第二節 第二節
第二節 熱傳導 熱傳導 熱傳導 熱傳導改良混凝土 改良混凝土 改良混凝土 改良混凝土
縱使全球暖化現象是一個大趨勢，但實際處於任一個已開發國家的大城市或島國 時，都有可能出現熱夏暖冬、熱夏寒冬、涼夏暖冬、涼夏寒冬等多種的氣候組合，甚 至會交替出現[63]。另一方面，日常生活中人們為了滿足個人的基本需求大量使用許多 耗能的電氣用品，以台北市為例，平均每戶家中至少裝設有兩台以上的空調設備。總 之，不論是嚴寒的冬天或酷暑，大部份人都希望能夠待在溫暖、舒適一個室內環境，
但當下誰又能料想到這些享受所帶來的負面影響。目前全球的結構物大多屬於鋼筋混 凝土構造物，若能對混凝土的熱傳導或儲熱功能(改良室內環境的儲濕與放濕功能)進行
OPC F1 F3 F5 S1 S3 S5 AAS
0 1000 2000 3000 4000
Cost (NT)
改良，勢必有機會達到節能減碳及改善居住環境舒適度之目的。因此，此節主要從材 料的熱傳導與儲熱功能列舉兩項試驗案例。
Tommy 在 永 續 發 展 及 混 凝 土 技 術 研 討 會 中 提 出 ， 當 輕 質 粒 料 (Lightweight Aggregate Concrete, LWAC)替代混凝土中的天然粗粒料時，不僅能夠減少混凝土的自重 和降低混凝土的熱傳導係數，亦能滿足工作性及強度的需求[64]。過去研究曾指出，蒙 脫土、沸石、矽藻土及膨潤土等材料因具有層狀或微孔結構的鋁矽酸鹽礦物，故具有 陽離子的可交換性，使得這些材料能夠吸附和釋放水氣[65] 。
5-2-1 試驗案例一 5-2-1-1 試驗材料
輕質粗粒料：採用水庫淤泥來源並經過造粒及燒結過程後所生成之再生輕質粗粒料。
比 重為 1.46，最大粒徑約 2 cm，外觀如圖 5-8 所示。
陶瓷粗粒料：為陶瓷廠的瑕疵品，經過破碎處理後，最大粒徑約 3~4 cm，比重為 2.4，
外觀如圖 5-9 所示。
拌合 用 水：請參閱 5-1-1-1。
天 然 粗 粒料：請參閱 5-1-1-1。
天 然 細粒料：請參閱 5-1-1-1。
水 泥 ： 請 參 閱 5-1-1-1。
飛灰：請參閱 5-1-1-1。
水淬高爐石粉：請參閱 5-1-1-1。
圖 5-8 輕質粒料 圖 5-9 陶瓷粒料 (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 本研究整本研究整本研究整本研究整 理理理理 ) (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理本研究整理 )
5-2-1-2 試驗方法
編號說明：OPC 表示普通混凝土；
F 表示粉煤飛灰；
S 表示水淬高爐石粉；
L 表示輕質粗粒料；
C 表示陶瓷粗粒料；
5-2-1-4 試驗結果與討論
輕質粒料對混凝土自重的影響
一 直 以 來 ， 混 凝 土 的 自 重 對 於 許 多 高 樓 建 築 和 大 型 建 設 而 言 是 一 項 必 須 克 服的 問 題，透 過 表 5-12 可以發現輕質粗粒料與陶瓷粗粒料可以完全取代天然粗 粒料，故可 減少普通混 凝 土 的自重， 其 中 以輕質粗粒料 最 為明顯， 可 以 降 低 約 20%的 自 重 。
表 5-12 混凝土單位體積重
編號 OPC C CS CF L LS LF
單位體積重(kg/m3) 2023 1968 1962 1941 1626 1622 1606 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
熱傳導改良混凝土抗壓強度試驗結果
表 5-13 及圖 5-10 為熱傳導改良混凝土抗壓強度的試驗結果。
表 5-13 熱傳導改良混凝土抗壓強度試驗結果(MPa) 編號
養護天數 OPC C CS CF L LS LF
7 36.85 21.96 17.88 15.64 32.11 31.86 26.58 14 40.78 24.33 27.39 20.92 37.62 35.86 29.68 28 44.3 28.32 30.9 23.85 45.34 44.19 39.97 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
圖 5-10 熱傳導改良混凝土抗壓強度 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
陶瓷粗粒料、輕質粗粒料對混凝土抗壓強度的影響
圖 5-11 顯示，當陶瓷粗粒料完全取代混凝土的天然粗粒料時，養護 28 天的抗壓 強度相對於普通混凝土會降低至少 36%的抗壓強度。相對而言，圖 5-12 顯示，輕質粒 料完全取代混凝土的天然粗粒料，除了在第 7 天與 14 天時，明顯分別降低約 13 %及 8
%的強度外，於 28 天時僅增加了 2 %，因此對於抗壓強度而言，基本上是沒太大變化 的。圖 5-11 與 5-12 中可以發現，當混凝土中添加 30 %(水泥重量比)水淬高爐石時，混 凝土 7 天至 28 天的抗壓強度大致改變不大，若添加 30 %(水泥重量比)粉煤飛灰時，則 出現降低的趨勢。
0 10 20 30 40
28 14
7
Age (days)
Compressive strength (MPa)
OPC C CS CF L LS LF
圖 5-11 陶瓷粗粒料混凝土抗壓強度
表 5-14 熱傳導改良混凝土熱傳導係數試驗結果(W/m.K) 編號
養護天數 OPC C CS CF L LS LF
7 2.12 1.2 1.15 1.12 0.957 0.944 0.911 14 2.14 1.24 1.17 1.16 0.981 0.954 0.934 28 2.23 1.27 1.21 1.2 1 0.987 0.989 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
圖 5-13 熱傳導改良混凝土熱傳導係數 (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：： 本研究整理：本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
養護齡期、粗粒料 及礦物摻料 對 混 凝 土 熱 傳 導 係數之 影 響
圖 5-14 顯 示，混 凝 土 的 熱 傳 導 係 數 會 隨 養 護 齡 期 的 增 加 而 產 生 些 許 遞 增 的 現 象，亦可 以 發現 礦物摻料 的添加 對 混 凝 土 的 熱 傳 導 係數也是 有 影 響 的。但就 整 體 而 言 ， 粗 粒料的改變對於混凝土熱傳導係數的影響最大。圖中很明顯說 明， 熱 傳 導 係 數 可 依 粗 粒料種類(天然粗粒料、陶瓷粗粒料、輕質粗粒料)分為 3 個 區 塊 。
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
7 14 28
Age (days)
Heat Transfer Coefficient (W/m.k)
OPC C CS CF L LS LF
圖 5-14 不同養護齡期混凝土熱傳導係數
Heat Transfer Coefficient (W/m.k)
0 5 10 15 20 25 30
Heat Transfer Coefficient (W/m.k)
OPC
水 泥 ： 請 參 閱 5-1-1-1。
矽砂：外觀為 不規 則顆粒， 如圖 5-16 所示，平均粒徑為 70~105μm，比重為 2.64。
圖 5-16 矽砂 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
(1) 矽 藻 土 (Diatomite)
矽 藻 土 的 外 觀 為 白 色 粉 狀 ， 比 重 為 2.33， 如 圖 5-17 所 示 。 透 過 SEM 影 像 可 發 現 其 微 結 構是 中 空 圓 柱 體 ， 外 直徑 約 為 10~18μm，內 直 徑 約 為 2~8μ m， 圓 柱 高 約 10~18μ m， 如 圖 5-18 所 示 。 經 由 EDS 可 得 知 其 主 要 元 素為 Si 及 O，如表 5-15 所示。透過 XRD 成分分析可得知其化合物成分 為 SiO2， 如 圖 5-19 所示。
表 5-15 矽藻土元素分析(EDS)
元素 百分比 (wt.％)
Si 48.65
Al 0.78
Na 1.17
O 49.40
Total 100.00
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) 內政部建築研究所
圖 5-17 矽藻土粉末 圖 5-18 矽藻土微觀圖
(資 料來源資 料來源資 料來源：資 料來源：：：內政 部建築研究所內政 部建築研究所內政 部建築研究所內政 部建築研究所 2008) (資料來源資料來源資料來源資料來源：：：：內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008)
圖 5-19 矽藻土成分分析 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) 內政部建築研究所
(2) 蒙 脫 土 (Montmorillonite)
蒙 脫 土 的 外 觀 為 米 白 色 粉 狀，比 重 為 2.6，如 圖 5-20 所 示。透 過 SEM 影 像 可 發 現 其 微 結 構為 不 規 則 顆 粒 ， 平 均粒 徑 大 小 約 為 20~36μm， 如 圖 5-21 所 示 。 由 EDS 得 知 其 主 要 元 素 為 Si、 O 及 少 量 Al 及 微 量 Mg， 如 表 5-16 所 示。透 過 XRD 成 分 分 析 可 得 知 其 化 合 物 成 分 為 SiO2及 Al2．4SiO2． H2O， 如 圖 5-22 所 示。
表 5-16 蒙脫土元素分析(EDS)
元素 百分比(wt.％)
Si 39.22
Al 8.24
Mg 0.69
O 51.85
Total 100.00
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) 內政部建築研究所
圖 5-20 蒙脫土粉末 圖 5-21 蒙脫土微觀圖
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) (資 料來源內政部建築研究所 資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008)
圖 5-22 蒙脫土成分分析 (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 內政部建築研 究所內政部建築研 究所內政部建築研 究所內政部建築研 究所 2008)
(3) 海 泡 石 (Sepiolite)
海泡石外觀為白色長 條狀，比 重為 3.33，如圖 5-23 所示。透過 SEM 影 像可發現其微結構為纖維狀，平均粒徑大小約為 10~20μm，如圖 5-24 所 示。由 EDS 可得 知其主要元素為 Si、O 及少量 Mg 還有微 量 Al，如表 5-17 所 示 。 透 過 XRD 成 分 分 析 可 得 知 其 化 合 物 成 分 為 CaMgSiO8O22(OH)2、SiO2、 MgSiO3、 MgSi4O10(OH)2， 如 圖所示 5-25。
表 5-17 海泡石元素分析(EDS)
元素 百分比(wt.％)
Si 24.45
Al 0.40
Ca 15.58
Mg 11.40
O 48.17
Total 100.00
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) 內政部建築研究所
圖 5-23 海泡石粉末 圖 5-24 海泡石微觀圖
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) (資 料來源內政部建築研究所 資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008)
圖 5-25 海泡石成分分析 (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 內政部建築研 究所內政部建築研 究所內政部建築研 究所內政部建築研 究所 2008)
(4) 沸 石 (Zeolite)
沸 石 外觀為 綠 色粉狀材 料，比 重為 2.16，如圖 5-26 所示。透過 SEM 影 像可發現其微結構為不規則顆粒，平均顆粒大小約 4~9μm，如圖 27 所 示。由 EDS 得知其主要元素為 Si、O 及微量 Mg、Na、Ca，K，如表 5-18 所 示。透過 XRD 成分分析可得知其化合物成分為 CaAl2Si7O18、 SiO2， 如 圖 28 所示。
表 5-18 沸石元素分析(EDS)
元素 百分比(wt.％)
Si 36.71
Al 7.27
Mg 0.53
O 49.03
Na 1.35
Ca 3.18
K 1.94
Total 100.00
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) 內政部建築研究所
圖 5-26 沸石粉末 圖 5-27 沸石微觀圖
(資 料來源資 料來源資 料來源：資 料來源：：內政部 建築研究所：內政部 建築研究所內政部 建築研究所 2008) (資 料來源內政部 建築研究所 資 料來源資 料來源：資 料來源：：內政 部建築研究所：內政 部建築研究所內政 部建築研究所內政 部建築研究所 2008)
圖 5-28 沸石成分分析 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研 究所內政部建築研 究所內政部建築研 究所內政部建築研 究所 2008)
5-2-2-2 試驗配比
水泥砂漿的水膠比為 0.55，水泥與粒料比為 1:1，以無機礦物調濕摻料(矽藻土、海 泡石、蒙脱土、沸石)作為主要試驗變數，其添加比例為水泥重量的 15 %，詳如表 5-19 所示。
表 5-19 調濕混凝土配比(kg/m3)
編號 水 水泥 矽藻土 海泡石 蒙脱土 沸石 粒料
OPM 441.3 802.4 0 0 0 0 802.4
D 419.6 763 114.4 0 0 0 763
M 421.8 766.9 0 115 0 0 766.9 s 425.8 774.2 0 0 116.1 0 774.2
Z 418 760.1 0 0 0 114 760.1
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) 內政部建築研究所 編號說明：D 表示矽藻土；
M 表示海泡石；
s 表示蒙脫土；
Z 表示沸石；
5-2-2-3 試驗方法
吸/放濕試驗 (Moisture-adsorption/desorption test)
本試驗係依照 JIS A 1470-1 規範進行，將 200 mm × 200 mm× 30 mm 試體放入乾燥 器中進行乾燥，該乾燥器內置配製好的飽和鹽溶液，不同組的飽和鹽溶液對應不同的 相對濕度，詳如表 5-20 所示，試驗裝置如圖 5-29 所示。
(1)吸濕試驗
試驗從相對濕度為 33%開始，首先將試體放入已調好濕度的乾燥器中，待吸濕 達到平衡後，遞增相對濕度繼續吸濕，直到在相對濕度為 93%下吸濕平衡，試驗結 束。
(2)放濕試驗
試體在相對濕度 93%開始吸濕，待吸濕平衡達到後，在相對濕度 75%下放濕。
放濕平衡後，遞減相對濕度繼續放濕，直到在相對濕度為 33%下放濕平衡，放濕試 驗結束。
表 5-20 飽和鹽類及相對濕度
使用鹽類 相對濕度(％)
MgCl2．6H2O 33
K2CO3 43
Mg(NO3)2．6H2O 53
Kl 69
NaCl 75
KCl 85
KNO3 93
(資 料來資 料來資 料來 源資 料來源源源 ：：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) 內政部建築研究所
圖 5-29 吸(放)濕試驗裝置 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 內政部建築研究所內政部建築研究所內政部建築研究所 2008) 內政部建築研究所
SEM微觀結構分析 掃描式電 子 顯微鏡：
本 研 究 使 用 日 本 HITACHI 公司生 產之 S-4800 型掃瞄式電子顯微鏡觀察微 觀結 構， 該儀器最 高放大倍率可 達 10 萬倍，目的在瞭解永續混凝土性能改善的 機 理 。 本 設 備 利 用 電 場 發 射 電 子 束 撞 擊 試 片 激 發 出 訊 號 ， 經 由 訊 號 放 大 器 再 送 至陰 極 映 像 管 中 ， 再 藉 由 螢 光 幕 呈現試體微觀晶相。
能 量 分 散 光譜儀：
能 量 分 散 光譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）附屬 於 SEM 設備 中 ， 採 用 逆偏壓的矽（鋰）偵測器。由於 每一入射的高能 X 光會放出大部分能 量 而 形成電子-電洞 對，外加電壓可使 得 電子及電洞移動產 生 脈動，多頻道分析
器 紀 錄 此電 壓 脈 動 並 產 生 尖 峰 值 ， 再 由 尖 峰 值 比 對 材 料 之 元 素 成 份 ， 希 望 藉 由 元 素的 分佈來瞭解永 續 混 凝 土 性 能 改 善 的 機 理。
圖 5-30 掃瞄式電子顯微鏡(S-4800) (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：： 本研究整理：本研究整理本研究整理本研究整理 )
微觀結構分析之 SEM 觀察係參照下列步驟進行:
(1) 裁切取樣試片，試片尺寸約為 10× 10 × 3 mm 大小。
(2) 將試片置入 80℃恆溫箱內烘烤 24 小時，進行乾燥去除水氣程序。
(3) 將試片乾燥處理並預抽真空，並濺鍍金鉑以便導電。
(4) 置入試體於電子顯微鏡內並進行抽真空程序。
(5) 場發射電子束掃描試片表面，顯像觀察並且照相。
X 光繞射分析(XRD)
本 研 究 使 用 PANalytical 所 生 產 的 X 光 繞 射 分 析 儀 ( 型 號 ： X'Pert Pro, MPD)， 該 儀 器 所 使 用 的 靶 材 為 銅 靶 ， 外 觀 如 圖 5-31 所 示 。 X 光 繞 射 分 析 係 利 用 X 光 照 射 在 試 片 ， 繞 射 後 的 X 光 會 沿 著 與 入 射 角 成 2θ 夾 角 之 圓 錐 面 射 出 ， 藉 由 紀 錄 不 同 角 度 時 的 繞 射 強 度 可 繪 製 2θ-強 度 圖 。 由 Bragg´s law 可 知 ， 當 λ =2dsinθ 時 會產 生建 設 性干 涉， 因而 會有 繞 射峰 產生 。不 同的 化 合物 均有 不 同 的 繞 射 結 果 產 生 ， 所 以 可 利 用 比 對 高 峰 值 發 生 的 位 置 來 判 別 試 片 內 的 化 合 物 成 分 。 本 試 驗 的 目 的 亦 是 希 望 藉 由 判 斷 相 的 種 類 來 瞭 解 永 續 混 凝 土 性 能 改 善 的 機 理 。
圖 5-31 X 光繞射分析儀 (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 本研究整理本研究整理本研究整理本研究整理 )
X 光繞射分析係參照下列步驟進行：
(1) 均勻選取具代表性之試片粉末約 1 g。
(2) 將試樣置入 100±5℃恆溫箱，進行乾燥去除水氣程序 24 小時以上。
(3) 將試樣黏置於玻璃片上並定位於 XRD 分析儀器中，以繞射角度 10°~80°、
掃描速率 3 sec./0.05°進行試驗。
(4) 將分析後之 X 光繞射強度圖(intensity diagram)與電腦軟體內建化 合物資料庫之化合物尖峰值(peak)比對。
5-2-2-4 試驗結果與討論 調濕混凝土的抗壓強度
表 5-21 列出調濕混凝土的抗壓強度，整理後如圖 5-32 所示，可發現添加 15%(水
表 5-21 列出調濕混凝土的抗壓強度，整理後如圖 5-32 所示，可發現添加 15%(水