第二章 文獻回顧
本研究以普通強度混凝土及高強度混凝土之火害後以環氧樹脂 補強為主題，進行研究前，首先將探討混凝土及環氧樹脂各材料特性、
力學性質及其熱學反應，以根據各種材料性質進行整體實驗規劃。
2-1 水泥漿體之材料性質
2-1-1 水泥成分及其水化性質
水泥的生產原料又稱「生料」為石灰岩（主要成分 CaCO3）與黏 土礦物（主要成分 Al2O3，及 SiO2），經過磨細混合均勻組成，「生料」
以高溫燒結成「熟料」，再加入石膏（CaSO4．2H2O，簡寫為 CSH2） 加以研磨及可製成水泥。卜特蘭水泥的主要成分為矽酸三鈣（3CaO．
SiO2，簡寫為 C3S）、矽酸二鈣（2CaO．SiO2，簡寫為C2S）、鋁酸三 鈣（3CaO．Al2O3，簡寫為C3A）、鋁鐵酸四鈣（4CaO．Al2O3．Fe2O3， 簡寫為C4AF），標準I 型普通卜特蘭水泥成分為 C3S：50%、C2S：25%、
C3A：12%、C4AF：8%、CSH2：5%，由於 I 型水泥最為便宜，除特 殊需求外，國內絕大數工程皆使用 I 型普通卜特蘭水泥，本試驗亦採
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用之。
當水泥加水後產生水化反應形成各種水化產物，C3S 及 C2S 為混 凝土強度主要來源，C3S 對初期強度有較大貢獻，但後強度成長較慢，
由於其初期強度成長快速，水化物排列組合較差，不利混凝土緻密性 及耐久性，而 C2S 初期強度成長有限，後期強度成長迅速，為混凝土 主要水化熱來源，其水化膠體逐漸填滿水化空間，有利混凝土體積穩 定性。C3S 及 C3A 為混凝土水化熱主要來源，而 C2S 放熱最少。
2-1-2 水泥漿體與水泥砂漿受熱之變化
水泥與水產生水化作用後形成水化產物分別為鈣矽水化物
（C-S-H）及氫氧化鈣（C-H），水泥漿體受熱時其性質主要受到水 份改變及漿體分解與熔合之影響，通常水泥漿體受熱溫度在105℃以 內會使毛細水及膠孔水蒸發、而受熱溫度105℃~440℃時C-S-H結晶水 分解、受熱溫度440℃~580℃則C- H結晶水分解、水泥漿體在受熱溫 度580℃~1007℃時CaCO3分解，並逐漸重新燒結成水泥熟料，再生化 學變化而重具鍵結力。
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2-2 粒料之熱學性質
粒料因其所含成分而分為矽質粒料（又稱酸性粒料，Siliceous Aggregate）及鈣質粒料（又稱鹼性粒料，Carbonate Aggregat），矽 質粒料主要由石英岩、石英片岩和片狀砂岩組成，鈣質粒料主要由石 灰岩、雲母組成，粒料熱學性質因其分類而有所不同。
2-2-1 粒料之物理性質
粒料因種類之不同其膨脹係數亦相異，如表2-1【1】所示，台灣 最常見的粒料為安山岩、砂岩及石灰岩，見表所知其熱膨脹係數分別 為4.1~10.3 (10-6 /℃)、4.3~13.9 (10-6 /℃)、0.9~12.2 (10-6 /℃)。
在混凝土的組成中，大部分為粗細粒料及卜作嵐材料，因此採用 不同種類之粒料製作試體，其混凝土的熱膨脹係數也受粒料所影響控 制，造成混凝土將有不同的熱膨脹係數，如表2-2 【2】所示，其中，
經由水中養護的混凝土其熱膨脹係數低於在空氣中養護之混凝土 。 由於岩石的孔隙不同，造成不同的比重，一般岩石比重介於 2.6~2.7之間，各種岩石的比重值如表2-3 【3】所示，岩石比重值越 低比表面積質就越大、孔隙就越多，而孔隙多的岩石在遇高溫時較不
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易因膨脹造成強度損失，反之，比重較大的岩石遇高溫時，由於沒有 多餘孔隙可供膨脹，易造成裂縫甚至爆裂及強度下降的現象。
2-2-2 高溫下粒料之體積變化
粒料因成份之不同可分為矽質粒料及鈣質粒料，矽質粒料又稱酸 性粒料，鈣質粒料又稱鹼性粒料，由文獻【4】、【5】、【6】得知 此二類粒料在高溫下之主要性質如下：
1. 矽質粒料：
矽質粒料平均熱膨脹係數約為12×10-6/℃，石英加熱至500℃時，
產生約2.8%之體積膨脹，石英加熱至573℃時，會由α相轉變為β 相，石英加熱至573℃~900℃體積膨脹不再增加，在900℃以上時，
大量氣體分解產生不規則之體積變化。
2. 鈣質粒料：
鈣質粒料平均熱膨脹係數約為5×10-6/℃，若黑雲母含量較高，則 在650℃以上有較高之熱膨脹係數，若白雲母含量較高，在900℃
以上，會有收縮現象發生，當溫度達700℃以上，CaCO3分解為氧 化鈣及二氧化碳。
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2-3 混凝土高溫作用下之性質
2-3-1 混凝土高溫作用下之殘餘強度
普通強度混凝土具有良好的耐火性，但高強度混凝土於高溫中易 產生爆裂行為，因此其耐火性受到質疑，文獻【7】得知混凝土試體 加熱至1200℃時，普通強度混凝土及高強度混凝土折減方式十分相似，
高溫中混凝土折減方式分為三階段（如圖2-1），溫度20℃~400℃時，
高強度混凝土強度幾乎沒有損失，而普通強度混凝土有少部分的損失；
溫度400℃~800℃時，混凝土結晶水脫水，高強度混凝土及普通強度 混凝土皆有大量強度損失；800℃以上各試體折減情形逐漸平緩。在 文獻【8】中研究不同強度試體在受高溫之後，放置於一般空氣中冷 卻至室溫，比較降溫前後試體殘餘強度，觀測得知降溫後試體抗壓強 度較降溫前低，其中高強度混凝土受溫400℃以下時，降溫前後強度 並無明顯差異，甚至有時降溫後之殘餘強度超過降溫前之殘餘強度，
（如圖2-2）。而文獻【8】、【9】中分別使用常溫及噴水兩種冷卻 方式探討混凝土高溫後之殘餘強度，結果發現噴水冷卻較常溫冷卻的 殘餘強度更低，如圖2-3【8】所示。
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2-3-2 混凝土高溫作用下之孔隙變化
文獻【7】當中，分別以三種配比的混凝土製作直徑10 cm高20 cm 之圓柱試體，試體配比及其抗壓強度（如表2-4），此文獻以灌入水 銀的方式量測混凝土受高溫600℃前後之孔隙體積，圖2-4結果發現普 通強度混凝土高溫前後孔隙體積皆為高強度混凝土的2倍以上，但由 圖2-5得知高溫後之高強度混凝土以直徑大於1.3μm的大孔隙居多，經 由評估發現高溫後強度混凝土耐久性損失及滲透率提高皆比普通強 度混凝土多。文獻【10】中則是分別以四種配比的混凝土製作 10×10×10(cm)試體，其試體配比（如表2-5），同樣以灌入水銀的方 式量測混凝土受高溫800℃前後之孔隙體積，圖2-6當中高強度混凝土 於高溫前後的孔隙比差距較普通強度混凝土多，且圖2-7中也同樣發 現高強度混凝土高溫後以大孔隙占總孔隙的絕大部分，由圖2-8發現 高溫後普通強度混凝土之殘餘強度百分比大於高強度混凝土。
2-3-3 混凝土高溫作用下之外觀變化
混凝土受高溫作用後，外觀變化分為顏色及裂縫兩種，文獻【4】
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可知試體受高溫後顏色由灰逐漸轉深灰再變成淡土黃色，而當溫度達 到800℃時試體表面會析出CaCO3所組成的白色粉末，在高溫作用之 下由於試體內部與表面溫度差異，試體斷面呈現同心圓顏色，越接近 試體中心呈現深灰色，而越接近表面呈現淡黃色，試體顏色變化為永 久性不隨空氣養護或是水養護而改變。
在裂縫發展方面，造成混凝土在高溫下形成裂縫的原因有二，一 為水泥砂漿受熱收縮而粗粒料受熱膨脹，兩者膨脹係數相差近兩倍，
使試體加溫及降溫過程中脹縮不諧和，試體內部產生熱應力，當此熱 應力大於混凝土抗拉強度，試體因此產生裂縫；另一原因由文獻【9】
可知混凝土砂漿中C-H、C-S-H組織在高溫中產生顆粒化且極度鬆軟，
造成試體在高溫下裂縫持續增大。
2-3-4 混凝土高溫作用下之爆裂現象
混凝土受到高溫時可能產生表層剝離、角部開裂等破裂形式，嚴 重時發生爆裂現象，通常混凝土發生爆裂現象的溫度範圍是300~600
℃，而高強度混凝土爆裂的發生機率遠大於普通強度混凝土，導致這 個現象的因素可分為內部及外部兩種，內部因素包含混凝土水灰比、
摻料、含水率、滲透性、試體形狀；外因素包含升溫速率、熱應力、
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外部荷載。文獻【11】使用板構材進行火害試驗，提出混凝土含水率 提高時，高溫下爆裂機率增加（如圖2-9），其中高強度混凝土在飽 和狀態時爆裂機率達100%，普通強度混凝土不產生爆裂，文獻【12】
研究發現水灰比大於0.32，相對溼度小於75~80%時，高強度混凝土爆 裂的危險性降低；國際上現行標準升溫曲線包含ISO 834、DIN 4102、
ASTM E119和BS 476，這些升溫方式非常容易造成爆裂發生，文獻【13】
提出實驗發現，與無加載升溫相比，恆溫加載和恆載升溫情況較容易 發生爆裂。
2-4 環氧樹脂之應用
環氧樹脂是由一種高分子化合物，由主劑與硬化劑結合組成，主 劑與硬化劑原為液態，兩劑混合後逐漸硬化為固體。環氧樹脂首先於 1930 年，由瑞士Pierre Castan 和美國Greenlee 完成，1933 年德國 Schlack 首創了由雙酚A 合成的環氧樹脂。1936 年德國Castan 製成 了低熔點的雙酚A 與環氧氯丙烷合成較高分子量的環氧樹脂。1946 年美國Greenlee 開始大量生產環氧氯丙烷，而在次年，即開始工業化 生產環氧樹脂。
環氧樹脂因具有優異的接著性、耐溶劑性、電氣絕緣性、加工性、
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2-5 裂縫補強
在文獻【14】、【16】中以鋼板貼附，或是以纖維材料纏繞混凝 土試體皆是提供外加圍束力，無法加強內部混凝土的強度，混凝土本 身幾乎無法提供補強後試體強度。而實際上針對混凝土裂縫補強的研 究如下，文獻【17】當中澆置混凝土試體時以鋼板置入模具（如照片 2-1、2-2）內製成試體表面之人工裂縫，再將環氧樹脂塗布於裂縫中，
待環氧樹脂硬固後進行抗壓試驗，結果顯示如表2-8，補強後試體大 致能恢復試體原強度的二到三成。實務上，環氧樹脂已被接受用於注 入裂縫補強，文獻【18】當中提到之裂縫注入環氧樹脂工法，主要用 於裂縫處，採高壓方式將環氧樹脂注入裂縫中，使結構物內部不會因 為裂縫延伸而繼續破壞，以增加服務年限，所謂高壓方式如圖2-13
【19】，活篩端給予大約2 kg/cm2的壓力，將針管中環氧樹脂注入裂 縫，但由於針管注入法較適合混凝土表面且規則的裂縫，故在本試驗 當中不以此方法注入環氧樹脂。
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