水泥質材料凝結期間及硬固後熱傳機理及分析之研究(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

水泥質材料凝結期間及硬固後熱傳機理及分析之研究(3/3)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2211-E-011-004-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學營建工程系

計畫主持人： 張大鵬

報告類型： 完整報告

處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢

中 華 民 國 95 年 10 月 31 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

□期中進度報告

水泥質材料凝結期間及硬固後熱傳機理及分析之研究(1/3~3/3)

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 94-2211-E-011-004

執行期間： 2005 年 8 月 1 日至 2006 年 7 月 31 日

計畫主持人：張大鵬 共同主持人：

計畫參與人員：陳柏存 廖御吟 高建驊

國立臺灣科技大學 營建工程研究所 研究生

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

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

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計 畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，■一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立臺灣科技大學 營建工程研究所

中 華 民 國 95 年 10 月 30 日

中文摘要

水泥，一直是現代混凝土工程中使用最多的膠結材料，其主要功能係藉水 泥成份中的四種主要化合物，進行水化作用，並與其內添加之卜作嵐材料，如飛 灰、爐石粉、矽灰、稻殼灰等，形成具有流動性、強度、耐久性等均良好之工程 建造材料。由於水泥水化作用之特殊機理，使混凝土在新拌過程中，將在混凝土 內中產生大量的水化熱，因而造成混凝土內外溫度不均。這些在混凝土本體所形 成非線性分佈之熱量將形成一溫度梯度，往往使混凝土產生張應力，當此力量超 過混凝土的初期抗張強度時，混凝土將形成裂縫，除了影響混凝土結構之強度 外，更嚴重者，將大大的衰減混凝土之耐久性及體積穩定性。因此，在混凝土內 部或外部承受高溫時，如何使存混凝土材料本體內所形成的溫度梯度，混凝土內 外擴散、傳導，一直是混凝土領域研究學者所重視之問題。

本研究採用熱線法(或稱針管法)來量測新拌初期水泥漿體或硬固後的試體 的熱傳導係數，試驗結果得到在天然氣乾狀態下，水泥與飛灰的熱傳導數相近約 0.22 W/m-oC，而爐石則較低約 0.18 W/m-oC，不同砂含量之水泥砂漿熱傳導係 數，在各齡期中均以B 組(S/C=1.75)之熱傳導係數為高，其中在齡期 3 天時最高，

之後隨著齡期增加而趨於穩定；而低水灰比(w/c＝0.34)水泥砂漿的熱傳導係數 2.079 W/m-oC 較高水灰比(w/c＝0.5)水泥砂漿的熱傳導係數 1.584 W/m-oC 高出 約31.22﹪；當水灰比(w/c＝0.34)時，以 20%及 40%飛灰取代量均較純水泥砂漿 熱傳導係數2.079 W/m-oC 高出 28.26%及 12.82%；以 20%及 40%爐石量的較純 水泥砂漿高出 33.39%及 11.51%。在常溫養護下，齡期為 28、56 天，混凝土以 20%爐石取代水泥分別增加了常溫養護自充填混凝土 29.2%、59.04%熱傳導係 數，且 40%爐石取代分別比自充填混凝土增加了 13.9%與 33.48%，顯示 20%爐 石取代量提高熱傳導係數高於40%爐石取代量。在 70℃蒸氣養護下，齡期為 28、

56 天， 20%爐石取代分別減少了養護 70℃混凝土 35.14%、40.29%熱傳導係數，

而40%爐石取代分別減少了養護 70℃混凝土 33.64%、41.83%熱傳導係數，顯示，

20%爐石與 40%爐石對混凝土晚期熱傳導係數之影響不大。

關鍵字：混凝土，砂漿、熱傳導係數、新拌、硬固、飛灰、爐石粉、齡期

Abstract

Cement has been always the most used cementitious material in the modern concrete engineering. Its principal function is to use its four major chemical compositions to activate the hydration process together with pozzolanic reaction resulting from the added pozzolanic materials such ad fly ash, slag, silica fume and rice husk, etc., to produce a good construction material with sufficient flowability, strength, and durability. Due to the specific mechanism of hydration process, the massive hydration heat will be induced inside the concrete mass in the fresh state such that that there exists a temperature difference between the inner and outer portion of concrete. The nonlinear distribution of heat variation causes a temperature gradient and results in a tensile stress in concrete. When these induced tensile stresses exceeds the early tensile strength of concrete, cracking of concrete will occur which not only affects the strength concrete structures and but also, for the worst, decreases substantially the durability and volumetric stability of concrete itself. Thus, when the inside or outside portion of concrete is subjected to high temperatures, how to let those temperature gradient of concrete mass be transferred and transported inward and outward is always an emphasized subject in the academics of concrete society.

In this study, a hot wire method (or called ad thermal probe method) was used to measure the thermal conductivity of cement paste in the fresh and hardened stages.

The experimental results show that, under the ambient temperature, the thermal conductivities of cement and fly ash are close to each other of 0.22 W/m-^oC, while the slag has a lower value of 0.18 W/m-^oC. Among different proportions of mortar with various contents of sand, the B set (S/C = 1.75) has the highest thermal conductivity for all the ages, in which the highest value occurs at the age of 3 days, and approaches to a stable value with the increase of age. The mortar with the lower water-cement ratio (W/C = 0.34) has a thermal conductivity of 2.079 W/m-^oC, which is higher that that with high water-cement ration (W/C = 0.5) of 1.584 W/m-^oC by 31.22 per cent.

When the water-cement ratio (W/C) is 0.34, compared with the thermal conductivity of pure cement paste of 2.079 W/m-^oC, the thermal conductivities of cement paste with the replacement of cement weight by 20 and 40% of fly ash are higher by 28.26 and 12.82%, respectively. These percentages are increased to 33.39 and 11.51%, respectively, when same proportions of cement weight were replaced by slag. Under the ambient curing for the ages of 28 and 56 days, the thermal conductivity of concrete with the cement weight replaced with slag by 20% will increase by 13.9 and 33.49%, respectively, compared with the self-compacting concrete, which also indicates a higher increase of thermal conductivity compared with those with 40% of slag replacement. Under the steam-curing with a temperature of 70^oC for the ages of

28 and 56 days, the thermal conductivity of concrete with the cement weight replaced with slag by 20% will decrease by 35.14 and 40.29%, respectively, while for those concrete with cement weight replaced by 40% of slag, the decreases of thermal conductivity are 33.64 and 41.83%, respectively. These results indicate the effects of 20 and 40% slag replacement on the thermal conductivity of concrete at the later ages are insignificant.

Keywords: concrete, mortar, thermal conductivity, fresh, hardened, fly ash, slag, ages

目錄

中文摘要 --- i

英文摘要 --- ii

目錄 ---iv

表目錄 ---ix

圖目錄 --- x

第一章 緒論 --- 1

1.1 研究動機 --- 1

1.2 研究目的 --- 2

1.3 研究方法 --- 2

1.4 研究範圍與流程 --- 3

第二章 文獻回顧 --- 5

2.1 熱傳導係數之定義 --- 5

2.2 熱傳導方程式 --- 5

2.3 混凝土的熱學性質 --- 7

2.3.1 混凝土的熱傳導係數--- 7

2.3.2 混凝土之熱膨脹--- 8

2.3.3 混凝土之比熱--- 8

2.3.4 混凝土之熱擴散係數--- 9

2.4 熱傳導係數的量測方法 --- 9

2.5 常用之熱傳導係數量測方法及原理 --- 10

2.5.1 半無限長區的熱傳問題 --- 10

2.5.2 熱線法 --- 12

2.6 電功率與熱流率之關係 --- 13

2.7 飛灰和爐石之卜作嵐反應 --- 14

2.8 混凝土強度之形成 --- 15

2.9 飛灰對混凝土性質的影響 --- 15

2.9.1 飛灰對混凝土新拌性質的影響 --- 15

2.9.2 飛灰對混凝土硬固性質的影響 --- 16

2.10 爐石對混凝土性質的影響--- 17

2.10.1 爐石對混凝土新拌性質的影響 --- 17

2.10.2 爐石對混凝土硬固性質的影響 --- 18

2.11 常壓蒸氣養護--- 19

2.11.1 常壓蒸氣養護之流程 --- 19

2.11.2 養護溫度對水化速率之影響 --- 20

2.11.3 養護溫度對孔隙之影響 --- 20

2.11.4 養護溫度對強度之影響 --- 21

2.12 蒸氣養護混凝土之熱學行為--- 21

第三章 試驗計畫 --- 29

3.1 試驗內容 --- 29

3.2 試驗材料 --- 29

3.3 試驗變數 --- 29

3.4 試驗儀器及設備 --- 30

3.4.1 電源供應器(power supply) --- 30

3.4.2 熱偶線(thermal couple) --- 30

3.4.3 資料擷取器(data logger) --- 30

3.4.4 加熱針管(thermal needle probe) --- 31

3.4.5 蒸氣養護箱--- 31

3.4.6 混凝土抗壓試驗機--- 31

3.5 試驗項目 --- 31

3.5.1 組成材料基本性質試驗--- 31

3.5.2 熱傳導係數測定--- 32

3.5.3 抗壓強度試驗--- 32

第四章 水泥漿熱傳導係數 --- 39

4.1 熱傳導係數的推求 --- 39

4.2 氣乾狀態下水泥、飛灰及爐石之熱傳導係數量測 --- 39

4.2.1 試驗結果--- 39

4.2.2 結果分析與討論 --- 39

4.3 水泥漿的熱傳導係數量測 --- 40

4.3.1 試驗結果 --- 40

4.3.2 結果分析與討論 --- 40

4.4 添加飛灰、爐石之水泥漿熱傳導係數量測 --- 41

4.4.1 試驗結果 --- 41

4.4.2 結果分析與討論 --- 42

第五章 水泥砂漿熱傳導係數 --- 66

5.1 不同篩號骨材在不同含水量時熱傳導係數量測 --- 66

5.1.1 試驗結果--- 66

5.1.2 結果分析與討論--- 66

5.2 不同砂含量之水泥砂漿熱傳導係數量測 --- 67

5.2.1 試驗結果--- 67

5.2.2 結果分析與討論--- 67

5.3 兩種不同水灰比下，添加不同含量飛灰及爐石粉之水泥沙漿熱傳導係數量測 --- 67

5.3.1 試驗結果--- 67

5.3.2 結果分析與討論--- 68

5.3.2.1 不同水灰比對水泥砂漿熱傳導係數之影響--- 68

5.3.2.2 飛灰或爐石取代水泥量對水泥砂漿熱傳導係數之影響--- 68

第六章 混凝土熱傳導係數 --- 75

6.1 一般養護下不同爐石添加量混凝土之熱傳導係數 --- 75

6.1.1 試驗結果--- 75

6.1.2 結果分析與討論--- 75

6.2 蒸氣養護 50℃下不同爐石添加量混凝土之熱傳導係數--- 76

6.2.1 試驗結果--- 76

6.2.2 結果分析與討論--- 76

6.3 蒸氣養護 70℃下不同爐石添加量混凝土之熱傳導係數--- 77

6.3.1 試驗結果--- 77

6.3.2 結果分析與討論--- 77

6.4 0%爐石取代之混凝土於不同養護條件下之熱傳導係數--- 78

6.4.1 試驗結果--- 78

6.4.2 結果分析與討論--- 78

6.5 20%爐石取代之混凝土於不同養護條件下之熱傳導係數 --- 78

6.5.1 試驗結果--- 78

6.5.2 結果分析與討論--- 79

6.6 40%爐石取代之混凝土於不同養護條件下之熱傳導係數 --- 79

6.6.1 試驗結果--- 79

6.6.2 結果分析與討論--- 80

6.7 一般養護下不同爐石添加量混凝土之抗壓強度 --- 80

6.7.1 試驗結果--- 80

6.7.2 結果分析與討論--- 80

6.8 蒸氣養護 50℃下不同爐石添加量混凝土之抗壓強度--- 81

6.8.1 試驗結果--- 81

6.8.2 結果分析與討論--- 81

6.9 蒸氣養護 70℃下不同爐石添加量混凝土之抗壓強度--- 82

6.9.1 試驗結果--- 82

6.9.2 結果分析與討論--- 82

6.10 0%爐石取代之混凝土於不同養護條件下之抗壓強度--- 83

6.10.1 試驗結果 --- 83

6.10.2 結果分析與討論 --- 83

6.11 20%爐石取代之混凝土於不同養護條件下之抗壓強度 --- 83

6.11.1 試驗結果 --- 83

6.11.2 結果分析與討論 --- 84

6.12 40%爐石取代之混凝土於不同養護條件下之抗壓強度 --- 84

6.12.1 試驗結果 --- 84

6.12.2 結果分析與討論 --- 85

第七章 結論與建議 --- 100

7.1 結論 --- 100

7.2 建議 --- 102

參考文獻 --- 103

表目錄

表2-1 輕質混凝土中石英砂用量對熱傳導係數之影響 --- 23

表2-2 量測熱傳導係數方法的分類 --- 23

表3-1 本研究所使用材料之基本性質 --- 33

表3-2 試驗用砂之篩分析 --- 33

表3-3 試驗用粗骨材之篩分析 --- 34

表4-1 水泥、飛灰及爐石的熱傳導係數量測結果 --- 44

表4-2 不同水灰比水泥漿之熱傳導係數計算結果 --- 44

表4-3 不同水灰比昇溫曲線之最高溫及出現時間 --- 45

表4-4 水泥漿添加爐石之熱傳導係數計算結果 --- 45

表4-5 水泥漿添加飛灰之熱傳導係數計算結果 --- 45

表5-1 不同篩號骨材在不同含水量之熱傳導係數 --- 69

表5-2 不同砂含量之水泥砂漿熱傳導係數試驗結果 --- 69

表5-3 不同水灰比之水泥砂漿 28 天熱傳導係數比較--- 69

表6-1 不同爐石取代水泥混凝土配比表 --- 86

表6-2 不同爐石取代水泥混凝土性質試驗結果 --- 87

表6-3 一般養護下不同爐石取代水泥混凝土之熱傳導係數 --- 87

表6-4 50℃蒸氣養護下不同爐石取代水泥混凝土之熱傳導係數 --- 88

表6-5 70℃蒸氣養護下不同爐石取代水泥混凝土之熱傳導係數 --- 88

表6-6 0%爐石取代不同養護條件下混凝土之熱傳導係數 --- 89

表6-7 20%爐石取代不同養護條件下混凝土之熱傳導係數--- 89

表6-8 40%爐石取代不同養護條件下混凝土之熱傳導係數--- 90

表6-9 一般養護下不同爐石取代水泥混凝土之抗壓強度 --- 90

表6-10 50℃蒸氣養護下不同爐石取代水泥混凝土之抗壓強度--- 91

表6-11 70℃蒸氣養護下不同爐石取代水泥混凝土之抗壓強度--- 91

表6-12 0%爐石取代不同養護條件下混凝土之抗壓強度--- 92

表6-13 20%爐石取代不同養護條件下混凝土之抗壓強度 --- 92

表6-14 40%爐石取代不同養護條件下混凝土之抗壓強度 --- 93

圖目錄

圖1-1 研究流程圖--- 4

圖2-1 表示熱流方向圖形 --- 24

圖2-2 一度空間熱傳導分析的體積元素 --- 24

圖2-3 三度空間熱傳導分析的體積元素(a)直角座標(b)圓柱座標(c)球座標 --- 25

圖2-4 輕質混凝土熱傳導係數與單位重關係--- 25

圖2-5 線狀熱源之半無限熱傳示意圖--- 26

圖2-6 熱線法示意圖--- 26

圖2-7 蒸氣養護溫度與時間關係 --- 27

圖2-8 養護溫度與時間對混凝土早期抗壓強度之影響 --- 27

圖2-9 溫度對水化速率之影響 --- 28

圖2-10 溫度對水化程度之影響--- 28

圖3-1 穩壓式直流電源供應器 --- 35

圖3-2 K-Type 熱偶線--- 35

圖3-3 Smart Reader Plus 6 擷取器 --- 36

圖3-4 加熱針管(a) --- 36

圖3-4 加熱針管(b) --- 37

圖3-5 蒸氣養護箱 --- 37

圖3-6 混凝土抗壓試驗機 --- 38

圖3-7 局部養護試體模 --- 38

圖4-1 實驗結果處理示意圖 --- 46

圖4-2 水泥之時間與溫度關係圖 --- 47

圖4-3 飛灰之時間與溫度關係圖 --- 47

圖4-4 爐石之時間與溫度關係圖 --- 48

圖4-5 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 1 小時) --- 48

圖4-6 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 3 小時) --- 49

圖4-7 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 8 小時) --- 49

圖4-8 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 1 天) --- 50

圖4-9 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 3 天) --- 50

圖4-10 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 7 天) --- 51

圖4-11 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 14 天) --- 51

圖4-12 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 21 天) --- 52

圖4-13 水泥漿之時間與溫度關係圖(齡期 28 天) --- 52

圖4-14 不同水灰比水泥漿之熱傳係數隨齡期之變化圖--- 53

圖4-15 W/C=0.34 水泥漿之水化昇溫曲線--- 53

圖4-16 W/C=0.42 水泥漿之水化昇溫曲線--- 54

圖4-17 W/C=0.50 水泥漿之水化昇溫曲線--- 54

圖4-18 卜特蘭水泥水化放熱曲線 --- 55

圖4-19 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 1 小時) --- 55

圖4-20 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 3 小時) --- 56

圖4-21 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 8 小時) --- 56

圖4-22 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 1 天) --- 57

圖4-23 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 3 天) --- 57

圖4-24 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 7 天) --- 58

圖4-25 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 14 天) --- 58

圖4-26 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 21 天) --- 59

圖4-27 爐石之時間與溫度關係圖(齡期 28 天) --- 59

圖4-28 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 1 小時) --- 60

圖4-29 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 3 小時) --- 60

圖4-30 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 8 小時) --- 61

圖4-31 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 1 天) --- 61

圖4-32 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 3 天) --- 62

圖4-33 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 7 天) --- 62

圖4-34 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 14 天) --- 63

圖4-35 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 21 天) --- 63

圖4-36 飛灰之時間與溫度關係圖(齡期 28 天) --- 64

圖4-37 不同飛灰及爐石取代量之水化昇溫曲線(至齡期 3 天止) --- 64

圖4-38 不同爐石取代量之熱傳係數隨齡期之變化圖 --- 65

圖4-39 不同飛灰取代量之熱傳係數隨齡期之變化圖 --- 65

圖5-1 不同篩號細骨材含水量與熱傳導係數分佈圖 --- 70

圖5-2 #16 號篩骨材含水量與熱傳導係數分佈圖 --- 70

圖5-3 #30 號篩骨材含水量與熱傳導係數分佈圖 --- 71

圖5-4 #50 號篩骨材含水量與熱傳導係數分佈圖 --- 71

圖5-5 不同砂含量之水泥砂漿試體熱傳導係數相對於齡期變化圖 --- 72

圖5-6 低水灰比（w/c=0.34）不同爐石取代量之水泥砂漿熱傳導係數與齡期關係 圖--- 72

圖5-7 高水灰比（w/c=0.5）不同爐石取代量之水泥砂漿熱傳導係數與齡期關係 圖--- 73

圖5-8 低水灰比（w/c=0.34）不同飛灰取代量水泥砂漿熱傳導係數與齡期關係圖 --- 73

圖5-9 高水灰比（w/c=0.5）不同飛灰取代量水泥砂漿熱傳導係數與齡期關係圖 --- 74

圖6-1 一般養護下不同爐石添加量混凝土之熱傳導係數 --- 94

圖6-2 蒸氣養護 50℃下不同爐石添加量混凝土之熱傳導係數--- 94

圖6-3 蒸氣養護 70℃下不同爐石添加量混凝土之熱傳導係數--- 95

圖6-4 0%爐石添加量下不同養護條件混凝土之熱傳導係數 --- 95

圖6-5 20%爐石添加量下不同養護條件混凝土之熱傳導係數--- 96

圖6-6 40%爐石添加量下不同養護條件混凝土之熱傳導係數--- 96

圖6-7 一般養護下不同爐石添加量混凝土之抗壓強度 --- 97

圖6-8 蒸氣養護 50℃下不同爐石添加量混凝土之抗壓強度--- 97

圖6-9 蒸氣養護 70℃下不同爐石添加量混凝土之抗壓強度 --- 98

圖6-10 0%爐石添加量下不同養護條件混凝土之抗壓強度--- 98

圖6-11 20%爐石添加量下不同養護條件混凝土之抗壓強度 --- 99

圖6-12 40%爐石添加量下不同養護條件混凝土之抗壓強度 --- 99

第一章 緒論

1.1 研究動機

水泥，一直是現代混凝土工程中使用最多的膠結材料(Cementitious

material)，其主要係藉水泥成份中的四種主要化合物( C3S、C2S、C3A 及 C4AF) 與水接觸後，進行水化作用(Hydration)，並與其內添加之卜作嵐材料(Pozzolanic material)(如飛灰、爐石粉、矽灰、稻殼灰等)發生卜作嵐作用(Pozzolanic reaction) 後，形成具有流動性、強度、耐久性等均良好之工程建造材料，由於水泥水化作 用之特殊機理，使混凝土在新拌過程中，將在混凝土內部產生大量的水化熱，因 而造成混凝土內外溫度不均。這些在混凝土本體所形成非線性分佈之熱量將形成 一溫度梯度(Temperature gradient)，往往使混凝土產生張應力，當此力量超過混 凝土的初期抗張強度時，混凝土將形成裂縫，除了影響混凝土結構之強度外，更 嚴重者，將大大的衰減混凝土之耐久性及體積穩定性[1-3] ; 另一方面，當硬固混 凝土承受極高溫度時(如在火災現場、遭受火葯爆破時等情況)，這些混凝土表面 承受高溫時所造成的溫度梯度，亦容易使混凝土開裂、破壞。因此，這兩種在混 凝土內部或外部承受高溫時對混凝土材料本體所形成的溫度梯度，如何在混凝土 內外擴散、傳導，一直是混凝土領域研究學者所重視之問題[3-5]。

另外，自政府推行營建自動化，以解決縮短工期、減低工程成本、提高混凝 土品質，降低因勞工人數不足所可能產生的困擾。如『梁版預鑄工法』『節塊推 進工法』、『預鑄節塊工法』及『預鑄斜撐版配合廠鑄箱工法』等新式工法逐漸引 進台灣，大大的提昇了國內營造工程相關業者的工程水準外，亦增進了業者日後 在國際市場的競爭能力。

然而，預鑄工法一般需利用蒸汽養護方式加速混凝土的凝結、硬化，使工廠 澆置或現場澆置的預鑄混凝土提早產生強度，以提高工程施工速率。由諸多文獻 中可知[6-22]，蒸汽養護會造成混凝土晚期強度的衰退及增加劣化因子。加溫養 護導致混凝土劣化的原因，主要是在溫度的催化下，水泥水化過快造成水化結構 的粗化及孔隙及微裂縫的增加。故需由混凝土配比的變化來瞭解熱能在新拌及硬 固混凝土的傳導現象，以期能降低蒸汽養護的所造成的弊端。

1.2 研究目的

一般而言，混凝土的熱能主要來自混凝土的溫度變化，形成此溫度大小變化 的來源主要有：（一）水泥水化熱所產生的溫度 ;（二）混凝土周遭環境藉熱傳 導作用傳至混凝土內部的溫度。在影響養生條件與硬固性質的諸多因素中，混凝 土本身的熱性質應是最重要的一項因素之一，而其包括混凝土之熱傳導係數 (Thermal Conductivity)、熱膨脹係數(Thermal Expansion)、比熱(Specific Heat)等，

其中熱傳導係數對於了解新拌及硬固混凝土內部的熱傳導現象可說是重要的因 素之一。

絕熱或半絕熱之熱量法(adiabatic or semi-adiabatic calorimetry)通常用於決定 混凝土於水化時所產生的熱量，但混凝土的熱傳導係數，很明顯地並未被量測。

在傳統研究分析上，對混凝土之熱傳導係數都採一固定值，且假設其在水化之任 一階段皆相同。但這並未反應水泥水化時之真實情況，因此需要一個較好之量測 方法。在量測混凝土的熱傳導係數時有二個主要的問題 : 一為混凝土於拌合後 之二十四小時內，其狀態的改變(由半液態轉為固態)。二為水泥於水化過程中所 產生的熱之影響。

有鑑於此，本研究所期望達到之目的如下 :

1. 選擇一熱傳導係數量測方法，且此方法能適用於新拌至硬固狀態。

2. 量測水泥、骨材、飛灰及爐石等材料之熱傳導係數。

3. 量測不同水灰比的水泥漿及添加不同飛灰及爐石量，從新拌至硬固階段 熱傳導係數的變化。

4. 量測添加骨材於水泥漿中，以了解骨材對水泥漿體熱傳導係數的變化。

5. 以蒸氣加溫養護方式，了解高溫養護下，溫度及摻料對混凝土熱傳導係 數之影響。

希望藉此能瞭解熱能在新拌及硬固混凝土的傳導現象，期能降低蒸汽養護的 所造成的弊端。

1.3 研究方法

本研究主要的目的之一在選擇一熱傳係數之量測方法，且此方法能適用於混 凝土，不論是從新拌階段或至硬固狀態。由於混凝土於拌合後二十四小時內，其

狀態有從半液態轉為固態的特性。所以，一般用來量測金屬或量測已達硬固狀態 混凝土之量測方式皆不適用，因此本文參考國內外相關研究資料及試驗規範，選 擇一可能合於此特性之方法進行測試。

本研究以熱線法(hot wire method)之理論先針對水泥、骨材、飛灰及爐石等 材料之熱傳導係數進行量測，再添加於不同水灰比的水泥漿，並於其中添加不同 量飛灰及爐石，從新拌至硬固階段，量測其熱傳導係數的變化。最後再添加骨材 於水泥漿中，以了解骨材對水泥漿體熱傳導係數的影響；最後以蒸氣加溫養護方 式，了解高溫養護下，溫度及摻料對混凝土熱傳導係數之影響。

1.4 研究範圍與流程

本研究主要是選擇一合於混凝土於新拌階段或至硬固狀態之熱傳係數量測 方法。因此，在方法選定後，先從混凝土單一材料的水泥、骨材、飛灰及爐石等 著手量測熱傳導係數，其次由水泥漿改變其水灰比及添加飛灰、爐石等細粒料來 進行試驗，之後再添加骨材於水泥漿中；最後以蒸氣加溫養護方式，了解高溫養 護下，溫度及摻料對混凝土熱傳導係數之便變化。

研究流程如圖1.1 所示。

圖1.1 研究流程圖

第二章 文獻回顧

2.1 熱傳導係數之定義

當物體內，有溫度梯度(temperature gradient)存在時，能量會從高溫傳至低溫 區堿。我們說此種能量的傳遞為傳導(conduction)，且熱傳遞率(heat-transfer rate)(單位面積)與垂直向溫度(normal temperature gradient)成正比

x T A

q

∂

∝ ∂ (2-1)

即用比例常數(proportionality constant)k 代入可得下列等式

x kA T

q ∂

− ∂

= (2-2)

其中q為熱傳率，

x T

∂

∂ 為在熱流動方向之溫度梯度。此正值常數 k 謂之此材

料之熱傳導係數(thermal conductivity)其單位為 Watt/m℃，而式中之負號乃為符 合熱力學第二定律，即熱必須由高溫處傳至低溫處，如圖2-1 所示的座標系統。

(2-2)式稱為熱傳導的富利葉(Fourier)定律。此式由法國數學物理學家 Joseph Fourier 所導出，他對熱傳導傳遞(conduction heat transfer)的分析解法有很大的貢 獻。

2.2 熱傳導方程式

依據(2-2)式，考慮一度空間系統如圖 2-2 所示，若該系統在穩定狀態下(stead state)，即溫度不隨時間變化，只須將(2-2)式積分之代入適當值即得所要的量。

但若固體的溫度隨時間變化，或是固體內有熱源或熱窩(heat sink)，這種情況就 變得較複雜。

先考慮溫度隨時間而變，物體內有熱源存在的一般情形。在厚度為 dx 的小 體積稱為元素(element)其具有下列的能量平衡 :

傳入左面的能量+元素內所產生的熱量

=內能(internal energy)改變量+傳出右面的能量 這些能量分別由以下各式表之

傳入左面的能量=

x kA T q_x

∂

− ∂

=

元素體內所產生的能量=q^⋅Adx 內能的改變量= Tdx

cA ∂τ ρ ∂

傳出右面的能量= ⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂ + ∂

∂

− ∂

⎥⎦ =

⎤

∂

− ∂

=

+

+ dx

x k T x x k T x A

kA T q

dx x dx

x

此處q^. =單位體積所產生的能量，W/m³ =材料的比熱，J/kg℃ c

ρ=密度，kg/m² 將上述關係合併，得

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂ + ∂

∂

− ∂ τ

∂ ρ ∂

=

∂ +

− ∂ ^⋅ dx

x k T x x k T A Tdx cA Adx x q

kA T

或

τ

∂ ρ ∂

=

⎟+

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂

∂ ^⋅ T

c x q

k T

x (2-3) 此為一度空間的熱傳導方程式。

對於不止一度空間的熱流動，我們僅需考慮圖2-3(a)所示的單位體積內，在 三個座標方向的熱傳入和傳出。由能量平衡得

+ τ +

+

= + +

+ _{+ + +}

d q dF q

q q q q

q_{x y z gen x dx y dy z dz} (2-4) 各能量值如下列各式所示

x kdydz T q_x

∂

− ∂

=

dydz x dx

k T x x k T

q_{x dx} ⎥

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂ + ∂

∂

− ∂

+ =

y kdxdz T q_y

∂

− ∂

=

dxdz y dy

k T y y k T

q_{y dy} ⎥

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂ + ∂

∂

− ∂

+ =

z kdxdy T q_z

∂

− ∂

=

dxdy z dz

k T z z k T

q_{z dz} ⎥

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂ + ∂

∂

− ∂

+ =

dxdydz q

q_gen = ^⋅

τ

∂ ρ ∂

τ =

cdxdy T d

dE

故三度空間的熱傳導方程式為

τ

∂ ρ ∂

=

⎟+

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂ + ∂

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂ + ∂

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂

∂ ^⋅ T

x z q

k T z y k T y x k T

x (2-5) 若熱傳導係數 k 為常數，則得

τ

∂

∂

=α

∂ + +∂

∂ +∂

∂

∂ ^⋅ 1 T

k q z

T y

T x

T

2 2 2 2 2 2

(2-6a) 此處α =k/ρc稱為材料的熱擴散係數(thermal diffusivity)。α值愈大，則經 由材料的熱發散愈快。可由構成α的各個分子即可知道。α值大時，材料可能有 高的熱傳導係數 k，表示熱傳導較快，或具有低的熱容量ρc，低的熱容量乃表示 經過此材料的能量，僅有少量被吸收用以提高材料的溫度，所以有更多的能量可 進一步地傳到另一物體(或物體本身的其他部分)。

以上各式中，在x+dx 的微分表示項，乃利用泰勒級數(Taylor-series)展開式，

僅保留前兩項所得。

(2-6a)式可轉換成圓柱座標，其如(2-6b)式所示:

τ

∂

∂

= α

∂ + +∂ φ

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂ ^⋅ 1 T

k q z

T T r

1 y T r 1 r

T

2 2 2 2 2 2

2

(2-6b)

2.3 混凝土的熱學性質 2.3.1 混凝土的熱傳導係數

熱傳導係數指通過材料單位厚度之熱流通量，主要影響因素為其單位重及含 水量，其他如孔隙結構、材料組成等亦為影響因素。通常混凝土單位重及含水量 愈高，則熱傳導率愈高，如圖 2-4 所示[24]。另外，結晶材料(如石英砂)之傳熱 性比非結晶材料(如陶瓷、水泥)為高，玻璃化材料(如高爐礦渣)其熱傳導率最低。

因此，若輕質骨材混凝土中添加石英質砂，則將對其比重及熱傳導率有相當之影 響，如表2-1 所示[25]。

ACI Committee 211[23]指出：混凝土熱傳導係數隨著其密度的改變而有所 變化，較多的骨材含量有較高的熱傳導係數。由於水與空氣熱傳導係數之差異性 大於水化產物間之差異性，故早期水化過程中，熱傳導係數將隨著水化反應的進 行而發生改變。Brown and Javaid[5]認為水化過程中熱傳導係數的降低，是因為 混凝土的水分含量及單位重的降低。

熱的傳遞方式有傳導、輻射及對流等三種方式，往往是此三種方式同時進 行。熱是由高溫傳至低溫處，在低溫時，是以傳導及對流為主，但溫度越高則輻 射越顯著。一個有溫差的系統，就有熱能的傳遞產生，影響混凝土熱傳導率之因 素主要有骨材礦物性質、硬固水泥漿體、飽和度及環境溫度等。在一般環境溫度 範圍內，溫度對混凝土之熱傳導率之影響很小，但當其含水飽和度增加時，熱傳 導率則快速地增加。

2.3.2 混凝土之熱膨脹

影 響 混 凝 土 熱 膨 脹 的 原 因 ， 包 括 骨 材 與 漿 體 之 變 形 模 數(Modulus of deformation)所佔體積比例及混凝土溫度。混凝土材料中，骨材與水泥漿體的熱 膨脹係數並不相同，所以當混凝土受熱時，就會產生膨脹量的差異而造成裂縫的 產生。當溫度小於 110℃時，試體尺寸將增長；大於 110℃時，因為水分開始消 散，使得試體尺寸開始收縮。所以當溫度過高，漿體水分開始消散，漿體體積收 縮，同時因受高溫骨材持續膨脹，此時的熱裂縫將更嚴重。一般材料的熱膨脹係 數如下[26]

骨 材:4-13×10^-6 cm/cm/℃

水泥漿:11-20×10^-6cm/cm/℃

混凝土:10-12×10^-6cm/cm/℃

ACI Committee 517[27]指出新拌混凝土熱膨脹係數大於硬固混凝土的 7 倍，且水化10 小時後將平緩地減少，趨於常數。

2.3.3 混凝土之比熱

Brown and Javaid[5]指出隨著水化過程的進行，混凝土的孔隙與含水量將隨 之減少，混凝土趨於緻密致使比熱逐漸降低。Mindess and Young[28]發現在不同 骨材形式下，比熱改變只有8%；含水量增加 4-8%時比熱將增加 12%；當溫度從

10℃升至 65℃時，比熱將增加 24%，顯示混凝土之比熱受孔隙含水量及溫度影 響較大。

2.3.4 混凝土之熱擴散係數

熱擴散率係指混凝土內溫度改變的速率:

C

ρ

= κ

α

α 為熱擴散係數（Thermal diffusivity）；

κ 為熱傳導係數 (Thermal conductivity)；

ρ 為混凝土密度；CP 為比熱 。

α值之一般範圍（單位：mm²/min）如下：

混凝土：33～117 ；常重骨材：50～83 ；輕質骨材：17～33 ；水泥漿：50 ； 鋼鐵 ：1667 。

2.4 熱傳導係數的量測方法

歸納量測熱傳導係數方法的類別如下及表2-2 所示 [38,39] :

(1)依試體加熱形式區分:有間接加熱法和直接加熱法兩大類。不同的加熱方 法即具特有的邊界條件和初始條件;從外部將試體間接加熱而得溫度分佈的方法 稱為間接加熱法;對於有電傳導性的固體試體 ，直接通電加熱的方法稱為直接加 熱法。直接加熱法可快速量測高溫域的熱傳導係數。

(2)依導熱過程的巨觀機理區分:有穩態法和非穩態法兩類。穩態法是指待測 試體上的溫度分佈達到穩定後進行量測實驗，利用穩態的傳導微分方程分析，直 接測得熱傳導係數。此法的特點為實驗公式簡單;實驗時問 長;需要測量熱流量 (直接或間接)和若干點的溫度。非穩態法是指待測試體的溫度在實驗量測時隨時 間變化，利用不穩定(或稱為暫態) 熱傳導微分方程分析，通常只能測得溫度變 化，間接推算熱傳導係數。此法的特點是實驗公式常不如穩態法簡單且直接;實 驗的時間較短;需要量測試體上若干點的溫度隨時間變化情形;一般不需測量熱流 量。

(3)依試體上傳導熱流的流向區分:在圓柱試體按熱流是沿軸向或徑向，就區

分為軸向熱流法和徑向熱流法。

(4)依試體的形狀區分:有平板法、圓柱(圓筒)法、圓球法、同心圓球法;矩形 桿狀法等。

(5)依量測熱流量方式區分:在穩態法中直接量測熱流量者稱為絕對法;若量 測通過參考樣品的溫度梯度間接推定熱流量者稱為比較法。

(6)依熱流與時間的函數關係區分;在非穩態法的類別範圍內，依加熱的過程 有週期加熱法、階段狀加熱法(stepwise heating method)、脈衝加熱法(pulsewise heating method)、任意加熱法等。

2.5 以熱線法量測熱傳導係數之原理 2.5.1 半無限長區的熱傳問題

當一個廣大的物體受到直線狀熱源的系統，如圖2-5 所示，假設直線狀熱源 產生固定的熱，單位長度的熱源 (W/m)，L 為熱源長度，在微小時間間隔的 受熱影響區域與整個物體厚度相比較，顯得非常小時，可將此視為半無限長 (semi-infinite region)的熱傳問題[30]，可假設無限長的線狀熱源為軸心，廣大物 體為半徑的圓柱體，並定義 為直線狀熱源產生熱流前的物體初始溫度，依此 邊界條件，簡化(2-6b)式後，圓柱座標的熱傳導能量方程式如下:

L / Q^⋅

T∞

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂

∂

= ∂

∂

∂

α r

r T r r 1 t T

1 (2-8)

T為任意點的溫度，溫度為時間及位置的函數，α =k/ρc稱為材料的熱擴散 係數(thermal diffusivity)，c 為材料的定壓比熱(J/kg )℃ ，ρ為材料的密度(kg/m² )。

邊界條件(boundary condition)和初始條件(initial condition)如下:

0

r→ ，

r k T r L 2

Q

∂

⋅ ∂ π

−

=

⋅

(2-9)

∞

→

r ， T→ T_∞ (2-10)

∞

→

r ， T= T_∞ (2-11) (2-10)式表示假設加熱爐內溫度在穩定的狀態，使試體最外圍四周與爐內溫 度相同。(2-11)式表示電熱線通入電流產生熱之前，電熱線的溫度與爐溫相同。

經由變數轉換，θ=T−T_∞，轉換如下:

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂ θ

∂

∂

= ∂

∂ θ

∂

α r r

r r 1 t

1 (2-12)

0

r → ，

k r r L 2

Q

∂ θ

⋅ ∂ π

−

=

⋅

(2-13)

∞

→

r ， θ→0 (2-14) 0

t = ， θ=0 (2-15) A.以相似法(similarity method) [30]解上式。

得

( )

= π θ

⋅

Ei

kL 4

Q (2-16)

( )

= λ

−

−

= ^{Ei( x)}

∫

x

Ei x (2-17)

( )

Ei 為指數積分函數(exponential integral function)因此，任一點距離為 r 的 溫度T :

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ α + π

=

⋅

∞ 4 t

E r kL 4 T Q T

2

i (2-18) B.以拉氏轉換法(Laplace transform method)，本文另推導以拉氏轉換法求解 半無限熱傳的問題。

對(2-12)、(2-13)、(2-14)作拉氏轉換

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛ θ

⎥⎦=

⎢⎣ ⎤

⎡ −θ α

− −

dr rd dr

d r 0 1 1 s

s 0 dr d r 1 dr d

2

2 θ=

−α + θ

θ^{− − −}

(2-19)

0

r→ ，

dr kd r L 2

Q s

1 ^⋅ θ⁻

⋅ π

−

= (2-20)

∞

→

r ， θ⁻ →0 (2-21) 將(2-19)式化為

0 sr

s r d r d s sr

d r d

s ²

2 2 2

=

⎟⎟ θ

⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

− α

⎟⎟⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ α

⎟⎟ θ

⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ + α

⎟⎟⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ α

⎟⎟ θ

⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ α

− −

−

(2-22)

即^{x2y′′+xy′−}

(

)

( )

( )

I C

y= _{1 n} + _{2 n} (2-24)

( )

I_n :n 階第一類修正的貝色函數(the modified Bessel function of the first kind of order n) ;

( )

K_n : n 階第二類修正的貝色函數(the modified Bessel function of the second kind of order n)，

所以(2-22)式通解

_⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ + α

⎟⎟⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

= α

θ⁻ sr

K C sr I

C_{1 0 2 0} (2-25) (2-21)式代入(2-25)式， QI₀

( )

(2-20)式代入(2-25)式，

Lks 2 C₂ Q

= π

⋅

⎟⎟⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ α

= π θ

∴

− ⋅

sr sK

1 Lk 2

Q

0 (2-26) 由文獻[31]查反拉氏轉換式，得

( )

t 4 exp r t 2

1 kL 2 t Q , r

t 0

∫

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ α

−

= π θ

⋅

( )

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ η

− η

= π

θ

∫

∞

η

⋅ −

e d 2 1 kL 2 t Q ,

r ， ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

= α η 4 t

r²

η η

= π

∫

η η

⋅ −

e d Lk 4

Q

( )

= π

⋅

Ei

kL 4

Q (2-27)

(2-27)式與(2-16)式相同，可得任一距圓心 r 位置的溫度分佈。

2.5.2 熱線法

當一條細小的電熱線穿過圓柱試體的軸心，並供給固定的熱流 (W/m)，

如圖2-6 所示。電熱線的半徑非常細，與遠大於電熱線的四周試體相比較，可以 L

/ Q^⋅

視為半無限區的熱傳問題。應用2.5.1 節推導所得(2-16)式之結果，計算試體中任 一點的溫度^θ

(

)

( ) ( )

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

⋅ + η

⋅

− η

⋅ + η η

− γ

−

= λ λ

=

η

∫

Ei

3 2 x

其中γ 是 Euler’s constant(=0.5772156649)…[32,33]，代入(2-16)式，得

( )

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ −

+ α

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛ α γ π −

= θ

⋅

t ...

4 r r

t ln 4 kL

4 t Q , r

2

2 (2-28) (2-28)式近似

( )

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡

+ α γ π −

≈ θ

⋅

4 ln r t

kL ln 4 t Q ,

r ²

[

]

k

A −

≈ (2-29)

k

AB為 與θ lnt關係圖的截距，不影響θ 與 的線性關係，故可忽略不計[34];

或是(2-29)式對 微分[35]，成為

t ln t

ln

( )

1 2

1 2

t ln t

L 4

Q d

t ln d L 4 k Q

θ

− θ

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ π ⋅ θ =

π ⋅

=

⋅

⋅

(2-30)

θ 、 為時間 、 時所對應的溫度，所以若是己知電熱線單位長度之發1

熱量，從實驗量測電熱線升溫速率，測定 θ2 t₁ t₂

θ 與 線性關係的斜率，即可求得試 體的熱傳導係數，此方法稱為熱線法(hot wire method)或針管法(needle probe method) [36-38]。

t ln

在熱線法之使用，一般都以有限長度的電熱線來取代原先無限長度的假設，

得以使用單向度圓柱座標方式分析，Blackwell[39]曾以數學解析並指出電熱線之 長度/直徑(L/D)比值至少需大於 20，方可考慮原先無限長之假設。

2.6 電功率與熱流率之關係

由於本研究之實驗需考慮電功率，故在本節對電功率與電流率之關係作一說 明。依據焦耳(James Joule) [40]所提出之電功率之公式 :

IV

P= (2-31)

(2-31)式中:

^P: 電功率

(

)

I : 電流( A) V : 電壓(V)

依據歐姆定律(OHM’S law) [40]

IR V =

可得到下式

R R V I P

2 = 2

= (2-32) 式中:

R: 電阻(Ω)

因為熱流率Q 單位亦為

(

)

(

R Q R V I

P= ² = ² =

)

2.7 飛灰和爐石之卜作嵐反應

飛灰和爐石所產生之卜作嵐之膠結反應，須藉由水泥水化生成之氫氧化鈣來 進行，所以水泥水化作用必須先進行，產生Ca(OH)2結晶物，再與飛灰或爐石進 行卜作嵐反應。飛灰中若含大量石灰CaO時(C級飛灰)，將會因CaO本身之水化作 用，產生更多水化生成物CH，此可加速卜作嵐反應，提高早期強度。本研究的 飛灰是台灣電力公司興達火力發電廠所生產，含鈣量小於10%，屬於F級飛灰 [41]，本身不具膠結性，必須靠水泥水化所產生的氫氧化鈣或外加鹼作為觸媒才 能產生緩慢的卜作嵐反應。文獻[42]認為在含飛灰之混凝土水化初期，飛灰中的 鋁及矽離子易與Ca²⁺離子結合，形成的矽一鈣薄層，包覆在飛灰顆粒的表面，而 溶液中之Ca2+離子濃度會因此降低，使C3S之水化作用遲滯。

卜作嵐反應會隨著時間的增加緩慢地進行，藉著不斷消耗CH 生成穩定的 C-S-H 膠體，填充混凝土之孔隙使微結構和骨材介面緻密化，增加耐久性。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等方式來達成[43]。

2.8 混凝土強度之形成

混凝土強度的形成，主要因其成分產生水化作用而形成矽酸鈣水化物(C-S-H) 膠體之故，C-S-H 膠體在水泥漿體中約佔有 50～60%左右的體積，為混凝土強度 之主要來源。此外水化產物上包括氫氧化鈣與硫鋁酸鈣水化物，此等水化產物僅 充填孔隙材料，對強度直接貢獻很小。普通混凝土之水化作用與卜作嵐材料之卜 作嵐反應比較如下 [44] :

卜特蘭水泥水化作用:

CH C-S-H S

C₃ +水⎯^快速⎯ →⎯ + (2-34) 含卜作嵐材料之卜作嵐反應:

C-S-H CH

Pozzolan+ +水⎯^慢速⎯ →⎯ (2-35) 式(2-34)中之C3S，佔水泥成分之 45-50%，其產生之C-S-H膠體量最多，且控 制波特蘭水泥混凝土之強度；式(2-35)卜作嵐反應則較緩慢，卜作嵐需與水泥水 化作用產生之氫氧化鈣及水起作用，才會慢慢形成C-S-H膠體填塞孔隙，使強度 逐漸增，此乃添加飛灰等卜作嵐材料可增加長期強度之原因。

另外，溫度會增加化學反應之活化能，加速水化作用與卜作嵐反應之進行，

混凝土內之溼度多寡亦決定水化作用與卜作嵐反應是否完全，因此，環境溫溼度 對於含卜作嵐材料的混凝土強度之形成影響頗大。

2.9 飛灰對混凝土性質的影響

2.9.1 飛灰對混凝土新拌性質的影響

一般情況下，飛灰以三種方式摻在混凝土中：(1)取代部分水泥(2)取代部分 砂(3)取代部分水泥及砂。

對於新拌混凝土而言，當混凝土中添加飛灰時，飛灰對混凝土坍度具有下列 影響機理[44]：

（1）飛灰為圓球狀顆粒，可增大混凝土的坍度。

（2）飛灰含多孔未完全燃燒的碳粒，具吸附水性，使坍度降低。

（3）中空的飛灰比重較水泥低，細度較細，若以相同重量取代水泥，混凝土

中細顆粒增加，累積總表面積增大，使坍度降低。

（4）飛灰含可燒失之碳粒子物質，降低輸氣劑的輸氣效果，使坍度降低。

混凝土中適度添加飛灰，亦可降低泌水現象。泌水現象係由於漿體之拌和水 量大於漿體水化或吸附所需的用水量，其機理為漿體在拌和後，若拌和水過多，

則會形成一固態/液態相之懸浮體，由於固態相漿體顆粒表面與水接觸後形成電 雙層，而電雙層包含表面吸附層和擴散層，因此除吸附水層和擴散水層所需水分 外，多餘的水分由於其比重較固相材料輕，而有往上浮的現象，在固態相之顆粒 沈澱時經由顆粒相互吸引之凝聚結構網間隙中析出產生泌水現象。適當比例之飛 灰可減少用水量，增加混凝土之黏性與塑性，減少泌水；部分研究指出[45, 46]，

飛灰取代量越高，泌水量則隨之減少。

飛灰之早期水化熱僅為水泥之15～35％[47]，以飛灰取代水泥，不僅使水泥 量減少，又可延緩水泥水化反應，降低水化熱。文獻[48]指出，當 10-20 重量％

的水泥，被飛灰所取代時，則混凝土水化時之上升溫度、最高水化放熱比、及3 天水化熱，將隨著加入飛灰，而有下降的趨勢。

文獻[49]認為，含飛灰之混凝土水化初期，由於飛灰中的鋁及矽離子易與 離子結合，形成一個矽-鈣薄層，包覆在飛灰顆粒的表面，使溶液中的

Ca2⁺ Ca²⁺

離子濃度降低，遲滯C S₃ 之水化作用。

2.9.2 飛灰對混凝土硬固性質的影響

含飛灰之混凝土，其水泥之水化反應初期純為波特蘭水泥之水化作用，直到 其水化產物氫氧化鈣濃度增高，熱能達到卜作嵐反應所需條件，飛灰才開始進行 卜作嵐反應。

因此在飛灰取代水泥的情況下，其早期強度降低，但若取代量適當，則晚期 將由於卜作嵐反應之效果，使得晚期強度超過不含飛灰之試體強度；而在高取代 量的情況下，由於氫氧化鈣來源減少，使得部分飛灰顆粒未能進行卜作嵐反應，

使得強度較差[50]。部分研究指出[51, 52]，飛灰混凝土之彈性模數較一般混凝土

略高，但差異性不大。

飛灰與可溶性之氫氧化鈣反應生成不溶性的C-S-H 膠體堵塞水路，因此，混 凝土添加飛灰可增加其水密性、降低滲透性；水化完成後，總孔隙率降低，且由 大孔隙轉為小孔隙。

以熱學性質而言，混凝土中飛灰含量之增加可以減少水泥漿體及砂漿之熱膨 脹量。因飛灰在有水之狀況下會與水泥漿體內之CH 起波索蘭反應，消耗 CH 而 生成C-S-H 膠體，填塞孔隙及原 CH 所佔有之空間，因此含飛灰水泥漿體之 CH 含量較純水泥漿體為少，氫氧化鈣(CH)含量太多，在溫度超過 300℃時抗壓強度 會受損，此乃因為圍繞在氫氧化鈣晶格四周之微裂縫增加之緣故；因此添加飛灰 可以使漿體內之CH 降低，間接地使耐熱性質提高[53]。 若飛灰添加量大，會隨 著取代量的增加造成混凝土較低的溫度增加，延緩了溫度高峰點出現的時間，這 說明飛灰延緩了水泥的水化反應，但仍保有一個溫度升溫的高峰點[54]。

2.10 爐石對混凝土性質的影響

2.10.1 爐石對混凝土新拌性質的影響

水灰比固定時，高爐熟料含量對於含有高爐熟料的水泥漿體其坍度與流度之 影響，有一最佳值存在，即隨著高爐熟料含量增加而升高至坍度或流度最高值 後，又隨著含量的增加而降低；坍度與流度最高值之出現時機，與混凝土之水灰 比有關，通常水灰比越高，則坍度與流渡達到最高峰時所需的高爐熟料含量越 大，而在供水量不足的情況下，高爐熟料含量若在一定限度內，會因其保水性差，

擴散水層大，增加其坍度與流度，改善混凝土之工作性[55]。

由於爐石保水能力不佳，在高水灰比的情況下，爐石含量固定時，因拌和水 多過於水泥漿體水化所需用水量，多餘的拌和水會被排出，使得泌水率隨水灰比 增加而增加[55]。而在低水灰比(0.47)下，由於爐石在水泥漿體中具有保水性與延 緩水化之特性，交互影響下，泌水率的增減隨時間而顯現出較複雜的趨勢[56]。

文獻[57]以超細爐石（Superfine mineral Powder of Phosphoric Slag，比表面積

介於600-800 之間）取代20％水泥，與僅使用普通波特蘭水泥之高性能 混凝土控制組相較之下，具有較高的坍度值，這是由於SFPS 對混凝土的分散效 應（dispersing effect）所致。

kg m /²

另外對於混凝土水化熱而言，加入高溫爐石時，最高上升溫度、最高水化放 熱比及3 天水化熱將降低[48]。因高爐水泥之水合熱隨著高爐石粉末之置換混合 比率之增加而逐漸降低，故高爐水泥可有效地克服巨積混凝土溫度裂紋問題之困 擾[53]。

2.10.2 爐石對混凝土硬固性質的影響

混凝土水化過程中產生的氫氧化鈣，常成為硬固混凝土中的弱點，CH 易溶 於水而析出，降低混凝土強度與耐久性。爐石之水化作用較水泥為慢，水泥漿體 內爐石的水化方式，乃藉由水泥在水化作用期間，所釋放出的氫氧離子，使爐石 的玻璃質結構破裂及溶解，消耗氫氧化鈣，生成水化產物C-S-H 膠體，逐漸強化 混凝土的硬固性質[56]。 因此，添加爐石可增加混凝土的緻密性，降低混凝土 水化作用之溫度；而由於消耗了混凝土中的鹼質如氫氧化鈣，故可增加混凝土抗 硫性與抗鹼矽反應的能力。

一般文獻認為，添加爐石於混凝土中，將有助於混凝土晚期強度的發展。以 爐石或高爐水泥拌合出之混凝土，於14～28 日材齡之時，其強度水準與普通卜 特蘭水泥相比，已達相等或更高之強度，而長期強度更是凌駕其他種類之水泥 [53]。

添加爐石於混凝土中，其早期強度不如普通混凝土，將隨爐石添加量增加而 降低[58, 59]。文獻[57]以超細爐石取代部分水泥，發現早期強度降低，但晚期強 度與控制組相較之下則提高，混凝土7 天抗壓強度降低了 14％，但 28 天抗壓強 度則提高了31％。

文獻[57]同時指出，由超細爐石取代部分水泥的高性能混凝土，其氯離子滲 透係數將大幅的下降，與控制組相較之下，當爐石取代水泥量為30％時，試體

之氯離子滲透係數下降了23％～33％，但當爐石取代量為 50％時，混凝土的氯 離子係數反而比取代30％時稍微提高，因此以超細爐石取代部分水泥時，可以 降低氯離子滲透係數，因此，混凝土的耐久性也能提高。至於爐石對於抗凍融與 抗鹽分侵蝕的效果則不明顯。

2.11 常壓蒸氣養護

2.11.1 常壓蒸氣養護之流程

由文獻[60]指出，一個完整的蒸氣養護流程必須包含以下各階段：1.前置段、

2.升溫段、3.恆溫段、4.降溫段，如圖 2-7 所示，且各個階段都有其相關之限制，

以確保蒸氣養護能使混凝土在強度及經濟上達到一個平衡點，以下為文獻指出之 相關建議[61]：

(1)前置段：

此階段為混凝土製品澆置完成後至進入蒸氣養護前之時期，此階段之功用，

乃使得混凝土製品在進入蒸氣養護前，能先在室溫下靜置一段時間，以利初期的 水化反應，增加混凝土之穩定性。文獻[62]指出，前置階段越長則對混凝土晚期 強度的影響越小，且前置階段必須超過3 小時才不至於對晚期強度造成太大的影 響，且若前置階段為 7 小時則對經濟效益及混凝土構件早晚期性質有最佳狀況 [61]。

(2)升溫段：

在前置段之後，為蒸氣養護的開始階段，在升溫段中，使蒸氣之溫度以一控 制之速率增加至所需要到達的溫度為止，為避免混凝土因受高溫造成體積變化太 大而受損，預鑄混凝土製品升溫速率範圍在11 /hr~33 /hr℃ ℃ 較佳[63]，若之前有 一段適當之前置時間，則可以有較高的升溫速率（33 /hr℃ ）；反之，若之前的前 置時間不足，則升溫速率須降至11 /hr℃ 左右。在經濟及品質許可之下，盡可能 選擇較低的升溫速率，以確保混凝土長期耐久性及晚期強度[61]。

(3)恆溫段：

混凝土於此階段能獲得大部分的強度，因此，此階段為強度發展之關鍵期。

蒸氣養護雖然提高了早期的強度，但晚期強度會相對的降低。較高的養護溫度只

需要較短的養護時間即可達到相同的強度，如圖(2-8)所示，但快速的水化溫度將 導致晚期強度的劣化，所以最高溫度若維持在 66℃～80℃時對混凝土強度的獲 得最為有效，但若超過 80℃則不經濟且將對極限強度有不良的影響。較高的養 護溫度需要較長的前置時間，以避免混凝土因體積的變化太大而遭受損害[61]。

(4)降溫段：

在此階段將停止供應混凝土製品蒸氣，使其能緩慢的降溫，且能與外界之溫 差不至於太大，而影響混凝土製品之品質。為了避免高溫養護後產生熱衝擊 (thermal shock)而造成熱裂縫，宜使用適當之冷卻速度，最好能維持與升溫相近 之速率[61]。

2.11.2 養護溫度對水化速率之影響

化學反應速率會隨著溫度之升高而加快，溫度與反映速率的關係可以用一經 驗公式來表示，即Arrhenius 方程式[62]：

dT k d(ln )

＝ ₂ RT

A (2-36) 式中K：反應速率，T：絕對溫度，A：活性能常數，R：氣體常數。

將(2-14)微分方程式求解，因此在不同溫度的水化速率比可由下列公式表示：

2.303log(

2 1

K

K )＝－

R A(

1

1 T －

2

1

T ) (2-37) 當溫度在20℃以上時，水泥的活性能為 33500 J/mol。溫度對水泥水化速率

的關係可由圖 2-9 得之，溫度越高水泥水化速率越快，早期水化程度越高，圖 2-10[62]。

2.11.3 養護溫度對孔隙之影響

養護溫度越高時水化速率也越快，因為水化為擴散控制，在高溫時水化產物 會很快地在水泥顆粒周圍形成高密度的擴散屏障，導致水化產物的不均勻分佈。

另一方面C3S在較高溫時(50~100 )℃ 會產生較粗的水化結構，使得孔隙體積較低 溫時為高[64，65，66]。由於混凝土之組成材料對熱膨脹程度並不一致，其中以 空氣和水有較大的膨脹量，在高溫時混凝土將因熱膨脹程度之不同而產生內應力 造成裂縫及孔隙的增加。