混凝土火害後之影響

混凝土由水泥漿體及粒料組成，因為水泥漿體及粒料受火害高溫，二 者反應並不相同，導致其行為相對複雜。就水泥漿體微觀性質而言，區分 為固相及非固相，固相主要指的是晶體，例如 CSH、CH、Afm、Aft 及未 水化水泥，非固相指的是水化後存在於內部的水分及孔隙，例如毛細孔水、

吸附水、層間水、毛細孔隙及膠孔隙。水泥漿體受高溫時，主要影響的因 素為晶體的體積變化與水蒸氣的壓力消散，水泥漿體隨著溫度的上升而使 化學成分產生變化，如表1 所示。水泥漿體的溫度反應區主要在 400℃~800

℃，當溫度超出800℃以後，水泥漿體幾乎將分解回水泥之原化學成分，如 果溫度再昇高，水泥漿體則將產生反轉之現象，重新再燒結成水泥。至於 粒料對於高溫的反應則較水泥漿體單純，主要影響的因素在於不同粒料之 熱膨脹效應，如圖2 所示。

混凝土使用之粒料可分為石灰質粒料或矽質粒料二類，石灰（鹼）質 粒料的溫度特性，在750℃以上會分解並吸熱，粒料體積膨脹減少，因此穩 定性較佳，至於矽（酸）質粒料的溫度特性，因在573℃會產生晶相改變，

粒料體積膨脹而破裂，因此粒料穩定性差。在耐火能力上，通常石灰質粒 料被認為優於矽質粒料[2-4]。

而當水泥漿體與粒料拌合而水化硬固結合成混凝土，其火害行為將與 前述之物理、化學與界面反應相關，茲分述如下：

（1）抗壓強度

混凝土火害後抗壓強度與高溫所導致之材料界面反應相關，當溫度上 升至約 200℃~300℃，CSH 膠體體積發生變化，抗壓強度開始下降，隨著 溫度繼續上升達700℃時，抗壓強度將喪失 50%以上。

混凝土火害後抗壓強度之下降，除與最高溫度有關，亦與最高溫延時 及升溫速率有關。最高溫延時以最初之 2 小時，影響抗壓強度折損最為明 顯，不同高溫在延時內對抗壓強度造成之折減，又以較低之高溫（約 400

℃）時抗壓強度折減為明顯，差異約為 15%以內。至於升溫速率對於抗壓 強度造成之影響，主要係水泥砂漿與粒料之界面區反應，因二者之熱膨脹 係數不同，溫差引起界面不協調而使抗壓強度折減，此反應亦以較低之高 溫時對抗壓強度折減為明顯。

有關普通混凝土及高強度混凝土火害後抗壓強度影響之比較[5]，如圖 3 所示，可分成三個階段：（1）20℃~400℃：高強度混凝土抗壓強度維持不 降低，而普通混凝土抗壓強度已開始衰減。（2）400℃~800℃：二者之行為 約略相同，但高強度混凝土之抗壓強度因初始維持較高之抗壓強度，故此 時較普通混凝土抗壓強度之下降速率快，以600℃時抗壓強度下降最大。（3）

800℃~1200℃：二者均已喪失原有之抗壓強度，行為沒有明顯不同。

另碎石（Gravel）、重晶石（Barite）及鈦鐵礦（Ilmenite）三種重質粒 料混凝土曾進行耐火試驗[6]，如圖 4 所示。結果顯示常溫時三種粒料混凝 土之基本性質差異不大，但加溫後三者各有不同之抗壓強度折減，其中以 鈦鐵礦粒料混凝土具有較佳耐火性能，至950℃尚有 26%之抗壓強度，但碎 石混凝土至此高溫已無抗壓強度。

另輕質粒料混凝土進行之耐火試驗[7]，分別採用了 ISO fire 曲線與

Hydrocarbon fire 曲線（ISO fire 曲線與 Hydrocarbon fire 曲線之差別，在於 Hydrocarbon fire 曲線初期溫度較高[8]），以 ISO fire 升溫曲線之試驗結果顯 示，輕質粒料混凝土耐火能力優於普通混凝土，相同試驗如採用碳氫火害

（Hydrocarbon fire，HC-fire）升溫曲線，試驗卻顯示不同之結果，輕質粒 料混凝土之保護層將產生爆裂，耐火性能反不如普通混凝土，因此瞭解到 較高之初始溫度將不利於輕質粒料混凝土之耐火性能。對於輕質粒料混凝 土在Hydrocarbon fire 曲線之試驗容易爆裂，原因係：（1）輕質粒料混凝土 具有較低滲透性及高含水量，較高之初始溫度，產生高額水蒸氣壓力。（2）

輕質粒料混凝土具低熱傳導係數，較高之初始溫度，導致梯度溫度上升快。

（3）輕質粒料混凝土抗拉強度低，因此較高之初始溫度，易產生拉力開裂。

相同高溫下，火害後抗壓強度之折減與壓應力亦有關，壓應力被認為 可以抑制裂縫的成長，因此提升耐火性能，火害下受壓應力之混凝土，破 裂的情形可較無壓應力之混凝土減輕，因此抗壓強度之折減將較少；如圖5 所示，以 40%壓應力之殘餘抗壓強度最高[9]，但此結論並不適用於高強度 或高性能混凝土。

高強度或高性能混凝土在火害後，壓應力與抗壓強度之折減關係，卻 顯示不同於普通混凝土之結果，由於高性能混凝土內部水化發展較普通混 凝土緻密，火害時因壓應力抑制了裂縫的成長，反不利於高強度或高性能 混凝土內部水壓力之消散，在內部壓力增加之情形，造成了混凝土易爆裂，

因此抗壓強度反而降低，降低了耐火性能[10]。

當混凝土火害後，隨著齡期增加，因為吸收空氣中之水分，導致可能 發生再水化之現象，此時抗壓強度將略為增加，另根據文獻研究，抗壓強 度之回升發生於開始自然冷卻後之 1 個月，而在 1 年後強度可達原強度之 90%，但亦有研究指出，高溫時混凝土內部已有破裂及裂縫現象，實際上抗 壓強度之回復很難超過50%。

另有研究指出，火害後混凝土之強度，隨著不同之冷卻條件，抗壓強 度變化亦會不同，如圖6 所示，以水中及空氣中冷卻下抗壓強度折減最多，

主要原因是在此冷卻環境下，混凝土發生二次龜裂現象所導致[11]。

普通混凝土及高性能混凝土，火害後內部孔隙關係亦將產生變化[12]，

如圖 7 所示，試驗結果發現，火害後混凝土內部孔隙將變大，如在無爆裂 之情形，孔隙率與抗壓強度同常溫下之混凝土，仍具有一定之關係。

另混凝土無論在未受火害或火害後之狀態，孔隙體積之總量，普通混 凝土均高於高強度混凝土，但就孔隙體積增加比例，高強度混凝土係高於 普通混凝土。而為何在上述高強度混凝土孔隙體積增加比例高於普通混凝 土之情形，孔隙體積之總量仍低於普通混凝土，原因係因高強度混凝土之 初始孔隙體積約僅普通混凝土初始孔隙體積之0.3 倍，故縱然火害後高強度 混凝土孔隙比例增加（4.26 倍）高於普通混凝土孔隙比例增加（2.88 倍）

情況下，最終高強度混凝土孔隙體積之總量仍低於普通混凝土。

火害後混凝土之殘留應變試驗，結果顯示溫度在400℃高溫以下時，混 凝土的殘留應變為收縮應變[13]，收縮量隨高溫增加而增加，但溫度在 500

℃高溫以上時，由於混凝土裂縫大增，殘留應變反縮為脹，但若以軸壓力 束制混凝土之開裂，則所量得之殘留應變可為收縮應變。而為何壓應力之 存在，受到火害之混凝土不易產生開裂，文獻指出係因過渡潛變（Transient creep, 又稱 load-induced thermal strain, LITS）之存在，如圖 8 所示，在壓 應力下，過渡潛變抑制了混凝土的熱膨脹，導致整體應變減小，如以普通 混凝土、高強度混凝土及高性能混凝土之過渡潛變來看，以高性能混凝土 最大，普通混凝土較小[14-18]。

對於火害中混凝土之殘餘強度，一般將比火害後混凝土之殘餘強度 高，原因係火害後之混凝土會有冷卻效應，冷卻時混凝土發生二次裂縫，

因此火害後之混凝土殘餘強度會較低於火害中之混凝土殘餘強度。

（2）應力應變關係

如圖 9 所示，火害溫度對混凝土火害後應力應變之行為有極大影響 [19]，混凝土火害後之應力應變關係，陳舜田教授及謝滄海先生[20]綜合了 Schneider U.＆Haksever A. 研究火害中混凝土之應力應變關係 [21]及 Lie T.

T. 研究火害溫度與混凝土殘餘極限強度之關係[22]，推論出火害後混凝土 應力應變之關係，如下式：

⎥⎦

— …

式中：

Ec：火害溫度T℃時混凝土彈性模數 Eco：常溫（20℃）時混凝土彈性模數

高性能混凝土火害後彈性模數之衰減類似於普通混凝土，如圖 12 所 示，較大之不同在於高性能混凝土在400℃以下之溫度，具有較明顯之彈性 模數衰減，高於400℃以後，則彈性模數趨於緩和。以普通混凝土與高性能 混凝土之彈性模數衰減比例做比較，火害後高性能混凝土彈性模數之折減 大於普通混凝土。彈性模數同抗壓強度之影響，與粒料種類有關，亦具有 火害後回昇之性質，約於１個月後回復，當然其火害後之混凝土彈性模數，

亦因二次裂縫效應會較低於火害中之混凝土彈性模數。

（4）外觀變化

混凝土火害表面外觀變化與水泥之化學反應有關，溫度未達300℃，混 凝土主要為水分之喪失，因此表面色澤變化不大，溫度在300℃至 600℃之 間，因CSH 與 CH 產生分解，表面顏色逐漸粉紅色化，溫度繼續升溫至 800

℃，因水泥分解之氧化鈣（CaO）吸收空中之水分，形成碳酸鈣，表面顏色 此時轉為灰色，溫度仍繼續升溫時，因混凝土分解之水化物將因高溫重新 燒結，將回復成水泥之顏色，此時表面將形成黃褐色至淺黃色。

（5）裂縫及爆裂行為

混凝土火害裂縫形成主要在界面處，隨著火害溫度之增加，裂縫不斷 延伸及擴大。當溫度未達 300℃，外觀上無裂縫發生，溫度在 300℃至 600

℃之間，裂縫開始形成，溫度繼續升溫至900℃，形成均勻且龜裂狀之裂縫，

溫度繼續升溫，則多條大裂縫將發生。

混凝土火害爆裂的原因並非單一，包括了內部含水量、界面區之體積 脹縮協和、受溫之升溫速率、加熱方向、混凝土試體之大小、混凝土之緻 密性、壓應力、粒料等，一般而言，影響程度為正面性，例如含水量越高，

越容易爆裂，但影響因素中之加熱方向、混凝土試體之大小、混凝土之緻 密性及壓應力又與含水量之消散能力有關，所以內部含水量可說是影響爆

越容易爆裂，但影響因素中之加熱方向、混凝土試體之大小、混凝土之緻 密性及壓應力又與含水量之消散能力有關，所以內部含水量可說是影響爆