第四章 爐石活性粉混凝土基本性質
4.3 結果分析與討論
5.3.7 韌性指數
本研究利用彎曲試驗探討爐石活性粉混凝土韌性性質，混凝土韌性和加載時 之裂縫成長與傳播有關，添加鋼纖維混凝土需要甚多之能量才能使試體破壞，文 獻[64]指出混凝土添加鋼纖維後，強度增加有限，但韌性確有很明顯之增加幅 度。彎曲作用下之韌性指數(TI)的計算方式是參考 ASTM C1609 纖維混凝土彎曲 韌性規範，規範使用大型長方形抗彎試體100mm×100mm× 350mm 試體受彎曲作
用下之載重 P-撓度δ 曲線，將計算撓度 0-2mm 所圍成曲線面積來作為韌性指 數。因本研究為使用40mm×40mm× 160mm 較小抗彎試體，為了探討各個加載歷 程中，應力峰值後各撓度對應下之韌性行為，因此分析試體撓度到達2、4、6、
未添加爐石之HA1 配比，韌性性質較不好，材料性質為較脆之性質。當添加 2%
T4 (kN-mm) 30.59 34.03 30.50 T6 (kN-mm) 34.20 38.22 34.78 T8 (kN-mm) 36.03 40.29 36.91
圖5-29 鋼纖維 0%時 C、HC、HA 材之載重-撓度曲線
圖5-31 C0 材抗彎試體破壞情形
圖5-32 HC0 材抗彎試體破壞情形
圖5-33 HA0 材抗彎試體破壞情形
圖5-34 鋼纖維 1%時 C、HC、HA 材之載重-撓度曲線
圖5-35 添加 1%鋼纖維之彎曲韌性指數(TI)
圖5-36 C1 材抗彎試體破壞情形
圖5-37 HC1 材抗彎試體破壞情形
圖5-38 HA1 材抗彎試體破壞情形
圖5-39 鋼纖維 2%時 C、HC、HA 材之載重-撓度曲線
圖5-40 添加 2%鋼纖維之彎曲韌性指數(TI)
圖5-41 C2 材抗彎試體破壞情形
圖5-42 HC2 材抗彎試體破壞情形
段之殘餘強度可以比較；當隨著中心點撓度之增加，殘餘抵抗之強度(圖 5-44~ 度2mm 到 8mm，C1、HC1、HA1 殘餘強度下降幅度分別為 94.5%、88.7%、90.82%，
強度下降幅度為HC1 幅度最低，且 HC1 撓度到達 8mm 時，抵抗之殘餘強度高 於C1 與 HA1。
當在活性粉混凝土中添加2%鋼纖維之殘餘強度為圖 5-45，C2、HC2、HA2 此三種配比，此纖維含量也會因撓度增加，殘餘強度有下降之趨勢，尤其以撓度 2mm 至 4mm 下降之幅度最為明顯，但當纖維含量 2%時，三種配比之殘餘強度 皆很相近，不像添加1%鋼纖維時，不同配比間之殘餘強度會有比較大之差距。
而撓度從 2mm 到達 8mm，C1、HC1、HA1 殘餘強度下降幅度分別為 94.8%、
90.3%、90.1%，此下降幅度三者也較接近，但受高溫 210℃熱養護之 HC2 與 HA2，
下降幅度較少，而90℃熱養護 C2 下降幅度較大些。
表5-11 鋼纖維 2%之彎曲殘餘強度
殘餘強度(MPa) C2 HC2 HA2
2 mm 44.26 48.90 44.38 4 mm 15.98 18.84 18.42 6 mm 7.19 8.27 8.70 8 mm 2.64 4.74 4.41
圖5-44 鋼纖維 1%之彎曲撓度殘餘強度比較
圖5-45 鋼纖維 2%之彎曲撓度殘餘強度比較
5.3.9 預裂縫彎曲強度
混凝土在施工或使用時，可能會使結構物產生裂縫，而裂縫之產生會造成此 處會有高度應力集中現象，可能會在使用過程中，產生破壞發生。以往工程設計 均視材料為均無瑕疵，而破壞力學則是認定材料已有缺陷，若在工程設計上，考 慮到此破壞力學之影響，會有較佳結構物設計。
破裂韌性試驗將抗彎試體下方預留預裂縫，進行中心點抗彎試驗，探討其預 裂縫之抗彎強度，表5-12 及圖 5-46 可以明顯看出三種不同配比或養護方式當纖 維含量增加，預裂縫之抗彎強度也會因為纖維含量增加，會有很明顯之增加趨 勢，而三種配比添加纖維後預裂縫之抗彎強度，也會因此而不同。當基材(0%鋼 纖維)添加 1%鋼纖維，C、HC、HA 三種配比之預裂縫抗彎強度成長幅度分別為 72.5%、288.8%、144.9%，當從 1%添加到 2%鋼纖維時，C、HC、HA 三種配比 之預裂縫抗彎強度成長幅度分別為 36.9%、60.3%、44.7%，可以看出透過高溫 210℃養護方式後，當添加纖維時之強度成長幅度比較大。
當基材未添加鋼纖維之預裂縫抗彎強度，90℃熱養護之 C0 強度最高，但透 過高溫210℃養護後，HC0 強度下降 76.8%，未添加纖維之爐石活性粉混凝土透
過高溫210℃養護，試體若預先有裂縫產生，則較無法抵抗外力，材料本身可能 會較脆產生之破壞。
但活性粉混凝土添加鋼纖維之後，預裂縫之抗彎強度，會有很明顯之成長趨 勢，且添加爐石粉之HC1 及 HC2，預裂縫抗彎強度皆高於 HA 及 C 配比，且透 過高溫210℃養護，添加纖維之爐石活性粉混凝土預裂縫抗彎強度較高。當添加 1%及 2%纖維時，預裂縫抗彎強度 HC1 比 C1 與 HC2 比 C2 分別高出 27.5%與 49.4%，且 HA 配比添加 1%及 2%鋼纖維後，透過高溫 210℃養護，預裂縫抗彎 強度會比 90℃熱養護之 C 材還高；但是相同養護方式添加爐石粉之預裂縫抗彎 強度會比未添加爐石粉之活性粉混凝土強度來的高。因此活性粉混凝土添加爐石 粉透過高溫210℃養護後，可以增進基材與纖維間之粘結力，抵抗預裂縫處之應 力場，纖維在裂縫處形成牽引作用，為阻止裂縫之延伸。
表5-12 添加不同纖維之預裂縫彎曲強度 預裂縫彎曲強度
(MPa) 0 % 1 % 2 %
C 24.36 42.01 57.49
HC 13.78 53.58 85.87
HA 20.13 49.30 71.31
曲應變能。
圖5-47 不同纖維之預裂縫彎曲應變能
5.3.11 臨界應力強度因子(K
IC)
透過破裂韌性試驗，將長方形抗彎試體下方預留預裂縫，在預裂縫之下方裝 設COMD 位移計，紀錄抗彎試體受加載過程中，加載力與裂縫開口之位移變化 量，並且在這預裂縫之抗彎試體上進行中心點抗彎試驗之加載，利用極限強度之 載重力Pmax，代入 ASTM E399 線彈性材料破裂韌性規範公式，如公式 5-9，計 算出載重到達抗彎強度臨界點之臨界應力強度因子(KIC)。
在抗彎試體下方預留預裂縫，裂縫尖端有很大之應力場，而應力強度因子K 作為裂縫尖端應力大小之指標。而當材料受應力時，承受應力強度因子 KI到達 臨界應力強度因子(KIC)時，裂縫會開始迅速延伸，導致試體破壞；若在試體內添 加鋼纖維後，不但可以降低試體受加載過程時之裂縫尖端之應力場，使裂縫不容 易延伸，且可以將材料之臨界應力強度因子(KIC)提高，因此材料若有較高之臨界 應力強度因子(KIC)，裂縫尖端處可以抵抗較大之應力，產生較大之應力。
5-48 為不同配比之不同纖維含量之臨界應力強度因子(K )，當添加 1%及
幅度為 27.5%，可以大幅提升裂縫尖端處抵抗之應力場，且 HA1 之臨界應力強 度因子(KIC)也大於比受 90℃熱養護之 C1；當添加鋼纖維到達 2%時，臨界應力 強度因子(KIC)都有所明顯之提升，添加爐石之活性粉混凝土 HC2 透過高溫 210
℃養護，臨界應力強度因子(KIC)增加幅度更明顯，且比受 90℃熱養護之 C2 高出 19.5%，且 HA2 之臨界應力強度因子(KIC)也大於 C2。因此，HC2(爐石 50%)添 加 2%鋼纖維，並透過高溫 210℃養護，會有最佳之臨界應力強度因子(KIC)，並 且性質比未添爐石HA2 活性粉混凝土好，可以抵抗裂縫尖端處受加載時之應力。
表5-14 不同纖維之臨界應力強度因子(KIC) 臨界應力強度因子
(KIC) 0 % 1 % 2 %
C 1.080 1.862 2.582
HC 0.611 2.374 3.085
HA 0.892 2.184 3.160
圖5-48 不同纖維之臨界應力強度因子(KIC)
圖5-49 C0 材預裂縫抗彎試體破壞情形
圖5-50 HC0 材預裂縫抗彎試體破壞情形
圖5-52 C1 材預裂縫抗彎試體破壞情形
圖5-53 HC1 材預裂縫抗彎試體破壞情形
圖5-54 HA1 材預裂縫抗彎試體破壞情形
圖5-55 C2 材預裂縫抗彎試體破壞情形
圖5-56 HC2 材預裂縫抗彎試體破壞情形
發生，並探討添加爐石之直接剪力力學性質。
圖5-58 不同纖維量之直接剪力強度
圖5-60 鋼纖維 1%試體直接剪力試驗破壞
圖5-61 鋼纖維 2%試體直接剪力試驗破壞
第六章 爐石活性粉混凝土動態力學性能
本研究採用Φ50×25mm 圓柱試體利用分離式霍普金森桿(SHPB)試驗設備進 行試驗。在進行試驗前，必須將試體利用精密模床磨成水平(圖 6-1)，以防止衝 擊時應力集中破壞情形發生；要先將試體表面塗抹牛油，並夾放在入射桿與透射 桿中間緊密接觸(圖 6-2)，再進行衝擊試驗。
圖6-1 霍普金森桿試驗之試體
圖6-2 試體塗抹牛油緊密夾放於兩彈性桿間
撞擊桿之發射衝擊動能，是經由空壓機及鋼瓶填充壓力氣體達到所需的速度 壓力而擊發，啟動氣壓控制系統如圖3-18 所示，按下“FILL＂開啟啓動氣壓閥，
開始充入壓力氮氣，當到達所需求之壓力，按下“STOP＂停止充氣，若超過所 需之壓力可以使用洩壓“RELEASE＂進行洩壓。為了避免誤觸發射鈕，若要擊 發撞擊桿時必須要雙按“FIRE＂才可進行擊發。
SHPB 試驗設備全長 10m 如圖 6-3 所示，主要是由控制系統及資料截取系 統、動力供給系統、測速系統、撞擊桿、入射桿、透射桿及後部之緩衝系統所組 成。利用啟動氣壓控制系統來控制填充發射撞擊桿所需之壓力及發射撞擊桿之 用。入射桿和透射桿黏貼應變計後，連接惠斯電橋將訊號放大，與數位式高速示 波器連接，來量測發射撞擊桿之後，入射、透射彈性桿受撞擊後之彈性應變量，
計算兩彈性桿所夾試體之應變歷程。將撞擊桿發射撞擊於入射桿會產生一維入射
波傳送到達試體後會產生反射波與透射波，如圖6-4 所示。
採用桿徑為 50mm，桿長 500mm，彈性模數為 212.8GPa,，材料密度 7830 kgf/m3。
2. 入射桿與透射桿
入射桿與透射桿同樣為直徑 50.0mm 之鋼質彈性圓桿，桿長為 1600.0mm，
材料為ANSI TYPE 工具鋼，密度為 7830kgf/m3,彈性模數為 202GPa。
3. 應變片
使用應變片量測入射桿與透射桿之脈衝訊號，使用較小之箔式應變片量測高 頻的脈衝應變，應變片反映之應變量為基長(gage length)範圍內應變量之平均
1：高壓氮器； 2：撞擊桿引導槍； 3：撞擊桿； 4：測速裝置； 5：應變計；
6：入射桿 7：透射桿； 8：試體； 9：數位示波器； 10：控制器及資料擷取、
分析系統
圖6-3 SHPB 實驗設備裝置
圖6-4 撞擊後入射桿與透射桿之入射、透射與反射波形
圖6-5 SHPB 之入射、反射與透射波示意圖
6.3 結果分析與討論
6.3.1 衝擊抗壓強度
霍普金森壓桿(SHPB)之撞擊桿受動力系統之鋼瓶填充不同氣體壓力，作為 發射撞擊桿之動能，發射撞擊桿之後，試體會受到撞擊桿撞擊之而產生破壞，因 此試體也會產生變形，隨著衝擊增加應變率會隨著增加。將爐石活性粉混凝土透 過霍普金森壓桿(SHPB)試驗機進行動態衝擊壓載試驗，透過三組高應變速率進 行試體之衝擊變形探討，探討材料在不同應變率作用下對抗壓強度，試驗結果為 表6-1。
圖 6-6 為靜態應變率5×10−6/s與三種動態撞擊時之應變率抗壓強度比較，
圖 6-6 為靜態應變率5×10−6/s與三種動態撞擊時之應變率抗壓強度比較，