第三章 試驗計畫
第一節 試體規劃
本研究採用石門水庫淤泥所燒製成的輕質骨材，進行輕質骨材混凝土 構件行為及防火隔熱性能之研究，其中包含輕質骨材混凝土基本隔熱性能 測試、鋼筋輕質骨材混凝土樑、版等構件的結構性質與耐火試驗以及輕質 骨材混凝土縮小尺寸密閉房屋受日曬的室溫變化等試驗，另一方面，並灌 置相同強度之常重混凝土試體，以為比較分析。為完成上述之研究，就各 項試驗所需之試體數量、型式、試驗之變數、材料、配比、試體製作方式 以及試驗方法等細節，在本章中將個別加以說明之。
1、輕質骨材混凝土握裹長度之測析
鋼 筋 輕 質 骨 材 混 凝 土 之 握 裹 破 壞 行 為 與 常 重 混 凝 土 者 並 不 相 同 [36-37]，其主要區別在於常重混凝土的破壞先發生於骨材與水泥漿之界 面，而輕質骨材強度較低，在握裹力作用時，將因無法承受支承力而破碎，
形成混凝土壓碎破壞。因此，在一般抗壓強度下，常重混凝土擁有較佳之 鋼筋握裹力。然而，高強度輕質骨材混凝土則已具備常重混凝土之力學性 質[38-42]。
為比較鋼筋與輕質及常重混凝土間握裹性質的差異，本項研究課題擬 分別製作三種強度等級（20MPa、40MPa 及 60MPa）的輕質骨材混凝土及 常重混凝土試體，以進行握裹試驗。主要乃採用 ASTM C234 規範之建議，
製作 150mm×150mm×150mm 之標準混凝土拉拔試體，以及加入 3 號竹節鋼 筋之箍筋的拉拔試體，安置的方式如圖3-1，其與受拉鋼筋（6 號竹節鋼筋）
之間距定義為箍筋距離 d，如圖 3-2 所示。每組相同抗壓強度之混凝土又依 箍筋距離為 30、45、60 mm 及無箍筋等細分四小組，每一小組各製作 2 個 試體，合計 48 支試體，試體規劃詳列於表 3-1。
文獻上有許多分析模式可以用來預測 RC 樑的剪力強度，而多數規範或
力筋，以確保承受荷重後之破壞方式為剪力破壞。
（stress block），在評估其行為與極限強度時扮演相當重要的角色。如圖3-4 所示，構件在極限彎矩作用下，其略呈拋物線形的壓應力分佈情形可由應
由式(3-8)可知，祇要知道（k2/k1k3）即可算出構件之標稱彎矩強度，而 不需要 k1、k2、k3之各別數值。文獻資料顯示[62]，k2/k1k3大約介於 0.55 至 0.63 之間。然而，對於設計者而言，最好能使用較簡單的方法來計算。因 此，ACI 規範乃採 Whitney 之等值矩形應力塊參數[63]，以簡化構件標稱彎 矩強度之計算。其中，應力塊深度 a=β1c；β1為試驗常數。
有關應力塊參數之求得，已有許多學者對無圍束混凝土進行研究，本 研究即量測混凝土圓柱試體的應力應變曲線，由其應力應變曲線再換算求 得各試體之 k1k3與k2數值。
為驗證前項研究所求得的輕質混凝土應力塊參數，擬選定特定之構件 進行鋼筋輕質混凝土樑的撓曲試驗。既有文獻資料顯示，箍筋對單筋RC 樑 與雙筋 RC 樑的延展性都有影響；在單筋樑中，拉力鋼筋比與箍筋含量可同 時改變其延展性；在雙筋樑中，除了拉力鋼筋比與箍筋含量之外，還須計 入壓力鋼筋比ρ'。因此，在參考文獻結果後，擬採用固定之構件跨深比，進 行撓曲試驗，考量的參數最少為混凝土強度及拉力鋼筋比。在此同時，有 若干試體係依現行 ACI 318 規範之最少剪力筋要求，參考國內常用之箍筋 間距設計之。
試驗上澆置試體尺寸為 0.15×0.2×1.5 m 的混凝土樑，取抗壓強度為 20 MPa 及 40 MPa 兩等級，主筋為 4 根 4 號竹節鋼筋，箍筋取 2 號竹節鋼筋，
其間距則為 100 mm ，每組各製作 2 個試體，合計 8 支樑試體，並測試鋼 筋混凝土樑在受火害前後之抗彎強度、撓度與延展性等撓曲性能。鋼筋混 凝土樑之配筋圖及試體規劃分別如圖 3-5 及表 3-3。另外並澆置ψ100×200 mm 的圓柱試體，試體規劃如表 3-4，測試其火害前後的抗壓強度變化。
4、輕質骨材混凝土防火性能之試驗驗證
耐燃性能依照材料燃燒性能的定義係指，在火災初期（閃燃發生前）
應為不易或僅有微量燃燒現象、燃燒速度緩慢、不易產生有害的濃煙及氣 體；在高溫火害下，不會有變形、熔化、 裂等現象。防火材料的防火時
效測試是以時間為衡量單位，必須有隔火能力，試體是按照實際使用時的 安裝方法，安裝在高溫爐中。當試驗開始時，爐內的溫度是按照 CNS 12514 的標準升溫曲線，在三十分鐘時，爐內溫度應升至 840 ℃，一小時則升至 925 ℃，燃燒後觀察試體外觀的變化及破壞的情形。
而依混凝土的各種升降溫速率及不同的最高溫延時之研究結果可知 [64-68]，升降溫過程由於溫度的變化，會引起骨材與硬固水泥漿體間的膨 脹不諧和，導至兩者界面層產生裂縫；其升降溫速率的不同也使產生的開 裂現象有所差別。至於最高溫的延時所造成的影響，則為加熱的第一小時 內對抗壓強度的折損最為明顯，且隨著溫度的上升，其影響程度逐漸降低，
但整體而言，強度的損失幾乎只發生在前兩小時的延時內。
依 CNS 12514 的定義，材料的阻熱性係指在標準耐火試驗條件下，受 測之試體其一面受火時，能在一定時間內，其非加熱面溫度不超過規定值 之能力。換言之，就是試體背火面在耐火測試時，溫度不能超過規範所規 定之最高溫或平均溫。如 CNS 12514 即規定任一點之溫度不得大於 210℃，
所有測點之平均溫度不得大於 170℃。
準此，為比較輕質及常重結構混凝土構件在防火安全性能上的差異，
本項研究課題以標準升溫曲線對輕質及常重混凝土樑結構桿件加熱，以探 討其抗彎強度、變形及延展性之變化，作為防火安全性能之試驗驗證，樑 試體之規劃如圖 3-5 及表 3-3 所示。耐火加熱溫度係依據 CNS 12514 之耐火 標準加熱溫度-時間曲線圖，以判定各試體的防火時效，防火試驗用試體主 要以版試體為主，試體尺寸為0.3×0.1×1.0 m，取混凝土抗壓強度為 20 MPa 及 40 MPa 兩等級，並於試體中央放置鋼筋號數為 3 號竹節鋼筋網，鋼筋間 距則為 200 mm ，共製作有 7 片混凝土版試體，以測試鋼筋混凝土版之耐 火性能，鋼筋混凝土版之配筋圖及試體規劃分別如圖3-6 及表 3-5。。混凝 土構件防火安全性能除利用實驗驗證之外，也將採用數值分析程式之模擬 方式來進行比對研究。
5、輕質骨材混凝土隔熱性能之試驗驗證
混凝土熱傳導係數為各成分性質之組合，且與含水量、齡期、溫度、
孔隙分佈及骨材種類等因素有關[69-70]。雖然混凝土的熱傳導係數因其組 成材料的不同而異，但輕質混凝土的熱傳導係數大致介於 0.1～0.8W/m·℃，
常重混凝土者大致介於 1.5～3.5 W/m·℃。由此觀之，輕質混凝土的熱傳導 係數明顯低於常重混凝土者，故兩者在熱傳遞方面亦必然有著相當大的差 異。準此，本研究擬進行輕質/常重混凝土熱性質與隔熱性能之試驗驗證。
研究上，以試驗求得不同單位重輕質骨材混凝土之熱傳導係數，採用 CNS 規範之建議，製作 200×200×50 mm 之立方混凝土塊試體，每組相同抗壓強 度之混凝土各製作 3 個試體，合計 12 個熱傳導係數試體，試體規劃詳列於 表 3-6。
此外，製作輕質及常重混凝土牆體之密閉空間，以模擬房屋受日曬時 其混凝土屋內外溫度之變化。試驗擬澆製尺寸大小為 0.8m×0.8m×1.2m 的中 空房屋，牆版之厚度為 50 mm，並日曬房屋各開寬 20mm、高 40mm 的門，
與寬 35 mm、高 20 mm 的窗等兩個開口，其示意圖如圖 3-7 所示。而混凝 土抗壓強度取 20 MPa 等級，輕質骨材混凝土與常重骨材混凝各製作 1 間日 曬房屋，合計 2 間日曬房屋。
另一方面，也採用數值分析程式來進行輕質/常重混凝土構件隔熱性能 之模擬。材料熱傳導係測試方法通常有平板直接測定法及平板比較法。本 研究擬以符合 ASTM C518 及 IS0 8301 標準以平板比較法方式量測輕質/常 重混凝土之熱傳導係數。