輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究

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(1)輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 內政部建築研究所委託研究報告.

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(3) PG 9303-0128 093-301070000G-1013. 「輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究」. 受委託者：中華民國節能輕質骨材混凝土推廣協會研究主持人：顏. 聰. 協同主持人：陳豪吉研. 究. 員：湯兆緯. 研究助理：陳冠宏、顏依璇. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國九十三年十二月.

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(5) ARCHITECTURE & BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Fire Performance, Thermal Insulation and Building Code Requirements for Reinforced Lightweight Aggregate Concrete. BY Tsong Yen How-Ji Chen Chao-Wei Tang December 2004.

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(7) 目次. 目次. 目次.......................................................................................................I 表目錄 ................................................................................................III 圖目錄 ................................................................................................. V 照片目錄 .......................................................................................... VII 摘要 ................................................................................................IX 英文摘要 .......................................................................................... XV 第一章緒論 ......................................................................................1 第一節研究緣起與背景............................................................................ 1 第二節研究目的........................................................................................ 2 第三節研究方法與進行步驟.................................................................... 3. 第二章文獻回顧 ..............................................................................5 第一節輕質骨材的種類與特性................................................................ 5 第二節水庫淤泥輕質骨材........................................................................ 7 第三節輕質骨材混凝土的特性................................................................ 8 第四節輕質骨材混凝土的火害行為...................................................... 12 第五節輕質骨材混凝土的相關設計規範.............................................. 13. 第三章試驗計畫 ............................................................................23 第一節試體規劃...................................................................................... 23 第二節試驗材料...................................................................................... 28 第三節輕質骨材混凝土的配比計算...................................................... 29 第四節試體製作...................................................................................... 31 第五節試驗設備...................................................................................... 32 第六節試驗方法...................................................................................... 33. I.

(8) 第四章輕質骨材混凝土之工程性質探討 ....................................51 第一節輕質骨材混凝土之握裹強度...................................................... 51 第二節輕質骨材混凝土樑之剪力試驗.................................................. 54 第三節輕質骨材混凝土樑等值矩形應力塊參數 ................................. 57 第四節輕質骨材混凝土相關設計規範之檢討...................................... 58. 第五章輕質骨材混凝土之防火隔熱性質探討 ............................81 第一節混凝土之熱傳導係數.................................................................. 81 第二節輕質骨材混凝土隔熱節能數值模擬分析 ................................. 81 第三節輕質骨材混凝土牆體密閉空間的日曬試驗 ............................. 82 第四節輕質骨材混凝土樑之火害行為.................................................. 83 第五節輕質骨材混凝土版之火害行為.................................................. 84. 第六章結論 ....................................................................................97 參考書目 ............................................................................................99 附件一期初簡報會議記錄及處理情形 ........................................105 附件二期中簡報會議記錄及處理情形 ........................................107 附件三期末簡報會議記錄及處理情形 ........................................109. II.

(9) 表目錄. 表目錄. 表 2-1 輕質骨材之種類與基本物理性質......................................................... 16 表 2-2 CNS 及 ASTM 對輕質骨材混凝土強度規定........................................ 16 表 2-3 輕質骨材混凝土彈性模數與單位重、抗壓強度之關係..................... 17 表 3-1 握裹試體規劃與配比 ............................................................................. 37 表 3-2 混凝土構件及防火隔熱試驗規劃總表................................................. 38 表 3-3 鋼筋混凝土樑試體規劃表..................................................................... 39 表 3-4 抗壓試體規劃表 ..................................................................................... 39 表 3-5 鋼筋混凝土版試體 ................................................................................. 39 表 3-6 熱傳導係數試體規劃表 ......................................................................... 39 表 3-7 水泥之化學與物理性質 ......................................................................... 40 表 3-8 天然粗、細骨材之基本性質................................................................. 41 表 3-9 天然粗、細骨材之篩分析表................................................................. 41 表 3-10 石門水庫淤泥之化學性質................................................................... 42 表 3-11 輕質骨材之基本性質 ........................................................................... 42 表 3-12 鋼筋之基本性質 ................................................................................... 42 表 3-13 結構性輕質骨材混凝土之級配要求 (ASTM C330).......................... 43 表 3-14 輕質骨材混凝土配比 (KG/M3) ............................................................. 43 表 3-15 常重混凝土配比 (KG/M3) ..................................................................... 43 表 4-1 握裹試體的抗壓試驗結果..................................................................... 61 表 4-2 握裹試驗結果 ......................................................................................... 62 表 4-3 剪力強度試驗結果及 ACI CODE 理論值比較....................................... 63 表 4-4 平均劈裂強度與抗壓強度平方根之比值............................................. 64 表 4-5 等值矩形應力應變塊參數計算值......................................................... 64 表 5-1 混凝土熱傳導係數試驗結果................................................................. 86 表 5-2 混凝土試體受火害前後之抗壓強度..................................................... 86. III.

(10) IV.

(11) 圖目錄. 圖目錄. 圖 1-1 研究流程圖 ............................................................................................... 4 圖 2-1 良好的輕質骨材應具有堅硬的外殼以滯含內部的孔隙..................... 18 圖 2-2 輕質骨材點壓強度會隨著顆粒粒徑便大而降低................................. 18 圖 2-3 細骨材含量對輕質骨材混凝土 K 值之影響......................................... 19 圖 2-4 水泥用量與輕質骨材混凝土抗壓強度關係......................................... 19 圖 2-5 輕質骨材混凝土抗壓強度與水泥砂漿、骨材強度間的關係............. 20 圖 2-6 輕質骨材混凝土的分界強度................................................................. 20 圖 2-7 輕質、普通混凝土之強度成長比較圖................................................. 21 圖 2-8 EC、EM、EA 之關係圖 ........................................................................... 21 圖 2-9 纖維與混凝土表面的剝落 (W/C=0.33、20 MM 聚丙烯纖維) ............ 22 圖 2-10 混凝土受高溫作用時，其強度之折減情形....................................... 22 圖 3-1 握裹試體示意圖 ..................................................................................... 44 圖 3-2 有加箍筋的握裹試體平面圖................................................................. 44 圖 3-3 剪力試驗樑 ............................................................................................. 44 圖 3-4 極限彎矩作用下構件的壓應力分佈情形............................................. 45 圖 3-5 防火試驗樑 ............................................................................................. 45 圖 3-6 防火試驗版試體 ..................................................................................... 46 圖 3-7 混凝土牆體密閉空間日曬試驗............................................................. 46 圖 3-8 握裹試驗裝置示意圖 ............................................................................. 47 圖 3-9 鋼筋混凝土樑之剪力試驗安裝圖......................................................... 47 圖 4-1 握裹應力–滑移曲線 ............................................................................... 65 圖 4-2 臨界握裹強度與箍筋距離之關係......................................................... 66 圖 4-3 標稱握裹強度與箍筋距離之關係......................................................... 67 圖 4-4 臨界握裹強度與混凝土抗壓強度的關係............................................. 68 圖 4-5 標稱握裹強度與混凝土抗壓強度的關係............................................. 69. V.

(12) 圖 4-6 單位抗壓強度之標稱握裹強度與混凝土抗壓強度的關係 ................. 70 圖 4-7 理論支承力與混凝土抗壓強度的關係................................................. 71 圖 4-8 L20 試體載重-樑中央位移..................................................................... 71 圖 4-9 L40 試體載重-樑中央位移..................................................................... 72 圖 4-10 L60 試體載重-樑中央位移圖............................................................... 72 圖 4-11 N20 試體載重-樑中央位移圖 .............................................................. 73 圖 4-12 N40 試體載重-樑中央位移圖 .............................................................. 73 圖 4-13 N20 試體載重-樑中央位移圖 .............................................................. 74 圖 4-14 剪跨比對輕質混凝土樑極限剪力強度之影響................................... 74 圖 4-15 剪跨比對常重混凝土樑極限剪力強度之影響................................... 75 圖 4-16 混凝土抗壓強度對輕質混凝土樑極限剪力強度之影響................... 75 圖 4-17 混凝土抗壓強度對常重混凝土樑極限剪力強度之影響................... 76 圖 4-18 混凝土應力應變關係圖 ....................................................................... 76 圖 5-1 牆體隔熱分析模型 ................................................................................. 87 圖 5-2 LINK 32 熱傳導元素 .............................................................................. 87 圖 5-3 混凝土牆版隔熱數值模擬分析結果..................................................... 88 圖 5-4 混凝土房屋受日曬之升溫曲線............................................................. 88 圖 5-5 常重與輕質混凝土房屋受日曬之溫差曲線......................................... 89 圖 5-6 混凝土樑於高溫爐內的升溫曲線......................................................... 89 圖 5-7 混凝土版的升溫曲線 ............................................................................. 90 圖 5-8 混凝土版的背溫變化曲線..................................................................... 90. VI.

(13) 照片目錄. 照片目錄. 照片 3-1 應力環 ................................................................................................. 48 照片 3-2 資料接收器（7V14M）及筆記型電腦 ............................................ 48 照片 3-3 鋼筋混凝土樑之剪力試驗裝置......................................................... 49 照片 4-1 側向劈裂破壞與滑動握裹破壞......................................................... 77 照片 4-2 輕質與常重混凝土之握裹破壞照片................................................. 77 照片 4-3 輕質混凝土樑試體破壞情形(A/D=1.5) ............................................. 79 照片 4-4 常重混凝土樑試體破壞情形(A/D=1.5).............................................. 79 照片 4-5 輕質混凝土樑試體破壞情形(A/D=3.0).............................................. 80 照片 4-6 常重混凝土樑試體破壞情形(A/D=3.0).............................................. 80 照片 5-1 混凝土樑之防火試驗裝置................................................................. 91 照片 5-2 混凝土樑防火試體之裝置情形......................................................... 91 照片 5-3 防火試驗後，輕質骨材混凝土樑之破壞情形................................. 92 照片 5-4 防火試驗後，常重骨材混凝土樑之破壞情形................................. 92 照片 5-5 混凝土版之防火試驗裝置................................................................. 93 照片 5-6 混凝土版防火試體之裝置情形......................................................... 93 照片 5-7 混凝土版防火試驗過程中之觀察..................................................... 94 照片 5-8 混凝土版背熱面之破壞情形............................................................. 95 照片 5-9 混凝土版受熱面之破壞情形............................................................. 96. VII.

(14) VIII.

(15) 第六章結論. 摘. 要. 關鍵詞：輕質混凝土、握裹強度、耐火性能、熱傳導係數一、研究緣起混凝土可視為水泥砂漿（基材）及骨材（填充顆粒）組合而成之複合材料。在常重混凝土中，天然骨材之彈性模數及強度都大於水泥砂漿，混凝土受力時由水泥砂漿先行開裂並貫穿整體水泥砂漿。輕質骨材混凝土受力時情形較為複雜，需視輕質骨材所具有的彈性模數及其強度高或低於水泥砂漿者而定，因此該兩項材料之間的複雜關係，使輕質骨材混凝土的強度形成、受力下的應力-應變行為、乃至於使用在鋼筋混凝土上之力性，與常重混凝土之間有不小的差別。現行結構混凝土設計規範大都依據普通混凝土的試驗研究結果來訂定，但許多文獻資料顯示輕質骨材混凝土之力學性質與常重混凝土者有相當的差異。有鑑於此，現行結構混凝土設計規範之適用性，實有待驗證。雖然設計規範已針對使用輕質骨材混凝土的情況做了一些修訂或規定，如握裹長度增加 1.3 倍或以劈裂強度加以修訂，混凝土剪力強度亦以劈裂強度來修訂或以 0.85 或 0.75 來折減。但對強度、材料組成均異於傳統混凝土的輕質混凝土而言，通盤檢討現行規範的適用性有其必要。例如，鋼筋混凝土構件承受撓曲作用所產生的壓應力分佈情形通稱為應力塊（stress block），在評估其行為與極限強度時扮演相當重要的角色。但等值矩形應力塊參數是否仍適用於輕質混凝土，規範並無適當說明。故依現行 ACI 318 規範來推求水庫淤泥輕質骨材混凝土所拌製 RC 樑之標稱撓曲強度，其可行性尚待試驗証實。一般而言，各國的建築規範內均明文訂定建築防火規章，它代表可被社會大眾一致接受之基本防火要求。依據 ASTM 規範相關建築材料防火測試方法之試驗結果顯示，因輕質骨材擁有與生俱來的熱穩定性（如. IX.

(16) 人造輕質骨材已事先加熱至 1093℃以上的高溫）、較低的熱傳導性與熱膨脹係數，故一般認為結構輕質骨材混凝土（如樑、柱、版、牆）的防火性能與時效均優於等同厚度之常重混凝土構件。儘管如此，為推廣輕質骨材混凝土於國內建築上的應用，仍須探討其防火性能，俾能充分利用其優點來提升國內建築防火之安全性。為促進與確保能源在建築上的使用效率，國內早於 1980 年代即研訂建築節能規範。易言之，改善能源效率是非常重要的課題，因其可降低一個國家的能源需求並可充分利用有限的能源。相較於一般常重骨材混凝土，輕質骨材混凝土擁有相當良好的絕熱性能，其熱傳導係數僅及一般常重骨材混凝土者的一半。因此，在國內輕質骨材混凝土逐漸量產並普遍使用之際，從事輕質混凝土隔熱性能的研究實有其必要性，亦是刻不容緩的要務。二、研究方法及過程綜上所述，本研究計畫擬提供的服務項目及工作範圍如下所列： (1). 收集國內外資料，並以實驗方法，研討現行規範對輕質骨材混凝土. 握裹長度與剪力強度，及計算彎矩強度之等值矩形應力塊之適用性；探討輕質骨材結構混凝土有關計算式之適用性。 (2). 試驗求得不同單位重輕質骨材混凝土之熱傳導係數。 (3). 以輕質及常重混凝土結構桿件或牆體作為防火及隔熱實驗驗證之研. 究，並標準升溫曲線對結構桿件及牆體加熱，探討結構及非結構構件之火害行為，作為防火安全性能之試驗驗證。 (4). 以輕質及常重混凝土牆體製作密閉空間，利用數值程式模擬日曬後. 其內外溫差關係，並以實驗結果比較驗證之。三、重要發現本研究利用水庫淤泥輕質骨材混凝土，進行其構件行為與隔熱防火. X.

(17) 第六章結論. 性能研究，並與常重混凝土進行比較。由目前的試驗結果，其重要的研究成果整理條列如下： (1). 以石門水庫淤泥為原料所燒製成的造粒型輕質骨材，骨材品質良. 好，可作為結構與非結構用之輕質混凝土粒料。 (2). 當混凝土強度在 40 MPa 等級以上時，輕質骨材混凝土的握裹強度將. 比常重混凝土高，此乃由於同強度輕質混凝土中的水泥漿，其水灰比較低而使得握裹強度較高。20 MPa 等級輕質骨材混凝土之握裹力則略低於常重混凝土約 15％以內。 (3). 輕質樑與常重樑之剪力強度表現相當，均比 ACI 規範之理論值高。. ACI 規範以 fct/6.7 取代 fc' 計算剪力，而輕質混凝土 fct/6.7 約為 0.75 fc' ，輕質樑較常重樑更形保守。 (4). 20 MPa 強度等級輕質混凝土之等值應力塊深度參數β約為 0.77，高. 於 PCA 對輕質混凝土之等值應力塊深度參數β＝0.76，當輕質混凝土強度高達 40MPa 時，計算所得之輕質混凝土等值應力塊深度參數 β約為 0.73，乃高於 PCA 對輕質混凝土建議值 0.70，因此 PCA 對輕質混凝土之等值應力塊深度參數β尚屬保守可行，不需對輕質混凝土做特別的修正。 (5). 中低強度輕質骨材混凝土的熱傳導係數介於 0.690 kcal/m.hr.℃～. 0.750 kcal/m.hr.℃之間，而常重混凝土則介於 1.330 kcal/m.hr.℃～ 1.425 kcal/m.hr.℃之間，當混凝土強度由 20MPa 等級提高至 40MPa 等級時，混凝土熱傳導係數增加有 7～8％，且輕質混凝土熱傳導係數僅佔常重混凝土者的 53％左右，相當有利於混凝土節約隔熱的性能。 (6). 由日曬試驗與數值模擬分析可以發現，在台灣地區九月平均溫度、6. 小時日曬條件下，輕質混凝土房屋相較同條件下之常重混凝土房屋的內溫降低約 3～5℃，比常重混凝土更有利於混凝土房屋保溫取涼的功能。 (7). 輕質混凝土版試體與樑試體在進行防火試驗時，若試體未進行完全. XI.

(18) 烘乾，將會因蒸汽壓力而發生表面剝落的情形，甚至導致樑或版的破壞。常重混凝土樑或版試體則較不會發生表面剝落的情形。若為乾燥試體，則輕質骨材混凝土防火性能優於常重混凝土。 (8). 由於輕質混凝土的熱傳導係數較低，在進行混凝土版試體的防火試. 驗時，其背部溫度上升的速率較慢，此為其優勢之一。輕質與常重混凝土版試體的防火時效均可達 1 小時以上。四、主要建議事項立即可行之建議主辦機關：行政院協辦機關：經濟部水利署、環境保護署、縣市政府、內政部建築研究所、內政部營建署、國家科學委員會由本研究可知，以台灣水庫淤泥燒成之輕質骨材，其骨材品質良好，可作為結構或非結構用輕質混凝土之粒料。此研究成果不但為水庫淤泥找到最佳之處理方式，達到資源再利用之功效，更為國內拮据建築材料覓得豐富之料源，抒解天然砂石之過渡開採。若要實行水庫淤泥輕質骨材之產製，須有豐沛的水庫淤泥，輕質骨材廠設立及專業燒製技術等條件，各條件皆需政府在政策及法令上的輔助。在水庫清淤方面，經濟部可明確公告水庫淤泥為可再利用的事業廢棄物，由水利署編列清淤費用，擬定中長期水庫清淤計畫，以提供長期且穩定料源，再配合環保署推動淤泥資源化政策，避免惡意棄置造成二次污染。輕質骨材燒製廠設立於水庫周圍最具便利性及經濟性，此目標需要水利署及縣市政府協助土地之開發，及縣市政府在營業執照之開放才可達成。另外，設廠之專業知識仍需要建研所、國科會、協會及大專院校等機構，對業界進行輔導與燒製技術之研發。要使廢棄之水庫淤泥產製為可用之輕質骨材，需要行政院協調各單位做通盤整合與系統規劃才可達成。由本研究及國內外文獻均可發現，輕質骨材混凝土對結構物或非結構物的減重、耐震、節約隔熱及防火等性能，相對於常重混凝土者均有相當程度的提升，若能大量推廣於房屋建築、橋樑及道路等工程，將有 XII.

(19) 第六章結論. 助於水庫淤泥之清除及降低天然資源使用，並達到省能、防火及廢物減少之效益，符合綠建築精神而逐漸成為建築主流。其實輕質骨材已普遍使用於歐、美洲等許多先進國家，甚至被美國列為未來優先使用之建築材料。然而國內輕質骨材混凝土的應用尚屬蠻荒時代，需政府大力推廣，目前除了協助民間產製水庫淤泥輕質骨材外，尚可由政府率先建立輕質骨材混凝土之示範工程，如由交通部推動輕質骨材混凝土之橋樑或道路工程、由內政部建研所及營建署建造輕質骨材混凝土之外牆或樓版等實際之工程範例，以增強民眾對輕質骨材混凝土的使用信心，加速輕質骨材混凝土之推廣。長期性建議主辦機關：行政院協辦機關：經濟部國家標準局、交通部、內政部、國家科學委員會水庫淤泥輕質骨材已為台灣輕質骨材混凝土建築找到新契機，但由於國內還未有一套完善的輕質骨材混凝土建築法規，使得輕質骨材混凝土在台灣應用推廣上窒礙難行，除了由政府帶動民間使用外，為了輕質骨材混凝土長期的發展，需政府政策法令配合及應用推廣與宣導，如由國家標準檢驗局制訂輕質骨材之檢驗標準（已制訂），交通部推動使用輕質骨材混凝土於大垮度橋面版或強震區橋樑結構之政策，內政部建研所及營建署訂定施工技術規範供業界依循、訂定建築物外牆之隔熱要求及鋼骨大樓樓地板之單位重限制等法令與政策，並舉辦輕質骨材相關研討會及產業發展記者說明會，來加強其應用推廣與宣導。另外，國科會、建研所等研究機構仍須持續針對輕質骨材混凝土之預鑄產品或工程做進一步之研發，以期使輕質骨材混凝土在台灣能永續的發展。. XIII.

(20) XIV.

(21) 英文摘要 ABSTRACT Keywords: lightweight aggregate concrete, bond strength, fire resistance, thermal conductivity coefficient Concrete can be regarded as a composite material composed of aggregates (filling materials) and cement paste (matrix). For the normal-weight concrete, most of the cracks are bond cracks at the aggregate-cement paste interface because the elastic modulus and strength of the aggregate are greater than those of the matrix. While for the lightweight concrete, the failure mechanism depends on whether the elastic modulus and strength of the lightweight aggregate are greater than those of the matrix and therefore its strength growth, stress-strain relationship, and mechanical properties are quite different than those of the normal-weight concrete. Current concrete design code is derived from research conducted primarily on normal-weight concrete of 20 to 40 MPa. However, numerous studies dealing with mechanical properties have shown that significant differences exit between lightweight and normal-weight concretes. In view of this, the current design recommendations should be examined for lightweight concrete members. Some modifications have been made to take the properties of lightweight concrete into account, such as the bond length and shear strength of lightweight concrete members is 1.3 and 0.85 (or 0.75) times the specified values of the normal-weight concrete members respectively. Notwithstanding this, in view of the strength and constitutions of lightweight concrete are different from normal-weight concrete, there is a great need to check the practical applications of current regulations. For example, previous research on high-strength lightweight concrete has been inconclusive as to whether the equivalent rectangular stress block recommended by the ACI Building Code for flexural design is acceptable or needs to be revised. Therefore, the validation of ACI 318 for flexural strength of the reinforced. XV.

(22) lightweight concrete beams made with sintered fine sediment lightweight aggregates should be verified. Generally speaking, the requirements of structural fire protection contained in most building codes represent the minimum levels of fire safety deemed acceptable to their countries. When tested according to the procedures of ASTM Method for Fire Tests of Building Construction and Materials, structural lightweight aggregate concrete slabs, walls, and beams have demonstrated greater fire endurance periods than equivalent thickness members made with normal-weight aggregates. Superior performance is due to a combination of lower thermal conductivity, lower coefficient of thermal expansion, and the inherent thermal stability developed by aggregates that have been exposed temperature greater than 1093℃ during preprocessing. Notwithstanding this, to promote the applications of lightweight concrete in the domestic building and construction industry, there is a great need to take fire resistance testing for structural elements made of lightweight concrete. Then, the excellent fire performance of lightweight concrete is indeed applicable to the fire resistance of building elements. To promote and ensure energy efficiency in buildings, the building energy code has been developed in Taiwan since 1980. In other words, improving energy efficiency is an important topic because it helps to reduce a nation’s energy needs and leads to better utilization of existing limited energy resources. In comparison with ordinary normal-weight concrete, lightweight aggregate concrete exhibits relatively high thermal insulating value, of which the thermal conductivity can be half as much as that of normal-weight concrete. Therefore, there is an urgent need to take advantage of lightweight concrete’s thermal characteristics to reduce energy consumption while its use has been gradually increased. To sum up, the main objective of this proposal is to: (1). collect previous research and provide experimental data regarding the bond strength, shear strength, and equivalent rectangular stress block for flexural. XVI.

(23) strength of reinforced structural lightweight concrete to modify the current provisions; (2). study the thermal conductivity of lightweight concretes having different bulk density (3). implement fire resistance testing for structural and non-structural elements made of lightweight and normal-weight concretes to assess and compare their fire behavior; and (4). bask the closed module made with lightweight and normal-weight concretes in the sun and produce experimental and numerical simulation reports of the temperature difference between external and internal surfaces of the closed module. In this research, the structural behavior and fire performance of lightweight aggregate concrete, of which the lightweight aggregates are made from fine sediments collected from the Shih-Men Reservoir, were tested and compared to ordinary concrete. The main conclusions derived from this study may be summarized as follows: (1). The lightweight aggregates made from fine sediments collected from the Shih-Men Reservoir possesses proper qualities, and thus can be used to make structural and non-structural lightweight aggregate concrete. (2). For the compressive strength above 40 MPa, the bond strength of lightweight aggregate concrete is better than that of ordinary concrete. This reason may attribute to the fact that the water-to–cement ration of the paste in lightweight aggregate concrete is lower than that of ordinary concrete. As for the compressive strength of 20 MPa, however, the bond strength of lightweight aggregate concrete is about 0.85 times the value of ordinary concrete. (3). The shear strength of reinforced lightweight aggregate concrete beams is almost equal to that of reinforced ordinary aggregate concrete beams, and both are higher than the analytic values obtained by the ACI 318-99 code. According to the ACI 318-02 code, the analytic value is fct/6.7 in stead of (fc’)1/2 for ordinary aggregate concrete. As for lightweight aggregate concrete, the analytic value is also fct/6.7, but it is more conservative since it is. XVII.

(24) approximately 0.75(fc’)1/2. (4). For lightweight aggregate concrete, the β parameters of equivalent rectangular stress block are 0.77 and 0.73, respectively for compressive strength of 20 and 40 MPa, while the recommended values are 0.76 and 0.70 by the PCA code. This reveals that the PCA code is on safe side, and thus it is no need to modify the β parameter of equivalent rectangular stress block for lightweight aggregate concrete. (5). For compressive strength of 20 MPa, the coefficients of thermal conductivity are from 0.690 to 0.750 kcal/m.hr.℃ and from 1.330 to 1.425 kcal/m.hr.℃, respectively for lightweight and ordinary aggregate concrete. As for compressive strength of 40 MPa, the coefficients of thermal conductivity are from 0.690 to 0.750 kcal/m.hr.℃ and from 1.330 to 1.425 kcal/m.hr.℃, respectively for lightweight and ordinary aggregate concrete. (6). After basking in the sun under an average temperature of September in Taiwan for six hours, the experimental investigation and numerical simulation on the temperature difference between external and internal surfaces of the closed module made with lightweight aggregate concrete is lower (in the range 3-5℃) than module made with ordinary aggregate concrete. This demonstrates. that. lightweight. aggregate. concrete. possesses. better. performance on preventing heat and moisture transfer in buildings. (7). According to the fire test results of concrete slabs and beams exposed to an ISO 834 cellulose fire, lightweight aggregate concrete has better fire resistance than ordinary aggregate concrete when the test sample is at fully dried states. While lightweight aggregate concrete compared to ordinary aggregate concrete is more severe spalling due to higher moisture content if the test sample is not at fully dried states. (8). In an ISO 834 cellulose fire, the temperature rise rate on the surface opposing to fire exposed surface in lightweight aggregate concrete is slower compared to ordinary aggregate concrete due to the lower coefficient of thermal conductivity. But both the fire resistance of lightweight and ordinary aggregate concrete can withstand a one hour ISO 834 cellulose fire without considerable spalling.. XVIII.

(25) 第一章緒論. 第一章緒論第一節研究緣起與背景以輕質骨材取代常重骨材所拌製而成的混凝土，一般稱為輕質骨材混凝土（Lightweight Aggregate Concrete，簡稱 LWAC）。事實上，早於二十世紀之初，歐美及日本等先進國家即開始生產輕質骨材，並將其應用於非結構性用途與結構混凝土工程上。在非結構性用途方面，輕質混凝土因具備低熱傳導性，常被用來製作輕質圬工磚、輕質樓版或屋頂，藉以改善建物的隔熱性，故從節約能源的角度考量時，它的性能極具意義[1-5]。至於在結構混凝土工程的應用上，若構件斷面積一樣，輕質骨材混凝土結構之柱間跨度可增加，使用淨空可增大，經濟價值亦相對提升[6-7]；在防火與耐火性能上，文獻資料顯示[8]，因輕質骨材擁有與生俱來的熱穩定性（如人造輕質骨材已事先加熱至 1000℃以上的高溫）、較低的熱傳導性與熱膨脹係數，故輕質骨材混凝土構件（如版、牆、樑、柱）的防火性能與時效均優於等同厚度之普通混凝土構件。另一方面，輕質混凝土構件的自重較輕，致使其結構體因地震所產生的慣性力亦相對較小，故可降低設計載重，因而節省建造成本[6-11]。由於輕質骨材混凝土擁有上述良好的工程性質且具經濟性，先進國家早已將其廣泛應用於建築結構工程上。反觀國內，雖然早期就有不少學者從事研究輕質混凝土，但僅止於零星的個別研究[12-19]。所幸，在學者們鍥而不捨的努力下，已有計畫地探討台灣地區所燒製輕質骨材之物理、化學及力學特性。由各項試驗的結果與分析中可知，台灣本島輕質骨材料源區皆適合產製人造輕質骨材，且顆粒密度及吸水率都適合結構性輕質混凝土之使用。這些基本資料庫已逐漸建立，對於未來實際工程使用上應有極大的幫助。尤其甚者，近年來在產、學、研各界的合作研究下，也已驗證水庫淤泥可燒製出性質優良的輕質骨材，並可據以量產性質良好的輕質骨材混凝土[20-23]。此項研究為世界首創，不僅能達到資源回收再利用之環保訴求，尚兼具改善水庫儲水功能及延長其使用壽命之功效。. 1.

(26) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 綜上所述，為把握此千載難逢的機會，以開啟國內使用輕質混凝土之契機，學術界自當貢獻其所能與所長，積極從事輕質骨材混凝土應用性研究之計畫，協助政府推動訂定輕質骨材與輕質骨材混凝土之國家標準或修訂相關設計規範，以促成輕質骨材混凝土之推廣應用及產業化。. 第二節研究目的輕質骨材一般具有多孔隙、低密度及高吸水率等特性，這些與常重骨材相異的性質，將導致輕質骨材混凝土在配比設計、拌和、輸送、泵送、澆置及夯實等作業偏離常重混凝土的觀念。對於輕質骨材使用於混凝土中造成其性質變化之影響，國內外已有相當多的研究[22-35]。有關輕質混凝土本身的配合設計法、工學與力學性質等，目前國內外亦有許多學者提出研究報告[27-42]，其應用在鋼筋混凝土或預力混凝土上的結構分析與設計考慮，也已由各研究報告中獲得不少建議。然而，目前國內有關於輕質骨材混凝土之設計規範或準則並不完備，顯然為輕質混凝土推廣工作上的一大障礙。此外，如所周知，人造輕質骨材的性質具有地域性，不同地區所產製之輕質骨材其性質變異性頗大；再者，各國有關輕質混凝土之工程原理雖無差異，但為適應國情之不同，故各國有其必要自訂符合需求的規範與標準。本研究計畫擬就現行設計規範於輕質混凝土之適用性及相關計算之可行性加以探討，並提出建議；此外，輕質骨材混凝土的防火及隔熱性能方面，則利用實驗驗證與程式模擬兩種方式來進行相關探討。簡言之，本研究計畫之目的旨在對針對相關規範提出建議，以作為輕質骨材混凝土使用於土木建築工程之設計及施工的參考準繩，從而促成輕質骨材混凝土之推廣應用及產業化。. 2.

(27) 第一章緒論. 第三節研究方法與進行步驟綜上所述，本研究計畫擬提供的服務項目及工作範圍如下所列，規劃的研究流程如圖 1-1 所示。 1.. 收集國內外資料，並以實驗方法，研討現行規範對輕質骨材混凝土握裹長度與剪力強度，及計算彎矩強度之等值矩形應力塊之適用性；探討輕質骨材結構混凝土有關計算式之適用性。. 2.. 試驗求得不同單位重輕質骨材混凝土之熱傳導係數。. 3.. 以結構桿件或牆體作為防火及隔熱實驗驗證之研究。. 4.. 以標準升溫曲線對結構桿件及牆體加熱，探討結構及非結構構件之火害行為，作為防火安全性能之試驗驗證。. 5.. 以輕質及常重混凝土牆體之密閉空間，以數值程式模擬日曬後其內外溫差關係，並以實驗結果比較驗證之。. 3.

(28) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 圖 1-1 研究流程圖. 國內外文獻收集. 數值模擬分析. 日曬試驗密閉空間. LWAC構件防火及隔熱性能評估. 結論及報告撰寫. 4. 防火隔熱試驗. 熱傳導試驗. 參數試驗矩形應力塊. 撓曲試驗. 剪力試驗. 握裹試驗. 研提LWAC構件設計規範條文.

(29) 第二章文獻回顧. 第二章文獻回顧第一節輕質骨材的種類與特性 1、輕質骨材的種類輕質骨材可大致分為天然和人造兩大類；天然的輕質骨材大都為含有孔隙組織的火山噴出岩，人造的輕質骨材種類相當多，重要的有利用天然材料如粘土、頁岩等燒製而成的膨脹粘土、膨脹頁岩等。輕質骨材在製造過程中，原料本身具起泡成份，或添加了發泡材料，使得骨材具有堅硬外殼、內部卻充滿孔洞，具有低單位重、隔熱及隔音佳的優點。輕質骨材會因種類及形成過程的不同，而產生不同的性質。可從其成形、組織及粒徑大小三方面來瞭解輕骨材與普通骨材的相異點及特質[15-32]。天然輕質骨材以火山岩居多，主要依岩漿外噴過程的深度不同而形成性質互異的材料，由於在形成過程中無法加以控制，致其表面和內部孔隙變異性甚大。而人造骨材最有利之處在於製造過程的人工化，可針對性質做某種程度的控制。在骨材製造原料方面，膨脹黏土、頁岩及板岩可形成堅硬、渾圓且接近封閉的外表層外，其餘如膨脹爐石、燒結飛灰、真珠石等均無堅硬之表層，外表也較不規則、吸水率也較大，使其整體骨材品質較差。頁岩及板岩可由原料打碎並直接燒製成非造粒形輕質骨材，黏土或塑性較大之頁岩則可先行造粒，然後燒製成接近圓球形的造粒形骨材，粒徑可由原造粒控制其大小。骨材組織方面，不論是天然或人造輕質骨材，其最大特點在於材質中含有相當高比例的孔隙。骨材組織中的孔隙可分為表層孔隙和內部孔隙二種，表層孔隙的存在，較不利於骨材的品質，最明顯的是對強度、吸水率和混凝土工作性的影響。而品質已被肯定為較理想的膨脹頁岩及膨脹黏土之類的輕質骨材，除了不含表層孔隙外，最重要的是它擁有一層燒結成形且強度高的硬表殼（如圖 2-1 所示），使它能因具有高含量的內部孔隙，而. 5.

(30) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 成為一種顆粒密度小，卻擁有低吸水率、高強度的輕質骨材。輕質骨材的粒徑除了造粒型之膨脹骨材，可由事先的原料造粒完全控制其顆粒粒徑外，其餘非造粒型人造骨材其粒徑是依原料的碎粒大小而定，至於天然輕質骨材，其顆粒粒徑為自然形成。粒徑的區分大都與普通骨材同樣方式處理之一，一般而言，輕質骨材之最大粒徑以 3/4"(19mm)而不超過 1"(25mm)為宜。目前在結構性混凝土方面使用最多的人造膨脹頁岩、黏土、板岩等有兩項共同特點，一是骨材的粒徑愈大，其顆粒密度愈小，強度也愈差。另一是細骨材部分，細顆粒較少，尤其是#30 以下的顆粒尤為缺乏。由於骨材之顆粒密度係依粒徑大小而改變，進行顆粒分佈的試驗分析時，各粒徑骨材含量的體積百分比與重量百分比將不一致，這是與普通骨材不同的地方。至於輕質細骨材的缺乏，可用天然砂補充，但將會增加混凝土之單位重及降低其隔熱性。然而在水泥含量及坍度條件均相同時，以天然砂取代輕質砂將能提高混凝土強度。 2、輕質骨材的物理特性輕質骨材物理特性，會因其原料的不同及製造方式的改變而有不同的變化，如表 2-1 所示。一般而言，輕質骨材具有低密度(0.7～2.4 g/cm3)、高吸水率(2～20%)、表面粗糙、低強度、低單位重等重要特性。輕質骨材內部孔隙多，就相同材料之輕骨材而言，顆粒密度隨粒徑減小而增加。大部分輕質骨材為圓形、方形或多角形表面粗糙等形狀之顆粒，依粒徑大小可分為粗徑、中徑與細徑三種；粗徑之直徑在 19 mm～4.8 mm 之間，中徑之直徑在 9 mm～2.4 mm 之間，若通過 4 號篩之重量在 85%以上則稱為細徑。輕質骨材之密度大多在 1.6 g/cm3 以下，而天然骨材在 2.6 g/cm3 左右，對於結構物的自重則可減輕 1/5 左右，相對於同樣的基礎承載力而言，以輕質骨材做建築材料，則可增加結構物的高度與樓層數。輕質骨材因內部含有大孔隙，使其彈性模數、強度、密度等均隨粒徑增大而降低。就普通混凝土而言，骨材最大粒徑愈大，對混凝土品質愈有. 6.

(31) 第二章文獻回顧. 利，這種觀念在輕質骨材混凝土方面並不全然適合，因為它只能減少拌合水用量，從而減少材料析離、混凝土泌水現象及收縮等，雖有利於混凝土之強度，但粒徑愈大的輕質骨材其強度將愈低，如圖 2-2 所示，反而會限制其混凝土的強度發展。故欲得較高強度的輕質骨材混凝土，須選用粒徑小、顆料密度大、強度高的輕質骨材，然而其混凝土的單位重會較大。. 第二節水庫淤泥輕質骨材台灣地區蘊藏著豐富的粘土、頁岩、板岩及泥岩等岩石，這些岩石均為適合用來燒製輕質骨材的原料。而水庫地區的淤泥又是由這些岩石風化，遇雨水沖刷形成泥流進入河川或水庫集水區，經沈積後造成水庫容量減低，若能應用這些水庫淤泥來燒結輕質骨材，不僅可將廢棄淤泥再生資源化，提高水庫運轉之經濟效益，同時更能製造出具有質輕、隔熱及抗震效果的輕質混凝土。國內外對於輕質骨材及輕質骨材混凝土的研究，已有許多的文獻可供參考[1-42]。國立中興大學自 1991 年起在榮工處與內政部建研所資助下，完成頁岩及黏土人造輕質骨材之生產及輕質混凝土工業化之研究，已大致掌握台灣島內生產輕質骨材各料源區之物性。另 2000 年國科會委託之水庫淤泥製造輕質骨材研究[43]及台灣科技大學之研究報告中，已確定國內水庫淤泥具備有製造輕質骨材之條件，且水庫淤泥在製造輕質骨材過程中，可直接造粒而省去一般岩石碎化之過程，是為更有利的條件。內政部建築研究所在 2003 年曾委託中華民國節能輕質骨材混凝土推廣協會進行「水庫淤泥輕質骨材產製及輕質骨材混凝土應用與推廣」計畫案，該計畫案的研究成果顯示[44]，經實地採取台灣西部地區 15 座水庫之淤泥樣品進行測試（包含翡翠、石門、青草湖、大埔、寶山、明德、明潭、日月潭、仁義潭、鏡面、虎頭埤、白河、阿公店、鳳山、澄清湖等），證明 15 座水庫淤泥樣品均可利用旋窯或實驗室程式控制電熱爐方式進行高溫燒結，所燒結而得之輕質骨材外表呈圓形顆粒形狀，內部則為多孔隙結構， 7.

(32) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 其比重約為 0.5～2.0、吸水率約為 5～15%，筒壓強度則大致介於 1.0～7.5 MPa 間。利用這些水庫淤泥輕質骨材所拌製而得之混凝土，單位重可降至 1800 kg/m3 以下，相較普通混凝土的 2200～2400 kg/m3 ，單位重約降低 24%；而抗壓強度則隨著配比而異，可產製得強度 55 MPa 之輕質骨材混凝土；另外，輕質混凝土的熱傳導係數介於 0.75～0.81 kcal/m.hr.℃之間，優於一般常重混凝土熱傳導係數 1.0～1.5 kcal/m.hr.℃。這些研究成果均顯示出，以水庫淤泥燒製而得之輕質骨材，不僅具有基本強度，且其混凝土製品更具有重量輕、隔熱和強度夠等優點。. 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 8.

(33) 第二章文獻回顧. 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。. 9.

(34) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 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]。 10.

(35) 第二章文獻回顧. 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 ρ c 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. 11.

(36) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 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 ' c 為關係式，如 CEB/FIP；但也有直接以 f ' c 為關 2. 3. 係式者，如柚原治美、Swamy ＆ Lambert 及王纓茂教授等。. 第四節輕質骨材混凝土的火害行為 1、混凝土化學性質之變化當混凝土在高溫作用下所產生之性質變化，包含物理性質與化學性質變化。當溫度由常溫上升至 200℃間，混凝土內的孔隙水、毛細管水及吸附水會散失，此時僅是物理變化；若溫度再昇高，則 C-S-H 膠體中之鍵結水也會脫離，產生不可逆之化學變化： C-S-H→C-S+H 當溫度達 580℃左右時，C-H 之鍵結水亦告分解： C-H→C+H 溫度達 900℃左右時，C C 亦告分解： C C →C+ C 以上之結果亦可由電子顯微鏡觀察得到，當溫度達 500℃時 C-S-H 之針剌球狀膠體之針剌萎縮。溫度達 600℃時 C-H 六角薄板層狀亦已接近消失。溫度對不同骨材，亦會有不同之反應，矽質骨材在 573℃時，SiO2 會產生晶相轉變，由α相轉為β相，且突發膨脹。碳酸鹽骨材則在溫度超過 900 ℃時，CaCO3 會分解放出二氧化碳。. 2、影響輕質骨材混凝土火害行為之因素由於輕質骨材的生產過程中，即預先在旋窯內以接近 1200℃的高溫燒製而成，一般認為，輕質骨材混凝土會比常重混凝土的耐火性佳。然而，. 12.

(37) 第二章文獻回顧. 由於輕質骨材內部多孔隙，吸水率較高，這些隱藏在輕質骨材內部的孔隙水，在受到高溫作用時，將可能產生額外的孔隙水壓力，而引致輕質混凝土表面的剝落[51]。影響輕質骨材混凝土火害行為的因素，視混凝土的含水量、水灰比、溫度及所施加的軸壓力而定，而混凝土中的含水量又為主要的影響因素。文獻[52-57]指出，當混凝土中的含水量愈多時，孔隙中的水蒸汽愈多，所產生蒸汽壓力就愈大，且混凝土的內外溫度梯度也愈明顯，將容易引起輕質混凝土的表面剝落。為避免輕質混凝土受高溫作用時產生剝落，FIP/CEB 指出，應將硬固輕質混凝土中的含水量降到 5%以下[58]，亦有文獻指出，添加適量的聚丙烯纖維可有效抑制混凝土的剝落，如圖 2-9 所示[59]。輕質骨材混凝土的熱傳導係數比常重混凝土低，且其隔熱效果較佳，一般而言，樓版採用輕質骨材混凝土時，在混凝土受高溫作用的初期，其阻熱效果將比常重混凝土佳。然而，若火害時間愈長，輕質混凝土此方面的優勢將逐漸消失，而使得輕質混凝土樓版的背溫與常重混凝土相同。. 3、輕質骨材混凝土火害作用後，剩餘之抗壓強度、彈性模數混凝土的水灰比也會影響其火害行為，當水灰比愈小時，混凝土的強度愈高，相對地混凝土也愈緻密。但是，愈緻密的混凝土在受到高溫作用時，所產生的孔隙壓力也愈大，混凝土的表面愈容易剝落[55-56]。另一方面，混凝土所受到的溫度愈高、火害延時愈長，混凝土表面剝落的情形將更為嚴重，將使得混凝土承壓的有效斷面積減少，且混凝土內鋼筋缺少保護層，鋼筋將愈容易產生降伏，且混凝土的剩餘強度也愈低，如圖 2-10 所示[60]。. 第五節輕質骨材混凝土的相關設計規範 1、輕質骨材之相關規範內政部建築研究所在 2003 年的整合與積極推動下，由中華民國節能輕 13.

(38) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 質骨材混凝土推廣協會承辦，完成研訂「燒結型輕質骨材」標準，共計有「輕質粗粒料的顆粒筒壓強度試驗法」、「輕質粒料比重及吸水率試驗法」、「結構混凝土用之輕質粒料」、「混凝土圬工用之輕質粒料」、「隔熱混凝土用之輕質粒料」、「結構輕質混凝土密度試驗法」、「輕質混凝土粒料中含鐵污染材料試驗法」，並完成研訂「輕質骨材混凝土技術規範」、「結構及非結構用輕質骨材混凝土預鑄產品技術規範」、「輕質骨材品質試驗方法」、「水庫淤泥輕質骨材之品質驗證」等，其中，輕質粗粒料的顆粒筒壓強度試驗法已獲得標準局上網公告，隔熱混凝土用之輕質粒料亦即將完成審查程序[44]。. 2、美國對於輕質混凝土的相關法規美國混凝土學會（American Concrete Institute, ACI）於 318-02 版的規範中，提及有關輕質混凝土和常重混凝土在設計規範中的不同，主要針對輕質混凝土的開裂模數、剪力及扭力強度與鋼筋伸展長度作了特別的規定，分述如下： (1) 開裂模數對常重混凝土而言，開裂模數 f r = 2.0 f ' c ；對輕質混凝土而言，其開裂模數可依下列方法之一修正之： (a) 當 f ct 已予規定時， f r 之公式須以 f ct / 1.8 替代 f ' c，但所用之 f ct / 1.8 值不得超過 f ' c 。 (b) 當 f ct 未予規定時， f r 之公式中之 f ' c ，對粗細骨材皆為輕質骨材之全輕質混凝土須乘以 0.75；對常重砂輕質混凝土須乘以 0.85。介於以上兩者間之含有部分輕質細骨材之混凝土可以內插法定之。其中， f ct ＝輕質混凝土之平均開裂抗拉強度(kgf/cm2)。 (2) 剪力及扭力強度輕質混凝土之剪力與扭力強度與常重混凝土相似，但須應用下列方法之一修正之： 14.

(39) 第二章文獻回顧. (a) 當 f ct 已予規定時， f r 之公式須以 f ct / 1.8 替代 f ' c，但所用之 f ct / 1.8 值不得超過 f ' c 。 (b) 當 f ct 未予規定時， f r 之公式中之 f ' c ，對粗細骨材皆為輕質骨材之全輕質混凝土須乘以 0.75；對常重砂輕質混凝土須乘以 0.85。介於以上兩者間之含有部分輕質細骨材之混凝土可以內插法定之。 (3) 鋼筋伸展長度在 ACI 規範中，輕質混凝土內之受拉竹節鋼筋與麻面鋼線等之基本伸展長度均要修正，以反應輕質和常重混凝土間之差異，修正因數為： (a) 當 f ct 已知時，修正因數＝. 1 .8 f ' c ≥ 1 .0 。 f ct. (b) 當 f ct 未知時，修正因數＝1.3。 (4) 彈性模數在 ACI 規範中，混凝土之彈性模數 E c 定為： E c = wc. 1.5. ⋅ 4270 ⋅. 2. fc' (kgf/cm ). 其中， wc 為混凝土之單位重，適用範圍為 1.5 至 2.5 tf/m3。若混凝土單位重超出此範圍時，則須另外以試驗方式定之。. 3、國內對於輕質混凝土的相關法規國內對於輕質混凝土的相關法規，則由中國土木水利工程學會依據美國 ACI 318-02 為範本，來進行設計規範之編撰。基本上，有關輕質混凝土設計規範之內容，均與上述之 ACI 318-02 版的規範相符。. 15.

(40) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 表 2-1 輕質骨材之種類與基本物理性質來源. 種類. 顏色. 外型. 白色及淺灰色. 渾圓或方形. 0.34~0.63 0.35~1.15. 85. 達50. 熔岩(泡沫火山岩) 棕色或棕褐色. 準圓或方形. 0.75~1.4. 1.8~2.8. 40. 10. 浮石. 天然. 物理性質單位重統體密度孔隙率吸水率 3 3 (%) (%) (g/cm ) (g/cm ). 珠岩. 白色或淡色. 粗短型. 0.04~0.15. 0.1~0.3. 95. ≒0. 蛭岩. 黃棕色. 立方形或長條形. 0.06~0.17. 0.1~0.35. 95. ≒0. 膨脹黏土. 紅棕色或黑色. 圓形. 0.3~0.9. 0.6~1.8. 75. 8~20. 膨脹頁岩. 棕色或灰棕色立方形或長條形. 0.45~0.9. 0.8~1.8. 70. 5~10. 膨脹爐渣. 灰色或灰暗色粗短多角或尖銳型 0.5~0.85. 1.0~2.0. 46~60. 20~35. 0.04. 99. ≒0. 人造輕質骨材. 有機質泡沫球. 白色. 圓形. 0.02. 表 2-2 CNS 及 ASTM 對輕質骨材混凝土強度規定最大平均單位重（kg/m3）. 最小平均 28 天抗劈、張力強度（kgf/cm2）. 最小平均 28 天抗壓強度（kgf/cm2）. 1840. 20. 280 以上. 1760. 20. 210. 1680. 20. 175. 全輕質. 1760. 22.5. 281. 1680. 21.1. 211. 1600. 20.4. 176. 砂非輕質. 1840. 23.2. 281. 1760. 21.8. 211. 1680. 21.1. 176. 規範 CNS 3691. ASTM C330. 16.

(41) 第二章文獻回顧. 表 2-3 輕質骨材混凝土彈性模數與單位重、抗壓強度之關係彈性模數 (GPa) 抗壓強度 (MPa). 輕質骨材混凝土單位重. 常重混凝土. 單位重 3. 單位重 3. 1400 kg/m. 1900 kg/m. 2300 kg/m3. 30. 11. 19. 28. 40. 12. 21. 31. 50. 13. 23. 34. 60. 14. 25. 36. 17.

(42) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 圖 2-1 良好的輕質骨材應具有堅硬的外殼以滯含內部的孔隙. 圖 2-2 輕質骨材點壓強度會隨著顆粒粒徑便大而降低. 500. P. point loading(kgf). 400. 300. P 200. 100. 0 10. 12. 14. 16. 18. 20. aggregate grain size (mm). 18. 22. 24.

(43) 第二章文獻回顧. 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3. LWAC NC. (108%). (100%). 20. 30. (116%). 40. 50. 60. Percentage of aggregate (%). 圖 2-4 水泥用量與輕質骨材混凝土抗壓強度關係 700 600 Slump = 400~800mm 抗壓強度 (kgf/cm2). Thermal conductivity K (w/mk). 圖 2-3 細骨材含量對輕質骨材混凝土 k 值之影響. 500 400. 上限. 300 200. 下限 100. 0 200. 250. 300 350 400 450 水泥量(kg/m3). 500. 550. 19.

(44) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 圖 2-5 輕質骨材混凝土抗壓強度與水泥砂漿、骨材強度間的關係. 強度水泥砂漿的強度成長. 輕質骨材強度. 材齡. 圖 2-6 輕質骨材混凝土的分界強度. 80 NWC LWAC. concrete strength (MPa). 70. w/c=0.40. 60 50 40 30 20 10 10. 20. 30. 40. 50. 60. mortar strength (MPa). (a). 20. (b). 70. 80.

(45) 第二章文獻回顧. 圖 2-7 輕質、普通混凝土之強度成長比較圖 100 NWA LWA. (%). 75. 50. 25. 0. 1天. 2天. 3天. 5天. 7天. 10 天. 14 天. 28 天. 圖 2-8 Ec、Em、Ea 之關係圖 1.8. Em/Ea = 0.3. 1.7 1.6. Em/Ea = 0.4. Ec / Em. 1.5 1.4. Em/Ea = 0.5. 1.3. Em/Ea = 0.6. 1.2. Em/Ea = 0.7 Em/Ea = 0.8. 1.1. Em/Ea = 0.9. 1.0. Em/Ea = 1.0. 0.9 Em/Ea = 1.5. 0.8 0.7. Em/Ea = 2.0. 0.6. Em/Ea = 3.0 Em/Ea = 4.0 Em/Ea = 5.0 Em/Ea = 6.0. 0.5 0.4 0.1. 0.2. 0.3. 0.4. 0.5. Aggregate fraction. 21.

(46) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 圖 2-9 纖維與混凝土表面的剝落 (W/C=0.33、20 mm 聚丙烯纖維) (a) 沒有添加纖維. (b) 纖維添加量＝2.5 kg/m3. (c) 纖維添加量＝3.5 kg/m3. 圖 2-10 混凝土受高溫作用時，其強度之折減情形. 22.

(47) 第三章試驗計畫. 第三章試驗計畫第一節試體規劃本研究採用石門水庫淤泥所燒製成的輕質骨材，進行輕質骨材混凝土構件行為及防火隔熱性能之研究，其中包含輕質骨材混凝土基本隔熱性能測試、鋼筋輕質骨材混凝土樑、版等構件的結構性質與耐火試驗以及輕質骨材混凝土縮小尺寸密閉房屋受日曬的室溫變化等試驗，另一方面，並灌置相同強度之常重混凝土試體，以為比較分析。為完成上述之研究，就各項試驗所需之試體數量、型式、試驗之變數、材料、配比、試體製作方式以及試驗方法等細節，在本章中將個別加以說明之。 1、輕質骨材混凝土握裹長度之測析鋼筋輕質骨材混凝土之握裹破壞行為與常重混凝土者並不相同 [36-37]，其主要區別在於常重混凝土的破壞先發生於骨材與水泥漿之界面，而輕質骨材強度較低，在握裹力作用時，將因無法承受支承力而破碎，形成混凝土壓碎破壞。因此，在一般抗壓強度下，常重混凝土擁有較佳之鋼筋握裹力。然而，高強度輕質骨材混凝土則已具備常重混凝土之力學性質[38-42]。為比較鋼筋與輕質及常重混凝土間握裹性質的差異，本項研究課題擬分別製作三種強度等級（20MPa、40MPa 及 60MPa）的輕質骨材混凝土及常重混凝土試體，以進行握裹試驗。主要乃採用 ASTM C234 規範之建議，製作 150mm×150mm×150mm 之標準混凝土拉拔試體，以及加入 3 號竹節鋼筋之箍筋的拉拔試體，安置的方式如圖 3-1，其與受拉鋼筋（6 號竹節鋼筋）之間距定義為箍筋距離 d，如圖 3-2 所示。每組相同抗壓強度之混凝土又依箍筋距離為 30、45、60 mm 及無箍筋等細分四小組，每一小組各製作 2 個試體，合計 48 支試體，試體規劃詳列於表 3-1。. 2、輕質骨材混凝土樑剪力強度之測析 23.

(48) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 文獻上有許多分析模式可以用來預測 RC 樑的剪力強度，而多數規範或經驗公式大都假設鋼筋混凝土構材臨界斷面所承受的撓曲應力與剪應力可分別處理，至於兩者之間的交互影響則透過間接的方式予以補強。故在大部分的混凝土規範中，含腹筋 RC 樑的極限剪力強度 Vn 可表示為腹筋所提供的剪力值 Vs 和混凝土所提供的極限剪力強度 Vc 之和，故引導出下式： (3-1). V n = Vc + V s. 依據 ACI 規範[61]，含腹筋鋼筋混凝土樑得極限剪力強度可計算如下： ⎛ V d⎞ Vn = ⎜⎜ 0.16 f c' + 17.2 ρ u ⎟⎟bd + ρ v f yv bd Mu ⎠ ⎝. (mm-N). (3-2). 式中：b =樑的寬度；d =樑的有效深度；fc' =混凝土抗壓強度；fyv =腹筋之降伏強度；ρ=縱向鋼筋比；ρv =橫向鋼筋比.；Vu =臨界斷面的剪力； Mu =臨界斷面的彎矩。對於鋼筋輕質混凝土樑之剪力強度則由式(3-2)乘以 0.85 來折減。惟近年來，隨著人造輕質粒料燒製技術之改良，也可相對增進鋼筋輕質混凝土樑之剪力強度，而其改善程度則有待探討。樑構件剪力試驗值之分析可分為剪力開裂強度及極限剪力強度之計算，分別可由式(3-3)及式(3-4)求得： Vcr =. Pcr 2 bd. (3-3). Vuc =. Pu 2 bd. (3-4). 式中：Vcr=剪力開裂強度；Pcr=樑產生剪力開裂時之載重；Vuc=樑極限剪力強度；Pu=極限狀態時之載重。為比較鋼筋輕質及常重混凝土樑在剪力行為上的差異，本項研究課題擬分別製作輕質及常重混凝土樑試體，以進行剪力強度試驗。樑試體為不含箍筋之單筋 RC 樑，其剪力試驗擬探討之項目包括觀察剪力破壞模式，判斷跨深比在何範圍為中長樑或短樑，並將所得極限剪力強度值與 ACI 公式及文獻的建議式相比較，以檢核各建議式對鋼筋輕質混凝土樑構件之適用性。剪力試驗所考慮的變數為混凝土強度與跨深比。試體的設計為不含剪 24.

(49) 第三章試驗計畫. 力筋，以確保承受荷重後之破壞方式為剪力破壞。混凝土樑剪力試驗的配筋圖及試體規劃如圖 3-3 及表 3-2 所示，試驗上澆置試體尺寸為 0.12×0.2×1.5 m 的常重與輕質混凝土樑，取抗壓強度為 20、 40 及 60 MPa 三等級，主筋為 4 根 4 號竹節鋼筋，且不配置箍筋以確保樑試體為剪力破壞模式。每組各製作 2 個試體，合計 12 支樑試體，在進行剪力試驗時，分別取 2.0、2.5、3.0、3.5 四種剪跨比進行測試，以比較常重與輕質混凝土樑剪力強度的差異。. 3、輕質混凝土等值矩形應力塊參數與輕質混凝土樑構件彎矩強度之測析鋼筋混凝土構件承受撓曲作用所產生的壓應力分佈情形通稱為應力塊（stress block），在評估其行為與極限強度時扮演相當重要的角色。如圖 3-4 所示，構件在極限彎矩作用下，其略呈拋物線形的壓應力分佈情形可由應力塊參數（k1、k2、k3）來描述之；k1 為應力塊平均壓應力與最大壓應力之比值、k2 為由壓力側外緣起算混凝土合力作用點位置深度與中性軸深度之比值、k3 為最大壓應力與混凝土圓柱試體抗壓強度之比值。由圖 3-4 可知，受壓混凝土面積上壓應力之總合力 C 可計算如下： C = k 1 k 3 f c' bc. (3-5). 式中，b=構件之寬度；c=中性軸之深度。於延性破壞情況下，鋼筋拉力 T 為： (3-6). T = As f y. 由平衡條件 C=T，中性軸 c 可表示為： c=. As f y. (3-7). k1 k 3 f c' b. 構件之標稱彎矩強度則可表示為： M n = As f y (d − k 2 c) = As f y (d −. k 2 As f y ) k1 k 3 f c' b. (3-8). 25.

(50) 輕質骨材混凝土設計規範及防火隔熱性質研究. 由式(3-8)可知，祇要知道（k2/k1k3）即可算出構件之標稱彎矩強度，而不需要 k1、k2、k3 之各別數值。文獻資料顯示[62]，k2/k1k3 大約介於 0.55 至 0.63 之間。然而，對於設計者而言，最好能使用較簡單的方法來計算。因此，ACI 規範乃採 Whitney 之等值矩形應力塊參數[63]，以簡化構件標稱彎矩強度之計算。其中，應力塊深度 a=β1c；β1 為試驗常數。有關應力塊參數之求得，已有許多學者對無圍束混凝土進行研究，本研究即量測混凝土圓柱試體的應力應變曲線，由其應力應變曲線再換算求得各試體之 k1k3 與 k2 數值。為驗證前項研究所求得的輕質混凝土應力塊參數，擬選定特定之構件進行鋼筋輕質混凝土樑的撓曲試驗。既有文獻資料顯示，箍筋對單筋 RC 樑與雙筋 RC 樑的延展性都有影響；在單筋樑中，拉力鋼筋比與箍筋含量可同時改變其延展性；在雙筋樑中，除了拉力鋼筋比與箍筋含量之外，還須計入壓力鋼筋比ρ'。因此，在參考文獻結果後，擬採用固定之構件跨深比，進行撓曲試驗，考量的參數最少為混凝土強度及拉力鋼筋比。在此同時，有若干試體係依現行 ACI 318 規範之最少剪力筋要求，參考國內常用之箍筋間距設計之。試驗上澆置試體尺寸為 0.15×0.2×1.5 m 的混凝土樑，取抗壓強度為 20 MPa 及 40 MPa 兩等級，主筋為 4 根 4 號竹節鋼筋，箍筋取 2 號竹節鋼筋，其間距則為 100 mm ，每組各製作 2 個試體，合計 8 支樑試體，並測試鋼筋混凝土樑在受火害前後之抗彎強度、撓度與延展性等撓曲性能。鋼筋混凝土樑之配筋圖及試體規劃分別如圖 3-5 及表 3-3。另外並澆置ψ100×200 mm 的圓柱試體，試體規劃如表 3-4，測試其火害前後的抗壓強度變化。. 4、輕質骨材混凝土防火性能之試驗驗證耐燃性能依照材料燃燒性能的定義係指，在火災初期（閃燃發生前）應為不易或僅有微量燃燒現象、燃燒速度緩慢、不易產生有害的濃煙及氣體；在高溫火害下，不會有變形、熔化、 26. 裂等現象。防火材料的防火時.

(51) 第三章試驗計畫. 效測試是以時間為衡量單位，必須有隔火能力，試體是按照實際使用時的安裝方法，安裝在高溫爐中。當試驗開始時，爐內的溫度是按照 CNS 12514 的標準升溫曲線，在三十分鐘時，爐內溫度應升至 840 ℃，一小時則升至 925 ℃，燃燒後觀察試體外觀的變化及破壞的情形。而依混凝土的各種升降溫速率及不同的最高溫延時之研究結果可知 [64-68]，升降溫過程由於溫度的變化，會引起骨材與硬固水泥漿體間的膨脹不諧和，導至兩者界面層產生裂縫；其升降溫速率的不同也使產生的開裂現象有所差別。至於最高溫的延時所造成的影響，則為加熱的第一小時內對抗壓強度的折損最為明顯，且隨著溫度的上升，其影響程度逐漸降低，但整體而言，強度的損失幾乎只發生在前兩小時的延時內。依 CNS 12514 的定義，材料的阻熱性係指在標準耐火試驗條件下，受測之試體其一面受火時，能在一定時間內，其非加熱面溫度不超過規定值之能力。換言之，就是試體背火面在耐火測試時，溫度不能超過規範所規定之最高溫或平均溫。如 CNS 12514 即規定任一點之溫度不得大於 210℃，所有測點之平均溫度不得大於 170℃。準此，為比較輕質及常重結構混凝土構件在防火安全性能上的差異，本項研究課題以標準升溫曲線對輕質及常重混凝土樑結構桿件加熱，以探討其抗彎強度、變形及延展性之變化，作為防火安全性能之試驗驗證，樑試體之規劃如圖 3-5 及表 3-3 所示。耐火加熱溫度係依據 CNS 12514 之耐火標準加熱溫度-時間曲線圖，以判定各試體的防火時效，防火試驗用試體主要以版試體為主，試體尺寸為 0.3×0.1×1.0 m，取混凝土抗壓強度為 20 MPa 及 40 MPa 兩等級，並於試體中央放置鋼筋號數為 3 號竹節鋼筋網，鋼筋間距則為 200 mm ，共製作有 7 片混凝土版試體，以測試鋼筋混凝土版之耐火性能，鋼筋混凝土版之配筋圖及試體規劃分別如圖 3-6 及表 3-5。。混凝土構件防火安全性能除利用實驗驗證之外，也將採用數值分析程式之模擬方式來進行比對研究。. 27.