第一章 緒論
第三節 本計畫之重要性
溫方式) 條件之溫度與應力組合下作用，其材料破壞特徵，探究火害 相關之因、果數據諸如：火場受溫分佈與柱-梁-版之混凝土強度折減 率，可簡單快速進行火場調查與構材火損之初評，甚而對於後續詳評 或結構補強設計與相關產物保險亦可提供量化資訊。
第三節 本計畫之重要性
以往為探求地上(RC建物)、地下(隧道) 結構體受熱驅作用後之傷 損程度，常以鑽心方式進行試體取樣，並於試驗室中進行單軸壓縮破 壞性試驗，以求取材料之強度折減；此方法除施作麻煩與耗時外，取 樣過程更無疑是對結構體造成二次傷損，且取樣數目有限，僅可針對 局部區域進行傷損評估，而以單一強度折減指標作為鑑定依據，又略 嫌不足。再者，過往對於火害傷損程度以燒失量試驗方法評估之，為 材料重量損失之評判方法，亦有其侷限性。本計畫依104-107年度累積 實驗室及現場(外業量測) 系列資蒐與實作之調查數據，建置火害破 壞特徵資料庫，進行人工智能分析；另外，以導波量測方法探視鋼筋 混凝土握裹力之喪失程度，並針對建研所原已開發之火害現場結構材 料探傷檢測韌體(如圖1. 1)，在對硬體調整最小限度的前提下，導入導 波量測系統之可能性評估。相關研究成果不但可簡易、快速應用於火
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害現場結構材料非破壞檢測之初勘，未來可擴充應用於建物之震害與 中性化之評估。
圖1. 1 火害探傷檢測系統韌體整合示意圖 第四節 範圍與方法
本研究整合104-107年之研究成果，透過火害傷損前、後構材(脆、
延與延-脆介面) 之非破壞探傷，由已知損害程度之試樣，執行破壞性 試驗，同步耦合內、外破壞之時(聲學) 空(光學) 資訊之非破壞檢測，
建立具體而微之傷損演化，並建立正規化超音波速比之傷損指標與建 立火害破壞特徵資料庫，藉以開發火害現場結構材料探傷系統韌體，
以能快速、簡易評估RC建物材料(含地下結構物) 受火害後之安全性。
本年度計畫擴充韌體之功能性，首於內業進行導波試驗，探查鋼 筋混凝土受火害之延-脆介面握裹損失特徵，試驗之範圍與方法如
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度也持續調查量測，比對實驗室試驗數據，擴增資料庫內容，並以人 工智能資料探勘，分析火害特徵，建立傷損預測模型。
表1. 1 內業導波試驗範圍與方法之說明表
材料 (material)
混凝土 定值 fc'(kgf/cm2) = 420
保護層厚度(c,cm)：1.5、4 正規化指標：厚徑比(c/db)：
1.5/1.9 = 0.79、1.5/2.1 = 0.71、
4/1.9 = 2.11、4/2.1 = 1.90 量測
(measure)
擊發接收之位置：混凝土表面
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第五節 研究報告之內容與流程
本計畫蒐整過去內業實驗數據與外業現場調查量測資料，建置火 害傷損資料庫，並應用人工智能判識火損特徵，比對本研究過去工程 迴歸統計研發成果，同時開發新型導波量測技術，針對脆性保護層材 (混凝土)與延性拉伸材(鋼筋)之介面，探查鋼筋之握裹強度損失，並評 估將技術導入已開發之火害現場探傷系統韌體之可行性，相關研究流 程如圖1. 2所示。
圖1. 2 計畫流程圖 (資料來源：本研究整理)
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第二章 文獻回顧
第一節 國內外火害工程沿革
根據內政部消防署民國106 年全國火災統計分析指出民國 105 年 中火災的發生次數高達 1856 次，相較於近 5 年全國火災統計分析火 災發生次數有微幅成長之趨勢，如圖2. 1 所示其中各類火災中又以建 築物火災發生次數高達 76.7 %。火害工程包含了災害發生時如何救 火、排煙、逃生及災後建築物之評估其結構安全及補強等課題，而國 內部分之火害工程研究起步相較於美、日、歐等國較晚。政府早期推 動了大型防災科技研究，內容包含了防洪、防震、坡地及氣象災害，
但政府投入火害工程經費與人員傷亡與損失卻成反比，儘管如此，國 內多所大學與政府陸續也開始火害工程之基礎研究，本節綜整國內外 火害工程發展沿革、建築物室內火災延燒情況與國內外研究概況，分 述說明如下：
圖 2. 1 近五年火災發生次數統計圖
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第一項 火害工程研究概述
火害工程方面研究以美國、日本、加拿大、英國等國較早投入研 究，其中又以美國波特蘭水泥協會(Portland Cement Association, PCA)，
針對受火害之混凝土構件結構方面較豐碩，並於 1958 年時興建一棟 大型中央自動控制的火害研究室，進行梁、版、牆等構件試驗，其火 害研究室並無柱之火害試驗設備;於 1980 年開始與加拿大國家研究委 員會合作(National Research Council Canada, NRCC)也建置了綜合大型 火害實驗室，並興建了一可執行火害試驗時同時施加柱軸力之試驗設 備;英國混凝土學會，於 1978 年曾提出一篇關於火害混凝土結構安全 評估與混凝土構件火害程度目測分級，Tovey (1986)提供建議，可分 為定性評估(目測評估)、定量評估(混凝土顏色變化、鑽心試驗、超音 波試驗)、修補技術評估(混凝土強度折減與溫度之關係)，其中定性評 估可作為現場快速檢測，而定量評估因當時試驗精度不甚理想，還有 其改善空間(陳舜田，1999；羅柏易，2008)。
國內於構件部分，常因實驗設備缺乏，而進行縮小尺寸構件實驗，
大型試驗反而較少，至於政府部門在推動火害工程研究，自 1989 年 九月成立「建築研究所籌備處」；於 1992 年七月在台北五股成立防火 實驗室;並於 1993 年提出「建築物防火性能試驗及應用研究五年計畫」;
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Sakumoto, Y., Okada, T., Yoshida, M.,
Taska, S.
Fire resistance of concrete-filled, fire resistant steel tube column
利用耐火鋼進行實尺寸耐
Robert Černý
The effects of thermal load and forst cycles on the water transport in two high-performance concretes
使用混凝土建築核電廠，
Rankine approach for fire resistance of axially-and-flexurally restrained
steel columns
利用Rankine Formula 並考 慮潛變效應，建立一套鋼 柱在火害高溫下的分析方
法。
2003
Choi, N.S.
Kaiser effects in acoustic emission from composites during thermal cyclic-loading
反覆溫度作用下應用聲射
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陳弘毅 (2003)、陳榮收(2008)曾整理建築物之室內火災成長歷程，
可用溫度與時間變化來說明。如圖2. 2 與表 2. 2 所示，可分為第一成 長期 (First Growth Period)、第二成長期 (Second Growth Pe riod)、最 盛期 (Fully-Developed Period)、衰退期 (Decay Period)四個階段，各 階段的特色分別說明如下：
(1) 第一成長期(First Growth Period)
造成起火的原因非常廣泛，而火災從「火源」開始，通常必須經 由「第一著火物」，甚至「第二著火物」等延燒媒介物之著火燃燒，
此段時間又稱為「起火期」，在此階段中室內溫度尚不太高(室內溫度 通常以室內中央上方靠天花版之位置測定之，而其時間之長短，亦隨 著火源與著火物種類而有所不同)。
(2) 第二成長期(Second Growth Period)
一旦材料著火，其燃燒所產生的熱能向周圍擴散藉由輻射、對流、
傳導等傳遞方式，加速可燃物燃燒，使得溫度逐漸上升。
(3) 最盛期 (Fully-Developed Period)
在火災持續成長過程中，在成長期末期當熱分解產生可燃性氣體 會在室內高處蓄積，當該氣體與空氣之混合氣體濃度達到燃燒界線，
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且此時溫度已達到多數材料之著火點或以上，此時火焰由版壁垂直向 上竄，達到天花版後，即改向水平方向急速擴展，不久天花版全面引 燃，頓時室內陷入火海，此種現象一般稱之為閃燃 (Flash-Over)，此 時室內溫度亦達到最高點。
(4) 衰退期 (Decay Period)
隨著可燃物的燃燒殆盡，火勢亦開始衰退，此種情況若任其擱置，
則現場附近將可以長時間繼續保持高溫，室內溫度亦一直維持在 200 ℃~300 ℃不易下降。
圖 2. 2 室內火災之歷程曲線 (資料來源：陳弘毅，2003)
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600-900 燃料控制燃
燒 600-1200
所有可燃物皆燃燒
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(1) 膠結材受熱之變化
Mindess (1980) 曾探討混凝土中之水泥漿體與骨材界面的物理及 化學變化，藉以了解膠結材及顆粒材膠結情況對混凝土強度、耐久性 之影響。危時秀 (2003) 、施佩文 (2013) 曾探討混凝土組成中之膠結 材與顆粒材於高溫作用下之變化，通常當加熱至100~110 ℃材料內部 的孔隙水及吸附水可全部消失，而位於水泥漿體中的礦物晶格中之結 晶水扮演著結構的重要角色，結晶水是以中性水分子 (H2O)的形式存 在於礦物晶格中，因受晶格的約束力比材料表面之吸附水大得多，一 般都在200~500 ℃間，而當水泥漿體超過 650 ℃時，分解後之水泥原 料，會重新燒結成水泥熟料，產生化學變化使其重新具有鍵結力，如 表2. 3 所綜整。然而除了水泥砂漿受熱後產生化學變化，在物理性質 上亦有所變化，在水泥砂漿受熱105 ℃初期，由於材料內部吸附水的 消失而產生體積收縮，若持續加熱至 500 ℃其體積收縮率約 0.4 %，
恐與顆粒材產生差異膨脹問題，並在膠結材與顆粒材之介面產生問題，
如圖2. 3。
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(資料來源：沈進發與陳舜田，1999)
圖 2. 3 水泥漿體之溫度與長度變化關係 (資料來源：Mindess,1981)
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(2) 顆粒材之熱學性質
顆粒材在混凝土材料所佔體積比例相當大並扮演著重要角色，而 顆粒材因產地區域不同而有不一樣的特性，一般依其成份可分為矽質 骨材 (Siliceous Aggregate)又稱為酸性骨材，及石灰質骨材 (Carbonate Aggregate)又稱為鹼性骨材，矽質骨材之主要成分為石英礦物 (Quartz)
，而石英是由二氧化矽所組成，由圖2. 4 中可知，當石英礦物受熱溫 度達 500 ℃時，在體積變化上會產生約 0.85 %的熱膨脹量，當溫度達 573 ℃時，會有晶相轉換 (Phase Transformation)發生，由 α 相轉變至 β 相，熱膨脹量從 0.85 %上升至 1.4 %導致材料結構破壞；當溫度上 升至900 ℃體積膨脹趨於穩定不再增加。
圖2. 4 矽質骨材的溫度與線性膨脹之關係
（資料來源：Gordon,1996）
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Georgali and Tsakiridis (2005)指出當火害溫度達300至600 ℃時，
混凝土的表面顏色會由正常顏色轉變為粉色偏紅色，當600至900 ℃ 會呈現白灰色，900 ℃以上時則呈現褐色，如圖2. 5，而粉色的變化是 由於混凝土中的膠結材或顆粒材中含有鐵的成分，並指出當溫度於 200至250 ℃時，其抗壓強度會開始產生下降；達300 ℃其抗壓強度下 降約15至40 %；550 ℃時約下降55至70 %。
Arioz (2007)曾改變混凝土的顆粒材組成與水灰比，探討高溫作用 對於壓力強度之影響，而由石灰質骨材組成的混凝土加熱至 600 ℃時，
其強度之變化轉變為快速下降，從圖 2. 6 中觀察溫度達 600 ℃其相對 抗壓強度尚有 90 %，加熱至 800 ℃時只剩下 37 %，而水灰比對於強 度並無顯著的影響，矽質顆粒材在高溫作用下造成體積膨脹對於強度 衰減有較顯著之變化。
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圖 2. 5 混凝土於高溫作用下之變化
圖 2. 5 混凝土於高溫作用下之變化