新型高強度混凝土高溫爆裂行為研究
內政部建築研究所自行研究報告
中華民國 106 年 12 月
PG10603-0319
新型高強度混凝土高溫爆裂行為研究
研究主持人：王天志
研 究 期 程 ： 中華民國 106 年 1 月至 106 年 12 月
內政部建築研究所自行研究報告
中華民國 106 年 12 月
（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）MINISTRY OF THE INTERIOR
RESEARCH PROJECT REPORT
The Spalling Behavior of New High Strength
Concrete under High Temperature
BY
TIEN CHIH WANG
目次
表次 ...III
圖次 ... V
摘要 ... IX
第一章 緒論 ... 1
第一節 研究緣起與背景 ... 1
第二節 研究目的 ... 3
第三節 研究方法 ... 3
第二章 文獻回顧 ... 5
第一節 混凝土材料高溫性質變化 ... 5
第二節 混凝土高溫爆裂機制 ... 11
第三節 影響混凝土爆裂的因素及防制 ... 14
第四節 相關研究文獻 ... 17
第三章 混凝土高溫爆裂行為實驗 ... 21
第一節 實驗規劃 ... 21
第二節 試體規劃設計與製作 ... 21
第三節 實驗設備 ... 36
第四節 實驗步驟 ... 37
第四章 實驗結果與討論 ... 41
第一節 圓柱試體高溫爆裂行為 ... 41
第二節 板試體高溫爆裂行為 ... 49
第五章 結論與建議 ... 65
第一節 結論 ... 65
第二節 建議 ... 66
參考書目 ... 67
附錄 1 歷次會議紀錄與回應 ... 69
附錄 2 量測元件技術資料 ... 73
表次
表 3-1 試體規劃 ... 22
表 3-2 試體代號 ... 22
表 3-3 70 MPa等級混凝土之配比 ... 26
表 3-4 70 MPa等級新拌混凝土性質 ... 26
表 3-5 70 MPa等級混凝土之強度發展... 26
表 3-6 聚丙烯纖維材料性質 ... 27
表 3-7 SD785 鋼筋機械性質標準 ... 27
表 3-8 SD785 鋼筋拉伸試驗實測值 ... 27
表 4-1 圓柱試體加熱後外觀情形 ... 45
表 4-2 板試體S00 加熱過程現象紀錄 ... 56
表 4-3 板試體S10 加熱過程現象紀錄 ... 63
圖次
圖 1-1 New RC的材料強度應用範圍 ... 2
圖 2-1 骨材與水泥漿體之熱應變圖 ... 7
圖 2-2 混凝土比熱 ... 8
圖 2-3 Eurocode 2（1995）及Ellingwood等人（1980）所提出的
混凝土熱傳導係數k與溫度之關係 ... 9
圖 2-4 ACI 216（1994）混凝土熱傳導係數與溫度之關係 .... 10
圖 2-5 Eurocode 2（2010）與T.T.Lie（1991）建議的熱容比與溫
度之比較 ... 11
圖 2-6 蒸氣壓爆裂機制示意圖 ... 12
圖 2-7 熱應力爆裂機制示意圖 ... 13
圖 2-8 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖 ... 14
圖 2-9 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖 ... 17
圖 2-10 升溫速率與爆裂時混凝土溫度關係圖 ... 18
圖 2-11 試體含水量及預應力與混凝土發生爆裂關係圖 ... 18
圖 3-1 圓柱試體及內部熱電偶（TC1 ~ 3）佈設示意圖 ... 23
圖 3-2 板試體及量測配置示意圖 ... 24
圖 3-3 SD 785 鋼筋拉伸試驗 ... 28
圖 3-4 SD 785（D13）鋼筋拉伸試驗 ... 28
圖 3-5 板試體模板製作 ... 29
圖 3-6 板試體量測元件佈設(熱電偶及壓力管) ... 29
圖 3-7 圓柱試體紙模及熱電偶 ... 30
圖 3-8 試體灌製前場地佈設 ... 30
圖 3-9 新拌混凝土流動性測試儀具（箱型試驗及V漏斗） ... 31
圖 3-10 新拌混凝土坍流度 ... 31
圖 3-11 圓柱試體製作情形 ... 32
圖 3-12 板試體澆灌情形 ... 32
圖 3-13 抗壓強度圓柱試體端部磨平處理 ... 33
圖 3-14 板試體製作完成 ... 33
圖 3-15 壓力感測元件 ... 34
圖 3-16 HIH-4000 濕度感測元件 ... 35
圖 3-17 濕度和壓力量測系統 ... 35
圖 3-18 小型多功能耐火試驗爐設備圖 ... 36
圖 3-19 CNS 12514-1 標準升溫曲線 ... 38
圖 4-1 試體（4 種纖維含量，相對濕度 10 %）實驗前狀態 ... 42
圖 4-2 試體四周以鐵絲網防止爆裂損壞試驗爐 ... 42
圖 4-3 圓柱試體加熱過程情形 ... 43
圖 4-4 試體（4 種纖維含量，相對濕度 10 %）實驗後狀態 .... 43
圖 4-5 試體（4 種纖維含量，相對濕度 100、75 %）實驗前狀態 44
圖 4-6 試體（4 種纖維含量，相對濕度 100、75 %）實驗後狀態 44
圖 4-7 試體 00W（纖維含量 0 %，相對濕度 100 %）實驗後狀態 45
圖 4-8 試體（相對濕度 10 %）爐內加熱升溫曲線 ... 46
圖 4-9 試體（相對濕度 100、75 %）爐內加熱升溫曲線 ... 46
圖 4-10 試體（相對濕度 10 %）內部升溫曲線 ... 47
圖 4-11 試體（相對濕度 75 %）內部升溫曲線 ... 47
圖 4-12 試體（相對濕度 100 %）內部升溫曲線 ... 48
圖 4-13 試體S00 爐內加熱升溫曲線 ... 50
圖 4-14 試體S00 內部升溫曲線 ... 50
圖 4-15 試體S00 內部相對濕度變化曲線 ... 51
圖 4-16 試體S00 內部壓力變化曲線 ... 51
圖 4-17 試體S00 試驗前非曝火面及量測配置 ... 52
圖 4-18 試體S00 試驗前曝火面 ... 52
圖 4-19 試體S00 試驗中非曝火面情形 ... 53
圖 4-20 試體S00 試驗中曝火面爆裂嚴重，鋼筋外露（加熱時間 35
分鐘時） ... 53
圖 4-21 試體S00 試驗後，爐內佈滿爆裂剝落的混凝土碎塊 ... 54
圖 4-22 試體S00 試驗後非曝火面 ... 54
圖 4-23 試體S00 試驗後曝火面 ... 55
圖 4-24 試體S00 試驗後曝火面爆裂範圍及深度（平視圖） ... 55
圖 4-25 試體S00 試驗後曝火面爆裂範圍及深度（立體圖） ... 56
圖 4-26 試體S10 爐內加熱升溫曲線 ... 58
圖 4-27 試體S10 內部升溫曲線 ... 59
圖 4-28 試體S10 內部相對濕度變化曲線 ... 59
圖 4-29 試體S10 內部壓力變化曲線 ... 60
圖 4-30 試體S10 試驗前非曝火面及量測配置 ... 60
圖 4-31 試體S10 試驗前曝火面 ... 61
圖 4-32 試體S10 試驗中非曝火面情形 ... 61
圖 4-33 試體S10 試驗中曝火面無爆裂情形（加熱時間 50 分鐘時）
... 62
圖 4-34 試體S10 試驗後非曝火面 ... 62
圖 4-35 試體S10 試驗後曝火面 ... 63
摘要
關鍵詞：新型高強度混凝土、高溫、爆裂一、研究緣起
鋼筋混凝土構造建築，隨著各種使用目的需求，所用混凝土形式也不斷的被 開發出來，新型鋼筋混凝土構造為高強度混凝土與高強度鋼筋的組合，台灣都市 土地面積狹小，若能運用更高強度的建築材料，將可節省材料使用量與土地使用 面積，但其所用之超高強度混凝土的高溫爆裂行為仍須進行了解及控制改善。 新型鋼筋混凝土構造的常溫力學性能，國內已有部分研究成果，已完成高強 度材料之研發。但在很多的文獻中指出，高強度混凝土遭遇火災快速升溫時，會 產生爆裂剝落，進而使結構在火場中鋼筋提早暴露於高溫下而軟化，同時混凝土 斷面減少，亦會使結構承載能力下降，最終導致結構喪失承載力及完整性。國內 對於 50 MPa 抗壓強度左右的混凝土高溫性能已進行過一系列研究，但對於使用 更高強度的混凝土則仍相當缺乏，以往的研究成果，如添加聚丙烯纖維的用量等， 是否可適用？有待進行實驗驗證。二、研究方法與過程
本研究藉由進行蒐集和彙整國內外相關混凝土爆裂防制規範與文獻，瞭解影 響爆裂的原理與機制，參考文獻以往的防制方式及國內的用法，進行圓柱試體及 板試體的設計、製作與高溫試驗，圓柱試體主要作為探討不同聚丙烯纖維含量及 含水量對爆裂行為之影響，施以 CNS 標準升溫速率的加熱，觀察圓柱試體的內 部溫度分布及爆裂情形。另外製作板試體，內部佈設蒸氣壓力量測元件、相對濕 度量測元件及測溫線，施以單面加熱，以觀測試體內部蒸氣壓力、相對濕度、溫 度及受熱表面爆裂情形，提供評估後續大型構件耐火試驗時可行之改善機制，以 推動新型高強度混凝土的應用。三、重要發現
本案藉由文獻回顧及圓柱與板試體試驗結果彙整分析，可得到以下重要發 現： 1. 由文獻回顧彙整分析，影響混凝土爆裂因素眾多，並不限於材料本質，與構件特性也有關係，且研究結論之再現性仍有很大的差異，因此對於國內新型 高強度鋼筋混凝土系統之推動，其本土化的高溫性能值得進行驗證研究。 2. 針對圓柱試體探討添加不同含量聚丙烯纖維及含水量對其高溫爆裂之影響， 在 4 種纖維含量，3 種相對濕度，依 CNS 12514-1 的快速升溫加熱，僅有無 添加纖維、相對濕度 100 %的圓柱試體發生爆裂，另外 11 種條件組合之試 體，皆無發生爆裂的現象。對照板試體之試驗結果，於本研究條件下，試體 內部相對濕度對爆裂的影響不明顯，但添加纖維對爆裂卻有很明顯的改善。 3. 兩種不同聚丙烯纖維含量的超高強度混凝土進行依據 CNS 12514-1 高溫試 驗加熱，無添加纖維的試體因發生嚴重爆裂，其加熱過程混凝土內部的溫升 較快速、水分的遷移也較早發生，另外內部壓力則因爆裂造成壓力不易累積， 其值則反而較低。在爆裂行為上，兩試體有截然不同的反應，在試體的內部 相對濕度程度相近下，無添加纖維的試體很早就開始爆裂且情形嚴重，，而 添加纖維的試體卻完全沒有爆裂發生，本案添加纖維的抗爆裂效果明顯。 4. 本案針對新型高強度混凝土進行高溫爆裂行為探討，可發現添加聚丙烯纖維 對抗爆裂有明顯效果，但對纖維添加量尚未進行完整研究，部分文獻亦提到 添加過多的纖維，可能反而造成混凝土拌合及澆製不易，恐造成混凝土品質 下降；另外，聚丙烯纖維高溫熔化，對於混凝土高溫後的力學性質之影響， 仍須進行後續的研究驗證。
四、主要建議事項
立即可行建議 – 實尺寸新型高強度鋼筋混凝土柱構件耐火性能 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關： 新型高強度鋼筋混凝土（New RC）結構系統，所用混凝土及鋼筋強度遠大於現行 所用材料，可減少構件斷面積，但超高強度混凝土存在脆性高和耐火性能較差的 缺點，當遭受火災高溫時會發生嚴重的爆裂現象，造成構件承載面積的減少，而 鋼筋失去保護層，直接暴露在高溫下，更導致結構的承載力急遽降低，甚而造成 結構崩塌。本研究圓柱及板試體實驗結果顯示添加聚丙烯纖維對爆裂有明顯的改 善效果，值得持續針對結構主要承重的柱構件進行耐火性能，以確認可行之改善 爆裂方式。ABSTRACT
Keywords：New High Strength Concrete, High Temperature, Spalling
Reinforced concrete construction can have various purposes, the use of concrete materials have been constantly developed. Nowadays, the new reinforced concrete structure is a combination of high strength concrete and high strength steel. Due to the small urban land area in Taiwan, it is preferred to use more high-strength materials which can save material and land. However, the spalling behavior of the ultra-high strength concrete under high-temperature must be well understood and controlled.
In this study, the cylinder and slab tests under high temperature were performed to evaluate the major effects of different polypropylene fiber content and water content on the spalling behavior, and also to provide follow-up assessment improvement of the practicable mechanism of fire-resistance test on large components.
The result of this study shows that the influence of relative humidity inside the test pieces on spalling was not obvious, but the addition of fiber had a significant improvement on preventing spalling.
The main suggestions：
The ultra-high strength concrete used in the New RC structure system has the weakness of brittleness and poor fire-resistance. When subjected to high temperature, severe spalling phenomenon will occur, resulting in the reduction of load carrying area and the losses of reinforcement protective cover, and led to the bearing capacity of the structure decreased rapidly, or even cause the structural collapse. The results of this study show that the addition of polypropylene fiber has a significant improvement on spalling performance and it is worthwhile to continue the research of fire-resistance of column members subject to high temperature.
第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
依循著環境的變遷與人類對混凝土工程的實際需求，混凝土產業科學的發展 不斷的演進，不論是在材料面（水泥、粗細骨材、化學摻料、纖維）、料源管制 或是生產管理，均有不小的改善進化。而混凝土種類也隨各種使用目的需求，不 斷的被開發出來，例如高強度混凝土（HSC）、高性能混凝土（HPC）及自充填混 凝土（SSC）等，而在提高混凝土材料強度，以提升承載能力，減少構件斷面積， 則一直是材料開發的目標之一，也符合推動節能減碳、環境永續發展的國際趨勢。 新型高強度鋼筋混凝土構造（New RC）為高強度混凝土與高強度鋼筋的組合，台 灣都市土地面積狹小，若能運用更高強度的建築材料，將可節省材料使用量與土 地使用面積。 依據 ACI 363R-10 的定義，混凝土 28 天規定抗壓強度大於或等於 55 MPa（約 等於 8000 psi）者，稱為高強度混凝土。而國內住宅常用的混凝土抗壓強度為 3000~5000 psi，對於抗壓強度 6000 psi 以上者，則普遍就稱為高強度混凝土。 事實上，國內混凝土預拌廠對於生產 6000~8000 psi 的混凝土，已有相當的經驗 且品控良好，這個等級的混凝土材料性質，國內也已有相當多的研究。惟對於更 高強度的混凝土，則多採專案辦理，從產製、運輸、澆灌及材料特性，均需經公 認合理之試驗證明其可行性與可靠度，方可使用，且僅多見使用於鋼骨鋼筋混凝 土的內灌混凝土使用，例如高雄東帝士 85 大樓、臺北 101 大樓，已使用抗壓強 度達 10000 psi 的混凝土，另外最近的臺北南山廣場大樓，樓高 272 公尺，更已 使用抗壓強度高達 12000 psi 等級的混凝土，完工後將成為國內第三高樓。 國內有關新型高強度鋼筋混凝土的發展，主要由台灣混凝土學會所屬之「高 強度鋼筋混凝土技術委員會」結合產、官、學、研各界，進行「台灣新型高強度鋼筋混凝土結構系統研發計畫」（Taiwan New RC Project/Group），有關高強度
材料的開發，混凝土抗壓強度目標值在 10000~15000 psi（70~100 MPa），在鋼 筋方面設定主筋降伏強度fy為大於等於 685 MPa（約等於 7000 kgf/cm 2 ），而箍筋 降伏強度fy為大於等於 785 MPa（約等於 8000 kgf/cm2），New RC的材料強度應用 範圍如圖 1-1 所示。而目前的發展在鋼筋方面，已達設定目標值，在混凝土方面，
如同前面所述，已可穩定產製抗壓強度達 12000 psi；在抗壓強度 15000 psi方 面，若能使用高品質粒料，則應可進行穩定產製。 有鑒於前述 New RC 的混凝土材料研發抗壓強度高達 10000~15000 psi，但 由本所多年來的火害研究經驗及很多的文獻顯示，此類超高強度混凝土存在脆性 高和耐火性能較差的缺點，當其遭受火災高溫時會發生嚴重的爆裂現象，除了直 接造成構件承載面積的減少，嚴重的爆裂還會使鋼筋完全失去防火的保護層，而 直接暴露在高溫下，導致工程結構的承載力急遽降低，嚴重者有可能造成結構的 崩塌。此種新型高強度混凝土在高溫環境下的爆裂問題，令設計者及使用者感到 擔憂，從而限制了其推廣應用。 國內對於 50 MPa 抗壓強度左右的混凝土高溫性能，包括材料和構件已進行 過一系列研究，但對於使用更高強度的混凝土則仍相當缺乏，以往的研究成果， 如添加聚丙烯纖維的用量等，是否可適用？值得進行實驗來驗證及探討。
圖 1-1 New RC的材料強度應用範圍
(資料來源：New RC 結構設計與施工技術研討會簡報資料)第二節 研究目的
對於混凝土的普通印象，都是認為其為優良的耐火材，不用保護就具有耐火 時效，在我國建築技術規則也明列鋼筋混凝土構造當具有足夠的保護層時，即具 有相對應的耐火時效。但依據相關文獻研究表明，對於高緻密、高強度混凝土， 遭受火災高溫侵襲時，其實存在有很高的混凝土爆裂的風險，而建築技術規則對 此現象並未有任何預防改善規定，也無任何使用上的警語。目前在研究文獻資料 已有相 當多的報告提出疑 慮及相應可能的 改善方法，但在標 準方面，僅 於Eurocode 2（2010）” Design of concrete structure – Part 1-2: general
rules – structural fire design”，針對有高爆裂風險的混凝土之防制規範。 因此本研究擬對於此類新型高強度混凝土進行爆裂行為研究，探討添加不同含量 聚丙烯纖維及含水量對其高溫爆裂之影響。本研究擬蒐集彙整相關超高強度混凝 土爆裂之研究資料，規劃設計混凝土圓柱試體及板試體，進行實驗研究了解不同 聚丙烯纖維含量及含水量之影響，以及板試體受高溫影響時內部溫度及蒸氣壓力 之分布情形，以了解影響爆裂的因素，最後將實驗結果作為國內未來相關規範防 制爆裂規定之參考資料。
第三節 研究方法
首先，本研究進行蒐集和彙整國內外相關混凝土爆裂防制規範與文獻，瞭解 影響爆裂的原理與機制，參考文獻以往的防制方式及國內的用法，進行圓柱試體 及版試體的設計與製作，圓柱試體主要作為探討不同聚丙烯纖維含量及含水量之 影響，施以 CNS 標準升溫速率的加熱，觀察圓柱試體的內部溫度分布及爆裂情 形。另外製作板試體，內部佈設蒸氣壓力量測元件、相對濕度量測元件及測溫線， 施以單面加熱，以觀測試體內部蒸氣壓力、相對濕度、溫度及受熱表面爆裂情形， 提供評估後續大型構件耐火試驗時可行之改善機制，以推動新型高強度混凝土的 應用。第二章 文獻回顧
發展 New RC，運用高強度材料（混凝土、鋼筋），雖可提高單位斷面積的承 載效率，減少構件尺寸，增加結構有效的使用面積，但因其混凝土微觀結構緻密， 遭遇高溫火害易產生爆裂而造成結構物的承載安全，更因其單位斷面積承載效率 高，任何的斷面縮減，代表有很高比率的承重能力喪失，其影響比普通混凝土更 為巨大。 火害對混凝土結構物的影響，早於二十世紀初即開始對混凝土及鋼筋材料受 火害之影響進行一系列的研究。試驗對象包括骨材、砂漿、混凝土及鋼筋，試驗 目的則包括材料受火害後之化學及物理力學等性質，之後各研究陸續又完成了材 料在火害下及同時加載下的性質變化，到二十世紀中期，研究已逐漸朝向構件耐 火性能之研究，且已有相當的成果。受火害普通混凝土材料的基本物、化性及力 學特性已頗為完備，但隨著各種使用目的因應而生的特殊混凝土，配比變化大， 尤其混凝土高溫行為受原料不同種類、產地會有不同反應，因此針對國內本土化 材料高溫性能仍須加以驗證，方能確保安全使用。第一節 混凝土材料高溫性質變化
一、混凝土高溫下的化學反應綜合如下（沈進發等，1991；沈進發等，1993； Khoury , 1992）： （1）溫度達 105 ℃時，混凝土中的毛細孔及吸附水逐漸散失。 （2）溫度達 200 ℃時，CSH 膠體開始失去鍵結水，混凝土內部發生化學 變化。 （3）溫度在 250 ℃至 350 ℃之間，混凝土內含Al2O3或Fe2O3的水化物內 之鍵結水，將大部分喪失。而CSH膠體的鍵結水也會喪失約 20 ﹪。 （4）溫度在 400 ℃至 700 ℃之間，CSH 膠體內保有的 80 ﹪鍵結水，將 在此階段完全分解。但在 500℃左右，漿體中的水分已分解殆盡。 （5）溫度在 440 ℃至 580 ℃之間，水泥漿體中的Ca（OH）2開始分解，但該反應為可逆。另外，矽質骨材約在 573 ℃時，SiO2會由α相轉成β相， 由於熱震動能量的增加，使體積產生約 0.4 ﹪的熱膨脹量。 （6）溫度達 750 ℃時，石灰質骨材中的碳酸鈣開始分解，釋放出二氧化碳， 該高溫吸熱產生的生石灰（CaO），在冷卻後吸收空氣中的水氣會產生 體積膨脹，可能造成混凝土的再次龜裂。 （7）溫度在 800 ℃至 1000 ℃之間，水泥的水化物將再被重新燒結成C2S、 C3S、C4AF等水泥主要成分。 （8）溫度達 1425 ℃，剩餘水泥水化物，可能進一步熔解生成C3S。 二 、 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數 混 凝 土 之 熱 膨 脹 係 數，隨 著 含 水 量、水 灰 比 及 混 凝 土 之 材 齡 而 變。 由 於 水 泥 砂 漿 和 骨 材 間 之 熱 膨 脹 係 數 不 同，故 熱 膨 脹 係 數 約 為 其 二 者 之 合 成，且 為 拌 合 骨 材 數 量 及 骨 材 熱 膨 脹 係 數 的 函 數。另 外 此 係 數 亦 包 含 了 熱 膨 脹 與 乾 縮 之 相 互 影 響。不 同 骨 材 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數 如 下 （ European Committee, 1995） : 矽 質 骨 材 混 凝 土 : 0 .0 00 018 / ℃ 碳 酸 岩 骨 材 混 凝 土 : 0 .00 001 2 / ℃ 三、混 凝 土 的 體 積 變 化 混 凝 土 受 熱 的 潛 應 變 及 瞬 間 應 變 有 密 切 的 相 關 性 。 混 凝 土 的 體 積 變 化 包 含 水 泥 漿 體 與 骨 材 之 共 同 影 響，且 體 積 變 化 隨 溫 度 變 化 及 有 無 加 載 而 有 明 顯 的 不 同 。 一 般 骨 材 其 體 積 均 隨 溫 度 增 高 而 膨 脹 ;但 水 泥 漿 體 在 較 低 溫 時 ，體 積 變 化 亦 隨 溫 度 升 高 而 膨 脹， 但 約 在 1 50 ℃以 上 時 ， 體 積 變 化 改 脹 為 縮 ， 如 圖 2 -1。 在 此 腫 脹 縮 不 和 諧 情 況 下 ， 骨 材 與 水 泥 漿 體 界 面 間 會 產 生 脹 縮 差 異 之 內 張 應 力，當 此 應 力 超 過 極 限 時 ， 界 面 即 產 生 破 裂 或 使 原 有 裂 縫 再 擴 大 延 伸 。
圖 2-1 骨材與水泥漿體之熱應變圖
(資料來源：Rixom 等人，1986) 四、混 凝 土 的 比 熱 比 熱 是 表 示 混 凝 土 之 熱 容 量 ， 混 凝 土 之 比 熱 受 骨 材 礦 物 之 影 響 較 小 ， 而 與 孔 隙 、 水 灰 比 ， 含 水 量 及 溫 度 等 的 關 係 較 密 切 。 混 凝 土 的 含 水 量 增 加 時 比 熱 亦 隨 之 增 加， 且 溫 度 升 高 時 ， 比 熱 亦 隨 之 升 高 。 文 獻 （ European Committee, 1995） 歸 納 近 期 成 果 ， 提 供 參 考 分 析 使 用 之 混 凝 土 比 熱 ， 如 圖 2 -2 所 示 。圖 2-2 混凝土比熱
(資料來源：European Committee, 1995) 五 、 混 凝 土 的 熱 傳 遞 熱 傳 遞 方 式 ， 主 要 有 輻 射、 對 流 及 傳 導 三 種 方 式 。熱 傳 遞 時 往 往 是 三 種 方 式 同 時 進 行，將 熱 由 高 溫 處 傳 至 低 溫 處，在 低 溫 時 是 以 傳 導 及 對 流 為 主，而 在 高 溫 則 以 輻 射 為 主。影 響 混 凝 土 的 熱 傳 導 率 之 主 要 因 素 有 骨 材 礦 物 性 質、 硬 固 水 泥 漿 體、 孔 隙 量、 飽 和 度 及 環 境 溫 度 等 因 數 。 一 般 言 之 在 低 溫 時 ， 混 凝 土 有 較 高 的 熱 傳 係 數 ， 但 當 溫 度 達 100 ℃以 上 時 ， 孔 隙 水 逐 漸 蒸 發 ， 骨 材 與 硬 固 水 泥 漿 體 間 ， 因 熱 應 變 不 諧 和 而 產 生 微 裂 縫， 增 長 熱 傳 導 的 路 徑， 傳 導 能 力 減 弱 ，熱 傳 係 數 逐 漸 下 降 ， 當 溫 度 約 達 800℃以上時 ， 熱 傳 係 數 逐 漸 穩 定 ， 因 此 時 主 要 以 輻 射 方 式 傳 熱 ， 使 的 傳 熱 能 力 維 持 穩 定 。 混 凝 土 熱傳係數如下： k cα
ρ
= (2-1)α k ρ c ρc ：熱擴散係數 (heat diffusivity) ：熱傳導係數 (thermal conductivity) (W/m℃) ：密度 (density) (kg/m3) ：比熱 (specific heat) (J/kg℃)
：熱容比 (specific heat capacity) (J/m3℃)
Eurocode 2（2010）所建議的熱傳導係數 k 及 Ellingwood 等人（1980）所提 出的熱傳導係數k 如圖 2-3 所示，另外 ACI 216（1994）所提供的混凝土熱傳導 係數如圖2-4 所示。
圖 2-3 Eurocode 2（1995）及Ellingwood等人（1980）所提出的混
凝土熱傳導係數k與溫度之關係
(資料來源：Eurocode 2（1995）及 Ellingwood 等人（1980）)圖 2-4 ACI 216（1994）混凝土熱傳導係數與溫度之關係
(資料來源：ACI 216（1994）) 六 、 混 凝 土 的 熱容比 Eurocode 2（2010）及 T.T. Lie 等人（1991）所提出兩種不同之熱容比與溫度 之變化如圖2-5 所示，其中 T.T.Lie 等人（1991）所建議的熱容比一開始為線性上 升，直至200 ℃之後皆保持一個平台，在 500 ℃左右有一突峰，但 Eurocode 2（2010） 所建議的熱容比呈現微幅上升的趨勢，在100 ℃-200 ℃時比熱 c 會有一尖峰值 2750 J/kg℃，在 600 ℃以後兩者建議的熱容比趨近相同。0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature (
0C)
1 2 3 4 5 6 7ρc
(θ
)×
1
0
6(
J/
m
3 0C
)
Eurocode2 T.T.Lie圖 2-5 Eurocode 2（2010）與T.T.Lie（1991）建議的熱容比與溫
度之比較
(資料來源：Eurocode 2（2010）與 T.T.Lie（1991）)第二節 混凝土高溫爆裂機制
高溫爆裂是指升溫過程中，在無法預期、沒有徵兆的情況下，表面混凝土從 構件本體爆炸成碎塊的現象，與一般力學試驗表面混凝土係逐步的從表面剝落的 行為不同，因此爆裂行為為高度不可預測，其位置、時間及爆裂深度皆不確定且 程度不一。由於高溫下混凝土爆裂的複雜性，對於其爆裂機制也仍多處推論及持 續研究中，尚未達成一致的共識。綜合文獻資料，目前關於混凝土高溫爆裂機制 和引發因素，研究者主要從孔隙水（汽）壓力和熱應力等方面進行探討，並歸納 為三種理論，包括蒸氣壓爆裂機制、熱應力爆裂機制及熱開裂機制。 壹、蒸氣壓爆裂機制 長期以來，高含水率與低滲透性（高緻密）所產生的孔隙水（汽）壓力，是 最早被認為是混凝土爆裂的主要原因，這種孔隙水（汽）壓力是由於孔隙內物質 （空氣、自由水、化合水）受熱變化引起的蒸汽壓所致。Harmarthy（1965）提 出”飽和含水帶（moisture clog）”的概念，此係由於混凝土內部水氣受熱移動而 形成飽和含水帶，造成混凝土孔隙壓力上升產生爆裂現象。混凝土受火時，熱量傳遞到混凝土內部，自由水、吸附水以及與鍵結脫離的結晶水，都會因溫度升高 蒸發而形成水蒸汽，產生蒸氣壓力，由於混凝土屬熱惰性材料，致使混凝土表裏 不同深度產生溫度梯度，溫度較高區域的蒸汽壓高於低處的蒸汽壓，於是又另外 產生壓力梯度，此壓力梯度下水蒸氣會通過毛細孔分別向內、向外遷移，向外遷 移的蒸汽會溢散到大氣，而向內遷移的水蒸氣遇冷會再次冷凝，直到某一較冷區 域孔隙內水氣趨於飽和，形成具有較高液壓，水氣無法穿透的區域（飽和含水 帶），由於高強度混凝土的高緻密低滲透性，水分遷移受阻，造成蒸汽壓累積， 當蒸汽壓力大於混凝土弱面的抗拉強度時，就會產生爆裂現象。 A：溫度分布曲線 B：蒸汽壓力曲線 C：水分分布曲線 D：飽和含水帶
圖 2-6 蒸氣壓爆裂機制示意圖
(資料來源：本研究重繪，Harmarthy 1965) 貳、熱應力爆裂機制 熱應力爆裂機制認為混凝土的熱惰性，導致混凝土遭受火災高溫條件下，混 凝土內部熱量傳導不均勻，巨大的溫差產生很大的溫度梯度，混凝土被加熱的外另外混凝土內部粗骨材受熱膨脹、矽質骨材在 573 ℃時的晶相轉變，也都會產 生內應力，當此內應力超過混凝土抗拉強度時便造成混凝土的爆裂。混凝土材料 熱膨脹受到束制是高溫爆裂產生的要素之一，另外材料的非均質性加劇了材料內 部熱應力分布的非均勻性，也是造成混凝土材料熱破裂的一個重要因素。
圖 2-7 熱應力爆裂機制示意圖
(資料來源：Anderberg Y., 1997) 參、熱開裂爆裂機制 熱開裂爆裂機制認為，混凝土為非均質多相複合材料，即使在外界無荷載或 束制下，單純受到快速升溫加熱作用下，當周圍環境溫度不斷升高時，也會由水 化物分解致使混凝土水泥基質材脫水收縮開裂，骨材卻是產生熱膨脹，骨材和水 泥漿體間熱變形不諧和，導致兩者介面間開裂（開裂路徑沿骨料周邊發展），爆 裂即是這些裂紋擴展，最終貫通的外在表面。此機制主要著眼在骨材和水泥漿體 間局部熱變形不諧和所導致的裂縫開展。 溫度梯度 應力梯度 拉應力 壓應力骨材受熱膨脹 水泥漿體受熱收縮 微裂縫 骨材
圖 2-8 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖
(資料來源：重繪，Rixom 等人，1986)第三節 影響混凝土爆裂的因素及防制
爆裂是混凝土在遭受火災高溫侵襲下最為猛烈的一種破裂現象，另外還有表 面層剝落和結構角隅開裂剝離等程度較輕的破裂現象。依本所經驗及文獻資料顯 示，通常混凝土發生爆裂的溫度範圍約在 250 ~ 400 ℃之間（指混凝土內部溫度， 非表面溫度），而高強度混凝土發生爆裂的機率遠高於普通混凝土。依照前節爆 裂機制的原理所示，會影響爆裂的主要因素為混凝土內部高溫度梯度及內部水分 受高溫後的變化行為所致，因此會影響上述兩種現象的皆為影響爆裂的可能因素， 可概分為內在本質因素及外在因素兩大類來說明，前者包括混凝土骨材、配比、 含水率、抗壓強度、滲透性和幾何形狀，後者則包括載重大小、升溫速率和高溫 變形束制。 壹、內在本質因素 混凝土含水率及低滲透性為蒸氣壓產生的主要因素，混凝土爆裂機率隨含水 率的增加而提高。Chan（1999）等的實驗結果顯示，當混凝土處於飽和濕潤狀 態時，高強度混凝土的爆裂機率幾乎是百分之百。 Anderberg（1997）研究指出， 當水灰比大於 0.32，混凝土相對濕度小於 75 ~ 80 ％時，可降低高強度混凝土爆 裂的風險會降低。混凝土為非均質多相複合材料，各個影響爆裂的因素間也多彼 此相互關聯，例如為提高混凝土強度，調整配比，採用低水灰比、添加摻料（矽 灰等活性粉末），在提供強度的同時，也提高了混凝土的緻密性，提高爆裂的風 險。試體幾何形狀對爆裂機率也略有影響，一般在幾何形狀上有較不連續的外觀，其角隅處的爆裂情形風險會較高。 貳、外在因素 有很多的文獻研究顯示，在快速地升溫速率條件下（以標準建築火災升溫速 率，初期可達每分鐘 100 ℃以上），高強度混凝土發生爆裂的機率會提高，主因 為快速升溫造成混凝土內外有很高的溫度梯度，造成內外混凝土熱膨脹速率不一 致，介面產生高應力，從而產生爆裂。另外，混凝土受熱膨脹，當構件處於束制 情況，限制構件熱膨脹伸長，即會在構件內部產生高應力，當表面層混凝土內部 拉應力大於其抗拉強度，就會產生爆裂。而構件若於使用階段，其又承受較高的 使用載重時，結合構件熱變形受束制產生的內應力，也加劇爆裂行為的產生。因 此外部因素的影響可概括為熱應力的快速增加，及和外部荷重/變形束制的結合 導致了混凝土爆裂。 參、混凝土爆裂的防制措施 藉由前述的混凝土爆裂機制及影響因素，可綜整出爆裂主要取決於本身的含 水量、滲透性，另一方面取決於升溫速率（溫度梯度），因此其防治方法可朝降 低內部蒸氣壓及減緩外部升溫速率來進行，而減緩外部升溫速率係採外部加工方 式，如鋼構造防火被覆的概念。 由很多的文獻成果顯示，提供混凝土高溫下的滲透性，可以降低孔隙水汽化 後的蒸氣壓力，而具有低熔點的聚丙烯纖維（polypropylene fiber, P.P. fiber）為有 效的解決方式之一，其在常溫時可增加混凝土的抗裂效能，當在高溫時，聚丙烯 纖維約在 160 ~ 170 ℃之間熔化，形成微小孔隙，又若纖維能有效均勻拌合分布 在混凝土內，則微小孔隙能形成有效的洩壓通道網絡，為膨脹的孔隙水提供空間， 降低蒸氣壓力的上升速率。如這些洩壓通道形成通達表面的微小裂縫，更能提高 滲透性，導引蒸氣壓快速地向外排出，有效的降低混凝土爆裂的風險。 鋼結構的防火措施包括塗防火漆、防火被覆及封防火板材，這些外加措施能 夠在一定的防火時效內，抵擋火災高溫的侵襲，減緩火災熱傳速度或隔斷熱源， 進而達到延長結構維持承重能力的時間，同樣的手法，亦可應用到高強度混凝土 結構，但此法會增加建築成本。
肆 、 聚 丙 烯 纖 維 混 凝 土 聚 丙 烯 纖 維 為 一 種 聚 合 物 ， 依 據 應 用 上 的 需 求 ， 製 成 不 同 的 產 品 形 式 ， 工 程 上 使 用 的 一 般 分 類 有 單 絲 型 纖 維 、 纖 維 束、 纖 維 網 以 及 纖 維 加 強 筋 等 ， 纖 維 長 度 不 等 ， 亦 可 做 成 混 合 長 度 搭 配 使 用 。傳 統 上 ， 添 加 纖 維 係 為 改 善 其 工 程 性 質，聚 丙 烯 纖 維 加 入 脆 性 的 混 凝 土 或 水 泥 漿 中 ， 除 了 為 提 供 較 高 的 抗 拉 、 抗 撓 等 強 度 外， 另 一 重 要 因 素 係 纖 維 可 當 作 裂 縫 阻 止 物 (Crack Arrester)， 使 得 材 料 內 因 局 部 應 力 集 中 所 生 裂 縫 或 原 已 存 在 之 裂 縫 ， 其 傳 播 (Propagation) 受 到 阻 止 而 變 鈍 。 纖 維 和 混 凝 土 間 之 應 力 傳 遞，係 藉 著 纖 維 界 面 之 剪 應 力 與 纖 維 之 拉 應 力 為 之 ， 如 圖 2 -9 a 所 示 。 混 凝 土 破 壞 前 ， 纖 維 混 凝 土 所 承 受 之 拉 力 係 由 混 凝 土 與 纖 維 共 同 負 擔 ;當 混 凝 土 開 裂 後 ， 外 界 作 用 力 即 由 母 體 ( Ma tr ix) 經 纖 維 表 面 的 剪 力 變 形 ( Shea r D ef or ma tio n) 而 傳 遞 至 鄰 近 的 纖 維 上。當 纖 維 所 受 之 拉 應 力 大 於 纖 維 臨 界 容 許 剪 應 力，纖 維 即 被 拉 脫 (Pu llou t)， 如 圖 2 -9 b。 此 外 ， 當 混 凝 土 破 裂 後 ， 纖 維 受 拉 過 長 時，因 包 生 比 作 用 致 其 側 向 體 積 收 縮，導 致 握 裹 力 減 少 亦 會 加 速 拉 脫 破 壞 (圖 2 -9 a)。 纖 維 混 凝 土 之 另 外 一 種 破 壞 機 構 為 混 凝 土 破 裂 後 ， 由 於 纖 維 含 量 少 於 臨 界 纖 維 體 積 (Critical Fiber Volu me) 而 致 纖 維 遭 受 拉 斷 破 壞，如 圖 2 -9 c。 此 種 破 壞 現 象 發 生 時，纖 維 所 受 應 力 雖 低 於 臨 界 容 許 剪 力 強 度，但 卻 超 過 纖 維 之 抗 拉 強 度。纖 維 混 凝 土 之 纖 維 亦 會 因 剪 力 作 用 而 破 壞 ， 如 圖 2 -9 d， 此 因 纖 維 之 長 寬 比 (Aspect Ratio) 甚 大 ， 其 抗 剪 面 積 小 ， 對 改 善 混 凝 土 抗 剪 能 力 之 貢 獻 不 大 。 混 凝 土 加 纖 維 以 後 ， 對 抗 壓 強 度 、 抗 撓 強 度 及 坍 度 都 有 某 種 程 度 的 影 響。含 纖 體 積 比 增 加，抗 壓 強 度 亦 增 加，但 增 至 某 一 最 大 值 後 ， 強 度 緩 緩 下 降。雖 然 抗 撓 強 度 隨 纖 維 含 量 之 增 加 而 增 大，但 其 強 度 增 加 率 卻 有 漸 緩 的 趨 勢。另 外 添 加 纖 維 會 減 損 新 拌 混 凝 土 的 坍 度，造 成 工 作 性 降 低 ， 可 使 用 減 水 劑（ 強 塑 劑 ）來 改 善 提 高 工 作 性 。 聚 丙 烯 纖 維 從 早 期 探 討 不 同 纖 維 形 式 配 比 對 混 凝 土 的 工 程 性 質 之 影 響，近 期 則 被 借 重 其 在 混 凝 土 高 溫 抗 爆 裂 的 防 制 使 用 上 。
拉長量 剪應力 因包生比作用 ( a) ( b) 拉脫破壞 拉斷破壞 ( c) ( d) 剪力破壞 而產生側向收縮
圖 2-9 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖
(資料來源：王天志，2003)第四節 相關研究文獻
Meyer-Ottens （1972），歸納升溫速率影響爆裂的因素，如圖 2-10 所示。 Zhukov, V. V. （1994），歸納試體含水量及施加應力與混凝土發生爆裂的關係， 如圖 2-11 所示。圖 2-10 升溫速率與爆裂時混凝土溫度關係圖
(資料來源：Meyer-Ottens，1972)圖 2-11 試體含水量及預應力與混凝土發生爆裂關係圖
(資料來源：Zhukov, V. V.，1994) Phan（1996）等人針對不同強度混凝土（混凝土齡期 400 天，試驗時抗壓強 度為 47 ~ 100 MPa），探討纖維量、升溫速率等變數的影響，結果顯示混凝土水 灰比降低（降低滲透性），其爆裂機率會提高；聚丙烯纖維含量達 1.5 kg/m3以上 時，可有效降低蒸汽壓，避免爆裂發生；另外指出爆裂除了因為蒸汽壓的增加， 混凝土熱膨脹也會提高爆裂機率。 Chan（1999）等人針對不同強度混凝土（fc’為 47 ~ 128 MPa）結果顯示一 般強度混凝土含水量≦ 88 %，無爆裂發生，超高強度混凝土含水量≦ 63 %，才 能有效抑制爆裂的發生。陳振川（2000）針對抗壓強度約 60 MPa的混凝土進行添加不同纖維的爆裂 行為探討，結果表明添加少量聚丙烯纖維（0.13 kg/m3）混凝土即無爆裂產生， 與未添加聚丙烯纖維混凝土比較，兩者在試體內外溫度差異不大，但在孔隙壓力 則有降低，因此孔隙壓力應為造成爆裂的主因之一。 王天志（2003）進行高性能混凝土（HPC）柱的耐火性能研究，探討不同骨 材種類（矽質和碳酸鹽骨材）、纖維種類（聚丙烯纖維和鋼纖維）對耐火性能的 影響，HPC柱經ISO 834 標準升溫曲線加熱後的結果顯示添加聚丙烯纖維（0.9 kg/m3）可明顯改善爆裂行為，但添加鋼纖維（42 kg/m3）改善效果不明顯。 董香軍（2006）進行纖維高性能混凝土（fc’約為 55 ~ 65 MPa）高溫明火 力學與爆裂性能研究，研究結果指出，純添加鋼纖維不但不能抑制混凝土的火災 爆裂，而且隨其摻量的增加，爆裂有加劇的趨勢；而合成纖維對抑制高性能混凝 土火災爆裂則具有非常出色的表現，證明了爆裂是源於蒸氣壓的機制。 梅本宗宏（2006）等人對於 100、120、150 MPa 三種強度進行混凝土爆裂 的探討，結果顯示需要添加直徑 48 μm 以下、長度 10 mm 以上且體積比為 0.2 % 用量的聚丙烯纖維，才能防止混凝土的爆裂。 Bostrom （2007）等人針對抗壓強度在 73 ~ 107 MPa 高強度混凝土進行高 溫試驗，結果顯示添加聚丙烯纖維可明顯減緩爆裂發生。 李其忠（2012）針對遭受火害後的混凝土柱構件利用一般 SCC 混凝土及添 加聚丙烯纖維 SCC 混凝土進行表面處理修復，修復後再次進行火害試驗，研究 結果顯示使用一般 SCC 混凝土修復的柱表面，發生爆裂且深度可達箍筋，影響 柱的耐火性能；而使用聚丙烯纖維 SCC 混凝土修復的柱，再次受火害則無明顯 爆裂發生。 Peng （2015）等人針對抗壓強度 85.5 ~ 125.8 MPa的超高強度混凝土添加鋼 纖維（0 ~ 120 kg/m3），結果顯示高用量的鋼纖維（≧ 95 kg/m3）能有效抑制爆 裂。另外當試驗時含水量 ≦ 63 %，能有效抑制爆裂的發生。 Busra （2016）等人進行抗壓強度 100 ~ 120 MPa 的超高強度混凝土添加聚 丙烯纖維（0.2 % 體積比），結果顯示就可達到耐火效果，添加過多反而使強度、 工作性下降且不經濟。
綜整眾多有關混凝土爆裂的研究文獻，對於混凝土爆裂機制及影響原因，以 多有探討，但各文獻間的結論卻也仍有部分出入。雖然對於爆裂的危害，在很多 的文獻或相關協會團體報告內均有提出警示，但明列在法規內要求的卻仍少見， 目前文獻裡僅見 Eurocode 2 (2010) “Design of concrete structure – Part 1-2: general rules – structural fire design”對混凝土爆裂防制有提出對策。
對保護層為 40~50 mm，可使用保護層、輕質骨材或埋入保護鋼板。 限制含水量小於質量的 3 %。 對抗壓強度介於 67~95 MPa，矽灰含量建議小於 6 %的水泥重量。 對矽灰含量大於 6 %的水泥重量，則須額外考量。 • 使用鋼絲網 • 須經測試通過 • 使用超過 2 kg/m3聚丙烯纖維
第三章 混凝土高溫爆裂行為實驗
第一節 實驗規劃
基於前述文獻回顧的爆裂機制、影響因素及防治方式，本研究旨在探討新型 鋼筋混凝土結構系統所用超高強度混凝土加不同含量聚丙烯纖維及含水量對其 高溫爆裂之影響，規劃高強度混凝土圓柱試體及混凝土板，進行高溫實驗研究了 解其高溫爆裂之行為及抑制與改善可行方式。 本研究規劃設計及製作試體，圓柱試體抗壓強度至少為 70 MPa，纖維含量 體積比（0、0.1、0.15 及 0.2 % ）的高流動性混凝土，試驗前不同烘乾程度（含 水量），以 CNS 12514-1 標準升溫速率進行高溫爆裂試驗，試驗時紀錄試體內部 溫度變化情形及觀察試體發生爆裂時之內部溫度。另外板試體在一般環境下養護 後進行 CNS 12514-1 標準升溫速率進行加熱試驗，試驗時記錄板內部距加熱面不 同高度的混凝土溫度、蒸汽壓力、相對濕度的變化行為及試驗後破壞模式觀察分 析，最後將研究成果供後續其他實尺寸試體耐火試驗製作時參考引用。第二節 試體規劃設計與製作
壹、試體規劃設計
規劃製作抗壓強度至少為 70 MPa，100 * 200 mm 圓柱試體，以 CNS 12514-1 標準升溫速率進行高溫爆裂試驗的觀察，以探討不同含量聚丙烯纖維及含水量對 其高溫爆裂之影響。實驗變數為聚丙烯纖維含量： 0、0.1、0.15 及 0.2 %（體 積比），相對濕度：10、75、100 %。每批進行爆裂試驗圓柱試體會搭配埋設有熱 電偶測溫線的試體，同時觀測爆裂發生時間和混凝土試體內部溫度分布情形之關 係。 另外為觀測試體受熱過程，混凝土內部溫度變化、水分遷移及蒸氣壓力等隨 加熱時間的變化行為，考量試驗量測元件不耐高溫影響，規劃製作板狀試體，以 利於非加熱面佈設量測元件，板混凝土抗壓強度為 70 MPa，聚丙烯纖維含量分 別為 0 及 0.1 %（體積比），試體內部埋設相對濕度量測元件、蒸汽壓力量測元 件及熱電偶測溫線，加熱時則依照 CNS 12514-1 標準升溫曲線加熱 1 小時，試驗 中觀察內部溫度變化、水分遷移及蒸氣壓力等隨加熱時間的變化，同時觀測爆裂發生時間，試驗後則量測表面爆裂深度、範圍及分布位置等資訊，以供爆裂行為 研討。 綜整相關試驗條件，如表 3-1 試體規劃，表 3-2 為試體代號說明；試體製作 尺寸及量測元件佈設等詳圖如圖 3-1 及 3-2 所示。
表 3-1 試體規劃
試體 種類 尺寸 cm 抗壓 強度 MPa 鋼筋抗 拉強度 MPa 纖維含量 % 體積比 相對濕度 % 加熱 速率 量測觀察 項目 圓柱 試體 10 × 20 70 - 0 0.1 0.15 0.2 10 75 100 依 CNS 12514-1 標準加 熱曲線 爆裂時間 爆裂程度 溫度分布 板 試體 140 × 155 板厚15 70 785 等級 0 0.1 依試驗 時實際 含水量 依 CNS 12514-1 標準加 熱曲線 相對濕度 蒸汽壓力 爆裂時間 爆裂程度 溫度分布 (資料來源：本研究整理)表 3-2 試體代號
試體 種類 纖維含量 % 體積比 纖維含量 代號 相對濕度 % 相對濕度 代號 試體代號說明 圓柱 試體 0 0.1 0.15 0.2 00 10 15 20 10 75 100 D H W 00D：纖維含量 0%，含水量 10% 10H：纖維含量 0.1%，含水量 75% 20W：纖維含量 0.2%，含水量 100% 板 試體 0 0.1 - - - S00 S10 (資料來源：本研究整理)單位：cm
圖 3-1 圓柱試體及內部熱電偶（TC1 ~ 3）佈設示意圖
(資料來源：本研究整理) 5 3 1 20 10 10 TC1 TC2 TC3圖 3-2 板試體及量測配置示意圖
(資料來源：本研究整理)*
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1400 1 55 0 7 5 2 00 100 200 P1 P2 P3 P4 P5 RH1 RH2 RH3 RH4 TC1,2 TC3,4,5 TC6,7,8 TC9,10 #4 鋼筋 吊鉤 150 20 150 20 P1 P3 P4 20 32,7 50 20 32,7 100 50 75 32.7 150 20 RH1 RH2 RH3 RH4 P2 P5 測溫點編號 32,7 20 32,7 20 由左至右為: TC5, 4, 2, 3, 1 50 75 100 50 75 100 測溫點編號 由左至右為: TC8, 7, 10, 6, 9 單位: mm貳、試體製作
圓柱試體製作程序如下： 圓柱試體尺寸為直徑 10 cm，高度為 20 cm，採用混凝土試體製作專用紙模， 針對須量測試體內部溫度的試體部分，澆灌前先設置熱電偶測溫線定位安裝，包 括徑向及高度位置，定位後再進行澆灌。製作圓柱試體時，無埋置熱電偶線的試 體分三層澆灌，每層並予以搗實；有埋置熱電偶線的試體，則分兩層，第一層先 澆灌至熱電偶高度處，搗實後繼續澆灌至試體模高度，搗實則保持位於熱電偶高 度之上，避免碰觸熱電偶線，以免量測點偏移。 板試體製作程序如下： 1. 設計圖繪製。 2. 依設計圖釘製木模。 3. 依設計圖佈設高強度鋼筋 SD785 等級，保護層為 2 cm。 4. 安裝內部熱電偶至預定量測位置。 5. 安裝內部蒸氣壓力管（管頭預處理，避免灌漿時堵塞）至預定量測位 置。 6. 安裝內部相對濕度預留孔（使用小木棒）至預定量測位置。 7. 預留吊裝用吊環。 8. 混凝土灌漿作業，須留意各量測點，勿擾動造成移位，同時製作抗壓 強度用圓柱試體。 9 . 進行混凝土養護。 本研究圓柱試體及板試體之混凝土 2 8 天抗壓強度均採 70 MPa 等級。經與 混凝土預拌場討論設計配比，試拌後所採用之配比如表 3-3 所示，新拌混凝土之 工作性如表 3-4，抗壓強度發展則如表 3-5 所示。添加聚丙烯纖維前混凝土為高 流動性混凝土，預定設計坍度為25 cm，粗粒料標稱最大粒徑為 10 mm，70 MPa 等級水灰比為0.33，聚丙烯纖維為固利麗公司生產，纖維性質如表 3-6 所示。 本次所用配比與其他文獻資料部分相似，膠結料約 550 公斤，但水膠比略高，且未使用飛灰料，而砂的用量也略高，粗骨材同樣採用 10 mm 以下的粒料，參照 預拌廠的配比考量，骨材本身的強度(來源)為影響強度發展的一個主因。
表 3-3 70 MPa等級混凝土之配比
組成材料使用量(kg/m3 ) 水泥 爐石 水 粗粒料 細粒料 摻劑 290 240 173 745 920 2.8 註： 1.水灰比 W/B=0.33 2. 設計坍度 25 cm 3. 試體 28 天設計抗壓強度為 700 kgf/cm2 4. 聚丙烯纖維含量： 0、0.1、0.15 及 0.2 %（體積比） 0、0.9、1.35、1.8 kg/m3（重量） (資料來源：本研究整理)表 3-4 70 MPa等級新拌混凝土性質
規定值 實測值 箱型試驗充填高度 (mm) 300 以上 (R2 障礙) 320 流動性 坍流度 (mm) 600~700 620 × 645 黏稠性 漏斗流下時間(sec) 7~20 12 坍流度到達 500 mm 所需時間(sec) 3~15 5 (資料來源：本研究整理)表 3-5 70 MPa等級混凝土之強度發展
7 天 (kgf/cm2 ) 30 天 (kgf/cm2 ) 505 平均 551 717 平均 721 596 724 (資料來源：本研究整理)表 3-6 聚丙烯纖維材料性質
直徑 長度 長徑比 熔點 極限延伸率 抗拉強度 密度 30 μm 12 ~ 19 mm 516.6 167 ℃ 20 ~ 30 % 70 ksi 0.9 g/cm3 (資料來源：本研究整理) 板試體內設有鋼筋，其保護層為 2 cm，鋼筋雙向間距皆為 20 cm，鋼筋抗拉 強度採用 SD785 等級，為日本 TTK 公司進口之鋼筋，依照中華民國國家標準 CNS 2111「金屬材料拉伸試驗法」與 CNS 2112「金屬材料拉伸試驗試片」進行鋼筋 拉伸試驗。鋼筋之機械性質標準如表 3-7 所示，在試驗前，將鋼筋裁切至適當長 度，並使用 100 噸萬能試驗機進行試驗，以應變增加率之方式測定鋼筋抗拉強度。 測試結果如表 3-8，鋼筋拉伸試驗如圖 3-3，應力應變曲線如圖 3-4。表 3-7 SD785 鋼筋機械性質標準
機械性質 降伏強度 N/mm2 抗拉強度 N/mm2 試片 伸長率 % 彎曲角度 785 以上 930 以上 2 號 14A 號 母材8 以上 焊接處5 以上 母材180° (資料來源：本研究整理)表 3-8 SD785 鋼筋拉伸試驗實測值
機械性質與項目 降伏強度（MPa） 鋼種 稱號 編號 SD 785 D13 1 876.17 2 885.22 3 - 平均 880.70 (資料來源：本研究整理)圖 3-3 SD 785 鋼筋拉伸試驗
(資料來源：本研究整理)
圖 3-4 SD 785（D13）鋼筋拉伸試驗
依照前述試體製作過程，相關模板釘製、量測元件埋設、灌製等作業如相片 所示。
圖 3-5 板試體模板製作
(資料來源：本研究整理)圖 3-6 板試體量測元件佈設(熱電偶及壓力管)
(資料來源：本研究整理)圖 3-7 圓柱試體紙模及熱電偶
(資料來源：本研究整理)
圖 3-8 試體灌製前場地佈設
圖 3-9 新拌混凝土流動性測試儀具（箱型試驗及V漏斗）
(資料來源：本研究整理)
圖 3-10 新拌混凝土坍流度
圖 3-11 圓柱試體製作情形
(資料來源：本研究整理)
圖 3-12 板試體澆灌情形
圖 3-13 抗壓強度圓柱試體端部磨平處理
(資料來源：本研究整理)圖 3-14 板試體製作完成
(資料來源：本研究整理)參、量測元件
本研究於圓柱試體，主要量測溫度分布，因此所用量測元件為熱電偶測溫線， 型號為K-type，線徑為0.5 mm。而對於版試體，除了量測溫度分佈外，還量測蒸 汽壓力及水分變化，所用量測元件為壓力計及濕度計。量測壓力部分，預埋入混凝土的為採樣管，外徑為3.6 mm，內徑為1 mm，材質為不鏽鋼。將蒸氣壓力採樣 導引至非曝火面外與壓力計連接量測，壓力計壓力量測範圍為0 ~ 40 bar。
圖 3-15 壓力感測元件
(資料來源：本研究整理) 板試體水分變化量測用的濕度計，因需要置入混凝土內部量測，在選用及試 驗設計上考慮較多，主要考慮有元件多不耐高溫及不適於新拌混凝土澆製包覆， 因此於試體製作時先以直徑相仿的小木棒預埋，混凝土凝固後，再將小木棒鑽除 留出孔洞，最後再將濕度感測元件置入孔洞，並將洞口密封，隔絕孔洞與大氣流 通，以量測混凝土之濕度。另外，考量元件大小、經費與適用性，選用之濕度元 件規格如下，取其輸出電壓與 % RH 的比值接近線性容易使用，工作溫度範圍寬 廣，響應時間快等優點： ◎ 感應器類型：電容式感應器 ◎ 濕度範圍：0 ~ 100 ％RH ◎ 電源、電流：DC4 V ~ 5.8 V、200 uA ◎ 精度：±3.5 %RH ◎ 響應時間：5 s ◎ 輸出電壓與%RH 的比值近線性 ◎ Voltage output (1st order curve fit)：◎ 工作溫度：-40 ~ 85 °C 因濕度元件工作溫度範圍最高也只到 85 C，考量混凝土內部升溫較慢，且 濕度元件埋入深度不同，因此所受溫度影響時間也不同，在元件因高溫失效前， 應仍可量測到內部濕度隨加熱過程的變化。
圖 3-16 HIH-4000 濕度感測元件
(資料來源：本研究整理)圖 3-17 濕度和壓力量測系統
(資料來源：本研究整理)第三節 實驗設備
本研究實驗包含兩類進行，第一類為針對圓柱試體，第二類為針對板試體。 圓柱試體含水量使用烘箱進行調節，達到預定含水量後再進行高溫試驗。板試體 及圓柱試體試驗利用本所防火實驗中心之小型多功能耐火試驗爐進行加熱試驗， 如圖 3-18 所示，爐內淨空間為 120 cm × 120 cm × 115 cm(高)；加溫設備以數位 控制方式，模擬 CNS 12514-1 標準升溫曲線之升溫速率及溫度，並藉由加溫爐兩 側之噴火孔以雙向對流形式使爐內溫度均勻分佈，同時利用噴火孔之空氣進氣及 排氣風門來進行爐壓控制。試驗時將爐頂蓋版卸除，改將板試體覆蓋上去，試驗 時板試體下方為曝火面，進行加熱及爆裂行為觀測。圖 3-18 小型多功能耐火試驗爐設備圖
(資料來源：本研究整理)第四節 實驗步驟
為瞭解新型高強度混凝土高溫爆裂行為，及考量多數量測元件不適用於高溫 環境下，本研究實驗分成兩類實驗進行，第一類為針對圓柱試體，進行探討添加 不同含量聚丙烯纖維及含水量對其高溫爆裂之影響，第二類為針對板試體，進行 探討不同含量聚丙烯纖維的超高強度混凝土受高溫內部蒸汽壓力及水分遷移之 變化，試驗後並觀測其受熱面之爆裂情形及程度。詳細實驗步驟如下：壹、圓柱試體高溫試驗
本項探討添加不同含量聚丙烯纖維及含水量對其高溫爆裂之影響，不同含量 纖維已於試體澆製時添加，不同含水量之調控，100 ％面乾飽和試體則將試體浸 入水中使其吸水飽和，直至試驗前才取出試驗。10 ％乾燥試體則將試體置入 105 ℃烘箱烘乾，直至試驗前才取出試驗，而75 ％乾燥試體，則於烘乾過程持續以 埋入的相對濕度量測元件進行量測，紀錄其內部相對濕度變化，待達到所需相對 濕度則停止烘乾，並以密封袋保存。進行高溫試驗時，以CNS 12514-1 標準升溫 速率加熱，加熱過程記錄爐溫及試體內部不同徑向位置的溫度變化，並觀測紀錄 試體爆裂發生的時間，以與當下的混凝土溫度進行比對。貳、板試體高溫試驗
本項主要探討兩種不同聚丙烯纖維含量的超高強度混凝土的抗爆裂性及其 加熱過程混凝土內部的蒸汽壓力及水分遷移之變化行為，兩種試體聚丙烯纖維含 量分別為 0 及 0.1 %體積比，兩試體養護及置放的環境皆相同，試驗時會量測記 錄其初始內部相對濕度狀態。其高溫試驗加熱係依據 CNS 12514-1 規定，加熱試 驗步驟如下所示： 1. 試驗開始前 於試驗開始前5 分鐘內，記錄熱電偶之初始值，並檢查一致性；此外，爐內 溫度需小於50 ℃及室內氣溫須在 25±15 ℃範圍之內。 2. 試驗過程 試驗開始之際，試體內部初始平均溫度和非加熱面溫度須與初始室內溫度相 差 5 ℃範圍內，並依標準加熱溫度-時間曲線進行加熱試驗，其加熱函數為T=345log10（8 t +1）+20 式中 T = 平均爐內溫度（℃） t = 實驗經過時間（分） 依函數式可得標準加溫曲線－時間曲線（以下簡稱標準曲線），如圖 3-12 所 示。實驗溫度時間曲線許可差（de）如下列數值所規定。但對於含有大量可 燃物質、材料之試體，若確認可燃成分突然著火燃燒以致平均爐內溫度增加 異常情形不超過 10 分鐘，得不受此限。 （1）5＜t＜10 de≦15 % （2）10＜t≦30 de=15-0.5（t-10）% （3）30＜t≦60 de=5-0.083（t-30）% （4）60＜t de=2.5 % 式中，de= ×100 A =實際實驗平均溫度-時間曲線以下面積（℃，分） As=標準加熱溫度-時間曲線以下面積（℃，分） 面積計算方法，在（1）之間隔不超過 1 分鐘，在（2）、（3）、（4）之間隔 不超過 5 分鐘情形下將面積相加合計。 在實驗初期 10 分鐘以後之任何時間，任一爐內溫度熱電偶所測得溫度 與標準曲線對應溫度不得大於±100 ℃，對於含有顯著數量可燃材料之試體， 當超出偏差可清楚地被鑑定為是由明顯數量的可燃材料突然引燃增加了平 均爐內溫度，超出許可差時間不得持續超過10 min。本研究預定加熱時間為 1 小時。
圖 3-19 CNS 12514-1 標準升溫曲線
（資料來源：CNS 12514-1） A－As AS3. 量測與觀察
試體在整個試驗中之溫度、蒸氣壓力和含水量變化須加以記錄；所有量測數 據在試驗期間應每隔不超過 1 分鐘即量測ㄧ次，試驗過程觀察及記錄試體曝火面 爆裂情形及發生時間點，試驗結束後，須觀察並記錄試體曝火面之爆裂範圍及程 度，以與量測之試體內部溫度、蒸氣壓力和相對濕度之關係進行探討。
第四章 實驗結果與討論
新型高強度混凝土，係為國內混凝土研發的新課題之一，各種面向包括材料 研發、構件行為研究、結構分析、結構耐震、設計與施工、材料檢驗及相關各種 法規的制修訂，皆為需要完整研討。另外，此等超高強度的混凝土及鋼筋材料， 其高溫下的性能更是後續推廣上不可或缺的一環。本研究圓柱試體及板試體高溫 爆裂行為實驗結果與討論，依序詳述如下。第一節 圓柱試體高溫爆裂行為
圓柱試體依第三章試體規劃澆灌製作完成後，先以濕置養護 28 天後，再依 試驗所需相對濕度進行調濕。相對溼度 100 %試體為持續濕置，直至試驗前才取 出置入高溫試驗爐。相對溼度 0 %試體為將濕置試體取出置入 105 %烘箱，直至 試驗前一天取出靜置冷卻至常溫後進行試驗。而相對溼度 75 %試體為將濕置試 體取出置入 105 %烘箱，則需每隔一段時間量測其相對濕度，待其達到 75 %時則 取出烘箱，待試體稍微冷卻後放入密封袋保存，並於試驗前才置入高溫試驗爐。 圓柱試體高溫爆裂行為依第三章第四節實驗步驟進行，高溫試驗時，以CNS 12514-1 標準升溫速率加熱，加熱過程記錄爐溫及試體內部不同徑向位置的溫度 變化，並觀測紀錄試體爆裂發生的時間，以與當下的混凝土溫度進行比對。試體 實驗分兩次進行，持續烘乾的試體試驗前相對濕度實際值為10 %，另兩組試體 相對濕度則為75 % 及 100 %。 兩次試驗過程的爐內升溫曲線、試體內部溫度曲線及試驗前、後試體外觀， 則分別如圖4-1~12 及表 4-1 所示。圖 4-1 試體（4 種纖維含量，相對濕度 10 %）實驗前狀態
（資料來源：本研究整理）圖 4-2 試體四周以鐵絲網防止爆裂損壞試驗爐
（資料來源：本研究整理） 0.2 % 0.1 % 0.15 % 0 %圖 4-3 圓柱試體加熱過程情形
（資料來源：本研究整理）圖 4-4 試體（4 種纖維含量，相對濕度 10 %）實驗後狀態
（資料來源：本研究整理） 0.1 % 0.2 % 0.15 % 0 %圖 4-5 試體（4 種纖維含量，相對濕度 100、75 %）實驗前狀態
（資料來源：本研究整理）圖 4-6 試體（4 種纖維含量，相對濕度 100、75 %）實驗後狀態
（資料來源：本研究整理） 纖維含量0 % 0.1 % 0.15 % 0.2 % 纖維含量0 % 0.1 % 0.15 % 0.2 % 纖維含量0 % 0.1 % 0.15 % 0.2 % 纖維含量0 % 0.1 % 0.15 % 0.2 % 相對濕度100 % 相對濕度75 % 相對濕度100 % 相對濕度75 %圖 4-7 試體 00W（纖維含量 0 %，相對濕度 100 %）實驗後狀態
（資料來源：本研究整理）表 4-1 圓柱試體加熱後外觀情形
相對 濕度 纖維含量 0 % 0.1 % 0.15 % 0.2 % 10 % 75 % 100 % （資料來源：本研究整理）圖 4-8 試體（相對濕度 10 %）爐內加熱升溫曲線
（資料來源：本研究整理）圖 4-9 試體（相對濕度 100、75 %）爐內加熱升溫曲線
（資料來源：本研究整理） 0 200 400 600 800 1,000 0 20 40 60溫度
(
℃
)
時間
(分)
爐溫1 爐溫2 0 200 400 600 800 1,000 0 20 40 60溫度
(℃
)
時間
(分)
爐溫1 爐溫2圖 4-10 試體（相對濕度 10 %）內部升溫曲線
（資料來源：本研究整理）圖 4-11 試體（相對濕度 75 %）內部升溫曲線
（資料來源：本研究整理） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60溫度
(
℃
)
時間
(分)
00D-1 00D-2 00D-3 10D-1 10D-2 10D-3 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60溫度
(℃
)
時間
(分)
00H1 00H2 00H3 10H1 10H2 10H3圖 4-12 試體（相對濕度 100 %）內部升溫曲線
（資料來源：本研究整理） 針對圓柱試體探討添加不同含量聚丙烯纖維及含水量對其高溫爆裂之影響， 實驗結果如以上圖表所示。對於各種不同條件之試驗有頗為令人意外的結果，總 的來說，如表 4-1 所示，在 4 種纖維含量，3 種相對濕度的條件下，在依 CNS 12514-1 的快速升溫加熱下，僅有無添加纖維、相對濕度 100 %的圓柱試體發生爆裂，另 外的 11 種條件組合之圓柱試體，皆無發生爆裂的現象。對照後續板試體之試驗 結果，於本研究條件下，試體內部相對濕度對爆裂的影響不明顯，但添加纖維對 爆裂卻有很明顯的改善，於本試驗有添加纖維的試體，全部無爆裂發生，即使在 高相對濕度條件下。 圓柱試體加熱過程內部升溫曲線如圖 4-10~12 所示，3 種相對濕度的試體內 部溫度，有類似的升溫過程，因加熱為快速升溫，且試體尺度較小為 10 * 20 公分，試體內部約加熱開始 2~3 分鐘溫度已開始上升，最終試體靠近表面 1 公分 處的溫度均約在 750 ℃左右（爐溫為 945 ℃），與爐溫溫差約 200 ℃，而試體 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60溫度
(℃
)
時間
(分)
00W1 00W2 00W3 10W1 10W2 10W3試體初始相對濕度的差異對升溫的影響，由 3 種相對濕度的試體內部溫度可 以看出，相對濕度 10 %的試體其升溫是一路的隨爐溫一直上升，而相對濕度 75 及 100 %的試體，在升溫到 100 ℃時，有在文獻上常見的持溫段，因試體內部較 多的水分吸收大量的熱，造成溫度的持平，而此溫度的持平現象，相對濕度 100 %的試體又比相對濕度 75 %的試體來的明顯且時間較長。 所有試體只有無添加纖維、相對濕度 100 %的圓柱試體發生爆裂，試驗觀 察爆裂發生約在 14~16 分鐘時發生，對照該組試體的升溫曲線，爆裂發生時的溫 度約在試體內部水分吸熱接近完成，試體已開始從 100 ℃再往上增加，此時內 部蒸氣壓增加，造成試體的爆裂。
第二節 板試體高溫爆裂行為
本項主要探討兩種不同聚丙烯纖維含量 0 及 0.1 %體積比的超高強度混凝土 的抗爆裂性及其加熱過程混凝土內部的蒸汽壓力及水分遷移之變化行為。 板試體依第三章第二節試體規劃澆灌製作完成，1 週後拆除模板，直接置放 於地板上存放，於大氣中養護直至試驗，兩試體養護及置放的環境皆相同。因試 體係為直接置放於地板，因此其水分僅有上表面可自由散失，使試體內部仍有較 高的相對濕度，試驗前量測記錄其內部初始相對濕度。高溫爆裂行為依第三章第 四節實驗步驟進行，高溫試驗時，以 CNS 12514-1 標準升溫速率加熱，加熱過程 紀錄高溫爐爐溫及試體內部距曝火面不同高度位置的溫度變化、蒸氣壓力和相對 濕度變化及試體非曝火面的現象變化。壹、板試體 S00
試驗前試體 S00 量測其內部初始相對濕度，約在 86~97 %。加熱過程高溫爐 爐溫及試體內部距曝火面不同高度位置的溫度變化、蒸氣壓力和相對濕度變化及 試體加熱前後情形如圖4-13~25 及表 4-2 所示。圖 4-13 試體S00 爐內加熱升溫曲線
（資料來源：本研究整理）圖 4-14 試體S00 內部升溫曲線
（資料來源：本研究整理） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000 0 10 20 30 40 50 60 溫度 (℃ ) 時間(分) 爐溫1 爐溫2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000 0 10 20 30 40 50 60溫度
(
℃
)
時間
(分)
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12圖 4-15 試體S00 內部相對濕度變化曲線
（資料來源：本研究整理）圖 4-16 試體S00 內部壓力變化曲線
（資料來源：本研究整理） 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 0 10 20 30 40 50 60相對濕度
R
H
(%)
時間
(分)
RH1 RH2 RH3 RH4 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 10 20 30 40 50 60壓力
(p
si
)
時間
(分)
P1 P2 P3 P4 P5圖 4-17 試體S00 試驗前非曝火面及量測配置
（資料來源：本研究整理）
圖 4-18 試體S00 試驗前曝火面
圖 4-19 試體S00 試驗中非曝火面情形
（資料來源：本研究整理）
圖 4-20 試體S00 試驗中曝火面爆裂嚴重，鋼筋外露（加熱時間 35
分鐘時）
圖 4-21 試體S00 試驗後，爐內佈滿爆裂剝落的混凝土碎塊
（資料來源：本研究整理）
