熱傳導係數的量測方法

歸納量測熱傳導係數方法的類別如下及表2-2 所示 [38,39] :

(1)依試體加熱形式區分:有間接加熱法和直接加熱法兩大類。不同的加熱方 法即具特有的邊界條件和初始條件;從外部將試體間接加熱而得溫度分佈的方法 稱為間接加熱法;對於有電傳導性的固體試體 ，直接通電加熱的方法稱為直接加 熱法。直接加熱法可快速量測高溫域的熱傳導係數。

(2)依導熱過程的巨觀機理區分:有穩態法和非穩態法兩類。穩態法是指待測 試體上的溫度分佈達到穩定後進行量測實驗，利用穩態的傳導微分方程分析，直 接測得熱傳導係數。此法的特點為實驗公式簡單;實驗時問 長;需要測量熱流量 (直接或間接)和若干點的溫度。非穩態法是指待測試體的溫度在實驗量測時隨時 間變化，利用不穩定(或稱為暫態) 熱傳導微分方程分析，通常只能測得溫度變 化，間接推算熱傳導係數。此法的特點是實驗公式常不如穩態法簡單且直接;實 驗的時間較短;需要量測試體上若干點的溫度隨時間變化情形;一般不需測量熱流 量。

(3)依試體上傳導熱流的流向區分:在圓柱試體按熱流是沿軸向或徑向，就區

分為軸向熱流法和徑向熱流法。 有週期加熱法、階段狀加熱法(stepwise heating method)、脈衝加熱法(pulsewise heating method)、任意加熱法等。

2.5 以熱線法量測熱傳導係數之原理

邊界條件(boundary condition)和初始條件(initial condition)如下:

0

⎟⎠ A.以相似法(similarity method) [30]解上式。

得

( )

^η

Ei 為指數積分函數(exponential integral function)因此，任一點距離為 r 的 溫度T : B.以拉氏轉換法(Laplace transform method)，本文另推導以拉氏轉換法求解 半無限熱傳的問題。

即^{x2y′′+xy′−}

(

^{x2 +n2}

)

^y=0， n≥0 (2-23) 稱為修正的貝色方程式(modified Bessel equation)，通解為

( )

^{x C K}

( )

^x

I C

y= _{1 n} + _{2 n} (2-24)

( )

x

I_n :n 階第一類修正的貝色函數(the modified Bessel function of the first kind of order n) ;

( )

^x

K_n : n 階第二類修正的貝色函數(the modified Bessel function of the second kind of order n)，

視為半無限區的熱傳問題。應用2.5.1 節推導所得(2-16)式之結果，計算試體中任

其中γ 是 Euler’s constant(=0.5772156649)…[32,33]，代入(2-16)式，得

( )

_⎥ 體的熱傳導係數，此方法稱為熱線法(hot wire method)或針管法(needle probe method) [36-38]。

t

(2-31)式中:

2.8 混凝土強度之形成

混凝土強度的形成，主要因其成分產生水化作用而形成矽酸鈣水化物(C-S-H) 膠體之故，C-S-H 膠體在水泥漿體中約佔有 50～60%左右的體積，為混凝土強度 之主要來源。此外水化產物上包括氫氧化鈣與硫鋁酸鈣水化物，此等水化產物僅 充填孔隙材料，對強度直接貢獻很小。普通混凝土之水化作用與卜作嵐材料之卜 作嵐反應比較如下 [44] :

卜特蘭水泥水化作用:

CH C-S-H S

C₃ +水⎯^快速⎯ →⎯ + (2-34) 含卜作嵐材料之卜作嵐反應:

C-S-H CH

Pozzolan+ +水⎯^慢速⎯ →⎯ (2-35) 式(2-34)中之C3S，佔水泥成分之 45-50%，其產生之C-S-H膠體量最多，且控 制波特蘭水泥混凝土之強度；式(2-35)卜作嵐反應則較緩慢，卜作嵐需與水泥水 化作用產生之氫氧化鈣及水起作用，才會慢慢形成C-S-H膠體填塞孔隙，使強度 逐漸增，此乃添加飛灰等卜作嵐材料可增加長期強度之原因。

另外，溫度會增加化學反應之活化能，加速水化作用與卜作嵐反應之進行，

混凝土內之溼度多寡亦決定水化作用與卜作嵐反應是否完全，因此，環境溫溼度 對於含卜作嵐材料的混凝土強度之形成影響頗大。

2.9 飛灰對混凝土性質的影響

2.9.1 飛灰對混凝土新拌性質的影響

一般情況下，飛灰以三種方式摻在混凝土中：(1)取代部分水泥(2)取代部分 砂(3)取代部分水泥及砂。

對於新拌混凝土而言，當混凝土中添加飛灰時，飛灰對混凝土坍度具有下列 影響機理[44]：

（1）飛灰為圓球狀顆粒，可增大混凝土的坍度。

（2）飛灰含多孔未完全燃燒的碳粒，具吸附水性，使坍度降低。

（3）中空的飛灰比重較水泥低，細度較細，若以相同重量取代水泥，混凝土

中細顆粒增加，累積總表面積增大，使坍度降低。

（4）飛灰含可燒失之碳粒子物質，降低輸氣劑的輸氣效果，使坍度降低。

混凝土中適度添加飛灰，亦可降低泌水現象。泌水現象係由於漿體之拌和水 量大於漿體水化或吸附所需的用水量，其機理為漿體在拌和後，若拌和水過多，

則會形成一固態/液態相之懸浮體，由於固態相漿體顆粒表面與水接觸後形成電 雙層，而電雙層包含表面吸附層和擴散層，因此除吸附水層和擴散水層所需水分 外，多餘的水分由於其比重較固相材料輕，而有往上浮的現象，在固態相之顆粒 沈澱時經由顆粒相互吸引之凝聚結構網間隙中析出產生泌水現象。適當比例之飛 灰可減少用水量，增加混凝土之黏性與塑性，減少泌水；部分研究指出[45, 46]，

飛灰取代量越高，泌水量則隨之減少。

飛灰之早期水化熱僅為水泥之15～35％[47]，以飛灰取代水泥，不僅使水泥 量減少，又可延緩水泥水化反應，降低水化熱。文獻[48]指出，當 10-20 重量％

的水泥，被飛灰所取代時，則混凝土水化時之上升溫度、最高水化放熱比、及3 天水化熱，將隨著加入飛灰，而有下降的趨勢。

文獻[49]認為，含飛灰之混凝土水化初期，由於飛灰中的鋁及矽離子易與 離子結合，形成一個矽-鈣薄層，包覆在飛灰顆粒的表面，使溶液中的

Ca2⁺ Ca²⁺

離子濃度降低，遲滯C S₃ 之水化作用。

2.9.2 飛灰對混凝土硬固性質的影響

含飛灰之混凝土，其水泥之水化反應初期純為波特蘭水泥之水化作用，直到 其水化產物氫氧化鈣濃度增高，熱能達到卜作嵐反應所需條件，飛灰才開始進行 卜作嵐反應。

因此在飛灰取代水泥的情況下，其早期強度降低，但若取代量適當，則晚期 將由於卜作嵐反應之效果，使得晚期強度超過不含飛灰之試體強度；而在高取代 量的情況下，由於氫氧化鈣來源減少，使得部分飛灰顆粒未能進行卜作嵐反應，

使得強度較差[50]。部分研究指出[51, 52]，飛灰混凝土之彈性模數較一般混凝土

略高，但差異性不大。

飛灰與可溶性之氫氧化鈣反應生成不溶性的C-S-H 膠體堵塞水路，因此，混 凝土添加飛灰可增加其水密性、降低滲透性；水化完成後，總孔隙率降低，且由 大孔隙轉為小孔隙。

以熱學性質而言，混凝土中飛灰含量之增加可以減少水泥漿體及砂漿之熱膨 脹量。因飛灰在有水之狀況下會與水泥漿體內之CH 起波索蘭反應，消耗 CH 而 生成C-S-H 膠體，填塞孔隙及原 CH 所佔有之空間，因此含飛灰水泥漿體之 CH 含量較純水泥漿體為少，氫氧化鈣(CH)含量太多，在溫度超過 300℃時抗壓強度 會受損，此乃因為圍繞在氫氧化鈣晶格四周之微裂縫增加之緣故；因此添加飛灰 可以使漿體內之CH 降低，間接地使耐熱性質提高[53]。 若飛灰添加量大，會隨 著取代量的增加造成混凝土較低的溫度增加，延緩了溫度高峰點出現的時間，這 說明飛灰延緩了水泥的水化反應，但仍保有一個溫度升溫的高峰點[54]。

2.10 爐石對混凝土性質的影響

2.10.1 爐石對混凝土新拌性質的影響

水灰比固定時，高爐熟料含量對於含有高爐熟料的水泥漿體其坍度與流度之 影響，有一最佳值存在，即隨著高爐熟料含量增加而升高至坍度或流度最高值 後，又隨著含量的增加而降低；坍度與流度最高值之出現時機，與混凝土之水灰 比有關，通常水灰比越高，則坍度與流渡達到最高峰時所需的高爐熟料含量越 大，而在供水量不足的情況下，高爐熟料含量若在一定限度內，會因其保水性差，

擴散水層大，增加其坍度與流度，改善混凝土之工作性[55]。

由於爐石保水能力不佳，在高水灰比的情況下，爐石含量固定時，因拌和水 多過於水泥漿體水化所需用水量，多餘的拌和水會被排出，使得泌水率隨水灰比 增加而增加[55]。而在低水灰比(0.47)下，由於爐石在水泥漿體中具有保水性與延 緩水化之特性，交互影響下，泌水率的增減隨時間而顯現出較複雜的趨勢[56]。

文獻[57]以超細爐石（Superfine mineral Powder of Phosphoric Slag，比表面積

介於600-800 之間）取代20％水泥，與僅使用普通波特蘭水泥之高性能 混凝土控制組相較之下，具有較高的坍度值，這是由於SFPS 對混凝土的分散效 應（dispersing effect）所致。

kg m /²

另外對於混凝土水化熱而言，加入高溫爐石時，最高上升溫度、最高水化放 熱比及3 天水化熱將降低[48]。因高爐水泥之水合熱隨著高爐石粉末之置換混合 比率之增加而逐漸降低，故高爐水泥可有效地克服巨積混凝土溫度裂紋問題之困 擾[53]。

2.10.2 爐石對混凝土硬固性質的影響

混凝土水化過程中產生的氫氧化鈣，常成為硬固混凝土中的弱點，CH 易溶 於水而析出，降低混凝土強度與耐久性。爐石之水化作用較水泥為慢，水泥漿體 內爐石的水化方式，乃藉由水泥在水化作用期間，所釋放出的氫氧離子，使爐石 的玻璃質結構破裂及溶解，消耗氫氧化鈣，生成水化產物C-S-H 膠體，逐漸強化 混凝土的硬固性質[56]。 因此，添加爐石可增加混凝土的緻密性，降低混凝土 水化作用之溫度；而由於消耗了混凝土中的鹼質如氫氧化鈣，故可增加混凝土抗 硫性與抗鹼矽反應的能力。

一般文獻認為，添加爐石於混凝土中，將有助於混凝土晚期強度的發展。以 爐石或高爐水泥拌合出之混凝土，於14～28 日材齡之時，其強度水準與普通卜 特蘭水泥相比，已達相等或更高之強度，而長期強度更是凌駕其他種類之水泥 [53]。

添加爐石於混凝土中，其早期強度不如普通混凝土，將隨爐石添加量增加而 降低[58, 59]。文獻[57]以超細爐石取代部分水泥，發現早期強度降低，但晚期強 度與控制組相較之下則提高，混凝土7 天抗壓強度降低了 14％，但 28 天抗壓強 度則提高了31％。

文獻[57]同時指出，由超細爐石取代部分水泥的高性能混凝土，其氯離子滲 透係數將大幅的下降，與控制組相較之下，當爐石取代水泥量為30％時，試體

之氯離子滲透係數下降了23％～33％，但當爐石取代量為 50％時，混凝土的氯

之氯離子滲透係數下降了23％～33％，但當爐石取代量為 50％時，混凝土的氯

在文檔中 水泥質材料凝結期間及硬固後熱傳機理及分析之研究(III) (頁 23-0)