混凝土與鋼筋受高溫後之材料性質變化

材料受熱而造成破壞，可因不同材料之特性而有所不同，而本研 究是針對鋼筋混凝土中之混凝土(脆性材)與鋼筋(延性材)作為研析對 象，故於後僅針對上述兩種材料作相關介紹。

第一項 材料之基本熱學性質

材料具有比熱、熱傳導係數、熱擴散係數、熱膨脹係數等熱學參 數，影響材料中之溫度場及熱能傳遞，茲將各熱學參數之物理定義，

作以下之陳述。

（1） 熱傳導係數 (Thermal Conductivity)

根據一維傅立葉定律 (Fourier's law)，以一單位時間之熱源通過 單 位 面 積 元 素 法 線 方 向 之 熱 流 量 ， 其 值 與 該 元 素 之 溫 度 梯 度 (thermal gradient)成正比，而當材料為均質 (homogeneous)、等向性 (isotropic material)，此時材料在任一方向之熱傳導係數均相同，假設 溫度分佈之函數為 ，熱流方向以直角座標系統之 x 方向改變，運 用熱力學第二運動定律，熱須滿足由高溫傳至低溫處，因與溫度梯度 相反而產生負號，若以熱流量表示可寫成式(2.2)與式(2.3)：

(2.2)

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(2.3)

式中， 為熱能沿 x 方向的熱傳導率，k 為熱傳導係數， 熱能 沿 x 方向，垂直於熱傳導方向之單位面積的熱傳導率， 為垂直於熱 流動 x 方向的截面積。

學者Schneider (1988) 藉由不同含水量與不同骨材類型之混凝 土，探討高溫作用下之混凝土，考慮混凝土可能在短時間半小時甚至 數小時承受高溫延燒，而溫度考量範圍為 20 至 1000 ℃，探討材料 受 高 溫 後 之 熱 學 參 數 (thermal properties) 、 單 軸 壓 縮 強 度 (Compressive strength) 、 應 力 - 應 變 特 徵 曲 線 (stress-strain characteristics)等相關參數，並指出影響熱傳導係數兩大主因為含水量 多寡與骨材的類型(矽質骨材、石灰質骨材)，如圖 2- 4所示，其結果 顯示熱傳導係數隨著溫度上升而降低。

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圖 2- 4 不同混凝土之溫度與熱傳導係數之關係 (資料來源：Schneider, 1988)

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Kodur and Khaliq (2011)研究中，曾研析高溫對於不同類型之高強 度混凝土(添加鋼絲、聚丙烯、纖維)之熱學參數之影響，探討溫度 20 至 800 ℃之高強度混凝土 (High-Strength Concrete, HSC)、自充填混 凝土(Self-Consolidating Concrete, SCC)、添加飛灰之混凝土(Fly Ash Concrete, FAC)，如圖 2- 5 所示，在此溫度狀態下自充填混凝土相較 其他兩種混凝土有較高的熱傳導、比熱、熱膨脹。並提到熱傳導係數 伴 隨 著 溫 度 的 升 高 而 下 降 ， 其 主 要 原 因 跟 混 凝 土 之 組 成 (mix properties) 、 含 水 量 (specifically moisture content ) 、 滲 透 性 (permeability)相關，依照其建議受高溫影響後之熱傳導係數，不同類 型混凝土之熱傳導係數可由式(2.4)至式(2.9)推估。

1、 HSC

(2.4)

(2.5)

2、 SCC

(2.6)

(2.7)

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3、 FAC

(2.8)

(2.9)

圖 2- 5 不同溫度與熱傳導係數之關係 (資料來源：Kodur & Khaliq，2011)

（2） 熱擴散係數 (thermal diffusivity)

熱擴散係數代表材料本身對吸熱與放熱之能力，其定義以式(2.10) 表示：

(2.10)

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式中， 為熱擴散係數( )， 為比熱( )，k 為熱傳

導係數( )， 為密度( )。

由上述可得知，熱擴散係數為熱傳導係數與單位體積熱容量 (heat capacity)之比值，熱擴散係數與材料之組成特性、含水量、溫度 相關，就物理性質而言，當熱擴散係數值越高，代表熱之傳輸速率越 快。

學者 Hanley (1978)，曾研析不同氣乾岩石材料之熱擴散係數於溫 度 300-1000 k 狀態下之變化，如圖 2- 6 所示，氣乾狀態下之岩石隨 著溫度的升高，熱擴散係數有下降的趨勢。

圖 2- 6 氣乾狀態下岩石熱擴散係數與溫度之關係 (資料來源：陳聖文，2008)

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（3） 熱膨脹係數 (Coefficient of thermal Expansion)

材料本身受熱後之改變，其材料本身長度、面積、體積變化量之 關係，便可稱為熱膨脹係數。

以物質受熱作用每單位溫度的長度變化比，稱為線膨脹係數 (Coefficient of Linear Thermal Expansion, CTE)，如式(2.11)。

(2.11)

式中， 為線膨脹係數；L 為長度；T 為溫度。

Rodur and Sultan (2003)，研析不同顆粒材類型之高強度混凝土之 熱學性質，並指出混凝土材料中，骨材類型可分為矽質骨材與石灰質 骨材，對於熱膨脹量改變有很影響，圖 2- 7 中，由矽質骨材組成之 高強度混凝土，熱膨脹量隨著溫度增加而增加，而當溫度增加至 550

℃時，矽質骨材中的石英產生的相變，直到 700 ℃開始維持定值。

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圖 2- 7 高強度混凝土溫度與熱膨脹係數關係 (資料來源：Rodur & Sultan, 2003)

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（4） 比熱 (specific heat)

比熱又稱為熱容量(heat capacity)或儲熱量(store heat)每升高 1

℃，物體本身所需之能量，由式(2.12)表示：

(2.12)

式中 為比熱， 為熱容量， 為質量， 為溫度變化。

Harmathy and Allen (1973)曾整理 Colette 與 Odeen 資料中，在高 溫作用下比熱隨著溫度增加，其所繪的溫度變化與比熱關係，如圖 2- 8。學者 Schneider (1988)改變含水量多寡與骨材的類型(矽質骨材、石 灰質骨材)改變，研析混凝土受高溫影響後之溫度與比熱之關係，如 圖 2- 9。Kodur and Khaliq (2011)文獻中整理多位學者之研究於高溫 作用下普通強度混凝土之比熱與溫度關係，如圖 2- 10，並指出影響 比熱主要因素為混凝土的含水量、骨材種類、密度。

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圖 2- 8 混凝土比熱與溫度關係圖 (資料來源：Harmathy & Allen, 1973)

圖 2- 9 矽質、石灰質混凝土比熱與溫度關係圖 (資料來源：Schneider,

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1988)

圖 2- 10 普通強度混凝土比熱與溫度之關係 (資料來源：Kodur & Khaliq, 2011)

第二項 混凝土材料高溫後之性質變化

火害研究大多以混凝土為主，然而混凝土受火害後之性質變化與 水泥砂漿極為類似，且混凝土之組成可分為膠結材(水泥砂漿)與顆粒 材(骨材)兩部分探討，而其中水泥砂漿受熱後之物理、化學性質極為 重要，因此本小節將回顧水泥砂漿受火害或高溫作用下之性質變化。

(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

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圖 2- 11 水泥漿體之溫度與長度變化關係 (資料來源：Mindess, 1981)

(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- 12 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 相 轉變至 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。

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圖 2- 12 矽質骨材的溫度與線性膨脹之關係

（資料來源：Gordon, 1996）

(3) 強度之變化

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- 13，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 ℃

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時，其強度之變化轉變為快速下降，從圖 2- 14 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。

圖 2- 13 混凝土於高溫作用下之變化 (資料來源：Georgali & Tsakiridis, 2005)

圖 2- 14 混凝土於高溫作用下對相對強度之影響 (摘資料來源：Arioz, 2007)

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第三項 鋼筋材料高溫後之性質變化

鋼(steel)通常指，含碳量介於 0.02% ~ 2%，且極少其他元素之鐵

─碳合金。碳鋼之溫度與晶粒形態與排列方式有密切關聯，進而影響 鋼材之機械性質如圖 2- 15。

由鋼材在高溫下之拉力試驗可知當鋼材溫度受熱上昇至 400℃以 上時傳統鋼材降伏強度即開始大幅下降，尤其到 600℃時其降伏強度 即下降至原有強度的 2/3 以下，如圖 2- 16所示(楊國珍，2003)。

圖 2- 15 鐵─碳平衡圖

(摘資料來源：R.W.K. Honeycombe and H.K.D.H Bhadeshia, 2004)

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圖 2- 16 鋼材降伏強度與溫度之關係 (資料來源：楊國珍，2003)

圖 2- 17 鋼材極限強度與溫度之關係 (資料來源：楊國珍，2003)

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圖 2- 18 鋼材彈性模數與溫度之關係 (資料來源：楊國珍，2003)

39 2- 19 所示。Bieniawski (1967)由加載開始至尖峰強度前可分為孔隙閉 合(OA)、線彈性(AB)、裂縫穩定延伸(BC)、裂縫不穩定延伸(CD)等 四個階段 ； 於尖峰強度後，Bieniawski 僅分為整體破壞(DE)，而 Goodman 則分為微裂縫連結(DE)與巨大裂縫滑動(E-End)二個階段，