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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※ 骨材力學性質對 TAICON 硬固性質之影響 (三) ※
※ Effect of Mechanical Properties of Agg regate ※
※ on B ehavi or of Ha rden ed TAIC ON Con c ret e (I II ) ※
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC － 88 － 2211 － E011 － 037
執行期間： 88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日 計畫主持人：張大鵬
共同主持人：
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：國立臺灣科技大學 營建工程系暨研究所
中 華 民 國 89 年 10 月 12 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
骨材力學性質對 TAICON 硬固性質之影響 (三)
Effect of Mechanical Properties of Aggregate on Behavior of Hardened TAICON Concrete (III)
計劃編號：NSC - 88 – 2211 - E011 - 037執行期間：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：張大鵬 國立臺灣科技大學營建工程系 教授
計畫參與人員：魏世嵐、林世洪 國立臺灣科技大學 營建工程系 研究生 一、中文摘要
本研究使用設計強度為 27.58~34.48 MPa
（4000~5000 psi）之常重混凝土與 TAICON 混凝土，比較添加卜作嵐材料之 TAICON 於受剪力時之行為差異；使用設計強度為 55.16~62.06 MPa（8000~9000psi）之高性 能輕質混凝土與高性能混凝土，探討不同 性質與強度之混凝土對剪力強度之影響，
同時以剪力試體之箍筋含量為變數，了解 箍筋的圍束對混凝土剪力強度之影響。
研究結果顯示，在沒有箍筋之圍束下，相 同強度之常重混凝土與 TAICON 混凝土在 28 天齡期所表現之剪力強度大約相同，均 約為 4.72 MPa，但在極限載重時之位移 量，則以 TAICON 混凝土較大。經過扣除 鋼筋之剪力強度後，明顯看出常重混凝土 在有無箍筋時，混凝土本身之剪力強度值 差異不大，高性能混凝土無明顯趨勢，而 箍筋量變化時，TAICON 混凝土之剪力增 加率(每增加一個箍筋時，剪力增加之比率) 為最好，而且有增加之趨勢，高性能輕質 混凝土剪力增加率則次之，但隨箍筋增 加，剪力增加率有降低之趨勢。至於利用 有限元素分析之理論值，則和實驗所得之 數據相差不大，分析顯示，在同樣外力下，
集中加載與均佈加載所得到之行為相似，
但集中加載易在加載處產生應力集中破 壞。
關鍵詞：台灣混凝土、高性能混凝土、有 限元素法、剪力強度、箍筋
英文摘要
In this research, the design strength of normal weight concrete and TAICON concrete is 27.58~34.48 MPa
(4000~5000psi). The effects of pozzolanic material on Taicon concrete are compared.
The design strength of high-performance lightweight concrete and high-performance concrete is 55.16~62.06 MPa (8000 ~ 9000psi). The effects of their different properties and strength on the shear strength are studied. At the same time, the stirrup was used as a variable to understand the effect on the shear strength of various concretes.
The result shows that normal weight concrete and TAICON concrete have with same compressive strengths of 32 MPa have the same shear strength of about 4.72 MPa. But the displacement of peak load for Taicon concrete is higher. After deducting the shear strength of steel from the total load, it is shown that the effect of the amount of stirrup on the shear strength of concrete for normal weight concrete is insignificant. But it has a slight effect on the high-performance concrete. The shear strength of Taicon concrete is increasing with the increase of the amount of stirrup, and has the highest ratio of increase among all concretes. The ratio of shear strength increase for high-performance lightweight concrete is the second. But when the amount of the stirrup increases, the ratio of shear strength increase trends to drop slightly. It is also shown that the experimental results generally match the numerical data from the FEM analysis. The FEM analysis also shows that the shear strains at the shear plane of specimen are almost the same for either applying the concentrated load or uniformly distributed load to the top of the specimen, however the concentrated load may cause the bearing failure on the concrete at the applied load.
Keywords ： TAICON 、 high-performance concrete、FEM、shear strength、stirrup
二、計劃緣由與目的
混凝土自人類使用以來，一直為營建 工程上佔有重要的地位，但早期的混凝土 只停留在水泥及骨材混合的階段，再加上 傳統的配比設計觀念，往往在強度及工作 性上無法兼得。而且材料之配比組成不 當，也會有耐久性的問題。所以國內各界 也不間斷的嚐試改良混凝土的品質，依照 國內的材料特性、人力及環境，試圖找出 一種適合國內本土的混凝土配比。混凝土 的 發 展 從 八 十 年 代 的 高 強 度 混 凝 土
（High-Strength Concrete，HSC），以至九 十 年 代 新 興 的 高 性 能 混 凝 土 （ High- Performance Concrete，HPC）出現，讓混 凝土的發展出現新的變革，高性能混凝土 因為運用了摻料添加的技術，在混凝土中 加入了卜作嵐材料（Pozzolanic material），
使其具有高強度、高流動性、高耐久性、
低潛變及低收縮等優點，克服了傳統混凝 土及高強度混凝土的缺點。
目前國內之工程界，因為侷限於設計 規範的強度限制，以至於在土木工程建設 上，業界仍然偏好採用一般強度（中低強 度）之混凝土，為了提昇國內之混凝土品 質及施工技術，國內學者於是提出發展本 土 化 之 中 強 度 高 流 動 性 高 性 能 混 凝 土
（TAICON，台灣混凝土）之概念，其強度 在 4000~5000 psi 之間，冀望透過產、官、
學界之共同努力，讓高性能混凝土之應用 更為廣泛，並提高國內土木工程建設之品 質。
另 一 方 面 ， 輕 質 骨 材 混 凝 土
（Lightweight Aggregate Concrete，LWAC）
已經在歐美發展大約七十多年。輕質骨材 之比重一般小於 2.0，較一般骨材具有較大 之表面積、較多孔隙及較大之吸水率，而 且強度亦低於一般骨材，但具有一般混凝 土無法達到之質輕及隔熱等優點，故其常 能與常重骨材混凝土相庇美，全世界目前 輕質骨材的產量以蘇聯、美國、德國及加 拿大最多，現已廣泛應用在橋樑及結構建 築物上。至於 HPC 經過一段時間的發展，
近幾年來已經被運用至高層建築結構，經
過推廣及研發，未來將會應用於更多的土 木工程結構上。相對於其他混凝土，國內 學者推動的 TAICON 混凝土，因為尚在發 展初期，其所具有的力學性質與行為並未 完全明瞭。
在一般鋼筋混凝土結構中，直接剪力 亦可造成鋼筋混凝土構件的破壞，此種情 況常見於預鑄混凝土結構、托架、預鑄構 件接頭、剪力牆等結構之剪力傳遞行為，
特別是在接頭處的周圍。在結構設計時，
必須考慮結構物在使用載重下有令人滿意 之行為，而在達到極限載重時需產生韌性 破壞，因為構件比結頭處較有韌性，所以 為了使結構物達到韌性破壞之要求，就必 須確保結構物之個別構件在接合處破壞前 先行破壞。由於目前的設計規範及手冊，
其所建議之公式，基本上係針對常重混凝 土（f’c＜420 kgf/cm2）而言。而 TAICON 混凝土係一新發展之混凝土，亦添加了卜 作嵐材料，其所表現出的剪力值大小及行 為，以及目前一般被採用來計算鋼筋混凝 土剪力傳遞強度之建議公式是否依然適用 於 TAICON 混凝土，仍未可知。而根據文 獻的研究指出，剪力面未開裂時，剪力面 附近臨界區之鋼筋量為低鋼筋量時，計算 剪力摩擦強度的公式，會有不保守的情 況，故亦有做進一步深入探討之必要。
本研究的目的，在瞭解 TAICON 混凝 土之剪力強度及臨界區內鋼筋量對剪力摩 擦強度的影響。藉由和常重混凝土、輕質 骨材混凝土及高性能混凝土的比較，以及 臨界區的鋼筋量的不同，探討 TAICON 混 凝土和同強度範圍的常重混凝土之剪力行 為之差異，並比較較高強度之高性能輕質 混凝土和高性能混凝土，對剪力強度之影 響，希望能夠了解 TAICON 混凝土和其他 混凝土在剪力作用下之行為之異同處，以 及在臨界區內受到箍筋圍束，其所表現出 的行為，以作為未來 TAICON 混凝土應用 在鋼筋混凝土上設計之參考。
三、試驗計劃[1]
本研究計劃係探討 TAICON 混凝土之 剪力破壞強度，及箍筋量對剪力強度之影
響，藉由澆製剪力試體，及混凝土內之鋼 筋應變計之資料收集，並佐以常重混凝土 (ACI)、高強度混凝土及高強度輕質骨材混 凝土之對照組，進一步了解各混凝土之剪 力破壞機制及抗壓強度對剪力強度之影響 3-1 試驗材料
水泥：本試驗之水泥係採用台泥品牌 第一型水泥，其性質符合 CNS61 第一型波 特蘭水泥之要求。
粗骨材：本實驗所採用之粗骨材分為 兩種，常重骨材及輕質骨材。常重骨材採 用大安溪之碎石，經過篩、清洗、烘乾等 程序後，最大粒徑為 Dmax = 12.7 mm，再 進行比重、吸水率、單位重及篩分析等基 本物理性質試驗，作為配比設計之依據。
而本實驗對照組所採用之輕質骨材為燒結 一型，為國內所製造，係以膨脹性黏土、
頁岩為主要原料燒結製成。
細骨材：乃採用濁水溪所產之天然河 砂，細度模數為 3.14，一樣經過清洗及烘 乾等程序後，再進行比重、吸水率、單位 重、篩分析等基本物理性質試驗，再進行 配比設計。
摻料：飛灰取自台電興達火力發電廠 所產之 F 級飛灰。爐石採用中聯公司所產 之水淬爐石粉。強塑劑乃採用啟欣摻料公 司所生產之強塑劑，其性質介於 ASTM C494 所規定之 F 型及 G 型之間。
鋼筋：本實驗試體乃採用#3 鋼筋規格 SD28 作為主筋及箍筋。並在主筋及箍筋部 分，分別貼上應變計，以了解混凝土受力 時各箍筋之變形行為。
應變計：本實驗所採用之應變計為日 本 KYOWA 公司所生產之應變計，於鋼筋 上使用長度為 5mm 之應變計，而混凝土表 面則採用 70mm 之應變計。
3-2 試驗變數
本研究為探討 TAICON 混凝土之剪力 強度及臨界區內鋼筋量對剪力摩擦強度的 影響。試驗變數如下所述：
1.不同混凝土對剪力強度之影響：比較四種 不 同 配 比 混 凝 土 ， 使 用 設 計 強 度 為
27.58~34.48 MPa（4000~5000 psi）之常重 混凝土與 TAICON 混凝土，比較添加卜作 嵐材料之 TAICON 於受剪力時之行為差 異；使用設計強度為 55.16 ~ 62.06 MPa
（8000 ~ 9000 psi）之高性能輕質混凝土 與高性能混凝土，探討不同性質與強度之 混凝土對剪力強度之影響。
2.箍筋量對剪力強度之影響：以剪力試體箍 筋量之數目為變數（0、1、2、3 個箍筋），
了解箍筋的圍束量多寡對四種混凝土剪 力強度及受力行為與破壞模式之影響。
3-3 試驗項目及方法
本研究試驗之項目及方法分述如下：
1.材料基本性質試驗
a.比重試驗：試驗材料包括水泥、飛灰及 爐石，依 ASTM C188 規定進行。
b.粗細骨材比重及吸水率試驗：分別依照 ASTM C127 及 C128 或 CNS 488 及 487 規定進行。
c.粗細骨材篩分析試驗：依 ASTM C33 規 定進行，求取細度模數。
d.粗細骨材單位體積重量試驗：依 ASTM C29 或 CNS 1166、CNS1163 規範進行。
2.混凝土試驗
a.坍流度試驗：依 ASTM C143 或 CNS 1176「混凝土稠度檢驗法」進行，以坍 度錐求得新拌混凝土之坍度及流度。並 量測流度達 45,45cm 時之流動時間。
b.抗壓試驗：混凝土試體尺寸為 10ψ㎝×
20 ㎝之圓柱試體，依 ASTM C39 或 CNS 1232「混凝土圓柱試體抗壓強度檢驗法」
規定實施。
c.劈裂試驗：混凝土試體尺寸亦為 10 ㎝ψ
×20 ㎝之圓柱試體，依 ASTM C496-71 規定實施。
d.靜彈性模數及靜波松比試驗：依 ASTM C469 規定實施，利用變位計、資料擷取 系統及 200T 萬能試驗機，記錄載重，軸 向變位及側向變位等資料，可以得到應 力-應變曲線，進而求得靜彈性模數及靜 波松比。
e.動彈性模數及動波松比試驗：依 ASTM C215 及 CNS 1239 規定實施，採用英國
C.N.S 公司所生產之 ERUDITE 共振頻率 測定儀，量測試體之橫向及縱向共振頻 率，並經公式計算求得動彈性模數 Ed、
剪彈性模數 Gd 及動波松比νd。
f.超音波試驗：超音波的原理是利用音波 在不同的介質裡所傳遞的速度之不同，
藉由量得波速以得知物體內部的狀況。
試驗儀器使用 PUNDIT 超音波量測儀。
g.剪力試驗：
1.試驗機器：剪力試驗是採用最大荷重 100t 之動態萬能試驗機(MTS)。試驗時 乃在試體上方施加一均佈載重，採用 位移控制，速率為 0.0015mm/sec。並 於試驗中將各應變計皆至 UCAM20 擷 取器中， 將所得 之資料收 集至電 腦 中。
2.試體尺寸：剪力試體之尺寸為長 60 cm，寬 32 cm，高 15 cm。試體兩側缺 口寬度為 2 cm。各配比皆澆製四種試 體，分別為沒有通過剪力面的箍筋、1 個箍筋、2 個箍筋及 3 個箍筋四種。
四、結論與建議[1]
典型之試驗結如圖 1 至圖 4 所示，今將本 研究之重要結論歸納如下：
4-1 結論
1. 在本實驗中，高性能混凝土及高性能輕 質混凝土之 7 天抗壓強度就可發展至 85.11%、85.95%，有早強之趨勢，而常 重混凝土與 TAICON 混凝土之發展趨勢 大致相同，因為齡期只至 28 天，無法比 較其後續發展。
2. 原本混凝土之抗壓強度較高之高性能輕 質混凝土，在剪力試驗時，因為骨材較 弱，沒有箍筋其所能承受之極限載重與 剪力值最低。
3. 箍筋對各混凝土配比剪力試驗之極限載 重影響為，1 個箍筋時對常重混凝土及高 性 能 混 凝 土 之 極 微， 只 有 1% ，而 對 TAICON 混凝土而言，有 14.7%，可以看 出箍筋之效應，高性能輕質混凝土為 45.7%，因為其本身抗壓強度較高，雖然 骨材較弱，但箍筋圍束彌補了此一缺
點，開始超越常重混凝土。之後 2 個箍 筋時，常重混凝土及高性能混凝土雖然 上升，但 3 個箍筋時又不再大幅上升，
但高性能輕質混凝土依然往上升，為 229kN ， 且 在 兩 個 箍 筋 時 已 經 接 近 TAICON 混凝土之值 232kN，3 個箍筋擇 期極限強度變為兩倍，TAICON 混凝土 則是一路上升。所以表示在一個箍筋 時，高性能混凝土及常重混凝土並無法 提昇剪力強度值，必須到 2 個箍筋時，
才有提昇剪力強度之效能，且高性能混 凝土似乎有停止之趨勢，但箍筋對於 TAICON 的提昇效能非常明顯，有持續 增強之作用。而對於較具脆性之高性能 輕質骨材，箍筋之效能為四者中最大，
強度約為兩倍。
4. 箍筋之增加對各混凝土之極限強度影響 為，增加箍筋量會使得受剪力作用時產 生極限載重之位移加大，可產生較大之 變形。
5. 箍筋對混凝土提供之剪力強度的影響，
以 TAICON 混凝土為最大，且增加箍筋 時之剪力增加率為持續增加。
6. 由分析得知，利用有限元素法來模擬剪 力試驗，可以看出理論值與實驗值之應 變相近，表示理論分析之可行性，且無 論是均佈加載或集中加載，其所得到之 剪力值差異不大，只是集中加載時容易 產生應力集中，應力值為均佈加載時之 10 倍造成受力部分混凝土先行破壞。
4-2 建議
1. 本實驗之設計齡期為 28 天，但在四種混 凝土配比中，除了常重混凝土外，皆添 加了卜作嵐材料，其晚期強度的發展影 響，至為重要，所以如果要得到更確定 之影響，應該增加長齡期時之試驗值。
2. 本研究所計算之剪力值為利用平均值估 算，所能代表之實際剪力值是否為真實 之剪力值。是否還有其他之方法能夠找 出剪力值，仍可進一步研究。
3. 研究中在混凝土表面黏貼之應變計，其 準確性似乎不高，成震盪趨勢，對於研 究混凝土表面之應變有其困難度，但實
驗將試體內所有鋼筋皆貼上應變計量測 其應變值，所得數據龐大，應該可以輔 以其他理論分析輔助，得到更精確之關 係。
4. 利用通過剪力面直接加載重時，會有應 力集中之現象，而利用均佈載重加載 時，剪力試體之剪力面會有一彎矩與剪 力合成作用，故試驗方法是否可以改 進，消除產生之彎矩，將可使實驗更準 確。且試體缺口相對之處應可多增加鋼 筋量，以抵抗於此處產生之彎矩，才不 致使試體於此處先行破壞。
五、參考文獻
1.魏世嵐，「TAICON 混凝土剪力傳遞與箍 筋對剪力強度影響之研究」，國立臺灣科 技大學碩士論文，1999（指導教授：張大 鵬）。
六、圖表
0 1 2 3 4 5 6 7
Displacement (mm) 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Force(kN)
0 1
2 3
圖 1 不同箍筋之 ACI 混凝土試體 載重-位移關係
0 1 2 3 4 5 6 7
Displacement (mm) 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Force(kN)
0 1
2 3
圖 2 不同箍筋之 TAICON 混凝土試 體載重-位移關係
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Displacement (mm) 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Force(kN)
1 2
3
0
圖 3 不同箍筋之 LHPC 混凝土試體 載重-位移關係
0 1 2 3 4 5 6 7
Displacement (mm) 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Force(kN)
0 1
2 3
圖 4 不同箍筋之 HPC 混凝土試體 載重-位移關係
