行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
應用聲光定位系統探討水泥基質材料缺陷基因之研究(第 3 年)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 97-2221-E-011-124-MY3
執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 年 10 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 ： 黃兆龍 共 同 主 持 人 ： 陳立憲
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：詹懿任 碩士班研究生-兼任助理人員：梁文文 碩士班研究生-兼任助理人員：楊喆巽 碩士班研究生-兼任助理人員：林國龍 碩士班研究生-兼任助理人員：買冠誠 博士班研究生-兼任助理人員：陳俊村
報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
公 開 資 訊 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 100 年 12 月 26 日
中 文 摘 要 ： 本研究第三期係在傳統抗壓試驗過程中，加入非破壞之聲射 技術（AE），三維追蹤水泥矽灰材料內部之破裂微震裂源，
藉以判斷實際破壞行為及其演化；並輔以電子點紋干涉技術
（ESPI）觀察其表面二維變形之微破壞特徵及巨觀之破裂形 式，其目的在探討黃氏富勒緻密配比（HFDMDA）之水泥基質 材料（矽灰材料）於應力下產生之內部破壞機理，以理解矽 灰添加對於破壞產生之影響以及不同配比設計方式產生之差 異性。研究結果顯示，混凝土材料中添加水泥基質材料（矽 灰材料）可以提高材料強度，其中以 20 至 25%取代量有最佳 之強度表現，而矽灰量越多產生之缺陷使 AE 訊號量相對越 少，且添加過量反而會產生快速破壞之現象。使材料之叢聚 與初裂延後發生，峰後產生回彈而造成不穩定。故配比設計 時可藉由緻密堆積之方式找出矽灰最佳之使用量，使材料組 成堆積緻密，增加材料之鍵結，俾減少矽灰的劣化因子，提 升矽灰水泥材料之強度及耐久性，以達到材料生生不息，發 展永續綠設計的使命。
中文關鍵詞： 矽灰、聲射技術（AE）、電子點紋干涉技術（ESPI）、黃氏 富勒緻密配比 （HFDMDA）。
英 文 摘 要 ： Addition to the conventional compressive testing, the acoustic emission techniques is used to 3-D trace the micro-crack sources in the silica fume cement
material to evaluate the actual crack behavior and propogation. Electronic speckle pattern
interferometry (ESPI） technology is also used to inspect 2-D crack from the surface of the same
specimen. The objective of such study is to explore the internal micro-crack behavior of silica fume cement material designed by Hwang Fuller’s mixture design algorithm (HFDMDA） and to learn the effect of addition of silica fume on the behavior of the cement material and the method of mixture design. The
results indicate that the addition of silica fume to cement material will improve the compressive
strength, and 20 to 25% silica fume addition reach the optimun strength. The more the addition of silica fume, the more the amount of AE signal. Suitable amount of silica fume addition may produce stable rate of AE signals, but excessive amount of silica fume adddition leads to rapid destruction. The addition will also delay the possibility of
localization and crack initiation, and post peak snap-back appears to make the materials unstable.
Designed by DMDA, the silica fume concrete material will be denser, better inter-particle bonding force, less degradation, and better the strength and
durability than normal concrete.
英文關鍵詞： silica fume, acoustic emission（AE）, electronic speckle pattern interferometry（ESPI）, Hwang- Fuller’s Densified Mixture Design Algorithm
（HFDMDA）.
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■成果報告
□期中進度報告
應用聲光定位系統探討水泥基質材料缺陷基因之研究（3/3）
The Application of Speckle Image and Acoustic Techniques on the detetion of the defect of the Cementitious Material（3/3）
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 97－2221－E－011－124－MY3 執行期間：97 年 8 月 1 日至 100 年 7 月 31 日 執行機構及系所：國立臺灣科技大學營建工程系
計畫主持人：黃兆龍 共同主持人：陳立憲
計畫參與人員：陳俊村、梁文文、楊喆巽、詹懿任、林國龍、買冠誠
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
本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：
□赴國外出差或研習心得報告
□赴大陸地區出差或研習心得報告
■出席國際學術會議心得報告
□國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：除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
應用聲光定位系統探討水泥基質材料缺陷基因之研究（3/3）
中文摘要
本研究第三期係在傳統抗壓試驗過程中，加入非破壞之聲射技術（AE），
三維追蹤水泥矽灰材料內部之破裂微震裂源，藉以判斷實際破壞行為及其演化；
並輔以電子點紋干涉技術（ESPI）觀察其表面二維變形之微破壞特徵及巨觀之破 裂形式，其目的在探討黃氏富勒緻密配比（HFDMDA）之水泥基質材料（矽灰 材料）於應力下產生之內部破壞機理，以理解矽灰添加對於破壞產生之影響以及 不同配比設計方式產生之差異性。研究結果顯示，混凝土材料中添加水泥基質材 料（矽灰材料）可以提高材料強度，其中以 20 至 25%取代量有最佳之強度表現，
而矽灰量越多產生之缺陷使 AE 訊號量相對越少，且添加過量反而會產生快速破 壞之現象。使材料之叢聚與初裂延後發生，峰後產生回彈而造成不穩定。故配比 設計時可藉由緻密堆積之方式找出矽灰最佳之使用量，使材料組成堆積緻密，增 加材料之鍵結，俾減少矽灰的劣化因子，提升矽灰水泥材料之強度及耐久性，以 達到材料生生不息，發展永續綠設計的使命。
關鍵字：矽灰、聲射技術（AE）、電子點紋干涉技術（ESPI）、黃氏富勒緻密配 比 （HFDMDA）。
The Application of AE and ESPI on Tracing the Degradation of Silica Fume Cement Material（3/3）
ABSTRACT
Addition to the conventional compressive testing, the acoustic emission techniques is used to 3-D trace the micro-crack sources in the silica fume cement material to evaluate the actual crack behavior and propogation. Electronic speckle pattern interferometry (ESPI） technology is also used to inspect 2-D crack from the surface of the same specimen. The objective of such study is to explore the internal micro-crack behavior of silica fume cement material designed by Hwang Fuller’s mixture design algorithm (HFDMDA） and to learn the effect of addition of silica fume on the behavior of the cement material and the method of mixture design. The results indicate that the addition of silica fume to cement material will improve the compressive strength, and 20 to 25% silica fume addition reach the optimun strength.
The more the addition of silica fume, the more the amount of AE signal. Suitable amount of silica fume addition may produce stable rate of AE signals, but excessive amount of silica fume adddition leads to rapid destruction. The addition will also delay the possibility of localization and crack initiation, and post peak snap-back appears to make the materials unstable. Designed by DMDA, the silica fume concrete material will be denser, better inter-particle bonding force, less degradation, and better the strength and durability than normal concrete.
Keywords: silica fume, acoustic emission（AE）, electronic speckle pattern interferometry（ESPI）, Hwang-Fuller’s Densified Mixture Design Algorithm （HFDMDA）.
目錄
中文摘要... I 英文摘要... II 目錄... III 表目錄... V 圖目錄... VI
第一章 緒論... 1
1.1 研究動機... 1
1.2 研究目的... 1
1.3 研究方法... 1
1.4 成果與貢獻... 1
第二章 文獻回顧... 3
2.1 矽灰材料... 3
2.1.1 矽灰介紹... 3
2.1.2 矽灰物理化學性質... 3
2.2 單軸壓縮試驗... 4
2.2.1 單軸壓縮試驗完整應力應變曲線... 4
2.2.2 單軸壓縮試驗峰後曲線類型... 5
2.3 聲射法（AE） ... 5
2.3.1 聲射之沿革與應用... 5
2.3.2 聲射定位原理... 7
2.4 電子點紋干涉術（ESPI） ... 8
2.4.1 電子點紋干涉術之應用... 8
2.4.2 干涉之面內位移與量測原理... 9
2.4.3 斑點效應特性... 11
2.5 ACI 配比法 ... 11
2.6 黃氏富勒緻密配比... 12
第三章 試驗計劃... 20
3.1 試驗材料... 20
3.2 試驗變數... 20
3.3 試驗方法及設備... 21
3.3.1 材料基本試驗... 21
3.3.2 配比設計試驗... 22
3.3.3 新拌性質試驗... 22
3.3.4 硬固性質... 23
3.3.5 微觀觀測... 24
3.4 聲光檢測... 24
3.4.1 試驗前置... 24
3.4.2 試驗設備... 25
3.5 單壓試驗步驟... 27
第四章 結果與分析... 47
4.1 基本性質試驗... 47
4.1.1 水化熱... 47
4.1.2 抗壓強度... 48
4.1.3 超音波速率... 49
4.1.4 表面電阻... 49
4.1.5 吸水率... 50
4.1.6 微觀性質... 50
4.2 聲光檢測技術... 51
4.2.1 水膠比的影響... 51
4.2.2 添加矽灰之影響... 53
4.2.3 齡期之影響... 55
4.2.4 材料組成之影響... 56
4.3 綜合討論... 57
第五章 結論與建議... 109
5.1 結論... 109
5.1.1 水膠比... 109
5.1.2 矽灰取代量... 109
5.1.3 齡期... 110
5.1.4 材料組成... 111
5.1.5 配比設計... 111
5.2 建議... 111
參考文獻... 113
表目錄
表 3.1 水泥、爐石、飛灰、矽灰之化學成分及物理性質... 28
表 3.2 強塑劑的基本性質... 28
表 3.3 標準砂粒徑分析... 29
表 3.4 粗細粒料之基本性質... 29
表 3.5 試驗變數配比表... 29
表 3.6 試體編號說明... 30
表 4.1 不同水膠比於聲光檢測之結果比較表... 58
表 4.2 不同矽灰取代量於聲光檢測之結果比較表... 58
表 4.3 不同齡期於聲光檢測之結果比較表... 58
表 4.4 不同材料組成於聲光檢測之結果比較表... 58
圖目錄
圖 1.1 研究流程圖... 2
圖 2.1 矽灰外觀... 16
圖 2.2 W/B=0.35 矽灰取代量與抗壓強度關係圖 ... 16
圖 2.3 矽灰取代量與 28 天抗壓強度關係圖... 16
圖 2.4 單壓試驗之完整應力-應變曲線和體積變化 ... 17
圖 2.5 材料單壓試驗峰後曲線類型... 17
圖 2.6 聲射定位法則之到達時間差法之三維空間定位... 17
圖 2.7 試體面內位移示意圖... 18
圖 2.8 ESPI 斑點形成原理（ ... 18
圖 2.9 ESPI 於試體表面形成之斑點 ... 18
圖 2.10 ACI 混凝土配比設計流程圖 ... 19
圖 3.1 水泥基質材料配比工作性一覽表... 31
圖 3.2 粒徑分佈曲線圖... 32
圖 3.3 李氏比重瓶... 33
圖 3.4 搖篩機... 33
圖 3.5 最大骨材粒徑及細骨材細度模數下粗骨材乾搗體積... 33
圖 3.6 拌合機... 34
圖 3.7 坍度及坍流度設備... 35
圖 3.8 水化熱儀器... 35
圖 3.9 水化熱裝置示意圖... 35
圖 3.10 抗壓試驗機... 36
圖 3.11 超音波量測儀 ... 36
圖 3.12 表面電阻量測儀... 37
圖 3.13 掃描式電子顯微鏡... 37
圖 3.14 平整台... 38
圖 3.15 MTS 材料試驗機 ... 38
圖 3.16 COD 環狀應變計 ... 39
圖 3.17 接收 AE 訊號之壓電式轉換計（AE 感應器） ... 39
圖 3.18 供濾波與放大震波訊號之前置放大器... 40
圖 3.19 AE 訊號擷取系統 ... 40
圖 3.20 氦-氖雷射儀 ... 41
圖 3.21 空間濾波器... 41
圖 3.22 分光鏡... 42
圖 3.23 反射鏡... 42
圖 3.24 CCD 攝影機 ... 43
圖 3.25 隔震桌... 43
圖 3.26 AE 配置示意圖 ... 44
圖 3.27 ESPI 配置示意圖 ... 45
圖 3.28 聲光試驗流程... 46
圖 4.1 水化熱試驗結果... 59
圖 4.2 不同 W/B 之水泥漿強度發展圖 ... 59
圖 4.3 不同 W/B 之水泥砂漿強度發展圖 ... 60
圖 4.4 不同 W/B 之混凝土強度發展圖 ... 60
圖 4.5 矽灰添加於水泥漿強度發展圖... 60
圖 4.6 矽灰添加於水泥砂漿強度發展圖... 61
圖 4.7 不同矽灰取代量之混凝土強度發展圖... 61
圖 4.8 不同 W/B 之水泥漿超音波速關係圖 ... 61
圖 4.9 不同 W/B 之水泥砂漿超音波速關係圖 ... 62
圖 4.10 不同 W/B 之混凝土超音波速關係圖 ... 62
圖 4.11 矽灰添加於水泥漿超音波速關係圖 ... 62
圖 4.12 矽灰添加於水泥砂漿超音波速關係圖... 63
圖 4.13 不同矽灰取代量之混凝土超音波速關係圖... 63
圖 4.14 不同 W/B 之水泥漿表面電阻關係圖 ... 63
圖 4.15 不同 W/B 之水泥砂漿表面電阻關係圖 ... 64
圖 4.16 不同 W/B 之混凝土表面電阻關係圖 ... 64
圖 4.17 矽灰添加於水泥漿表面電阻關係圖... 64
圖 4.18 矽灰添加於水泥砂漿表面電阻關係圖... 65
圖 4.19 不同矽灰取代量之混凝土表面電阻關係圖... 65
圖 4.20 不同 W/B 之水泥漿吸水率關係圖 ... 65
圖 4.21 不同 W/B 之水泥砂漿吸水率關係圖 ... 66
圖 4.22 不同 W/B 之混凝土吸水率關係圖 ... 66
圖 4.23 不同矽灰取代量之混凝土吸水率關係圖... 66
圖 4.24 SEM 觀察結果 ... 67
圖 4.25 W/B 與 28 天抗壓強度關係圖 ... 68
圖 4.26 不同 W/B 水泥漿應力應變曲線圖 ... 68
圖 4.27 不同 W/B 水泥砂漿應力應變曲線圖 ... 69
圖 4.28 不同 W/B 混凝土應力應變曲線圖 ... 69
圖 4.29 CD23_28 應力應變及 AE 累積曲線圖 ... 70
圖 4.30 CD35_28 應力應變及 AE 累積曲線圖 ... 70
圖 4.31 CD47_28 應力應變及 AE 累積曲線圖 ... 71
圖 4.32 W/B 對叢聚之影響圖 ... 71
圖 4.33 W/B 與 AE 訊號累積數量關係圖 ... 72
圖 4.34 W/B 與 28 天超音波速關係圖 ... 72
圖 4.35 不同水膠比之混凝土 AE 分佈歷程圖 ... 73
圖 4.36 不同 W/B 之 ESPI 干涉條紋觀測圖 ... 74
圖 4.37 CD23 _28 ESPI 之時間序列分佈圖（初裂於 86%） ... 75
圖 4.38 CD35_28 ESPI 之時間序列分佈圖（初裂於 78%） ... 76
圖 4.39 CD47_28 ESPI 之時間序列分佈圖（初裂於 73%） ... 77
圖 4.40 不同 W/B 混凝土於 28 天之初裂影響圖 ... 78
圖 4.41 CD23_28 混凝土 AE&ESPI 歷程耦合圖 ... 78
圖 4.42 不同 W/B 混凝土 AE&ESPI 耦合圖 ... 79
圖 4.43 矽灰添加於水泥材料之應力應變曲線圖... 80
圖 4.44 矽灰添加於水泥材料對 AE 累積曲線影響比較圖 ... 81
圖 4.45 矽灰有無對叢聚之影響圖（20%取代量） ... 82
圖 4.46 不同矽灰取代量，齡期 28 天之應力應變曲線圖... 82
圖 4.47 CA_28 矽灰取代量系列之 AE 訊號累積圖 ... 83
圖 4.48 齡期 28 天不同矽灰取代量與叢聚位置圖... 84
圖 4.49 不同矽灰取代量於齡期 28 天之叢聚影響圖... 84
圖 4.50 不同矽灰取代量齡期 28 天之電阻關係圖... 85
圖 4.51 不同矽灰取代量齡期 28 天之訊號數量關係圖... 85
圖 4.52 不同矽灰取代量齡期 28 天之超音波速關係圖... 85
圖 4.53 CA 矽灰取代量系列之 AE 分佈圖 ... 86
圖 4.54 28 天齡期不同矽灰取代量之 ESPI 干涉條紋觀測圖 ... 87
圖 4.55 CA35S0 _28 ESPI 時間序列分佈圖（初裂於 44%） ... 88
圖 4.56 CA35S01_28 ESPI 時間序列分佈圖（初裂於 70%） ... 89
圖 4.57 CA35S02_28 ESPI 時間序列分佈圖（初裂於 69%） ... 90
圖 4.58 CA35S04_28 ESPI 時間序列分佈圖（初裂於 51%） ... 91
圖 4.59 矽灰取代量於 28 天之初裂影響圖... 92
圖 4.60 矽灰取代量 AE&ESPI 耦合圖 ... 92
圖 4.61 不同齡期之混凝土應力應變曲線關係圖... 93
圖 4.62 CA35S0_7 之 AE 累積曲線圖 ... 94
圖 4.63 CA35S1_7 之 AE 累積曲線圖 ... 94
圖 4.64 CA35S2_7 之 AE 累積曲線圖 ... 95
圖 4.65 CA35S4_7 之 AE 累積曲線圖 ... 95
圖 4.66 CA 系列 AE Events 關係圖 ... 96
圖 4.67 CD23_7 之 AE 累積曲線圖 ... 96
圖 4.68 CD35_7 之 AE 累積曲線圖 ... 97
圖 4.69 CD47_7 之 AE 累積曲線圖 ... 97
圖 4.70 CD 系列 AE Events 關係圖 ... 98
圖 4.71 CD 不同齡期之叢聚時機比較圖 ... 98
圖 4.72 CA_7 矽灰取代量系列之 AE 分佈圖 ... 99
圖 4.73 CD_7 不同 W/B 混凝土系列之 AE 分佈圖 ... 100
圖 4.74 7 天齡期，不同矽灰取代量之 ESPI 干涉條紋觀測圖 ... 101
圖 4.75 不同 W/B 之 ESPI 條紋觀測圖 ... 102
圖 4.76 CD 組別不同齡期之初裂時機比較圖 ... 102
圖 4.77 7 天齡期，不同矽灰取代量之 AE&ESPI 耦合圖 ... 103
圖 4.78 7 天齡期，不同之 W/B AE&ESPI 耦合圖... 104
圖 4.79 不同材料組成之應力應變曲線圖... 105
圖 4.80 MD35_28 應力應變及 AE 訊號累積曲線 ... 105
圖 4.81 PD35_28 應力應變及 AE 訊號累積曲線 ... 106
圖 4.82 不同材料組成之叢聚影響圖... 106
圖 4.83 不同材料組成與 AE 訊號累積數量關係圖 ... 107
圖 4.84 不同材料組成之 ESPI 干涉條紋觀測圖 ... 107
圖 4.85 28 天齡期，不同材料組成之 AE&ESPI 耦合圖 ... 108
第一章 緒論
1.1 研究動機
矽灰的添加對於水泥基質材料之強度有相當程度之助益，但也同時產生部分 之不良影響，如收縮裂縫【1～10】等。矽灰添加易使材料產生缺陷，影響材料 長期強度品質，並造成材料之耐久性不佳等問題。抗壓強度試驗是水泥基質材料 品質檢驗調查方法中最為直接快速的方法，藉由抗壓強度試驗可以瞭解水泥基質 材料的力學特性與破壞情況，利用抗壓強度試驗配合應力應變之擷取，進一步求 得矽灰材料受壓時之峰前及峰後的應力應變曲線，了解矽灰材料配比改變時產生 的材料特性。然而若單純由外在巨觀之破壞行為觀察矽灰水泥材料破壞特徵，無 法了解矽灰於材料內部所產生的缺陷，也無法理解矽灰使強度提升但耐久性不佳、
容易產生破壞的原因，因此配合其他方式，如聲射技術（Acoustic Emission, AE）
與電子點紋干涉術（Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI）加以輔佐與 檢驗矽灰於材料中產生之劣化因子。
1.2 研究目的
利用抗壓試驗配合聲光檢測技術來檢測水泥矽灰材料之破壞演化歷程以達 到下列目的。
1. 了解添加矽灰對材料於峰前及峰後應力應變曲線之影響。
2. 探討耦合矽灰材料內部微裂以及表面破壞之關聯。
3. 藉由聲光檢測結果探討矽灰產生之劣化因子。
4. 改良矽灰水泥材料配比設計。
1.3 研究方法
利用傳統力學、聲射訊號及電子點紋干涉術對水泥基質材料之破壞行為進行 檢測，探求水膠比（W/B）、矽灰添加、齡期以及材料組成對於材料之巨微觀影 響。再配合一般非破壞性檢測（超音波檢測、表面電阻檢測）、傳統力學行為試 驗（抗壓強度、應力應變行為）以及微觀檢驗（掃描式電子顯微鏡）進行比較，
最後結合各項實驗耦合求出材料破壞之時點、裂縫之資訊，藉由破壞特徵以求出 水膠比（W/B）、矽灰添加、齡期以及材料組成對材料產生的劣化影響。詳細研 究流程見圖 1.1。
1.4 成果與貢獻
1. 添加矽灰對水泥基質材料應力應變行為之影響並分析其結果。
2. 由傳統試驗比對聲光檢測技術，並相互驗證耦合，藉此充分了解材料劣化成 因。
3. 藉由聲光檢測技術耦合傳統力學之資訊，提供矽灰水泥基材料設計改善之建 議。
4. 建立聲光檢測技術於單壓試驗，並藉此了解材料聚微觀破壞行為及衍化。
文獻調查
決定實驗變數
材料基本性質試 驗
試體製作
傳統試驗 新式聲光
耦合檢測
聲光試驗與傳統 試驗比對
資料整理與分析
結論與建議
W/B ： 0.23、0.35、 0.47
材料：水泥漿、水泥砂漿、混凝土 矽灰取代量：0%、10%、20%、40%
10cm x 5cm x 4.5cm
1.破壞:單壓試驗
2.非波壞;水化熱、超音波、電阻、吸 水率、SEM。
圖 1.1 研究流程圖
第二章 文獻回顧
矽灰使用於混凝土中，通常用於取代部分水泥做為膠結料之一部分，具有產 生卜作嵐反應之特性【5】。卜作嵐反應之機理係由於卜作嵐材料內含有矽及鋁成 分，可與水泥水化產物 CaOH（CH）、NaOH（NH）及 KOH（KH）產生卜作嵐 水化反應，產生 C-S-H 膠體，填充混凝土之微孔隙因而提高混凝土之強度，但 添加矽灰後產生之破壞行為並無法得知。聲射技術（Acoustic Emission, AE）與 電子點紋干涉術（Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI）在岩石、金屬 材料或水泥基質材料檢測方面皆頗有貢獻【11～13】；聲射技術對於材料內部所 發生的微小變動具有高度敏感的特性【14～29】，電子點紋干涉術對於材料外部 所產生的微細變形亦非常敏感【33～48】，故藉由 AE 及 ESPI 來探討矽灰對水泥 基質材料破壞之影響。
2.1 矽灰材料
2.1.1 矽灰介紹
美國混凝土學會（ACI）定義「矽灰」是「非常細小的非結晶型二氧化矽，
為一種利用電弧爐生產元素矽或含矽合金的副產品」（AC 116R）。本研究所使用 之矽灰為一種藍灰色的粉末（圖 2.1）。
矽灰使用於混凝土中，通常用於取代部分水泥做為膠結料之一部分，具有產 生卜作嵐反應之特性。卜作嵐反應之機理係由於卜作嵐材料內含有矽及鋁成分，
可與水泥水化產物 CH、NH 及 KH 產生卜作嵐水化反應，產生 C-S-H 膠體，填 充混凝土之微孔隙因而提高混凝土緻密性。
⁄ {
} {
⁄ ⁄
⁄ }…（2-1）
（卜作嵐材料） （水泥或外加鹼） （水） （低密度膠體）
式中S、A、K、N、C、H 為水泥化學簡寫符號，分別代別SiO2、Al2O3、 K2O、Na2O、CaO 及H2O。
由於矽灰為生產矽金屬或矽鐵合金的副產品，早期為工業廢棄物的一種，而 此種材料由原先之廢棄物變成了現在混凝土中的有用材料，就是廢物利用的最好 例子。
2.1.2 矽灰物理化學性質
矽灰最主要成分為二氧化矽，故可以在混凝土中產生卜作嵐反應，也由於矽 灰是一種非結晶形的材料，而其顆粒極為微小，本研究中矽灰有82%的粒子小於 1μm，故添加矽灰能夠填補水泥粒子間之間隙，而卜作嵐反應產生的C-S-H膠體 也能使材料更緻密。
矽灰對於新拌混凝土有兩個明顯影響：（1）增加黏滯性、（2）減少泌水，
Duval【1】於低水膠比時以10%矽灰取代水泥用量尚不致影響混凝土之工作性，
但若增加至20%則須增加強塑劑來調整混凝土之工作性，Nehdi【2】等人也有相 同之實驗結果：由於矽灰之比表面積大，對於混凝土泌水性也有正向的幫助，同 時並建議可以綜合使用多項卜作嵐材料來達到更好之工作性。
矽灰對於混凝土硬固性質也有非常正面的幫助，Rao【3、4】提出添加矽灰 可以減少水泥的膨脹量，但添加越多則會造成乾縮量增加，而其卜作嵐反應作用 於早期，故矽灰對混凝土強度的影響集中於前7天，而在7天之後其強度成長趨緩，
而其研究結果指出在水膠比為0.35時，最佳矽灰取代量為22.5%（圖2.2）。Bonen
【5】等人亦說明了矽灰能增加材料強度是因為材料的填塞效應以及卜作嵐反應。
Lam【6】等人指出5%的矽灰取代量對圓柱抗壓強度及抗拉強度都有正向之影響，
但由於方塊試體之高寬比較低且具有邊界效應，故對方塊試體抗壓則幫助不大。
而藉由破壞能量（GF）之計算得知，添加矽灰會使混凝土破壞呈現為較為脆性。
Mazloom【7】指出混凝土中矽灰取代量越高，為了維持相同坍度則需增加更多 的強塑劑，含有矽灰之混凝土在90天後強度增加不明顯且矽灰對彈性模數沒有明 顯影響。而矽灰取代量增加造成混凝土自體收縮增加。
Toutanji 【8】指出矽灰對於膠體與粒料間的膠結性有很好的影響，但對於 0.22低水膠比之材料容易使其產生自體乾縮反而導致其強度下降。Caliskan【9】
的研究結果顯示：使用微觀及化學分析矽灰對於粒料介面產生之影響，發現較高 濃度之二氧化矽含量產生較薄的介面厚度及較高的鍵結強度。而當粒料尺寸縮減 時鍵結強度隨之提升。Bhanja【10】研究了矽灰對於抗拉強度的影響，並指出5%
~ 10%取代量有最好之抗拉強度，而15%~20%取代量有最好的抗彎強度，15% ~ 25%則有最佳之抗壓強度（圖2.3）。
由文獻【3～10】中可得知矽灰之卜作嵐反應對於水泥基質材料的強度有很 好的影響，而其細度更是水泥基質材料中很好的微孔填充材料，但在矽灰提升水 泥材料強度的同時卻無法得知其如何於破壞過程中造成影響。
2.2 單軸壓縮試驗
2.2.1 單軸壓縮試驗完整應力應變曲線
水泥基質材料在具有伺服控制的 MTS 加載系統上進行單壓試驗，除了量測 應力、軸向應變ε 1 及橫向應變 ε 3 外，也可繪出完整的應力-應變曲線圖（圖 2.4 Goodman ,1989），大致分為五個階段，各階段特徵和機制說明如下：
（1） 裂縫閉合OA段：材料中心微裂縫於施加軸向壓力時，微裂縫逐漸閉合，
勁度逐漸提高，於應力-軸向應變曲線（σ-ε1）呈現上凹形。
（2） 線性變形AB段：除彈性變形外還包含裂隙相互滑動的塑性變形，此時應 力-軸向應變曲線（σ-ε1）近似直線但非彈性。
（3） 誘發新裂隙BC段：材料受到較高的應力而產生新的裂隙，勁度開始降低，
裂隙兩側材料沿著粗糙的裂面滑動激發剪脹現象，為岩材料破壞的前兆，
此時應力-軸向應變（σ-ε1）及應力-側向應變曲線（σ-ε3）之斜率逐漸變 小，而體積變化量從某一應力起由壓縮量變為剪脹。
（4） 新裂縫加速增加至尖峰強度CD段：裂隙端應力集中促進新裂隙快速發展，
形成巨觀裂縫，相對位移和變形也變大，而應力-軸向應變（σ-ε1）斜率 更加趨緩。
（5） 峰後D點後段：可看出裂縫快速發展成連通的大裂縫，最後裂縫間大量位 移和剪脹現象，直到應力降到最小值的殘餘強度。
2.2.2 單軸壓縮試驗峰後曲線類型
傳統壓力試驗機加壓至破壞強度後，高強度之材料會產生劇烈的破壞，但採 用 MTS 可求得峰後曲線，圖 2.5 Wawersik （1968）根據岩石材料的峰後曲線形 式，分為兩種類型，說明如下：
（1） 穩定破壞型（ClassⅠ）：通常較軟岩石較常出現，由於峰後所儲存的應變 能不能使裂縫繼續擴展，若對試體持續作功，試體的承載力隨應變增加而 降低，導致試體破裂；而此類型峰後不一定有驟然破壞，工程師有機會藉 著監測系統量測應變或應力，提供示警信號。
（2） 非穩定破壞型：通常堅硬且脆的岩石較可能出現，試體在峰後的應變或位 移降低，即未施加壓力，但試體所儲存的能量仍會使裂縫持續發展，承載 力不斷降低。
而本實驗所使用之材料為類岩的水泥基質材料，故其峰後曲線也可以此做為 判斷其峰後為穩定破壞或非穩定破壞。
2.3 聲射法（AE）
2.3.1 聲射之沿革與應用
聲射，依ASTM E610-82可定義為一材料局部能量快速釋放所產生的暫態彈 性 波 （ transient elastic stress wave ）， 主 要 用 於 微 小 能 量 釋 放 的 微 震 裂 源
（microseismic sources）之偵測，並針對其裂源發生時間即發生位置進行研判，
藉以了解材料內部破壞演化之情形。
國外研究方面，1950年代初期的科學家Kaiser【11】，是第一位將電子設備應 用於材料科學的學者，他使用電子設備來偵測金屬因變形所發出的聲射訊號，並 指出所有的金屬在受力變形時均有聲射現象發生。並說明此為一不可逆之現象，
材料於受力後進行解壓之過程中，無AE訊號的產生，直到再受到大於先期施壓 之最大載重， AE訊號方再度出現，稱為「凱撒效應」（Kaiser effect）。Robinson
（1965）【12】以水泥基質材料作為試體，探討其在載重下之聲射訊號特性。其 研究結果指出，在載重下聲波的傳導速度與波松比（Poisson’s Ratio）的改變有
關，並推論出利用聲射檢測技術可以比一般統方法更容易測得試體早期微小的改 變。Alliche和Francois（1986）【13】運用聲射檢測技術探討水泥砂漿之疲勞破壞 行為。其研究結果顯示，試體變形與聲射訊號特性有密切的關係。Rossi （1990）
等人【14】利用五個探頭在混凝土的雙懸臂樑上進行破壞力學試驗，利用聲射檢 測技術來決定混凝土受力時，微裂縫在混凝土內成長的情況與裂縫成長的位置。
Keru （2000、2001）等人【15】探討水泥砂漿、混凝土以及加入鋼纖維的混凝 土之聲射訊號特性；並運用聲射檢測技術探討粒料粒徑對混凝土的影響，粒料粒 徑越大則裂縫演化路徑越複雜。Mihashi（1991）等人【16】以三維聲射技術偵 測粒料粒徑於破壞區域的影響，粒料的均勻性對混凝土的破壞有顯著影響，隨著 能量的增加，破壞區域的寬度也隨之增加。Yoon等人（2000）【17】利用聲射法 評估鋼筋混凝土中破壞機制的聲射參數，如微裂縫，局部開裂等反映出不同的聲 射特徵（振幅/時間），而腐蝕程度增加亦會造成聲射的訊號之減少，訊號的頻譜 及轉換可供了解破壞行為及AE產生的機制，當鋼筋混凝土損害越來越大，當破 壞由微裂轉為開裂時，聲波的中心頻率會降低，在破壞後期的高能量訊號是由許 多短而密集的訊號所組成。整體而言AE參數與訊號的分析對於鋼筋混凝土的破 壞機制有良好的相關性。Kim等人（2002）【18】以聲射檢測技術來定量纖維加 勁的水泥砂獎所受之破壞，得知可利用聲射訊號源來偵測裂縫的發生以及所在位 置。
國內研究方面，Weng等人（1992）【19】探討了水泥砂漿於抗壓時的聲射訊 號特性，由聲射訊號特徵可判別砂漿於抗壓時可分為起始、穩定成長、快速成長 三個階段，而水灰比與聲射訊號數量有著線性關係。曾祥璣（1992）【20】利用 聲射檢測技術探討水淬爐石及矽灰水泥砂漿在受壓過程中之聲射訊號特性，其結 論指出水淬爐石水泥砂漿在受壓的過程中，所產生之聲射訊號事件數的變化情形 與矽灰水泥砂漿受壓破壞的情形相似，分為起始、穩定成長、快速成長三個階段 穩定進行。張仲佐（1995）【21】將聲射檢測技術運用於混凝土材料，探討混凝 土荷載歷史之凱撒效應，其研究結果發現不同的加壓速率、不同加壓方向、不同 再壓時間以及試體的孔隙率與水化程度對於聲射訊號的分析皆有影響。譚明德
（1996）【22】針對水泥砂漿試體在單軸抗壓試驗下的聲射訊號進行探討，結果 指出聲射事件的特性約可分為裂縫起始、裂縫穩定成長及裂縫不穩定成長三個階 段。Chen（2003）【23】關於混凝土三點抗彎的聲射訊號特徵研究，混凝土梁上 不同之缺口深度會產生不同的聲射特性，當深度增加，AE訊號產生之峰值向後 移動，峰值的寬度增加，但是高度減少。蔡昇哲（2005）【24】於國內初步建置 貫切試驗，並輔以聲射技術，探討人造類岩與天然大理岩及蛇紋岩於貫切刀口接 近弱面距離之巨微觀破壞行為。林雍勝（2006）【25】研究岩石貫切破壞之圍壓 與刀楔影響及其對應之聲射演化，探討人造類岩與天然之大理岩圍壓下彈-塑性 界面範圍。劉峵瑋（2006）【26】以非破壞耦合試驗研探類岩材料受楔型貫切破 壞之側向自由邊界效應。黃國忠（2007）【27】應用聲射法探討擬脆性岩材破壞 之機理：擬脆性岩材受力作用於不同應力路徑下，加載雖未達尖峰強度水準，但
於材料內部所產生之微裂而至叢聚（Localization），可能已有導致後續破壞之先 兆，故微裂發展趨勢對於巨觀結構穩定之研究相當重要。魏德禎（2008）【28】
在其〝岩石斜剪切試驗暨其聲光非破壞檢測之佐驗〞之研究中得知：從斜剪破壞 過程之峰前行為可得，相同之材料隨著剪切角度愈大，其尖峰剪應力越小，主要 係對應之正向應力較小所致。其初裂（Crack Initiation）產生位置均為端點不受 剪切角度改變之影響。由加載歷程之峰後的裂衍（Crack Propagation）路徑觀之，
純石膏之巨觀裂縫為張力破壞，屬於斜張裂縫；石膏砂漿破壞型態屬於剪力破壞，
兩者皆隨剪切角度θ越大，裂縫偏斜角隨之越小。峰前微觀行為得知，沿剪切方 向某長度位置有AE事件之發生，可初步斷定其初始微震裂源位於剪裂面之中央 位置處，AE微裂之叢聚產生於中央剪裂區，其現象與裂縫延展趨勢頗為一致。
楊文欣（2009）【29】非破壞性聲光同步技術佐驗類岩斜剪試驗之剪角影響與預 裂效應：觀察無預裂及圓孔型斜剪試驗結果發現，隨剪角β增大（即正向應力降 低），加載曲線之勁度與強度兩者隨之降低，在無預裂試體中，其破壞之裂衍角 有反轉趨勢乃至其值亦隨之增大，亦即其產生之剪力破壞模式由相對高正向應力 產生之壓－剪破壞（β＝ψ~50°）；漸次變成相對低正向應力下，允許膨脹之單 一裂縫（β＝50~60°）或雙剪裂帶（β＝60~75°）。
2.3.2 聲射定位原理
水泥基質材料受到外在環境變化之影響時（如壓力、拉力、剪力或乾溼度等）， 材料內部將累積其能量，當吸收能量到達極限時，將會形成微裂縫來釋放所累積 的能量，造成材料內部之破壞，而微裂縫互相聯結，最後形成巨觀之裂縫，聲射 法即用於檢測此材料內部缺陷並找出其初始破壞處之技術。
材料能量釋放時，AE訊號以暫態彈性應力波形式傳遞，由試體表面數個不 同位置之AE感應器（即壓電式轉換計），將應力波轉換為電壓差訊號並記錄之，
再經由程式計算，找出微裂源的所在位置。
到達時間差定位法（arrival time difference method），可定位分析脆性材料於 開裂時，產生之突發型聲射事件。此方法之原理，為先量測數個已知位置感應器 之到達時間差，應用一維之距離等於波傳速度乘以時間差的公式（2.2），計算未 知的聲源點位，同時當感應器數量足夠時，亦可將波傳速度以公式求得，與實驗 所得或文獻所列之波速相互印證，再進行感應器之校正，確切其能更趨準確。
... （2.2）
其中，D＝兩感應器距離 V＝材料縱波波傳速度
Δt＝兩感應器接收波傳之時間差
於三維空間之聲射定位，將n個AE感應器固定於已知座標上（圖2.6），每組 AE感應器接收AE事件時間，與第一組接收時間差Δti（i=2~n）為已知，則依三 維空間距離計算，距離等於波傳速度乘以時間差，可列出式（2.4）和（2.5）：
D t V
... （2.3）
（i = 2 ~ n） ... （2.4）
其中，Ri = AE 事件至第 i 個感應器的距離 V = 材料中之 AE 波傳速度
= 統計之殘差值
觀察公式可知，AE 聲源點位（x,y,z）未知，若波速 V 亦未知，則需四個時 間差值，即最少需設置五組 AE 感應器，以解得四個未知數，完成 AE 定位之統 計分析。未來後續欲進一步求其裂源特徵（source characterization），則需設置至 少七組 AE 感應器方可求得。（Chen, 2002）【41】
2.4 電子點紋干涉術（ESPI）
2.4.1 電子點紋干涉術之應用
電子點紋干涉術為一種波面檢測技術，量測原理可追朔至 Gabor（1948）【30】
提出之全像術干涉術，為最早應用光學記錄物體表面輪廓之技術 。Leith 和 Upatnieks（1962）【31】則將同軸式拍攝架構改為離軸式的拍攝架構，利用參考 光及照物光在全像片上彼此干涉，解決了單光束拍攝法實像與直流光重疊的問題，
也因此在全像拍攝上有了物光以及參考光的觀念。隔年採用雷射為光源施作全像 干涉術，利用雷射高同調性與高指向性等優點，為全像干涉術提供良好光源，使 其研究得以擴展。干涉量測延續至 Hopkins and Tiziani（1970）【32】時期則對斑 紋其形成原因與現象提出說明。接著 Butters and Leendertz（1971）【33】結合了 電子處理技術與照相機，提出電子點紋干涉術（ESPI），與全像干涉術最大的差 異為電子點紋干涉術結合了光與電，架設簡單，並可對物體作即時量測，將物體 變形前後的資訊以電荷耦合照相機（charge coupled device camera, CCD）於螢幕 上同步顯示干涉條紋，取代傳統全像技術底片沖洗步驟，因此可直接觀察物體表 面之變形狀態，並且可將影像資料儲存以利後續分析。Moore【34】藉 ESPI 以 實施面內位移（in-plane displacement）的全域量測。Hansen【35】使用 ESPI 觀 察混凝土彎矩試驗之裂縫演化，有效於最大荷重前發現破壞，並觀察其破壞演 化。
Facchini【36】等人以 ESPI 估算石材的物理性質，以條紋計算其揚氏模數 以及波松比以及石材的破壞演化。Binda【37】等人以 ESPI 進行岩石試驗之變 形量測，偵測試驗中的應變分佈。Albrecht【38】使用 ESPI 進行 2D 量測誤差的 估計。 Hack【39】等人使用 ESPI 量測輕量結構受熱下之變形。Biolzi【40】等 人應用 ESPI 技術分析工程之梁試驗，探討張力強度之尺寸效應。Chen【41】將 此光學檢測技術應用於岩石貫切破壞試驗中，觀察岩石貫切作用之破壞演化及其
2 2 2
( ) ( ) ( )
i i i i
R xx yy z z
1
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R R V t
i
相關破壞參數之求算。Augulis【42】使用 ESPI 檢測金屬薄膜的機械性質測試。
Morales【43】等人發現使用傅立葉轉換法 （FTM） 截取全域相差所產生的不 確定性和濾鏡的寬度有很大的關係。Rivera 【44】以 ESPI 及全像攝影技術對水 中結構物進行分析。
李昶佑【45】利用電子點紋干涉術之非破壞檢測，探討大理岩於正向貫切過 程之破壞演化，並探求應力強度因子及延性與脆性破壞能量之釋放分量。胡光宇
【46】以光學為主，聲學為輔之複合式之非破壞檢測，探討水泥砂漿材料之破壞 缺陷長度及初步使用雙刀貫切觀察巨、微觀之破裂行為。劉信良【47】以光學為 主，聲學為輔之複合式之非破壞檢測，建置一斜向剪切試驗儀，以斜向剪切試驗 模擬岩石受力行為。巫奇頴【48】使用同步化的聲光非破壞檢測系統研究探討類 岩材料於貫切破壞之群刀效應。
2.4.2 干涉之面內位移與量測原理
按干涉之定義：頻率相同的兩波沿同方向進行，且保持相位差不隨時間改變 時，則此兩波重疊時期能量不均勻的分佈於空間，在不同位置有極大及極小值，
此現象稱之為干涉。而電子點紋干涉術主要是利用光之干涉原理來量測物體的表 面輪廓，或因其它因素所引起物體表面的靜態及動態變形。當物體表面產生變形 時，表面每個物點的微小位移都會造成光程上的變化，因此在紀錄影像時就可以 把因物面變形而導致相位變化的干涉行為包含在內，其靈敏度可到達光波波長的 等級，約為 10-6m。
電子點紋干涉術主要又可分為面內位移以及面外位移兩種架構。主要不同是 分別對垂直於物體面跟平行於物體面兩種不同方向上的量測，因此若將面內跟面 外兩種架構組合，則可獲得物體表面完整的三維變形資訊。如圖 2.7 所示為面內 位移量測系統，由 O 位移至 P 點，光程因照射角度的改變而有所增減， 段減
少成 段，而 段則增加為 段，干涉條紋因光程的改變亦產生變化，根據
干涉條紋的計算將可得試體面內位移。
參考 Maji（1991）之推導過程如下所述：
當一雷射光束照射至物面之光波：
... （2.6）
式中 ＝光波振幅 ＝光程距離 ＝波長。
試體面內位移產生前，左、右兩道光照射至物面，其光波 （2.6）可寫成：
AO
AP BO BP
i2 R
U ue
u R
U1
... （2.7）
式中 ＝左側之光波
＝右側之光波。
面內位移前之光強 （2.8）藉由光波 （2.7）的計算可表示為：
... （2.8）
式中， ＝U1（2.7）共軛值。
面內位移後光波 （2.28）：
... （2.9）
式中 ＝因面內位移左側所增加之光程
＝因面內位移右側所增加之光程。
面內位移後之光強 （2.10）表示為：
... （2.10）
以位移前及位移後光強相減得光強差：
... （2.11）
令面內位移為 d，雷射光入射角為 θ，則 ，，得 ，
光強差改寫為：
＝ ... （2.12）
2 /
1 L1 R1 2 i R
U U U ue
1
UL
1
UR
I1 U1
* 2
1 1 1 4
I U U u
*
U1
U2
2 / 2 /
2 1 1
L R
i R i R
L R
U U U u e e
L
R
I2
* 2
2 2 2
2 1 cos2 R L
I U U u
2
1 2
2 1 cos2 R L
I I I u
R dsin
RL 2 sind
2
1 2
2 1 cos2 (2 sin )
I I I u d
2 4 sin
2u 1 cos d
當 ，n＝0、1、2、...
（產生亮紋） ... （2.13）
若 ， n＝0、1、2...
（產生暗紋） ... （2.14）
由式（2.13）和式（2.14）可得知，兩條紋（亮紋與暗紋）之面內位移差為：
... （2.15）
式中：
＝試體表面之面內位移。
n＝干涉條紋數。
λ＝雷射波長。
θ＝雷射光入射角有關之函數。（李昶佑，2007）【45】
2.4.3 斑點效應特性
Hopkins 和 Tiziani（1970）指出，試體表面受高同調性光源照射時，若光源 波長遠小於受測物之表面變化，光即會散射形成光學粗糙面，於受測物表面互相 干涉形成雜亂之光強分佈，產生相對應之暗點與光點，此狀稱為斑點效應（圖 2.8）。斑點分佈於試體表面上，若試體受力而產生變形時。其斑點亦隨著變形而 改變了分佈情況，ESPI 即依此特性來量測材料表面變形，若需量測試體表面位 移，其試體表面粗糙度需大於光源之波長，本研究所採用之氦-氖鐳射光，相對 於表面平坦的水泥基質材料其粗糙度仍大於波長，故能產生斑點（圖 2.9）。
2.5 ACI 配比法
ACI 配比法為美國混凝土協會制定之配比設計法（ACI 318-95, 1995），計算 出之配比經由試拌並修正，以符合需求，是一傳統之配比設計法，配比計算步驟 如下：
1. 收集材性質資料。
2. 選擇適當坍度。
4 sin
2 1
d n
2 1
4sin
d n
4 sin
2
d n
2sin d n
2sin d n
d
3. 決定最大粒料粒徑。
4. 拌和水量及含氣量估計。
5. 決定水膠比（W/B） 。 6. 水泥用量及摻料使用。
7. 粗粒料材用量估計。
8. 細粒料用量估計。
9. 粒料含水量調整。
10. 進行混凝土試拌。
配比設計流程如圖 2.10。
2.6 黃氏富勒緻密配比
以富勒曲線為依據，以最小平方法推求粒料緻密混和比例，並假設粒料之總 表面積，以裹漿量來計算膠結料之使用量，最後再依比例計算水泥及其他摻料之 使用量，計算流程與方程式依據實驗變數設計及使用材料參照文獻【49】之修正 而得。配比計算流程簡單說明如下：
由富勒理想曲線推算不同粒徑之體積比率 採用粒料理想級配曲線，如下式：
... （2.16）
式中 ：小於粒徑 之粒料含量；
：d 粒料之粒徑；和
：粒料之標稱最大粒徑。
計算使用粒料分布分析定義
假設所用粒料種類（i）共 n 種，篩分析粒徑（j）共有 m 個篩號，而此篩分 析資料為：
：（0～1），混合粒料中第 種粒料 j 號篩之留篩率。
：（0～1），混合粒料中第 種粒料之體積百分率（%vol）， ；
：（0～1），依理論曲線計算所得理論第 號篩留篩率， 。 推導過程依據文獻【49】內容的方式計算出各種粒料最佳理論用量
（ ） ... （2.17）
（1） 計算緻密堆積狀態下，扣除粗及細粒料所須填充間隙體積（ ）
= ... （2.18）
2
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1
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