第二章 文獻回顧
第三節 輕質骨材混凝土的特性
輕質骨材混凝土性質會受到混凝土配比與所使用的輕質骨材種類相 關，其與常重混凝土的差異點主要有單位重的大小、隔熱性能、抗壓強度、
彈性模數等等，分述如下：
1、單位重
輕質骨材混凝土與常重混凝土最大的差異在於單位重的大小，由於輕 質骨材的密度較一般砂石輕，因此所拌製的混凝土單位重也較輕。輕質骨 材混凝土其氣乾單位重一般均不超過 2000 kg/m3，但這種定義並不是強制的 標準，譬如 ASTM 規定的氣乾單位重為 1850 kg/m3以下。不過，優良的輕 質骨材混凝土其單位重應較相同配比之常重混凝土低約 25～40%為佳。適 合作為結構用途的輕質骨材混凝土，其單位重之要求至少在 1200 kg/m3以 上，常用的輕質骨材混凝土大致在 1400～1800 kg/m3之間。
2、隔熱性能
熱傳遞係由於溫差所引起的能量輸送現象，只要物體中或物體間有溫 度差存在，熱傳遞便會發生，基本上熱傳遞的方式可分為熱傳導、熱對流、
熱輻射三種。熱傳導是在緊鄰的固定實體部分做熱的輸送，由微觀的角度 看就是能量由一個原子或分子傳遞到下一個的過程；熱對流是因液體及氣 體的運動及混合，而把熱由一個地方傳送到另一個地方，熱輻射是以看不
見的波來傳送熱，類似光的傳播。
混凝土熱傳遞的方式主要為熱傳導，熱傳導為二個物體之間或一個物 體的不同部分之間，由於存在著溫度梯度而引起內能交換的現象，稱之為 熱傳導。普通混凝土或紅磚之熱傳導係數K 介於 1.0～1.5W/mK，輕質骨材 混凝土則因為輕質骨材內部多孔隙的特性，其熱傳導係數可降低至 0.1～1.0 W/mK。因此採用輕質骨材混凝土做為建築物的外牆，將因其具有較佳的隔 熱效果，而大幅降低使用冷氣之能源消耗。輕質骨材混凝土的熱傳導係數 主要與輕質骨材種類、天然砂的用量以及混凝土的中空結構相關，天然砂 的含量愈少，輕質骨材混凝土的熱傳導係數愈低，如圖 2-3 所示[45]；而空 心混凝土若孔隙排列在垂直於熱流方向者愈多，則 K 值愈小[46]。
3、乾縮及潛變
乾縮的發生在於混凝土中水份的喪失，因此如果能減少水泥漿量或降 低水灰比，或是採用緻密而大的骨材，均能有效減少乾縮。一般輕質骨材 混凝土之乾縮值約在 4×10-4 至 6×10-4 間居多，而普通混凝土為 7×10-4 至 10×10-4，故輕質骨材混凝土乾縮量平均較低。但部份文獻則指出，輕質骨 材混凝土乾縮量比普通混凝土高；顯見乾縮量之高低並非絕對，而且變數 亦多，如水灰比、用漿量、骨材種類、環境條件及尺寸效應等，都有影響，
無法一概而論。不過，蒸汽養護可減少 10～40%之乾縮量[47]，尤其是高壓 蒸汽養護更具效果，這點是可以肯定的。一般規範如 CNS、ASTM 等，對 輕質骨材混凝土乾縮量之規定是不得大於 0.01%。
在潛變方面，影響之因素包括：水泥性質、骨材種類、級配、水泥漿 體品質、用量、環境條件、所受應力大小及加載時間點等。由其影響因素 可知，潛變與乾縮有密切之關係，因為潛變之發生通常都是從乾縮或膨脹 變形處開始蔓延的。
強度較高之輕質骨材混凝土，承載能力較高、潛變量少；另低壓蒸氣 養護比濕養之試體可減少 25%至 40%之潛變，而高壓蒸氣養護則可減少高 達 60%至 80%之潛變。
4、抗壓強度
輕質骨材混凝土的抗壓強度與其單位重有密切關係，故 CNS 3691 和 ASTM C330 中對強度性質的規定，都以單位重高低作為分級標準（如表 2-2 所示）。抗壓強度和單位重之比例關係，是衡量輕質骨材混凝土品質優劣 的重要依據。在各先進國家，對輕質骨材混凝土均有劃定出一抗壓強度與 單位重或水泥用量之關係範圍。台灣地區生產之膨脹頁岩輕質骨材水泥用 量與混凝土強度間之關係如圖 2-4 所示[48]。
影響輕質骨材混凝土抗壓強度之因素包括輕質骨材種類、級配、強度、
水泥漿量及水灰比等。骨材粒徑愈大對混凝土強度愈不利，故一般建議輕 質骨材最大粒徑應在 25 mm 以下。輕質骨材本身具有的強度亦會影響到其 混凝土抗壓強度，其關係可由圖 2-5 說明之。輕質骨材混凝土在強度的發展 過程中，因輕質骨材具有一定的顆粒強度，而水泥砂漿的強度則會隨著材 齡而增長，當水泥砂漿的強度超越輕質骨材顆粒強度時，混凝土的破壞將 由輕質骨材主空，也導致混凝土的強度受到一定的限制，這也形成輕質骨 材混凝土具有分界強度的存在[49]，如圖 2-6 所示。
若欲提高輕質骨材混凝土的強度，需配比較高強度的水泥砂漿（較低 水灰比），然而輕質骨材的彈性模數等於水泥砂漿彈性模數時，混凝土的 受力行為將有所改變，即圖 2-6(a) 中的第一階段進入第二階段，該分界點 所對應的混凝土強度，即稱之為分界強度。進入第二階段後，輕質骨材混 凝土的強度提升較為趨緩，亦即提高水泥砂漿的強度，將無法有效提高輕 質骨材混凝土的抗壓強度，形成不經濟的配。輕質骨材混凝土的分界強度 與輕質骨材的種類有關，輕質骨材的強度愈高，其混凝土的分界強度也愈 高。圖 2-6(b) 為水灰比 0.4 的常重混凝土、輕質混凝土與水泥砂漿強度的 關係，由圖中可知，輕質骨材混凝土約在35 MPa 時具有轉折點，即為該組 配比的分界強度。
輕質骨材混凝土在同等強度下，其水泥砂漿強度將比一般常重混凝土 所用之水泥砂漿強度高，意即其需較多之水泥用量或較低之水灰比來拌製 混凝土，相對地其強度亦會發生早強現象（如圖 2-7 所示）[48]。
水灰比對輕質骨材混凝土的工作性影響頗大；若在低水灰比時使用全 輕質骨材（輕質粗骨材+輕質砂），則混凝土的工作性將受到嚴重影響，解 決之道為增加水泥漿量或改用天然砂做為細骨材，而後者的方式較為經濟 可行。在相同水灰比下，天然砂輕質骨材混凝土之抗壓強度較高，這點不 因輕質骨材種類不同而有所差異。
5、應力應變關係
輕質骨材混凝土之應力—應變曲線較普通混凝土更接近直線，因為輕 質骨材混凝土在降伏破壞以前，其受力主要由水泥砂漿承擔，而水泥砂漿 為均質材料，故應力—應變關係呈線性發展。當輕質骨材混凝土受力超過 強度上限而破壞時，水泥漿體承受力量迅速傳至輕骨材，將因骨材強度無 法承受而急遽破壞，所以使輕質骨材混凝土之破壞更具脆性。輕質混凝土 之極限應變值εcu=0.002～0.0035 間，較常重混凝土的極限應變值εcu=0.004
～0.006 小，ACI 則定常重混凝土的εcu=0.003。
6、彈性模數及柏松比
輕質骨材混凝土之彈性模數一般約介於 10～25 GPa 之間，如表 2-3 所 示。影響彈性模數的因素甚多，一般之研究大都歸納出彈性模數與混凝土 單位重、抗壓強度有關，參考的關係式可寫成：
Ec﹦40000 ρc3⋅f'c (kg/cm2) (2-1) 其中ρc為混凝土28 天的氣乾單位重（kg/m3）。
輕質骨材混凝土的彈性模數亦可由水泥砂漿體積、輕質骨材體積及相 對應的彈性模數來求得[50]，如圖 2-8 所示。另外，輕質骨材混凝土與常重 混凝土之柏松比相近，其值約介於 0.15～0.25 間，視骨材種類、用漿量、
齡期及含水量等因素而定。
7、劈裂抗張及彎曲強度
混凝土之張力強度較難以用直接而令人滿意的方法來量測，因此，一 般都是採劈裂或彎曲破壞之方式，間接測定其張力強度。劈裂強度或抗彎
強度均以抗壓強度為變數之函數，不過有的是以 f 'c為正比關係，如 Andrew
＆ Willian；有的直接以 f' c23為關係式，如CEB/FIP；但也有直接以 f 'c為關 係式者，如柚原治美、Swamy ＆ Lambert 及王纓茂教授等。