 緒 論

第一節 研究緣起與背景

一、研究緣起 結構物本身使用大量營建材料，而材料本身在製造過程、使用過程、維護過程至最 後拆除過程，其所產生之各樣對經濟成本、能源消耗及環境指標的影響，應該要經過詳 細的生命週期評估，以利營建業者選擇出最佳的方案。結構材料其耐久性卻深深影響著 構造物的服務性能，且材料本身耐久性攸關最後使用壽命的評斷，更需要訂立耐久性指 標項目，並使用科學方法應用耐久性指標的狀況，亦即透過資料分析計算轉換成權重 值，然後對耐久性提出適當的評估，以作為日後維修補強或拆除重建之參考依據，並可 適時延長結構物的使用壽命。緣此，本計畫乃是針對結構材料本身的生命週期評估以及 耐久性評估進行研究。 二、研究背景 營建材料是人類建造各類建築物或結構物所使用之一切材料的總稱。熟悉營建材料 的各種性質，並掌握新材料的物理性質與化學組成特性，是進行結構設計與研究和工程 管理必要的基本條件；反之，輕則影響結構的外觀與使用功能，重則危害結構的安全性， 造成重大事故。營建材料可區分以功能性為主的建築材料與以力學性能為主的結構材 料。 結構材料就是具有較好的力學性能，如強度、韌性及耐久性能等，結構材料依其變 形型式可區分為塑性材料與脆性材料兩大類，在塑性材料方面最常用的結構材料是各種 型號的鋼材；如鋼筋及其它金屬等也都屬於此類；而營建結構物使用最大量的混凝土材 料則屬於脆性材料。另外，一般指具有更高的強度、硬度、塑性、韌性等力學性能，並 適應特殊環境要求的結構材料，則歸類為高性能結構材料，包括新型金屬材料、高性能 結構陶瓷材料和高分子材料等。結構材料是國民生活中應用最為廣泛的材料之一，從日 用品、土木建築到汽車、飛機和衛星等，均以某種形式的結構框架獲得其外形、大小和 強度。

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 營建業與國家建設、經濟發展、全民生活品質及居住環境之提升息息相關。任何產 品（包括建築物）應以一種具整體生命週期的觀念來探討，若以產品生命週期的觀點來 看，一棟建築物大致可分為建材生產、建造施工、使用維護、破壞拆除與廢建材棄置等 五個階段，每個階段的成本、能源消耗以及將對環境的衝擊等均有關連性的相互影響 [16,36]。隨著愈來愈多人察覺到建築物從設計、材料選擇到營造方式都和環境息息相 關，永續性已成為營建業一個重要的考量因子。營建工程是一種高度客製化的產品，而 影響建築物耐久性之原因，除了材料選擇與配比設計因素外，與其作業項目、施工方法 及環境因素等均息息相關，此外也會因用途、條件與設計規範之不同而有所差異。國內 建築物主要構造方式為鋼骨結構（Steel Scaffolded Concrete, SC）、鋼筋混凝土結構 （Reinforced Concrete, RC）及鋼骨鋼筋混凝土結構（Steel Reinforced Concrete, SRC）。 根據98年營建統計年報資料顯示，在各種構造型式核發使用執照之總樓地板面積依序分 別為：依構造別分析，以混凝土(含鋼筋混凝土)構造1,544 萬 9 千平方公尺占77.6%居 首，鋼構造262 萬 3 千平方公尺占13.2﹪次之，鋼骨鋼筋混凝土構造 164 萬平方公尺 占8.2%再次之，顯示台灣地區目前仍以鋼筋混凝土結構最受青睞。鋼筋混凝土構造物 在施工過程中必須配合模板施作，達到結構物整體塑性之要求，所以在土木與建築結構 體材料中，鋼筋與混凝土使用量佔最大比例，其花費的金額也相對較其他材料高。 工程品質與人民生活、安全與國家經濟發展息息相關，為落實工程品質管理，提升 工程品質必須以生命週期導向之工程管理，從因果關係思考，工程管理除了施工階段 外，必須往上推展至規劃、設計階段，並往下延伸至營運、維護階段，建置公共工程全 生命週期管理架構，研擬從可行性研究、規劃、設計、施工及營運、維護管理等各階段 之全面工程管理機制。依照ISO 14040 的定義，生命週期評估（Life Cycle Assessment, LCA）是以科學的方法，進行有系統的盤查產品、活動與服務，在其生命週期階段中所 使用的能源、資源以及排放至環境的各種污染物，評估並量化以獲知對環境所產生的負 荷及衝擊，同時提出結論來作為尋求改善的參考[31]。就結構材料而言，其生命週期可 概分材料的開採、設計階段、營造階段、使用維護、破壞處理/再利用等五個階段，各 階段所涉及的工作內容均有相關規範限制，但是目前國內對於結構材料的選擇、配比設 計階段大多以生產製造成本為主要的考量因素，未能將結構材料的選擇重點延伸至使用

第一章 緒 論 維護成本及使用年限，也因此造價成本較低的材料可能引起日後建築物耐久性降低及維 護成本增加等情況。實際上，結構材料生命週期的五個階段互相有其關連性，就長期而 言，有需要建構以生命週期導向之評估基準。因此，本計劃研究內容之ㄧ就是擬定結構 材料生命週期評估之內容，並建構生命週期評估資料庫，應用生命週期評估工具探討結 構材料對環境指標的影響，圖1.1為結構材料之生命週期。然而，在生命週期的五個階 段中所需的資訊當中，有些階段甚難蒐集到國內之數據。如使用維護階段對環境指標的 影響與產品本身(建築物)的使用目的有關，還有產品本身設計的方式(如是否使用綠建築 設計法，使用足夠採光而減少能源消耗等)也會影響，故不擬納入本計畫之範疇內；另 外在拆除/再利用階段則與再利用比例(此與建築物原使用材料的優劣有關)等因素有 關，國內也缺乏此等數據，故也不擬納入本計畫之範疇內。 圖 1.1 結構材料之生命週期 (資料來源:文獻[31]) 材料開採 開採工具 運送距離 … 設計階段 強度需求 工作性需求 設計規範 功能導向 性能需求 … 營造 品質控制 時程控制 運送過程 環境控管 使用維護 目視檢測 非破壞檢測 性質分析 綜合評估 維修養護 破壞處理 不堪使用 性質喪失 天然災害 處理成本 處理方式

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

第二節 研究目的

目前，RC構造物的長期耐久性主要係考量其安全性、經濟性與環境性等因素。因 此為了確保RC構造物在合理的建造成本下有較長的使用年限及規劃出適合的維護方 式，世界各國在發展構造物長期耐久性的設計方面及精確的預測模式上，做了相當多的 努力。在永續發展的架構下，混凝土的組成材料複雜性也跟著增加，包括使用輔助性的 膠結材料(Supplementary cementing material, SCM)如飛灰、矽灰、爐石粉、蔗渣灰…等 或再生材料，特別在混凝土耐久性方面的配比設計表現最為明顯[24]。RC構造物服務年 限(Service life, SL)預測至少遭遇兩個主要的困難，特別是長期耐久性的需求以及各種不 同的影響因子組合可能引起之耐久性問題[44]。因此，如果想要對結構物有一個既好又 精確的長期預測，則需要有一套考慮完善又精確的評估工具。一方面可以參考Ishida et al.[35,47]所發展出的評估工具，其建置統一的電腦計算平台，在多重因素作用與多樣性 的環境條件下，可以預測材料和結構的行為。另ㄧ方面，這個工具對傳統的專案，在使 用上卻可能出現困難，如需很長的計算時間或需要許多輸入的資料。因此，一套涵蓋多 方面評估因子的模型變得迫切需求，它必須包含各種不同影響RC構造物耐久性因素， 不同的模組可以處理不同的問題，在這樣的概念下，法國土木工程學會工作團隊 (Working Group of the French Association of Civil Engineer, AFGC)建立一套主要以材料 性質來評估耐久性的模型，即所謂的耐久性指標(Durability indicators, DIs)[49,50]，目的 在設計出可以保護結構物免於破壞如鋼筋腐蝕、鹼矽反應之配比設計，在使用壽命與環 境條件已知的情況下，利用耐久性指標在設計階段即可預測新結構物的服務年限或已有 之結構物的殘餘使用年限以及可能破壞之結構物的診斷，並提供可持續使用或須進行修 護之決策等。因此DIs即為預測模式最主要的輸入資料。 鋼筋混凝土構造物會因組成材料、所處環境及使用條件的不同而有不同的反應行 為。結構物設計的目的是使其能長期發揮其應有之功能，因此在結構物設計時，除了考 量材料的強度與構件強度外，構件的使用性也是設計的基本需求之一，包括在設計混凝 土結構物的強度時，除了考量其強度需承載預期內的荷重及抵抗不可預期之外力作用 外，仍需考量其在使用期間內是否能滿足因外界環境因素的侵蝕作用下，尚能發揮其應

第一章 緒 論 有之設計服務功能；亦即希望構物在使用上兼具耐久性。混凝土在耐久性的考量上，主 要在如何減少混凝土內的孔隙及形成不連續的孔隙以阻斷有害物質之侵入。混凝土可被 有害物質穿透的能力在其耐久性之評估上扮演著重要的角色，故評估混凝土耐久性考量 上，都與混凝土的孔隙結構有關。欲訂定混凝土耐久性之評估標準或準則，主要是對混 凝土之傳輸參數進行試驗，不過仍需建立於足夠的試驗數據上。然而，此種方式面臨的 困難點在於不同的傳輸特性之間與混凝土抵抗物理或化學侵蝕的相關試驗數據相當有 限，或相關文獻因試驗項目不同或配比設計也不一樣而無法進行整合分析。因此，本計 劃研究內容另ㄧ目標就是係將過去混凝土耐久性影響因子與評估指標研究之相關文獻 及研究成果進行蒐集、彙整與資料重建，藉由本研究結果建立混凝土耐久性方面的資料 庫統計，應用統計方法，去發掘材料因子與耐久性之間的關係，建立耐久性評估指標。 營建工程最主要使用之結構材料為鋼筋、混凝土及鋼構材料。本研究計畫共分兩 年，第一年主要針對鋼筋及混凝土之結構材料進行探討，第二年則會針對鋼結構與鋼 骨鋼筋混凝土結構物進行探討。第一年之研究內容如下所示； 1. 擬定結構材料生命週期評估之內容，並建構生命週期評估資料庫； 生命週期評估的核心內容是對產品生命過程，包括原料的取得和加工、設計 還有營造等過程對六項環境因子之評估和研究。本計畫之目標在建立以生命週期 評估為考量之建築物設計方法，因此僅以材料的觀點，考量在材料的開採階段、 設計階段以及營造階段等三階段，不同材料用量所產生之環境影響。為完成此目 標，因此必須要建立材料之完整資料庫。 2. 應用生命週期評估工具探討結構材料對環境衝擊的影響； 本計畫在生命週期環境評估部分，則考慮資源耗竭、能源的消耗、空氣污染、 水污染、溫室效應氣體排放及固體廢棄物六個指標，擬使用Simapro生命週期評 估軟體或其他相關軟體，來進行結構材料之生命週期環境評估。 3. 蒐集國內外相關文獻資料及方法； 將分散於國內外各文獻有關結構材料如混凝土配比設計資料、混凝土材料力 學性質資料與各種耐久性試驗結果資料，透過文獻探討的方式進行蒐集、整理、

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 分類，以瞭解材料因子對耐久性之影響，預計從ScienceDirect、SDOS、Google scholar、國家圖書館全球資訊網……等資料庫進行資料蒐集。 4. 提出結構材料耐久性影響因子評估項目與等級 首先從建置的資料庫中，利用多因子變異數分析方法，提出結構材料耐久性 影響因子並建立材料因子與耐久性之關係。其次藉由問卷設計調查及使用層級分 析法建立單一構件材料各耐久性評估指標之權重值後，接著經由適當的計算模式 將之組合疊加，以獲致定量化的評分，然後再整合各單一構件所獲得的評分，最 後透過耐久性等級分類，對整體結構材料耐久性給予綜合評價。 5. 經由上述之研究分析，提出結構材料生命週期評估方法與建立耐久性評估指 標，並進行兩個案例探討，以提供 RC 構造物耐久性設計或評估時之參考。

第一章 緒 論

第三節 研究計畫之重要性

目前台灣在建築物上使用大量的鋼筋混凝土結構，依營建署統計目前國內的新建 築70%都是鋼筋混凝土構造，除了部分辦公大樓之外，鋼骨構造或木構造的建築物比 例相對較低。以一棟建築物五、六十年的生命週期來看，確實在節能方面有值得檢討 與改進的必要。目前許多企業開發新產品時，已經開始藉由LCA 具體量化的評估結 果，評核產品在原料開採、生產、使用、廢棄等階段當中，對環境所造成影響。隨著 愈來愈多人察覺到結構物從設計、材料選擇到營造方式都和環境息息相關，永續性已 成為營建業一個重要的考量因子。對永續性的評估目前已發展出許多不同的工具，包 括全生命成本（Whole life costing, WLC）和生命週期評估，統稱為生命週期分析。就 營建工程而言，和生命週期評估主要有關的是材料的環境衝擊，包括從原料的取得、 生產製程、建造、使用期間的維護、破壞到處理/再利用等。混凝土的生命週期評估是 以一個特定的結構或是結構的一部分稱為功能性單元(functional unit)，它可以是整個 結構或只是ㄧ個樓地板、基樁、橋墩或預力樑等。生命週期評估也可以被量化，如結 構物中取1立方米的混凝土或結構物中取全部的鋼筋混凝土部份；同時，它也可以從一 片預力牆中取1平方米。圖1.2為典型混凝土製作的生命週期評估程序樹狀圖[28]。

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 圖 1.2 典型混凝土製作的生命週期評估程序樹狀圖 (資料來源:文獻[28]) 水泥 原料的取得和生產 骨材 原料的取得和處理 添加材料 原料的取得和生產 水 運輸 混凝土生產 運輸到現場 功能性單元製作 功能性單元使用 破壞 運輸 回填/循環利用 鋼筋混凝土 原料的取得、生產和運輸 生產階段 破壞 使用階段 製作階段 廢棄物處理階段

第一章 緒 論 一般而言，鋼筋混凝土結構物會因暴露環境不同而遭受各種化學性或物理性的侵 蝕，使得結構物未達設計年限就產生劣化與破壞等現象。因此，設計混凝土結構物除 了考慮強度外，混凝土材料耐久性更是重要課題。以往評定混凝土的品質常常以抗壓 強度為依據，但是強度高未必表示耐久性佳；混凝土的耐久性係指混凝土於使用年限 內能維持其物理特性與力學性質不致發生嚴重劣化，以保障結構物安全。根據 ACI Committee 201 對卜特嵐水泥混凝土耐久性的定義如下：「耐久性是指其抵抗風化作 用、化學侵蝕、磨損及其他劣化過程的能力，亦即具耐久性之混凝土，在不同暴露的 環境下仍能保持其原來的幾何尺寸、品質與服務性」[22]。混凝土耐久性的問題受結 構設計、材料選擇、施工技術及養護等因素控制，同時也需配合環境因子作用的影響。 混凝土結構物耐久性不足的主要因素可以分為混凝土的劣化及鋼筋的腐蝕。混凝 土劣化係指混凝土受到外在或內在因素影響，導致化學或物理性質產生變化而使混凝 土發生膨脹性開裂或產生連通性孔隙等現象。物理性侵蝕包括受風化作用引起混凝土 劣化變質、受波浪作用或海流作用使混凝土表面被沖刷造成磨耗或孔蝕破壞以及因結 構物受超載、衝擊載重及反覆載重作用使混凝土產生裂縫等；而化學性侵蝕主要包括 侵蝕物質（如二氧化碳、氯離子、硫酸根離子等）與硬固水泥漿水化產物產生交換反 應、硬固水泥漿體產生溶解及析晶之反應、產生膨脹物質之反應等[42]。在鋼筋腐蝕 方面，主要為氯離子侵蝕、中性化作用及氧化還原作用造成膨脹腐蝕生成物，使混凝 土開裂而增加鋼筋暴露程度，因而增加有害離子侵蝕鋼筋的機會。故若能針對鋼筋混 凝土破壞的原因提出良好的預防與改善之道，對提升混凝土結構物的耐久性有相當的 助益。 RC 構造物會因組成材料、所處環境及使用條件的不同而有不同的反應行為。結 構物設計的目的是使其能長期發揮其應有之功能，因此在結構物設計時，除了考量材 料的強度與構件強度外，構件的使用性也是設計的基本需求之一。過去，有關混凝土 耐久性之研究大多以規劃若干組不同配比設計之混凝土試體，利用不同的試驗方法以

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 決定混凝土之傳輸參數(如氯離子擴散係數、氣體滲透係數、吸水率、混凝土中性化深 度、腐蝕速率及水滲透係數等)，並配合適當的計算模式(如腐蝕數速率、離子擴散係 數)來預測混凝土構造物的殘餘壽命[26,34]。但是單憑有限的實驗樣本不易也無法將混 凝土耐久性作整體性與準確性的評估。因此，在探討混凝土耐久性影響因子與評估指 標時，如何運用過去前人研究的成果當做資源，有效地加以發掘知識，是項重大的挑 戰。

第四節 研究流程

本計畫區分為兩個區塊，其一為從結構材料為出發，進行盤查分析，然後完成由 原料取得階段直到拌合完成之生命週期評估，目標是讓建築師有一參考依據，知道所 採用的各種方案中，其對環境之衝擊為何。第二個區塊則是使用層級分析法，由專家 擬定權重，透過對於建築物的檢測結果，瞭解材料目前的耐久性狀況為何。本部份的 研究，是以材料為出發點，故不將設計不良、超載、地震、基礎被掏空等其它原因所 造成之結構劣化納入評估。預計此部份的完成，將可以提供國內業者對既存鋼筋混凝 土結構物是否有腐蝕耐久性危機有一評等之機制，並可以從評分等級判斷該做何種處 置。本計畫之研究流程圖見圖1.3 所示:

第一章 緒 論

圖 1.3 本計畫之研究流程圖

(資料來源:本研究製作) 研究動機與目的 國內外相關文獻蒐集 資料搜集、整理與分類 生命週期評估內容與耐久性指標建立 結論與建議 本土化權重建立 耐久性綜合評估 案 例 探 討 生命週期環境評估 案 例 探 討 生命週期評估 耐久性指標

第二章 文獻回顧

第二章 文獻回顧

第一節 生命週期評估

ㄧ 、 生 命 週 期 評 估 的 起 源 與 發 展 生命週期評估為目前持續發展中之技術，起源於1960年代，主要因應能 源利用和規劃未來資源供給和使用方向的行動，並在1970年代正式開始實施 [41]。1969年美國中西部資源研究所(Midwest Research Institute, MRI) 為可口 可樂公司進行飲料罐之評估，比較不同的飲料罐對自然資源供給與環境排放 污染之差異，為目前生命週期分析的方法奠定了基礎；在1970～80年代期間， 生命週期評估仍多用於特定產品的設計評估，相關的評估方法與技術仍有待 進一步的研究與規劃；直到1980年代後，生命週期評估才開始得到廣泛關注 並迅速發展。隨著區域性與全球性環境問題日益嚴重，全球環境保護意識抬 頭、永續發展觀念的普及與持續行動計畫的興起，大量的「資源和環境綱要 分析」（Resource and Environmental Profile Analysis, REPA）研究才重新開 啟並獲得關注。1990年美國環境毒性和化學學會（Society of Environmental Toxicology and Chemistry, SETAC ）首次主持召開有關生命週期評估國際研 討會，提出生命週期評估的概念。1992年 SETAC 成立五個研究工作組，由 英國負責研究總體概念；德國負責研究生命週期清單( Life Cycle Inventory, LCI )總概念；日本負責生命週期清單分析具體操作；瑞典負責研究環境影響 分析；法國負責研究改善評估，對 LCA 展開全面深入的研究工作，使 LCA 有 長 足 的 發 展 。1997 年 國 際 標 準 組 織 ( International Organization for Standardization, ISO )推出 ISO 14040「生命週期評估 – 原則與框架」；1999 年推出 ISO 14041「生命週期評估 – 目標與範圍確定、清單分析」、ISO 14042 「生命週期評估 –生命週期評影響估析」與14043「生命週期評估 –生命週期 解釋」並於2000年公佈，至此生命週期評估儼然成為未來企業在永續經營與 環境保護評估上的重要工具。 台灣在1994年才開始進行有關生命週期評估觀念與應用之研究，近年來 許多單位如國科會、環保署、內政部建築研究所、經濟部技術處、工研院及

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 各大學院校與研究機構均投入相關的研究，開啟國內生命週期評估的技術研 發。 二 、 生 命 週 期 評 估 的 定 義 一種產品從原料開採開始，經過原料加工、產品製造包裝、運輸和銷售， 然後由消費者使用、維修，最後回收再循環或作為廢棄物處理和處置，整個 過程，即產品從搖籃到墳墓（ cradle to grave）期間稱為產品的生命週期。生 命週期評估就是對某種產品，從原料開採、加工製造、運輸、使用維修到最 終處置或回收等每一個過程，進行資源和環境影響分析與評估。然而，生命 週期評估的定義依政府、企業和一些機構，站再各自的立場對它都有不同的 論述。如美國環保局的定義：從最初自地球獲得原料開始，到最終的所有殘 留物質回歸到地球的任何一種產品或人類活動，所帶來的汙染物排放及其環 境影響進行評估的方法；而根據國際標準組織ISO對LCA 的定義為：生命週 期評估是在產品的生命過程中（從搖籃到墳墓；Cradle to Grave），從原料的 取得、製造、使用與廢棄等階段，評估其產生的環境衝擊。又根據SETAC 所 作的定義：生命週期評估是一個衡量產品生產或人類活動所伴隨產生之環境 負荷的工具，不僅要知道整個生產過程的能量、原料需求量及環境的排放量， 還要將這些能量、原料及排放量所造成的影響予以評估，並提出改善的機會 及方法[10]。 三 、 生 命 週 期 評 估 的 架 構 1993 年 SETAC 在「生命週期評估綱要-實用指南」中將生命週期評估 的基本架構歸納為四個具關聯性的部份，分別是目標與範圍界定（goal and scope definition）、盤查分析（inventory analysis）、衝擊評估（impact assessment） 和結果闡釋（interpretation）。目前，ISO 對 LCA 進行了規範，ISO 14040 確 立了LCA 的原則和框架，如圖 2.1 所示；ISO 14041 規範了 LCA 的目的和 範圍的確立以及盤查分析；ISO 14042 規範了 LCA 的衝擊評估；ISO 14043 確 立了LCA 解釋的內容和步驟。

第二章 文獻回顧

一般來說，量測混凝土電阻係數可以用

圖 2.1 生命週期評估的架構與應用 (資料參考:文獻[20])

1.目標與範圍界定（Goal and Scope Definition）：

執行生命週期評估首先必須界定明確的研究目標與範圍，釐清進行生命 週期評估結果使用的對象，採取客觀的評估立場，避免有特定評估導向，將 評估範圍確實界定，清楚定義評估內容所需的資料與深度，如此方能得到有 意義的評估結果，使評估結果得以與預期之應用目標一致。在目的與範疇界 定階段應包含下列數項：目的、範圍、功能單元、系統邊界、數據品質與衝 擊種類及衝擊評估之方法[39]。

2. 生命週期盤查分析（Life Cycle Inventory）：

生命週期盤查分析包括了評估所需相關資料的收集及輸入、輸出資料的 量化工作。輸入資料包含原料及能源的使用，輸出資料則為所生產之產品外， 還包括了廢棄物與環境衝擊等排放。盤查分析可包括五個階段：原料開採、 製造與加工、運輸、使用與維護、回收及廢棄物處理等，盤查分析可以由上 述五階段的任何階段或其相關組合，其資料收集之範圍大小及詳細度，視使 用者目的而定。盤查分析的結果應能滿足下列的基本要求：符合科學基礎、 能夠量化、具有資料再現性、完整性、實用性以及能夠呈現適當的細節。此 外 ， 在 此 階 段 中 所 有 之 投 入 、 產 出 數 據 均 需 依 照 功 能 單 位 進 行 標 準 化 (normalization) [33]。 生命週期評估的架構 目標與範圍界定 盤查分析 衝擊評估 結果闡釋 直接用途 產品開發 產品改進 政策依据 市場行銷 其他

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 3.生命週期衝擊評估（Life Cycle Impact Assessment）：

生命週期衝擊評估係採用盤查分析的結果，評估其產生的環境衝擊。將 評估系統的環境壓力因子予以衝擊分類（Classification），並將此環境衝擊的 大小加以特徵量化（Characterization），最後將各類環境衝擊的因子給予適當 權重並並加以評價（Valuation），得到具有整合性的環境衝擊指標。 分類係將盤查清單中各物質依其對環境造成之衝擊不同來進行分類，然 而有些物質可能會同時會造成兩種或兩種以上不同之環境衝擊，例如NOx 同 時會造成毒性(toxic)、酸化(acidifying)及優養化(eutrophication)，因此單項物質 會同時被分類在不同的衝擊類別中。然而，就單項環境衝擊類別而言，不同 物質之貢獻度並不相同，要解決此問題，各項物質必須再乘上權重因子 (weighting factors)；因此，特徵化之主要意義為選擇一種衡量衝擊的方式，透 過特定評估工具的應用，將不同負荷因子在各型態環境問題中的潛在衝擊加 以分析，並量化成相同的型態或是同單位的大小。在特徵化步驟後，所得到 的是各單項環境衝擊類別之衝擊加總值，而不同的環境衝擊類別之間並無特 定的連結，亦缺乏一比較基準。因此在評價此步驟中，針對各項環境衝擊類 別給予一相對應之權重因子(weighting factor)，而由特徵化步驟所得的各單項 環境衝擊之衝擊加總值再乘上其對應之權重因子，即可得到一整合之單項得 點(single score)，進而可使不同之衝擊類別間可進行比較。

4. 生命週期結果闡釋（Life Cycle Interpretation）：

生命週期結果闡釋為生命週期評估之最後步驟，此步驟中必須依照所訂 定之目的與範疇對評估結果作說明。同時，將盤查分析的過程與衝擊評估的 結果整合解釋，闡釋結果應與評估目的與範圍定義時一致，並能提供選用低 污染之原料、改善生產作業流程或提升產品環境保護貢獻等重大訊息給予決 策者參考。

第二章 文獻回顧

第二節 國內外有關結構材料生命週期評估之研究情況

目前許多企業開發新產品時，已經開始藉由LCA 來具體量化評核產品在 生產、使用、廢棄等階段當中，對環境造成影響。隨著愈來愈多人察覺到結 構物從設計、材料選擇到營造方式都和環境息息相關，永續性已成為營建業 一個重要的考量因子。對永續性的評估目前已發展出許多不同的工具，包括 全生命成本（Whole life costing, WLC）和生命週期評估，統稱為生命週期分 析。就營建工程而言，和生命週期評估主要有關的是材料的環境衝擊，包括 從原料的取得、原料運輸、生產製程、產品運輸、使用期間的維護、破壞到 處理/再利用等。利用LCA可以評估混凝土及其他相關的營建材料對環境的影 響，並且經由材料的選取和配比設計來生產對環境衝擊最小化的混凝土。 Asif et al.利用五種營建材料進行LCA，結果顯示總消耗能量為227.4 GJ， 其中混凝土、木頭和磁磚是三種最主要的耗能材料，且單單混凝土就佔全部 能量的65% [23]。Deborah 和 Thomas 使用LCA探討四種水泥：傳統卜特蘭 水泥、混合水泥(添加卜作嵐材料)、水泥窯粉塵水泥( Cement kiln Dust, CkD) 及部分材料使用CkD 之水泥等，其生產過程對環境衝擊的影響，結果顯示混 合水泥對環境衝擊的影響最少，其次是部分材料使用CkD 之水泥，此外，在 傳統水泥生產過程中，發現CkD的再生利用並沒有節省很多的環境資源[27]。 Sungho et al. 比較使用年限50年之結構物、經由構件維護延伸到使用年限100 年之結構物及使用高強度混凝土建造使用年限100年之結構物對環境衝擊的 表現，結果發現使用高強度混凝土建造之結構物相較於使用年限50年及經由 構件維護可延伸到使用年限100年之結構物，在耗能部份分別減少了15.53%和 2.95%，在CO2的排放上也分別降低了16.70%和3.37 % [46]。Ulla-Maija et al. 探

討工業副產品煤灰、再生混凝土和高爐石使用在路基營建工程之生命週期衝 擊評估( Life Cycle Impact Asswssment, LCIA)，結果顯示路基工程對環境造成 負荷主要來自於材料的生產與運輸階段；其中水泥的生產與礫石材料的破碎 和營建材料運輸是主要的耗能階段，而大部分的氣體排放則來自於能源的生 產[48]。

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 黃盈庭以水泥為例進行生命週期評估，將水泥生命週期分為原料開採階 段、原料運輸階段、生產階段及水泥運輸階段。在能源消費上，以生產階段 比例最高約94.15%，而在運輸階段約5.27%；在環境負荷上，全球暖化潛力以 生產階段為最高約96.7%，酸化潛力約57%，水泥運輸階段則有35%，由水泥 生命週期分析結果顯示若只考慮其生產階段，而忽略其他階段，將會低估使 用水泥所產生之實際環境負荷[15]。郭文信針對國內水泥廠進行能源耗用普 查，建立生產與能源使用系統模擬模式來進行二氧化碳排放減量方案之各情 境模擬分析，研究結果顯示若國內水泥總產量不變下，二氧化碳排放的總減 量效果最高約可達19%；假設未來水泥總需求依人口成長數持續成長，二氧化 碳排放的減量效果約可達8%；在替代能源之減量效果上，若不考慮燃料成本， 以天然氣代替燃煤時，每增加10%的替代率約可增加3.2%的二氧化碳減量效 果[11]。許多的科學證據顯示氣候變化 (climate change) 給人類社會帶來了危 機，但更諷刺的是這些威脅卻是人類自己造成的[40]。 Gielen 與 Moriguchi依照鋼、鐵的生命週期，將其基本污染量定量來分析 二氧化碳全球排放量之減量潛能，結果顯示1999年鋼、鐵在其生命週期中二 氧化碳之全球排放約為 2100 ～ 2450 百萬噸，其中有 9 ～ 10 % 的二氧化 排放量是源自於石化燃料，三分之二是因為使用煤炭所造成的，預期在未來 二十年中，全球的二氧化碳排放量將可減量達 1000 百萬噸 [30]；Jeong 等 人以某一鋼鐵公司為研究對象，將企業資源規劃 ( enterprise resource planning, ERP)、環境管理系統 ( environmental management system, EMS ) 及能源服務 系統 ( energy server system, ESS )等三種資料庫進行整合，使用線上資料收集 系統對鋼鐵業之生命週期進行評估，結果顯示，此種線上資料收集系統優於 過去之資料收集方法，且鋼鐵成品之 LCI 及 LCA 結果隨每個月的燃料使用 比例而變動。此外，使用線上資料收集系統不僅可節省時間，並可提高數據 可信度[32]。Chao 針對台灣之鋼鐵業進行生命週期盤查分析，並建立一貫作 煉業煉鋼廠及電弧爐煉鋼廠在進行生命週期盤查分析(Life cycle inventory, LCI)時之功能單位、系統邊界及單位製程。在一貫作業煉鋼廠方面，物質及 能源平衡是以每公斤碳鋼產品為基礎進行計算，包括鐵礦、廢鋼、煤、合金、

第二章 文獻回顧 助熔劑、總能源耗用及用水量等投入，以及固態廢棄物、廢水、二氧化碳、 煙塵、SOx 及NOx 等產出。此外，該研究亦包含電弧爐煉鋼廠製之生命週期 盤查分析。研究結果與國際鋼鐵協會( Internatioal Steel Institute )之 LCI比較發 現二者間具相當之一致性[25]。

陳秋龍以鋼鐵業為研究對象，將鋼鐵業之製程分為原料開採、原料運輸、 生產及基本製程運輸等四個製程階段，利用投入產出方法進行生命週期分 析，盤查結果顯示就台灣地區而言，生產每噸鋼產品，需投入 552 煤公斤當 量、石油 119 公升、天然氣 2.73 立方米及電力 578 仟瓦小時，同時排放出 2738 公斤CO2、13.27 公斤NOx、2.73 N2O、及 4.35 公斤的SOx。就盤查結

果而言台灣地區鋼鐵業在能源耗用及環境負荷方面，均是以生產階段之影響 最大[12]。馮閔盛等人利用生命週期評估軟體 SimaPro 對建築物結構材料於 製程階段產生之二氧化碳對環境衝擊進行分析，探討建築物對人體健康、生 態品質及資源耗用之衝擊，提供環境危害、二氧化碳產出與造林樹種吸存關 係之相關參考資料[17]；趙又嬋以兩間國內知名百貨公司為調查對象，探討百 貨公司室內裝修建材耗能與單位面積CO2 排放量，得出 27 年中室內裝修單 位樓地板面積CO2 排放量，並建議百貨公司室內裝修建材CO2 減量對策，可 藉由製造低耗能、回收性高、可重複組裝及耐用性好之建材產品等方式，達 到降低室內裝修環境負荷的目的[19]；鋼筋混凝土結構物的建造與使用階段會 造成二氧化碳持續的排放，而大約四分之ㄧ的二氧化碳排放量來自於建築物 能量的使用[50]。

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

第三節 結構材料之耐久性評估

ㄧ 、 混 凝 土 之 耐 久 性

混凝土之耐久性係指在使用年限內能維持其物理特性與力學性質不致於 發生嚴重劣化，以保障結構物的安全。根據ACI Committee 201 對波特蘭混 凝土(portland cement concrete)耐久性的定義，耐久性是指其抵抗風化作用 (weathering action)、化學侵蝕(chemical attack)、磨蝕(abrasion)及其它劣化過 程(process of deterioration)的能力。亦即在曝露的環境下，具耐久性的混凝土 能保持良好的外觀、性質與使用性。 由於環境的影響與材料孔隙結構的改變，材料性質多隨著時間而變化， 因此可以說沒有材料具有不變的耐久性。工程上所注重的是結構物的使用年 限，通常可以材料的耐久性來評估使用年限。而材料的耐久性是指構件劣化 達到使用上不安全或是不具經濟性的生命周期(life cycle)。 結構物耐久性的評估上與力學性質、建築費用等一樣重要，其重要性可 分三方面說明。首先就經濟效益而言，在整個建築物的生命周期( life cycle ) 中，總投資成本應包括興建成本與後來的維修補強成本，如果在設計階段考 量耐久性的因素，則可以降低維修補強的成本。就環保觀點而言，提高材料 的耐久性即代表了避免自然資源的浪費[38]。最後，混凝土近年來廣泛使用 在不同的結構上，諸如儲油槽、儲氣槽、核能電廠等多面臨高溫、低溫、高 壓等異於一般環境的條件，甚至於濱海的橋梁上。所以耐久性需求更顯重要。 圖2.2 是混凝土耐久性與性能的關係圖[29]。 混凝土劣化的原因有許多，大致可分為物理性與化學性兩方面。物理性 的原因如圖2.3 所示[37,38]，表現出來的現象即為面層的破壞與裂縫的擴張； 化學性的原因如圖 2.4 所示[37,38]，最常見的原因是由於侵蝕性物質與混凝 土中的漿體產生化學反應。除此之外，混凝土亦可能因鋼筋腐蝕造成剝落 (spalling)及裂縫擴張等現象。自然狀態下，混凝土的劣化是由許多因素混合 造成的，但若能瞭解個別因素影響機理並提出預防之道，必能提升整體混凝 土的耐久性

第二章 文獻回顧

圖 2.2 混凝土耐久性與性能關係圖 (資料來源:文獻[29])

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1)

圖 2.3 混凝土劣化之物理性因子 (資料來源: 文獻[37,38])

第二章 文獻回顧

圖 2.4 混凝土劣化之化學性因子 (資料來源: 文獻[37,38])

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 二、耐久性評估方法 耐久性的評估方法主要分為內政部營建署訂頒提供縣政政府使用之 「A.B.C.D 評等法」及交通部國道高速公路局與公路總局使用之「D.E.R&U 評等法」、層級分析法(AHP)[45]、模糊數學法[52]以及網絡分析法[43]等。這 些方法主要都需要通過以下步驟來完成評估 (1) 定義何為評估所需使用的項目，此項目必須為影響因子； (2) 定義何為目標，如耐久性指標等，此項目為輸出目標； (3) 建立影響因子的量化 (如果非為量化數據，則應採用數學手段將之 量化)； (4) 建立各影響因子對輸出目標的響應函數 (若為線性函數則是建立權 重矩陣；若為非線性，則視響應函數定義而建立相關係數) (5) 定義目標函數的合理合格值或分類區間(如耐久性指標達 0.8) (6) 比較目前的目標函數值處於何範圍，作出評估與判斷。 以上的各種方法，其數學操作模式都已經制式化，而在處理上比較會出 現差異的反而是在於步驟(1)、(2)、(4)以及(5)，因為這些都涉及到建模者本 身如何去定義一個系統，也就是說這些與經驗還有判斷有關，受到人為影響 以及當初問卷設計的影響較大。如何盡量排除人為因子，其實是評估法成功 與否最重要的關鍵，因此選擇一個優良的方式來排除人為因子，是極為重要 的。 在使用專家評價的方法當中，比較常用的是層級分析法(AHP)以及網絡 分析法(ANP)。兩者的差異在於層級分析法假設每層的因子間為獨立的，不 會互相影響，且層與層之間的傳遞為單線，不能夠有回饋產生；而網絡分析 法則允許控制層之各因子可以互相影響，並可以回饋。理論上來說層級分析 法是網絡分析法的特例，也就是說網絡分析法可以適用的範圍更為廣闊。然 而，在數學操作上以及問卷的設計上，網絡分析法要比層級分析法要困難得 多。網絡分析法與層級分析法的示意圖見圖2.5 所示。

第二章 文獻回顧

(a) 層級分析法架構圖

(b)網絡分析法架構圖

圖 2.5 層級分析法與網絡分析法架構圖 (資料來源:文獻[43，45])

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 國內學者[6]曾經使用層級分析法來分析橋梁耐久性，在他們的方法中，影響 橋梁耐久性的因子分為五類: 環境因子、施工因子、設計因子、材料因子、 維護營運。根據層級分析法的精神，這代表這五類因子間是彼此互相獨立的。 不過，這樣子的假設，並不理想。比如說材料因子中氯離子的濃度，明顯地 是與曝露的地緣環境有關，故假定這兩類因子間無關是不合理的。 中國大陸學者[14]則提出不一樣的見解，他們認為材料因子為主要的考 量，而其他的影響如環境因子可以相乘的方式視為放大或折減因子作用在材 料因子上。這樣子的看法就是說，當我們對鋼筋混凝土橋梁耐久性得到一樣 的指標時(如一樣的氯離子濃度、混凝土抗壓強度、…)，則不同的地域環境 將會造成不同的最後評價。不過，在文獻[14]中，他們採用單一層級，將混 凝土現況的指標與腐蝕的指標混在一起；本研究將會把指標分為兩類：即為 混凝土現況指標與腐蝕現況指標。並且在腐蝕現況指標上，文獻[14]並沒有 將腐蝕電流(或是腐蝕速率)作為指標，而是以半電池電位當作指標。理論上 來說半電池電位僅能提供鋼筋腐蝕的熱力學趨勢，而並不是能夠定量化來評 斷腐蝕的程度，故實應將腐蝕速率納入。 而在文獻[14]中，也針對不同構件部位給予不同權重，再由各別構件之 耐久性評價乘上權重總合而得到整體耐久性評價。本研究基本上也將採取同 樣思考邏輯，設計本土化適用之權重。值得一提的是，建築物各部位的重要 性其實跟設計法、環境等有關係，所以可以根據不同建築物由專家自訂出不 同之權重出來。 除了使用專家給予權重之評估法以外，另外也可以用定量計算的方式來 達成評估的目標。這必須要透過完成服務功能、劣化因子、材料劣化程度、 時間之關係，如圖2.6 所示[51]。當然其中的關係乃是基於實驗的經驗公式或 是透過簡單推導出來的公式來評估。透過此種方法，則可以知道單一因子(如 碳化) 對於某一構件耐久性的影響(材料劣化程度)，甚至可以知道對於服務 功能的影響(如梁之抗彎矩能力)，進而評估單一構件之壽命。

第二章 文獻回顧

圖 2.6 服務功能、劣化因子、材料劣化程度、時間關係圖 (資料來源:文獻[51])

結構材料生命週期評估基準與耐久性評估指標之建立(1) 三、 橋 梁 D.E.R.&U.目 視 檢 測 評 估 簡 介 目視檢測之準則影響未來維修工法與構件選定之決策。過於簡略之檢測評估準 則，無法提供足夠的資料給予管理單位進行維修決策；但太過複雜之檢測評估準則， 卻會增加現場檢測人員之負擔。選擇適合的方法不但對整個橋梁檢測工作時程、成本 有相當的影響，對於橋梁耐久性評估與建議的分析方法建立亦是以此為輸入與回饋的 參考資料。 目前國內主要採用之檢測準則為D.E.R.&U.以及 A.B.C.D.準則等，檢測準則之概 要重點如表2.1 所示。其中，D.E.R.&U.檢測準則為昭淩工程顧問公司為國道高速公路 局開發橋梁管理時制訂之目視檢測評估準則。A.B.C.D. 檢測準則為中華工程顧問公司 為台灣省住都處所編定的「混凝土、鋼橋一般檢查手冊」中所制訂之目視檢測準則。 雖然種檢測準則各有其優劣，但是於「台灣地區橋梁管理系統」開始，全國使用之目 視檢測標準則以D.E.R.&U.檢測準則為主要目視檢測標準。 表 2.1 國內目前常用檢測準則 評估準則 檢測類別 檢測項目 劣化評等標準 橋況評估指標 採用之機關 分類方式 D.E.R.U. 目視檢測 依構件分 為21項目 儀器檢測 分為 7種檢 測項目 分為 1~4級 分為 CI、PI、 FI、OPI四種指 標 高公局公路 總局、基隆港 務局 A.B.C.D. 評等法 目視檢測 分為 8大 類，及其細 分項目 分為 A~D級 無 鐵路局住都 處台北縣政 府 危險度 評等法 耐震能力 耐洪能力 承載能力 分成初步 評估與詳 細評估 加權分數計 算法 以分數高低 評定安全度 交通部科技 顧問室研究 使用 (資料來源: 混凝土、鋼橋一般檢查手冊)