第四章 試驗結果與討論
第一節 試體行為
壹、 試體 CFBC-1
本組試體於試驗前所測得的混凝土強度為609 kgf/cm2，並依據內政部核可2 小時防火時效規定噴塗厚度至少 12 mm 之防火被覆，實際噴塗的厚度為 15.3 mm。軸向力加載至 1550 噸，並持壓 15 分鐘，隨後進行加溫試驗。爐內升溫曲 線如圖4-1 所示；高溫試驗時柱試體軸向變形與時間的關係如圖 4-2 所示；試體 於爐內溫度與軸向變形的關係如圖4-3 所示；混凝土各斷面測點之溫度與時間關 係圖如圖4-4~4-7 所示；鋼各斷面測點之溫度與時間關係圖如圖 4-8~4-11 所示。
當加熱進行至13 分鐘時，聽到一聲爆裂聲，此時爐內平均溫度約為 733°C。
於加熱約16 分鐘時，發現試體於西面及南面角隅間產生一道長約 75 cm 的明顯 裂縫，此時混凝土與鋼板交界處的溫度(包括 S1 及 S2 測點)約介於 55°C ~70°C 間，而其他混凝土測點尚未有太大變化，約在30°C 左右。
加熱約30 分鐘後，此時爐內平均溫度約為 848.4°C，除了於試體西面及南面 角隅處高約2.5 公尺至 3.5 公尺處發現一道裂縫外，並於柱試體南面高約 0.65 公 尺處發現有些微被覆剝落的現象，此時柱試體軸向變形因受熱膨脹約為伸長 1.3 mm，平均伸長速率為 0.043 mm/min。此時混凝土與鋼板交界處的溫度已升高至 80°C~97.7°C 間，平均溫度為 86.8°C；其他混凝土測點所測得的溫度依舊相近，
並無太大的變化，平均溫度為31.8°C。
加熱約60 分鐘後，爐內平均溫度已達 943.1°C，柱試體持續受熱膨脹，軸向 變形較原長伸長2.6 mm，平均伸長速率為 0.043 mm/min。而混凝土與鋼板交界 處的平均溫度為 148.3°C，最高溫度發生在 BS2 測點，溫度為 169.5°C；於混凝 土深度76 mm 的平均溫度為 44.5°C，最高溫度發生在 AC5 測點，溫度為 49.1°C；
於混凝土深度152 mm 測點的平均溫度為 34.8°C，最高溫度發生在 CC4 測點，
溫度為43.9°C；於混凝土中心處的平均溫度為 30.3°C，最高溫度發生在 AC3 測 點，溫度為30.5°C。
加溫90 分鐘後，此時加熱爐內平均溫度為 1005.4°C，柱試體之軸向變形持
232.4°C；於混凝土深度 76 mm 測點的平均溫度為 61.7°C，最高溫度發生在 DC1 測點，溫度為70.8°C；於混凝土深度 152 mm 測點的平均溫度為 40.8°C，最高溫 度發生在CC4 測點，溫度為 54.9°C；於混凝土中心處的平均溫度為 33.5°C，最 高溫度發生在DC3 測點，溫度為 33.8°C。
加熱至120 分鐘時，爐內平均溫度為 1047.9°C，並於停止加熱的瞬間聽到一 聲巨大爆裂聲。混凝土與鋼板交界處的平均溫度為256.0°C，最高溫度發生在 DS2 測點，溫度為286.7°C；於混凝土深度 76 mm 處的平均溫度為 84.6°C，最高溫度 發生在DC1 測點，溫度為 93.4°C；於混凝土深度 152 mm 處的平均溫度為 52.7°C，
最高溫度發生在 CC4 測點，溫度為 58.2°C；於混凝土中心處的平均溫度為 38.6°C，最高溫度發生在 DC3 測點，溫度為 41.7°C。鋼板表面的熱電偶測點於 試驗60 分鐘後陸續損壞，故僅能由鋼板內部之測點來做鋼溫度與時間的討論。
試體於爐內溫度與軸向變形的關係可發現當爐內平均溫度約650°C 時，試體 開始有膨脹伸長的現象，並於爐溫達1000°C 時停止膨脹伸長，至試驗結束保持 此軸向變位。
高溫試驗結束及試體冷卻後，試體在爐內的情況如圖 4-12 所示。觀察到柱 角隅處的防火被覆皆有相當明顯之裂縫，如圖4-13~4-15 所示，研判在同一斷面 下，試體角隅處的溫度較其他區域溫度為高，也發現試體有相當多大小不一的裂 縫分布於柱受熱段四周表面，同時在試體的南、北、東面發現有被覆整塊剝落的 現象，而顏色無明顯變化。此外，試體本身並無明顯水平變形或鋼板挫屈的現象。
依據CNS 12514 規範規定以承重能力為破壞基準，當加溫試驗進行至 2 小 時，柱試體軸向變形為拉伸3.8 mm 及最大拉伸速率為 0.043 mm/min，上述值均 合乎容許之要求，且皆未達到規範所定義之破壞基準，試體滿足2 小時之防火時 效。
0 30 60 90 120 150
Time (min)
0 200 400 600 800 1000 1200
T em p erat u re (
C)
Furnace Average Temperature CNS12514 Fire Standard Curve
圖 4-1 試體 CFBC-1 加溫爐升溫曲線示意圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120
Time (min)
-1 0 1 2 3 4 5
Ax ial deformat ion (mm)
圖 4-2 試體 CFBC-1 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響 (資料來源：本研究整理)
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature (
C)
-5
Axial deformation (mm)
圖 4-3 試體 CFBC-1 爐內平均溫度與軸向變形變化圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120 150
Time (min)
20 40 60 80 100
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section A Furnace
0 30 60 90 120 150
Time (min)
20 40 60 80 100
Temperature (
C)
Section B Furnace
Furnace temperature (
C)
圖 4-5 試體 CFBC-1 斷面 B 混凝土之溫度與時間關係圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120 150
Time (min)
20 40 60 80 100
T emperature (
C)
0
Furnace temp erature (
C)
Section C Furnace
0 30 60 90 120 150
Time (min)
20 40 60 80 100
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section D Furnace
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section A
S2
0 30 60 90 120 150
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section B
S1
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section C
S1
0 30 60 90 120 150
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section D
S1
圖 4-13 試體 CFBC-1 上段試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究整理)
圖 4-14 試體 CFBC-1 中段試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究整理)
圖 4-15 試體 CFBC-1 下段試驗後防火被覆裂縫 (資料來源：本研究整理)
貳、 試體 CFBC-2
本組試體於試驗前所測得的混凝土強度為 673 kgf/cm2，防火被覆厚度2 小 時防火時效應至少為12 mm，實際防火被覆厚度為 14.3 mm。軸向力加載至 1600 噸，並持壓15 分鐘，隨後進行加溫試驗，爐內升溫曲線如圖 4-16 所示。為了更 進一步探討此試體於加溫超過2 小時耐火時效之行為，便持續加溫至試體破壞，
高溫試驗時柱試體軸向變形與時間的關係如圖 4-17 所示；試體於爐內溫度與軸 向變形的關係如圖 4-18 所示；混凝土各斷面測點之溫度與時間關係圖如圖 4-19~4-22 所示；鋼材各斷面測點之溫度與時間關係圖如圖 4-23~4-26 所示。
當加熱進行至15 分鐘時，即發現試體南面與西面之角隅處之防火被覆因受 高溫裂開，30 分鐘後觀察到南面與東面之角隅處之防火被覆亦有裂開的現象，
此時爐內平均溫度約為837.8°C，而試體柱軸向變形因受熱膨脹而伸長 1.5 mm，
平均伸長速率為 0.050 mm/min。在試體溫度分布方面，混凝土與鋼板交界處的 平均溫度為90.4°C，最高溫度發生在 BS2 測點，溫度為 113°C；此時試體內混凝
當加熱進行至60 分鐘時，爐內平均溫度約為 939.2°C，試體柱依舊持續受熱 膨脹，軸向伸長量增加為2.7 mm，平均伸長速率為 0.02 mm/min。在試體溫度分 布方面，混凝土與鋼板交界處的平均溫度已升高至167.4°C，最高溫度發生在 BS2 測點，溫度為213.6°C；混凝土深度 76 mm 處的溫度已有些微變化，平均溫度為 42.3°C，最高溫度測測點於 AC1 處，溫度為 50.3°C；此時發現混凝土深度 152 mm 處及混凝土中心的溫度尚未有太大的起伏變化，平均溫度分別約為 31.4°C 及 29.6°C。
此外，試體於加熱99 分鐘後聽到一聲爆裂聲，研判是 CFBC 內部混凝土受 高溫使得水分不易自試體內部蒸發而產生的爆裂現象。當加熱進行至 120 分鐘 時，爐內平均溫度約為1052.5°C，此時由觀視窗發現柱試體表面防火被覆已有相 當多大小不一的裂縫及局部剝落的現象，而試體雖然持續受熱膨脹，但膨脹速率 已趨緩。在試體溫度分布方面，混凝土與鋼板交界處的平均溫度已升高至 291.1°C，最高溫度發生在 BS2 測點，溫度為 358.8°C；於混凝土深度 76 mm 處 的平均溫度為81.5°C，最高溫度測測點於 DC1 處，溫度為 96.1°C；而混凝土深 度 152 mm 處之平均溫度約為 46.7°C，最高溫度發生在 DC2 位置處，溫度為 50.2°C；混凝土中心的平均溫度分別約為 41.3°C，最高溫度 43.2°C，發生在 DC3 測點處。柱試體於加熱125 分鐘後停止受熱膨脹，而此時柱試體之軸向最大伸長 量為4.0 mm。
當柱試體加熱超過130 分鐘後開始出現許多大小不一的爆裂聲，軸向變形自 加熱140 分鐘後開始進入壓縮階段，於 176 分鐘時柱試體恢復至加熱前的長度，
即無伸長量及壓縮量。在第179 分鐘時，發現軸向壓縮速率瞬間加快，且油壓機 施加載重已無法達到設定的軸向力量，便停止試驗。此時加溫爐內平均溫度約為 1111.7C。在試體溫度分布方面，混凝土與鋼板交界處的平均溫度為 390.9°C，最 高溫度發生在 BS2 測點，溫度為 512°C；混凝土深度 76 mm 處的平均溫度為 129.1°C，最高溫度測點於 DC1 處，溫度為 145.5°C；而混凝土深度 152 mm 處之 平均溫度約為80.7°C，最高溫度發生在 CC4 位置處，溫度為 92.5°C；混凝土中 心的平均溫度分別約為73.6°C，最高溫度 76.5°C，發生在 BC3 位置處。鋼板表 面的熱電偶測點於試驗60 分鐘後陸續損壞，故僅能由鋼板內部之測點來做鋼溫
試體於爐內溫度與軸向變形的關係可發現當爐內平均溫度約650°C 時，試體 開始有膨脹伸長的現象，並於爐溫達1050°C 時停止膨脹伸長，隨即進入壓縮階 段，直到試體破壞。
試驗結束且試體冷卻後，試體 CFBC-2 在爐內的情況如圖 4-27 所示。除了 發現試體表面有許多長短不一的裂縫外，也觀察到角隅處之防火被覆均產生嚴重 的開裂，且四面皆發現被覆剝落的情形，顏色略微呈現皮膚色，主要是在透氣孔 的位置上，如圖4-28~4-30 所示。此外，試體於柱高(自下端板算起)約 2.35~2.55 公尺處有局部挫屈的現象，如圖 4-31、4-32 所示，此位置的鋼網及防火被覆皆 向外突起並與鋼板分離。
依據CNS 12514 規範規定以承重能力為破壞基準，高溫試驗進行至 2 小時，
柱試體軸向變形為拉伸4.0 mm 及最大拉伸速率為 0.05 mm/min，上述值均合乎 容許之要求，且皆未達到規範所定義之破壞基準，因此試體滿足2 小時之防火時 效。
0 30 60 90 120 150 180
Time (min)
0 200 400 600 800 1000 1200
T em p erat u re (
C)
Furnace Average Temperature CNS12514 Fire Standard Curve
圖 4-16 試體 CFBC-2 加溫爐升溫曲線示意圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
-5
Ax ial deformat ion (mm)
圖 4-17 試體 CFBC-2 高溫試驗時柱加載對軸向變形的影響 (資料來源：本研究整理)
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature (
C)
-5
Axial deformation (mm)
圖 4-18 試體 CFBC-2 爐內平均溫度與軸向變形變化圖 (資料來源：本研究整理)
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section A
C1
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section B
C1
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section C Furnace
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section D
C1
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section A
S1
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section B
S1
0 30 60 90 120 150 180 210
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C)
Section CS1
Time (min)
0
T emperature (
C)
0
Furna ce temperature (
C) Section D
Furnace
圖 4-27 試體 CFBC-2 試驗後整體圖 (資料來源：本研究整理)
圖 4-28 試體 CFBC-2 上段試驗後防火被覆開裂 (資料來源：本研究整理)
圖 4-29 試體 CFBC-2 中段試驗後防火被覆開裂 (資料來源：本研究整理)
圖 4-30 試體 CFBC-2 下段試驗後防火被覆開裂 (資料來源：本研究整理)
圖 4-31 試體 CFBC-2 中段試驗後局部挫屈(已剝除防火被覆及鋼網) (資料來源：本研究整理)
圖 4-32 試體 CFBC-2 中段試驗後局部挫屈(已剝除防火被覆及鋼網) (資料來源：本研究整理)
參、 試體 CFBC-3
本組試體於試驗前所測得的混凝土強度為673 kgf/cm2，無噴塗防火被覆。
軸向力僅加載至900 噸，約為內灌混凝土柱抗壓強度之 0.9 倍，持壓 15 分鐘後 進行加溫試驗，爐內升溫曲線如圖4-33 所示；高溫試驗時柱試體軸向變形與時 間的關係如圖4-34 所示；試體於爐內溫度與軸向變形的關係如圖 4-35 所示；混 凝土各斷面測點之溫度與時間關係圖如圖4-36~4-39 所示；鋼各斷面測點之溫度 與時間關係圖如圖4-40~4-43 所示。
當高溫試驗進行至27 分鐘時，此時到達試體軸向伸長的最大值 17.3 mm，
推算平均伸長速率為0.641 mm/min，之後進入壓縮階段，爐內平均溫度約為 830.3°C。在試體溫度分布，鋼板表面之平均溫度約為 617.5°C，最高溫度位於
推算平均伸長速率為0.641 mm/min，之後進入壓縮階段，爐內平均溫度約為 830.3°C。在試體溫度分布，鋼板表面之平均溫度約為 617.5°C，最高溫度位於