混凝土耐久性

台灣氣候環境高溫潮濕，空氣及水汙染嚴重，對結構物主結構材料有很大的 影響，因此材料之耐久性能特別重要。ACI 201 規範將混凝土之耐久性定義為「抵 抗風化作用、化學侵蝕、磨損及經過物理、化學作用長期劣化作用下抵抗毀損能 力」。物理、化學作用劣化可以分成：鹽害、鹼‧骨材反應、化學侵蝕、中性化、

凍害、磨損作用下之混凝土劣化。

混凝土屬於多孔隙之複合材料，許多材料組成，本身有許多微小孔隙，混凝 土運用於各種結構構造物、水工構造物，處於各種惡劣環境作用下，環境中的水、

氣體及侵蝕性的化學物質，都會藉由混凝土表面之孔隙，緩慢的滲透到試體內 部，產生物理、化學之劣化反應，使混凝土品質、強度受到劣化之影響。因此在 耐久性之考量上，如何縮小試體縫隙，來阻斷有害物質侵入，是相當重要的因素

水泥產生水硬性反應後，會產生 C-S-H 膠體、氫氧化鈣、硫鋁酸鈣水化物

圖2-16 針刺球狀之 CSH 膠體[58]

圖2-17 六角薄板層狀堆疊之 CH 晶體[58]

使用的矽灰，利用水淬爐石粉來取代，設計出抗壓強度可達150MPa 之配比。澆 置時為了有較佳工作性能且避免鋼纖維發生沉澱情形，添加鋼纖維含量0%、

1%、2%之流度值必須控制於 200~250mm 之間，來進行爐石取代量配比探討。

為增加爐石取代量，活性粉混凝土採用熱養護方式，使材料抗壓強度性質能夠達 40×40×160 mm 進行彎曲韌性試驗，利用載重-撓度曲線圖計算韌性指數(TI) 及殘餘強度；則抗彎破裂韌性試驗，使用長方形40×40×160 mm 抗彎試體，

波傳理論，得到RPC 受衝擊時應力-應變曲線，求得衝擊時之活性粉混凝土 抗壓強度、衝擊能量 J、楊氏彈性係數 E、衝擊吸收能量。

5. 探討爐石活性粉混凝土耐久性質，進行加速中性化試驗[61]、氯離子滲透試 驗(ASTM C1202-97 及 CNS 14795)、透水試驗(JIS A 6101)、硫酸鹽試驗(CNS 14794 及 AASHTO – T104)四種耐久性試驗。

6. 微觀試驗使用掃描式電子顯微鏡(SEM)透過 1000X、3000X、5000X 放大倍 數，觀察添加爐石及未添加爐石之活性粉混凝土，分析粘結密實性、孔隙、

和材料內部之晶體微觀結構。

3.2 材料性質

活性粉混凝土(RPC)為水泥基複合材料，RPC 可由水泥砂漿(基材)添加鋼纖 維(介質)所組成之鋼纖維活性粉混凝土，其試驗材料如下：

1.水泥：

採用台灣水泥公司第 II 型卜特蘭水泥，如圖 3-1。有中度水化熱與中度抗 硫酸鹽的特性，由於含有較少的C3A，能使水化熱降低，且有抗硫特性及良好耐 久性，密度為3.16 g/cm³，平均粒徑約為15.8 μ m。其水泥化學及物理性質如表 3-1。

2 .石英粉：

為玻璃磨成的石英粉料，粒徑約為5-20μm，如圖 3-2。石英粉主要功能在熱 處理期間可以激發其活性，幫助CH 產生 C-S-H 膠體。

圖 3-2 石英粉

3.石英砂：

採用志純實業股份有限公司生產之石英砂，使用型號為#4，如圖 3-3，平均 粒徑約為105~420μm，密度為 2.62 g/cm³，SiO2 純度達 97％，硬度在 6~7 之間。

(a)

圖3-4 矽灰

表3-2 矽灰基本性質【興大內台電試研中心 2004】

試驗項目 單位 試驗結果 試驗方式

二氧化矽(SiO2) % 95.01

ASTM C1240

燒失量 % 1.98

細度 m²/kg 20,000 與水泥混合7 天之活性指數 % 91.38

5.水淬爐石粉:

水淬爐石粉為中聯公司生產之水淬爐石粉，如圖3-5，符合 CNS 12549 規 格，使用型號為#6000，其細度為 611m²/kg (平均粒徑為 7.02μm)。水淬爐石粉 化學及物理性質表如表3-3。

圖3-5 水淬爐石粉

表3-3 水淬爐石粉物理與化學性質【中聯公司】

檢驗項目 (Inspection Itern)

檢驗結果 (Test Result) 物

理 試 驗

比表面積(Fineness by Air Permeability test) m²/kg 墁料空氣含量(Air content of Mortar) 2.94 化

圖3-6 強塑劑

7.鋼纖維：

使用Dramix 公司生產之鋼纖維，長度為 12.0mm，直徑 0.18mm，長徑比 (aspect ratio)為 60，比重為 7.8，其表面經過鍍銅處理成金黃色以防腐蝕，鋼纖維 可使脆性混凝土材料變成具韌性的材料，如圖3-7。

(a)

(b) 圖3-7 鋼纖維

的工作性及避免鋼纖維沉澱的情形發生，最後調整出爐石取代矽灰含量之配比表

(爐石取代矽灰量) A(0%)、B(30%)、C(50%)、D(70%)、E(100%) 鋼纖維量 0%、1%、2%

D2 2% 0.25 180 714 65 151 252 888 48

圖3-8 拌合機

將水與強塑劑均勻混合，分三次加入拌合桶中，加入後分別拌合1 分鐘，最 後一次加入(水+強塑劑)後，大約拌合 8 分鐘就會產生流度。若是無添加鋼纖維 之基材，則產生流度後使用三速(360rpm)進行高速攪拌一分鐘；若是添加鋼纖維 之活性粉混凝土，則分三次份量加入鋼纖維，每次加入鋼纖維後，使用一速(120 rpm)進行攪拌，第三次加入完成後，再進行三速(360rpm)進行高速攪拌一分鐘。

依照材料配比準備材料

90℃熱水進行熱養護 7 天，取出後放置於室溫一天使試體降溫再進行試驗。

2. 養護 2 (Curing2) : 將拆完模後試體，置入恆溫恆濕水槽養護，於 90℃熱水熱 養護5 天，取出後放置於預先加溫至 90℃高溫烘如圖 3-12，再以每分鐘 2℃升 溫速率升溫至210℃，進行熱養護 2 天，最後取出後放置於室溫一天使試體降 溫再進行試驗。

圖3-10 灌置完成後利用夾鏈袋封住試體

圖3-11 恆溫恆濕水槽 90℃熱水養護

圖3-12 高溫烘箱 210℃高溫養護

3.6 試體研磨

試體熱養護後，取出冷卻後進行試驗前，必須保持受壓面水平狀態，避免加 載應力集中現象。因此使用試體研磨機如圖3-13，將試體先行研磨處理，確保試 體兩端之受載面保持水平狀態，再透過精密水平磨床(圖 3-14)，進行兩受壓面水 平研磨，研磨至兩面保持水平光滑為止，經水平研磨處理後的試體如圖3-15。

圖3-14 精密水平磨床

圖3-15 試體經水平研磨處理

3.7 試驗儀器與設備

1. MTS 萬能材料試驗機

本研究使用之100 噸 MTS 材料試驗機，為美國 MTS 公司所生產製造，為 自動循環封閉迴路伺服油壓控制系統，由可供應油量200gpm 的油壓機、驅動軸、

100 噸荷重計(load cell)及可利用電腦或手動調整命令之主控制箱所組成，如圖 3-16 所示。實驗進行加載方式可採用荷重控制(load control)、位移控制

(displacement control)或應變控制(strain control)任一種方式進行實驗。

試驗進行中，荷重計、LVDT 及開口位移計，分別將訊號傳回主控制箱，並 且MTS 主控制箱會進行偵測試驗進行狀況與設定狀況是否一致，若不一致會同 時進行補償。

MTS 萬能材料試驗機對圓柱試體進行抗壓試驗，在 Φ50×100mm 圓柱抗壓 試體裝設50mm 軸向伸長計(extensormeter)，橫向裝設應變環，紀錄試體受加載 到破壞軸向位移情形，及橫向、側向加載時變形關係，可畫出完整應力-應變曲 線圖形，可計算求得彈性模數E 值、柏松比ν值。

圖3-16 MTS 萬能材料試驗機、控制器及電腦分析系統

2.分離式霍普金森桿法試驗機(SHPB)

分離式霍普金森桿法試驗裝置如圖3-17 所示，設備全長 10m，主要由控制 器、資料擷取系統、動力供給系統、測速系統、撞擊桿、入射桿、透射桿及緩衝 系統等部份所組成。啟動器壓控制系統如圖3-18 所示，是用來控制鋼瓶填充氣 體及發射撞擊桿之用途，動力系統是利用空壓機及高壓鋼瓶組成。入射桿與透射 桿黏貼應變計後，連接惠斯電橋(Wheastone bridge)、訊號放大器與數位式高速示 波器，量測兩端受撞擊後之彈性應變量，以計算入射桿與透射桿所夾持試體之應 變歷程，緩衝系統則由最末端耗能設備，用以吸收撞擊後之能量，避免各桿彈回 撞及影響資料之擷取。

圖3-17 分離式霍普金森壓桿試驗機

圖3-18 啟動氣壓控制系統

3.掃描式電子顯微鏡(SEM)

微觀試驗使用中山大學國科會貴儀中心儀器，採用儀器廠牌為 JEOL 型號 JSM-6330TF 掃瞄式電子顯微鏡，如圖 3-19 所示 SEM 利用電子束撞擊在試體時 所產生各種不同訊息，其中以二次電子與背向散射電子為SEM 主要呈像依據，

在超高真空(−10⁻¹⁰torr)環境中操作，可得到高品質解析度影像。

在拍攝SEM 前，試體需要經過烘乾、乾燥、鍍金腹膜等程序，烘乾方式則 使用烘箱進行烘乾，再浸泡於甲醇溶液當中，避免水泥繼續進行水化反應，再進 行鍍金腹膜之工作，利用離子腹膜機，在試體表面上均勻覆蓋一層金屬薄膜。

圖3-19 掃描式電子顯微鏡

4.伸長計

軸向伸長計是利用惠士頓電橋原裡，其電路如圖 3-20 所示，一根金屬導線 的阻抗與長度成正比，但與截面積成反比，當此導線受到外力拉伸或壓縮時，其 阻抗會因此而改變，但改變的數值太小無法直接應用，所以將導線拉長並彎曲，

其阻抗約為300Ω。試體上裝設軸向和橫向伸長計之方式，如圖 3-21 所示。

圖3-21 試體裝設軸向伸長計

5.連續記錄器

採用CRONOS-PL2 連續記錄器，如圖 3-22 所示，連接電腦與配合 LVDT 位 移計使用，裡面包含惠斯敦電橋所產生微電壓變化，將信號放大後輸出，紀錄電 壓放大器所擷取的電壓頻率，每秒讀取資料紀錄最快可以到達20k 筆，紀錄數據 資料包含時間與電壓。

圖3-22 連續記錄器

6.精密平面磨床

採用儀器廠牌為KENT，型號為 KGS-250/AHD 之精密平面磨床，主要確保 在進行靜、動態抗壓試驗時試體上下水平面整平，防止試體受力不平均造成應力 集中現象，精密磨床如圖3-14 所示。

7.應變片(strain gage)

應變片原理是利用金屬導線電阻值的改變，進而量測應變值，本研究使用 KYOWA 生產之應變片，型號為 KFG-5-120-C1-11，應變片長度 5mm，電阻值 119.8±0.2 歐姆(Ω)，將應變片黏貼於霍普金森壓桿試驗機之入射桿與透射桿之彈 性桿上如圖3-23 所示，配合高速數位示波器擷取數據資料。

圖3-23 應變計黏貼於彈性桿

8.數位式示波器

採用 Agilent 科技公司之 54620A 示波器，所記錄霍普金森壓桿試驗機之試 體受撞擊瞬間彈性桿之應變、荷載、位移及時間等數據，而數據擷取量可達 200MHZ 的訊號，示波器如圖 3-24 所示。

圖3-24 數位式示波器

第四章 爐石活性粉混凝土基本性質

4.1 試驗目的

本研究將傳統活性粉混凝土配比中使用的矽灰，利用水淬爐石粉來取代，分 別利用爐石取代矽灰0%、30%、50%、70%、100%，找出齡期 10 天抗壓強度可 達150MPa 之配比。澆置時為了有較佳工作性能且避免鋼纖維發生沉澱情形，添 後，使用ASTM C230M-03 規範之流度台，依據 ASTM C109-99「水泥砂漿流度 試驗法」進行流度試驗。使用之流度錐頂端直徑 70mm、底部直徑 100mm、高 度50mm，放置於流度試驗台(圖 4-1)中間。在進行試驗之前，必須先利用濕抹布

圖4-1 流度試驗台

圖4-2 流度台震動後量坍度直徑