國立交通大學
土木工程學系碩士班
碩 士 論 文
以環氧樹脂補強受高溫破壞混凝土
之強度變化
The effect of epoxy on strength increase of concrete subjected
to elevated temperatures
研 究 生：李璧昀
指導教授：鄭復平 博士
I
以環氧樹脂補強受高溫破壞混凝土之強度變化
研 究 生：李璧昀 Student：Bi-Yun Li
指導教授：鄭復平 博士 Advisor：Dr. Fu-Ping Cheng
國 立 交 通 大 學 土 木 工 程 研 究 所
碩 士 論 文
A Thesis
Submitted to Department of Civil Engineering College of Engineering
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
in
Civil Engineering
February 2010
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
II
以環氧樹脂補強受高溫破壞混凝土之強度變化
研究生：李璧昀 指導教授：鄭復平 博士國立交通大學土木工程學系碩士班
摘 要
鋼筋混凝土建物火災損壞範圍集中在表層，因此混凝土高溫火害 後補強相當重要，在不同冷卻方式不同養護條件下，試以環氧樹脂補 強，探討其殘餘強度及補強效果。 本研究探討以普通混凝土與高強度混凝土兩種材料，在加溫時承 受兩種目標溫度（600℃、800℃），冷卻時以不同冷卻方式（急速冷 卻及自然冷卻），兩種再養護方法（滯水再養護及空氣再養護）與不 同再養護齡期（7、28、60、90 天），分別以環氧樹脂補強後成效進 行比較。 結果發現，目標溫度600℃的試體補強效果較 800℃的試體佳， 可讓試體達到原強度的七成以上，但目標溫度800℃的試體補強效果 就不盡理想，而且高溫火害後再養護時間越長，由於混凝土之自癒性， 使環氧樹脂難以以真空方試灌入裂縫，補強成效因而折減。 關鍵字：混凝土、殘餘強度、環氧樹脂、補強、高溫損害III
The effect of epoxy on strength increase of concrete subjected
to elevated temperatures
Student：Bi-Yun Li Advisor：Dr. Fu-Ping Cheng Department of Civil Engineering
National Chiao Tung University ABSTRACT
The strength of reinforce concrete buildings decreased after exposed to high temperatures. Most damages of concrete are on the surface only. It is important to repair the cracks in concrete. The effect different cooling methods and curing conditions were explored. The residual strength and repair effect were studied after repaired by epoxy.
This study is devoted to investigate the effect of epoxy on strength increase of concrete after fired. The major experimental parameters include high temperatures (600℃, 800℃), cooling methods (natural cooling, rapid cooling), re-curing methods (air curing, water curing), re-curing times (7, 28, 60, 90 days), and the strength of concretes (280 kgf/cm2, 560 kgf/cm2).
Results show that the epoxy restored the compressive strength of concrete after exposed 600℃ can be greater than 70%. But concrete can recover only 10% of its strength for specimens after exposed 800℃ temperature.
Key words: concrete, residual strength, epoxy, repair, high temperature damage
IV
誌 謝
本研究期間承蒙恩師 鄭復平博士悉心指導、在學習上的督促以及待 人處事的道理，特致由衷地感謝與敬意。論文口試期間承蒙中興大學 教授 林建宏博士、交通大學教授 趙文成博士、交通大學教授 洪士 林博士惠賜卓見，修正本文不足和錯誤之處，使本文更臻完整，特此 由衷感謝。 研究所求學期間，感謝所上諸多師長之教誨及指導，深感獲益良多， 同窗稚展、超倫、信達、書豪、嘉軒於試驗階段的幫助，及好友霈琳、 家宇、乃慈、傑焄在研究所生活中的陪伴與協助，及材料試驗室林進 賢先生的指教，使本論文得以順利進行，在此一併致謝。 最後，感謝父母親辛勤地付出和關心，兄姐的疼愛及照顧，僅以本論 文獻給我的家人、恩師、長輩以及朋友，願他們共享這份喜悅。V
目錄
頁次 摘 要 ... II 誌 謝 ... IV 目錄 ... V 表目錄 ... VIII 圖目錄 ... IX 第一章 緒論 ... 1 1-1 研究動機 ... 1 1-2 研究目的與範圍 ... 2 1-3 研究方法 ... 3 1-4 研究內容 ... 4 第二章 文獻回顧 ... 5 2-1 水泥漿體之材料性質 ... 5 2-1-1 水泥成分及其水化性質 ... 5 2-1-2 水泥漿體與水泥砂漿受熱之變化 ... 6 2-2 粒料之熱學性質 ... 7 2-2-1 粒料之物理性質 ... 7VI 2-2-2 高溫下粒料之體積變化 ... 8 2-3 混凝土高溫作用下之性質 ... 9 2-3-1 混凝土高溫作用下之殘餘強度 ... 9 2-3-2 混凝土高溫作用下之孔隙變化 ... 10 2-3-3 混凝土高溫作用下之外觀變化 ... 10 2-3-4 混凝土高溫作用下之爆裂現象 ... 11 2-4 環氧樹脂之應用 ... 12 2-5 裂縫補強 ... 15 第三章 試驗材料與試驗計劃 ... 16 3-1 實驗變數 ... 16 3-2 試體製作及試驗設備 ... 18 3-2-1 試體製作... 18 3-2-2 試驗設備... 19 3-3 試驗方法 ... 20 3-3-1 試體準備... 20 3-3-2 試體加溫與冷卻 ... 21 3-3-3 試體加溫後之冷卻及再養護 ... 21 3-3-4 試體以環氧樹脂補強 ... 22
VII 第四章 試驗結果與分析 ... 23 4-1 混凝土試體受高溫作用後之外觀變化 ... 23 4-2 混凝土試體火害後再養護對其殘餘強度影響 ... 25 4-3 混凝土試體火害後再養護並以環氧樹脂補強之外觀變化 .... 27 4-4 混凝土試體火害後再養護並以環氧樹脂補強之殘餘強度 .... 28 第五章 結論與建議 ... 41 5-1 結論 ... 41 5-2 建議 ... 42 參考文獻 ... 44
VIII
表目錄
頁次 表2-1 各種不同岩石之線性熱膨脹係數 ... 48 表2-2 不同岩石1:6 混凝土之熱膨脹係數 ... 48 表2-3 不同岩石之比重 ... 49 表2-4 高強度混凝土配比及其抗壓強度 ... 49 表2-5 高性能混凝土配比 ... 49 表2-6 國內常用植筋膠種類 ... 50 表2-7 碳纖維與玻璃纖維補強火害後試體之殘餘強度 ... 50 表2-8 環氧樹脂補強裂縫效果 ... 51 表3-1 本試驗試體分類(實驗組) ... 52 表3-2 本試驗試體分類(對照組) ... 53 表3-3 本試驗一般強度混凝土試體配比 ... 53 表3-4 本試驗高強度混凝土試體配比 ... 54 表3-5 建築物之防火時效 ... 54 表4-1 高強度混凝土之補強強度（%） ... 55 表4-2 普通強度混凝土之補強強度（%） ... 55IX
圖目錄
頁次 圖2-1 受高溫後混凝土殘餘強度百分比 ... 56 圖2-2 受到高溫普通混凝土及高強度混凝土降溫前後之殘餘強度 . 56 圖2-3 受高溫混凝土以常溫及噴水兩種冷卻方式之殘餘強度 ... 57 圖2-4 混凝土受高溫600℃前後之孔隙體積 ... 57 圖2-5 600℃高溫前後混凝土之孔隙直徑及其累計所占體積 ... 58 圖2-6 混凝土受高溫800℃前後之孔隙率 ... 59 圖2-7 800℃高溫前後混凝土之孔隙直徑及其累計所占體積 ... 59 圖2-8 800℃高溫前後混凝土之強度 ... 60 圖2-9 混凝土版構件高溫後爆裂機率與含水率關係 ... 60 圖2-10 鋼筋混凝土柱鋼板貼片補強示意圖 ... 61 圖2-11 鋼筋混凝土梁中央鋼板貼片補強示意圖 ... 61 圖2-12 破壞型式示意圖 ... 62 圖2-13 遞增壓力注射工法 ... 62 圖4-1 高強度混凝土滯水再養護對照組之殘餘強度 ... 64 圖4-2 普通強度混凝土滯水再養護對照組之殘餘強度 ... 64 圖4-3 高強度混凝土受800℃後急速冷卻滯水再養護後以環氧樹脂X 補強之殘餘強度………..……….65 圖4-4 高強度混凝土受800℃後自然冷卻滯水再養護後以環氧樹脂 補強之殘餘強度………...65 圖4-5 高強度混凝土受600℃後急速冷卻滯水再養護後以環氧樹脂 補強之殘餘強度………...66 圖4-6 高強度混凝土受600℃後自然冷卻滯水再養護後以環氧樹脂 補強之殘餘強度………...66 圖4-7 普通強度混凝土受800℃後急速冷卻滯水再養護後以環氧樹 脂補強之殘餘強度………...67 圖4-8 普通強度混凝土受800℃後自然冷卻滯水再養護後以環氧樹 脂補強之殘餘強度………...67 圖4-9 普通強度混凝土受800℃後自然冷卻空氣再養護後以環氧樹 脂補強之殘餘強度………...68 圖4-10 普通強度混凝土受 600℃後急速冷卻滯水再養護後以環氧樹 脂補強之殘餘強度………...68 圖4-11 普通強度混凝土受 600℃後自然冷卻滯水再養護後以環氧樹 脂補強之殘餘強度………...69 圖4-12 普通強度混凝土受 600℃後自然冷卻空氣再養護後以環氧樹 脂補強之殘餘強度………...69
XI
照片目錄
頁次 照片2-1 裂縫補強D1 CUBE試體模具 ... 70 照片2-2 裂縫補強D2 CUBE試體模具 ... 70 照片3-1 高溫爐 ... 71 照片3-2 烘箱 ... 71 照片3-3 環氧樹脂灌入儀 ... 72 照片3-4 萬能試驗機 ... 72 照片3-5 待補強混凝土試體放入環氧樹脂灌入儀之真空槽 ... 73 照片4-1 混凝土試體加溫至800℃後顏色改變 ... 74 照片4-2 混凝土試體加溫至600℃後顏色改變 ... 74 照片4-3 高強度混凝土加溫至800℃後斷面顏色 ... 75 照片4-4 普通強度混凝土加溫至800℃後斷面顏色 ... 75 照片4-5 高強度混凝土加溫至600℃後斷面顏色 ... 76 照片4-6 普通強度混凝土加溫至600℃後斷面顏色 ... 76 照片4-7 高強度混凝土試體加溫至800℃後急速冷卻頂面 ... 77 照片4-8 高強度混凝土試體加溫至800℃後急速冷卻側面 ... 77 照片4-9 高強度混凝土試體加溫至800℃後自然冷卻頂面 ... 78 照片4-10 高強度混凝土試體加溫至800℃後自然冷卻側面 ... 78XII 照片4-11 高強度混凝土試體加溫至600℃後急速冷卻頂面 ... 79 照片4-12 高強度混凝土試體加溫至600℃後急速冷卻側面 ... 79 照片4-13 高強度混凝土試體加溫至600℃後自然冷卻頂面 ... 80 照片4-14 高強度混凝土試體加溫至600℃後自然冷卻側面 ... 80 照片4-15 普通強度混凝土試體加溫至800℃後急速冷卻頂面 ... 81 照片4-16 普通強度混凝土試體加溫至800℃後急速冷卻側面 ... 81 照片4-17 普通強度混凝土試體加溫至800℃後自然冷卻頂面 ... 82 照片4-18 普通強度混凝土試體加溫至800℃後自然冷卻側面 ... 82 照片4-19 普通強度混凝土試體加溫至600℃後急速冷卻頂面 ... 83 照片4-20 普通強度混凝土試體加溫至600℃後急速冷卻側面 ... 83 照片4-21 普通強度混凝土試體加溫至600℃後自然冷卻頂面 ... 84 照片4-22 普通強度混凝土試體加溫至600℃後自然冷卻側面 ... 84 照片4-23 未經滯水再養護試體灌入環氧樹脂後之外觀 ... 85 照片4-24 經滯水再養護試體灌入環氧樹脂後之外觀 ... 85 照片4-25 高強度混凝土試體加熱至800℃急速冷卻並以環氧樹脂補 強經抗壓試驗後之外觀 ... 86 照片4-26 高強度混凝土試體加熱至800℃自然冷卻並以環氧樹脂補 強經抗壓試驗後之外觀 ... 86
XIII 照片4-27 高強度混凝土試體加熱至600℃急速冷卻並以環氧樹脂補 強經抗壓試驗後之外觀 ... 87 照片4-28 高強度混凝土試體加熱至600℃自然冷卻並以環氧樹脂補 強經抗壓試驗後之外觀 ... 87 照片4-29 普通混凝土試體加熱至 800℃急速冷卻並以環氧樹脂補強 經抗壓試驗後之外觀 ... 88 照片4-30 普通混凝土試體加熱至 800℃自然冷卻並以環氧樹脂補強 經抗壓試驗後之外觀 ... 88 照片4-31 普通混凝土試體加熱至 600℃急速冷卻並以環氧樹脂補強 經抗壓試驗後之外觀 ... 89 照片4-32 普通混凝土試體加熱至 600℃自然冷卻並以環氧樹脂補強 經抗壓試驗後之外觀 ... 89 照片4-33 高強度混凝土試體破壞形態 ... 90 照片4-34 普通強度混凝土試體破壞形態 ... 90
1
第一章 緒論
1-1 研究動機
近年來台灣地區人口快速增長，寶島的土地卻無法隨時間而增加， 導致山林過度開發，在重大風災地震來臨時，造成嚴重的災難頻傳。 在環保意識抬頭、環評、水保的要求漸趨嚴格，人們漸漸的懷疑起人 定勝天的道理，隨著大自然一次次的反撲，可想見人們將會漸漸放棄 危險的居住區域，集中於相對安全的都會區，隨著時代進步，人口的 過度集中造成可以利用的土地越來越少，高層建物成為市場的主流， 由於混凝土建材相對便宜，除超高樓層使用鋼結構材料外，絕大多數 高層樓房都是使用鋼筋混凝土為建材。 熱鬧繁華的居住地點可以帶來許多的便利，也因都會區的繁榮吸 引多數人口的聚集，許多優點的背後也相對的衍生出不少的問題。就 如同此論文所要談論的火災災害，在人口聚集過度集中的地方，將帶 來更加大的危害。 由於混凝土為優良隔熱材料，可以有效的隔開火源，所以一般來 說火災發生時僅有部分樓層受損，且火災損壞範圍集中在表層，以往 在災後的處理方式只能消極的將整體建物拆除，但是現今高樓林立，2 拆除整體建物造成的財物損失絕非過去所能比擬。火害房屋建築物結 構的破壞維修，在土木將會是一大課題，而若能研發有效且經濟的火 害補強方式將可節省大量的社會成本。 環氧樹脂為熱固型樹脂，當主劑與硬化劑依定比例混合後，交鏈 硬化成強力接著劑，其具有調配容易、塑形容易、不透水等特性，現 今在土木方面已用於構造物接著、修補、防水、防蝕等用途，本研究 將嘗試以負壓方式將環氧樹脂注入混凝土內部提升混凝土之強度，根 據不同情形進行火害後混凝土強度之增強作業，比較注入環氧樹脂前 後混凝土強度差異。
1-2 研究目的與範圍
混凝土受火害後除其材料物理性質變化外，也造成其內部產生許 多裂縫，本試驗嘗試以負壓方式灌入環氧樹脂以修補試體裂縫，增強 其強度，並針對產生裂縫的諸多變數進行探討，實務上，火災發生時， 現場消防隊員通常以強力水柱急速滅火，造成結構物溫度急遽變化， 與一般火害實驗自然置於空氣中之降溫條件截然不同。再者，根據以 往研究指出，火害後給予混凝土濕治再養護，將可回復部分強度。故 以上述二變數為基礎，本研究將探討以急速冷卻及自然冷卻兩種冷卻 方式，滯水再養護及空氣再養護兩種再養護方法所帶來的混凝土強度3 差異，分別以環氧樹脂補強後成效進行比較，本研究範圍如下述幾 種： 1. 比較混凝土受到不同溫度下以環氧樹脂增強強度回復變化。 2. 比較混凝土在不同降溫方式下以環氧樹脂增強強度回復變 化。 3. 比較滯水再養護及空氣再養護之混凝土以環氧樹脂增強強度 回復變化。 4. 比較不同再養護時間下以環氧樹脂增強強度回復變化。 5. 比較不同強度混凝土以環氧樹脂增強強度回復變化。
1-3 研究方法
以符合規範所制定之強度、坍度、流度之新拌混凝土製作直徑 10 公分高度 20 公分之圓柱試體，放置水中養護至養護齡期完成後， 取出試體以烘箱維持105±5℃持續烘乾一週，以免試體於高溫爐中加 熱時爆裂。 本試驗試體普通強度混凝土設計強度為 280 kgf/cm2、高強度混凝 土設計強度為560 kgf/cm2，實驗溫度為高溫爐爐溫達600℃、800℃ 兩種溫度，達到目標溫度後分為自然降溫及急速降溫兩種降溫方式， 降溫一日後又分為空氣再養護、持續泡水再養護兩種再養護方式，再4 養護齡期分為7、28、60、90 天四種齡期，再養護完成之後以環氧樹 脂灌入儀將環氧樹脂以負壓灌入毀損的試體中，觀察各情況之下試體 回復強度的變化。
1-4 研究內容
本論文將各研究方法與試驗目的，所求取的內容分類排列成下列 章節：論文中第一章為緒論，文中將簡述其研究動機、研究目的與研 究中所探討的範圍、研究的試驗方法簡述；第二章為文獻回顧，針對 混凝土各材料之材料性質的文獻結果加以探討彙整，論文中 2-1 為水 泥漿體之材料性質分析，2-2 為粒料之熱學性質分析，2-3 探討混凝 土高溫作用下性質之變化，2-4 為有關環氧樹脂的各項文獻，在不同 環境、溫度的探討，2-5 為非火害裂縫補強的方法與成效；本文中第 三章為試驗材料與試驗計劃，3-1 將說明各實驗中所定立的各項變數， 3-2 敘述試驗規畫中試體的製作及試驗中所需要的儀器設備，3-3 說 明試驗方法與詳細的試驗步驟；論文中的第四章為試驗結果與試驗數 據分析討論，4-1 說明混凝土試體受高溫作用後之外觀變化， 4-2 敘 述混凝土試體火害後再養護對其殘餘強度影響，4-3 為混凝土試體火 害後再養護並以環氧樹脂增強之殘餘強度；第五章為結論與建議。5
第二章 文獻回顧
本研究以普通強度混凝土及高強度混凝土之火害後以環氧樹脂 補強為主題，進行研究前，首先將探討混凝土及環氧樹脂各材料特性、 力學性質及其熱學反應，以根據各種材料性質進行整體實驗規劃。2-1 水泥漿體之材料性質
2-1-1 水泥成分及其水化性質
水泥的生產原料又稱「生料」為石灰岩（主要成分 CaCO3）與黏 土礦物（主要成分 Al2O3，及 SiO2），經過磨細混合均勻組成，「生料」 以高溫燒結成「熟料」，再加入石膏（CaSO4．2H2O，簡寫為 CSH2） 加以研磨及可製成水泥。卜特蘭水泥的主要成分為矽酸三鈣（3CaO． SiO2，簡寫為 C3S）、矽酸二鈣（2CaO．SiO2，簡寫為C2S）、鋁酸三鈣（3CaO．Al2O3，簡寫為C3A）、鋁鐵酸四鈣（4CaO．Al2O3．Fe2O3，
簡寫為C4AF），標準I 型普通卜特蘭水泥成分為 C3S：50%、C2S：25%、
C3A：12%、C4AF：8%、CSH2：5%，由於 I 型水泥最為便宜，除特
6 用之。 當水泥加水後產生水化反應形成各種水化產物，C3S 及 C2S 為混 凝土強度主要來源，C3S 對初期強度有較大貢獻，但後強度成長較慢， 由於其初期強度成長快速，水化物排列組合較差，不利混凝土緻密性 及耐久性，而 C2S 初期強度成長有限，後期強度成長迅速，為混凝土 主要水化熱來源，其水化膠體逐漸填滿水化空間，有利混凝土體積穩 定性。C3S 及 C3A 為混凝土水化熱主要來源，而 C2S 放熱最少。
2-1-2 水泥漿體與水泥砂漿受熱之變化
水泥與水產生水化作用後形成水化產物分別為鈣矽水化物 （C-S-H）及氫氧化鈣（C-H），水泥漿體受熱時其性質主要受到水 份改變及漿體分解與熔合之影響，通常水泥漿體受熱溫度在105℃以 內會使毛細水及膠孔水蒸發、而受熱溫度105℃~440℃時C-S-H結晶水 分解、受熱溫度440℃~580℃則C- H結晶水分解、水泥漿體在受熱溫 度580℃~1007℃時CaCO3分解，並逐漸重新燒結成水泥熟料，再生化 學變化而重具鍵結力。7
2-2 粒料之熱學性質
粒料因其所含成分而分為矽質粒料（又稱酸性粒料，Siliceous Aggregate）及鈣質粒料（又稱鹼性粒料，Carbonate Aggregat），矽 質粒料主要由石英岩、石英片岩和片狀砂岩組成，鈣質粒料主要由石 灰岩、雲母組成，粒料熱學性質因其分類而有所不同。2-2-1 粒料之物理性質
粒料因種類之不同其膨脹係數亦相異，如表2-1【1】所示，台灣 最常見的粒料為安山岩、砂岩及石灰岩，見表所知其熱膨脹係數分別 為4.1~10.3 (10-6 /℃)、4.3~13.9 (10-6 /℃)、0.9~12.2 (10-6 /℃)。 在混凝土的組成中，大部分為粗細粒料及卜作嵐材料，因此採用 不同種類之粒料製作試體，其混凝土的熱膨脹係數也受粒料所影響控 制，造成混凝土將有不同的熱膨脹係數，如表2-2 【2】所示，其中， 經由水中養護的混凝土其熱膨脹係數低於在空氣中養護之混凝土 。 由於岩石的孔隙不同，造成不同的比重，一般岩石比重介於 2.6~2.7之間，各種岩石的比重值如表2-3 【3】所示，岩石比重值越 低比表面積質就越大、孔隙就越多，而孔隙多的岩石在遇高溫時較不8 易因膨脹造成強度損失，反之，比重較大的岩石遇高溫時，由於沒有 多餘孔隙可供膨脹，易造成裂縫甚至爆裂及強度下降的現象。
2-2-2 高溫下粒料之體積變化
粒料因成份之不同可分為矽質粒料及鈣質粒料，矽質粒料又稱酸 性粒料，鈣質粒料又稱鹼性粒料，由文獻【4】、【5】、【6】得知 此二類粒料在高溫下之主要性質如下： 1. 矽質粒料： 矽質粒料平均熱膨脹係數約為12×10-6/℃，石英加熱至500℃時， 產生約2.8%之體積膨脹，石英加熱至573℃時，會由α相轉變為β 相，石英加熱至573℃~900℃體積膨脹不再增加，在900℃以上時， 大量氣體分解產生不規則之體積變化。 2. 鈣質粒料： 鈣質粒料平均熱膨脹係數約為5×10-6/℃，若黑雲母含量較高，則 在650℃以上有較高之熱膨脹係數，若白雲母含量較高，在900℃ 以上，會有收縮現象發生，當溫度達700℃以上，CaCO3分解為氧 化鈣及二氧化碳。9
2-3 混凝土高溫作用下之性質
2-3-1 混凝土高溫作用下之殘餘強度
普通強度混凝土具有良好的耐火性，但高強度混凝土於高溫中易 產生爆裂行為，因此其耐火性受到質疑，文獻【7】得知混凝土試體 加熱至1200℃時，普通強度混凝土及高強度混凝土折減方式十分相似， 高溫中混凝土折減方式分為三階段（如圖2-1），溫度20℃~400℃時， 高強度混凝土強度幾乎沒有損失，而普通強度混凝土有少部分的損失； 溫度400℃~800℃時，混凝土結晶水脫水，高強度混凝土及普通強度 混凝土皆有大量強度損失；800℃以上各試體折減情形逐漸平緩。在 文獻【8】中研究不同強度試體在受高溫之後，放置於一般空氣中冷 卻至室溫，比較降溫前後試體殘餘強度，觀測得知降溫後試體抗壓強 度較降溫前低，其中高強度混凝土受溫400℃以下時，降溫前後強度 並無明顯差異，甚至有時降溫後之殘餘強度超過降溫前之殘餘強度， （如圖2-2）。而文獻【8】、【9】中分別使用常溫及噴水兩種冷卻 方式探討混凝土高溫後之殘餘強度，結果發現噴水冷卻較常溫冷卻的 殘餘強度更低，如圖2-3【8】所示。10
2-3-2 混凝土高溫作用下之孔隙變化
文獻【7】當中，分別以三種配比的混凝土製作直徑10 cm高20 cm 之圓柱試體，試體配比及其抗壓強度（如表2-4），此文獻以灌入水 銀的方式量測混凝土受高溫600℃前後之孔隙體積，圖2-4結果發現普 通強度混凝土高溫前後孔隙體積皆為高強度混凝土的2倍以上，但由 圖2-5得知高溫後之高強度混凝土以直徑大於1.3μm的大孔隙居多，經 由評估發現高溫後強度混凝土耐久性損失及滲透率提高皆比普通強 度混凝土多。文獻【10】中則是分別以四種配比的混凝土製作 10×10×10(cm)試體，其試體配比（如表2-5），同樣以灌入水銀的方 式量測混凝土受高溫800℃前後之孔隙體積，圖2-6當中高強度混凝土 於高溫前後的孔隙比差距較普通強度混凝土多，且圖2-7中也同樣發 現高強度混凝土高溫後以大孔隙占總孔隙的絕大部分，由圖2-8發現 高溫後普通強度混凝土之殘餘強度百分比大於高強度混凝土。2-3-3 混凝土高溫作用下之外觀變化
混凝土受高溫作用後，外觀變化分為顏色及裂縫兩種，文獻【4】11 可知試體受高溫後顏色由灰逐漸轉深灰再變成淡土黃色，而當溫度達 到800℃時試體表面會析出CaCO3所組成的白色粉末，在高溫作用之 下由於試體內部與表面溫度差異，試體斷面呈現同心圓顏色，越接近 試體中心呈現深灰色，而越接近表面呈現淡黃色，試體顏色變化為永 久性不隨空氣養護或是水養護而改變。 在裂縫發展方面，造成混凝土在高溫下形成裂縫的原因有二，一 為水泥砂漿受熱收縮而粗粒料受熱膨脹，兩者膨脹係數相差近兩倍， 使試體加溫及降溫過程中脹縮不諧和，試體內部產生熱應力，當此熱 應力大於混凝土抗拉強度，試體因此產生裂縫；另一原因由文獻【9】 可知混凝土砂漿中C-H、C-S-H組織在高溫中產生顆粒化且極度鬆軟， 造成試體在高溫下裂縫持續增大。
2-3-4 混凝土高溫作用下之爆裂現象
混凝土受到高溫時可能產生表層剝離、角部開裂等破裂形式，嚴 重時發生爆裂現象，通常混凝土發生爆裂現象的溫度範圍是300~600 ℃，而高強度混凝土爆裂的發生機率遠大於普通強度混凝土，導致這 個現象的因素可分為內部及外部兩種，內部因素包含混凝土水灰比、 摻料、含水率、滲透性、試體形狀；外因素包含升溫速率、熱應力、12 外部荷載。文獻【11】使用板構材進行火害試驗，提出混凝土含水率 提高時，高溫下爆裂機率增加（如圖2-9），其中高強度混凝土在飽 和狀態時爆裂機率達100%，普通強度混凝土不產生爆裂，文獻【12】 研究發現水灰比大於0.32，相對溼度小於75~80%時，高強度混凝土爆 裂的危險性降低；國際上現行標準升溫曲線包含ISO 834、DIN 4102、 ASTM E119和BS 476，這些升溫方式非常容易造成爆裂發生，文獻【13】 提出實驗發現，與無加載升溫相比，恆溫加載和恆載升溫情況較容易 發生爆裂。
2-4 環氧樹脂之應用
環氧樹脂是由一種高分子化合物，由主劑與硬化劑結合組成，主 劑與硬化劑原為液態，兩劑混合後逐漸硬化為固體。環氧樹脂首先於 1930 年，由瑞士Pierre Castan 和美國Greenlee 完成，1933 年德國 Schlack 首創了由雙酚A 合成的環氧樹脂。1936 年德國Castan 製成 了低熔點的雙酚A 與環氧氯丙烷合成較高分子量的環氧樹脂。1946 年美國Greenlee 開始大量生產環氧氯丙烷，而在次年，即開始工業化 生產環氧樹脂。13 機械強度等特性被廣泛應用於各項領域中，目前於營建工程上環氧樹 脂被用於一般結構物補強之黏著或填充材料。文獻【14】中使用鋼板 貼片補強，利用環氧樹脂黏著鋼板於結構需要補強部位（如圖2-10、 圖2-11），其中鋼板與混凝土接合面空隙因環氧樹脂注入的方式不同 可分為灌注法與壓注工法兩種，國內現以灌注法居多，此工法係鋼板 由工廠加工裁切製成所需要的尺寸，利用螺栓將鋼板固定於構材，螺 栓位置應避開鋼筋，利用墊片使鋼板與混凝土接合面間保持約 3mm~6mm 間隙，再由預留孔隙注入環氧樹脂至溢出上方導氣孔為止， 使鋼板與混凝土構材斷面形成一體達到斷面補強效果。文獻【15】中 混凝土結構物植筋補強以樹脂材料作為植筋膠（如表2-6），混凝土 底材之強度較高時，鋼筋之抗拉能力相對較高，但底材強度高低將不 會影響其拉拔後之破壞模式。此外，植筋深度較淺時(4 cm)，破壞方 式由混凝土強度控制；植入深度較深時(6 cm 或8 cm)，破壞方式由植 筋膠及鋼筋來控制。經本研究結果顯示，鋼筋埋入樹脂系維修材料之 拉拔力遠高於水泥系之維修材料。文獻【16】當中以碳纖維或玻璃纖 維貼布纏繞火害後混凝土試體，外層以環氧樹脂固定，借以修復火害 後混凝土試體，其試驗結果（如表2-7），結果發現修復後試體皆能 達到原始強度以上，且碳纖維圍束效果優於玻璃纖維效果。 經由環氧樹脂補強之結構由要注意的是環氧樹脂不耐高溫，其黏
14 著力隨受溫溫度及延燒時間的增加而減少，環氧樹脂受溫後殘餘強度 隨其累積熱能增加而減少，文獻【14】中以環氧樹脂黏結鋼板之混凝 土試體，經過加溫試驗指出當黏結層受較低溫度或處於常溫狀態，例 如100℃以下，試體強度為3.1至2.36MPa之間，試體破壞類型主要為 混凝土材料破裂（圖2-12，第Ⅰ型），顯示黏結層殘餘強度仍大於混 凝土抗拉強度，此時黏結層發揮作用，黏結應力可經由黏結層有效傳 遞至混疑土，試體破壞面在混凝土；黏結層受溫150℃時，試體強度 為1.43到2.67MPa，除了混凝土破壞為主要型式外，另伴隨混凝土與 黏結層之界面破壞（圖2-12，第Ⅲ型）及黏結層材料破裂（圖2-12， 第Ⅱ型），顯示此時黏結層殘餘強度已臨界於混凝土抗拉強度；黏結 層受溫200℃並伴隨有1 小時以上較長的受溫延燒時，試體強度驟降 至0.81到0.9MPa，此主要的破壞型式大多為混凝土與黏結層之界面破 壞（圖2-12，第Ⅲ型）、黏結層與鋼板黏結界面破壞（圖2-12， 第 Ⅳ型）並伴隨黏結層材料破壞（圖2-12，第Ⅱ型），顯示此時大部份 試體之黏結層殘餘強度已低於混凝土抗拉強度。由此研究可推測，由 環氧樹脂補強後之構件，受溫後無法維持原先補強效果，因此補強之 後應搭配防火材料為佳。
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2-5 裂縫補強
在文獻【14】、【16】中以鋼板貼附，或是以纖維材料纏繞混凝 土試體皆是提供外加圍束力，無法加強內部混凝土的強度，混凝土本 身幾乎無法提供補強後試體強度。而實際上針對混凝土裂縫補強的研 究如下，文獻【17】當中澆置混凝土試體時以鋼板置入模具（如照片 2-1、2-2）內製成試體表面之人工裂縫，再將環氧樹脂塗布於裂縫中， 待環氧樹脂硬固後進行抗壓試驗，結果顯示如表2-8，補強後試體大 致能恢復試體原強度的二到三成。實務上，環氧樹脂已被接受用於注 入裂縫補強，文獻【18】當中提到之裂縫注入環氧樹脂工法，主要用 於裂縫處，採高壓方式將環氧樹脂注入裂縫中，使結構物內部不會因 為裂縫延伸而繼續破壞，以增加服務年限，所謂高壓方式如圖2-13 【19】，活篩端給予大約2 kg/cm2的壓力，將針管中環氧樹脂注入裂 縫，但由於針管注入法較適合混凝土表面且規則的裂縫，故在本試驗 當中不以此方法注入環氧樹脂。
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第三章 試驗材料與試驗計劃
本研究旨在探討混凝土加熱至不同目標溫度後，以不同冷卻方式、 再養護方式及再養護齡期，再以環氧樹脂進行火害補強，探討其成效 及結果。3-1 實驗變數
本研究之實驗變數有加熱溫度、冷卻方式、再養護方式、再養護 齡期、混凝土強度五個變數。 1. 加熱溫度 根據以往文獻【4】、【7】、【8】、【9】顯示，一般強度混凝土加熱 溫度低於600℃時，殘餘強度可接近五成，若泡水再養護一個月強 度可恢復至六成，因此可預見600℃以下加熱溫度使用補強效果有 限，且與實際火災溫度相差甚遠；而文獻指出當火災超過800℃時， 混凝土殘餘強度不到二成，極可能在進行補強之前，已對結構物 造成立即性的損壞，且混凝土隔熱效果良好，損害部分大多侷限 於表面，要使混凝土構件內部超過800℃必須要許久的延時，探討 高溫800℃以上的火害補強失去其實用意義，基於以上原因，本研17 究高溫火害下混凝土補強溫度變數僅分為600℃及 800℃兩種討 論。 2. 冷卻方式 為模擬實際火災中強力水柱下混凝土急速降溫，與未噴水區混凝 土自然降溫的差異性質，本試驗冷卻方式分為加熱完成後直接將 試體置入水中的急速冷卻，以及加熱完成後將試體置於空氣中直 到試體溫度與室溫一致的自然冷卻兩種冷卻方式。 3. 再養護方式 混凝土受高溫之後如經過泡水再養護混凝土將產生再水化作用， 恢復部分強度，因此本試驗考慮兩種再養護方式，一種為滯水再 養護，其程序為試體降溫一日待試體達到常溫後，將試體置於水 中持續泡水養護，直至試驗預定齡期結束；另一種方式為空氣再 養護，其程序為試體降溫一日後置於空氣中直至試驗預定齡期結 束。 4. 再養護齡期 根據以往文獻【4】顯示，再養護齡期初期強度會持續降低，隨後 開始增強，大致3 個月以後試體回復強度趨近穩定，故本研究齡 期選擇7、28、60、90 天四種。
18 依上述變數本研究試體實驗組（如表 3-1）分類；另外為與補強 後試體強度作為比較，對照組分別如下，（1）未經高溫損害之試體面 乾內飽和抗壓強度：此試驗強度視為試體原始強度，本試驗所敘述試 體之殘餘強度百分比皆以此強度作為比較基準（2）加溫後自然冷卻 與急速冷卻無再養護之試體抗壓強度：此試驗強度為火害後之即時強 度，用於判定試體再養護成效之基準（3）加溫後自然冷卻與急速冷 卻以水再養護90 天之試體抗壓強度：此試驗強度為火害後經由再養 後達到極限穩定之強度，用於判定試體經由補強後成效之基準，本試 驗對照組（如表3-2）。普通強度混凝土共 30 組試體，每組試體 4 顆 標準試體，全實驗共使用 120 顆標準試體，高強度混凝土不考慮自然 降溫空氣冷卻及再養護齡期7 天共使用 76 顆標準試體。
3-2 試體製作及試驗設備
3-2-1 試體製作
本試驗以普通強度混凝土（配比如表 3-3）、高強度混凝土（配比 如表3-4），製作直徑10 cm 高度 20 cm 圓柱試體，試體的製作分三層19 搗實，以 3/8”搗棒均勻搗實每層各 25 下，填模完成後，將模頂刮平， 待24 小時後拆模放入飽和氫氧化鈣水當中進行養護。
3-2-2 試驗設備
1. 高溫爐： 本試驗加溫方式以詠欣有限公司 Yeong Shin 可程式控制高溫爐， 可設定2 組升溫程式，一組升溫程式可設定 8 段線性升溫段（參 閱照片3-1）。 2. 烘箱：為以免試體在試驗加溫階段產生爆裂現象，試體試驗之前 以本設備(照片 3-2)設定 105±5℃持續烘乾一週，。 3. 環氧樹脂灌入儀： 由本研究室設計委外製作， (如照片 3-3、圖 3-1)儀器共有兩槽， 左槽為環氧樹脂放置槽，用於儲存環氧樹脂，右槽為真空槽，內 部存放待試驗之試體，可抽為真空並外接壓力表顯示負壓大小， 環氧樹脂放置槽、真空槽兩槽之間以單向閥連接，真空槽又以單 向閥連接幫浦提供負壓，環氧樹脂放置槽下方、真空槽下方以及 真空槽連結幫浦之管線下方都各設有一組清洗開關閥，用於試驗 結束後環氧樹脂以及清洗液之排出。20 4. 萬能試驗機：抗壓試驗由 Shimadzu 公司 100 噸材料試驗機(參閱 照片3-4)進行試體抗壓強度試驗。
3-3 試驗方法
3-3-1 試體準備
本試驗當中試體拆模作業完成之後，將試體置入飽和氫氧化鈣水 溶液進行養護作業，養護完成後由養護池取出試體表面以乾布試乾視 為面乾內飽和，接著除對照組中之原始試體強度直接進行抗壓作業外， 其餘組別之試體由於許多研究指出，新拌混凝土孔隙內水分過高，升 溫時孔隙壓力加大容易造成爆裂，然而現實中火害建物如興建年代久 遠混凝土內之多於游離水大多早已蒸發，升溫後不應有爆裂情形，為 模擬真實情況，且預防試體爆裂損害設備、無法繼續進行試驗，試驗 前試體先以烘箱維持105±5℃持續烘乾一週後，待冷卻至室溫，再行 加溫步驟。
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3-3-2 試體加溫與冷卻
本研究以爐溫 600℃、800℃為目標控制溫度，升溫速率 7.5℃/min， 爐溫達至目標溫度後，持溫 3 小時，模擬建築技術規則中建築物之防 火時效（如表3-5）。本研究試體加溫後分為急速冷卻及自然冷卻，急 速冷卻是於爐溫達到目標溫度持溫三小時後，打開高溫爐門並以工具 將試體夾入水槽中急速降溫，自然冷卻是於爐溫達到目標溫度持溫三 小時後，將高溫爐門開啟使熱空氣與室內空氣自然對流，達到降溫效 果。由於高溫燒去混凝土上的標記不利試驗辨識，試體急速冷卻後二 小時將試體拿出水中晾乾，以便隔日標記，自然冷卻的試體待試體冷 卻後進行標記，降溫作業後24 小時進行再養護。3-3-3 試體加溫後之冷卻及再養護
本試驗再養護分為水養護及空氣養護，水養護是將試體置入水槽， 使試體內水泥可進行再水化作用，回復部分強度；空氣養護是將試體 直接暴露於大氣中，不作任何養護動作，只吸收空氣中之水分，以模 擬現行火害建物之狀況，直至要灌入環氧樹脂補強時，再將試體取出 使用，完成再養護之試體，由於孔隙中有許多殘餘水分，不利環氧樹22 脂灌入，故先放至空氣中24 小時晾乾再以烘箱維持 105±5℃持續烘 乾2 天以蒸發孔隙自由水，烘乾作業後進行灌入環氧樹脂。
3-3-4 試體以環氧樹脂補強
環氧樹脂補強試體工作，首先將各管線開關閥關閉，再將環氧樹 脂放入環氧樹脂放置槽。待補強混凝土試體放入真空槽（如照片3-5）， 隨後關閉環氧樹脂放置槽及真空槽之頂蓋，接著開啟真空幫浦至真空 槽管線單向開關閥，啟動真空幫浦，將真空槽空氣抽出形成負壓，待 真空壓力表顯示真空槽內壓力達到負壓0.5 kg/cm2後關閉馬達，並關 閉真空槽至真空幫浦之間的單向閥開關，接著開啟環氧樹脂放置槽及 真空槽連接管開關閥利用負壓抽取環氧樹脂放置槽內之環氧樹脂至 真空槽中並吸入試體中，直至負壓消失後，打開真空槽頂蓋取出試體。 試體取出後，分別打開環氧樹脂放置槽、真空槽以及真空槽與真空馬 達之間管線下方之清潔單向開關閥，排除剩餘環氧樹脂，待環氧樹脂 排除後，將各管線開關閥關閉，再將清洗藥劑放入環氧樹脂放置槽， 同樣以上述負壓步驟進行三次，將環氧樹脂灌入儀各管線清洗以保持 暢通、避免堵塞，補強作業7天後進行抗壓試驗，比較補強前後強度 之改變。23
第四章 試驗結果與分析
4-1 混凝土試體受高溫作用後之外觀變化
由文獻【4】得知，高性能混凝土試體若未經烘乾直接置入高溫 爐加溫，約在430℃時試體產生爆裂，而文獻【11】中也說明，對於 高性能混凝土，隨著含水率增高，其爆裂頻率增加，為避免爆裂現象 發生，本試驗試體均先以105±5℃烘乾 7 天後才進行高溫加熱。本試 驗試體受高溫作用後之外觀變化分為顏色及裂縫二種，其詳細結果下 述如下： 1. 顏色變化 本試驗以高溫600℃及 800℃進行火害試驗，在高溫作用之下，試 體表面形呈白色粉狀固體，其中受溫 800℃之試體粉末多於 600℃ 時，經文獻【4】得知其白色粉末為 CaCO3，清除表面粉末之後， 在高溫800℃之下，混凝土呈獻深褐色，如照片 4-1，而在高溫 600 ℃之下，混凝土呈現灰褐色，如照片4-2，若將試體進行抗壓作業， 將試驗後之試體從中間切開，由於承受高溫時混凝土溫度由外往 內遞減，受溫不同呈現不同顏色，斷面呈現同心圓狀，圓心處顏24 色為接近試體原色的深灰色，試體越外緣越接近表面的火害後顏 色，經由表面及斷面觀察，由照片4-3~4-6 之火害後混凝土試體斷 面圖可知火害後試體顏色變化，與混凝土強度沒有顯著的關係， 火害800℃試體與火害 600℃試體相較斷面圓心處 800℃試體深灰 色範圍較少。 2. 裂縫變化 本研究在加熱升溫速率與目標溫度沿時維持一定的原則下，高溫 下混凝土的裂縫變化，可以就混凝土強度、加熱目標溫度與加熱 後混凝土冷卻方法三大原因探討： (1) 混凝土強度對裂縫的影響： 高強度混凝土較一般強度混凝土緻密，因此加熱後，可以提 供粒料及水泥等成分膨脹的孔隙較少，故較容易造成混凝土 試體開裂。在目標溫度800℃、加熱完成後自然冷卻的情況 下，高強度混凝土(照片 4-9、4-10)呈現密集的網狀裂縫，以 試體上視圖觀察發現裂縫大致呈放射狀網格，而最小裂縫間 之距離約2 mm；普通強度混凝土(照片 4-18、4-19)，明顯發 現裂縫間距較為寬鬆，裂縫數量也較少，最小裂縫間之距離 約為6 mm，且其裂縫寬度較高強度混凝土試體的裂縫細。
25 (2) 加熱目標溫度對混凝土裂縫影響： 本試驗加熱目標溫度分為600℃及 800℃兩種，600℃自然冷 卻之下，普通強度混凝土(照片 4-21、4-22)呈現細微的裂縫， 高強度混凝土(照片 4-13、4-14)呈現明顯的網狀裂縫；而在 目標溫度800℃自然冷卻之下，普通強度混凝土(照片 4-17、 4-18)與高強度混凝土(照片 4-9、4-10)均比目標溫度 600℃自 然冷卻時(照片 4-21、4-22 與照片 4-13、4-14)，形成了更加 密集且明顯的網狀裂縫。 (3) 混凝土加熱後冷卻方式對混凝土裂縫影響 本研究中，混凝土加熱後冷卻方式分為自然冷卻及急速冷卻， 自然冷卻下，試體由高溫慢慢降至室溫，裂縫寬度較細，急 速冷卻下(照片 4-7、4-8、4-11、4-12、4-15、4-16、4-19、 4-20)，試體表面由高溫快速冷卻，由於試體內外溫差極大， 形成較大的裂縫。
4-2 混凝土試體火害後再養護對其殘餘強度影響
本研究對照組試體分為高強度混凝土、普通強度混凝土兩種討論， 以試體原始強度對試驗強度進行正規化，計算試體殘餘強度百分比，26 其試驗結果如下： 1. 高強度混凝土 如圖4-1 所示，試體受高溫 800℃後，急速冷卻未再養護之殘餘強 度為10.8%，若急速冷卻後以滯水再養護 90 天其殘餘強度為 15.4%； 自然冷卻未再養護之殘餘強度為16.9%，若自然冷卻後以滯水再養 護90 天其殘餘強度為 18.4%。試體受高溫 600℃後，急速冷卻未 再養護之殘餘強度為31.7%，若急速冷卻後以滯水再養護 90 天其 殘餘強度為50.7%；自然冷卻未再養護之殘餘強度為 34%，若自 然冷卻後以滯水再養護90 天其殘餘強度為 56%。 2. 普通強度混凝土 如圖4-2 所示，試體受高溫 800℃後，急速冷卻未再養護之殘餘強 度為18.4%，若急速冷卻後以滯水再養護 90 天其殘餘強度為 20.8%； 自然冷卻未再養護之殘餘強度為34.8%，若自然冷卻後以滯水再養 護90 天其殘餘強度為 34.3%。試體受高溫 600℃後，急速冷卻未 再養護之殘餘強度為45.9%，若急速冷卻後以滯水再養護 90 天其 殘餘強度為49.3%；自然冷卻未再養護之殘餘強度為 54.2%，若自 然冷卻後以滯水再養護90 天其殘餘強度為 58.3%。
27 由以上試驗結果得知高強度混凝土火害後殘餘強度百分比損失 較普通強度混凝土多，火害後急速冷卻的混凝土殘餘強度百分比損失 較自然冷卻混凝土多，進行再養護作業後試體強度有微幅提升，其中 火害溫度600℃試體提升強度較 800℃多。
4-3 混凝土試體火害後再養護並以環氧樹脂補強
之外觀變化
以環氧樹脂灌入試體，外觀會依再養護方式呈現兩種樣貌，未經 滯水再養護的試體(照片 4-23)，由於表面經過高溫加熱，會殘留些許 CaCO3粉末，在使用環氧樹脂補強材料補強時，環氧樹脂會和CaCO3 粉末混合附著在試體表面，故試體表面顏色會摻雜白色的花紋；然而 經過滯水再養護的試體(照片 4-24)，因表面 CaCO3粉末經再養護時會 被養護水所溶解，在進行補強之時，環氧樹脂會單獨包覆試體，未摻 雜CaCO3粉末，表面顏色相對均勻。 以環氧樹脂補強之試體抗壓之 後外觀（如照片4-25~4-32），高強度混凝土在 800℃高溫下，無論以 何種冷卻方式，以環氧樹脂補強之試體抗壓外觀皆為柱狀破壞，在 600℃高溫下，急速冷卻試體抗壓外觀近似圍束破壞，由試體底部向 上產生直向裂縫，自然冷卻試體抗壓外觀為柱狀破壞；普通強度混凝 土800℃高溫下，急速冷卻試體以環氧樹脂補強後抗壓外觀仍為柱狀，28 而自然冷卻試體以環氧樹脂補強後抗壓外觀猶如圍束作用下造成之 挫屈破壞，在600℃高溫下，試體抗壓外觀接近一般未受火害試體之 柱狀破壞。由照片4-33、4-34 所示，本試驗高強度混凝土及普通強 度混凝土未受火害試體之破壞模試皆為柱狀破壞，由此可推論柱狀破 壞試體為混凝土破壞控制、圍束破壞試體為環氧樹脂破壞控制。
4-4 混凝土試體火害後再養護並以環氧樹脂補強之殘
餘強度
本試驗當中，混凝土經不同高溫火害之後，以不同方式再養護， 再以環氧樹脂補強試體，試體之殘餘強度因其實驗條件而有所不同， 以下分為四大主題探討其實驗結果： 1. 高強度混凝土受溫 800℃ (1) 急速冷卻滯水再養護 高強度混凝土在受溫800℃後，急速冷卻並給與滯水再養護再以環 氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-3），虛線部分為本試驗對照組，分 別代表高強度混凝土受高溫800℃後，急速冷卻未再養護也未補強 之殘餘強度為原始試體強度的10.8%，以及高強度混凝土受高溫 800℃後，急速冷卻後滯水再養護 90 天但未補強之殘餘強度為原29 始試體強度的15.4%。而本組試驗對照組有二，其一為高強度混凝 土受溫800℃後，急速冷卻並且滯水再養 28 天護再以環氧樹脂補 強，其殘餘強度為原始試體強度的25.4%，與未經養護且未經補強 的試體相較，可提升原強度的14.6%，若與經 90 天滯水養護的試 體相較，可提升原強度的10%；另一對照組為高強度混凝土受溫 800℃後，急速冷卻並且滯水再養 90 天護再以環氧樹脂補強，其 殘餘強度為原始試體強度的23.1%，與未經養護且未經補強的試體 相較，可提升原強度的12.3%，若與經 90 天滯水養護的試體相較， 可提升原強度的7.7%。 (2) 自然冷卻滯水再養護 高強度混凝土在受溫800℃後，自然冷卻並給與滯水再養護再以環 氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-4），本試驗對照組如下，高強度混 凝土受高溫800℃後，自然冷卻未再養護也未補強之殘餘強度為原 始試體強度的16.9%；高強度混凝土受高溫 800℃後，自然冷卻後 滯水再養護90 天但未補強之殘餘強度為原始試體強度的 18.4%。 而本組試驗對照組如下，高強度混凝土受溫800℃後，自然冷卻並 且滯水再養28 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強 度的26.9%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的 10%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，可提升原強度的 8.4%；
30 高強度混凝土受溫800℃後，自然冷卻並且滯水再養 60 天護再以 環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的32.6%，與未經養護 且未經補強的試體相較，可提升原強度的15.7%，若與經 90 天滯 水養護的試體相較，可提升原強度的14.2%；另一對照組為高強度 混凝土受溫800℃後，自然冷卻並且滯水再養 90 天護再以環氧樹 脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的25.5%，與未經養護且未經 補強的試體相較，可提升原強度的8.6%，若與經 90 天滯水養護的 試體相較，可提升原強度的7.1%。 整體而言高強度混凝土受高溫800℃後即使以環氧樹脂補強，其殘 餘強度僅達原強度約三成左右，由環氧樹脂增強強度大約為原強 度的一成。 2. 高強度混凝土受溫 600℃ (1) 急速冷卻滯水再養護 高強度混凝土在受溫600℃後，急速冷卻並給與滯水再養護再以環 氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-5），高強度混凝土受高溫600℃後， 急速冷卻未再養護也未補強之殘餘強度為原始試體強度的31.7%； 高強度混凝土受高溫600℃後，急速冷卻後滯水再養護 90 天但未 補強之殘餘強度為原始試體強度的50.7%。本組試驗對照組有二，
31 其一為高強度混凝土受溫600℃後，急速冷卻並且滯水再養 28 天 護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的96.1%，與未 經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的64.4%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，可提升原強度的 45.4%；另一對照組 為高強度混凝土受溫600℃後，急速冷卻並且滯水再養 90 天護再 以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的52.6%，與未經養 護且未經補強的試體相較，可提升原強度的20.9%，若與經 90 天 滯水養護的試體相較，可提升原強度的1.9%。 (2) 自然冷卻滯水再養護 高強度混凝土在受溫600℃後，自然冷卻並給與滯水再養護再以環 氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-5），本試驗對照組如下，高強度混 凝土受高溫600℃後，自然冷卻未再養護也未補強之殘餘強度為原 始試體強度的34%；高強度混凝土受高溫 600℃後，自然冷卻後滯 水再養護90 天但未補強之殘餘強度為原始試體強度的 56%。而本 組試驗對照組如下，高強度混凝土受溫600℃後，自然冷卻並且滯 水再養28 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的 67.5%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的 33.5%， 若與經90 天滯水養護的試體相較，可提升原強度的 11.5%；高強 度混凝土受溫600℃後，自然冷卻並且滯水再養 60 天護再以環氧
32 樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的67.3%，與未經養護且未 經補強的試體相較，可提升原強度的33.3%，若與經 90 天滯水養 護的試體相較，可提升原強度的11.3%；另一對照組為高強度混凝 土受溫600℃後，自然冷卻並且滯水再養 90 天護再以環氧樹脂補 強，其殘餘強度為原始試體強度的73%，與未經養護且未經補強 的試體相較，可提升原強度的39%，若與經 90 天滯水養護的試體 相較，可提升原強度的17%。 由以上結果發現，高強度混凝土受高溫600℃後以環氧樹脂補強， 其殘餘強度皆達原強度五成以上，補強效果相當不錯，由環氧樹 脂增強強度為原強度一至四成，且隨著再養護天數增加，補強效 果有遞減情況發生。 3. 普通強度混凝土受溫 800℃ (1) 急速冷卻滯水再養護 普通強度混凝土在受溫800℃後，急速冷卻並給與滯水再養護再以 環氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-7），本試驗對照組，分別為普通 強度混凝土受高溫800℃後，急速冷卻未再養護也未補強之殘餘強 度為原始試體強度的18.4%，以及普通強度混凝土受高溫 800℃後， 急速冷卻後滯水再養護90 天但未補強之殘餘強度為原始試體強度
33 的20.8%。而本組試驗對照組如下，普通強度混凝土受溫 800℃後， 急速冷卻並且滯水再養7 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為 原始試體強度的28.9%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提 升原強度的10.5%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，可提升原 強度的8.1%；普通強度混凝土受溫 800℃後，急速冷卻並且滯水 再養28 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的 23.5%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的 5.1%， 若與經90 天滯水養護的試體相較，可提升原強度的 2.7%；另一對 照組為普通強度混凝土受溫800℃後，急速冷卻並且滯水再養 90 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的25.5%，與 未經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的7.1%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，可提升原強度的 4.7%。 (2) 自然冷卻滯水再養護 高強度混凝土在受溫800℃後，自然冷卻並給與滯水再養護再以環 氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-8），本試驗對照組如下，普通強度 混凝土受高溫800℃後，自然冷卻未再養護也未補強之殘餘強度為 原始試體強度的34.8%；普通強度混凝土受高溫 800℃後，自然冷 卻後滯水再養護90 天但未補強之殘餘強度為原始試體強度的 34.3%。而本組試驗對照組如下，普通強度混凝土受溫 800℃後，
34 自然冷卻並且滯水再養7 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為 原始試體強度的46.8%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提 升原強度的12%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，可提升原強 度的12.5%；普通強度混凝土受溫 800℃後，自然冷卻並且滯水再 養28 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的 41.6%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的 6.8%， 若與經90 天滯水養護的試體相較，可提升原強度的 7.3%；普通強 度混凝土受溫800℃後，自然冷卻並且滯水再養 60 天護再以環氧 樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的40%，與未經養護且未 經補強的試體相較，可提升原強度的5.2%，若與經 90 天滯水養護 的試體相較，可提升原強度的5.7%；另一對照組為普通強度混凝 土受溫800℃後，自然冷卻並且滯水再養 90 天護再以環氧樹脂補 強，其殘餘強度為原始試體強度的 32.8%，本數據殘餘強度甚至低 於對照組數據，視為實驗誤差所致。 (3) 自然冷卻空氣再養護 普通強度混凝土在受溫800℃後，自然冷卻並給與空氣再養護再以 環氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-9），本試驗對照組如下，普通強 度混凝土受高溫800℃後，自然冷卻未再養護也未補強之殘餘強度 為原始試體強度的34.8%。而本組試驗對照組如下，普通強度混凝
35 土受溫800℃後，自然冷卻並且空氣再養 7 天護再以環氧樹脂補強， 其殘餘強度為原始試體強度的46.8%，與未經養護且未經補強的試 體相較，可提升原強度的12%；普通強度混凝土受溫 800℃後，自 然冷卻並且空氣再養28 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原 始試體強度的44.9%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提升 原強度的10.1%；普通強度混凝土受溫 800℃後，自然冷卻並且空 氣再養60 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的 41.2%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的 6.4%； 普通強度混凝土受溫800℃後，自然冷卻並且空氣再養 90 天護再 以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的41.7%，與未經養 護且未經補強的試體相較，可提升原強度的6.9%。 整體而言普通強度混凝土受高溫800℃後即使以環氧樹脂補強，其 殘餘強度僅達原強度約四成左右，其中以環氧樹脂增加試體強度 皆於一成上下，且隨著再養護天數增加，補強效果有遞減情況發 生。 4. 普通強度混凝土受溫 600℃ (1) 急速冷卻滯水再養護 普通強度混凝土在受溫600℃後，急速冷卻並給與滯水再養護再以
36 環氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-10），普通強度混凝土受高溫 600 ℃後，急速冷卻未再養護也未補強之殘餘強度為原始試體強度的 45.9%；普通強度混凝土受高溫 600℃後，急速冷卻後滯水再養護 90 天但未補強之殘餘強度為原始試體強度的 49.3%。本組試驗對 照組如下，普通強度混凝土受溫600℃後，急速冷卻並且滯水再養 7 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的 75%，與 未經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的29.1%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，可提升原強度的 25.7%；普通強度混 凝土受溫600℃後，急速冷卻並且滯水再養 28 天護再以環氧樹脂 補強，其殘餘強度為原始試體強度的63.7%，與未經養護且未經補 強的試體相較，可提升原強度的17.8%，若與經 90 天滯水養護的 試體相較，可提升原強度的14.4%；普通強度混凝土受溫 600℃後， 急速冷卻並且滯水再養90 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為 原始試體強度的49.6%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提 升原強度的3.7%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，僅提升原強 度的0.3%。 (2) 自然冷卻滯水再養護 普通強度混凝土在受溫600℃後，自然冷卻並給與滯水再養護再以 環氧樹脂補強殘餘強度（如圖4-11），本試驗對照組如下，普通強
37 度混凝土受高溫600℃後，自然冷卻未再養護也未補強之殘餘強度 為原始試體強度的54.2%；普通強度混凝土受高溫 600℃後，自然 冷卻後滯水再養護90 天但未補強之殘餘強度為原始試體強度的 58.3%。而本組試驗對照組如下，普通強度混凝土受溫 600℃後， 自然冷卻並且滯水再養7 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為 原始試體強度的80.3%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提 升原強度的26.1%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，可提升原 強度的22%；普通強度混凝土受溫 600℃後，自然冷卻並且滯水再 養28 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的 79.6%，與未經養護且未經補強的試體相較，可提升原強度的 25.4%， 若與經90 天滯水養護的試體相較，可提升原強度的 21.3%；普通 強度混凝土受溫600℃後，自然冷卻並且滯水再養 60 天護再以環 氧樹脂補強，其殘餘強度為原始試體強度的 67.4%，與未經養護且 未經補強的試體相較，可提升原強度的13.2%，若與經 90 天滯水 養護的試體相較，可提升原強度的9.1%；普通強度混凝土受溫 600 ℃後，自然冷卻並且滯水再養90 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘 強度為原始試體強度的77.4%，與未經養護且未經補強的試體相較， 可提升原強度的23.2%，若與經 90 天滯水養護的試體相較，可提 升原強度的19.1%。
38 (3) 自然冷卻空氣再養護 普通強度混凝土在受溫600℃後，自然冷卻並給與空氣再養護再以 環氧樹脂補強殘餘強度（如圖 4-12），本試驗對照組如下，普通強 度混凝土受高溫600℃後，自然冷卻未再養護也未補強之殘餘強度 為原始試體強度的54.2%。而本組試驗對照組如下，普通強度混凝 土受溫600℃後，自然冷卻並且空氣再養 28 天護再以環氧樹脂補 強，其殘餘強度為原始試體強度的65%，與未經養護且未經補強 的試體相較，可提升原強度的10.8%；普通強度混凝土受溫 600℃ 後，自然冷卻並且空氣再養60 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強 度為原始試體強度的69%，與未經養護且未經補強的試體相較， 可提升原強度的14.8%；普通強度混凝土受溫 800℃後，自然冷卻 並且空氣再養90 天護再以環氧樹脂補強，其殘餘強度低於對照組 數據視為試驗誤差。 由以上結果發現，普通強度混凝土受高溫600℃後以環氧樹脂補強， 其殘餘強度皆達原強度六成以上，補強效果相當不錯，其中由環 氧樹脂所提升的強度為原強度的一至三成，且隨著再養護天數增 加，補強效果有遞減情況發生。 經由以上分析可得知環氧樹脂在800℃火害混凝土之補強效果有
39 限，補強後仍不能達其適用性，探究原因應是800℃火害之後，混凝 土開裂過大，環氧樹脂無法有效接合混凝土碎塊，導致其強度提升不 如預期；相較之下混凝土受高溫600℃後以環氧樹脂補強的補強成效 相當不錯，值得探討與發展。 本研究當中大部分數據（圖4-3~圖 4-12）顯示隨著再養護時間 的增加，以環氧樹脂補強後試體殘餘強度逐漸遞減，探究其因素，由 文獻【4】可知，混凝土火害後再養護，可使試體中水泥再水化，提 升試體強度，經由本試驗成果，隨養護時間的增加試體補強後之殘餘 強度越低，此結果即可能是因再養護造成裂縫修補，阻礙環氧樹脂灌 入內部所致，以上結果可知在火害早期補強效果較佳。 為何在受溫800℃時，空氣養護試體強度較滯水養護試體強度多， 但是受溫600℃時空氣養護試體強度卻較滯水養護試體強度少？探究 原因，試體經高溫後表面沉積大量CaCO3粉末，滯水再養護將試體 表面粉末溶解，環氧樹脂補強時容易進入試體內，相較之下，空氣再 養護試體表面仍殘留CaCO3粉末，環氧樹脂補強時不易進入試體內， 受溫800℃時由於環氧樹脂補強效果有限，所以空氣再養護試體強度 與滯水再養護試體強度相差不多，受溫600℃時由於環氧樹脂補強效 果佳，明顯拉開兩組試體的差距。整體而言空氣再養護試體強度曲線
40
圖（圖4-9、圖 4-12）較不連貫，是由於試體表面所殘留之 CaCO3粉
末經由搬運而掉落，粉末掉落的多寡影響試驗強度所致。
41
第五章 結論與建議
5-1 結論
本試驗試以負壓方式將環氧樹脂灌入火害後混凝土試體，探討不 同試體強度、受溫溫度、冷卻方式、再養護方式以及再養護時間等因 素，對於補強後殘餘強度影響，經由試驗之後得知結論如下。 1. 環氧樹脂增強效果對於高強度混凝土優於普通混凝土增強效果。 2. 受溫 600℃混凝土補強效果優於受溫 800℃混凝土補強效果。 3. 以本試驗中再養護時間皆為 28 天的試體探討，高強度混凝土試體 急速冷卻後以環氧樹脂補強提升殘餘強度的效果優於自然冷卻的 試體；而普通強度混凝土試體自然冷卻後以環氧樹脂補強提升殘 餘強度的效果優於急速冷卻的試體。 4. 自然冷卻試體由於試體表面殘留 CaCO3粉末，以環氧樹脂注入裂 縫時受到阻礙，由於試體表面粉末多寡不一致，故試驗結果較不 具連貫性。 5. 隨著再養護時間的增加，試體再水化作用使裂縫逐漸修補，以環 氧樹脂注入裂縫時受到阻礙，故提升殘餘強度的效果變差，因此， 火害之後早期進行補強效果較佳。42
5-2 建議
根據本研究結論，提供下述幾種建議： 1. 本試驗結果發現火害早期之裂縫補強較具效果，建議往後研究可 針對混凝土火害早期裂縫發展與補強效果進行交叉比較，以確認 最佳火害補強時間。 2. 本試驗於環氧樹脂補強後一週即進行抗壓試驗，建議往後研究可 在補強後測試不同補強後齡期之試體，長期觀測混凝土之強度發 展進行比較。 3. 本試驗自然冷卻空氣在養護的試體，由於表面殘留大量 CaCO3粉 末，導致試驗結果不連貫，因此建議往後混凝土試體火害後於進 行補強之前，應先設法清除表面之CaCO3粉末，減少試驗變因。 4. 本試驗中並未對高強度混凝火害早期(7 天)進行補強試驗，但由於 試驗研究結果得知，混凝土裂縫補強在火害早期進行較具效果， 因此建議往後研究可針對火害早期的高強度混凝土進行補強試 驗。43 5. 文獻【14】【16】當中以貼覆鋼板、碳纖維、玻璃纖維進行結構補 強，其中混凝土本身無法提供強度，建議以本試驗方法配合貼覆 補強工法提供混凝土本身強度。 6. 本試驗以負壓 0.5 kgf/cm2灌入環氧樹脂，建議可以嘗試以更大的 負壓進行試驗，以增強補強效果。 7. 嘗試以不同強度的樹脂進行補強，比對其補強效果。
44
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48
表2-1 各種不同岩石之線性熱膨脹係數，【1】
Rock type 10-6 /℃ 10-6 /℉
Granite (花崗岩)
Diorite,andesite(闕綠岩、安山岩) Gabbro, basalt, diabase
(斑糲岩、玄武岩、輝綠岩) Sandstone (砂岩) Dolomite (白雲石) Limestone (石灰岩) Chert (角岩) Marble (大理岩) 1.8-11.9 4.1-10.3 3.6-9.7 4.3-13.9 6.7-8.6 0.9-12.2 7.3-13.1 1.1-16.0 1.0-6.6 2.3-5.7 2.0-5.4 2.4-7.7 3.7-4.8 0.5-6.8 4.1-7.3 0.6-8.9 表2-2 不同岩石1:6混凝土之熱膨脹係數，【2】 骨材種類 空氣中養護混凝土 水中養護混凝土 10-6 /℃ 10-6 /℉ 10-6 /℃ 10-6 /℉ 砂礫 花崗岩 矽岩 粗粒玄武岩 砂岩 石灰岩 卜特蘭石 高爐爐渣 泡沫爐渣 13.1 9.5 12.8 9.5 11.7 7.4 7.4 10.6 12.1 7.3 5.3 7.1 5.3 6.5 4.1 4.1 5.9 6.7 12.2 8.6 12.2 8.5 10.1 6.1 6.1 9.2 9.2 6.8 4.8 6.8 4.7 5.6 3.4 3.4 5.1 5.1
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表2-3 不同岩石之比重，【3】
Rock group Average specific gravity Range of specific gravity
Basalt（玄武岩） Flint Granite(花崗岩) Gritstone(粗砂石) Hornfels Limestone(石灰岩) Porphyry(斑岩) Quartzite(石英岩) 2.80 2.54 2.69 2.69 2.82 2.66 2.73 2.62 2.6-3.0 2.4-2.6 2.6-3.0 2.6-2.9 2.7-3.0 2.5-2.8 2.6-2.9 2.6-2.7 表2-4 高強度混凝土配比及其抗壓強度，【7】 Type w/c 配比(kg/m3) 抗壓強度(MPa) 水泥 粗粒料 細粒 料 水 28天 90天 20 mm 10 mm NSC 0.60 350 835 420 440 210 39 47 HSC-1 0.35 550 785 393 478 190 76 84 HSC-2 0.28 550 872 436 433 152 94 118 表2-5 高性能混凝土配比，【10】
