研究流程

(資料來源：參考書目[4])

第四節 研究流程

本計畫先定義出明確目的與研究範圍，透過文獻蒐集並彙整後確認配比製作 試體，進行抗壓強度、乾燥收縮與自體收縮等試驗量測後，評估收縮抑制劑及膨 脹劑對於飛灰與高爐石的影響，再選取其中幾組進行環形試驗及塑性收縮試驗。

本計畫之研究流程如圖 1-7。

圖 1-5收縮抑制劑對乾縮應變的影響 圖 1-6膨脹劑對乾縮應變的影響

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圖 1-7研究流程 (資料來源：本研究)

研究目的與範圍

研究方法確立

相關文獻彙整

擬定試驗計畫

結果分析與討論

結論與建議

試驗材料、配比、試體尺寸及方法

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第五節 研究方法及期程說明

本計畫主要探討混凝土收縮開裂機理及防制技術，先就影響混凝土收縮開裂 之原因進行探討，然後添加化學摻劑或輔助膠凝材料於混凝土中進行塑性收縮、

水泥自體收縮、碳化收縮及乾燥收縮試驗後，探討其對於混凝土收縮開裂影響，

並提出防治方法。整個研究可分下列三階段：

第一部分：蒐集國內外與混凝土收縮開裂及防制技術相關文獻進行整理分析。

第二部分：透過添加化學摻劑或輔助膠凝材料於混凝土中並進行各項試驗。

第三部分：根據試驗所得之數據進行分析討論提出防制混凝土收縮開裂方法。

期程說明詳如圖 1-8。

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第二章 文獻回顧

第一節 前言

現今鋼筋混凝土被廣泛運用在各種不同的地方，不僅是樓房建築、道路、各 式水利設施，也可以應用在海洋開發、地熱工程等特殊工程，已經可以說是目前 世界上使用最多的建築材料。但隨著時間的推移，鋼筋混凝土結構在使用多年以 後，不可避免地有了老舊劣化的問題；而且隨著工程的進步，很多工程的建築會 建造在嚴酷的環境中，但是在這嚴酷的環境中，結構物的耐久性跟使用年限往往 達不到本身預定的服務年限就被淘汰，特別是在沿海及近海地區的混凝土結構，

由於海洋環境對於鋼筋銹蝕影響很大，導致鋼筋銹蝕使結構物損壞的時間提前，

早期損壞的混凝土必須花費比原定設計更多的金錢來進行修補。

氯離子的入侵以及混凝土的中性化是導致鋼筋發生銹蝕的主因，而鋼筋的銹 蝕會造成混凝土結構的破壞，使鋼筋混凝土的承載力下降及延性的降低，影響整 個結構的安全性和耐久性。

鋼筋混凝土的耐久性研究可以說是社會經濟持續發展的需求，延長結構的使 用年限可以節約材料、降低經濟損失、減少維修混凝土的钜額費用，避免結構因 過早損壞而拆除也可以減少建築垃圾的產生，減輕工程所導致的環境問題及能源 的消耗，達到環境保護及節約能源的目的。

第二節 水泥基複合材料體積不穩定性

水泥質複合材料的體積穩定性是指在凝結硬化與硬固後，在無外力、無侵蝕 的作用下，不因體積變形而對其性能產生不良影響。水泥質複合材料的體積穩定 性對耐久性有很大的影響，耐久性係指其抗滲透性、抗硫酸鹽侵蝕能力等，其中 以抗滲透性最為重要的[5]。如果水泥質複合材料的體積穩定性不好，在澆置完 成後，會因體積變化而在生成內應力，當內應力超過本身抗拉強度時，就會在最 薄弱部位產生裂縫；裂縫的產生將使該處的力學性能降低，進而影響結構安全

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性，更重要的是抗滲透性將降低，環境中有害的介質提供了侵入的管道，對耐久 性影響更為嚴重。

水泥質複合材料的體積變形可分為隨時間成長所造成的體積變形與立即變 形兩大類，其中以隨時間成長的體積變形最為重要，對於構造物的安全性及耐久 性影響甚鉅，主要可分為收縮變形與潛變(Creep)兩大類。

收縮變形

當水泥質複合材料澆置完成後，因水化反應或外在環境溼度的改變，導致水 分被消耗或移除，體積隨著時間成長而不斷收縮。為了能夠有效解決收縮有造成 的體積變形，必須對其產生機理充分了解，依其作用機理與發生時間的先後順 序，可分為以下五種[6、7]，如圖 2-1所示：

圖 2-1凝結時間與收縮的關係 (資料來源：參考書目[6、7])

1.沉降收縮

沉降收縮是指水泥質複合材料在澆置完成後至終凝前，由於組成成分密度的 差異，密度大的顆粒有向下沉降的趨勢，而密度小的水則有向表面集中的趨勢，

13 縮與毛隙孔隙中的水份有關，故又稱為毛隙孔隙收縮(Capillary Shrinkage)。

3.自體收縮

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壹、乾縮機理

水泥質複合材料的乾燥收縮，是影響耐久性的主要因素，造成的因素相當 多，至今尚未完整的被界定出來。根據 Young 研究指出，乾燥收縮是以是否可 逆做為劃分的，可分為可逆收縮與不可逆收縮兩種[15]，如圖 2-2 所示；若以混 凝土內部結構來劃分，可分為 C-S-H 膠體特性、孔隙水及孔隙結構等因素。

圖 2-2水泥漿體乾燥及濕潤所造成的體積變化

(資料來源：參考書目[15]) 1.可逆收縮

造成可逆收縮這種現象產生，主要包括毛係管應力 Pcap、分離力 Pdis 及表 面自由能 Psfe，這些作用將使水泥漿體的體積產生變化，但經過適當的條件控制 下，仍可回復其體積。

(1)毛細管應力(capillary stress)

毛細孔隙為水泥漿體中，水化水所填充的空間，當相對濕度逐漸降低時，毛 細管中的水面形成彎月面，會對毛細管產生一毛細管應力，而引致壓縮應力，造 成漿體體積收縮；其作用機理如圖 2-3。毛細管應力所造成孔隙壓力為 Pcap=2γ /r，式中γ為水的表面張力，ｒ為彎月面之半徑；當漿體內部之孔隙越小，孔隙

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內壁承受的毛細管應力越大，體積收縮越明顯。另一方面，當相對濕度低於 45%

時，因彎月面已不穩定，使毛細管應力不再存在。

圖 2-3毛細管應力產生之示意圖 (資料來源：參考書目[15])

(2)解離壓力(disjoining pressure)

C-S-H 膠體因凡德瓦爾力作用，使得顆粒與顆粒間相互吸引，但因水分吸附 於 C-S-H 膠體表面，會產生一相反之應力，此應力為分離壓力。當分離壓力超 過凡德瓦爾力時，會導致顆粒與顆粒間分離而產生膨脹。吸附在 C-S-H 膠體表 面的水膜厚度會隨著濕度的增加而增加；此時分離壓力隨吸附水膜厚度的增加而 提高，當相對濕度小於 45%時，分離壓力已不存在，造成漿體體積收縮。其機理 如圖 2-4。

圖 2-4解離壓力產生之示意圖 (資料來源：參考書目[15])

分離壓力與毛細管應力作用之差異，主要在於其所存在之孔隙位置。毛細管 應力主要純在於毛細孔隙中，而分離壓力則主要存在於為微孔內。此兩種孔隙最 大的差別在於毛細孔隙在充滿水時，液體與氣體之交界面會形成一彎月面；而在

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微孔內因相鄰表面緊密的結合在一起，以致於當充滿水時無法形成一彎月面，故 存在於內的水份與存在於毛細管內的水份行為是不同的。

(3)表面自由能

當相對濕度低於 45％時，毛細管應力與分離應力以不存在，此時所造成之 收縮為表面自由能所引起；Psfe=2γS/3，其中γ為表面能，Ｓ為固體比表面積。

對於 C-S-H 膠體而言，比表面積越大，自由能也越大，將使得內部產生壓縮，

導致體積收縮。當相對濕度降低至一定程度時，表面自由能將取代毛細管應力及 分離壓力而成為引起收縮的主要原因。一般來說，相對溼度越低表是表面自由能 越高，所產生的壓應力也越大，造成的收縮力也就越大。其作用機理如圖 2-5。

圖 2-5表面自由能產生之示意圖 (資料來源：參考書目[15])

2.不可逆收縮

水泥漿體乾燥後再加水，其體積無法回復而稱之不可逆收縮，導致不可逆收 縮的真正原因，至今仍不清楚。主要認為與水泥水化產物 C-S-H 膠體特性有關，

隨時間、溫度與濕度改變有關。影響不可逆收縮之試驗條件包括試體養護環境及 水灰比等因素。一般而言，若在濕養護時漿體處於高溫狀態，則可減少不可逆收 縮量，但不影響可逆收縮。其主要原因是因為在高溫中養護可顯著增加 C-S-H 膠體顆粒間化學黏結的數量，使得 C-S-H 膠體穩定，故在水分散失時變形較小；

而試體收縮量的減少與養護溫度有關，且收縮的減少取決於養護時的最大溫度，

例如在 65℃下不可逆收縮能減少 2/3，以及總收縮減少約 1/3。另外，改變水灰

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比或使用摻料亦可改變 C-S-H 膠體的排列；因為改變水灰比或使用摻料等於改 變了漿體粒子間的黏結，同時也能改變漿體內部孔徑分佈的情形。

C-S-H 膠體對收縮影響是很重要的，由其對不可逆收縮作用更為顯著，其主 要原因為膠體層間水分損失對於體積收縮影響相當大，由其在相對濕度較低的狀 況下。許多學者甚至認為該原因比表面自由能或分離壓力對於體積收縮的影響更 大。

1.C-S-H 膠體特性

Jennings 認為 C-S-H 膠體可分為高密度膠體及低密度膠體兩類，高密度膠體 較為緻密，具有較佳之抗收縮能力及體積穩定性[16]，在相對濕度 50%環境下仍 可保持飽和之狀態，且低密度膠體與高密度膠體體積之比值越大，C-S-H 膠體抵 抗體積收縮之能力則越低。當混凝土之水灰比及水化程度相同時，雖其 C-S-H 膠體含量相同，但低密度膠體對高密度膠體體積之比值仍會受到養護溫度及添加 礦物或化學摻料與否等因素影響。當環境之相對濕度再度達到飽和時，高密度膠 體(HD)具回復原體積之能力，但低密度膠體(LD)則未能完全回復，故可知低密 度膠體濕水所造成之行為不可逆之行為[17]，如圖 2-6。

圖 2-6混凝土內部因乾濕循環引致之體積變化

(資料來源：參考書目[17])

19 於 40%~100%知環境下，分佈於 2.5nm~50nm 孔隙範圍內的孔隙水，其具有較大 表面張力，當水分失去後，因表面張力作用，使得孔隙內部產生一較大之壓力，

19 於 40%~100%知環境下，分佈於 2.5nm~50nm 孔隙範圍內的孔隙水，其具有較大 表面張力，當水分失去後，因表面張力作用，使得孔隙內部產生一較大之壓力，