混凝土材料之熱學性質及溫度對其影響

為瞭解在火中建築物的性能與行為，須先掌握建築物構件組成材料於高溫下的力 學性質（降伏強度、極限強度、彈性模數...）與熱性質（熱膨脹係數、熱傳導係數、

比熱、熱擴散率、熱容量...），如圖 2-32所示。材料力學性質與載入速率及加熱速率有 關，而模擬其應力-應變與溫度關係的本構方程基本上有兩種測試方式可推導之，即穩 態試驗（steady-state temperature test）與暫態試驗。以混凝土材料為例，其熱學性質及 溫度對其影響，謹扼要簡述如下。

圖 2-32 高溫下建築物性能與其構件組成材料之關係

（資料來源：本研究整理）

壹、混凝土密度與溫度之關係

Schneider（1988）指出，隨著溫度之增加，混凝土密度會呈現出降低之趨勢，且 隨骨材性質之不同，其衰減情形亦有明顯的差異。在升溫初期，因混凝土內水分汽化 而降低，同時骨材及水泥漿體受熱膨脹，使其體積增加，故質量密度減小。此現象在 升溫過程中始終存在，且隨溫度增加其影響漸增。此外，不同礦物組成的骨材，其在 受熱時之表現亦有所差異。例如矽質骨材在 600~800℃分解形成晶體，伴隨巨大的體 積膨脹，使質量密度大幅降低；而玄武岩和石英在 1200~1400℃時熔化、燒結，使混 凝土質量密度回升。輕質混凝土的質量密度隨溫度增加之變化與常重混凝土相似，但 因 LWA 於燒結過程已加熱超過 1100℃，使其體積較穩定，故變化幅度更小。至於混 凝土密度與溫度之關係曲線，可參考 Eurocode 2（EC2-02）（2002）。

貳、混凝土熱膨脹係數與溫度之關係

混凝土各組成受熱後的熱膨脹性質並不相同，故其熱膨脹係數為各組成性質之組 合，且深受含水量、齡期等因素的影響。一般而言，骨材的熱膨脹係數大致介於 4~1310^-6/°C、水泥漿的熱膨脹係數則大致介於 18~2010^-6/°C，故混凝土的熱膨脹係 數大致介於 7~1410^-6/°C。當溫度上升時，矽質骨材混凝土及石灰質骨材混凝土之熱 膨脹係數可表示如下（Eurocode 2（2002）；Metha（1986））：

10

6

1000 6 T

8  

_



 



 





當 0  T  1000℃ (2-13)

另外，Abrams（1977）亦提供不同骨材混凝土之熱膨脹係數與溫度關係。基本上，

熱膨脹係數可視為連接混凝土熱學及力學性質的參數。就數值分析觀點，溫度-應力耦 合分析即透過熱膨脹係數，合併熱傳分析（溫度場）及力學分析（應力場）。

參、混凝土熱傳導係數與溫度之關係

Collet（1977）之研究顯示，由於混凝土各組成受熱後的熱傳導係數性質並不相同，

故其受熱後的熱傳導係數為各組成性質之組合，而不同骨材所拌製混凝土之熱傳導係 數與溫度關係如圖 2-33所示。

圖 2-33 不同骨材所拌製混凝土之熱傳導係數與溫度關係

（資料來源：Collet（1977））

為便於計算，歐洲規範 Eurocode 2（2002）按照不同骨材來源分成三類，分別給 定其熱傳導係數（W/mK）的計算式如下： 係數會增加 6%，亦與其烘乾密度有關，修正的熱傳導係數可計算如下（ACI Committee 213（2003））：

 

材混凝土之熱容量與溫度關係，可列述如下（Mindess 等（1981）；Metha（1986））：

 矽質骨材混凝土

圖 2-34 混凝土熱容量與溫度及相對濕度之關係

（資料來源：Alnajim（2004））

在文檔中 火害下內灌混凝土鋼管柱承重能力試驗與分析 (頁 73-77)