混凝土與鋼筋的握裹行為

在複合材料的研究上以材料界面性質最為重要。就鋼筋混凝土而言，其 強度與軔性已被證實與混凝土及鋼筋界面之握裹力有關[14]。因為混凝土承 受張力強度的能力較差，混凝土構件所承受之張力主要由鋼筋混凝土界面之 握裹力傳遞至鋼筋上，故沿著鋼筋和混凝土界面建立的轉換行為，為相關研 究之重要基礎。

一、混凝土與鋼筋握裹力的原理

鋼筋混凝土結構物的應力傳遞是藉由的鋼筋與混凝土間的握裹力來進 行，根據 ACI Committee 408[15]的定義，握裹力是鋼筋和混凝土間的黏結 力(Adhesion) 、 摩 擦 力 (Friction Resistance) 、 和 鋼 筋 竹 節 的 支 承 力 (Rib Support)所共同組合的應力[16]。

上述各類應力所組成的握裹力作用方式如圖2-2所示，各應力作用的機 理則說明如下：

(1) 鋼筋與混凝土間之化學黏結力 (Chemical Adhesion)

混凝土中水泥進行水化反應後，產生具有強度之水泥膠體反應物，並 與鋼筋在界面上形成黏結效果，此即為握裹力之ㄧ部分構件承受低應力 時 ， 握 裹 抵 抗 主 要 由 化 學 黏 結 力 所 提 供 ， 此 種 握 裹 抵 抗 力 ， 大 約 在 200~300psi[28]之間。當鋼筋滑動時，此種有限的握裹抵抗力隨即消失，因 此化學黏結力並非握裹力的主要來源[17-18]。

(2) 鋼筋與混凝土間之摩擦力 (Friction)

發生軸向相對運動時之阻抗力稱為摩擦力，一般鋼筋混凝土用鋼筋多為 竹節鋼筋，表面粗糙且具有凹凸不平的紋路，當化學黏結力喪失，且鋼筋與 混凝土間有輕微滑動發生時，握裹強度將轉由摩擦力及混凝土作用於鋼筋

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凸緣所造成之卡楯力所共同提供。

(3) 鋼筋與混凝土間之卡楯力

為鋼筋與混凝土之間的一種互鎖作用，此種抗力是由鋼筋上突出之環 節與混凝土間之機械互制作用。此作用是構成握裹應力的最大來源，而摩 擦力及化學黏結力則為次要因素[19]。

圖2-2 握裹力的組成 (資料來源：參考文獻[20])

無竹節之光面鋼筋的握裹力，一般認為是由混凝土的水泥漿和鋼筋表 面的黏結力所造成的。然而，鋼筋即使僅受到很低的張應力，也會發生明 顯的滑動現象，造成鋼筋和混凝土間的黏結破壞，引起鄰近混凝土的碎 裂，而僅整個滑動長度之摩擦力來抵抗鋼筋相對於周圍混凝土之移動。

竹節鋼筋的握裹強度較大，因為竹節與周圍混凝土增加支承力作用，

此為握裹力的主要來源，而黏結力和摩擦力次之。鋼筋承受較低應力時，

由黏結力提供主要的握裹力，隨著應力增加，可能在鋼筋與混凝土表面間

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發生相對位移，造成黏結破壞，時候握裹力主要由摩擦力和支承力來提供 [21]。若繼續增加鋼筋的應力，使得鋼筋與混凝土面逐漸鬆脫，造成摩擦力 消失，最後幾乎由支承力來傳遞握裹應力，直到竹節處之混凝土被局部壓 碎或破裂，使其支承力消失而導致整體破壞。Edwards and Yannopoulos 的研 究顯示[22]，光面鋼筋的握裹強度約為竹節鋼筋的35%~50%。

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另外，鋼筋混凝土梁構件承受撓曲載重時，就會產生撓曲握裹行為，

撓曲握裹的相較於錨定握裹，撓曲握裹的影響的因子較多，其握裹力分析 也較為複雜。Orangun 等人於 1977 年根據水壓理論[25]，探討鋼筋混凝土梁 之握裹應力分佈，從而發展出由鋼筋間距及保護層來判斷握裹力的破壞模

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component），是握裹力的主要來源，此軸向分力使得鋼筋竹節凸緣的混凝 土被壓碎剪斷，鋼筋被抽出，而造成剪力拉拔破壞；破壞時產生的裂縫大 部分在試體的受力面上。破壞一般發生在構件斷面較厚，保護層厚度大於 2.5 倍鋼筋直徑，及箍筋束制效應充分的情況。

圖2-3 鋼筋與混凝土間的支承力 (資料來源：參考文獻[27])

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二、飛灰摻量對混凝土與鋼筋間握裹強度的影響

剛澆置完成的鋼筋混凝土結構，易於因搗實不確實及混凝土的泌水，

於鋼筋下方形成水袋，不利於混凝土與鋼筋間的界面強度，適當摻入飛灰 於混凝土中，則可減緩混凝土的泌水現象，改善混凝土與鋼筋間的界面強 度。

文獻[28]設計高飛灰摻量混凝土進行鋼筋握裹強度試驗，研究結果顯 示，高飛灰摻量混凝土與鋼筋的握裹強度可達自充填混凝土等級，且頂筋 效應較一般常重混凝土不明顯。文獻[29]添加飛灰、爐石粉等卜作嵐材料於 混凝土，探討卜作嵐材料用量對握裹強度的影響，研究成果指出，因晚齡 期的卜作嵐反應，添加補作嵐材料有助於提高鍍鋅鋼筋的握裹強度。

文獻[30-31]設計飛灰取代量 70%水泥用量的兩種混凝土配比，膠結料 分別為502 kg/m³及337 kg/m³，製作18 組鋼筋拉拔試體及 9 組實尺寸梁試 體，進行鋼筋握裹強度試驗，結果顯示高飛灰摻量混凝土與鋼筋間握裹強 度優於一般常重混凝土者。文獻[32]採用 70%飛灰摻量的混凝土進行鋼筋拉 拔試驗(pull-out test)，研究結果指出，高飛灰摻量混凝土的鋼筋握裹強度與 一般混凝土者差異不大，高飛灰摻量混凝土則出現較多的鋼筋拉拔劈裂破 壞。

文獻[33]設計飛灰取代水泥用量的 0%、20%、30%、40%、50%及 60%

共6 種混凝土配比，製作 54 支握裹拔出立方試體和 36 支抗壓立方試體進行 試驗，評估飛灰摻量對混凝土與鋼筋間黏結強度的影響。研究成果指出，高 飛灰摻量混凝土與鋼筋的握裹-滑移曲線圖與一般鋼筋混凝土者相似，在不考 慮飛灰取代率及相同鋼筋直徑狀況下，將實驗所得數據進行回歸分析，經由 分析結果提出修正的握裹強度模型和握裹-滑移關係模型，可用以推估高摻量 粉煤灰混凝土和鋼筋間的握裹行為。

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