第三章 研究方法
第二節 鋼筋、水泥砂漿與混凝土之熱傳導係數
水泥砂漿可視為均質，因此在板材試體的尺度設計上只要能滿足一維熱傳導模式 即可，尺度不大，因此，可直接使用本團隊既有熱傳導值量測儀器 KD2 (Decagon Devices Inc.)來進行熱阻值量測，其量測原理與金屬暫態熱線法原理相同，符合 ASTM D5334-05 及 IEEE442 標準測試方法，而儀器本身誤差於±5%以內。。
在混凝土板材部分，考量混凝土內含粗細骨材等，由一般試體尺度視之屬於非 均質材質，欲求得混凝土板材代表性熱阻值，待測板材之厚度必須遠高於粗骨材之最 大標稱粒徑（3/4 吋）；再加上本所既有熱傳導值量測儀器之量測原理係利用一維熱 傳導模式，如此的量測原理將需要相當足夠的混凝土板材高寬比，亦即，混凝土板材 需要相當大的寬度，如此，混凝土板材試體將具有相當之體積而無法置入本所既有熱 傳導儀之量測艙體。因此，將使用研究團隊所設計之實驗模型來量測混凝土板材熱阻 值。實驗模型如圖 3-5 所示，為了減少與環境之熱傳，在實驗模型外均以隔熱膠棉包 覆，以杜絕外界干擾因素，獲得較穩定之實驗數據。
圖 3-5 實驗原型（本研究整理）
室內側邊界 恆溫板(循環水套)
(視狀況使用)
室外側邊界 混凝土板材
混凝土板材 混凝土板材
加 熱 部 份 為 雲 母 式 加 熱 片 黏 貼 於 一 銅 板 上 ， 此 加 熱 片 最 大 輸 出 電 功 率 為 1000W/m2，銅板厚度為 1cm 其目的是讓加熱壁能達均勻等溫；除此之外，為了減低 加熱壁因溫差而散失至環境之熱量，於距離主加熱片 2cm 處，以另一片雲母式加熱 片輔助加熱形成副加熱壁，實驗中進行溫度監控，再手動調整補償加熱片之溫度控制 器，使補償加熱片溫度與主加熱片一致。目的在於控制副加熱壁溫度與主加熱壁溫度 相同，即可使主加熱壁熱量朝單一方向傳至實驗模型端。為了使控制輸出功率更加準 確，將電源供應器與功率計（TES WM-01）串接並將加熱片做為負載，當輸出功率 流經功率計至加熱片時，功率計會顯示出實驗所需之精確功率值，並利用電腦紀錄及 擷取當時實驗所使用之功率值以利分析。
(2) 溫度量測
在溫度量測方面，本文使用 K 型熱電偶量測實驗模型各溫測點溫度，加熱端部 分，於主加熱片與輔助加熱片表面各設立 5 個熱電偶來量測溫度，而在與主加熱片相 連之銅板靠試體端表面上設立 2 個熱電偶，以即時監控加熱壁溫度；於實驗試體中央 與側邊不同位置分別設置熱電偶，以觀測實驗中溫度變化分佈之趨勢，熱電偶位置分 佈如圖 3-5 所示。
(3) 實驗量測周邊系統
本實驗所需之設備與數據擷取系統主要包括：
(a) 數據擷取系統(YOKOGAWA MX-100)一組；
(b) 個人電腦一台；
(c) 直流電源供應器(Gwinstek SPD-3606)一台；
(d) 恆溫槽(華夏 RCB-412)一台；
(e) 熱影像儀(Fluck Ti-25)一台。
(4) 實驗方法與步驟
熱壁主要藉由電源供應器輸入所需電量來提供熱能，等溫冷壁則藉由恆溫槽循 環水路控制，而起始溫度則與實驗參數設定之等溫冷壁壁溫或常溫為實驗初始值。在 實驗開始之前，必須先設定實驗模型溫度達實驗所須等溫冷壁，即實驗初始值，當整 體溫度皆達冷壁壁溫時實驗則開始進行。以下為實驗步驟：
(a) 開啟恆溫槽，設定實驗模型初始溫度值(冷壁溫度)。
(b) 當模型均勻到達所需初始溫度，電熱片開始加熱至設定瓦數，控制於等熱通量邊 界狀態。
(c) 全程記錄其溫度、輸入功率並定時拍攝熱影像。
(d) 等試驗試體內部升溫曲線至穩態即完成實驗。
(5) 實驗數據換算
本實驗主要控制參數為冷熱壁壁溫，主要數據有實驗模型中各熱電偶所量測之 溫度及實驗中電源供應器輸出之電壓、電流，由這些數據即可依據 3.1 小節所述計算 出熱傳係數，其計算方式如下：
(a) 輸入熱量q 之計算in
實驗中以電源供應器供應主加熱片所需熱量，其供應之電壓、電流數據由數據 擷取器擷取之，再以電壓及電流來求得輸入功率，即qin VI，故熱通量為
A qinqin ， 其中 A 為加熱壁面積。
(b) 熱損失qloss之估算
於實驗過程中，調整輔助加熱片溫度時，並不易使其溫度與主加熱片溫度完全 相符，因此必須考慮主加熱片與輔助加熱片之間的熱傳關係。實驗模型架構中主加熱
可分為熱輻射及熱傳導(Ra <10 ,Nu =1或熱對流w 3 w Ra >10w 3)兩部份：
(b1) 當Ra <10 ,Nu =1時w 3 w
-
4 - 4
1 1 -1
main aux
air main aux
loss
main aux
A T T
w air main aux main aux
loss
main aux
A T T
Nu 的計算方法如下(Incropera，1996)：w
Pr 0.29
air air
g T W
在計算熱損失後，我們只需要減去qloss即可求出修正後之輸入熱量qcorr；
corr in- loss
q q q ，實驗中當補償加熱片溫度低於主加熱片之溫度時qloss經計算後為正 值，反之則qloss為負值。
鋼筋混凝土樓板構造與牆構造具有相似厚度，唯樓板會因其受力後之力學特徵而 將配筋模式分為長短向柱列帶及中間帶，以及雙層雙向配筋模式兩種差異，如圖 3-6 及圖 3-7 所示：長向鋼筋柱列帶 CDC，長向鋼筋中間帶 ABA；短向鋼筋柱列帶 CAC，
短向鋼筋中間帶 DBD。若考慮設置成本，柱列帶板配筋模式之材料使用較為經濟(公 共工程使用較多)，如圖 3-8 所示；若由施工角度觀視，雙層雙向配筋模式之鋼筋加 工及施工會較為簡易，且可降低與水電工程施工介面之衝突，故現階段多數鋼筋工程 多採用雙層雙向模式配筋(坊間工程使用較多)，如圖 3-9 所示。
圖3-6 版鋼筋標準圖柱列帶及雙層雙向配筋示意
（資料來源：楊秉蒼，2013）
圖 3-7 樓版分區帶 （資料來源：楊秉蒼，2013）
SHORT
#4@30
#4@30
#4@20
#4@ 40
#4@15
#4@30
#4@30
#4@15 #4@30
#4@40
#4@20
#4@15
#4@20
#4@40
#4@ 22
#4@22
S/6
LONG S/4+15d
S/6 S/4+15d
2 ~ RS1 (T=15cm)
圖3-8 柱列帶版配筋案例 （本研究整理）
#3@12
#3@12
#3@10
#3@10 #3@10
#3@12
圖3-10 鋼筋混凝土牆配筋案例（楊秉蒼，2013）
本研究試驗變數包括粗骨材含量、水灰比，含水量與鋼筋單雙層配置等，相當多 元，囿於時程與經費，初步規劃將採用中央廠拌 3000 psi 混凝土並使用雙層雙向配筋 方式，實驗試體厚度為 15 cm，上下保護層厚度均為 2.5 cm，配筋方式如圖 26 所示，
上下層長短向鋼筋尺寸與間隔均相同，配筋方式為：#3@10、#3@15、#3@20。相關 規劃內容詳見表 3-2 與圖 3-11。
表3-3 實驗試體之製作
項次 項目 變數內容 變化範圍
1 粗骨材 含量變化 100％(標準量)
2 水灰比 比值變化 0.5
3 含水量 氣乾：試體置於室內大氣中氣乾。
4 鋼筋 屋頂板
外牆
上下層長短向鋼筋尺寸與間隔均相同，配筋 方式為：#3@10、#3@15、#3@20
版 厚度15cm，面積大小取5倍版厚，
長寬＝75cm×75cm
5 版牆 試體尺寸
牆 厚度15cm，面積大小取5倍牆厚，
長寬＝75cm×75cm
（資料來源：本研究整理）
圖 3-11 本計畫採用之鋼筋混凝土實驗試體（資料來源：本研究整理）
圖 3-12 研究團隊對於鋼筋混凝土實驗試體之施作經驗
（資料來源：本研究整理）
第四章 結果與討論
第一節 均質板材實驗結果
本計畫先由均質板材（壓克力板）試體著手，板材尺寸為 10 cm x 10 cm x 1.5 cm (厚度)，採用電熱片提供穩定加熱源，並且嘗試將試體擺放為直立或水平等不同方 式。研究團隊同步使用熱傳導係數量測儀（以下簡稱 KD2）來進行壓克力板材熱傳 導值之量測，以作為比較之用，儀器本身誤差為 5%。
KD2 量測結果顯示，壓克力板材熱傳導值平均為 0.17 W/m K。實驗結果如表 4-1 所示，各項實驗均進行重複性量測，確保實驗數據之可信度。由於本計畫自行假設與 推導之方程式（式(20)）係假設熱流計表面之熱對流係數與試體表面之熱對流係數相 仿，當試體直立時，熱流計表面與試體表面之熱流邊界層呈現穩定發展，如圖 4-1(a) 所示意，上述「熱對流係數相仿」之假設可有效成立，進而使熱傳導係數估算值 0.16 W/m K（表 4-1(a)）與 KD2 之量測結果相近。
表 4-1 均質板材之穩定加熱源實驗-1（摘錄部分結果）
試體種類 10 cm x 10 cm x 1.5 cm (厚度) 均質板材（壓克力板）
分析方法 本計畫自行研擬之估算方式（式(20)）
(a) (b) (c)
實驗方式 試體直立，單面貼附 加熱片
試體水平放置，加熱片 位於試體下方
試體水平放置，加熱片位 於試體上方 實驗照片
k 值平均 0.16 W/m K 0.15 W/m K 0.14 W/m K
（資料來源：本研究整理）
當試體水平放置時，熱流計表面與試體表面之熱流呈現非穩定紊流場（如圖 4-1(b) 所示），上述假設恐難成立，也因此影響到 k 值估算（表 4-1(b)與(c)）的正確性。
(a) 試體直立擺放時 (b) 試體水平置放時
圖 4-1 說明用圖例（資料來源： Çengel, 2006）
接著吾人將試體更換為較大尺寸 50 cm x 50 cm x 2 cm (厚度)的均質板材（壓克 力板），分別使用大尺寸熱流計（30 cm x 30 cm）以及小尺寸熱流計（5 cm x 5 cm）
來進行量測，以觀測本計畫所研擬之估算方式是否適用於一般足尺度建材，結果如表 4-2 所示。
結果顯示，當進行一般建材量測時，以使用大尺寸熱流計為宜，可獲得較佳之 k 值正確性，此現象源自大尺寸熱流計表面之熱流邊界層可穩定發展。結果亦顯示，本 計畫所研擬之估算方式適合於一般建材在穩態加熱源條件下之量測。
表 4-2 均質板材之穩定加熱源實驗-2（摘錄部分結果）
試體種類 50 cm x 50 cm x 2 cm (厚度) 均質板材（壓克力板）
分析方法 本計畫自行研擬之估算方式（式(20)）
(a) (b)
實驗方式 試體直立，一側貼附 50 cm x 50 cm 加熱片，另一側貼附 5 cm x 5
cm 熱流計
試體直立，一側貼附 50 cm x 50 cm 加熱片，另一側貼附 30 cm x 30 cm
熱流計 實驗照片
k 值平均 0.15 W/m K 0.16 W/m K
（資料來源：本研究整理）
接著將穩態加熱源由加熱片更改為鹵素燈，用來模擬日照穩定地照射在試體表 面，結果如表 4-3 所示。當試體為直立時，由於熱流計表面以及試體表面之熱流邊界 層呈現穩定發展，使得所擬估算方法之假設條件有效成立，因此平均 k 值為 0.17 W/m K，與 KD2 量測結果差距不大。當試體水平擺放時，熱流計表面以及試體表面之熱 流出現不穩定之 thermal plume，使得所量測的 k 值與 KD2 量測結果有所差距。
至此，吾人可確認本計畫所擬 k 值量測方式可適用於加熱片以及人工光源等穩定 加熱邊界，當試體表面平整時，吾人可貼附加熱片來進行實驗；當試體表面凹凸不平 整時，吾人則可利用人工光源來作為熱源端輸入邊界，如此可使所擬量測方式適用於 不同的實務狀況。
表 4-3 均質板材之人工光源實驗（摘錄部分結果）
試體種類 10 cm x 10 cm x 1.5 cm (厚度) 均質板材（壓克力板）
分析方法 本計畫自行研擬之估算方式（式(20)）
(a) (b)
實驗方式 試體直立，人工光源（鹵素燈）
用以模擬穩定日照
試體水平放置，人工光源（鹵素燈）
位於試體上方 實驗照片
k 值平均 0.17 W/m K 0.18 W/m K
（資料來源：本研究整理）
如表 4-4 所示，當吾人利用戶外日照作為實驗用熱源且利用表面溫度法（ISO 9869-2014）（式(18)-(19)）進行 k 值估算時，可發現 k 值平均為 0.11 W/m K（試體直 立放置）以及 0.23 W/m K（試體水平放置），皆與 KD2 量測值有一段差距；當吾人 利用表面溫度法（ISO 9869-2014）的計算法則且配合本研究所擬 k 值分析方式，則 可發現 k 值平均為 0.176 W/m K，與 KD2 量測值相仿。但若採用一段穩定日照來作
如表 4-4 所示，當吾人利用戶外日照作為實驗用熱源且利用表面溫度法（ISO 9869-2014）（式(18)-(19)）進行 k 值估算時，可發現 k 值平均為 0.11 W/m K（試體直 立放置）以及 0.23 W/m K（試體水平放置），皆與 KD2 量測值有一段差距；當吾人 利用表面溫度法（ISO 9869-2014）的計算法則且配合本研究所擬 k 值分析方式，則 可發現 k 值平均為 0.176 W/m K，與 KD2 量測值相仿。但若採用一段穩定日照來作