第二章 文獻回顧
第三節 火害對於建築結構中混凝土材料之影響
(5).防火覆材：以石膏或水泥等輕質灰漿包覆於鋼料表面。
第三節 火害對於建築結構中混凝土材料之影響
一、火害後對混凝土強度之影響
蔡佐良等人於 1998 年【10】在「火害延時與溫度對混凝土強度之綜合影 響－溫時分析法」一文中提到，火害試驗溫度在 200℃以下時，其殘餘抗壓強 度高於基準強度，其主要原因係當混凝土受熱溫度在 105℃時，混凝土中的毛 細孔水及吸附水會因高溫而蒸發，試體產生加速水化反應的效果。在 300℃試 驗之試體殘餘抗壓強度均已呈現下降之現象，最多下降約 14％。其原因是在 250〜350℃之間，試體內之水化物或 C-S-H 膠體的鍵結水將大部份散失，其 分子結構間的鍵結力將被破壞，使骨材和水泥漿體之間的裂縫增大，造成強度 的降低。在 400℃試驗之試體，其殘餘抗壓強度下降約 25％；在 500℃試驗後 之試體殘餘抗壓強度下降約 57％左右。
1998 年，楊旻森、陳舜田、沈進發【11】以「軸壓力對混凝土受火害後 之力學性質之影響」之研究結果指出，混凝土受火害後之力學性質變化與水灰 比及試體尺寸並無明顯之相關性，但隨所受之軸壓力與火害溫度而改變。火害 後混凝土之殘餘抗壓強度及彈性模數隨溫度增加而降低，但衰減的趨勢受所施 加之軸壓力增加而減緩。另混凝土受火害後殘留抗壓強度隨火害溫度增加而降 低，且折減的程度在火害溫度由 500℃上升至 600℃時更為嚴重。探究強度折 減的原因，概可分述以下來說明：
1.混凝土受火害時，由於熱能之作用，破壞了水泥漿體之固微結構，使其 膠結能力漸失。
2.混凝土中之骨材受熱時，應變隨溫度上升而增加；反觀水泥漿體，溫度
上升初期，應變亦隨溫度上升而增加，但當溫度超過約 130℃時，應變 反脹為縮，造成水泥漿體與骨材間之界面因脹縮不一致而龜裂，使混凝 土之強度降低。
3.混凝土於受火害過程中由於混凝土之熱傳速率慢，內外之溫差大，使得 內外脹縮不和諧而產生裂縫。
4.火害溫度由 500℃上升至 600℃時，強度急遽衰減，其主要原因乃是矽 質骨材之 SiO2由α相轉變為β相，體積大為膨脹，混凝龜裂更為嚴重，
使其強度折減更大。
5.預施軸壓應力混凝土具有較高之殘留抗壓強度，且殘留抗壓強度之衰減 隨預施軸壓應力增加而有減緩之趨勢。預施軸壓應力 0.05ƒc以上，受火 害 400℃，殘留抗壓強度幾乎未有任何損失；受火害 500℃之試體殘留 抗壓強度幾乎亦都在 90%以上。
大陸的學者研究亦指出【12】，尺寸 10cm×10cm×30cm 的稜形試體，強度 等級分別為 20MPa 和 30MPa (C20 與 C30)的混凝土試體，受熱溫度分別為 100、300、500、700 ˚C，受熱時間分別為 1、2、3 小時。達到規定溫度後開 始計時至規定受熱時間。取出試體後自來水冷卻 15min，置於室溫下完全冷 卻。72h 後測量試體的抗壓強度和彈性模數。其研究成果顯示，溫度至 500°
時，C20 與 C30 試體平均殘餘抗壓強度分別為標準組之 56%~67%(如圖 2-4) 及 73%(如圖 2-5)。
圖 2-4 C20 混凝土高溫作用後殘餘抗壓強度【12】
(資料來源：贾艳东、田傲霜、张斌、许传矗、李季★ ，「不同时间高温后 混凝土性能的试验研究」)
圖 2-5 C30 混凝土高溫作用後殘餘抗壓強度【12】
(資料來源：贾艳东、田傲霜、张斌、许传矗、李季★ ，「不同时间高温后 混凝土性能的试验研究」)
內政部建築研究所 2010 有關自充填混凝土火害後之研究報告成果指出
【13】，當自充填混凝土試體採 15cm×30cm 的標準圓柱試體，在設計抗壓強度 為 280kgf/cm2時，在澆置完成後試體先置於室內無養護條件下約 46 個月後進 行加熱，並以 5˚C/分進行加熱，當試體內部中心處達到預定之試驗溫度時，持 溫 1 小時後即停止加熱。研究中定義試體自加溫完成起 24 小時為冷卻期間依 冷卻方式可分為自然冷卻和強制冷卻。所謂自然冷卻為在加熱時間到達時高溫 爐停止加熱時，然後將爐門打開讓試體和高溫爐一起降溫。強制冷卻為在加熱 時間到達時將試體取出並立即置入常溫冷水槽中降溫 2 小時，而後取出置於通 風良好之室內。冷卻期間到達後之養護方式為空氣中養護，即在試體冷卻期間 到達後就將其置放於通風良好之室內，一直到靜置時間到達。
本研究之升溫方式與 CNS 12514【14】及 ASTM E119【15】標準升溫曲 線比較，如圖 2-6。不論 CNS 12514【14】 或 ASTM E119【15】 均為急速 升溫，第 1 分鐘分別需達到 349℃或 333℃，第 5 分鐘時則為 576℃或 538
℃。若採用 CNS 12514【14】 及 ASTM E119【15】 升溫曲線，由於升溫速 率過快，易造成混凝土爆裂，以往研究為避免此現象發生需於試驗前先將試體 置於溫度 105℃設備內烘乾再進行加熱試驗，然而本研究試體係在無預先烘乾 情形下直接加熱，為避免升溫速率過快，混凝土爆裂影響實驗結果，及參考內 政部建築研究所 2008 年自行研究案「鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探」
之混凝土梁與柱內部升溫速率約 1 至 5℃/分，本研究加熱實驗之升溫速率採 用 5℃/分。
圖 2-6 電熱高溫爐升溫曲線與標準升溫曲線比較【14】
(資料來源：CNS 12514，「建築物構造部分耐火試驗法」)
本研究報告參考張雲妃【16】有關混凝土高溫下物理與化學變化說明殘餘 抗壓強度與溫度關係如下(如圖 2-7):
1.混凝土在加熱 200°C 後，採用自然冷卻與強制冷卻之平均殘餘抗壓強度 分別為標準組之 91%及 79.7％。因為低於 200°C 的溫度，僅能造成非 化學結合水的蒸發，如自由水、毛細管水與吸附水等多半在 200°C 前 可蒸發完全。由於這些非化學結合水的蒸發並不會改變水泥漿體與骨材 的化學組成，因此抗壓強度未有明顯折減。
2.當溫度升至 400°C 時，除了 C-S-H 膠體內的化學結合水仍在持續脫出之 外，硫鋁酸鈣水化物也開始進行脫水反應，使得原本結晶完整的結構破 壞，殘餘抗壓強度顯著下降，並開始產生裂縫。採用自然冷卻與強制冷 卻之平均殘餘抗壓強度分別為標準組之 57.5%及 71.1%。
3.當溫度超過 400°C 時，混凝土表面裂縫明顯且相互連接，水泥水化物中
的氫氧化鈣開始脫水生成氧化鈣，並持續反應至 600°C，而在溫度 500 至 650°C 間，矽質骨材內的二氧化矽發生晶相轉變(由α相轉變成β 相)，體積膨脹，造成骨材結構破壞，以致混凝土強度急遽下降，溫度 600℃時，自然冷卻與強制冷卻之平均殘餘抗壓強度分別為標準組之 28.3%及 38.3％。溫度升高至 800℃，自然冷卻與強制冷卻之平均殘餘 抗壓強度分別為標準組之 10.2%及 9.5％。
另從圖 2-7 可發現冷卻方式對混凝土殘餘抗壓強度之影響。溫度 200℃
自然冷卻試體的殘餘抗壓強度較強制冷卻試體高，當溫度升高至 400 至 600
℃時，變成自然冷卻試體的殘餘抗壓強度較強制冷卻低，溫度 800℃則兩者大 約相同。
圖 2-7 SCC 試體火害後殘餘抗壓強度與溫度關係【13】
(資料來源：李其忠★，「鋼骨鋼筋混凝土構造火害後材料性質之研究－以 自充填混凝土為例（3/5）」)
混凝土火害後殘餘抗壓強度除與所受溫度密切相關外，亦與火害後置放時 間有關，火害後殘餘抗壓強度先下降後恢復，如圖 2-8 所示【13】。200℃以下
混凝土殘餘抗壓強度恢復較快，400℃以上則恢復較慢，這是因為混凝土的物 理化學變化及介面微裂縫發展在火害結束後的初期仍在繼續，以後逐漸減緩，
微裂縫逐步癒合，混凝土殘餘抗壓強度逐漸恢復，當火害溫度超過 400℃，由 於微裂縫發展比較充足，可恢復程度減少，且脫水反應與骨材分解反應逐漸趨 於穩定，因而混凝土殘餘抗壓強度恢復減緩。在強制冷卻時，混凝土試體可與 充分和水接觸，使得原來的化合物在脫水後又重新生成新的水化物，對於高溫 形成的微裂縫進行修補，緩和由於高溫造成的破壞，因此，混凝土殘餘抗壓強 度得以逐步回升，而且受火溫度愈低，這種回升的趨勢愈高。
當溫度在 200℃時，自然冷卻試體內部損傷較輕微，其殘餘抗壓強度可以 很快恢復，強制冷卻試體的損傷除溫度損傷外，還有表面急速冷卻收縮的損 傷，導致火害後殘餘抗壓強度恢復期較長。溫度 400℃以上，自然冷卻試體受 高溫損傷比較嚴重，火害後混凝土損傷仍繼續發展一段時間，強制冷卻試體由 於混凝土與水接觸，可新生成一些水化物能有效阻止混凝土強度的繼續下降，
其殘餘抗壓強度很快止跌回升。
圖 2-8 受高溫冷卻後混凝土抗壓強度隨時間回復之情形【13】
(資料來源：李其忠★，「鋼骨鋼筋混凝土構造火害後材料性質之研究－以 自充填混凝土為例（3/5）」)
二、火害後對混凝土彈性模數之影響
大陸學者研究火害後對混凝土彈性模數之影響【12】，研究中對火害後混 凝土彈性模數定義仍按 ASTM C469-02 未加熱試體之規定，為實測應力－應變 曲線上 40%抗壓強度處之割線斜率。其研究成果顯示，混凝土在高溫作用後，
其彈性模數與常溫者之比值，與試體強度之關係大致相同，係隨試驗火害溫度 的升高而降低，如圖 2-9 及圖 2-10 所示。溫度 t 在 100℃以內時，C20 試體抵 抗變形能力幾乎無變化，其彈性模數值甚至比常溫下者有所增加；C30 試體彈 性模數值則表現為較明顯下降趨勢。混凝土在高溫作用後，強度下降與變形增 大係同時發生，使得彈性模數的折損程度更甚於抗壓強度。
圖 2-9 C20 混凝土高溫作用後彈性模數損失情況【12】
(資料來源：贾艳东、田傲霜、张斌、许传矗、李季★ ，「不同时间高温后 混凝土性能的试验研究」)
圖 2-10 C30 混凝土高溫作用後彈性模數損失情況【12】
(資料來源：贾艳东、田傲霜、张斌、许传矗、李季★ ，「不同时间高温后 混凝土性能的试验研究」)
內政部建築研究所 2010 之研究報告成果【13】則指出(如圖 2-11)，火害 溫度 400℃以上，混凝土的結晶體發生變化和內部損傷的累積，使得試體強度 下降與變形迅速增大，殘餘彈性模數大幅度下降。另冷卻方式對混凝土殘餘彈
內政部建築研究所 2010 之研究報告成果【13】則指出(如圖 2-11)，火害 溫度 400℃以上，混凝土的結晶體發生變化和內部損傷的累積，使得試體強度 下降與變形迅速增大，殘餘彈性模數大幅度下降。另冷卻方式對混凝土殘餘彈