輕質骨材混凝土之握裹強度

本試驗依照 ASTM C234 規範試驗，其試驗的試體分為加入箍筋及沒有 加入箍筋兩種試體；無箍筋的試體與一般之標準試體相同，加入箍筋的試 體，其安置的方式如圖3-1，每種不同箍筋大小之試樣，分別製作 3 個輕質 骨材混凝土試體與 3 個常重混凝土試體，以進行拉拔試驗。針對單一鋼筋 在常重混凝土與輕質骨材混凝土兩種不同材料中，對於有無置入箍筋之試 體的破壞情況、握裹強度等加以比較及探討。混凝土的設計強度採用 20、

40、60 MPa 三種，而實測的混凝土抗壓強度整理成表 4-1，其 28 天抗壓強 度接近於設計強度，然而，對於60 MPa 的混凝土而言，其實測強度僅略高 於 50 MPa，尚未達到設計強度的標準，顯示以本試驗所採用的水庫淤泥輕 質骨材，不易拌製得高強度之輕質骨材混凝土。

各組試體握裹試驗結果彙整於表 4-2，由表中可知，對於沒有添加箍筋 的混凝土試體而言，其極限滑移量為 0.60 mm 到 2.32 mm，而極限握裹應力 則為 9.0～16.5 MPa；對於添加箍筋的混凝土試體而言，其極限滑移量為 1.00 mm 到 6.83 mm，極限握裹應力則為 12.1～20.7 MPa。至於輕質骨材與常重 骨材混凝土握裹行為之差異，以下再針對握裹破壞型式、握裹應力–滑移曲 線、混凝土的抗壓強度對握裹強度之影響等幾部分加以討論如下：

1、握裹破壞型式

一般拉拔的破壞模式分為側向劈裂與滑動握裹破壞兩種破壞模式，如 照片 4-1 所示。側向劈裂破壞模式主要是由於受拉鋼筋為竹節鋼筋時，鋼筋 竹節會導致垂直於受拉鋼筋軸向的剪力，此剪力平行於鋼筋直徑方向定義

為〝徑向力〞。徑向力會造成鋼筋周圍混凝土向外開裂，進而無法繼續傳遞 軸向的握裹力，造成的破壞是為劈裂破壞（照片 4-1(a)）；若在混凝土開裂 前，與鋼筋接觸面之混凝土遭到剪碎而使鋼筋產生大的鬆動而鬆動，即所 謂的滑動握裹破壞（照片 4-1(b)）。試驗結果顯示，沒有添加箍筋之標準試 體，不論常重與輕質骨材混凝土，其握裹破壞模式皆為混凝土側向劈裂破 壞，而輕質骨材混凝土與常重混凝土破壞模式的差異主要在於，輕質骨材 混凝土不論高低強度皆為裂縫貫穿骨材並繼續延伸而發生破壞，因而混凝 土破壞的表面較為平整如照片 4-2，但低強度常重混凝土，混凝土破壞表面 大多沿著骨材表面，使得混凝土破壞面較為凹凸不平。高強度常重混凝土 因承受較大應力，常重骨材如輕質骨材般被剪破，與輕質混凝土的破壞情 況相近。由以上混凝土的握裹破壞型式可知，輕質骨材混凝土與常重混凝 土握裹破壞的差異，和抗壓強度破壞模式相類似，這結果驗證 ASTM 規範 中，以拉拔試驗評估混凝土品質的可行性。但是有加入箍筋的混凝土試體，

除了箍筋距離較大之 60 mm 組的試體表面有徑向發展的裂紋外，其餘置有 箍筋的試體，均為鋼筋與混凝土發生滑動鬆脫，導致無法再承受更大的拉 力。所以混凝土內加入箍筋後，握裹試體之破壞將趨向於滑動握裹破壞。

2、握裹應力–滑移曲線

Mathey 和 Watstein[71]兩位學者提出以鋼筋相對混凝土滑動 0.01 in.時 所對應之握裹強度為臨界握裹強度（critical bond strength），此臨界握裹強 度主要是與化學黏結力有關。當握裹強度達到臨界握裹強度時，鋼筋與混 凝土間尚未完全破壞，仍可繼續抵抗外來之拉力，直至完全破壞時之握裹 強度統稱為標稱握裹強度，試體由握裹應力—滑移圖，可獲得臨界握裹強 度及標稱握裹強度。

圖 4-1 為輕質骨材混凝土與常重混凝土試體的握裹應力–滑移曲線圖，

由圖中可觀察知，輕質骨材混凝土與常重混凝土的握裹應力–滑移曲線相 近，並沒有明顯的差異點存在，反倒與混凝土的強度相關。在抗壓強度高 於 40 MPa 的混凝土，各組試體的握裹應力–滑移曲線都有明顯的降伏點，

其平均握裹應力約為 13 MPa，此降伏點發生於鋼筋的降伏點（420 MPa）

附近，在鋼筋降伏後，鋼筋的變形增大，連帶也使得混凝土握裹試體的滑 移量變大。而20MPa 強度的混凝土，其握裹應力–滑移曲線則沒有降伏點即 破壞，其原因在於鋼筋尚未達到降伏點前，混凝土試體即發生握裹破壞，

此時的握裹滑移量主要為混凝土的變形。

3、箍筋距離對握裹強度之影響

此〝箍筋距離〞定義為箍筋中心至受拉鋼筋中心之最小間距。由圖 4-2 的試驗結果顯示，不論常重混凝土或輕質骨材混凝土的臨界握裹強度，在 加入箍筋後，其臨界握裹強度的增量甚小，可能之原因為臨界握裹強度主 要與受拉鋼筋和混凝土間的化學黏結力較有關，而加入箍筋並沒有增加受 拉鋼筋與混凝土間的化學黏結力，因而不論箍筋距離之大小，加入箍筋對 臨界握裹強度影響不大，然而對於標稱握裹強度而言，則影響較為明顯，

如圖 4-3 所示。常重與輕質骨材混凝土在加入箍筋後的標稱握裹強度，皆比 未加入箍筋之標稱握裹強度平均高出 20%，此一結果表示加入箍筋後，箍 筋會產生混凝土之圍束效應，使得混凝土較不易變形，因此能抵抗較高之 應力，產生較大的握裹強度，且在混凝土中的箍筋，亦分擔了混凝土部分 之徑向力，使得裂縫不易向外發展，這可能導致加入箍筋試體的握裹破壞 模式，偏向滑動握裹破壞。

4、混凝土的抗壓強度對握裹強度之影響

圖 4-4 及圖 4-5 中每點均為三次相同試驗的平均值。由圖 4-4、4-5 顯示，

輕質骨材混凝土在較低混凝土抗壓強度（<40 MPa）時，其臨界握裹強度與 標稱握裹強度都較常重混凝土來的低，但是到中等混凝土抗壓強度（≒40 MPa）時，輕質骨材混凝土的臨界握裹強度與標稱握裹強度相若於常重混凝 土，至較高混凝土抗壓強度時輕質混凝土握裹強度要比常重混凝土來得高 一些。由以上分析結果可知，高強度（>40 MPa）輕質骨材混凝土的握裹強 度並不比相同抗壓強度等級之常重混凝土來得遜色，甚至更優於常重混凝

土。

再由圖 4-6 觀察得知，低混凝土抗壓強度（<40 MPa）時，常重混凝土 每單位混凝土抗壓強度能提供的標稱握裹強度比輕質骨材混凝土來得高，

然而混凝土抗壓強度中等以上（≧40 MPa）時，輕質骨材混凝土與常重混 凝土相近，甚至輕質骨材混凝土會比常重混凝土來得好。由破壞情況來看，

輕質骨材混凝土不論高低之混凝土抗壓強度，輕質骨材混凝土中的輕質骨 材皆有被剪壞之情形，可見輕質骨材提供的握裹支承力較差，所以輕質骨 材混凝土之握裹破壞因子主要控制於水泥砂漿母體。常重混凝土之握裹破 壞情形相較不同，在低混凝土抗壓強度時混凝土的破壞面骨材並未破壞，

其骨材相對輕質骨材能夠提供較高的支承力，因而提升了整體的握裹強 度，但在高混凝土抗壓強度時常重混凝土之破壞情況與輕質骨材混凝土頗 為相似，無論常重或輕質骨材皆被剪壞，骨材所能提供之支承力相對較小，

所以兩者的握裹破壞的主要控制因子同為水泥砂漿母體，而在相同的混凝 土抗壓強度下，輕質骨材混凝土所採用的水灰比較低，亦即代表其水泥漿 強度要比常重混凝土的水泥砂漿強度來的高，因此在高混凝土抗壓強度 時，輕質骨材混凝土之水泥砂漿能提供較高之支承力，致使輕質骨材混凝 土的握裹強度要優於常重混凝土，其結果可示意如圖 4-7。