研究方法及進行步驟

當火災發生時滅火所用的方式對火場中混凝土，造成不同降溫情 況及不同的損傷程度，本研究製作150×300 ㎜標準圓柱試體，實驗之 加熱溫度為200℃、400℃、600℃、800℃四種溫度，各試體在達到各 目標溫度持溫 1 小時後之降溫方式分為自然冷卻及強制冷卻兩種方 式，觀察試體外觀顏色、裂縫等變化，另外試體於室內靜置約 40 天 後進行抗壓及劈裂試驗。

第二章 文獻回顧

第一節 混凝土高溫下之行為

一、混凝土高溫下的化學反應綜合如下【6，7】：

（1）溫度達 105℃時，混凝土中的毛細孔及吸附水逐漸散失。

（2）溫度達 200℃時，CSH 膠體開始失去鍵結水，混凝土內部 發生化學變化。

（3）溫度在 250℃至 350℃之間，混凝土內含Al₂O₃或Fe₂O₃的水 化物內之鍵結水，將大部分喪失。而CSH膠體的鍵結水也 會喪失約 20﹪。

（4）溫度在 400℃至 700℃之間，CSH 膠體內保有的 80﹪鍵結 水，將在此階段完全分解。但在500℃左右，漿體中的水分 已分解殆盡。

（5）溫度在 440℃至 580℃之間，水泥漿體中的Ca（OH）₂開始分 解，但該反應為可逆。另外，矽質骨材約在 573℃時，SiO₂會 由α相轉成β相，由於熱震動能量的增加，使體積產生約 0.4

﹪的熱膨脹量。

（6）溫度達 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），在冷卻後吸收 空氣中的水氣會產生體積膨脹，可能造成混凝土的再次龜裂。

（7）溫度在 800℃至 1000℃之間，水泥的水化物將再被重新燒結 成C₂S、C₃S、C₄AF等水泥主要成分。

（8）溫度達 1425℃，剩餘水泥水化物，可能進一步熔解生成C3S。

二 、 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數

混 凝 土 之 熱 膨 脹 係 數，隨 著 含 水 量、水 灰 比 及 混 凝 土 之 材 齡 而 變。由 於 水 泥 砂 漿 和 骨 材 間 之 熱 膨 脹 係 數 不 同，故 熱 膨 脹 係 數 約 為 其 二 者 之 合 成，且 為 拌 合 骨 材 數 量 及 骨 材 熱 膨 脹 係 數 的 函 數。另 外 此 係 數 亦 包 含 了 熱 膨 脹 與 乾 縮 之 相 互 影 響。不 同 骨 材 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數 如 下 【20】 :

矽 質 骨 材 混 凝 土 : 0.000018 / ℃ 碳 酸 岩 骨 材 混 凝 土 : 0.000012 / ℃ 三、混 凝 土 的 體 積 變 化

混 凝 土 受 熱 的 潛 應 變 及 瞬 間 應 變 有 密 切 的 相 關 性 。 混 凝 土 的 體 積 變 化 包 含 水 泥 漿 體 與 骨 材 之 共 同 影 響，且 體 積 變 化 隨 溫 度 變 化 及 有 無 加 載 而 有 明 顯 的 不 同。一 般 骨 材 其 體 積 均 隨 溫 度 增 高 而 膨 脹;但 水 泥 漿 體 在 較 低 溫 時 ， 體 積 變 化 亦 隨 溫 度 升 高 而 膨 脹，但 約 在 150℃以 上 時，體 積 變 化 改 脹 為 縮，如 圖 2.1。

在 此 腫 脹 縮 不 和 諧 情 況 下，骨 材 與 水 泥 漿 體 界 面 間 會 產 生 脹 縮 差 異 之 內 張 應 力，當 此 應 力 超 過 極 限 時，界 面 即 產 生 破 裂 或 使 原 有 裂 縫 再 擴 大 延 伸 ， 如 圖 2.2【 21】。

圖2.1 骨材與水泥漿體之熱應變圖【21】

骨材受熱膨脹

水泥漿體受熱收縮 微裂縫

骨材

圖2.2 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖【21】

四、混凝土受火害之力學性質

ACI 216【22】所建議的有關矽質混凝土受火害之力學性質的相關 規定，如圖2.3 所示，從矽質骨材混凝土之抗壓強度與溫度關係中，可 發現加溫至400 ℃後混凝土的抗壓強度會有比較明顯衰減之現象，由 圖中可觀察到加溫至500 ℃時，抗拉強度遞減約 40 %，高溫中加載至 0.4 fc’與高溫無加載之混凝土抗壓強度相差約 30%。由圖 2.4 中發現，

矽質骨材混凝土之彈性模數在加溫至400 ℃時，約為常溫之 55 %，加 溫至480 ℃後會有明顯衰減之現象。

圖2.3 ACI 216 高溫中矽質骨材混凝土抗壓強度遞減之關係【22】

圖 2.4 ACI216 高溫中混凝土彈性模數遞減之關係【22】

Eurocode 2【20】將混凝土抗壓強度隨溫度衰減關係建議如下：

( ) ( ) (20 )

ck c ck

f θ =k θ ×f ^oC

oC

C

≤ ^oC

(2-1) 其中

( )

^1.0

kc θ = , 20^oC≤ ≤θ 100 (2-2a)

( )

^{(1600 )/1500}

kc θ = −θ , 100^oC≤ ≤θ 400^oC

( )

⁽⁹⁰⁰ )/625 , 400 900

kc θ = −θ ^oC≤ ≤θ ^o

( )

0 , 900 1200

kc θ = ^oC≤θ

(2-2b) (2-2c) (2-2d) 圖2.5 為Eurocode 2【20】在高溫中混凝土抗壓強度遞減之關係，

溫度升到100 ℃時，混凝土抗壓強度才有遞減之現象，加溫到 400 ℃ 抗壓強度會約為常溫抗壓強度80 %，加溫到 800 ℃抗壓強度約為常溫 抗壓強度16 %，當溫度升到 900 ℃以上時，混凝土完全無抗壓強度。

圖2.6 為Eurocode 2【20】所建議有關矽質骨材混凝土在高溫中之應力

應變曲線關係，由圖中可發現混凝土之彈性模數會隨著溫度上升而遞 減，曲線中應力的最高點所對應之應變會隨著溫度上升而增加。

0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature (^oc)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

kc (θ)

圖2.5 Eurocode2 高溫中混凝土抗壓強度折減遞減之關係【20】

圖2.6 Eurocode2 高溫中矽質骨材混凝應力應變曲線之關係【20】

五 、 混 凝 土 的 熱 傳 遞

熱 傳 遞 方 式，主 要 有 輻 射、對 流 及 傳 導 三 種 方 式。熱 傳 遞 時 往 往 是 三 種 方 式 同 時 進 行，將 熱 由 高 溫 處 傳 至 低 溫 處，在 低 溫 時 是 以 傳 導 及 對 流 為 主，而 在 高 溫 則 以 輻 射 為 主。在 有 溫 差 的 系 統 中，就 有 熱 能 的 傳 遞，而 其 傳 遞 的 難 易 就 由 熱 傳 導 率 控 制。影 響 混 凝 土 的 熱 傳 導 率 之 主 要 因 素 有 骨 材 礦 物 性 質、硬 固 水 泥 漿 體、孔 隙 量、飽 和 度 及 環 境 溫 度 等 因 數。一 般 言 之 在 低 溫 時 ， 混 凝 土 有 較 高 的 熱 傳 係 數 ， 但 當 溫 度 達 100℃以 上 時 ， 孔 隙 水 逐 漸 蒸 發，骨 材 與 硬 固 水 泥 漿 體 間，因 熱 應 變 不 諧 和 而 產 生 微 裂 縫，增 長 熱 傳 導 的 路 徑，傳 導 能 力 減 弱，熱 傳 係 數 逐 漸 下 降 ， 當 溫 度 約 達 800℃以上時 ， 熱 傳 係 數 逐 漸 穩 定 ， 因 此 時 主 要 以 輻 射 方 式 傳 熱，使 的 傳 熱 能 力 維 持 穩 定。混 凝 土 熱傳 係數如下：

k α c

= ρ (2-3)

其中 α k ρ c ρc

：熱擴散係數 (heat diffusivity)

：熱傳導係數 (thermal conductivity) (W/m )℃

：密度 (density) (kg/m³)

：比熱 (specific heat) (J/kg )℃

：熱容比 (specific heat capacity) (J/m³℃)

Eurocode 2【20】所建議矽質骨材混凝土的熱傳導係數的公式如下：

( )

2 0.24 /120 0.012( /120) , 20² 1200

k θ = − θ + θ ^oC< ≤θ ^oC (2-4) Ellingwood 等人【23】所提出建議混凝土的熱傳導係數的公式如下：

( )

1.81 0.62 300 , 0 300 k θ = − θ ^oC< ≤θ ^oC

( )

1.55 0.60 500 , 300 800 k θ = − θ ^oC< ≤θ ^oC

( )

0.81857 0.2 700 , 800 1500 k θ = − θ ^oC< ≤θ ^oC

(2-5a) (2-5b) (2-5c)

Eurocode 2【20】所建議的熱傳導係數k及Ellingwood等人【23】所 提出的熱傳導係數k如圖 2.7 所示，另外ACI216【22】所提供的混凝土 熱傳導係數如圖2.8 所示。

圖2.7 Eurocode2 及Ellingwood等人所提出的混凝土熱傳導係數k與溫度 之關係【20】【23】

圖2.8 ACI216 混凝土熱傳導係數與溫度之關係【22】

六 、 混 凝 土 的 熱容比

Eurocode 2【20】建議混凝土熱容比之公式如下：

( )

^{2300 900 80} /120 4( /120) , 20² 100

個平台，在500 ℃左右有一突峰，但Eurocode 2【20】所建議的熱容比 呈現微幅上升的趨勢，在100 ℃-200 ℃時比熱c會有一尖峰值 2750 J/kg℃，在 600 ℃以後兩者建議的熱容比趨近相同。

0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature (⁰C)

1 2 3 4 5 6 7

ρc(θ)×106  (J/m30 C) _Eurocode2

T.T.Lie

圖2.9 Eurocode2 與T.T.Lie建議的熱容比與溫度之比較【20】【24】

七、強塑劑對混凝土耐火性之影響

根據

沈政南

【8】，添加Type F 強塑劑混凝土火害高溫作用之殘 餘強度比純混凝土高。整體而言，化學摻料對混凝土火害性質無害，

而Type F 強塑劑有良好效果。且不同廠牌之強塑劑，對硬固混凝土之 火害性質並無顯著之影響。

八、升溫速率及延時對混凝土之影響

Mohamedbhai 【25】曾對高溫作用下在不同升降溫度條件下混凝 土抗壓強度之變化，進行探討，歸納出下列結果：

1.最高溫延時之前一小時為混凝土抗壓強度折損之主要時段，而強度 損失幾乎都發生在前二小時內。

2.最高溫延時，對混凝土抗壓強度之折減，在低溫有顯著影響，但隨 溫度的增加，其影響程度隨之降低，在高溫則效應不大。其原因可

能是混凝土在低溫時借孔隙水、膠體及晶體骨架傳遞熱能，延時較 長可使熱能傳至混凝土中心產生較多之界面裂縫。而在高溫時，熱 能傳遞以輻射為主，傳遞速率較快，界面破裂在很短的時間內已發 生。因此延時對混凝土抗壓強度之折減，在高溫時效應減低。

3.升降溫度的快慢，會引起骨材與水泥間膨脹不諧和，而使界所產生 之裂縫多寡不同。而當溫度在600℃以上，混凝土骨材界面因破裂 已相當嚴重，此時升降溫速度之影響相對減小。

在延時方面，Mohamedbhai 【25】所作試驗是以爐溫達目標溫度 控制，而

陳舜田等人【9】

則以試體中心達目標溫度控制做最高溫延時 試驗，其結果與上述1、2 點相符，更進一步發現400℃-600℃為強度主 要之折減區域，300℃以下折損程度並不明顯。

在升降溫速率方面，Khoury 【26】分別以0.2℃/min 及1.0℃/min 兩 種速率加熱，結果發現0.2℃/min 下混凝土的殘餘強度反而比1.0℃/min 下的低，原因可能是0.2℃/min 與1.0℃/min 皆屬相當緩慢之加熱速 率，此時的孔隙壓力與熱應力的影響並不明顯，反而是在較慢的加熱 速率下，試體於高溫下曝露的時間較長產生有害變化及轉換，反使強 度變低。

九、混凝土於高溫下之爆裂行為與預防

Anderberg【27】曾探討高性能混凝土和普通混凝土的爆裂現象，

造成混凝土表面爆裂的因素為濕度太高、密度較高的混凝土、外加或 預加壓應力，溫度迅速上升、不對稱的溫度分佈、斷面較薄處、鋼筋 密集處，普通混凝土增加空氣含量可以減少爆裂現象，但對於高性能 混凝土則會影響試體強度。

而造成混凝土表面爆裂的三個主要力學性質：蒸氣壓力、熱壓力、

骨材晶象變化，在大部分的情形下，蒸氣壓力是最主要的因素，而骨 材晶象變化僅侷限於單一種粗骨材；當潮濕的試體加熱到沸點時，隨 溫度的增加游離水轉變成水蒸氣，假使材料的擴散性低，便會阻礙水 蒸氣的傳遞，最後超額孔隙水壓就會生成了，超額孔隙水壓的大小取 決於傳輸與水蒸氣增加的速度。當蒸氣區深入試體某一深度時，便會 產生最大的蒸氣壓而爆裂，此一深度對高性能混凝土而言大約

5-10mm，對普通混凝土而言大約 20-40mm，從 HPC 爆裂實驗中可以 發現，深度大約以5mm 為一個循環剝落，此剝落深度主要與加熱速率、

滲透性、孔隙率與孔細分布有關。

受熱的混凝土可能因低傳導熱與高熱容量而造成溫度梯度，熱應 力通常是二維或三維方向，其產生的張應力可能大於張力強度，如果 張應力大於張力強度，就會造成破壞，通常角隅處與彎曲之凸面最容 易發生剝落。

高性能混凝土如果沒有添加聚丙稀纖維且水膠比低於0.28，當暴 露於ISO 834 火害下，會連續產生 5-10 ㎜深的爆裂，當有外加載重時，

產生爆裂的風險會升高，如果升溫速度低於5 /min℃ ，爆裂風險會降 低。另依據瑞典研究指出，當高性能混凝土水膠比高於0.32 與相對濕 度少於75-80%時，混凝土爆裂風險相對較低。

Kodur【28】等人從 HSC 火害行為之文獻討論影響爆裂行為與

Kodur【28】等人從 HSC 火害行為之文獻討論影響爆裂行為與

在文檔中 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） (頁 17-30)