定載加熱試驗

本研究試體製作完成後，置放於通風良好之室內養護約140 天，符合 CNS 12514 試體養護與乾燥規定，該規定如混凝土、水泥砂漿粉刷等濕式 施工者需二個月以上，以避免加熱之試驗過程因試體內部濕度過高而發生 混凝土爆裂現象，試體試驗資料整理如表4.2 所示。

4-2-1 耐火爐溫度及爐壓

耐火爐加熱依據CNS 12514 之標準加熱曲線進行加熱，以 NC5 試體 為例，爐內平均試驗溫度與標準升溫曲線比較，如圖4.3 所示，兩者十分 接近，所得溫度時間許可差未超過規範規定，如圖4.4 所示，規範並要求 在試驗初期10 分鐘以後之任何時間，任一爐內溫度熱電偶所測得溫度與 標準曲線對應溫度不得大於±100℃，如圖 4.5 所示。另爐內壓力控制，試 體上端壓力不得大於20 Pa，平均壓力許可差，在試驗開始初期 5 分鐘須 保持±5Pa，在試驗開始 10 分鐘後須保持在±3Pa，本研究爐壓控制設定為 16Pa，試驗爐壓未超過規範規定之許可差，如圖 4.6 所示。

4-2-2 試體表面觀察

加熱試驗時藉由耐火爐視窗，觀察柱試體表面現象，加熱結束後約20

小時，將爐蓋打開後觀察火害後試體表面現象。

一、試體NC5

加熱時間 17 分時柱上端表面水泥砂漿脫落範圍約為 35 ㎝×50 ㎝ 厚度約2 ㎝，角隅裂開，如圖 4.7 所示。火害後試體表面顏色為淡黃 色及灰白色，表面水泥砂漿呈現片狀(厚約 2 ㎝)分離脫落及角隅裂開 現象，裂縫則多為垂直向，如圖4.8 所示。

二、試體SCC2

加熱時間 24 分時柱表面水泥砂漿脫落範圍約為 20 ㎝×20 ㎝厚度 約2 ㎝，產生 2 條明顯垂直向裂縫約 60 ㎝以上，如圖 4.9 所示。火害 後試體表面顏色為淡黃色及灰白色，表面水泥砂漿呈現片狀(厚約 2 ㎝) 分離脫落現象，裂縫則多為垂直向，如圖4.10 所示。

三、試體NC3

加熱時間 13 分時柱角隅剝離，加熱時間 31 分時柱上端發生約 60~70 ㎝長、30 ㎝寬範圍的混凝土塊剝落，爆裂深度可見箍筋，如圖 4.11 所示。火害後試體表面顏色為淡黃色及灰白色，柱上端全面性爆 裂、角隅剝離及粒料劈裂，表面出現粒料溶融之咖啡色突出物，裂縫 則多為垂直向，如圖4.12 所示。

四、試體SCC3

加熱時間 23 分時柱角隅剝離，如圖 4.13 所示。火害後試體表面 顏色為淡黃色及灰白色，柱角隅剝離及粒料劈裂，表面出現粒料溶融 之咖啡色突出物，裂縫則多為垂直向，如圖4.14 所示。

4-2-3 試體內部溫度分佈

本試體模擬內柱型態，即柱四面受熱，加熱試驗中由埋設試體內 部熱電耦線所量測混凝土及鋼筋溫度之變化，發現在加熱、冷卻期間

試體內各測點的最高溫度非發生在加熱結束時，反而在冷卻過程中出 現，主要係因試體表面溫度在加熱結束時開始下降，但仍高於近中心 處溫度，部份熱量仍會往內部傳送，致使內部溫度繼續上升，加重內 部材料損傷，柱的軸力強度因高溫造成之折減主要在於柱表面水泥砂 漿剝落、混凝土爆裂，水泥砂漿、混凝土及主筋強度折減。

一、試體NC5

（1）混凝土

由圖4.15 發現混凝土溫度升高與其位置及斷面內部水份的多少有 關，當試體內部溫度到達 110~125℃左右時，試體內部孔隙水吸熱之 相變化會造成升溫遲滯之現象，如測點（T5、T6），且因溫度梯度小，

造成所吸收的熱能較小，致孔隙水汽化之反應時間長，升溫遲滯平台 現象明顯，試體表面測點（T8）直接受熱，其溫度梯度大，無出現孔 隙水汽化的熱遲滯平台現象，比爐溫略低，溫度上升趨勢相似。加熱 及冷卻期間試體內的最高溫度不是發生在加熱結束時，而是在冷卻過 程中出現，主要因混凝土為熱惰性材料，在加熱結束時試體表面溫度 開始下降，但仍高於非加熱面處之溫度，部份熱量仍會往內部傳送，

致使試體內部溫度繼續上升，如表 4.3 所示。

（2）鋼筋

圖 4.16 為柱鋼筋溫度變化情形，本研究於柱的四個主筋設置測 點，分別為測點（T1、T2、T3、T4），加熱停止時溫度為 759.5℃、

525.3℃、461℃及 464.8℃，依 EC2【22】之建議，該處鋼筋之降伏 強度將衰減至常溫降伏強度的8 %、40％、55％及 54％。

二、試體SCC2

（1）混凝土

由圖 4.17 發現與試體 NC5 之混凝土溫度升高趨勢大致相同，當 試體內部溫度到達 110~125℃左右時，試體內部孔隙水吸熱之相變化 會造成升溫遲滯之現象，如測點（T5、T6），且因溫度梯度小，造成 所吸收的熱能較小，致孔隙水汽化之反應時間長，升溫遲滯平台現象 明顯，試體表面測點（T7）直接受熱，其溫度梯度大，無出現孔隙水 汽化的熱遲滯平台現象，比爐溫略低，溫度上升趨勢相似。

（2）鋼筋

圖 4.18 為柱鋼筋溫度變化情形，測點（T1、T2、T3、T4），加熱 停止時溫度為500.7℃、439.9℃、381℃及 521.2℃，依 EC2 之建議，

該處鋼筋之降伏強度將衰減至常溫降伏強度的46 %、60％、72％及 41

％。

三、試體NC3

（1）混凝土

由圖 4.19 發現較試體 NC5、SCC2 之混凝土溫度高，測點 T5 溫 度較高原因，可能是澆置混凝土時將熱電偶線偏離原來位置，溫度上 升趨勢大致相同，當試體內部溫度到達110~125℃左右時，試體內部 孔隙水吸熱之相變化會造成升溫遲滯之現象，如測點（T5、T6），且 因溫度梯度小，造成所吸收的熱能較小，致孔隙水汽化之反應時間長，

升溫遲滯平台現象明顯，試體表面測點（T7）直接受熱，其溫度梯度 大，無出現孔隙水汽化的熱遲滯平台現象，比爐溫略低，溫度上升趨 勢相似。

（2）鋼筋

圖 4.20 為柱鋼筋溫度變化情形，測點（T1、T2、T3、T4），加熱 停止時溫度為678.5℃、155.7℃、450℃及 606.9℃，依 EC2 之建議，

該處鋼筋之降伏強度將衰減至常溫降伏強度的9.5 %、94％、58％及 20

％，測點T2 溫度較低原因，可能是澆置混凝土時將熱電偶線偏離原來 位置。

四、試體SCC3

（1）混凝土

由圖 4.21 發現與試體 NC5、SCC2 之混凝土溫度升高趨勢大致相 同，當試體內部溫度到達 110~125℃左右時，試體內部孔隙水吸熱之 相變化會造成升溫遲滯之現象，如測點（T5、T6），且因溫度梯度小，

造成所吸收的熱能較小，致孔隙水汽化之反應時間長，升溫遲滯平台 現象明顯，試體表面測點（T7）直接受熱，其溫度梯度大，無出現孔 隙水汽化的熱遲滯平台現象，比爐溫略低，其熱電偶線受高溫影響，

呈現上下波動。

（2）鋼筋

圖 4.22 為柱鋼筋溫度變化情形，測點（T2、T3、T4），加熱停止 時溫度為438.3℃、609.3℃及 683.4℃，依 EC2 之建議，該處鋼筋之降 伏強度將衰減至常溫降伏強度的61 %、20％及 9％。

4-2-4 試體變形

本研究試體位移以開始加載時為基準起算點。圖 4.23~圖 4.26 為 NC5、

SCC2、NC3 及 SCC3 試體加熱中之軸向變形，在加熱 90 分鐘前，NC5、

NC3 及 SCC2 軸向變形變化不明顯，軸向壓縮量平均分別維持在 0.4 ㎜、

0.2 ㎜及 0.25 ㎜，90 分鐘後，軸向壓縮量明顯增加，平均每分鐘分別下降 0.028 ㎜、0.032 ㎜及 0.033 ㎜。加熱結束時，NC5、NC3 及 SCC2 軸向壓 縮量分別為4.53 ㎜、5.07 ㎜及 5.14 ㎜。SCC3 則在加熱 60 分鐘前，軸向 變形變化不明顯，軸向壓縮量平均維持在0.21 ㎜，60 分鐘後，軸向壓縮

量明顯增加，平均每分鐘下降0.034 ㎜，加熱結束時，軸向壓縮量為 6.4

㎜。

比較NC5、SCC2、NC3 及 SCC3 試體加熱中之軸向變形，如圖 4.27 所示，加熱初期，以水泥砂漿修復的試體NC5、SCC2 軸向變形均呈現壓 縮現象，而由自充填混凝土修復的試體NC3、SCC3 軸向變形分別在加熱 時間51 分及 47 分前約略呈現膨脹現象，此現象與柱所受軸力較大

（0.45fc’）、鋼筋高溫潛變、水泥砂漿在高溫有較大收縮量、潛變及混凝土 再受高溫影響【52-54】等有關，值得進一步研究。加熱 170 分鐘前 NC5 之軸向壓縮量較SCC2 大，170 分鐘後 NC5 之軸向壓縮量較 SCC2 小。加 熱結束時，自充填混凝土修復的SCC3 軸向壓縮量為最大，達 6.4 ㎜。

冷卻階段試體持續壓縮變形，如圖4.28~圖 4.31 所示，在加熱結束後 2 小時內發生較大軸向壓縮速率，此時 NC5、 SCC2、NC3 及 SCC3 軸向 壓縮量分別達到9.39 ㎜、10.69 ㎜、13.67 ㎜及 13.17 ㎜，較加熱結束時，

軸向壓縮量增加4.86 ㎜、5.55 ㎜、8.6 ㎜及 6.77 ㎜，之後隨試體溫度逐漸 下降，軸向壓縮速率變緩，於加熱結束後16 小時，NC5、 SCC2、NC3 及SCC3 軸向壓縮量分別達到 17.23 ㎜、17.61 ㎜、22.67 ㎜及 20.69 ㎜，較 加熱結束時，軸向壓縮量增加12.7 ㎜、12.47 ㎜、17.6 ㎜及 14.29 ㎜。

比較NC5、SCC2、NC3 及 SCC3 試體加熱及冷卻階段之軸向變形，

如圖4.32 所示，自充填混凝土修復的 NC3 為最大，達 22.67 ㎜，水泥砂漿 修復的NC5 為最小，為 17.23 ㎜，以自充填混凝土修復方式會有較大的的 殘餘軸向壓縮變形。

4-2-5 試體之耐火性能

本研究柱試體之耐火性能及防火時效判定係參考CNS 12514「建築物 構造部分耐火試驗法」，該規定之耐火性能分為承重能力（loadbearing

capacity）、遮焰性（fire integrity）及阻熱性（fire insulation），柱構件僅 須考慮其承重能力。

柱之承重能力基準要求如下：

C≦ ( ) 100h mm

及 dt

dC ≦ ( /min) 1000

3h mm

式中C 為最大軸向壓縮量（limiting axial contraction），

dt

dC 為最大軸向壓 縮速率（limiting rate of axial contraction），h(mm)為試體之初始高度。

本研究試體柱高h＝2200 ㎜，受熱尺度為 1500 ㎜，依 CNS 12514 之 規定可求得，C＝15 ㎜，

dt

dC ＝4.5 ㎜/min，在加熱結束時，柱呈現壓縮變 形，NC5、SCC2、NC3 與 SCC3 分別為 4.53 ㎜、5.14 ㎜、5.07 ㎜與 6.4 ㎜，

均未超過最大軸向壓縮量之規定，測試結果與CNS 12514 之基準比較如表 4.4 所示，本研究之水泥砂漿及自充填混凝土修復柱具有 4 小時以上防火 時效。