行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 高強度混凝土版耐火性能之研究 ※
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 89－2211－E－009－043－
執行期間： 88 年 8 月 1 日 至 89 年 10 月 31 日
計畫主持人： 鄭復平
共同主持人： 陳誠直
計畫參與人員：盧天財
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學
中 華 民 國 90 年 1 月 29 日
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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
高強度混凝土版耐火性能之研究
計畫編號：NSC 89-2211-E-009-043
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 10 月 31 日
主持人：鄭復平 執行機構及單位名稱：國立交通大學
一、中文摘要 本計畫研究項目為纖維加勁高強度混 凝土版之耐火性能，欲探討之實驗變數有 纖維種類、混凝土強度;另外也製做普通強 度混凝土版及未加纖維之混凝土版以供比 較實驗結果。整個實驗的進行及評量依據 ACI-216 及 ASTM E─119 的規定，試驗之 混凝土版形式為簡支單向版，均承受均佈 載重 200kg/m2，實驗過程中量測混凝土版 隨標準升溫曲線而變化之溫度分佈，版中 (加載、昇溫、降溫、卸載)撓度變化情形、 耐火時效、背面溫度、受熱面的剝落、爆 裂現象、版塊裂痕等。評估其是否符合現 行建築技術規則的要求，以提供設計者參 考。 關鍵詞：高強度混凝土版，纖維加勁，高 溫，耐火時效。 Abstr actSeries studies were conducted in our campus for HSC at elevated temperature. The study of mechanical behavior of slab at elevated temperature for different fibers and compressive strength will be included in this study. The adding of fibers to increase the capability of fire resistance of HSC will be investigated too.
The effect of adding fibers in high strength concrete will be tested to compared with the results from plain HSC. The normal strength concrete slab with different fiber reinforcement were tested for comparison. Whole study will be under the guide line of ASTM E ─ 119 and ACI 216. Simple supported slab with 200kg/m2 will be studied. The distribution of temperature inside of slab and the deflection of slab will be measured in the progress of tests.
Keywor ds: high strength concrete slab,
fiber reinforced, high temperature, capacity of fire resistance
二、緣由與目的 緣由 近幾年來都市建築多朝高樓設計，為 減輕建物自重，降低地震力，與增加使用 空間，高強度混凝土之使用有越來越多的 趨勢;但因高強度混凝土緻密的特性，使其 遭遇火災時，混凝土表面容易剝落、爆裂， 降低混凝土耐火性能。幾次高樓大火突顯 出高樓救火的困難，也使得火場的燃燒時 間延長，在高樓建築救火不易的情況下， 混凝土構件是否能維持足夠的耐火時效就 顯得非常重要。 在混凝土構件裏柱、版、樑為重要構 件，其防火時效在建築技術規則第七十條 有明確規定，柱、樑依使用用途需有 1 到 3 小時的防火時效，而樓地板則需有 1 到 2 小 時的防火時效。本校近年來致力於高性能 高強度混凝土的耐火性能研究，針對高強 度高性能混凝土柱構件的防火試驗已有初 步成果，目前正將結果利用數值分析來模 擬，以取代昂貴的實尺寸實驗。在國科會、 教育部的補助及本校提供相對配合款下， 添購了樑、版試驗用高溫爐，因此後續欲 針對高強度混凝土版的防火時進行試驗， 以獲得各種變數下的實驗資料，提供往後 高強度混凝土版耐火性能數值分析之基 礎，再配合往後樑耐火試驗，構成對整個 建築物柱、版、樑構件受火害的安全性設 計有更完整的瞭解。 本研究考慮實用性及因為版構件澆置 較容易，因此不強調高性能這個特點，主 要針對常用之高強度混凝土版，抗壓強度
為 9000psi 及 11000psi 兩種強度，另外也製 作 5000psi 普通強度混凝土版以供比較;依 據 ACI 216、ASTM E─119 和建築技術規 則的要求，評量其耐火性能。評估重點包 括版及鋼筋溫度是否仍在限定範圍內;在要 求之防火時效內，版是否能支持設計載重 而不至倒塌崩毀。 另外為改善高強度混凝土在高溫下易 剝落、爆裂的特性，據初期對柱構件的研 究發現，添加纖維對混凝土版剝落、爆裂 及韌性能有效改善，因此也欲測試添加聚 丙烯及鋼纖維對混凝土版耐火性能的影 響，以提升高強度混凝土的耐火能力及混 凝土技術的發展，增進高強度混凝土的應 用範圍。 目的 本研究目的為針對常用之高強度範圍 內的混凝土版，依據 ACI216，ASTM E119 及建築技術規則的要求，進行版構件的耐 火試驗，及利用添加聚丙烯及鋼纖維來改 善高強度混凝土的耐火性能，以期能在符 合現行的耐火規範下，提供高品質的混凝 土，提升建築物的安全性。 主要研究目的如下 : (1) 因為不同強度的混凝土，其水灰比不 同，混凝土孔隙分佈也不一致，使得 混凝土內部水分在受火害過程，其水 分蒸發、蒸汽壓力分佈均有所不同， 甚至使表面混凝土產生剝落和爆裂， 而影響構件之耐火時效，因此有必要 對不同強度混凝土進行探討。 (2) 基於上述混凝土表面剝落、爆裂的問 題，本試驗基於柱構件耐火試驗的結 果，嘗試在混凝土內添加聚丙烯及鋼 纖維，以瞭解其對混凝土版耐火性能 的影響。 三、試驗方法與步驟 本研究共製作七個試體，分別是含 有聚丙烯纖維及鋼纖維之試體各三個 (抗壓強度 5000psi、9000psi 及 11000psi 各一個)，另外製作一個 9000psi 不含 纖維之試 體以資比較。試 體尺寸 為 320cm 長，95cm 寬，12cm 厚•使用 雙層間距為 20cm 之#4 鋼筋(圖一)，在 短向距離外邊 17.5cm 及 47.5cm，長向 距離外邊 40cm 及 160cm 處不同深度 各埋設三個熱電耦，以量測試體內溫 度，分別安排於距離受熱面 2.5cm、 5cm 及 10cm 處。 在 製 作 試 體 之 前 先 進 行 配 比 試 驗，其配比及試驗時之抗壓強度見附 表一。在試體經養護後達成預期強度 後，將試體吊到高溫爐之預定位置(其 支 撐 點 距 離 外 邊 為 20cm)並 放置 載 重 ， 在 長 向 中 央 位 置 離 外 邊 為 160cm、90cm、72.5cm、37.5cm 及 29cm 處架設量取變位之 LVDT。依照 ASTM E-119 升溫曲線加熱，於試驗中定時量 取試體內部溫度及試體變形量，於試 驗時間達到 182 分鐘時關掉熱源終止 試驗。部份試體在關掉熱源後仍然繼 續量取試體內部溫度及試體變形量， 直到將試體上之載重移除為止。 四、試驗結果 就不同變因討論試體之撓度與內部溫 度之變化 撓度討論： （1） 由圖二及圖三可知混凝土版受火害 後之撓度不管是加入鋼纖維或是聚 丙烯都是隨著混凝土強度增加而放 大，這種現象可由試驗後試體裂縫 得到合理解釋，因為強度較高之混 凝土版有較大及較多的裂縫，因而 大幅降低其勁度，造成高強度混凝 土有較大之變形量。 （2） 由圖四可知無纖維加勁混凝土版撓 度大於鋼纖維加勁混凝土版，鋼纖 維加勁混凝土版撓度又略大於聚丙 烯纖維加勁混凝土版撓度，但添加 不同纖維的差別不大。 （3） 由圖二至圖四可知受火害之加勁混 凝 土 版撓 度 曲線 可 明 顯 區 分成 三 段 ， 剛 開始 近 似直 線 且 斜 率 相當 大，接著是一段曲線，最後是一段
4 斜率較為和緩近似線性變化之直線 段。此曲線與高溫爐及試體內部之 升溫曲線甚為類似，只不過較為和 緩而且有一些時間落後而已，由此 可知撓度與溫度關係密切。 （4） 試體在依照 ASTM E-119 加溫 180 分鐘後，將高溫爐熄火，開始自然 降溫至一般室溫，混凝土版之撓度 也跟著爐溫的降低而減小。由(圖五) 可知兩者的撓度差值普通強度加勁 混 凝 土版 大 於高 強 度 加 勁 混凝 土 版，也就是說高強度加勁混凝土版 的殘留撓度比較大。5000psi 強度之 混凝土版對於加入鋼纖維或聚丙烯 並無多大差異但對於 11000psi 強度 之混凝土版，鋼纖維混凝土版殘留 撓度大於聚丙烯混凝土版。 （5） 混凝土版於高溫爐停止加熱後，有 一段時間撓度急遽減小，然後逐漸 趨於和緩。其線形與混凝土圓柱試 體抗壓試驗應力─應變曲線之下降 段非常相似。如果再參考圖八之試 體溫度歷時，可以發現兩者極為相 似，由此更可發現混凝土版撓度與 溫度間之關係極為密切。 （6） 由圖六可知，愈靠近支點撓度變形 之曲率愈大，在距支點 L/8 處之撓 度約為中點 L/2 最大撓度的 50%。 又以上之現象，無纖維加勁混凝土 版較聚丙烯纖維加勁混凝土版較鋼 纖維加勁混凝土版明顯。 溫度討論： ( 1 ) 由圖七可知，混凝土版內愈靠近加 熱面之昇溫曲線愈類似上凸拋物曲 線加溫，而愈靠近背面則愈趨於直 線加溫，其間並有一段時間溫度幾 乎沒有變化，其溫度隨著遠離加熱 面而降低。 ( 2 ) 由圖七可知，試體在 180 分鐘後， 高溫爐停止加熱，自然降溫至一般 室溫，其降溫曲線剛開始為下凹拋 物曲線，然後逐漸和緩，最後趨於 水平至一般室溫，離開加熱面較近 處，其降溫速度較快，但不久後不 會深度之溫度趨於一致。 ( 3 ) 本次實驗纖維加勁混凝土版為鋼纖 維與聚丙烯纖維兩種的比較，由實 驗數據可觀察出聚丙烯纖維加勁混 凝土版在 180 分鐘時的版內溫度有 大於鋼纖維加勁混凝土版的趨勢。 但由於兩者纖維在試體所含的設計 比例不盡相同，故實難斷言鋼纖維 加勁較聚丙烯加勁隔熱好。 五、結論 由以上就試驗結果的探討可以發現高 強度混凝土加入纖維可以大量減少混凝土 版受高溫產生之撓度。混凝土版在高溫 下，其撓度隨著試體抗彎強度之增加而放 大。混凝土版在降溫後，其撓度可以降低 至幾乎只有在高溫時的一半。聚丙烯纖維 混凝土版會比鋼纖維混凝土版表現較好 六、計畫結果自評 本計畫執行結果獲得相當寶貴資料，相 信對於高強度混凝土版在高溫下之行為得 到相當的認識，並且得到相當好的成果， 在相關資料整理以後，準備將其修改成英 文版本，投稿國外著名期刊，將整個研究 成果對外公布，本計畫之預期目標大致上 均順利完成。 七、參考文獻 1. Hertz,Kristian,“Heat-Indued Explosion of Dense Concretes”,Report No166, Institute of Building Design, Technical University of Denmark, Lyngby, 1982, p24.
2. Abrams, M.S.and Gustaferro, A.H.,”Fire Endurance of Concrete Slabs as Influenced by Thickness, Aggregate Type, and
Moisture”,Journal, PCA Research and Development Laboratories, V.10, No.2, MAY 1968, p9-p24. Also, Research
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Portland Cement Association.
3. “Standard Methods of Fire Building
Construction and Materials”,(ASTM
5
Standards, V.04.07, ASTM, Philadelphia, p353-p379.
4. “Guide for Determining the Fire Endurance of Concrete Elements”, ACI 216R-89, American Concrete Institute, 1989. 5. 林銅柱, “鋼筋混凝土結構物耐火設計研 習會演講稿”, 國立台灣工業技術學院. 6. 黃清賢, “建築與防火”, 徐氏基 金會, 1988. 表一 混凝土設計配比 設計強度 水 水泥 矽灰 粗骨材 細骨材 纖維 強塑劑 11000psi 166.5 483.0 42.0 900 727.9 20.8 18.0 11000psi 181.5 483.0 42.0 900 727.9 0.9 18.0 9000 psi 173.5 483.0 42.0 900 727.9 20.8 18.0 9000 psi 173.5 483.0 42.0 900 727.9 0.9 18.0 5000 psi 244.0 311.6 0.0 938 816.0 20.8 0.0 5000 psi 244.0 311.6 0.0 938 816.0 0.9 0.0 9000 psi 173.5 483.0 42.0 900 727.9 0.0 18.0 圖一 試體及預埋熱電耦線的位置圖 圖 2 鋼纖維混凝土撓度歷時圖 圖三 聚丙烯混凝土撓度歷時圖 圖四 不同混凝土撓度歷時圖 0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 200.00 Time ( minute ) 0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 D ef le ct io n ( m m ) 11000 compressive strength 9000 compressive strengrh 5000 compressive strength 0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 200.00 Time ( minute ) 0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 D ef le ct io n ( m m ) 11000 compressive strength 9000 compressive strength 5000 compressive strength 0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 200.00 Time ( minute ) 0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 D ef le ct io n ( m m )
concrete with steel fiber concrete with polypoprene plane concrete 120.00 160.00 io n ( m m )
6 圖五 包括降溫階段之撓度歷時圖 圖六 試體長方向最大變形圖 圖七 不同深度溫度歷時圖 0.00 100.00 200.00 300.00 Position ( cm ) -160.00 -120.00 -80.00 -40.00 0.00 D ef le ct io n ( m m )
9000 psi plane concrete 11000 psi with steel fiber 11000 psi with polypoprene 9000 psi with steel fiber 9000 psi with polypoprene 5000 psi with steel fiber 5000 psi with polypoprene
0.00 200.00 400.00 600.00
Timt ( minute )
at 2.5 cm form heating surface at 5.0 cm from heating surface at 10 cm from heating furface
