混凝土受熱驅作用之內部溫度分布與理論、數值解析 155

第一項 溫度監測試驗成果分析

為評估混凝土受溫度作用達初始持溫時間 (詳第四章第二節第 二項)，採用單向度熱傳理論進行推估 (式 3. 16、式 3. 20)，與實驗 量測成果進行比對，並研析試體內部溫度受邊界溫度影響之情況，

本研究執行共計 4 組試驗，分別為最高溫度 300、400、500、800 ℃，

詳述於後。

針對高溫爐的控溫設定為最高溫度 600 ℃，升溫速率 10 ℃/min，

而於邊界上量測之溫度分布卻不同 (本研究於試體表面纏繞一熱電 耦線，定義其為試體之邊界溫度)，因為考慮電腦程式的感應器位置，

且爐內加溫過程 (空氣) 之溫度傳遞並非傳導，以對流為主，又根 據加熱元件與試體位置有明顯距離，皆是造成邊界上的溫度非電腦 控制的因素。則依據前述之分析模式，將邊界之非線性升溫歷程以 線性進行分析，而實際情況於不同位置之邊界升溫狀況可能不同，

如於圓周前、後之熱能傳遞可能較小，受到加熱原件佈設於圓周左 右影響，因此，為提升分析之信度，邊界之熱電耦線佈設於試體前 方之中間處，作為試驗之邊界升溫位置。

由 600 ℃試驗中觀察 (圖 4. 4 及圖 4. 5)，試體中心 (a、b₁、c) 於 540 至 550 ℃發生一個溫度平台，此時試體的內部溫度保持不變，

大約持續 20 至 30 分鐘，其原因為矽質骨材於 570 ℃左右發生相變 之轉換，由 α 轉至 β 相，吸收大量之熱能所致，此種現象亦可由沈 進發與陳舜田 (1993)之文獻觀察出，而於試體 1/4 處 (b₂、b₃)，於 540 至 550 ℃間，也產生一溫度平台的現象，但此平台之持續時間 相較於試體中心處短，原因為當邊界上之高溫往低溫流動的過程，

溫度會漸趨於平衡，而試體 1/4 處較快達到骨材相變轉換的階段，

此時試體內部尚有相當的溫差存在，所以熱能傳遞較快，而於試體 中心達骨材相變轉換的溫度時，此時試體內部的溫度梯度已變小，

熱能傳遞變慢，引致其溫度平台之持續時間較長。本研究於試體中 心段面埋設三條熱電偶線 (b₁、b₂與 b₃)，針對溫度傳遞是否有異向 性之問題進行探討，試驗成果顯示 (圖 4. 5 及圖 4. 6)，溫度傳遞異 向性之問題並不顯著，因此針對本研究之混凝土溫度傳遞異向性問 題暫且不考量。而針對上下中心點 (a、c) 之溫度歷程 (圖 4. 5 及圖 4. 6)，可發現於上部中心 (a) 之升溫狀況大於其他二者( b₁、c)，原 因為上部中心點 (a) 靠近上緣邊界所致，於爐內之加溫狀況實際為 三向度之熱傳，使上緣之升溫情形大於中心，至於下部(c)點之升溫 狀況近似於中心點 (b₁)，原因則為觀察爐體之加熱原件主要佈設於

兩測，上緣部分可靠對流吸收能量，而下緣則與高溫爐面接觸，吸 收之熱能主要由圓周傳入，與中心點 (b₁)較相近。雖 a、b₁、c 三點 之溫度歷程有差異，但也並不顯著，因此可說明本研究混凝土於高 溫爐中之熱傳行為較近似於二維度熱傳行為。

圖 4. 4 熱電耦線佈設之上視與側視及其編號說明 (資料來源：本研究整理)

圖 4. 5 試體外邊界之升溫歷程與最高溫度之關聯性 (資料來源：本研究整理)

圖 4. 6 試體中心 (a、b₁、c)的升溫歷程與最高溫度之關聯性 (資料來源：本研究整理)

圖 4. 7 試體 1/4 處(b₂、b₃)的升溫歷程與最高溫度之關聯性 (資料來源：本研究整理)

第二項 單向度熱傳理論解析與實驗成果比對成果

將相關實驗試驗成果，以單向度熱傳方程式進行比對，研擬作 為本研究單壓試驗試體之初始持溫時間評估，由於纏繞熱電耦線時 之電壓值不盡相同，因此每條量測曲線之最高點可能有些微差異，

其差異約為± 5 ℃；透過假設其熱擴散係數為 4.210^-5 m²/min，可 得較佳之模擬成果，如圖 4. 9 及圖 4. 10 所示，不論是高溫或低溫之 模擬成果，皆可說明模擬成果之可靠性，觀察 600 ℃之試驗，由於 540 至 550 ℃之間產生矽質骨材的相變轉換而吸收能量，使實驗量 測之溫度停止上升，引致理論解析於接近 600 ℃之模擬成果較不佳；

於試體 1/4 處之量測中，b₂與 b₃之實驗量測與理論模擬成果趨勢亦 與中心點 (a、b₁、c) 量測相同，相關邊界模擬之參數如表 4. 1 至表 4. 4 所示。

由於實驗量測於試體內部的溫度於接近設定高溫後，溫度漸趨 於收斂，原因為於開始加溫時試體內部之溫度梯度極大，使溫度上 升明顯，而當溫度漸平衡時，熱能傳遞較緩慢，為後續溫度上升不 顯著的主因，有鑑於此，若試體達初始持溫時間之定義是以試體中 心達設定高溫，事實上其試體的任意位置於接近設定高溫已持續一 段時間，無法分辨是最高溫度造成傷損，亦或是持溫時間，且當試 體內部之溫度梯度變小後，因溫差產生之熱應力降低，造成的熱應

力損害已不復見，因此，有別於傳統定義之穩態時間 (試體內部均 溫)，本研究觀察試體中心之升溫曲線似由兩條線性段組成，則以兩 條直線之交點所對應之時間，定義為試體初始持溫時間，如圖 4. 8 所示，相關試驗之量測溫度達初始持溫時間如表 4. 5 所示，並比較 其與理論初始持溫時間之誤差，如圖 4. 12 所示，理論分析透過選擇 熱擴散係數為 4.210^-5 m²/min，可得較佳的理論達初始持溫時間，

與實驗之差異不超過 7 %，本研究於後續即使用單向度熱傳理論作 為實驗初始持溫時間的推估。

圖 4. 8 混凝土試體達初始持溫時間定義 (資料來源：本研究整理)