混凝土高溫下特性

一、混凝土高溫下的化學反應綜合如下【3，4】：

（1）溫度達 105℃時，混凝土中的毛細孔及吸附水逐漸散失。

（2）溫度達 200℃時，CSH 膠體開始失去鍵結水，混凝土內部發 生化學變化。

（3）溫度在 250℃至 350℃之間，混凝土內含 Al²O³或 Fe²O³的水 化物內之鍵結水，將大部分喪失。而 CSH 膠體的鍵結水也 會喪失約 20﹪。

（4）溫度在 400℃至 700℃之間，CSH 膠體內保有的 80﹪鍵結水，

將在此階段完全分解。但在 500℃左右，漿體中的水分已分 解殆盡。

（5）溫度在 440℃至 580℃之間，水泥漿體中的 Ca（OH）²開始分 解，但該反應為可逆。另外，矽質骨材約在 573℃時，SiO² 會由α相轉成β相，由於熱震動能量的增加，使體積產生約 0.4﹪的熱膨脹量。

（6）溫度達 750℃時，石灰質骨材中的碳酸鈣開始分解，釋放出 二氧化碳，該高溫吸熱產生的生石灰（CaO），在冷卻後吸收 空氣中的水氣會產生體積膨脹，可能造成混凝土的再次龜裂。

（7）溫度在 800℃至 1000℃之間，水泥的水化物將再被重新燒結 成 C2S、C3S、C4AF 等水泥主要成分。

（8）溫度達 1425℃，剩餘水泥水化物，可能進一步熔解生成 C3S。

二 、 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數

混 凝 土 之 熱 膨 脹 係 數，隨 著 含 水 量、水 灰 比 及 混 凝 土 之 材 齡 而 變。由 於 水 泥 砂 漿 和 骨 材 間 之 熱 膨 脹 係 數 不 同，故 熱 膨 脹 係 數 約 為 其 二 者 之 合 成，且 為 拌 合 骨 材 數 量 及 骨 材 熱 膨 脹 係 數 的 函 數。另 外 此 係 數 亦 包 含 了 熱 膨 脹 與 乾 縮 之 相 互 影 響。不 同 骨 材 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數 如 下 【 16】 :

矽 質 骨 材 混 凝 土 : 0.000018 / ℃ 碳 酸 岩 骨 材 混 凝 土 : 0.000012 / ℃ 三、混 凝 土 的 體 積 變 化

混 凝 土 受 熱 的 潛 應 變 及 瞬 間 應 變 有 密 切 的 相 關 性 。 混 凝 土 的 體 積 變 化 包 含 水 泥 漿 體 與 骨 材 之 共 同 影 響，且 體 積 變 化 隨 溫 度 變 化 及 有 無 加 載 而 有 明 顯 的 不 同。一 般 骨 材 其 體 積 均 隨 溫 度 增 高 而 膨 脹 ;但 水 泥 漿 體 在 較 低 溫 時 ， 體 積 變 化 亦 隨 溫 度 升 高 而 膨 脹 ， 但 約 在 150℃以 上 時 ， 體 積 變 化 改 脹 為 縮 ， 如 圖 2.1。 在 此 腫 脹 縮 不 和 諧 情 況 下 ， 骨 材 與 水 泥 漿 體 界 面 間 會 產 生 脹 縮 差 異 之 內 張 應 力，當 此 應 力 超 過 極 限 時，界 面 即 產 生 破 裂 或 使 原 有 裂 縫 再 擴 大 延 伸 ， 如 圖 2.2【 17】。

圖 2.1 骨材與水泥漿體之熱應變圖【17】

第二章 文獻回顧

骨材受熱膨脹

水泥漿體受熱收縮

微裂縫 骨材

圖 2.2 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖【17】

四、混 凝 土 的 熱 傳 遞

熱 傳 遞 方 式，主 要 有 輻 射、對 流 及 傳 導 三 種 方 式。熱 傳 遞 時 往 往 是 三 種 方 式 同 時 進 行，將 熱 由 高 溫 處 傳 至 低 溫 處，在 低 溫 時 是 以 傳 導 及 對 流 為 主，而 在 高 溫 則 以 輻 射 為 主。在 有 溫 差 的 系 統 中，就 有 熱 能 的 傳 遞，而 其 傳 遞 的 難 易 就 由 熱 傳 導 率 控 制。影 響 混 凝 土 的 熱 傳 導 率 之 主 要 因 素 有 骨 材 礦 物 性 質、硬 固 水 泥 漿 體、孔 隙 量、飽 和 度 及 環 境 溫 度 等 因 數。一 般 言 之 在 低 溫 時 ， 混 凝 土 有 較 高 的 熱 傳 係 數 ， 但 當 溫 度 達 1OO℃以 上 時 ， 孔 隙 水 逐 漸 蒸 發，骨 材 與 硬 固 水 泥 漿 體 間，因 熱 應 變 不 諧 和 而 產 生 微 裂 縫，增 長 熱 傳 導 的 路 徑，傳 導 能 力 減 弱，熱 傳 係 數 逐 漸 下 降 ， 當 溫 度 約 達 800℃以上時 ， 熱 傳 係 數 逐 漸 穩 定 ， 因 此 時 主 要 以 輻 射 方 式 傳 熱 ， 使 的 傳 熱 能 力 維 持 穩 定 。 文 獻 【 16】

歸 納 出 分 析 使 用 之 混 凝 土 熱 傳 導 率 ， 如 圖 2-3 所 示 。

圖 2.3 混凝土熱傳導率【16】

五 、 混 凝 土 的 比 熱

比 熱 是 表 示 混 凝 土 之 熱 容 量，混 凝 土 之 比 熱 受 骨 材 礦 物 之 影 響 較 小，而 與 孔 隙、水 灰 比，含 水 量 及 溫 度 等 的 關 係 較 密 切。

混 凝 土 的 含 水 量 增 加 時 比 熱 亦 隨 之 增 加，且 溫 度 升 高 時，比 熱 亦 隨 之 升 高。文 獻【 16】歸 納 近 期 成 果，提 供 參 考 分 析 使 用 之 混 凝 土 比 熱，如 圖 2-4 所 示。另 外 與 混 凝 土 相 關 材 料 之 比 熱 如 下 :【 18】

水 : 4000 焦 耳 / kg℃

骨 材 : 約 800 焦 耳 / kg℃

水 泥 漿 : 約 1600 焦 耳 / kg℃

圖 2.4 混凝土比熱【16】

六、混凝土之外觀破壞模式【5】

混凝土的耐火性能，與鋼筋距混凝土受熱面距離（保護層）具有 絕對的影響關係，該距離之增加，可保護鋼筋使其遭受較低溫度的侵

第二章 文獻回顧

害，這對鋼筋力學性質的損壞程度，具有降低的功能。在火災中，鋼 筋在有限的溫度下具有相當之承受力，因此，為確保鋼筋之強度，必 須保持混凝土之保護層避免受損。在調查火害後之鋼筋混凝土構造物 時，通常以觀察混凝土表面的損害狀況，作為概略研判損壞程度之依 據。

（一） 粉刷層之剝落

粉刷層為混凝土構件之外表，係於混凝土硬化後以水泥砂漿等 材料所施作之裝修工程。因粉刷層在施工前，混凝土即已硬化 兩者間形成「冷縫」，使粉刷層之附著力降低。在火災中粉刷 層最先受熱，水泥漿體的熱膨脹先脹後縮之變化及水化產物受 熱分解之現象，使粉刷層很容易與混凝土之附著力喪失，而產 生剝離脫落現象。

（二） 變色（Discolored）：

混凝土遭受火害時，加熱溫度如未超過 300℃，其表面會形成燻 黑狀。加熱若超過 300℃，則混凝土所使用的粒料會因化學變化 而改變顏色。300℃～600℃呈粉紅色，600℃～950℃呈灰白色，

950℃以上，呈現淡黃色，1200℃以上，有溶融的危機。

（三） 裂縫（Cracking）：

因粒料與水泥漿體之熱應變不相容，硬固水泥漿體受熱收縮，

限制了粒料體積膨脹，而在兩者界面產生應力，當溫度小於 300

℃時，該應力尚不足造成傷害。但若溫度上升，則因應力作用 增大而產生裂縫。

（四） 爆裂（Spalling）

混凝土構件在受熱的環境中，其表面附近之材質與構件分離的

情形。最常發生在受軸壓力或具軸向束制的細長構件中，爆裂 模式的分類如下：

1、 全面性爆裂（General or destructive spalling）：

在受熱初期發生廣泛且劇烈的混凝土塊剝落，常發生在具軸 向束制或壓縮載重的細長或板構件（如牆、樓板、柱等）。

2、 局部性爆裂（Local spalling）：

（1） 表面剝離（Surface spalling）：

如圖 2.5 所示混凝土受熱時，接近受熱面產生雙軸 向壓力而引起平行受熱面的裂縫，裂縫中充滿水份 受熱蒸發後的高壓蒸氣，使裂縫與受熱面之間的材 質分離，這種情形包括材質之分離、起泡。

圖 2.5 表面剝離

（2） 粒料劈裂（Aggregate splitting）：

當版狀之混凝土牆、樓板單面迅速受熱時，因混凝 土接近受熱面產生雙軸向壓力，這種熱應力作用在 粒料上，使較大粒料產生拉力破壞，並沿著平行受 熱面劈裂，如圖 2.6 所示，通常發生在粒料級配較

第二章 文獻回顧

大粒徑者。

圖 2.6 粒料劈裂

（3） 角隅剝離（Corner separation）

通常發生在梁或柱構件之角隅，如圖 2.7 所示，

由於拉力之分力作用，使角隅混凝土剝落，混凝 土受熱距表面愈近溫度愈高，強度亦隨之降低，

直至距表面一定距離，混凝土強度降至與熱應力 相同時，即形成角隅剝離之裂開面。

圖 2.7 角隅剝離

（4） 脫落（Slough off）

脫落發生於長時間之受熱，在梁底或柱腳因長 而不規則的裂縫，而發生表面材料的層式分

離，可能是由於長期的受熱引起的應力釋放，

當開始受熱時，柱或版的表面因熱產生高壓 力，使熱貫入構件中，接近外部之材料形成減 載（Unload）、開裂、乾縮裂縫、潛變現象，

長期受熱後即產生應力轉變或拉力裂縫。

有關爆裂之原因歸納如下所述：

a、 混凝土濕度：濕度大，在加熱過程中造成孔隙壓力 愈大，故愈容易破壞。

b、 加熱速率：加熱速率愈快，混凝土表面與中心部份 之溫差愈大，伴隨著剝落與爆裂的危險增大。

c、 混凝土厚度：厚度減小，則兩邊飽和層較接近，水 份不易消散，較易產生爆裂。

d、 加熱方式：若單面加熱時，水份可從另一面排除，

降低了爆裂之危險，雙面加熱時，因水份不易散 去，會增加爆裂之危險。

e、 預受壓力：較少或無預施壓應力時，混凝土內部較 易產生裂紋，水份可藉由裂縫消散，反之，受壓應 力較大之混凝土，因其壓力限制裂縫之發展，在高 含水量且升溫速率快的情況下，水份無法在短時間 內排出，因而易造成爆裂現象。

f、 鋼筋存在與否：有鋼筋存在時，因鋼筋之圍束作 用，較不易產生裂縫，水份因無消散途徑，致使保 護層較易剝落。

第二章 文獻回顧