第二章 國內外規範與文獻回顧
第十節 火害對混凝土之影響
壹、高溫對混凝土微結構之影響
依巨觀行為，混凝土可視為二相的複合材料，即將混凝土看成由骨材埋於水泥漿 中組合而成的二相材料（Bilodeau 等（2004））。骨材通常包括砂與石，其性質與混凝 土的單位重、彈性模數、穩定性有密不可分之關係，尤其是在遭受到高溫侵襲的情況 下，其對混凝土體積的改變扮演著關鍵角色。水泥漿則是用來膠結砂漿或混凝土中的 骨材，其本質為一多孔性介質，而其主要骨架係水泥水化產物，孔隙則多半充滿著流 動狀物質（如水及空氣）。水泥與水拌和後，水泥顆粒將分散於水中，而呈固/液相懸 浮體。典型之水泥水化過程一般可分為 5 個不同階段，即初始水解、潛伏期、加速期、
減速期及穩定期（Mindess 等（1981）；Metha（1986））。隨時間的延長，水化物逐步 成長，並充填整個水化空間，而未被水化物填充之空間則形成孔隙。因此，若從微觀 角度而言，水泥漿體又可細分為固相及非固相微結構，其中固相微結構主要包含 CSH 膠體、氫氧化鈣（CH）、單硫鋁酸鈣、未水化殘餘水泥顆粒、化學鍵結水、膠 體孔隙水等；非固相微結構主要為孔隙（毛細孔隙）及水（含毛細孔水、吸附水、層 間水），而固相及非固相微結構將隨齡期改變，如圖 2-35 所示（Mindess 等（1981）；
Metha（1986））。然而，若再計入介於骨材與水泥漿兩者間的介面層，即介面轉換區 域（interfacial transition zone，簡稱 ITZ），則混凝土可視為三相複合材料，其中轉換過
渡區因水泥顆粒堆積、泌水現象、單向成長、牆效應（wall effect）及離子擴散等因素，
而形成不同於水泥漿體性質。換言之，實際上混凝土的微結構應包括骨材、介面轉換 區域、水泥漿體，如圖 2-36所示（Ishida 等（2007））。
圖 2-35 水泥漿體之微結構
（資料來源：Mindess 等（1981）；Metha（1986））
圖 2-36 混凝土之微結構
（資料來源：Ishida 等（2007））
一旦混凝土遭受火害，其微結構及性質會隨溫度之增加而改變，而變化情形可歸 納整理如表 2-10所示（Mindess 等（1981）；Metha（1986））。整體而言，混凝土是一 種相當耐久的營建材料，即使受熱溫度達 200℃，仍不會有太大的傷害，充其量只是 形成一些乾縮裂縫而已，還不至於對材料本身強度產生顯著的折減。惟混凝土的受熱 溫度達到 200℃以上時，逐漸呈現出水泥水化物分解、骨材衰敗。另方面，水泥漿與 骨材間之熱變形差異，將導致應力集中，故混凝土強度將明顯地開始下降，而下降幅 度則依骨材本質及混凝土本身的溫度而定。由於不同岩石間有著不同的膨脹率，所以 骨材因組成岩石不同，其在高溫下的耐火性能亦有所差異。使用石灰質骨材之混凝土，
受熱時因無晶相的轉變，故不易產生爆裂的現象；花崗岩及黏板岩質骨材雖呈現良好 之結晶結構，但其導熱速度快，耐火性反而較差；矽質骨材在受熱 570~870℃冷卻後 將有恢復原體積之情形，當超過此溫度將會有不可逆之變形。
表 2-10 混凝土微結構及其性質隨溫度上升之變化情形
溫度 混凝土微結構及其性質之變化
常溫~105℃ 毛細孔水及吸附水逐漸散失
105~ 200℃ C-S-H 膠體開始失去鍵結水且發生化學變化
250~350℃ 含 Al2O3或 Fe2O3的水化物內鍵結水將大部分散失；C-S-H 膠體的鍵結水也會 散失約 20%。
400~700℃ C-S-H 膠體內保有的約 80%鍵結水，將在此階段完全分解；但在 500℃左右，
漿體中的水份已分解殆盡。
440~580℃ 水泥漿體中的 Ca(OH)2開始分解，但是該反應是可逆的。
約 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)，在吸水後產生膨脹，可能造成混凝土的龜裂。
800~1000℃ 水泥的水化物將被重新燒結生成 C2S、C3A、C4AF 等水泥主要成份 達 1425℃時 剩下的水泥水化物可能進一步熔結生成 C3S
（資料來源：Mindess 等（1981）；Metha（1986））
貳、高溫下混凝土之剝落或爆裂行為
高溫作用會造成混凝土體積變化，也會引起表面呈片狀剝落或爆裂等現象，尤其 是高強度混凝土（HSC，其抗壓強度>40~55MPa）構件暴露於溫度急遽上升的環境時，
更易於發生爆裂，影響所及會造成混凝土結構物安全性上的問題。而剝落可分為下列 幾種（Bilodeau 等（2004）；Hammer（1972）；Lie 等（1972）；CSA Standard CAN3-A23.3
（1984）；Castillo 等（1990）；Sanjayan 等（1993）；Chan 等（2000）；Phan（1996）；
Phan 等（1998）；Phan 等（2001）；Schneider（1983）；Schneider（1985）；Phan 等（2002））：
爆裂(Explosive spalling)
嚴重剝落(Destructive spalling; Explosive of a few large pieces of concrete from the surface)
局部剝落(Local spalling; Dislodging of minor pieces from some particular points of the surface)
逐漸剝落(Sloughing off; Gradual reduction of cross -section)
至於受熱混凝土剝落之機制，則包含下列反應：熱反應（熱傳導）、化學反應（釋 放出水及二氧化碳）、濕潤反應（水蒸汽或水之傳輸）、力學反應（微結構損壞、開裂、
熱膨脹差異）。綜合以上反應，會造成混凝土內部形成乾燥、蒸散及部分飽和三種區域
（如圖 2-37 所示），且這些區域之溫度亦有所不同，故其所對應的孔隙蒸汽壓力亦不 同，因而造成表面呈片狀剝落或爆裂等現象（Anderberg（1997）；Bažant（1997）；Kalifa 等（2000））。大部分的研究報告認為，在高強度混凝土加熱過程中，爆裂的主要原因 為內部水分蒸發膨脹但又無法迅速排解所致，此一蒸氣壓力在 300℃約可達到 8 MPa，
已超過多數高強度混凝土的張力強度（約僅 5~7 MPa）；再者，混凝土表面的水分會被 蒸發，而稍內部的水蒸氣因溫度梯度的關係則更往試體內部流動，當溫度持續上升，
則水蒸氣愈往裡面流，試體內部低溫跟高溫的變化層之蒸氣含量就會飽和，而形成所 謂的濕氣屏障（moisture clog），此時若溫度持續升高，一旦蒸氣壓力超過混凝土之張 力強度，混凝土就產生爆裂（如圖 2-38所示）（Zeiml 等（2006））。另一方面，有些研 究則認為，混凝土表面區域受到快速加熱會產生大量的熱膨脹變形，但試體內部的熱 膨脹卻仍很小，加上周圍結構之束制，使構件之整體變形受限，因而造成表面處混凝 土承受極大且平行於加熱表面的壓應力，此時的表面混凝土層就有如受壓之細長桿件 極易產生挫曲，一旦壓力超過混凝土強度，表層混凝土就向外爆裂剝落。此外，混凝 土所受到的溫度愈高、火害延時愈長，混凝土表面剝落的情形將更為嚴重，將使得混 凝土承壓的有效斷面積減少，且混凝土內鋼筋缺少保護層，鋼筋將愈容易產生降伏，
導致混凝土的剩餘強度也愈低。
圖 2-37 受熱混凝土內部所形成之乾燥、蒸散及部分飽和三種區域
（資料來源：Anderberg（1997）；Bažant（1997）；Kalifa 等（2000））
圖 2-38 混凝土爆裂之示意圖
（資料來源：Zeiml 等（2006））
若從傳輸力學觀點來看，混凝土受熱時，其內部組成之行為可列舉如下（Alnajim
（2004））：
毛細孔水（自由水）：水平流動（水壓力梯度）
吸附水：擴散流動（水濃度梯度）
鍵結水：不傳輸
水蒸汽：水平流動（蒸汽壓力梯度）；擴散流動（蒸汽濃度梯度）
乾空氣：水平流動（空氣壓力梯度）；擴散流動（空氣濃度梯度）
若從相改變觀點來看，混凝土受熱時，其內部組成之行為則可列舉如下（Alnajim
（2004））：
水解（Dehydration）：
水泥漿基材（solid matrix）+能量（energy）化學鍵結水（chemically adsorbed water）
水化（Hydration）：
化學鍵結水（chemically adsorbed water）水泥漿基材（solid matrix）+能量（energy）
蒸發（Evaporation）：
毛細孔水（capillary water）+能量（energy）水蒸汽（water vapour）
凝結（Condensation）：
水蒸汽（water vapour） 毛細孔水（capillary water）+能量（energy）
去吸附（Desorption）：
物理吸附水（physically adsorbed water）+能量（energy）水蒸汽（water vapour）
吸附（Adsorption）：
水蒸汽（water vapour） 物理吸附水（physically adsorbed water）+能量（energy）
參、高溫下混凝土之強度衰減
如前所述，高溫會導致混凝土化學組成、物理結構、水氣（汽）含量等之改變，
這些性質的改變會導致其力學性質衰退。換言之，當混凝土受熱溫度達到某特定值時，
其重要力學性質將開始隨溫度之增加而急遽衰減，此溫度稱為臨界溫度。因此，許多 規範均提供火害後混凝土抗壓強度與彈性模數之設計曲線，以作為防火安全設計之參 考準則。現行規範大都依據普通強度混凝土之試驗資料來訂定，惟高強度混凝土通常 會摻用矽灰，使其具有低滲透性與低孔隙率；低滲透性會引致加熱過程易形成較高的 濕氣含量，低孔隙率則引致孔隙壓力之形成較快，再加上構件承受較大應力，故較易 發生剝落。因此，近年來許多研究者致力於探討高溫對高強度混凝土性質之影響，俾 能正確評估其火害行為。至於影響高強度混凝土構件耐火性能之因素，則列述如下
（Bilodeau 等（2004）；Hammer（1972）；Lie 等（1972）；CSA Standard CAN3-A23.3
Phan 等（1998）；Phan 等（2001）；Schneider（1983）；Schneider（1985）；Phan 等（2002））：
混凝土強度（>55MPa）
濕氣含量（相對濕度 RH>80%）
混凝土密度（LWA）
火之強度（火勢成長速率或火勢大小）
構件尺寸與形狀（尺寸愈小，火害愈嚴重）箍筋間距（HSC 應為 NC 之 0.75 倍）
載重大小（載重愈大，火害愈嚴重）骨材種類（石灰質骨材耐火性較佳）
聚丙烯纖維 PPF（於 140℃時熔化，可於硬固混凝土內部形成管道，有利於水泥 漿體內蒸汽之排除）
肆、混凝土應力-應變曲線與溫度之關係
典型的混凝土受溫度影響之應力-應變曲線如圖 2-39（EC2（1993））]所示，由圖 中可知混凝土的極限抗壓強度隨溫度上升而下降，而其對應極限抗壓強度的變形隨溫 度上升而增加。另外，典型混凝土隨溫度增加之抗壓強度的折減則如圖 2-40（Schneider
（1983））所示。綜合相關研究發現，各研究間應力-應變曲線之值仍有很大的差異，
為簡化計算及安全顧慮，BSI（1985）及 Inwood（1999）取較保守之值，提供了設計 參考用混凝土受溫度影響之抗壓強度折減及應力應變曲線，如圖 2-41及圖 2-42所示。
圖 2-39 典型混凝土受溫度影響之應力-應變曲線
（資料來源：EC2（1993））
圖 2-40 典型混凝土隨溫度增加之抗壓強度折減
（資料來源：Schneider（1983））
圖 2-41 設計參考用混凝土受溫度影響之抗壓強度折減
（資料來源：BSI（1985）及 Inwood（1999））
圖 2-42 設計參考用混凝土受溫度影響之彈性模數與抗壓強度折減
（資料來源：BSI（1985）及 Inwood（1999））
伍、混凝土彈性模數與溫度之關係
混凝土受火害時，Abrams（1973）及 Heller-Kallai 等（1988）提出其彈性模數與
ct 1000
20 數（kgf/cm2）；T=混凝土溫度（℃）。Schneider（1983）之研究結果則顯示，混凝土 彈性模數隨溫度升高而減少，且呈曲線變化，如圖 2-43所示。
圖 2-43 混凝土彈性模數與溫度之關係
（資料來源：Schneider（1983））
陸、高溫對纖維混凝土之影響
表 2-11 探討高溫後纖維混凝土行為之文獻資料
針對高性能混凝土添加聚合物，在不同目標溫度(200、400、600 及 800℃)、
冷卻時受不同冷卻方式(自然冷卻及強制冷卻)、冷卻後受不同再養護方式(空
針對鋼管圍束高強度纖維混凝土，採用升溫速率 2.5℃/min，將直徑 10cm、
高 20cm 的圓柱試體加熱至 500℃，量測試體內溫度分佈、孔隙壓力、升溫過
丙烯纖維含量在 0.013kg/m3(體積比 0.015%)，己將爆裂機率從未加纖維之
80%降至 0%。因此孔隙壓力為造成爆裂的主因，聚丙烯纖維具保險絲功用，
表 2-11 探討高溫後纖維混凝土行為之文獻資料（續）
探討高強度混凝土（High-strength Concrete，HSC）與混合纖維高強度混凝土
（Hybrid-fiber-reinforced High-strength Concrete，HFRHSC）暴露於高溫後的 殘餘強度。試驗結果顯示，一般 HSC 暴露於高溫後容易發生爆裂，當溫度接 近 400℃時發生第一次爆裂。至於摻用高熔點纖維的 HSC，當溫度達到約 800
℃時才發生第一次爆裂；而摻用低熔點聚丙烯（PP）纖維的 HSC，暴露於高 溫時並無發生爆裂情形。此外，混合摻用高熔點纖維（碳或鋼纖維）與低熔 點纖維（聚丙烯纖維）的 HSC 暴露於高溫後，可大幅提高其性質。
Chen,及 Liu
（2004）
探討高溫下混凝土抗壓強度之應力-應變關係（剛度）與能量吸收能力（韌性）
的效應。製備三系列不同膠凝材料組成之高性能混凝土（HPCs），分別為使 用普通卜特蘭水泥（Portland cement，PC） ，以及添加變質高嶺土（Metakaolin，
MK）與矽灰（Silica Fume，SF）取代部分水泥。每一系列混凝土混中，包括 沒有任何纖維的混凝土，以及摻用鋼纖維、聚丙烯（Polypropylene，PP）或 混合兩種纖維的混凝土。試驗結果顯示，混凝土暴露於高溫後，其剛度的損 失比其抗壓強度的損失更快，但能量吸收能力的損失是相對較慢的。
Poon 等
（2004）
經不同高溫(105℃~1200℃)作用後，探討摻用 1%鋼纖維混凝土之抗壓強度、
抗彎強度、彈性模數、孔隙率及顏色變化。試驗結果顯示，隨著最大加熱溫 度與初始飽和度百分比之增加，混凝土強度損失亦增加。最大加熱溫度低於 400°C 時，混凝土抗壓強度的損失相對較小。最大加熱溫度超過 400°C 時，
所有混凝土抗壓強度則呈現出明顯損失。最大加熱溫度為 600°C 時，高性能 混凝土（HPC）比普通強度混凝土遭受更大的抗壓強度損失。C-S-H 在高溫 下開始分解時，HPC 遭受化學分解與硬化水泥漿的孔隙結構變大。 箱室並分別加溫至：400℃、600℃及 800℃。試驗結果顯示，典型的負載變 形曲線是一個雙峰值圖形。第一峰值表示混凝土基材的性質，而第二峰值表 示所使用纖維的性能。在彎曲負荷下，較低溫度（400℃）之後負荷高峰與韌 性均增加；惟溫度增加（600℃和 800℃）時，後負荷高峰與韌性均降低。纖 維的種類與含量扮演重要作用。在 400℃的溫度下，所有纖維混凝土具有較
Emidio Nigro
等（2014）
柒、混凝土強度與溫度之關係
不同骨材混凝土火害後之殘留抗壓強度與火害溫度之關係如圖 2-44（Abrams
（1973））。British Standards Institution（1985）建議，混凝土強度與溫度之變化關係可 簡單區分成兩線段，在 220℃以內保持不變，其後成線性遞減。
（1973））。British Standards Institution（1985）建議，混凝土強度與溫度之變化關係可 簡單區分成兩線段，在 220℃以內保持不變，其後成線性遞減。