混凝土材料熱損傷特徵

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 (資料來源：Georgali & Tsakiridis, 2005)

圖2. 6 混凝土於高溫作用下對相對強度之影響 (資料來源：Arioz, 2007)

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於高溫環境作用下，混凝土的彈性模數 (Modulus of Elasticity)將 隨溫度升高而迅速降低，降低比例程度較單壓強度來得大(如圖 2. 7 所示)，造成此現象主要係因混凝土內部存在一過渡結構(Interfacial Transition Zone)，當混凝土暴露於火害環境或高溫作用下，過渡區結 構之微裂縫生成與擴展更為劇烈，因此造就了混凝土之勁度(變形模 數)受熱驅作用之折減較強度折減為嚴重。

圖 2. 7 混凝土暴露於高溫下之性質變化 (資料來源：黃兆龍，1988)

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第二項 水泥基質材料之力學性質與升溫變數之關係

在溫度逐漸升高的過程中，水泥基質材料中膠結材與顆粒材之體 積變化是大相逕庭的，整體而言，膠結材為收縮變形，顆粒材為分解 膨脹，彼此間的差異變形使得材料界面微裂縫的滋長或延伸；而外部 環境變數之完整升溫歷程又可分為：升溫速率、最高溫度、持溫時間、

降溫梯度四大變數，其主要與強度折減之關係分述如下：

(1) 升溫速率(Rate of Heating, R

)

升溫速率對混凝土抗壓強度折減，在低溫有顯著影響，但在高溫 則較無影響。升溫速率快慢之影響，恐涉及混凝土暴露於高溫環境中 之時間，使得混凝土內部之吸附水、鍵結水損失程度有所不同。但如 升溫相當快，將使試體內部存在著相當大的溫度梯度，造成較大量之 微裂縫生成或裂縫衍生，而對強度折減產生影響。溫度在600度以上，

升溫速率對試體強度折減已無顯著影響。

(2) 最高溫度(Max Temperature, T

)

最高溫度是最直接影響強度折減的因素，因高溫將使膠結材之孔 隙水、鍵結水消散，及顆粒材的相變與分解，於混凝土內部界面形成 微裂縫，使強度折減，且通常最高溫度越高，則強度折減越大。

(3) 持溫時間(Exposure Time, te)

依文獻(Mohamedbhai, 1986及沈進發與陳舜田，1993) 顯示，持

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(最高溫度小於200 ℃)有顯著影響，但在高溫(最高溫度大於700 ℃)則 較無影響。其主要原因為，混凝土於高溫時，熱主要以輻射方式傳遞，

傳遞速率較為快速，因此可以在較短的時間內對試體造成內部界面破 壞；而暴露在低溫環境時，熱的傳遞主要藉由孔隙水、膠體、粒料進 行傳遞，於此條件下持溫時間的增加，可消散較多混凝土內部的水分，

並且可使熱能充分傳遞試體內部中心，而產生更多的裂縫。

由Mohamedbhai (1987)的試驗，對水灰比0.7之混凝土執行最高溫 度200、400、600、800 ℃與1、2、3、4小時的持溫時間 (以爐內溫度 控制)的熱驅破壞試驗，並使用兩種升溫速率與降溫速率，探求混凝土 於熱驅破壞後之巨觀強度行為；由試驗成果得知，混凝土之強度大部 分折減在持溫時間2小時前發生，如圖2. 8及圖2. 9。

沈進發與陳舜田 (1993)針對持溫時間對強度之影響進行系列之研析，

以水灰比0.55、0.65之混凝土施以常溫至1000 ℃之最高溫度與0至120 分鐘之持溫時間的熱驅破壞試驗；有別於Mohamedbhai (1987)之試驗，

沈進發與陳舜田 (1993)於試體中心埋設熱電耦線，加熱達控制之爐 溫後，持續定溫至試體內部皆達控制之最高溫度 (穩態條件)，定義此 時段為0持溫時間，如圖2. 10所示；由試驗成果得知(如圖2. 11、圖2. 12

所 示 ) ， 持 溫 時 間 對 強 度 之 影 響 主 要 發 生 於 較 低 之 最 高 溫 度

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(300~700℃)之間，於200℃下與700℃上之最高溫度區間，持溫效應對 混凝土強度之影響並不顯著。

圖 2. 8 慢速升溫下混凝土之強度折減與溫度關係 (資料來源：Mohamedbhai ,1986)

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圖 2. 9 快速升溫下混凝土之強度折減與溫度關係 (資料來源：Mohamedbhai ,1986)

圖2. 10 不同升溫梯度與高溫下試體中心升溫歷程

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(資料來源：沈進發和陳舜田，1993)

圖2. 11 不同高溫及持溫時間下混凝土(水灰比 0.55)之強度折減 (資料來源：沈進發和陳舜田，1993)

圖2. 12 不同高溫及持溫時間下混凝土(水灰比 0.65)之強度折減 (資料來源：沈進發和陳舜田，1993)

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(4) 降溫方式(Cooling Condition, W

)

降溫方式依降溫速率由慢到快排列，依序可區分為爐內冷卻 (Cooling in Furnace, CIF)、室溫冷卻(Cooling in Air, CIA)、浸水冷卻 (Cooling in Water, CIW)三種方式。然而，因混凝土中之膠結材與顆粒 材之膨脹特性(熱膨脹係數)不同；於降溫過程中，如速率過快，將再 次因變形不諧和而產生或衍生更多之二次裂縫、孔隙，而加劇熱損度。

第三項 熱-固耦合作用下混凝土之力學行為

鋼筋混凝土結構物受火災時，結構物之構材，混凝土與鋼筋不僅 受火場溫度作用，也受結構之設計載重影響，然於火場中，混凝土為 第一道承受火場高溫之材料，其於熱力與固力耦合下之力學行為，影 響著結構物安全性能；本計畫案為建置簡速型火害傷損判識裝置，必 然考慮混凝土材料於熱-固耦合後之力學行為發展；Abrams (1971)針 對不同種類骨材之混凝土於高溫作用下施以工作載重，試驗其於熱力 與固力耦合後之力學行為。其於高溫下受工作載重之試驗條件如下陳 述：

(a) 施予0.4 fc’之工作載重，並於加熱至試體內部達均溫後，執行抗壓 試驗。

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(b) 不施予工作載重，並加熱至試體內部達均溫後，執行抗試驗。

(c) 不施予工作載重加熱至試體內部達均溫後，冷卻執行抗壓試驗。

試驗成果顯示，不論何種骨材之混凝土，受0.4 fc’之工作載重下 承受高溫能力提升，其強度比未受工作載重條件下提升約25 %，工作 載重束制了裂縫的發展，導致其具有較高之抗壓強度；於冷卻後之混 凝土，其強度折減小於另兩種試驗條件，原因為混凝土於降溫過程中，

產生了變形不諧和，導致其受到二次傷損，強度折減降低。如圖2. 13

至圖2. 15所示。

圖2. 13 工作載重作用下碳酸鹽骨材混凝土受溫度作用後之抗壓強度 (資料來源：ABRAMS，1971)

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圖2. 14 工作載重作用下矽質骨材混凝土受溫度作用後之抗壓強度 (資料來源：ABRAMS，1971)

圖2. 15 作載重作用下輕質骨材混凝土受溫度作用後之抗壓強度 (資料來源：ABRAMS，1971)

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Anderberg and Thelandersson (1976)曾探討受工作載重下混凝土承受 高溫之行為，其試驗條件如下陳述(圖2. 16):

(a) 試驗(A)為受不同工作載重下，持續加溫直至試體破壞，探究其力 量與變形行為之發展。

(b) 試驗(B)為受不同工作載重下，加溫至設定溫度後，持溫兩個小時，

加載至破壞，探究其力學行為。

圖2. 16 試驗(A)與試驗(B)的溫度與加載歷程

(資料來源：Anderberg and Thelandersson，1976)

試驗(A)成果顯示，於0 %工作載重之試驗，其於高溫作用下，混 凝土之熱膨脹變形量達1 %；隨工作載重之增加，其熱膨脹與工作載 重所產生之變形量逐漸變化，於工作載重為40 %時，混凝土之熱膨脹 變形量與工作載重引致之變形量互相抵銷；並隨工作載重愈高時，混 凝土之耐溫能力隨之降低。如圖2. 17所示。

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圖2. 17 不同工作載重下試體升溫過程之變形量

(在5 ℃/min之試驗條件下) (資料來源：Anderberg and Thelandersson，1976)

由試驗(B)之試驗成果顯示，工作載重對混凝土之彈性模數有顯 著之影響，圖2. 18中黑色實線表示在無工作載重下之力學行為，發現 有工作載重之彈性模數皆高於無工作載重狀態下，工作載重之於彈性 模數的影響顯著；然對強度而言，影響並不顯著，在工作載重為

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10 %~22.5 %時，其強度分布在黑色實線上；於45 %之工作載重時，

因試驗之最高溫度為200 ℃，然於200 ℃時，混凝土之強度仍未折減，

尚看不出工作載重對強度所造成之影響。

圖2. 18 (a)彈性模數於不同工作載重與高溫下之關係 (b)強度於不同工作載重與高溫下之關係 (資料來源：Anderberg and Thelandersson，1976)

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第一項 混凝土之傷損

鋼筋混凝土結構受外力傷損時，保護層功效是與鋼筋形成足夠的 握裹能力，以保全整體結構之穩定(不破壞)。混凝土一旦破裂，外界

鋼筋混凝土結構受外力傷損時，保護層功效是與鋼筋形成足夠的 握裹能力，以保全整體結構之穩定(不破壞)。混凝土一旦破裂，外界