卜作嵐摻料對再生混凝土與鋼筋間界面過渡區影響之研究

嵐 摻 料 對 再 生 混 凝 土 與 鋼 筋 間 界 面 過 渡 區 影 響 之 研 究 內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告 年 度 108

卜作嵐摻料對再生混凝土與鋼筋間界面過渡區

影響之研究

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 108 年 12 月

卜作嵐摻料對再生混凝土與鋼筋間界面過渡區

影響之研究

受委託單位：建國科技大學 研究主持人：吳崇豪 共同主持人：林喻峰 研究員 ：黃中和 研究助理 ：林樹根 研究期程 ：中華民國 108 年 1 月至 108 年 12 月 研究經費 ：新臺幣 123 萬 9,500 元整

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 108 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) PG10801-0736 108301070000G0023 PG10801-0736 108301070000G0023

目 次 目 次 ... I 圖 次 ... III 表 次 ... III 摘 要 ... IX 第一章 緒 論 ... 1 第二章 文獻回顧 ... 3 第一節 再生混凝土 ... 3 第二節 輕質混凝土 ... 10 第三節 飛灰、爐石特性及卜作嵐反應 ... 28 第四節 混凝土界面過渡區 ... 19 第五節 混凝土與鋼筋間的界面特性 ... 28 第六節 混凝土與鋼筋的握裹行為 ... 30 第三章 試驗規劃 ... 37 第一節 試驗材料 ... 37 第二節 混凝土配比 ... 42 第三節 試體模具製作 ... 44 第四節 混凝土拌製及澆置 ... 46 第五節 試驗設備及試驗方法 ... 50 第四章 試驗結果與討論 ... 65 第一節 混凝土新拌性質試驗 ... 65 第二節 混凝土抗壓強度試驗 ... 70 第三節 混凝土抗彎強度試驗 ... 74 第四節 鋼筋拉拔試驗 ... 77

第五節 混凝土滲透試驗 ... 106 第六節 快速氯離子滲透試驗 ... 110 第七節 掃描式電子顯微鏡觀測 ... 114 第八節 混凝土單價分析 ... 123 第五章 結論與建議 ... 125 第一節 結論 ... 125 第二節 建議 ... 127 參考文獻 ... 129 附錄一 期初審查會議與回應 ... 137 附錄二 期中審查會議與回應 ... 141 附錄三 第 1 次工作會議 ... 145 附錄四 第 2 次工作會議 ... 147 附錄五 專家學者座談會議紀錄 ... 149

圖 次 圖1-1 研究流程圖 2 圖2-1 普通與輕質骨材混凝土之破壞型式 12 圖2-2 輕質骨材混凝土分類及單位重示意圖 13 圖2-3 水泥及卜作嵐材料C-A-S系統相位圖 16 圖2-4 混凝土中的泌水現象 19 圖2-5 典型混凝土過渡區示意圖 21 圖2-6 混凝土與鋼筋間界面的微觀結構 28 圖2-7 鋼筋周圍的多孔帶尺寸 29 圖2-8 握裹力的組成 31 圖2-9 鋼筋與混凝土間的支承力 34 圖3-1 爐石 40 圖3-2 飛灰 41 圖3-3 再生骨材 41 圖3-4 輕質骨材 41 圖3-5 抗壓試驗試體模具 44 圖3-6 抗彎試驗試體模具 45 圖3-7 鋼筋拉拔試驗試體模具 45 圖3-8 鋼筋拉拔試體模具 45 圖3-9 混凝土坍度試驗 46 圖3-10 混凝土抗壓試驗試體 47 圖3-11 鋼筋混凝土握裹試體 47 圖3-12 混凝土抗彎試驗試體 48 圖3-13 滲透試驗試體(左)及氯離子滲透試驗試體(右) 48 圖3-14 篩除粗骨材 48 圖3-15 試體養護 49

圖3-16 混凝土單軸拌和機 51 圖3-17 強制式水平雙軸拌和機 51 圖3-18 萬能材料試驗機 52 圖3-19 快速氯離子穿透試驗儀 52 圖3-20 透水試驗儀 53 圖3-21 混凝土初終凝試驗儀 53 圖3-22 掃描式電子顯微鏡 54 圖3-23 混凝土抗壓試驗 55 圖3-24 混凝土抗彎試驗 55 圖3-25 鋼筋拉拔試驗 56 圖3-26 資料擷取器 57 圖3-27 混凝土滲透試驗 57 圖3-28 RCPT試驗抽真空幫浦容器 60 圖3-29 壓克力材質的電位容器與銅網 60 圖3-30 快速氯離子穿透試驗儀試體安裝 61 圖4-1 各式混凝土坍度 68 圖4-2 各式混凝土新拌單位重 68 圖4-3 各式混凝土空氣含量 69 圖4-4 各式混凝土凝結時間 69 圖4-5 各式混凝土抗壓強度 73 圖4-6 各式混凝土抗彎強度 76 圖4-7 常重混凝土(NC280)拉拔握裹試驗之載重－位移關係圖 85 圖4-8 輕質混凝土(LC280)拉拔握裹試驗之載重－位移關係圖 85 圖4-9 再生混凝土(RC280)拉拔握裹試驗之載重－位移關係圖 86 圖4-10 飛灰常重混凝土拉拔握裹試驗之載重－位移關係圖(7天) 86 圖4-11 飛灰常重混凝土拉拔握裹試驗之載重－位移關係圖(28天) 87

圖4-12 飛灰常重混凝土拉拔握裹試驗之載重－位移關係圖(56天) 87 圖4-13 飛灰輕質混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(7天) 88 圖4-14 飛灰輕質混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(28天) 88 圖4-15 飛灰輕質混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(56天) 89 圖4-16 飛灰再生混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(7天) 89 圖4-17 飛灰再生混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(28天) 90 圖4-18 飛灰再生混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(56天) 90 圖4-19 爐石常重混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(7天) 91 圖4-20 爐石常重混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(28天) 91 圖4-21 爐石常重混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(56天) 92 圖4-22 爐石輕質混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(7天) 92 圖4-23 爐石輕質混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(28天) 93 圖4-24 爐石輕質混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(56天) 93 圖4-25 爐石再生混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(7天) 94 圖4-26 爐石再生混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(28天) 94 圖4-27 爐石再生混凝土鋼筋拉拔試驗之載重－位移關係圖(56天) 95 圖4-28 常重混凝土拉拔強度情形(7天) 97 圖4-29 常重混凝土鋼筋拉拔破壞情形(28天) 98 圖4-30 常重混凝土鋼筋拉拔破壞情形(56天) 99 圖4-31 輕質混凝土鋼筋拉拔破壞情形(7天) 100 圖4-32 輕質混凝土鋼筋拉拔破壞情形(28天) 101 圖4-33 輕質混凝土鋼筋拉拔破壞情形(56天) 102 圖4-34 再生混凝土鋼筋拉拔破壞情形(7天) 103 圖4-35 再生混凝土鋼筋拉拔破壞情形(28天) 104 圖4-36 再生混凝土鋼筋拉拔破壞情形(56天) 105 圖4-37 混凝土滲透率 109

圖4-38 SEM混凝土試體之取樣位置 115 圖4-39無摻卜作嵐材料混凝土之SEM觀測結果 116 圖4-40 飛灰摻量30%混凝土之SEM觀測結果 117 圖4-41 飛灰摻量45%混凝土之SEM觀測結果 118 圖4-42 飛灰摻量60%混凝土之SEM觀測結果 119 圖4-43 爐石摻量30%混凝土之SEM觀測結果 120 圖4-44 爐石摻量45%混凝土之SEM觀測結果 121 圖4-45 爐石摻量60%混凝土之SEM觀測結果 122

表 次 表 2-1 輕質骨材種類及基本物理性質 11 表 2-2 飛灰及爐石特性與應用 16 表 3-1 水泥、爐石化學成分及物理性質 38 表 3-2 飛灰化學成分與物理性質 39 表 3-3 常重粗細骨材基本性質 40 表 3-4 再生粗骨材基本性質 40 表 3-5 輕質骨材基本性質 40 表 3-6 試驗變數 42 表 3-7 常重混凝土配比(1m3_{) 42} 表 3-8 輕質混凝土配比(1m3_{) 43} 表 3-9 再生混凝土配比(1m3_{) 43} 表 3-10 氯離子穿透性與 RCPT 總通過電量關係 59 表 4-1 混凝土新拌性質試驗結果 67 表 4-2 混凝土抗壓強度 72 表 4-3 混凝土抗彎強度 75 表 4-4 常重混凝土鋼筋拉拔應力 (7 天) 77 表 4-5 常重混凝土鋼筋拉拔應力 (28 天) 78 表 4-6 常重混凝土鋼筋拉拔握裹應力 (56 天) 78 表 4-7 輕質混凝土鋼筋拉拔握裹應力 (7 天) 79 表 4-8 輕質混凝土鋼筋拉拔握裹應力 (28 天) 79 表 4-9 再生混凝土鋼筋拉拔握裹應力 (56 天) 80 表 4-10 再生混凝土鋼筋拉拔握裹應力 (7 天) 80 表 4-11 再生混凝土鋼筋拉拔握裹應力 (28 天) 81 表 4-12 再生混凝土鋼筋拉拔握裹應力 (56 天) 81 表 4-13 混凝土滲透試驗結果 (28 天) 107

表 4-14 混凝土滲透試驗結果 (56 天) 108 表 4-15 常重混凝土 RCPT 總電荷試驗結果 (28 天) 111 表 4-16 常重混凝土 RCPT 總電荷試驗結果 (56 天) 111 表 4-17 輕質混凝土 RCPT 總電荷試驗結果 (28 天) 112 表 4-18 輕質混凝土 RCPT 總電荷試驗結果 (56 天) 112 表 4-19 再生混凝土 RCPT 總電荷試驗結果 (28 天) 113 表 4-20 再生混凝土 RCPT 總電荷試驗結果 (56 天) 113 表 4-21 各式材料單價 123 表 4-22 各式混凝土單價分析 124

摘 要 關鍵詞：卜作嵐材料、界面過渡區、骨材、握裹強度、耐久性 一 、 研 究 緣 起 開發具有節能、環保及再利用等性質的混凝土已成為重要的課題，現行 做法係以飛灰、爐石取代部分水泥拌製混凝土，以減少水泥的用量，並改善 混凝土中的界面過渡區品質，增加混凝土的晚期強度及耐久性；骨材部分則 以人造輕質骨材或再生骨材取代天然常重骨材，減緩開採天然砂石對環境的 影響。水泥漿體與骨材間之交界區域稱為界面過渡區，此區為混凝土中的弱 面，因此界面過渡區品質的好壞決定混凝土的強度及耐久性，而骨材吸水行 為、膠結材料的種類則影響界面過渡區的品質，國內外已有相關研究探討該 課題，惟對於膠結材料用量的影響或更進一步探討鋼筋與混凝土間的界面性 質則付之闕如。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本研究規劃常重混凝土、輕質混凝土及再生混凝土等三種混凝土，設計 抗壓強度為 280kgf/cm2_{，飛灰及爐石取代水泥量分別為 0%、30%、45%及} 60%，試驗項目包含抗壓試驗、抗彎試驗、鋼筋拉拔試驗、掃描式電子顯微 鏡(SEM)觀測、混凝土滲透試驗及快速評估混凝土抵抗氯離子滲透能力試 驗，探討膠結材料種類、用量及骨材種類對混凝土界面過渡區，以及與鋼筋 間界面的影響。 三 、 重 要 發 現 隨飛灰及爐石摻量的增加(如 60%)，需添加較多的強塑劑及延長拌和時

間，混凝土才具有流動性，因添加強塑劑致使混凝土凝結時間延後的現象也 需注意。此外，摻有爐石之混凝土抗壓強度發展較摻有飛灰者理想，於早齡 期即可提升混凝土的強度，並隨齡期的增加抗壓強度仍會持續提升；混凝土 抗彎強度亦隨爐石摻量增加而提升。鋼筋拉拔試驗結果顯示，無摻加卜作嵐 摻料之常重混凝土的握裹應力較高，再生混凝土次之，輕質混凝土最小；整 體而言，摻有爐石之混凝土握裹應力較高，摻有飛灰者次之，無摻卜作嵐摻 料者最小。混凝土滲透試驗及快速氯離子滲透試驗也顯示，隨飛灰或爐石摻 量的增加，混凝土的滲透率降低，耐久性較好。掃描式電子顯微鏡觀測結果 則顯示，隨著齡期的增加，三種常混凝土與鋼筋間界面的氫氧化鈣數量逐漸 減少，可有效改善界面的品質，增加混凝土與鋼筋間的握裹應力。 四 、 主 要 建 議 事 項 根據卜作嵐材料混凝土與鋼筋間界面品質及握裹強度之研究成果，本研 究提出下列具體建議。以下分別從立即可行建議及中長期建議加以列舉。 建議一 檢送本所摻加卜作嵐材料混凝土配比設計，提高混凝土抗壓強度及鋼筋握裹 強度之相關混凝土配比設計研究成果供業界參採：立即可行之建議 主辦機關：台灣區預拌混凝土工業同業公會 本研究規劃常重、輕質及再生骨材混凝土等三種混凝土，設計抗壓強度 為 280kgf/cm2_{，飛灰及爐石之水泥取代量分別為 0%、30%、45%及 60%，試} 驗項目包含抗壓、抗彎、鋼筋拉拔試驗、掃描式電子顯微鏡(SEM)觀測、混凝 土滲透試驗及快速評估混凝土抵抗氯離子滲透能力試驗，進而探討膠結材料 種類、用量及骨材種類對混凝土界面過渡區，以及與鋼筋間界面的影響，根

據試驗結果顯示，整體而言摻有爐石之混凝土抗壓強度發展較摻有飛灰者理 想，於早齡期即可提升混凝土的強度，並隨齡期的增加抗壓強度仍會持續提 升；混凝土抗彎強度亦隨爐石摻量增加而提升。鋼筋拉拔試驗結果顯示，無 摻加卜作嵐摻料之常重骨材混凝土的握裹應力較高，再生骨材混凝土次之， 輕質骨材混凝土最小；摻有爐石之混凝土握裹應力較高，摻有飛灰者次之， 無摻加卜作嵐摻料者最小；混凝土滲透試驗及快速氯離子滲透試驗也顯示， 隨飛灰或爐石摻量的增加，混凝土的滲透率降低，耐久性較好；另掃描式電 子顯微鏡觀測結果則顯示，隨著齡期的增加，摻有卜作嵐摻料之混凝土與鋼 筋間界面的氫氧化鈣數量逐漸減少，可有效改善界面的品質，增加混凝土與 鋼筋間的握裹應力。本研究摻加飛灰及爐石等卜作嵐材料，提高混凝土抗壓 強度及鋼筋握裹強度等之不同混凝土配比設計研究成果資料供業界參採。 建議二 建議後續可辦理卜作嵐摻料對混凝土界面微觀結構之相關研究，以助增加混 凝土之抗壓強度及降低透水性，並減少粒料析離及梁柱接頭區鋼筋之埋置長 度：中長期性建議 主辦機關：內政部建築研究所 本研究成果顯示，飛灰、爐石等卜作嵐材料取代部分水泥添加於混凝土 中，在進行卜作嵐反應的過程會消耗混凝土與鋼筋間之水化產物氫氧化鈣， 使混凝土緻密性增加，有助於提升混凝土晚期強度；另從握裹強度發展顯示， 惟摻有飛灰之再生骨材混凝土，其握裹強度發展較無規律，主要原因是再生 骨材表面孔隙量較多、吸水量大，加上卜作嵐反應的影響，使再生骨材混凝 土與鋼筋間之界面過渡區趨於複雜，建議後續可辦理卜作嵐摻料對混凝土界 面微觀結構之相關研究，以助增加混凝土之抗壓強度及降低透水性，並減少 粒料析離及梁柱接頭區鋼筋之埋置長度。

ABSTRACT

Ke ywords: Pozzol ani c m at erial s , interfaci al t ransit ion zone, aggregat es, bond st rengt h, durabilit y

1. Pu rpose of Research

The devel opm ent of concret e wi th energy conservati on, environm ent al prot ection and reuse has becom e an import ant iss ue. The current practi ce is to repl ace parti al cement wit h fl y as h and blas t sl ag fum e t o reduce cem ent , im prove i nterfaci al transition zone in concret e, increas e the st rength at l at e age and durabil it y of concrete; us e li ght wei ght aggregat e or rec ycl ed aggregat ethe t o repl ace norm al -wei ght aggregat e to slow down the environment al impact of mining natural aggregat e. The boundar y area between cement pas te and aggregat e i s defined as the i nt erfaci al transition zone. This zone is a weak area of the concret e. Therefore, the interfaci al t ransiti on zone det ermines t he strengt h and durabil it y of concrete, while t he abs orption of wat er b y aggregate and the kinds of cem entiti ous mat erials affect t he quali t y of int erfaci al t ransition zone. S om e res earches alread y discuss the int erfaci al transition zone of concrete, however there is few research invesit gate the am ount of cementitious m at eri als on t he int erfaci al properti es bet ween rei nforci ng bar and concret e.

2. Method ology and Process

The s tud y aims to invesit gat e the kinds of aggregat es , the amount of Pozzonali c m at eri al s on the i nt erfacial properti es between

rei nforci ng bar and concret e. There are three kinds of concrete adopt ed, such as normal -wei ght concret e, li ght wei ght concret e and rec ycl ed concret e. The desi gned com pres sive strength is 280kgf/ cm2, and the replacem ent rat es of fl y as h and blust slag fum e are 0%, 30%, 45% and 60%, res pectivel y. The experim ental it ems include th e t est s of com press ive st rength, fl exural strength, pull -out of reinforcing bar, s canning el ectron mi croscope (SEM), wat er perm eabil it y and rapid chloride perm eabili t y and s on.

3. I mportant Findin gs

With the increas e of the repl acement rat e of fl y ash and blust slag fum e (s uch as 60%), it is necess ar y t o add more superpl as ticiz er and extend t he mixing tim e to keep the workabilit y of concret e. Add t oo m uch superplas ticizer inducing t he del a yi ng s etti ng ti me of concrete is also required t o be not ed. In a ddition, t he compressi ve strength of concret e incorporati ng blust s lag fume is bet ter t han that of fl y as h. Adding blust sl ag fum e can m ake concret e enhance com press ive st rengt h at earl y age, and the st rength s till conti nue to increase with the increas e of age. The fl exural st rengt h of concret e also increas es wit h the increase in repl acem ent rat e of blus sl ag fum e. The results of the pull -out test show that the norm al -wei ght concrete wit hout adding Pozzonzli c mat erials is hi gher than those of rec ycl ed concr et e and li ght wei ght concret e. Overall, the concret e with blus sl ag fume has a bett er bond st rength, t he concret e with fl y ash i s i nferior and the concret e wit hout pozzomali c m ateri als has t he lowest bond srength. The wat er permeabilit y t est and the rapid

chl ori de ion perm eation tes t also showed that the perm eabil it y of concrete decreased with the increas e of t he bl ast slag fum e, resulti ng t he concret e has a bet ter durabil it y. The obs ervation result of scanning elect ron microscope show s t hat the amount of ca lcium h ydroxide at the interface bet ween the concrete and reinforcing bar graduall y decreas es with the age increas ing, which can effectivel y improve the bond s tress between the concret e and reinforcing bar.

4. Major Recommed ation s

1) Imm edi at e i mpl ement ati on:

Spons or Agenc y: Tai wan R ead y-mixed Concrete Industr y Associ ati on

Co-s ponsor Agenc y: Archit ecture and Bui lding Research Insti tut e, Mini str y of the Int eri or

The results of the res earch show that the repl acem ent rat e of Pozzolani c m at eri als exceeds 30% of the wei ght of cem ent , concrete will del a y t he setting t ime. This probl em can be overcom e b y the mix desi gn of concrete and im proving the performance of superplasti cizer, whi ch making the fi nal setting tim e of concrete withi n 24 hours to avoid affecti ng the earl y st rengt h of the concret e. However, t he superplas ticizer res earchers do not underst and the basi c properti es of fl y as h and sl ag fum e well, especi al l y t he properti es of the overall cem entit ious mat eri al s at hi gh cont ent. The y need t o cooperat e with civil m at eri als engineeringers to devel op superplasti cizers suit abl e for concrete i ncorporating hi gh volum e P ozzonalic mat eri al s.

2) Long-term i mpl ement ati on:

Minist r y of the Int erior

The result s of the research show t hat P ozzonali c mat eri als can improve the bond st rength bet ween concret e and reinforcing bar and the fail ure t ype of concrete is s plitting and brittl e fail ure. However, this result can't present the fl exural fai lure and bond st rengt h of rei nforcem ent concret e beam s. It is necessar y t o furt her i nvesit gate the i nfl uence of P ozzonali c m at erials on the bond st rengt h of rei nforced concret e beams. Using t he fl exure bond test of rei nforcem ent concret e beams and the obs ervation of the ITZ microst ructure t o research the reacti on mechanism of Pozz onalic mat eri al s on t he bond strength of reinforcem ent concrete beam s. The stud y res ult can be appli ed i n t he desing of t his concret e.

第一章 緒 論 1. 研究緣起 內政部建築研究所多年來進行多件有關綠色混凝土的研究案，舉凡再 生骨材混凝土(以下簡稱再生混凝土)、水庫淤泥輕質骨材混凝土(以下簡稱 輕質混凝土)、廢輪胎橡膠混凝土、高摻量飛灰混凝土等，研究成果豐碩， 也大致指出此類混凝土的工程性質與一般混凝土相當，可取代傳統混凝土 應用於建築結構，惟再生骨材、輕質骨材表面多孔易吸水特性與天然常重 骨材不同，勢必改變骨材與水泥漿間界面過渡區的組成結構，對混凝土與 鋼筋間的粘結品質及混凝土的耐久性造成影響。是以，本研究擬進行飛 灰、爐石等礦物摻料對混凝土與鋼筋間界面區影響之研究，研提改善界面過 渡區品質的配比設計，以提升混凝土的應用價值。 2. 研究背景 由於混凝土具有孔隙及吸附的性質，會將空氣中的水氣與有害氣體吸 入混凝土內部，造成混凝土耐久性的損失，嚴重者將使混凝土崩解脫落， 最終造成鋼筋混凝土的破壞。為改善混凝土的耐久性，可添加飛灰及爐石 等礦物摻料於混凝土中，增加新拌混凝土的稠度，減少泌水的現象，降低 硬固混凝土內部的孔隙含量，改善混凝土界面過渡區的緻密性，提高混凝 土與鋼筋間粘結強度及混凝土的耐久性，惟再生骨材及輕質骨材表面吸水 特性對卜作嵐摻料的反應及混凝土與鋼筋間界面區的影響為何，尚未有完 整的研究討論，值得進一步深入的研析。 本研究流程規劃如圖 1-1 所示。

圖 1-1 研究流程圖 （資料來源：本研究整理） 研究計畫成立 文獻與法規蒐集及彙整 卜作嵐摻料混凝土配比設計及 試拌 界面過渡區觀測試驗 驗 成果報告 計畫完成 混凝土耐久性試驗 實驗數據整理與分析 混凝土力學性質試 驗 期末審查 期中審查 專家學者 座談會 模具及混凝土試體製作

第二章 文獻回顧 第一節 再生混凝土 1. 混凝土的再利用 隨著混凝土科技的進步，各種再生利用的混凝土製品推陳出新，舉凡 採用卜作嵐材料，如飛灰、爐石、矽灰等工業副產品，再生骨材、水庫淤 泥輕質骨材、廢輪胎橡膠骨材等人造骨材。摻加卜作嵐材料取代水泥有減 少混凝土乾縮變形及水泥水化熱等優點，採用再生骨材及水庫淤泥輕質骨 材取代天然骨材，則可減少天然砂石的消耗及減輕混凝土的重量。再生混 凝土的節能、減碳及再利用等優點，使得該類混凝土具有推廣應用的價 值。 臺灣再生混凝土的應用起因於 921 地震的災後重建，為消化大量混凝土 廢棄物，行政院推動「921 震災廢棄物再生利用」計畫，訂定磚瓦、混凝土 塊、土石及鋼筋等廢料均可處理後再生利用，其中混凝土塊、土石等可再 生為替代天然砂石以產製混凝土產品。臺灣再生混凝土的產業起步較歐美 國家來的晚，諸多國家如日本、美國、荷蘭、英國、俄羅斯、德國、丹麥 等都已制訂標準施工規範，並在鋪面工程上當作新拌混凝土之骨材使用， 尤其是歐洲地區，如荷蘭，其廢棄混凝土再生使用率已超過 90%，是最為 成功的例子之ㄧ。 2 再生骨材混凝土 2.1 再生骨材顆粒結構 再生骨材與天然骨材最大差別在於，再生骨材大都為建築物或是結構 體破碎後再製成的產物，因破碎的過程不同，在經過顎式壓碎機時，其外 觀為多角不規則形，而天然骨材則為河川砂石直接取得，表面因河川的沖 刷而形成光滑。這是再生骨材和天然骨材外觀上的不同點之ㄧ。

再生粗骨材乃是由廢棄建築混凝土塊碎化而成，其表面粗糙又多孔， 雖稱不上是最佳粒形，但已能滿足混凝土骨材之粒形要求。至於再生細骨 材部分，其外形為多角形，孔隙率大、吸水率高，若將使用再生細骨材 時，所得到的再生混凝土性質變異性差異太大，不好控制。故 Buck 建議再 生混凝土最好只使用再生粗骨材，至於細骨材部分，則以天然砂取代之 [1]。 2.2 再生骨材物理性質 營建拆除廢棄物所產生之廢混凝土及紅磚經過顎式壓碎機後，表面會 呈現多角不規則形，但就其物理性質而言，原混凝土及原水泥漿的強度、 取樣的結構位置及來源、再生骨材表面因破碎石所黏附之水泥砂漿及水泥 漿、骨材的吸水率、單位重、比重、孔隙率、含泥量以及磨損率等等都會 影響再生骨材製成混凝土的強度及其他性質。 一般廢棄混凝土塊在經過破碎時，其表面會殘存水泥漿及水泥砂漿， 根據文獻[2]指出，再生骨材表面含有大量水泥漿(約 17%)而在文獻[3]中更 指出，附著於再生骨材之泥漿附著量約在 25~60%間。 2.2.1 單位重 日本的研究指出，再生骨材因混合紅磚且表面含有水泥砂漿的特性， 因而造成再生骨材之單位重較天然骨材輕，再生粗骨材面乾內飽和比重介 於 2.34~2.49、再生細骨材面乾內飽和比重介於 2.19~2.32。 2.2.2 吸水率 Hansen 和 Narud 的研究成果指出，再生骨材粒徑 4~8mm 者，吸水率為 8.7%；粒徑 16~32mm 者，吸水率為 3.7%，而再生骨材所沾的純水泥砂漿則

高達 17%[3]。相較之下，天然骨材吸水率只有 0.8~3.7%，顯見再生骨材的 吸水率的確有偏高之趨勢。基於再生骨材之高吸水性，一般建議在拌製再 生混凝土前，先將骨材預濕 (S.S.D.狀態) 以保持再生混凝土品質之穩定。 當再生骨材乾比重 (O.D) 愈低其吸水率愈高，另外再生骨材表面水泥砂將 附著量與吸水率呈正比之關係。故吸水率較大 (吸水率與處理的程度高低成 反比，亦即處理程度愈高，砂漿脫去愈多，吸水率愈低) 為骨材再生技術尚 待研究發展之處[4]。 2.2.3 孔隙率及磨損率 研究中指出，再生骨材之平均孔隙直徑為 0.043~0.0899μm，孔隙體積 為 0.00753~0.1028 c.c/g；而天然河川骨材直徑約為 0.0396μm，孔隙體積為 0.0487 c.c/g[2]。由此可知再生粗骨材不論在孔隙直徑及體積皆大於天然骨 材，進而影響骨材比重、強度及吸水率。而磨損率方面，再生粗骨材 500 轉磨損率約為 30~33.8%大於天然河川粗粒料的 18%，唯皆低於 CNS1240[2] (混凝土用粗粒料之磨損率應小於 50%) 及 CNS6299 (一般混凝土用碎石之磨 損率應小於 40%) 之規定[5]。 2.2.4 骨材內所含的不純物 不純物當中，以塗料、經加工材的接著劑等在拆除前和拆除後都很難 加以去除的物質為首，還有木、紙、隔熱材、防水用瀝青等等，會對再生 骨材的品質造成很大的影響。相對於以上的不純物，玻璃、石材、磁磚、 磚塊等，對於再生骨材的品質並不會造成太大的影響。另外，鋼筋等的金 屬材料在再生骨材的處理工程當中，有時會妨礙到粉碎與篩選的過程[6]。 另外，根據文獻，再生骨材與天然骨材的主要差異有下列幾點[7]： (1) 來自基礎或建築物樑柱的再生骨材所含有毒物質高於暴露者。

(2) 與天然骨材相較，再生骨材之表面多角粗糙。 (3) 天然細骨材之比重為 2.60~2.70，天然粗骨材之比重為 2.60~2.80。而再 生骨材比重較低，粗粒料約 2.2~2.5，細粒料約為 2.0~2.3，通常骨材比 重小於 2.60 則強度欠佳。 (4) 與天然骨材相較，再生骨材為高鹼性 PH＞11，於潮濕且接觸鋁材或通 電鋼材環境下易鏽蝕。 (5) 天然骨材吸水率約為 0.8~3.7%。而與天然骨材相較，再生骨材具高吸水 性，吸水率於粗粒料約 2~6%、細粒料約 4~8%，特別是粒徑小於 4.75mm 者其吸水性更為顯著。 (6) 骨材含水量的多寡將影響混凝土配比上的用水量，因而影響水灰比，混 凝土的強度也將跟著有所變動。 (7) 再生骨材之摩擦角約 40 度，較天然骨材為大。 (8) 再生骨材小於#200 號篩之含量較天然骨材多。 (9) 再生骨材粒度的分佈及顆粒的形狀較差[8]。 2.3 再生骨材對混凝土工程性質之影響 2.3.1 新拌混凝土性質 由於再生骨材和天然骨材在諸多性質上的差異，因而對於再生骨材為 主體之再生骨材混凝土及其新拌性質與使用天然骨材的一般混凝土亦有所 有不同。 2.3.1.1 工作性 研究指出含再生骨材之混凝土因再生骨材外形較天然骨材差，施工性 亦不好[9]，也因此再生骨材混凝土之坍度值較採用相同粒度天然砂石者為

低 (約達普通混凝土之 67~100%) [10]，因此原則上要使用減水劑以改善其 工作性。但同時使用再生粗骨材和再生細骨材製造的混凝土表面會顯得較 粗糙，不易修飾。因此一般文獻皆建議以天然砂代替再生細骨材，藉由添 加 25%以上的天然砂將可改善其各項性質，亦有部分學者建議完全使用天 然砂，可提昇再生混凝土品質，工作性也較佳[10]。 2.3.1.2 水泥用量 與普通混凝土相較，亦需作稍許調整。許多有關混凝土之研究，大致 上已確定混凝土之抗壓強度與水灰比有相當的線性關係，包括再生混凝土 在內也有此種趨勢。但普遍存在著再生混凝土強度不如普通混凝土的情 形。如前所述，在相同水灰比之下，為了使再生混凝土 (再生粗骨材+天然 砂) 與普通混凝土有相同工作度而須增加 5%用水量，基於由水灰比控制抗 壓強度的原理，為使水灰比保持一定，水泥用量也需相對提高 5%或者更 多。若使用再生細骨材，以往文獻均指出，將會導致再生混凝土抗壓強度 有明顯下降的趨勢[11]。因此，在相同強度或坍度之條件下，再生混凝土將 比普通混凝土需要較多的水泥用量，而使用再生砂則需要更多的水泥用 量，顯然較為不經濟。 2.3.1.3 需水量 水在混凝土中之功能是供應水泥水化作用及使混凝土具有足夠之工作 性，因此若工作性愈好則需水量愈大，但當用水量愈大亦可能會造成混凝 土強度的降低。Mukai 指出，欲製出與使用天然骨材之普通混凝土相同坍度 的再生混凝土 (再生粗骨材+天然砂)，其用水量須比相同配比之普通混凝土 增加約 10kg/m3 _{或 5%。而增加用水量後，為了維持相同的水灰比或水膠} 比，必須相對加水泥用量。使用之再生混凝土 (再生粗骨材+天然砂) 其水 泥用量需相對提高 5%或更多[12]。

2.3.1.4 坍度損失率 因水泥砂漿附著再生骨材表面導致拌合時吸收部分拌合水導致工作度 不佳，而坍度損失率亦較使用天然骨材高。文獻指出，在相同配比的高流 動化混凝土，使用再生粗骨材的高流動化混凝土之 45 分鐘坍度損失率較天 然骨材高流動化混凝土高約 2.04~8.7%[13]。 2.3.2 硬固混凝土性質 2.3.2.1 抗壓強度 文獻[3]強調，骨材與砂漿的黏結力，按骨材來源而有所不同，其黏結 力從大致小為碎石＞廢棄碎石＞廢棄碎水泥石＞廢棄碎水泥砂漿，其中廢 棄水泥砂漿只達天然碎石的 54%。由此可知，再生骨材表面所含之水泥砂 漿多孔隙、吸水率及比重等因素皆影響再生骨材混凝土抗壓強度的發展。 而在骨材品質方面，不同品質的再生骨材容易造成抗壓值變動，文獻[14]指 出，由 12 種不同品質 (不同水灰比或不同強度) 的舊混凝土，作一相同配 比之再生骨材混凝土，其 28 天抗壓強度從 32MPa 到 49MPa 都有，平均強 度為 41MPa，標準偏差 5MPa，變異係數 12%。 2.3.2.2 磨耗試驗 混凝土試體磨耗率係依抗壓強度之增加而減少，並依齡期增加而減 少，而比較相同強度等級與同齡期試體磨耗率，使用再生骨材之混凝土為 使用天然骨材混凝土的 122~392%，這說明再生骨材混凝土的抗磨耗性不如 普通混凝土[2]。 2.3.2.3 單位重 因再生骨材內含骨材、紅磚以及水泥砂漿之混合體。也因紅磚及水泥

砂漿的比重較天然骨材輕，故以再生骨材所拌製而成之再生骨材混凝土之 單位重也較普通混凝土輕。就文獻所提出，再生骨材混凝土其單位重約為 使用天然骨材混凝土單位重之 85~95%[15]。

第二節 輕質混凝土 1. 輕質混凝土的應用 輕質混凝土包括輕質骨材混凝土、氣泡、泡沫混凝土及中空混凝土。其 中較為重要的輕質骨材混凝土是由人造輕質骨材與水泥、水等拌和而成的 混凝土。氣泡、泡沫混凝土及中空混凝土主要作為隔間牆、隔音牆等非承重 結構之材料；結構用輕質混凝土多為輕質骨材混凝土，可應用於超高層建築 物以減少結構斷面及鋼筋量，應用於橋樑構造物則可增加跨度，也因混凝土 自重減輕，可減低結構物承受的地震力。非結構用輕質骨材混凝土，具有良 好的隔熱保溫性及隔音性能，有效節省空調的費用約。 2. 輕質骨材種類 輕質骨材大致可分為人造及輕質骨材兩大類，天然輕質骨材大多為含 有孔隙的火山噴出岩，是由火山岩漿從不同的深度噴出火山口後，冷卻成 形狀、性質各異的多孔隙材料[16-17]；而人造輕質骨材種類相當多，重要 的有利用天然石材如黏土、頁岩、火山玻璃石、生雲母等燒製而成的膨脹 黏土(Expanded clay) 、膨脹頁岩(Expanded shale)、珍珠石(Perlite)、蛭石 (Vermiculite)等，以及由工業廢料如爐石、飛灰等製成的膨脹爐石(Foamed slag)等。人造輕質骨材依不同之製造過程又可分為冷結型及燒結型兩類 [18]： (1) 冷結型人造輕質骨材：大多以工業副產品如煤灰或飛灰等為主要原 料，利用水泥及石膏膠結材料，將之與砂基體材料相結合，不需加熱 燃燒，故稱為人造輕質骨材。其目的乃是煤灰等本身重量輕以及顆粒 間具孔隙，可製成單位重較小的人造輕質骨材。 (2) 燒結型人造輕質骨材：主要原料為黏土、頁岩及板岩等，再以高溫燒 結而成。原料之發泡機構，為燒結型人造輕質骨材製造上最重要之機 理，而原料依其形成地質環境之不同，以及本身所含礦物質和有機質

含量相異，將影響其燒製時的膨脹性質。 3. 輕質骨材特性與應用 輕質骨材之物理性質會因產地、原料、製造方式不同而有諸多差異， 如表 2-1 所示[19]。無論天然或人造輕質骨材，骨材內部皆具有相當高比例 的孔隙，其顆粒密度的分佈範圍甚廣，使輕質骨材存在質輕、高吸水率、 表面粗糙、低強度、低單位重之特性。其製成之輕質骨材混凝土之單位重 較小，而具有耐震、耐火及隔熱等優點，破壞形式與普通混凝土不同，破 壞模式如圖 2-1 所示。輕質骨材由於多孔隙特性，故其混凝土受力時，會自 骨材先行破壞，使破壞面延著骨材分佈；而普通混凝土使用之粗骨材較輕 質骨材質地堅硬，故破壞面會延著漿體分佈。 表 2-1 輕質骨材種類及基本物理性質 來 源 種類 物理性質 顏色 外型 單位重 密度 孔隙率 吸水率 g/cm3 _% 天 然 浮石 白色及 淺灰色 渾圓或方 形 0.34~0.63 0.35~1.15 85 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 珠岩 白色或 淡色 粗短形 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 人 造 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 有機質泡 沫球 白色 圓形 0.02 0.04 99 ≒0 (資料來源：參考文獻[19])

(a) 普通混凝土破壞型式 (b) 輕質混凝土破壞型式 圖 2-1 普通與輕質骨材混凝土之破壞型式 （資料來源：參考文獻[2]） 由於輕質骨材混凝土具有質量輕、強度高、隔熱、隔音、防水、耐 火、耐久、體積穩定、施工簡便、耐震及經濟等之諸多優點，因為它的比 重為 1.0 至 1.6，而天然骨材約為 2.65，故可以節省材料[20]。而依照輕質骨 材混凝土之不同用途，而使用不同輕質骨材，以確保工程品質，詳細分類 如圖 2-2 所示[21]，顯示輕質骨材混凝土之主要用途可分為三大類，包含隔 熱吸音、預鑄版塊、結構使用，而所使用輕質骨材混凝土的強度分別為低 強度、中強度及高強度[22]。 而由於地震力與建物之總載重量成正比，因此若使用輕質骨材混凝 土，則可減少耐震設計所需的鋼筋與混凝土之使用量。而且由於質輕與高 強特性，故樓版與梁、柱斷面厚度均可變薄，所需鋼筋使用量可相對地縮 減，且可增加樑柱之間距、增加可使用之樓面空間，因此有使用於 71 層樓 之美國芝加哥城的 Lake Point Tower 摩天大樓等許多建築個案之出現。而在 日本，自第二次大戰後，開始嘗試使用人造骨材應用於集合住宅等建設， 直自 1968 年後，由於高度的經濟發展，需要龐大的建築費用，以及天然骨

材的枯竭等原因，因此開始發展應用人造輕質骨材補充天然骨材之不足。 目前生產輕質骨材為製品的國家以俄羅斯、美國、德國、日本、和加拿大 為主要生產國，大部分皆是人工膨脹頁岩、膨脹黏土及版岩輕質骨材，以 及應用工業副產品煤灰、底灰、飛灰和爐渣 等燒製或冷結成輕質骨材 [23-30]。 圖 2-2 輕質骨材混凝土分類及單位重示意圖 （資料來源：參考文獻[21]）

第三節 飛灰、爐石特性及卜作嵐反應 1. 飛灰、爐石之特性 1.1. 飛灰之特性 飛灰來自火力發電廠煙囪所排放之灰塵，係屑煤經磨碎至 70%通過 200 號篩之細粉噴入溫度達 700℃之鍋爐燃燒後，隨熱空氣上升的輕質不燃燒物 經過熱器、再熱器、篩碳器，降溫至 350 o_{C 後成為具化學活性的含矽材} 料，為細顆粒呈非結晶質 (Amorphous) 或玻璃質 (Glassy) 之飛灰，是一種 石英與鋁酸鹽的混合物，本身不具膠結力，而是與水泥水化時產生之氫氧 化鈣作用後，所產生具膠結力之酸鈣水化物。 飛灰分為 C 級與 F 級兩種，C 級通常燃燒褐煤或次煙煤，具有卜作嵐特 性亦具有若干膠結性，其 CaO 含量通常大於 15%，而 SiO2＋Al2O3＋Fe2O3 含量大於 50%，F 級飛灰通常燃燒無煙煤或煙煤，僅具有卜作嵐特性，其 CaO 含量較少，通常小於 10%，而 SiO2＋Al2O3＋Fe2O3含量大於 70%[33]。

飛灰的粒徑約為0.4~100μm，非常微小，比表面積約 2000~5000cm2_/g， 品質良好的飛灰呈玻璃球體，成分中約 85%以上是矽、鐵、鋁、鎂、鉀、鈉 等的氧化物。自 1940 年末期起，飛灰就已經使用於混凝土工程及海中結構 物。飛灰的比重比水泥輕，約為 2.0 至 2.5，細度也可能大於水泥，因此比表 面積較大，拌合混凝土所需的用水量會增加[1]。 由於大部分的飛灰屬於鹼性，摻入混凝土中會增加混凝土的鹼性。基於 飛灰較細和球體外型，加入飛灰可改善新拌混凝土的工作性和泵送性；再 者，以飛灰取代部分水泥有助於降低水泥水化反應產生的熱並增加其晚期強 度，這種性質對水壩、大型基礎、橋墩和橋梁等巨積混凝土結構物相當重要 [1]。

1.2. 爐石之特性 「高爐爐石」簡稱高爐石，為一貫作業煉鋼廠在煉鐵過程所生產之副產 物，國家標準(CNS)稱為「高爐爐碴」，屬一種卜作嵐材料。高爐爐石依冷卻 方式不同可分為水淬爐石及氣冷爐石，水淬爐石因冷卻時間短促，晶體不易 形成且微結構凌亂開放，活性大增而具膠結性，只要細加研磨即可取代部 分水泥，亦稱為高爐熟料。氣冷爐石是採用徐冷方式，形成構造較堅固且 緻密，活性不佳且無膠結性，可做混凝土骨材或製造水泥之原料。 活性高的高爐熟料在水中表面會產生一層酸膜阻隔水份的進入，故需 利用氫氧化鈣與石膏等觸媒的侵蝕酸膜，使高爐熟料、水、氫氧化鈣產生 水化作用。若高爐熟料取代量太大，則水泥水化所產生的氫氧化鈣與石膏 等觸媒量相對減少，致使高爐水泥之初期強度發展因水化反應並不完全而 低於普通水泥。後期因進行一般卜作嵐反應 (有效填充孔隙、消耗氫氧化鈉 以抵抗硫化物侵蝕與鹼骨材反應)，因而提高混凝土的強度與耐久性。當用 水量相同時，高爐水泥之坍度會大於普通水泥。 世界各國運用工業副產品，如飛灰、爐石等卜作嵐材料取代水泥，已 有顯著增加之趨勢，目前國內正在發展高性能混凝土，而卜作嵐材料則扮 演重要角色。在混凝土中添加卜作嵐材料可增加耐久性、改善工作度、提 高強度，並可取代水泥，不但增加材料品質、擴大應用方式及使用範圍， 並對材料成本、資源再利用等問題有直接之貢獻。然而其單獨和水泥時使 用仍各有優缺點存在，如表 2-2 所示。 品質良好的飛灰為圓球顆粒，容易拌和均勻、浮水及乾縮較小，但其 早期強度較低，飛灰的品質變異性較大，且常有燒失量高等缺點；而爐石 粉的缺點為不易拌和均勻，保水性差、浮水多、乾縮較大，但其卻有品質 穩定、燒失量甚低的優點。就以混凝土品管及成效來考慮，同時添加飛灰 及爐石粉可以降低只添加飛灰的變異性，同時也可減少添加高量爐石粉所 產生的泌水、龜裂等問題，也就以爐石粉的優點彌補飛灰的缺點，而飛灰

的優點又可彌補爐石粉的缺點[34]。兩者之 C-A-S 系統相位如圖 2-3 所示 [35]。 添加飛灰及爐石等卜作嵐材料可減少混凝土孔隙，增加混凝土緻密 性，提高結構物抗硫酸鹽侵蝕的能力，並能抑制混凝土內部產生鹼-矽骨材 反應且具有較高的抵抗海水侵蝕[36-38]，惟卜作嵐材料對再生骨材、輕質 骨材與水泥漿體間界面過渡區之影響尚未有完整的探討，尤其為研發性能 更好的再生混凝土，其骨材吸水特性對卜作嵐材料反應的影響機制必須被 充分的瞭解。 表 2-2 飛灰及爐石特性與應用 項目 飛灰 爐石

成分 SiO2、Al2O3、MgO、Na2O、K2O 及 C SiO2、Al2O3、Fe2O3 優點 減少用水量、改善工作度、增加水密 性、提高晚期強度、減少體積變化、 增加耐久性 改善工作度、提高晚期強度、增 加耐久性 缺點 降低早期強度、延緩凝結時間 降低早期強度、延緩凝結時間 應用 預拌混凝土、圬工製品、巨積混凝土、 高性能混凝土 抗硫酸鹽侵蝕、抗凍融作用、及 鹼骨材反應、巨積混凝土、高性 能混凝土 (資料來源：參考文獻[35]) 圖 2-3 水泥及卜作嵐材料 C-A-S 系統相位圖 （資料來源：參考文獻[35]）

2. 卜作嵐反應 卜作嵐材料 (Pozzolanic Materials) 為含矽質或含矽質與鋁質的材料， 本身只有少量膠結性，屬於礦粉掺料，在常溫足夠濕度下，能與水泥水化 產物 CH (氫氧化鈣) 反應成具有強度性質的 C-S-H 膠體，此反應稱為「卜作 嵐反應」。其主要反應機理如下： KH K-S/A-H S/A + NH + H → N-S/A-H (2-1) CH C-S/A-H 主要反應方程式如下：

3Ca(OH)2 +2SiO2 → 3CaO．2SiO2．3H2O (2-2) 3Ca(OH)2+ 2AlO3 → 3CaO．2Al2O3．3H2O (2-3) 卜作嵐材料反應的對象為水泥水化產物的鹼性水化產物，尤其是氫氧 化鈣(CH)。透過式 2-1 式可使 Na+_，K+_{離子固化，將 CH 轉變成既穩定且有} 強度的 C-S-H 膠體。2-2 及 2-3 式顯示卜作嵐反應隨著時間緩慢進行，藉由 不斷消耗易溶於水的 Ca(OH)2，而生成 C-S-H 膠體，填充混凝土的孔隙，使 得混凝土更為緻密。若要加速卜作嵐反應之進行，可提高溫度或加入鹼及 硫酸鹽方式達成之[31]。 卜作嵐材料很少單獨使用，一般是以加入氫氧化鈣、鹼，或是將卜作 嵐材料加入水泥內一起使用。如果配方中有粒料，則卜作嵐物質-氫氧化鈣 之水化反應產物除作為粒料之膠結料 (binder) 外，其具有持續之水化反應 而有封孔效應，使得含有粒料之卜作嵐-氫氧化鈣固化體之強度與緻密性增 加而具有良好性能[32]。

卜作嵐反應的效益可逐漸提昇混凝土的強度，此對結構系統的承載力 深具意義；此外，可以透水的毛細孔隙被阻塞或隔斷，呈現較為耐久的特 性；骨材及鋼筋界面被固化後，有助於提升混凝土的強度及握裹力。

第四節 混凝土界面過渡區

1. 界面過渡區形成原因

以往科學家僅知水泥漿體和骨材間存在一個薄弱的區域，直到 1972 年，法國 G. Farran 利用顯微鏡觀察骨材周圍的水泥漿體，發現有一個暈狀 的區域，其中水化物的密度低於外面水泥基材中水化物的密度，進而明確 提出界面過渡層 (Interfacial Transition Zone, ITZ) 的概念[39]。

界面過渡區形成的原因，一般認為是以下因素所造成： (1) 泌水和屏壁效應(wall effect)： 骨材、水泥及水的比重差異而導致泌水，混凝土於澆置完成後，因水 比重較小而往上浮，在上升過程中，一但受到骨材的阻礙，水分將容易聚 集在骨材表面，導致骨材周圍水泥漿體的緻密性下降[40]，而屏壁效應則是 由於平均粒徑 10μm 的水泥顆粒無法將 10μm~20μm 的纖維表面之空間填 充地像基材一樣緻密，此時水易積聚在骨材與骨材之間；且搗實新拌混凝 土之時，因為震動致使骨材和水泥漿之間產生相對位移，有助於骨材表面 形成水膜，骨材愈大，則水膜愈厚；搗實後等待水泥硬固的期間，浮水逐 漸聚積在骨材下方，如圖 2-4 所示。 圖 2-4 混凝土中的泌水現象 (資料來源：參考文獻[35])

(2) 骨材表面為 CH 晶體提供廣大的成核點[39, 41]： 因為 CH 晶體與骨材間之界面能 (interfacial energy) 小於其與水泥漿體 之界面能，使其於水化作用過程中，鈣離子會有朝骨材移動的趨勢。故骨 材周圍極易形成過飽和溶液，促使 CH 晶體析出並附著於骨材的表面。而這 些 CH 晶體排列具方向性，無法形成緊密的堆積，造成此區生成大尺寸的氫 氧化鈣結晶及鈣釩石，使得相應的凡德瓦爾鍵結力較微弱；並且定向生長 的氫氧化鈣及比漿體更大的孔隙均不利於此區之強度造成多孔隙之微觀結 構。故一般而言，過渡區為混凝土三相中強度最弱之一環。 2. 水泥複合材料界面微觀結構 Bentur 等[42]指出，由水泥砂漿試體破壞斷面經 SEM 觀察中發現砂漿沿 著骨材與水泥漿體間的接觸界面存在一層約只有 1μm~2μm 厚的複式膜 (Duplex Film)。而於複式膜後方約 20μm~100μm 的區域則為大量 CH 的填 充體、孔隙與少部分的 C-S-H 膠體及鈣釩石所組成，此區域稱為孔隙轉置 區 (Porous Transitionzone)；這兩道區域合併起來則是通稱的界面過渡區 (Interfacial Transitionzone，簡稱 ITZ)。複式膜區域，主要影響緻密性的因素 為漿體與骨材的鍵結效果，因此就物理性質而言為骨材表面的粗緻度，而 以化學性質而言，則與骨材和漿體之間是否成為共價結構有關。因此若骨 材表面光滑且不易與漿體形成鍵結效應，則緻密性會偏低。孔隙轉換區則 因其大部分為 CH 填充體，並不具黏結能力，所以並不是一個連續的緻密體 [43]。 而根據 Mehta[44-45]研究可從混凝土澆灌時之過渡區的發展層次瞭解其 結構特性，過渡區示意圖如圖 2-5 所示[46]： (1) 在新拌混凝土中，沿粗骨材周圍形成水膜，使靠近骨材處之水泥 漿體有較高的水灰比。

(2) 與水泥漿體相同，矽酸鈣(C3S)和鋁酸鈣(C3A)化合物溶解產生鈣、 硫酸根、氫氧根和鋁酸鹽離子，它們相互結合以形成鈣釩石(AFt)和氫氧化 鈣(CH)，由於高水灰比，使貼近骨材的結晶產物含有比較大的結晶，因此 所形成的骨架結構比水泥漿基體或砂漿基體孔隙為多。 (3) 隨著水化進展，結晶差的 C-S-H 以及氫氧化鈣和鈣釩石之二次較 小的晶體填充於由大的鈣釩石及氫氧化鈣晶體所構成的骨架間孔隙內，則 有助於改善密度並提高過渡區強度。 就更微觀角度而言，膠結漿體本身有兩個弱面，在複式膜區域，由於 泌水現象及骨材表面水因素，故導致其複式膜漿體水膠比高於膠結漿體母 材 (Bulk Paste) 之水灰比；反之膠結漿體母材由於水分的減少，真正水灰 比降低，使得其本身強度遠大於複式膜區域。而另一個弱面則是鄰近的孔 隙過渡區[47-49]。 圖 2-5 典型混凝土過渡區示意圖 (資料來源：參考文獻[31])

3. 界面過渡區之性質 界面過渡區 (ITZ) 存在的孔隙體積和微裂縫，對混凝土的剛性或彈性 模數有很大影響。若單純就骨材而言，骨材本身強度若依於複式膜及孔隙 過渡區兩個漿體不連續區強度，則混凝土承受壓力時會因骨材的破裂而引 起膠體中空隙裂紋成長，進而導致混凝土破壞。原因在於當骨材含量增加 時，ITZ 的體積便因骨材表面積增加而增加，且骨材表面周圍游離水的增 加，導致 ITZ 水灰比升高，使得膠結母體本身的水灰比下降更多[48-50]；而 減少水膠比有助於減少裂縫大小和改善裂縫發展，除較大裂縫的減少以 外，毛孔大小亦趨於細微。添加卜作嵐掺料摻料可減小毛孔，使得毛細孔 比例減小，CH 結晶和鈣釩石減少，且 C-S-H 膠體和鈣釩石的發展變得更密 集[51]。 Hsu 與 Slate[52] 研 究 界 面 黏 結 強 度 約 為 水 泥 基 材 抗 拉 強 度 的 33%~67%，此外，Slate 與 Matheus[38]指出界面區附近，除形成一微觀結構 較為鬆散之轉換區外，還可能因水泥基材乾縮行為而造成界面脫黏裂紋。 Zaitsev[53]分析混凝土的破裂行為，假設破壞由脫黏裂紋開始，先沿著骨材 與水泥漿體之界面傳遞，到達某一臨界角度時，再轉折進入水泥基材內， 進入水泥基材前脫黏裂紋之擴展，將造成混凝土於巔峰載重前，應力-應變 曲線顯現非線性行為，進而限制混凝土之抗拉強度。當脫黏裂紋於傳遞過 程中遭遇骨材，由於骨材與水泥界面為一弱面，因此裂紋易朝界面歪斜， 最後，混凝土中所有脫黏裂紋彼此連接相通，形成混凝土之破裂剖面。

混凝土承受應力大於 50%極限應力 (Ultimate Strength) 時，ITZ 內各孔 隙會因應力交集而產生更大裂紋，導致混凝土不是單純的骨材與漿體承受 應力，使得混凝土應力-應變曲線之彈性階段較骨材及漿體短，應屬於彈塑 性材料，因而混凝土複合材料性質，並非是個別材料組成加成[50, 53]。

過渡區的特性同樣也影響混凝土的耐久性，預力混凝土和鋼筋混凝土 構件常常由於埋入鋼筋的腐蝕而破壞，鋼筋的腐蝕速率受混凝土滲透性的 影響很大，故鋼筋和粗骨材界面過渡區中存在的微裂縫是混凝土比相應水 化水泥漿體或砂漿滲透性為大的主要理由，且透氣性和透水性是混凝土中 鋼筋銹蝕的先決條件[55]。 4. 國內研究現況 蔡文傑[56]考慮三種輕質骨材含水狀態 (w＝0%、35%、100%)，以及 矽灰取代 10%水泥及添加 1.2%鋼纖維 (體積比)、0.8%碳纖維 (體積比)等變 數進行試驗。試驗結果顯示，以絕乾輕質骨材拌製的混凝土 (LWAC)，有 最高的抗壓強度及界面握裹強度，尤其是矽灰 LWAC 其 28 天絕乾狀態者(D) 比飽和狀態(S)，握裹強度提升約 50%，在抗壓強度方面則是提升約 20%。 因此當骨材的含水率越大時，LWAC 的抗壓強度及界面握裹強度會越低。 由微觀試驗發現，輕質骨材之含水率越小者，其界面區有越低的總孔隙 量、繞射峰值及越高的硬度值，且其界面區寬度亦較小。於相同骨材含水 狀態下，添加 10%的矽灰對 LWAC 界面過渡區微結構有正面之影響，且其 助益較添加鋼纖維、碳纖維者為大。經由各試驗結果可知，輕質骨材的含 水率越小，對其 ITZ 結構發展越理想。而添加適量矽灰後的確可以有效地改 善混凝土晚齡期界面過渡區之結構，因而有較佳的力學強度。 李展誠[57]利用電子散斑干涉儀 (ESPI) 的非接觸式量測技術獲得骨材 與水泥系材料界面過渡區 (ITZ) 之面內(in-plane)位移及面外 (out-of-plane) 位移，了解界面過渡區受溫度影響的動態微奈米變位行為與判斷界面過渡 區範圍。材料的水膠比 0.35，添加體積含量 20%的標準砂，並內含單顆粗骨 材，齡期有 3 天、7 天、28 天，試體從室溫加熱到 30℃、50℃、130℃、230 ℃、330℃、420℃。材料性質除了界面過渡區位移外，有熱膨脹係數、殘

留強度、微觀晶體結構與元素成份分析。結果顯示，水泥系材料隨溫度增 加，殘留強度有先提升後折減現象；熱膨脹係數性質因添加卜作嵐摻料而 有下降趨勢，且隨齡期的增長熱膨脹係數隨之增大趨勢。當溫度達到 230~330℃時界面過渡區位移量達到最大值，材料性質轉換點約 230℃；比 較 ESPI 之 U 場與 W 場位移量測發現，W 場位移判斷的界面過渡區範圍比 U 場的範圍大；隨齡期的增加，界面過渡區整體位移變化趨於平穩；由位移 變化量得知，粗骨材下方的界面過渡區範圍最大，且隨齡期增加界面過渡 區範圍會有縮小情形。經 SEM 驗證得知，ESPI 非接觸式量測技術可做為判 斷界面過渡區範圍的方法。 蕭旭志[58]採用單一水膠比，三種不同水泥取代率之卜作嵐材料 (飛 灰 ： 15% 、 30% 、 40% ； 爐 石 ： 20% 、 40% 、 60% ； 矽 灰 ： 5% 、 10% 、 15%)，分別進行含砂流水沖擊試驗與微硬度試驗。實驗結果顯示，添加飛 灰與爐石不利於過渡區早齡期 (7 天) 的強度與抗沖擊磨耗能力，長齡期後 因卜作嵐反應的逐漸作用，使其抗沖擊磨耗能力逐漸提升。取代率 15%至 30%為飛灰較佳之取代量，而 20%至 40%則為爐石之較佳取代量。添加矽灰 取代部分水泥，在早齡期 (7 天) 的過渡區即有良好的強度及抗沖擊磨耗能 力。以添加飛灰、爐石及矽灰之過渡區及水泥糊體區硬度對總體積損失量 作回歸分析，結果顯示，耐沖磨性與微硬度值約成正比關係，即硬度越大 耐沖磨性越佳，而相關係數則以過渡區者最大，表示耐沖磨性與過渡區硬 度之關係最為密切。 金宏祥[59]探討輕質骨材吸水行為，對於混凝土界面過渡區之影響。試 驗變數主要為漿體水膠比 (0.67、0.41、0.29)，飛灰取代量 (0%、15%)，及 輕質骨材含水狀態 (絕乾、外濕內乾、面乾內飽和、外乾內濕）。藉由五種 不同微觀試驗，對於界面過渡區之微觀結構進行評估，並且比對與常重骨 材混凝土界面過渡區之差異。研究結果顯示，輕質骨材本身之吸水效能會 隨著水膠比之降低而降低。而絕乾狀態之輕質骨材，由於吸水率大之關

係，能夠明顯提升混凝土之界面強度，唯有水膠比 0.29 由於漿體黏滯之關 係，使得界面強度有些微下降之趨勢，但整體界面強度還是優於一般傳統 混凝土之界面強度。而輕質骨材外濕內乾及面乾內飽和狀態，皆不利於界 面過渡區之微觀結構，其微觀結構與一般常重混凝土相似。 游雅婷[60]考慮三種不同含水狀態的輕質骨材 (0%、35%、100%)、水 膠比為 0.55，飛灰及爐石粉分別取代 20%的水泥，進行輕質骨材混凝土 (LWAC) 基本力學性質試驗及微觀結構試驗。試驗結果顯示，以絕乾骨材 (D) 拌製的輕質混凝土其抗壓強度最高，含水率 35%者次之，含水率飽和 者 (S)，其抗壓強度為最低。另外，添加適量的卜作嵐材料可以改善界面過 渡區內的孔隙結構，28 天齡期時，爐石 LWAC 有明顯之卜作嵐反應，而飛 灰 LWAC 則在 91 天齡期時才有著的卜作嵐效應。從微觀試驗發現，輕質骨 材含水率越低者，由壓汞孔隙試驗量所測出之水泥漿總孔隙量與毛細孔隙 量愈少 (D＜35%＜S)，在早齡期時 (7 天及 28 天) 爐石 LWAC 有最低的總 孔隙量。由 X 光繞射試驗可以分析出，界面過渡區中的 CH 含量隨輕質骨材 含水率的增加而增多；而在相同含水率狀態下，飛灰 LWAC 和爐石 LWAC 也有較低的 CH 含量。微硬度試驗結果顯示，骨材含水率越低者，界面過渡 區內的微硬度值越高；在 28 齡期時，相同含水率下，爐石 LWAC 微硬度曲 線的凹口較不為明顯。又由 SEM 觀測出，骨材含水率愈小者，其界面過渡 區內之孔隙有較不明顯的趨勢。 5. 國外研究現況 K. O. Kjellsen 等[61]研究混凝土的微觀結構，水灰比(W/C)為 0.40 時， 在骨材周圍的界面過渡區 (ITZ) 有較多未反應的水泥顆粒，少量的 C-S-H 膠體，多量的氫氧化鈣晶體，以及許多孔隙；如果 W/C 降低或摻加矽灰， 則混凝土 ITZ 結構轉為緻密，C-S-H 膠體數量增加，孔隙減少，ITZ 的厚度

也減少。 W. Li 等[62]研究骨材種類和混合方式對再生混凝土界面過渡區(ITZ)的 影響。經掃描式電子顯微鏡 (SEM) 觀察結果顯示，天然骨材混凝土之 ITZ 由鬆散且多孔的結構組成，而採用再生骨材及混合骨材製作的混凝土，其 ITZ 係由緻密水化產物所組成，ITZ 中的氫氧化鈣明顯減少，說明再生混凝 土 ITZ 相對緻密的孔隙結構有利於其力學及耐久性的表現。 S. Boudali 等[63]使用粉碎混凝土作為骨材拌製混凝土，將粉碎的混凝 土分為粗再生骨材 (CRA) 及篩分成小於 80μm 的細再生骨材 (PFRA)，評 估 PFRA 和 CRA 的物理，機械和微觀結構特性，並探討水泥漿和再生骨材 間的界面過渡區 (ITZ) 的特徵。試驗結果指出，用 100%CRA 和 40%PFRA 拌製的混凝土性能與使用 100%天然骨材 (NA) 和 40%天然火山灰 (NP) 拌 製的混凝土性能相當。此外，含有再生骨材的混凝土抗壓強度略高於具有 NA 的混凝土，藉由為再生骨材混凝土緻密的 ITZ 結構可說這個現象。 I. González-Taboada 等[64]研究再生混凝土骨材對其製作再生混凝土抗 壓強度的影響，研究結果表明，再生骨材質量最敏感的特性是密度和吸水 性。此外，亦探討再生骨材用量、預濕程度對再生混凝土強度的影響，當 再生骨材吸水率低 (低於 5%) 時，預濕或添加額外的拌和水雖可避免混凝 土工作性的損失，但會降低混凝土的抗壓強度，而吸水率高時則不會發生 這種情況。 Amir Elsharief 等[65]探討輕質骨材粒徑 (5-10mm，5-16mm 和 5-20mm) 及骨材濕潤狀況 (乾燥，1 小時預濕和飽和) 對混凝土抗滲性和抗凍性的影 響。試驗結果指出，在滿足混凝土基本工作性的前提下，應盡可能降低輕 質骨材的預潤濕程度，因為乾燥的輕質骨材吸水力有助於降低界面過渡區 (ITZ) 的孔隙度並增加其硬度；混凝土抗凍性試驗結果則顯示，輕質骨材的 強度及緻密的 ITZ 有利於混凝土的抗凍性。因此，具有高強度和低含水量的

輕質骨材可用於產製具有高抗凍性的混凝土。 Jianzhuang Xiao 等[66]進行乾燥和預濕輕質骨材對砂漿微觀結構和耐久 性影響的試驗。研究結果顯示，乾燥和預濕的輕質骨材對與水泥砂漿間界 面過渡區 (ITZ) 的微觀結構影響甚小。對於乾燥和預濕的輕質骨材，圍繞 在骨料周圍具有多孔的 ITZ 從骨料表面延伸約 10 和 15μm；而被緻密砂漿 漿體包圍的的 ITZ 約從骨材表面 10μm 延伸至 50μm。用相同水灰比(W/C) 製作普通骨材混凝土，多孔的 ITZ 從骨材表面延伸超過 35μm。乾燥和預濕 的輕質骨材混凝土比普通骨材混凝土具有較緻密的界面過渡區，具有較好 的抗硫酸鹽侵蝕性。 S.H. Dong 等[67]探討不同預濕程度輕質骨材界面過渡區 (ITZ) 的微觀 結構特徵。試驗結果指出，輕質骨材周圍的 ITZ 厚度依預濕程度不同，約分 布在骨材周圍 30μm 至 60μm 間，而 ITZ 在骨材周圍 20μm 以內的微硬度 值減小，20μm 以外則增加，隨著預潤濕程度的增加，孔隙結構得到細 化，ITZ 得到改善，尤其比天然骨材混凝土者好。

第五節 混凝土與鋼筋間的界面特性 混凝土與鋼筋間的握裹強度是鋼筋混凝土設計的重要因子，因此有關混 凝土的種類、卜作嵐摻料的用量對於混凝土與鋼筋間界面的影響值得探討， 惟探討該界面涉及巨觀的鋼筋握裹性質及微觀的界面觀測，國內外相關的研 究成果並不多。 F.J. Chen 等人研究混凝土與鋼筋間界面區域之多孔帶的變化，藉由觀測 多孔帶的厚度判斷鋼筋腐蝕的機率，試驗變數包含水灰比、骨料尺寸和混凝 土保護層厚度。研究結果表明，在混凝土與鋼筋間界面之多孔帶不均勻分佈 在鋼筋周圍，厚度範圍從幾微米到一百微米之間，如圖 2-6 及 2-7 所示；而 水灰比的大小及混凝土保護層厚度也會成比例地影響多孔帶的厚度[68]。 圖 2-6 混凝土與鋼筋間界面的微觀結構 (資料來源：參考文獻[68])

圖 2-7 鋼筋周圍的多孔帶尺寸 (資料來源：參考文獻[68])

M.I. Serag 等人添加最高 4.5%的納米二氧化矽 (Nano Silica) 於混凝土 中，改善混凝土與鋼筋間界面的黏結品質，探討混凝土與鋼筋間的握裹行 為。研究成果結果顯示，以重量取代水泥的方式，添加 3%納米二氧化矽於 混凝土，其抗壓強度，劈裂強度及鋼筋拉拔強度分別較普通混凝土高出 44%、12%及 39% [69]。

第六節 混凝土與鋼筋的握裹行為 在複合材料的研究上以材料界面性質最為重要。就鋼筋混凝土而言，其 強度與軔性已被證實與混凝土及鋼筋界面之握裹力有關[70]。因為混凝土承 受張力強度的能力較差，混凝土構件所承受之張力主要由鋼筋混凝土界面之 握裹力傳遞至鋼筋上，故沿著鋼筋和混凝土界面建立的轉換行為，為相關研 究之重要基礎。 1. 混凝土與鋼筋握裹力的原理 鋼筋混凝土結構物的應力傳遞是藉由的鋼筋與混凝土間的握裹力來進 行，根據 ACI Committee 408[71]的定義，握裹力是鋼筋和混凝土間的黏結 力 (Adhesion) 、 摩 擦 力 (Friction Resistance) 、 和 鋼 筋 竹 節 的 支 承 力 (Rib Support)所共同組合的應力[72]。 上述各類應力所組成的握裹力作用方式如圖 2-8 所示，各應力作用的機 理則說明如下： (1) 鋼筋與混凝土間之化學黏結力 (Chemical Adhesion) 混凝土中水泥進行水化反應後，產生具有強度之水泥膠體反應物，並 與鋼筋在界面上形成黏結效果，此即為握裹力之ㄧ部分構件承受低應力 時 ， 握 裹 抵 抗 主 要 由 化 學 黏 結 力 所 提 供 ， 此 種 握 裹 抵 抗 力 ， 大 約 在 200~300psi[28]之間。當鋼筋滑動時，此種有限的握裹抵抗力隨即消失，因 此化學黏結力並非握裹力的主要來源[73-74]。 (2) 鋼筋與混凝土間之摩擦力 (Friction) 發生軸向相對運動時之阻抗力稱為摩擦力，一般鋼筋混凝土用鋼筋多為 竹節鋼筋，表面粗糙且具有凹凸不平的紋路，當化學黏結力喪失，且鋼筋與 混凝土間有輕微滑動發生時，握裹強度將轉由摩擦力及混凝土作用於鋼筋

凸緣所造成之卡楯力所共同提供。 (3) 鋼筋與混凝土間之卡楯力 為鋼筋與混凝土之間的一種互鎖作用，此種抗力是由鋼筋上突出之環 節與混凝土間之機械互制作用。此作用是構成握裹應力的最大來源，而摩 擦力及化學黏結力則為次要因素[75]。 圖 2-8 握裹力的組成 (資料來源：參考文獻[76]) 無竹節之光面鋼筋的握裹力，一般認為是由混凝土的水泥漿和鋼筋表 面的黏結力所造成的。然而，鋼筋即使僅受到很低的張應力，也會發生明 顯的滑動現象，造成鋼筋和混凝土間的黏結破壞，引起鄰近混凝土的碎 裂，而僅整個滑動長度之摩擦力來抵抗鋼筋相對於周圍混凝土之移動。 竹節鋼筋的握裹強度較大，因為竹節與周圍混凝土增加支承力作用， 此為握裹力的主要來源，而黏結力和摩擦力次之。鋼筋承受較低應力時， 由黏結力提供主要的握裹力，隨著應力增加，可能在鋼筋與混凝土表面間 發生相對位移，造成黏結破壞，時候握裹力主要由摩擦力和支承力來提供

[77]。若繼續增加鋼筋的應力，使得鋼筋與混凝土面逐漸鬆脫，造成摩擦力 消失，最後幾乎由支承力來傳遞握裹應力，直到竹節處之混凝土被局部壓 碎或破裂，使其支承力消失而導致整體破壞。Edwards and Yannopoulos 的研 究顯示[78]，光面鋼筋的握裹強度約為竹節鋼筋的 35%~50%。 2. 握裹力分析 Kemp[79]曾在 LOK-TEST 試驗系統中得到壓力強度和拉拔荷重之間的 線性關係。因此進行握裹強度試驗時必須先將壓力強度的條件控制成一致， 以消除壓力強度變化對拉拔荷重之影響。 鋼筋的握裹分為兩種，即錨定握裹與撓曲握裹。錨定握裹力是以拉拔 試驗求得之握裹力，僅考慮單一鋼筋與混凝土間的握裹行為，試驗上比撓 曲握裹方便，故一般作鋼筋握裹力研究時，大多以錨定握裹的拉拔試驗進 行研究與討論。考慮單一鋼筋的握裹力機制時，鋼筋在兩斷面間的內力變 化量就是握裹力，其計算式如下[80]： s b b s

A

d

_f

f

q

u















4

0 0 (2-4) 其中： u＝握裹應力 q ＝鋼筋單位長度內的力量改變量 0_{＝鋼筋單位長度的標稱表面積} fs_{＝鋼筋單位長度內應力的改變量} Ab_{＝鋼筋斷面積} db_{＝鋼筋標稱直徑} 另外，鋼筋混凝土梁構件承受撓曲載重時，就會產生撓曲握裹行為，

撓曲握裹的相較於錨定握裹，撓曲握裹的影響的因子較多，其握裹力分析 也較為複雜。Orangun 等人於 1977 年根據水壓理論[81]，探討鋼筋混凝土梁 之握裹應力分佈，從而發展出由鋼筋間距及保護層來判斷握裹力的破壞模 式，並考慮鋼筋埋設長度、保護層、鋼筋間距、鋼筋尺寸、箍筋效應以及 混凝土強度等參數，以非線性的迴歸方式，求出握裹力的計算公式： '

500

50

3

2

.

1

_c b yt tr s b b

f

Sd

f

A

l

d

d

C

u

_



















(2-5) 其中 C＝保護層厚度 db_{＝鋼筋直徑} ls＝鋼筋埋設長度 Atr＝箍筋面積 fyt_{＝箍筋降伏應力} S_{＝鋼筋間距} ' c f _{＝混凝土強度} 3. 握裹的破壞模式 鋼筋混凝土的握裹破壞大致上可以分為兩類：側向劈裂破壞（Side-split failure）和剪力拉拔破壞（Shear pullout failure）[82]。鋼筋傳遞其應力至混 凝土中的機構，主要源自於其竹節斜面上的支承力。鋼筋竹節的斜面與其 主軸方向有一斜角，其支承力並分成兩個分力，如圖 2-9 所示。垂直鋼筋軸 向的分力稱為徑向分力（Radial component），會造成鋼筋竹節凸緣推擠周圍 緣混凝土，而使混凝土沿垂直鋼筋之方向產生劈裂的現象，稱為側向劈裂 破壞。此破壞模式屬於脆性，其破壞所產生的裂縫除了發生在試體的受力 面 上 外，還 會在側 面 出 現裂縫 。 另一個 沿 鋼筋軸向的 分力（ Tangential component），是握裹力的主要來源，此軸向分力使得鋼筋竹節凸緣的混凝

土被壓碎剪斷，鋼筋被抽出，而造成剪力拉拔破壞；破壞時產生的裂縫大 部分在試體的受力面上。破壞一般發生在構件斷面較厚，保護層厚度大於 2.5 倍鋼筋直徑，及箍筋束制效應充分的情況。 圖 2-9 鋼筋與混凝土間的支承力 (資料來源：參考文獻[83]) 4. 飛灰、爐石對混凝土與鋼筋間握裹強度的影響 剛澆置完成的鋼筋混凝土結構，易於因搗實不確實及混凝土的泌水， 於鋼筋下方形成水袋，不利於混凝土與鋼筋間的界面強度，適當摻入飛灰 或爐石於混凝土中，可減緩混凝土的泌水現象，改善混凝土與鋼筋間的界