先 進 混 凝 土 材 料 應 用 於 防 洪 構 造 之 研 究 子 計 畫 : 活 性 粉 混 凝 土 防 洪 耐 久 及 耐 震 性 質 研 究 (I) Durability and Seismic Resistant Properties of Reactive Powder Concret

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1 行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告 先 進 混 凝 土 材 料 應 用 於 防 洪 構 造 之 研 究 -- 子 計 畫 : 活 性 粉 混 凝 土 防 洪 耐 久 及 耐 震 性 質 研 究 (I) 研 究 成 果 報 告 ( 完 整 版 ) 計 畫 類 別 : 整 合 型 計 畫 編 號 :NSC M 執 行 期 間 :99 年 08 月 01 日 至 100 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 土 木 工 程 系 計 畫 主 持 人 : 潘 煌 共 同 主 持 人 : 戴 毓 修 計 畫 參 與 人 員 : 碩 士 班 研 究 生 - 兼 任 助 理 人 員 : 彭 仁 柏 碩 士 班 研 究 生 - 兼 任 助 理 人 員 : 葉 仁 豪 碩 士 班 研 究 生 - 兼 任 助 理 人 員 : 姜 長 庚 碩 士 班 研 究 生 - 兼 任 助 理 人 員 : 吳 承 修 報 告 附 件 : 出 席 國 際 會 議 研 究 心 得 報 告 及 發 表 論 文 處 理 方 式 : 本 計 畫 可 公 開 查 詢 中 華 民 國 100 年 10 月 27 日

2 先 進 混 凝 土 材 料 應 用 於 防 洪 構 造 之 研 究 子 計 畫 : 活 性 粉 混 凝 土 防 洪 耐 久 及 耐 震 性 質 研 究 (I) Durability and Seismic Resistant Properties of Reactive Powder Concrete for Hydraulic Structures (I) 計 畫 編 號 : NSC M 執 行 期 限 :99 年 8 月 1 日 至 100 年 7 月 31 日 主 持 人 : 潘 煌 鍟 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 土 木 工 程 系 摘 要 台 灣 水 工 結 構 物 使 用 的 混 凝 土 強 度 多 數 只 有 21MPa, 常 無 法 應 付 暴 雨 與 颱 風 期 間 的 河 川 水 流 沖 刷 土 石 流 的 衝 擊 磨 損 或 是 地 震 荷 重 作 用, 導 致 水 工 結 構 物 容 易 破 壞, 造 成 生 命 財 產 與 經 濟 重 大 損 失 活 性 粉 混 凝 土 (RPC) 具 有 超 高 強 度, 膠 結 材 的 卜 作 嵐 材 料 大 多 為 矽 灰, 在 國 內 矽 灰 並 未 生 產, 必 須 仰 賴 進 口, 使 得 活 性 粉 混 凝 土 的 成 本 較 高, 若 用 爐 石 取 代 部 分 矽 灰 製 成 活 性 粉 混 凝 土, 可 降 低 混 凝 土 成 本 具 有 經 濟 效 益 本 計 畫 屬 第 1 年 研 究 計 畫, 探 討 目 標 強 度 150MPa 活 性 粉 混 凝 土 靜 態 及 動 態 的 力 學 性 質 韌 性 及 耐 久 性, 其 中 力 學 性 質 與 韌 性 使 用 MTS 萬 能 材 料 試 驗 機 及 霍 普 金 森 壓 桿 (SHPB) 進 行 抗 壓 和 抗 彎 強 度 直 接 剪 力 強 度 應 力 - 應 變 曲 線 韌 性 指 數 應 變 能 破 裂 韌 性, 而 耐 久 性 有 加 速 中 性 化 氯 離 子 滲 透 抗 硫 酸 鹽 試 驗 及 透 水 試 驗 試 驗 結 果 指 出, 活 性 粉 混 凝 土 的 抗 壓 強 度 會 因 爐 石 取 代 矽 灰 越 多, 抗 壓 強 度 有 降 低 的 趨 勢, 經 過 5 組 (15 種 ) 配 比 設 計 及 試 驗 後, 爐 石 取 代 50% 矽 灰 之 活 性 粉 混 凝 土 經 由 適 當 製 程 與 養 護 的 抗 壓 強 度 可 達 150MPa 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 透 過 高 溫 210 養 護, 可 提 高 抗 壓 強 度 抗 彎 強 度 及 彎 曲 韌 性, 若 添 加 1% 及 2% 鋼 纖 維 時, 可 以 增 加 抗 彎 強 度 臨 界 應 力 強 度 因 子 K IC 隨 著 應 變 率 與 衝 擊 能 量 增 加, 衝 擊 強 度 也 有 明 顯 增 加, 具 良 好 的 吸 能 耐 震 特 性 含 爐 石 及 鋼 纖 維 的 HC 材 會 比 未 添 加 爐 石 之 HA 材 有 較 佳 抗 彎 強 度 及 韌 性 耐 久 試 驗 發 現, 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 的 中 性 化 程 度 和 硫 酸 鹽 浸 泡 後 的 重 量 損 失 不 嚴 重, 且 氯 離 子 滲 透 及 透 水 抵 抗 能 力 比 普 通 混 凝 土 好 SEM 觀 測 得 知, 添 加 爐 石 HC 材 會 產 生 較 多 的 鈣 帆 石 (AFt) 及 CSH 膠 體 關 鍵 詞 : 水 工 構 造 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 地 震 性 質 耐 久 性 I

3 Abstract Compressive stress of concrete used in hydraulic structures is 21 MPa usually in Taiwan. This kind of flood control structures is hard to resist the abrasion by water containing sand and gravel. Besides, hydraulic structure is easy to induce cracks in concrete due to earthquake. Reactive powder concrete (RPC) is a kind of ultra high strength concrete. Silica fume is always chosen in binders for PRC. To import silica fume is necessary in Taiwan will increase the cost of RPC. The cost down is possible if we replace parts of silica fume by blast furnace slag in RPC. The aims of this research are to investigate static and dynamic behavior, toughness and durability of RPC with target strength of 150MPa. Compressive strength, flexural strength, stress-strain curve, toughness index, strain energy, fracture toughness and direct shear strength were measured through MTS machine and split Hopkinson pressure bar (SHPB). The durability of RPC including accelerated carbonation test, chloride permeability test, sulfate resistance test and water permeability test was conducted. Results indicate that, the more silica fume replaced by blast furnace slag, the less compressive strength of RPC. Compressive strength can reach 150MPa for 50% silica fume replacement in RPC. Through high temperature curing at 210, RPC with blast furnace slag shows an increase in compressive strength, flexural strength and toughness. Adding 1% or 2% steel fiber into RPC can raise flexural strength and critical stress intensity factor K IC. Impact strength and energy-absorbing capability also increase with increasing strain rate and impact force. RPC containing blast furnace slag (HC) has better flexural strength and toughness compared with no blast furnace slag inside. For RPC containing slag, the degree of carbonation and the weight loss in sulfate were not significant. Moreover, chloride-penetration resistant capacity and water-permeability resistant capacity in RPC were better than those in common concrete. From SEM, RPC without slag shows more Monosulfoaluminates (AFm), but has more Ettringite (Aft) if slag is added. Keywords: hydraulic Structures, blast furnace slag, reactive powder concrete (RPC), seismic properties, durability II

4 目 錄 摘 要... I Abstract... II 目 錄... III 第 一 章 緒 論 研 究 動 機 研 究 目 的 研 究 方 法... 2 第 二 章 文 獻 回 顧 RPC 發 展 與 設 計 理 念 活 性 粉 混 凝 土 工 程 上 應 用 添 加 爐 石 粉 活 性 粉 混 凝 土 之 研 究 材 料 破 壞 力 學 與 應 變 速 率 關 係 纖 維 混 凝 土 裂 縫 破 壞 模 式 纖 維 混 凝 土 彎 曲 韌 性 指 數 計 算 方 法 破 裂 韌 性 混 凝 土 耐 久 性 活 性 粉 混 凝 土 微 觀 結 構 第 三 章 試 驗 計 劃 試 驗 目 的 材 料 性 質 試 驗 參 數 與 試 體 製 作 拌 合 方 式 養 護 方 式 試 體 研 磨 試 驗 儀 器 與 設 備 第 四 章 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 基 本 性 質 試 驗 目 的 試 驗 方 法 結 果 分 析 與 討 論 工 作 性 爐 石 粉 添 加 量 之 抗 壓 強 度 影 響 齡 期 10 天 與 28 天 之 抗 壓 強 度 影 響 第 五 章 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 靜 態 力 學 性 能 試 驗 目 的 試 驗 方 法 III

5 5.2.1 MTS 抗 壓 試 驗 活 性 粉 纖 維 混 凝 土 彎 曲 韌 性 試 驗 破 裂 韌 性 試 驗 直 接 剪 力 試 驗 結 果 分 析 與 討 論 靜 態 抗 壓 強 度 靜 態 破 裂 型 態 靜 態 彈 性 模 數 靜 態 應 力 - 應 變 曲 線 靜 態 應 變 能 抗 彎 強 度 韌 性 指 數 抗 彎 殘 餘 強 度 預 裂 縫 彎 曲 強 度 預 裂 縫 彎 曲 應 變 能 臨 界 應 力 強 度 因 子 (K IC ) 直 接 剪 力 強 度 第 六 章 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 動 態 力 學 性 能 試 驗 目 的 試 驗 方 法 結 果 分 析 與 討 論 衝 擊 抗 壓 強 度 衝 擊 破 裂 型 態 衝 擊 應 力 - 應 變 曲 線 衝 擊 應 變 能 衝 擊 峰 值 應 變 衝 擊 動 態 彈 性 模 數 第 七 章 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 耐 久 性 質 試 驗 目 的 試 驗 方 法 加 速 中 性 化 試 驗 氯 離 子 滲 透 試 驗 抗 硫 酸 鹽 試 驗 透 水 試 驗 結 果 分 析 與 討 論 加 速 中 性 化 氯 離 子 滲 透 硫 酸 鈉 粒 料 健 度 試 驗 法 IV

6 7.3.4 水 泥 砂 漿 浸 泡 硫 酸 鹽 溶 液 中 長 度 變 化 試 驗 法 透 水 滲 透 係 數 第 八 章 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 微 觀 結 構 試 驗 目 的 試 驗 方 法 結 果 分 析 與 討 論 第 九 章 結 論 參 考 文 獻 V

7 第 一 章 緒 論 1.1 研 究 動 機 台 灣 的 雨 量 豐 沛, 隨 著 台 灣 坡 陡 的 地 形 條 件, 每 逢 颱 風 大 雨, 豐 沛 的 雨 水 會 夾 帶 著 大 量 土 石, 隨 著 陡 坡 的 河 流 往 下 流 流 動, 而 防 洪 構 造 為 河 流 治 理 工 程 中 防 止 立 即 性 洪 水 災 害 發 生 的 重 要 結 構 物, 可 防 止 承 受 河 水 長 期 浸 泡 沖 蝕 衝 擊 磨 耗 等 由 於 土 石 在 川 急 的 水 流 帶 動 下, 運 動 及 衝 擊 方 式 不 一 樣, 其 沖 刷 磨 損 破 壞 方 式 也 不 一 樣 目 前 防 洪 構 造 大 多 使 用 材 料 以 天 然 土 砂 石 籠 混 凝 土 為 主, 大 多 構 造 物 主 要 是 以 普 通 混 凝 土 來 作 為 主 要 材 料 由 於 混 凝 土 材 料 是 由 膠 結 材 料 與 粗 ( 細 ) 骨 材 所 組 成 之 複 合 材 料, 在 河 砂 及 大 粒 徑 之 卵 石 沖 刷 撞 擊 作 用 之 下, 混 凝 土 受 大 量 撞 擊 作 用 容 易 受 破 壞 ; 且 台 灣 位 於 環 太 平 洋 地 震 帶 中, 因 地 震 活 動 頻 繁, 先 前 水 工 結 構 物 主 結 構 材 料 在 興 建 規 劃 設 計 時, 並 沒 有 考 慮 到 耐 震 能 力, 每 次 地 震 來 臨 時 防 洪 構 造 物 會 產 生 裂 縫, 又 因 接 續 雨 水 與 河 水 沖 刷 與 滲 透, 造 成 結 構 物 加 速 損 壞 因 此, 利 用 改 變 混 凝 土 內 之 組 成 成 份, 改 善 混 凝 土 膠 結 材 與 粗 細 骨 材 之 界 面 膠 結 狀 況, 可 提 升 混 凝 土 的 耐 磨 耐 衝 擊 性 能 及 耐 震 能 力, 有 利 於 防 洪 構 造 物 之 耐 衝 磨 性 能 之 提 升 近 年 重 大 工 程 所 使 用 之 材 料 設 計, 其 設 計 基 準 趨 勢 朝 以 生 命 週 期 作 為 設 計 考 量 基 準, 因 此 需 要 一 種 高 強 度 兼 具 有 耐 久 性 能 抗 劇 烈 衝 擊 性 能 之 工 程 材 料 來 提 高 防 洪 構 造 物 之 長 久 壽 命 纖 維 混 凝 土 (Fiber Reinforced Concrete,FRC) 為 近 三 十 年 來 迅 速 發 展 之 水 泥 基 複 合 材 料, 藉 由 添 加 鋼 纖 維, 可 明 顯 提 升 混 凝 土 之 抗 壓 抗 彎 強 度 及 抗 衝 擊 韌 性 在 減 水 強 塑 劑 的 不 斷 進 步, 活 性 粉 混 凝 土 (Reactive Powder Concrete, RPC) 中 去 除 了 粗 骨 材, 利 用 粒 徑 相 當 細 的 石 英 砂 作 為 骨 材, 減 少 材 料 內 部 孔 隙, 使 內 部 達 到 相 當 緻 密 的 效 果, 並 且 添 加 矽 灰, 在 水 化 作 用 下 產 生 卜 作 嵐 反 應, 可 以 有 效 改 善 混 凝 土 的 微 觀 結 構, 改 變 了 混 凝 土 晶 體 結 構 之 C-S-H 膠 體 含 量, 大 幅 降 低 孔 隙 率, 增 加 膠 結 材 與 骨 材 間 之 界 面 粘 結 能 力, 使 得 活 性 粉 混 凝 土 材 料 性 質 變 得 更 堅 硬 緻 密 活 性 粉 混 凝 土 添 加 適 量 之 鋼 纖 維, 可 使 混 凝 土 在 破 壞 時 阻 止 破 壞 裂 縫 之 成 長, 抵 抗 材 料 直 接 破 壞, 大 幅 提 升 混 凝 土 韌 性 性 質 [1] 因 此 防 洪 構 造 物 若 使 用 活 性 粉 混 凝 土 作 為 構 造 物 材 料, 其 耐 久 性 強 度 衝 擊 韌 性 會 優 於 一 般 高 強 度 混 凝 土 目 前 有 許 多 高 強 度 混 凝 土 的 膠 結 材 料 都 添 加 適 量 的 卜 作 嵐 材 料, 如 : 飛 灰 爐 石 粉 和 矽 灰, 來 提 高 混 凝 土 的 耐 久 性 能 和 強 度, 國 內 外 近 年 來 之 活 性 粉 混 凝 土 1

8 配 比 的 膠 結 材 通 常 使 用 水 泥 矽 灰 和 石 英 粉, 主 要 使 用 的 卜 作 嵐 材 料 為 矽 灰, 然 而 台 灣 並 沒 有 生 產 矽 灰, 必 需 要 仰 賴 國 外 進 口,2010 年 的 單 價 約 35 元 /kgf, 成 本 花 費 相 當 的 高 而 水 淬 爐 石 粉 為 台 灣 鋼 鐵 製 造 過 程 中 的 工 業 副 產 品, 具 有 良 好 的 膠 結 功 能, 如 果 能 與 氫 氧 化 鈣 進 行 卜 作 嵐 反 應 形 成 類 似 水 化 產 物 C-S-H 膠 體, 可 使 混 凝 土 有 較 高 的 品 質 穩 定 性 因 此, 活 性 粉 混 凝 土 最 好 使 用 台 灣 自 行 生 產 之 卜 作 嵐 材 料 如 飛 灰 或 爐 石 較 為 恰 當, 可 使 成 本 大 幅 降 低 1.2 研 究 目 的 本 計 畫 屬 第 1 年 研 究 計 畫, 針 對 適 用 於 防 洪 構 造 之 活 性 粉 混 凝 土 的 配 比, 探 討 活 性 粉 混 凝 土 的 耐 久 耐 候 和 耐 震 等 基 本 力 學 性 質, 建 立 防 洪 需 求 之 材 料 參 數 與 工 作 性, 以 符 合 耐 久 性 和 耐 震 性 之 防 洪 需 求, 此 活 性 粉 混 凝 土 具 資 源 再 生 利 用 節 能 減 碳, 具 增 加 生 命 週 期 功 能 首 先, 活 性 粉 混 凝 土 利 用 水 淬 爐 石 粉 取 代 部 分 矽 灰, 探 討 爐 石 粉 取 代 量 及 添 加 1% 2% 鋼 纖 維, 找 出 取 代 矽 灰 之 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 達 到 150MPa 抗 壓 強 度 的 最 佳 配 比, 其 中 控 制 流 度 值 在 200~250 mm 以 避 免 鋼 纖 維 沉 澱 將 達 到 150MPa 目 標 強 度 之 爐 石 活 性 粉 混 凝 土, 添 加 鋼 纖 維 1% 及 2%, 透 過 高 溫 養 護, 進 行 靜 態 動 態 衝 擊 力 學 耐 久 性 及 微 觀 結 構 試 驗, 結 果 與 未 添 加 爐 石 的 活 性 粉 混 凝 土 比 較 本 研 究 的 靜 態 力 學 試 驗 包 括 抗 壓 強 度 試 驗 ( 彈 性 係 數 E 應 力 - 應 變 曲 線 圖 應 變 能 ) 抗 彎 強 度 試 驗 ( 韌 性 指 數 TI 及 殘 餘 強 度 ) 破 裂 韌 性 試 驗 ( 應 力 強 度 因 子 K IC 吸 收 能 量 ) 直 接 剪 力 強 度 試 驗 ; 動 態 衝 擊 試 驗 包 括 動 態 應 力 - 應 變 曲 線 動 彈 性 係 數 衝 擊 能 量 J 試 體 吸 收 能 量 ; 材 料 耐 久 性 試 驗 有 加 速 中 性 化 試 驗 抗 硫 酸 鹽 試 驗 氯 離 子 滲 透 試 驗 及 透 水 試 驗 ; 微 觀 試 驗 是 利 用 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 觀 測 試 體 晶 體 微 觀 結 構, 進 行 分 析 最 後, 所 得 的 試 驗 結 果, 與 未 添 加 爐 石 之 活 性 粉 混 凝 土 比 較, 作 為 防 洪 構 造 的 使 用 參 考 1.3 研 究 方 法 首 先 以 強 度 150MPa 之 未 添 加 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 配 比 為 依 據, 選 用 爐 石 取 代 0% 30% 50% 70% 100% 矽 灰 含 量, 做 為 配 比 設 計 及 試 拌, 工 作 性 採 用 流 度 值 200~250 mm 作 為 調 整 強 塑 劑 及 用 水 量 依 據, 透 過 90 熱 養 護, 找 出 強 度 2

9 150MPa 之 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 配 比 由 於 活 性 粉 混 凝 土 之 石 英 粉, 在 高 溫 養 護 會 加 速 卜 作 嵐 反 應 產 生 活 性, 可 以 改 善 微 觀 結 構, 因 此 本 研 究 比 較 210 和 90 高 溫 熱 養 護 之 活 性 粉 混 凝 土 性 質 的 差 異 性 採 用 強 度 150MPa 之 50% 爐 石 含 量 活 性 粉 混 凝 土 及 未 添 加 爐 石 之 兩 組 配 比, 添 加 1% 2% 鋼 纖 維, 經 由 高 溫 210 熱 養 護 方 式, 進 行 靜 態 動 態 力 學 試 驗 材 料 耐 久 性 試 驗 及 微 觀 試 驗 材 料 耐 震 性 質 除 了 抗 壓 強 度 應 力 - 應 變 曲 線 及 應 變 能 外, 參 考 ASTM C1609 進 行 中 心 點 彎 曲 試 驗, 畫 出 載 重 - 撓 度 曲 線, 計 算 撓 度 到 達 2mm 4mm 6mm 8mm 時 之 韌 性 指 數 (TI) 及 殘 餘 強 度 ; 破 裂 韌 性 參 考 ASTM E399, 探 討 試 體 受 抗 彎 加 載 時 預 留 裂 縫 尖 端 之 應 力 強 度 因 子 (K IC ) 及 到 達 極 限 強 度 之 吸 收 能 量 ; 直 接 剪 力 強 度 試 驗, 參 考 文 獻 [2] 試 驗 方 式, 計 算 剪 應 力 τ 動 態 衝 擊 力 學 試 驗 使 用 分 離 式 霍 普 金 森 壓 桿 (SHPB) 試 驗 機, 進 行 三 種 高 應 變 速 率 (10 2 ~10 3 /sec) 衝 擊 試 驗, 探 討 不 同 應 變 速 率 作 用 之 動 態 應 力 - 應 變 曲 線 及 撞 擊 吸 收 能 量 材 料 耐 久 性 量 測 試 驗, 包 括 中 性 化 試 驗 抗 流 酸 鹽 試 驗 (CNS 及 AASHTO-T104) 氯 離 子 穿 透 試 驗 (ASTM C 及 CNS 14795) 透 水 試 驗 (JIS A6101) 最 後, 利 用 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 進 行 微 觀 量 測, 比 較 分 析 添 加 爐 石 之 活 性 粉 混 凝 土 的 微 觀 結 構 及 組 成 3

10 第 二 章 文 獻 回 顧 2.1 RPC 發 展 與 設 計 理 念 近 年 來 的 大 自 然 環 境 迅 速 變 遷, 大 自 然 的 反 撲 力 量 逐 漸 超 越 人 類 可 以 抗 拒 之 能 力, 世 界 各 地 重 大 地 震 海 嘯 強 烈 颱 風 災 難 頻 傳, 土 木 建 築 結 構 工 程 對 人 民 生 存 是 息 息 相 關 因 此, 對 於 建 築 結 構 與 材 料 設 計 方 面, 受 到 世 界 各 國 的 重 視, 近 幾 年 來 對 於 材 料 品 質 的 要 求 提 高, 高 強 度 混 凝 土 受 國 內 外 學 者 及 業 界 注 重, 世 界 各 國 也 不 斷 創 新 發 展 各 種 需 求 的 新 型 混 凝 土, 從 高 性 能 混 凝 土 (High Performance Concrete, HPC) 自 充 填 混 凝 土 (Self Compacting Concrete, SCC), 發 展 到 現 今 研 究 之 超 高 強 度 活 性 粉 混 凝 土 (Reactive Powder Concrete, RPC) 活 性 粉 混 凝 土 (Reactive Powder Concrete, RPC) 屬 於 超 高 強 度 混 凝 土, 具 有 高 強 度 有 助 於 橋 梁 高 層 建 築 結 構 自 重 減 輕, 也 有 效 降 低 地 震 力, 添 加 鋼 纖 維 後 具 有 高 韌 性 之 特 性, 減 緩 破 壞 發 生 時 材 料 之 瞬 間 破 壞 情 形 [19] 法 國 發 展 之 活 性 粉 混 凝 土, 初 期 為 了 因 應 國 防 工 業 的 需 求 而 發 展, 原 屬 於 軍 事 建 築 物 之 機 密 材 料, 從 1990 年 開 始 研 發, 直 到 1994 年 在 美 國 公 開 發 表, 此 種 高 強 度 材 料 受 世 界 各 國 學 者 投 入 研 究 行 列, 逐 步 研 究 配 比 組 成 力 學 性 質 耐 久 性 與 微 觀 結 構 等 研 究 出 之 材 料 性 質, 活 性 粉 混 凝 土 (RPC) 具 有 優 越 性 的 力 學 性 質 耐 久 性 與 環 保 性 也 相 當 的 優 越, 因 此 這 受 到 各 國 建 築 材 料 學 者 關 注 Richard(1995)[3] 提 出 RPC200 及 RPC800 設 計 養 護 方 法 理 念 : 1. 去 除 粗 骨 材 增 加 材 料 的 均 勻 性 : 藉 由 最 大 粒 徑 600μm 石 英 砂 來 取 代 粗 骨 材, 使 得 材 料 之 微 裂 縫 和 孔 隙 缺 陷 大 幅 降 低, 並 且 藉 由 粒 徑 減 小 而 增 加 界 面 的 粘 結 能 力, 來 提 升 材 料 試 體 的 強 度 另 外 可 以 降 低 骨 材 與 漿 體 間 之 差 異 性 質, 造 成 之 不 均 勻 性 2. 以 高 溫 養 護 方 式 來 改 善 材 料 之 微 結 構 : 利 用 高 溫 蒸 氣 養 護 方 式, 來 提 高 材 料 早 期 之 力 學 性 質, 節 省 材 料 養 護 之 時 間 成 本, 並 可 以 使 材 料 形 成 緻 密 的 微 結 構, 來 增 加 材 料 耐 久 性 3. 提 高 密 實 性 : 利 用 使 用 之 石 英 砂 水 泥 及 高 細 度 粉 料 組 成 最 佳 化 堆 積 配 比 設 計 方 式, 提 升 混 凝 土 內 部 組 成 充 填 效 果, 會 有 較 少 的 孔 隙, 來 增 強 力 學 強 度, 且 在 凝 結 過 程 中, 施 予 壓 力 增 進 材 料 的 緻 密 性 4

11 4. 添 加 鋼 纖 維 提 高 材 料 韌 性 及 延 展 性 : 藉 由 基 材 和 鋼 纖 維 界 面 有 緊 密 握 裹 能 力 的 特 性, 使 得 RPC 開 裂 後 可 以 藉 由 鋼 纖 維 橋 接 (bridging) 作 用 傳 接 應 力, 進 而 提 高 混 凝 土 試 體 受 破 壞 時 的 材 料 韌 性 此 外, 開 裂 前 因 一 連 串 弱 帶 應 力 的 轉 移 使 抗 壓 強 度 會 有 增 強 的 效 果 陳 振 川 等 [4-5] 進 行 RPC 力 學 試 驗 與 一 般 混 凝 土 之 力 學 性 能 進 行 比 較 如 表 2-1, 抗 壓 強 度 較 一 般 普 通 混 凝 土 (4000Psi) 強 度 高 出 7 倍, 抗 彎 強 度 高 出 普 通 混 凝 土 約 6 倍, 耐 久 性 能 及 韌 性 指 標 都 超 越 普 通 混 凝 土 抗 壓 強 度 (MPa) 靜 態 彈 性 模 數 (GPa) 柏 松 比 強 度 指 標 6 極 限 壓 應 變 ( 10 ) 彎 曲 強 度 (MPa) 6 極 限 拉 應 變 ( 10 ) 耐 久 指 標 MIP 孔 隙 率 (%) N 2 滲 透 率 (m 2 ) 鋼 筋 腐 蝕 試 驗 (μm/year) 韌 性 指 標 K IC (MPa.M 0.5 ) G F (J/m 2 ) 表 2-1 三 種 不 同 混 凝 土 性 能 [4] 性 質 RPC NC HPC 194~203 62~ ~ ~55 20~ ~ ~8 100~150 60~80 35~ ~ ~10 100~ % ~11.3 < ~ ~ 自 1995 年 Cheyrezy 等 [6] 提 出 活 性 粉 混 凝 土 特 點 是 使 用 高 含 量 的 矽 灰 和 非 常 低 的 水 灰 比 拌 製 而 成 的, 且 透 過 微 觀 分 析 得 知 試 體 經 由 熱 養 護 方 式 有 較 低 的 孔 隙 率, 使 得 RPC 有 較 佳 之 力 學 性 能 和 耐 久 性, 且 由 圖 2-1 可 看 出 卜 作 嵐 反 應 之 活 性 會 隨 著 養 護 溫 度 增 加 而 增 高 5

12 圖 2-1 卜 作 嵐 反 應 之 活 性 與 養 護 溫 度 之 關 係 [6] Chan(1995)[7] 對 活 性 粉 混 凝 土 中 之 矽 灰 含 量 進 行 研 究, 矽 灰 含 量 多 寡 會 影 響 鋼 纖 維 破 壞 時 與 水 泥 基 材 拉 拔 之 抵 抗 能 量 如 圖 2-2, 且 矽 灰 添 加 量 為 20%~30% 時, 鋼 纖 維 與 混 凝 土 基 材 間 界 面 粘 結 效 果 為 最 佳 圖 2-2 矽 灰 含 量 與 拉 拔 能 量 關 係 [7] RPC 中 添 加 矽 灰 會 產 生 卜 作 嵐 反 應, 並 添 加 石 英 粉 進 行 高 溫 養 護 時, 兩 者 會 產 生 活 性, 且 會 加 速 卜 作 嵐 反 應, 可 以 改 變 混 凝 土 之 微 觀 結 構, 使 得 抗 壓 強 度 會 因 此 增 加 在 活 性 粉 混 凝 土 中 添 加 鋼 纖 維, 矽 灰 會 改 善 C-S-H 膠 體 的 含 量, 來 降 低 孔 隙 率, 增 加 鋼 纖 維 界 面 粘 結 能 力 若 以 高 溫 200~250 養 護, 石 英 粉 會 6

13 明 顯 比 矽 灰 產 生 更 多 的 C-S-H 膠 體, 使 強 度 增 加 [8] Zanni 等 (1996) [9] 探 討 活 性 粉 混 凝 土 於 25 及 250 熱 養 護 時, 試 體 中 內 部 水 化 及 卜 作 嵐 反 應 之 研 究, 水 化 反 應 會 隨 著 養 護 溫 度 增 高 而 增 加 詹 [10] 提 出 水 泥 添 加 量 與 矽 質 材 料 有 一 定 的 比 例, 石 英 粉 在 高 溫 90 養 護 作 用 下 對 強 度 沒 有 發 生 改 變, 僅 作 為 填 充 材 料, 若 利 用 蒸 壓 養 護, 可 激 發 石 英 粉 活 性, 隨 著 添 加 量 增 加, 強 度 也 有 增 加 趨 勢 並 提 出 蒸 壓 養 護 之 養 護 時 間 溫 度 與 壓 力 之 關 係 為 圖 2-3 圖 2-3 蒸 壓 養 護 溫 度 壓 力 與 時 間 關 係 [10] 2.2 活 性 粉 混 凝 土 工 程 上 應 用 RPC 屬 於 超 高 強 度 之 混 凝 土, 且 兼 具 有 高 韌 性 及 高 耐 久 性, 在 國 外 已 有 一 些 重 大 工 程 開 始 使 用 RPC 作 為 主 結 構 材 料 圖 2-4 為 加 拿 大 建 造 第 一 座 RPC 之 Sherbrood 試 驗 橋, 利 用 不 銹 鋼 管 為 主 桁 架 結 構 圖 2-4 加 拿 大 RPC 之 Sherbrood 試 驗 橋 [11] 7

14 國 內 進 行 工 程 上 運 用 之 研 究, 簡 (2001) [12] 進 行 剛 性 鋪 面 的 修 補 研 究, 利 用 RPC 材 料 於 中 山 高 泰 山 收 費 站 與 中 正 機 場 進 行 剛 性 鋪 面,RPC 具 有 快 速 修 補 之 性 能 兼 具 有 韌 性 性 質 Lee (2007) [13] 將 RPC 作 為 修 復 材 料 之 探 討,RPC 耐 磨 細 數 高 於 普 通 混 凝 土 8 倍, 並 進 行 凍 融 循 環 耐 久 性 之 探 討, 為 優 良 混 凝 土 蕭 (2007) [14] 利 用 活 性 粉 混 凝 土 來 製 作 水 溝 蓋, 並 且 建 立 設 計 水 溝 蓋 之 配 比 設 計 詹 (2007) [15] 研 究 將 RPC 運 用 在 軍 事 用 途 之 相 關 研 究 上 之 探 討, 因 RPC 添 加 鋼 纖 維 後 會 有 良 好 吸 收 能 特 性, 可 以 吸 收 受 爆 壓 能 量 之 功 用 2.3 添 加 爐 石 粉 活 性 粉 混 凝 土 之 研 究 傳 統 之 活 性 粉 混 凝 土 (RPC) 中 之 膠 結 材, 大 多 使 用 矽 灰 作 為 卜 作 嵐 材 料, 因 矽 灰 在 台 灣 並 未 生 產, 若 要 降 低 成 本, 且 要 活 性 粉 混 凝 土 在 台 灣 構 造 物 普 遍 廣 泛 使 用, 則 須 由 台 灣 生 產 之 卜 作 嵐 材 料 來 取 代 矽 灰 較 為 恰 當 因 水 淬 爐 石 粉 為 卜 作 嵐 材 料, 為 鋼 鐵 生 產 時 之 副 產 品, 具 有 良 好 的 膠 結 能 力, 若 以 適 當 的 方 法 可 激 發 其 水 化 作 用 之 活 性, 也 會 與 氫 氧 化 鈣 進 行 卜 作 嵐 反 應 形 成 類 似 水 化 產 物 C-S-H 膠 體, 混 凝 土 中 添 加 爐 石 粉 可 以 增 進 對 混 凝 土 抵 抗 硫 酸 鹽 侵 蝕 之 能 力 [16] 國 外 學 者 Zhang (2008) [17] 提 出 綠 色 活 性 粉 混 凝 土, 添 加 少 量 飛 灰 及 爐 石 且 添 加 4% 鋼 纖 維, 透 過 90 和 200 兩 種 熱 養 護 方 式 可 達 到 200MPa 之 高 強 度 目 標, 並 探 討 動 態 力 學 之 性 能 影 響 Halit 研 究 團 隊 ( ) [18-20] 研 究 添 加 少 量 之 飛 灰 爐 石 粉 之 力 學 性 能, 結 果 顯 示 力 學 性 能 不 會 有 明 顯 降 低 的 趨 勢 並 在 活 性 粉 混 凝 土 養 護 過 程 中, 利 用 高 溫 高 壓 養 護 方 式, 添 加 飛 灰 及 爐 石 粉 之 活 性 粉 混 凝 土, 可 以 有 效 增 加 抗 壓 強 度, 及 改 善 抗 彎 韌 性 近 年 來 國 內 學 者 逐 漸 研 究 活 性 粉 混 凝 土 中 添 加 爐 石 粉, 李 (2006) [21] 應 用 黃 氏 富 勒 緻 密 配 比 設 計 法 在 活 性 粉 混 凝 土 配 比 中, 並 添 加 飛 灰 與 爐 石 粉 探 討 其 添 加 後 之 性 質, 其 水 膠 比 越 低 及 添 加 鋼 纖 維 後, 抗 壓 抗 彎 強 度 都 會 有 增 加 之 趨 勢 吳 (2006) [22] 將 活 性 粉 混 凝 土 中 利 用 少 量 之 飛 灰 及 爐 石 粉 作 取 代, 探 討 25 和 85 兩 種 養 護 方 式, 添 加 爐 石 粉 透 過 高 溫 蒸 氣 養 護 後, 早 期 有 良 好 之 力 學 性 質, 並 添 加 鋼 纖 維 也 可 提 升 抗 裂 抗 彎 之 力 學 性 能 高 (2007) [23] 進 行 飛 灰 及 爐 石 粉 對 矽 灰 100% 取 代, 而 取 代 後 對 力 學 性 質 影 響 不 顯 著 江 (2009) [24] 利 用 偏 高 嶺 土 與 爐 石 粉 對 RPC 中 之 矽 灰 作 取 代 經 由 23 和 70 兩 種 養 護, 進 行 力 學 性 能 與 8

15 耐 久 性 研 究 探 討 2.4 材 料 破 壞 力 學 與 應 變 速 率 關 係 活 性 粉 混 凝 土 是 由 水 泥 水 細 骨 材 摻 料 組 合 而 成 的 複 合 材 料, 其 受 力 行 為 不 會 像 均 質 脆 性 材 料 所 表 現 出 之 破 壞 性 質 內 部 各 別 不 同 的 材 料 組 成, 均 會 產 生 不 同 的 反 應, 這 些 反 應 都 會 造 成 變 形 不 一 致 圖 2-5 為 混 凝 土 典 型 受 壓 力 時 之 破 壞 模 式, 圖 2-5(1) 這 種 破 壞 情 形 通 常 發 生 低 強 度 之 混 凝 土, 混 凝 土 試 體 受 到 剪 切 破 壞 將 混 凝 土 進 行 靜 態 載 重 試 驗, 破 裂 過 程 中 試 體 內 部 會 有 充 份 時 間 發 展, 在 受 壓 力 過 程 中, 試 體 內 會 誘 導 出 側 向 張 應 力, 因 為 混 凝 土 抗 張 能 力 較 弱, 在 試 體 受 壓 載 過 程 當 中, 這 些 側 向 拉 應 力 會 導 致 試 體 開 裂, 隨 著 裂 縫 蔓 延 延 著 軸 向 路 徑 發 展, 裂 縫 穿 越 骨 材 直 接 導 致 試 體 破 壞, 如 圖 2-5(3) 所 示, 高 強 度 混 凝 土 破 壞 模 式 大 多 以 此 種 破 壞 模 式 為 主 圖 2-5(2) 指 出 混 凝 土 無 法 完 全 避 免 試 體 受 壓 力 加 載 時, 某 些 端 部 束 制 力 作 用, 破 壞 模 式 可 能 為 剪 力 與 拉 力 複 合 應 力 同 時 引 起 之 破 壞 模 式 圖 2-5 混 凝 土 圓 柱 試 體 受 壓 時 典 型 破 壞 模 式 [26] 混 凝 土 對 不 同 應 變 率 作 用 下 非 常 靈 敏, 當 應 變 率 超 過 某 個 階 段 後, 混 凝 土 材 料 會 因 為 應 變 速 率 增 加, 試 體 強 度 也 急 速 增 加, 試 體 的 破 壞 行 為 會 使 裂 縫 急 速 快 速 成 長, 衝 擊 試 驗 後, 可 獲 得 動 態 下 之 應 力 - 應 變 曲 線, 隨 著 應 變 衝 擊 速 率 不 同, 材 料 性 質 與 行 為 也 會 有 所 不 同 Lindholm [27] 歸 納 動 力 試 驗 之 狀 況 如 圖 2-6 所 9

16 示, 對 於 一 般 使 用 油 壓 式 或 電 磁 荷 重 試 驗 機 進 行 擬 靜 態 試 驗 應 變 速 率, 範 圍 約 在 /s ~ 10 /s 之 間, 受 地 震 影 響 引 發 範 圍 約 /s ~ /s, 則 衝 擊 或 爆 炸 所 0 產 生 的 應 變 率 約 在 10 /s ~ 10 3 /s 或 更 高, 對 此 範 圍 應 變 率 多 使 用 落 重 式 試 驗 (drop weight impact testers) 和 氣 動 式 衝 擊 試 驗 機 進 行 應 變 率 -1 (S ) 潛 變 擬 靜 態 荷 重 中 應 變 率 高 應 變 率 荷 重 型 式 地 震 爆 炸 固 定 荷 重 或 應 力 試 驗 機 油 壓 式 或 電 動 伺 服 式 震 動 台 汽 動 式 或 機 械 式 衝 擊 試 驗 機 高 速 氣 槍 或 爆 炸 衝 擊 實 驗 加 載 方 式 圖 2-6 材 料 應 變 率 與 試 驗 方 法 [27] 分 離 式 霍 普 金 森 壓 桿 (spilt-hopkinson pressure bar, SHPB) 屬 於 氣 動 式 衝 擊 試 驗 機, 該 設 備 最 早 是 由 Hopkinson 在 1914 年 提 出, 1949 年,Kolsky [28] 將 桿 分 成 兩 節, 將 試 體 放 置 其 中, 利 用 SHPB 量 測 到 衝 擊 荷 重 下 應 力 - 應 變 曲 線 之 關 係, 此 試 驗 方 法 簡 單, 使 得 SHPB 被 應 用 於 材 料 的 動 態 性 質 試 驗, 從 最 初 的 動 態 壓 縮 試 驗, 發 展 出 動 態 拉 伸 與 扭 轉, 來 測 試 各 種 複 合 材 料 材 料 之 應 力 - 應 變 曲 線, 會 受 到 許 多 因 素 之 影 響, 試 驗 方 式, 材 料 本 身 特 性, 加 載 儀 器 加 載 之 速 率 等 等, 都 是 影 響 曲 線 變 化 之 變 因, 一 般 加 載 加 載 速 率 之 探 討, 可 以 分 為 應 力 與 應 變 增 加 率 兩 種, 但 大 多 研 究 文 獻 [29-31] 都 以 應 變 控 制 增 加 率 來 進 行 探 討 混 凝 土 材 料 之 變 形 行 為, 研 究 可 以 發 現, 混 凝 土 對 於 應 變 速 率 影 響 很 大, 不 同 的 應 變 速 率, 會 影 響 強 度 應 力 - 應 變 曲 線 變 化 彈 性 模 數 韌 性 性 質 都 會 有 所 影 響 Wang [32] 探 討 了 鋼 纖 維 混 凝 土 透 過 SHPB 進 行 動 態 壓 縮 試 驗, 探 討 其 應 力 - 應 變 關 係, 研 究 可 得 知 鋼 纖 維 含 量 與 應 變 速 率 會 影 響 動 態 抗 壓 強 度 對 於 活 性 粉 混 凝 土 之 動 態 衝 擊 之 研 究,Tai [33] 研 究 不 同 應 變 率 下, 添 加 鋼 10

17 纖 維 之 活 性 粉 混 凝 土 之 動 態 強 度 會 受 到 不 同 應 變 率 之 影 響, 並 影 響 動 態 之 吸 能 之 特 性 [34-35] 並 透 過 SHPB 對 不 同 鋼 纖 維 含 量 之 活 性 粉 混 凝 土, 進 行 重 複 衝 擊 並 探 討 不 同 試 體 動 態 吸 能 之 特 性, 試 體 內 部 之 損 傷 會 隨 著 衝 擊 次 數 會 逐 漸 累 積 擴 大, 應 力 也 會 有 衰 減 現 象, 並 且 能 量 也 會 因 纖 維 量 及 應 變 率 增 加 而 有 大 幅 提 升 最 近 有 學 者 對 於 衝 擊 韌 性 之 探 討,Wang(2011) [36] 利 用 霍 普 金 森 試 驗 機 (SHPB) 及 萬 能 材 料 試 驗 機 (MTS) 進 行 對 於 鋼 纖 維 混 凝 土 靜 態 與 動 態 衝 擊 抗 壓 之 強 度 與 韌 性 性 質, 隨 著 纖 維 含 量 增 加, 材 料 性 質 從 脆 性 變 成 韌 性, 並 且 利 用 重 複 衝 擊 方 式, 探 討 添 加 纖 維 量 1.5% 和 3% 時 之 韌 性 性 質 曾 [37] 使 用 霍 普 金 森 試 驗 機 (SHPB) 探 討 不 同 種 類 之 纖 維 加 入 瀝 青 混 凝 土 受 動 態 衝 擊 之 研 究, 並 且 分 別 利 用 應 力 - 應 變 圖 中 的 應 變 能, 做 韌 性 指 標 探 討, 分 別 探 討 當 應 變 量 到 達 時 之 韌 性, 結 果 可 以 發 現 不 同 纖 維 種 類, 會 有 不 同 韌 性 情 況 發 生, 隨 著 纖 維 量 增 加, 韌 性 會 有 較 高 之 趨 勢, 且 隨 著 應 變 量 增 加, 也 會 有 增 韌 作 用 2.5 纖 維 混 凝 土 裂 縫 破 壞 模 式 20 世 紀 初, 鋼 纖 維 混 凝 土 的 概 念 由 俄 國 學 者 提 出, 在 美 英 法 德 陸 續 有 相 關 報 告 提 出, 纖 維 混 凝 土 可 以 改 善 普 通 一 般 混 凝 土 的 脆 性 性 質, 提 高 混 凝 土 受 力 學 壓 縮 彎 曲 作 用 時, 抗 裂 抗 拉 之 能 力, 抵 抗 試 體 之 破 壞 直 至 1993 年 提 出 高 強 度 低 孔 隙 率 之 高 強 度 活 性 粉 混 凝 土, 添 加 細 鋼 纖 維, 大 幅 提 升 韌 性 性 能 [38] 活 性 粉 混 凝 土 中 加 入 鋼 纖 維, 混 凝 土 試 體 受 到 加 載 力 學 作 用 下, 鋼 纖 維 為 裂 縫 阻 抗 物, 在 材 料 內 部 應 力 集 中 處 產 生 之 裂 縫, 添 加 鋼 纖 維 可 有 效 阻 止 裂 縫 的 傳 播 與 產 生 纖 維 在 混 凝 土 破 壞 情 形 為 圖 2-7 大 致 可 分 成 拉 脫 破 壞 拉 斷 破 壞 剪 力 破 壞 [39] 纖 維 與 混 凝 土 間 的 應 力 傳 遞 是 藉 由 基 材 與 纖 維 界 面 之 剪 應 力 與 纖 維 的 拉 應 力 相 互 拉 拔 之 影 響, 此 時 纖 維 受 拉 力 影 響 會 產 生 柏 松 比 作 用, 纖 維 同 時 會 產 生 側 向 收 縮 如 圖 2-7(a), 直 至 試 體 產 生 破 壞 1. 纖 維 拉 脫 破 壞 : 纖 維 產 生 拉 脫 破 壞, 是 因 當 纖 維 受 到 之 拉 應 力 大 於 纖 維 與 基 材 界 面 之 容 許 剪 力 時, 纖 維 與 基 材 間 產 生 剝 離 現 象, 纖 維 即 被 拉 拔 出 基 材, 產 生 拉 脫 破 壞 如 圖 11

18 2-7(b) 纖 維 受 拉 應 力 同 時, 柏 松 比 作 用 下 產 生 側 向 收 縮, 會 降 低 與 基 材 之 握 裹 力, 加 速 拉 脫 破 壞 2. 纖 維 拉 斷 破 壞 : 當 纖 維 含 量 過 少 時, 混 凝 土 破 裂 後, 纖 維 本 身 抵 擋 不 過 纖 維 受 拉 拔 作 用, 達 到 纖 維 材 料 本 身 之 拉 力 臨 界 值, 而 導 致 纖 維 直 接 受 到 拉 斷 破 壞 如 圖 2-7(c) 3. 纖 維 剪 力 破 壞 : 纖 維 混 凝 土 受 到 剪 力 作 用 下 破 壞 如 圖 2-7(d), 當 剪 應 力 大 於 纖 維 本 身 之 抗 剪 強 度, 造 成 纖 維 剪 斷 破 壞 若 因 纖 維 長 徑 比 過 大, 抗 剪 斷 面 小, 此 種 纖 維 改 善 混 凝 土 之 抗 剪 能 力 無 太 大 作 用 混 凝 土 基 材 之 破 壞 模 式 為 剪 力 破 壞, 受 到 加 載 作 用 時, 會 有 產 生 45 剪 力 作 用, 產 生 剪 力 破 壞, 而 在 混 凝 土 中 添 加 鋼 纖 維, 鋼 纖 維 本 身 會 有 剪 力 強 度, 產 生 抗 剪 能 力, 同 時 也 可 能 因 為 混 凝 土 產 生 裂 縫 後, 纖 維 與 基 材 間 之 拉 拔 作 用 下, 試 體 並 未 產 生 拉 脫 破 壞, 會 有 抵 抗 剪 應 力 之 能 力 [40] 纖 維 混 凝 土 受 剪 力 作 用 之 初 裂 強 度 與 直 剪 韌 性 會 隨 著 纖 維 含 量 增 加 而 提 高 [41] Millard [2] 進 行 靜 態 與 動 態 直 接 剪 力 試 驗, 靜 態 直 剪 強 度 會 隨 著 纖 維 含 量 增 加 而 提 高, 而 剪 力 之 動 態 動 態 放 大 因 數 不 會 因 應 變 率 有 明 顯 增 加 如 圖 2-8 (a) (b) 12

19 (c) (d) 圖 2-7 纖 維 混 凝 土 破 壞 情 形 [39] 圖 2-8 不 同 應 變 率 與 纖 維 含 量 之 剪 力 動 態 增 加 因 數 關 係 [2] 2.6 纖 維 混 凝 土 彎 曲 韌 性 指 數 計 算 方 法 纖 維 混 凝 土 中 添 加 鋼 纖 維, 有 優 越 的 韌 性 性 能, 利 用 抗 彎 破 壞 模 式 最 能 夠 顯 示 纖 維 混 凝 土 的 韌 性 特 徵 而 最 近 各 國 有 許 多 彎 曲 韌 性 之 判 斷 標 準 與 方 法, 較 多 研 究 學 者 常 用 的 有 美 國 混 凝 土 協 會 ACI 544 提 出 彎 曲 韌 性 指 數 T.I. 美 國 材 料 試 13

20 驗 學 會 ASTM C1018 韌 性 指 數 法 日 本 土 木 工 程 協 會 標 準 JSCE G552 中 國 工 程 建 設 標 準 協 會 標 準 CECS13:89 等, 這 些 韌 性 判 定 分 析 方 法 大 致 可 以 區 分 成 能 量 比 值 法 特 徵 點 法 與 強 度 法, 分 述 如 下 : 1 美 國 混 凝 土 協 會 ACI 544 美 國 混 凝 土 協 會 ACI 544 提 出 彎 曲 韌 性 指 數 T.I [42], 計 算 原 理 如 圖 2-9 所 示 其 中 圖 上 A 點 為 抗 彎 試 體 之 初 裂 點,δ 為 初 裂 點 撓 度, δ lb 規 範 給 定 之 特 徵 點 撓 度, 本 規 範 之 標 準 抗 彎 尺 寸 :100mm 100mm 350mm, 因 此 撓 度 特 徵 點 δ lb =1.9 mm 其 彎 曲 韌 性 指 數 T.I 定 義 為 撓 度 δ lb 時 與 初 裂 點 撓 度 δ 應 變 能 量 之 比 圖 2-9 ACI 544 韌 性 指 數 計 算 [42] 定 義 韌 性 指 數 T.I. 如 下 : T. I. T + T T 1 2 = (2-1) 1 T 1 為 圖 中 OAB 之 曲 線 包 圍 區 域 面 積 T 2 為 圖 中 ABDC 之 曲 線 包 圍 區 域 面 積 2 美 國 材 料 試 驗 學 會 ASTM C1018 美 國 材 料 試 驗 學 會 ASTM C1018 試 驗 規 範 定 義 之 韌 性 指 數 計 算 方 式 [43] 如 圖 2-10 所 示 本 規 範 之 標 準 抗 彎 尺 寸 :100mm 100mm 350mm, 其 中 圖 上 A 點 為 抗 彎 試 體 之 初 裂 點,δ 為 初 裂 點 撓 度, 分 別 以 3δ 5δ 10.5δ 之 前 之 載 重 撓 度 曲 線 下 之 面 積 與 原 點 到 初 裂 點 撓 度 δ 下 之 面 積 比 值 定 義 為 韌 性 指 數, 分 別 利 用 I 5 I 10 I 20 表 示, 而 其 中 I 5 I 10 I 20 實 際 上 也 是 應 變 能 量 之 比 值 14

21 圖 2-10 ASTM C1018 韌 性 指 數 之 計 算 [43] I 5 I 10 I 20 計 算 方 式 如 下 : 其 中, T 1 為 圖 中 OAB 區 域 之 面 積 T 為 圖 中 OACD 區 域 之 面 積 T T 為 圖 中 OAEF 區 域 之 面 積 為 圖 中 OAGH 區 域 之 面 積 T 3 I 5 = (2-2) T1 T 5.5 I 10 = (2-3) T1 T 10.5 I 20 = (2-4) T1 3 中 國 建 設 協 會 試 驗 標 準 CECS13:89 中 國 建 設 協 會 試 驗 標 準 CECS13:89 計 算 原 理 [44] 如 圖 2-11 所 示 本 規 範 之 標 準 抗 彎 尺 寸 :100mm 100mm 350mm, 其 中 A 點 為 初 裂 點, W 為 初 裂 撓 度, 分 別 以 3W Fcra 5.5W Fcra 15.5W Fcra 之 前 之 載 重 - 撓 度 曲 線 下 之 包 圍 面 積 與 W Fcra 前 之 載 重 - 撓 度 曲 線 下 之 面 積 作 為 比 值 稱 為 韌 性 指 數, 計 算 出 來 之 韌 性 指 數 分 別 用 η m5 m10 η η m30 來 表 示, 也 是 也 是 應 變 能 量 之 比 值 Fcra 15

22 圖 2-11 CECS13:89 韌 性 指 數 計 算 [44] 此 規 範 中 η m5 η m10 η m30 計 算 方 式 如 下 : η m5 = OACD 面 積 /OAB 面 積 (2-5) η m10 = OAEF 面 積 /OAB 面 積 (2-6) η m30 = OAGH 面 積 /OAB 面 積 (2-7) 4 日 本 試 驗 標 準 JSCE G552 日 本 之 試 驗 標 準 為 JSCE G552 提 出 彎 曲 韌 性 指 數 計 算 原 裡 [45] 如 圖 2-12 所 示, 設 P 為 試 件 加 載 至 撓 度 δ lb =3mm 時 之 平 均 荷 載, 其 中 直 線 AB 下 面 積 為 載 重 曲 線 下 面 積 T 為 下 列 公 式 (2-9) 計 算 出 : T = Pδ (2-9) lb 圖 2-12 JSCE G552 韌 性 計 算 [45] 16

23 透 過 彎 曲 應 力 之 計 算 方 式,JSCE G552 試 驗 規 範 將 平 均 載 重 P 作 用 下 沿 中 心 點 撓 度 彎 曲 後 之 正 應 力 定 義 為 彎 曲 韌 性 指 數, 用 f e 來 表 示 f e Tl = (2-10) 2 bh δ lb 以 上 敘 述 各 國 較 常 使 用 之 韌 性 指 數 計 算 方 式, 最 近 各 國 學 者 皆 有 將 這 些 韌 性 指 數 分 別 提 出 來 作 比 較 [46-48], 探 討 透 過 不 同 標 準 規 範 抗 彎 時 之 韌 性, 其 中 美 國 ACI554 ASTM C1018 及 中 國 大 陸 CECS13:89 標 準 探 討 之 韌 性 指 數, 都 是 材 料 彈 塑 性 應 變 能 與 彈 性 應 變 能 之 比 值, 皆 屬 於 能 量 比 值 法 來 探 討 韌 性 美 國 ACI 韌 性 指 數 只 有 從 初 裂 點 探 討 到 特 徵 點 撓 度 δ lb 下 之 韌 性, 使 用 起 來 較 為 方 便, 但 無 法 看 出 特 徵 點 撓 度 δ lb 後 半 段 曲 線 撓 度 鋼 纖 維 作 用 下 之 韌 性 行 為 ; 而 美 國 ASTM C1018 及 大 陸 試 驗 標 準 CECS13:89 所 探 討 之 韌 性 指 數, 採 用 3 倍 與 5.5 倍 初 裂 撓 度 作 為 多 個 特 徵 撓 度 做 韌 性 計 算, 與 設 計 中 若 考 慮 到 延 性 作 用 可 供 使 用, 並 且 主 要 可 以 探 討 材 料 撓 度 曲 線 後 半 段 之 增 韌 效 果 與 行 為 Sukontasukkul [47] 透 過 ASTM C1018 試 驗 方 式 進 行 纖 維 混 凝 土 高 溫 作 用 後 之 韌 性 性 質, 透 過 此 方 法 可 以 探 討 峰 值 後 半 段 曲 線 韌 性 性 質, 並 可 探 討 受 高 溫 不 同 溫 度 作 用 後 之 增 韌 性 質 但 以 上 方 法 皆 與 初 裂 撓 度 有 關, 準 確 判 定 初 裂 點 位 置 不 容 易, 初 裂 點 位 置 判 定 之 準 確 性, 對 於 計 算 出 韌 性 指 數 之 數 據, 會 有 很 大 影 響 日 本 JSCE G552 判 定 之 彎 曲 韌 性 指 數, 學 者 使 用 此 法 之 研 究 [50-51], 透 過 抗 彎 強 度 做 比 較, 探 討 增 韌 之 效 果, 與 初 裂 強 度 並 沒 有 關 係, 對 於 判 斷 不 同 種 類 之 鋼 纖 維 增 韌 效 果 影 響, 較 容 易 判 斷 由 於 美 國 ACI554 ASTM C1018 及 中 國 大 陸 CECS13:89 試 驗 標 準, 對 於 抗 彎 時 載 重 撓 度 曲 線 上 之 初 裂 點 撓 度 之 判 斷, 需 要 非 常 之 精 準, 否 則 可 能 會 造 成 韌 性 指 數 上 計 算 誤 差 5 美 國 材 料 試 驗 學 會 ASTM C1609 此 規 範 使 用 之 標 準 抗 彎 尺 寸 :100mm 100mm 350mm, 圖 2-13 分 別 探 討 當 撓 度 到 達 L/600 與 L/150 時 (L= 抗 彎 試 體 長 度 ), 到 達 此 兩 撓 度 之 殘 餘 強 度 ; 並 且 探 討 撓 度 到 達 L/150 時, 載 重 - 撓 度 曲 線 下 從 原 點 到 此 點 之 包 圍 面 積, 作 為 本 試 體 之 韌 性 指 數 (TI), 此 種 方 法 較 為 簡 單, 單 存 使 用 能 量 法 來 判 定 此 試 體 之 韌 性 指 數 17

24 圖 2-13 ASTM C1609 韌 性 指 數 計 算 [52] 最 近 學 者 利 用 ASTM C1609 之 研 究,Marijan [53] 對 於 超 高 性 能 鋼 纖 維 混 凝 土, 因 ASTM C1018 初 裂 點 判 斷 會 造 成 誤 差, 因 此 透 過 ASTM C1609 試 驗 規 範, 進 行 研 究 探 討 不 同 種 類 之 鋼 纖 維 含 量 混 合 之 纖 維 混 凝 土, 但 更 改 實 驗 數 據 分 析 之 方 式, 原 規 範 使 用 探 討 撓 度 到 達 L/150 時 之 應 變 能 與 殘 餘 強 度, 此 學 者 改 變 成 撓 度 到 達 3mm 4mm 6mm 時 之 面 積 作 為 韌 性 指 數, 並 探 討 到 此 撓 度 之 殘 餘 強 度 變 化, 來 判 斷 此 規 範 之 撓 度 點 後 之 韌 性, 可 以 看 出 峰 值 後 纖 維 混 凝 土 之 增 韌 效 果 Higashiyama [54] 也 透 過 ASTM C1609 與 JSCE 兩 種 試 驗 規 範, 進 行 探 討 少 量 纖 維 混 凝 土 彎 曲 與 剪 力 韌 性 性 質, 並 且 選 用 多 點 撓 度, 進 行 韌 性 指 數 之 分 析 2.7 破 裂 韌 性 在 混 凝 土 製 做 當 中, 會 因 為 灌 製 方 法 環 境 溫 度 變 化 體 積 變 化 等 因 素, 造 成 混 凝 土 試 體, 產 生 微 小 裂 縫, 這 些 裂 縫 會 造 成 試 體 受 力 過 成 中 應 力 集 中 的 現 象, 導 致 結 構 物 破 壞 而 破 壞 力 學 認 定 材 料 本 身 含 有 微 小 裂 縫, 是 以 有 裂 縫 為 出 發 點 進 行 設 計 結 構 物, 來 彌 補 工 程 設 計 上 常 用 方 法 之 缺 陷 對 於 結 構 體 而 言, 材 料 裂 縫 之 受 力 方 式 不 同, 破 壞 模 式 會 隨 著 不 一 樣, 裂 縫 破 壞 模 式 可 歸 納 成 圖 2-14 三 種 模 式, 開 口 拉 伸 破 壞 模 式 ( 模 式 Ι) 滑 移 破 裂 模 式 模 式 Ⅱ 撕 開 式 破 裂 模 式 模 式 Ⅲ, 目 前 對 於 鋼 纖 維 混 凝 土 破 裂 性 質 較 多 研 18

25 究 注 重 於 模 式 Ι 之 探 討 [ ], 模 式 Ⅱ Ⅲ 破 裂 形 態 也 經 常 會 發 生 在 鋼 纖 維 混 凝 土 結 構 中, 鋼 纖 維 混 凝 土 具 有 較 弱 的 抗 剪 力 [55-56], 對 於 滑 動 式 破 裂 抵 抗 能 力 需 要 特 別 注 意 圖 2-14 材 料 破 裂 模 式 [39] 在 圖 2-15 中, 在 裂 縫 的 尖 端 T 處, 有 很 大 的 應 力 場 行 為, 以 應 力 強 度 因 子 (Stress Intensity Factor) K 作 為 裂 縫 尖 端 應 力 大 小 指 標 而 K IC 則 表 示 臨 界 應 力 強 度 因 子 (Critical Stress Intensity Factor), 可 以 表 示 材 料 內 部 是 否 成 長, 單 位 為 MPa m 當 材 料 進 行 載 重 受 力 行 為 時, 隨 著 應 力 增 大, 材 料 內 部 應 力 強 度 因 子 K I 也 會 隨 著 增 大, 材 料 所 承 受 之 應 力 強 度 因 子 K I 到 達 此 材 料 之 K IC 時, 材 料 弱 點 處 之 裂 縫 即 會 開 始 不 穩 定 延 伸, 將 會 導 致 材 料 迅 速 破 壞 高 韌 性 材 料 較 不 容 易 因 外 載 重 作 用 讓 內 部 裂 縫 繼 續 蔓 延, 活 性 粉 混 凝 土 中 若 添 加 鋼 纖 維, 鋼 纖 維 會 在 裂 縫 尖 端 處 與 裂 縫 面 間 形 成 牽 引 力, 可 以 降 低 尖 端 應 力 場, 有 助 於 裂 縫 較 不 容 易 延 伸, 並 且 臨 界 應 力 強 度 因 子 K IC 值 也 會 增 大, 導 致 試 體 需 要 較 大 的 應 力 強 度 因 子 K I 才 會 到 達 臨 界 應 力 強 度 因 子 K IC 使 試 體 破 壞 19

26 圖 2-15 纖 維 混 凝 土 受 拉 力 作 用 破 壞 [39] Bernal [36] 在 鋼 筋 混 凝 土 中 添 加 鋼 纖 維, 透 過 破 裂 韌 性 試 驗 方 式, 探 討 初 裂 縫 尖 端 之 應 力 強 度 因 子, 會 因 纖 維 含 量 不 同 而 有 所 不 同 Taylor [37] 透 過 破 裂 韌 性 裂 縫 下 方 裝 設 CMOD 位 移 計, 探 討 鋼 纖 維 高 強 度 混 凝 土 受 預 裂 縫 縫 加 載 力 對 開 口 位 移 之 影 響 2.8 混 凝 土 耐 久 性 台 灣 氣 候 環 境 高 溫 潮 濕, 空 氣 及 水 汙 染 嚴 重, 對 結 構 物 主 結 構 材 料 有 很 大 的 影 響, 因 此 材 料 之 耐 久 性 能 特 別 重 要 ACI 201 規 範 將 混 凝 土 之 耐 久 性 定 義 為 抵 抗 風 化 作 用 化 學 侵 蝕 磨 損 及 經 過 物 理 化 學 作 用 長 期 劣 化 作 用 下 抵 抗 毀 損 能 力 物 理 化 學 作 用 劣 化 可 以 分 成 : 鹽 害 鹼 骨 材 反 應 化 學 侵 蝕 中 性 化 凍 害 磨 損 作 用 下 之 混 凝 土 劣 化 混 凝 土 屬 於 多 孔 隙 之 複 合 材 料, 許 多 材 料 組 成, 本 身 有 許 多 微 小 孔 隙, 混 凝 土 運 用 於 各 種 結 構 構 造 物 水 工 構 造 物, 處 於 各 種 惡 劣 環 境 作 用 下, 環 境 中 的 水 氣 體 及 侵 蝕 性 的 化 學 物 質, 都 會 藉 由 混 凝 土 表 面 之 孔 隙, 緩 慢 的 滲 透 到 試 體 內 部, 產 生 物 理 化 學 之 劣 化 反 應, 使 混 凝 土 品 質 強 度 受 到 劣 化 之 影 響 因 此 在 耐 久 性 之 考 量 上, 如 何 縮 小 試 體 縫 隙, 來 阻 斷 有 害 物 質 侵 入, 是 相 當 重 要 的 因 素 之 一 2.9 活 性 粉 混 凝 土 微 觀 結 構 20

27 混 凝 土 中 水 泥 漿 體 之 組 成, 會 因 為 加 入 摻 料 不 同 而 改 變, 這 些 成 份 之 組 成 對 於 混 凝 土 之 巨 觀 性 質 會 有 所 影 響 而 混 凝 土 進 行 水 化 作 用, 會 因 添 加 成 份 不 一 樣, 及 隨 著 養 護 溫 度 及 齡 期 不 同, 而 顯 微 結 晶 結 構 也 會 有 不 同 的 現 象 發 生, 而 由 這 些 顯 微 結 構 可 以 判 斷 結 晶 程 度 水 化 特 性 孔 隙 大 小, 緻 密 性, 這 些 量 測 方 式 都 需 要 透 過 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 來 觀 察 求 得 水 泥 產 生 水 硬 性 反 應 後, 會 產 生 C-S-H 膠 體 氫 氧 化 鈣 硫 鋁 酸 鈣 水 化 物 及 孔 隙 等 微 觀 產 物, 這 些 產 物 都 有 各 自 之 特 徵, 其 這 些 產 物 之 數 量 多 寡 其 組 成 方 式, 都 對 混 凝 土 之 強 度 及 耐 久 性 有 一 定 程 度 之 影 響, 其 各 水 化 產 物 之 特 性 為 表 2-2 其 CSH 膠 體 CH 晶 體 及 單 硫 鋁 酸 鹽 化 合 物 結 晶 體 之 外 觀 如 圖 2-16~2-18 表 2-2 水 泥 漿 體 之 水 化 物 微 觀 結 構 特 性 [26] 硫 酸 鈣 水 化 物 水 泥 漿 體 氫 氧 化 鈣 C-S-H 膠 體 鈣 釩 石 單 硫 型 酸 顯 微 結 構 (CH) (AFt) 鈣 (AFm) 毛 細 管 孔 隙 特 微 連 續 的 母 體 ; 不 定 結 晶 狀 顆 0.5μm 0.1μm 依 水 灰 比 而 形 多 孔 隙 毛 細 粒 結 畾 顆 粒 小 定, 形 狀 不 定 管 膠 孔 (0.01-1mm) (1~10μm) 成 份 C-S-H C-H - 比 重 2.3~ ~ 結 晶 甚 差 很 好 好 尚 好 - SEM 外 觀 (1*0.1μm, 六 角 薄 無 孔 條 紋 柱 細 長 六 t<0.001μm) 針 刺 狀, 不 規 狀 角 針 狀 或 不 定 形 狀 則 玫 瑰 狀 - 解 析 方 法 SEM OM SEM OM OM SEM SEM SEM MIP 體 積 比 ~55% 20% ~10% 15% 21

28 圖 2-16 針 刺 球 狀 之 CSH 膠 體 [58] 圖 2-17 六 角 薄 板 層 狀 堆 疊 之 CH 晶 體 [58] 圖 2-18 六 角 薄 板 不 規 則 玫 瑰 叢 狀 排 列 單 硫 鋁 酸 鹽 化 合 物 [58] 22

29 第 三 章 試 驗 計 劃 3.1 試 驗 目 的 本 研 究 首 先 參 考 傳 統 活 性 粉 混 凝 土 配 比 [59-60], 將 傳 統 活 性 粉 混 凝 土 配 比 中 使 用 的 矽 灰, 利 用 水 淬 爐 石 粉 來 取 代, 設 計 出 抗 壓 強 度 可 達 150MPa 之 配 比 澆 置 時 為 了 有 較 佳 工 作 性 能 且 避 免 鋼 纖 維 發 生 沉 澱 情 形, 添 加 鋼 纖 維 含 量 0% 1% 2% 之 流 度 值 必 須 控 制 於 200~250mm 之 間, 來 進 行 爐 石 取 代 量 配 比 探 討 為 增 加 爐 石 取 代 量, 活 性 粉 混 凝 土 採 用 熱 養 護 方 式, 使 材 料 抗 壓 強 度 性 質 能 夠 達 到 最 佳 化 的 狀 態 接 續 探 討 150MP 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 及 傳 統 活 性 粉 混 凝 土 ( 爐 石 0%) 熱 養 護 後 靜 態 動 態 衝 擊 力 學 性 能 耐 久 性 及 微 觀 晶 體 結 構 本 研 究 試 驗 項 目 內 容 如 下 : 6 1. 利 用 MTS 萬 能 材 料 試 驗 機 進 行 靜 態 之 抗 壓 試 驗, 採 用 應 變 速 率 5 10 / s 及 使 用 圓 柱 Φ mm 抗 壓 試 體 進 行 單 軸 向 抗 壓 試 驗, 並 在 試 體 兩 側 裝 上 軸 向 伸 長 計, 量 測 試 體 軸 向 位 移 變 化, 畫 出 受 壓 加 載 時 之 應 力 應 變 曲 線 圖, 並 探 討 試 體 受 破 壞 前 及 極 限 強 度 破 壞 後 之 應 力 應 變 全 曲 線 變 化 ; 在 試 體 中 央 安 裝 環 向 伸 長 計, 量 測 側 向 應 變 化, 並 且 計 算 楊 氏 彈 性 模 數 E 及 柏 松 比 ν 2. 彎 曲 韌 性 試 驗 及 抗 彎 破 裂 韌 性 試 驗, 參 考 ASTM C1609 及 ASTM E399 試 驗 規 範 使 用 MTS 萬 能 材 料 試 驗 機 進 行 中 心 點 抗 彎 試 驗, 採 用 長 方 形 抗 彎 試 體 mm 進 行 彎 曲 韌 性 試 驗, 利 用 載 重 - 撓 度 曲 線 圖 計 算 韌 性 指 數 (TI) 及 殘 餘 強 度 ; 則 抗 彎 破 裂 韌 性 試 驗, 使 用 長 方 形 mm 抗 彎 試 體, 在 試 體 中 間 下 方 預 留 4mm 預 裂 縫, 利 用 中 心 點 抗 彎 加 載 方 式 加 載 到 極 限 強 度, 計 算 臨 界 應 力 強 度 因 子 (K IC ) 及 應 變 能 3. 直 接 剪 力 試 驗, 參 考 文 獻 [2] 製 作 直 接 剪 力 試 體, 用 MTS 萬 能 材 料 試 驗 機 進 行 直 接 剪 力 加 載, 加 載 速 率 為 1mm/min, 加 載 至 試 體 破 壞, 而 極 限 破 壞 強 度 為 試 體 直 接 剪 力 強 度 在 10 ~ 10 /s 應 變 速 率 範 圍 下, 採 用 Φ mm 圓 柱 試 體, 利 用 分 離 式 霍 普 金 森 桿 (SHPB) 進 行 動 態 衝 擊 試 驗, 量 測 材 料 在 不 同 應 變 速 率 作 用 下 之 性 質, 在 入 射 桿 和 透 射 桿 上 黏 貼 應 變 計, 連 接 惠 斯 電 橋 (Wheastone bridge) 訊 號 放 大 器 與 數 位 高 速 示 波 器, 在 撞 擊 桿 發 射 撞 入 入 射 桿 後 產 生 一 維 入 射 波, 並 在 彈 性 波 傳 遞 到 試 體 及 透 射 桿 接 觸 面 上, 產 生 反 射 波 及 透 射 波, 使 用 一 維 23

30 波 傳 理 論, 得 到 RPC 受 衝 擊 時 應 力 - 應 變 曲 線, 求 得 衝 擊 時 之 活 性 粉 混 凝 土 抗 壓 強 度 衝 擊 能 量 J 楊 氏 彈 性 係 數 E 衝 擊 吸 收 能 量 5. 探 討 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 耐 久 性 質, 進 行 加 速 中 性 化 試 驗 [61] 氯 離 子 滲 透 試 驗 (ASTM C 及 CNS 14795) 透 水 試 驗 (JIS A 6101) 硫 酸 鹽 試 驗 (CNS 及 AASHTO T104) 四 種 耐 久 性 試 驗 6. 微 觀 試 驗 使 用 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 透 過 1000X 3000X 5000X 放 大 倍 數, 觀 察 添 加 爐 石 及 未 添 加 爐 石 之 活 性 粉 混 凝 土, 分 析 粘 結 密 實 性 孔 隙 和 材 料 內 部 之 晶 體 微 觀 結 構 3.2 材 料 性 質 活 性 粉 混 凝 土 (RPC) 為 水 泥 基 複 合 材 料,RPC 可 由 水 泥 砂 漿 ( 基 材 ) 添 加 鋼 纖 維 ( 介 質 ) 所 組 成 之 鋼 纖 維 活 性 粉 混 凝 土, 其 試 驗 材 料 如 下 : 1. 水 泥 : 採 用 台 灣 水 泥 公 司 第 II 型 卜 特 蘭 水 泥, 如 圖 3-1 有 中 度 水 化 熱 與 中 度 抗 硫 酸 鹽 的 特 性, 由 於 含 有 較 少 的 C 3 A, 能 使 水 化 熱 降 低, 且 有 抗 硫 特 性 及 良 好 耐 久 性, 密 度 為 3.16 g/cm 3, 平 均 粒 徑 約 為 15.8 μ m 其 水 泥 化 學 及 物 理 性 質 如 表 3-1 圖 3-1 II 型 水 泥 24

31 表 3-1 II 型 水 泥 物 理 性 質 與 化 學 成 分 台 灣 水 泥 公 司 2. 石 英 粉 : 為 玻 璃 磨 成 的 石 英 粉 料, 粒 徑 約 為 5-20μm, 如 圖 3-2 石 英 粉 主 要 功 能 在 熱 處 理 期 間 可 以 激 發 其 活 性, 幫 助 CH 產 生 C-S-H 膠 體 圖 3-2 石 英 粉 25

32 3. 石 英 砂 : 採 用 志 純 實 業 股 份 有 限 公 司 生 產 之 石 英 砂, 使 用 型 號 為 #4, 如 圖 3-3, 平 均 粒 徑 約 為 105~420μm, 密 度 為 2.62 g/cm 3,SiO 2 純 度 達 97%, 硬 度 在 6~7 之 間 (a) (b) 圖 3-3 石 英 砂 26

33 4. 矽 灰 : 採 用 佑 聲 企 業 股 份 有 限 公 司 之 矽 灰, 為 非 壓 密 顆 粒, 形 狀 為 圓 球 形, 如 圖 3-4, 屬 於 高 反 應 之 卜 作 嵐 材 料, 可 填 補 水 泥 顆 粒 間 的 空 隙, 增 加 水 泥 漿 或 活 性 粉 混 凝 土 的 水 密 性, 比 表 面 積 約 為 20,000 m 2 /kg, 粒 徑 約 為 0.1~0.2μm, 其 物 理 及 化 學 性 質 如 表 3-2 所 示 圖 3-4 矽 灰 表 3-2 矽 灰 基 本 性 質 興 大 內 台 電 試 研 中 心 2004 試 驗 項 目 單 位 試 驗 結 果 試 驗 方 式 二 氧 化 矽 (SiO 2 ) % 燒 失 量 % 1.98 細 度 m 2 /kg 20,000 與 水 泥 混 合 7 天 之 活 性 指 數 % ASTM C 水 淬 爐 石 粉 : 水 淬 爐 石 粉 為 中 聯 公 司 生 產 之 水 淬 爐 石 粉, 如 圖 3-5, 符 合 CNS 規 格, 使 用 型 號 為 #6000, 其 細 度 為 611m 2 /kg ( 平 均 粒 徑 為 7.02μm) 水 淬 爐 石 粉 化 學 及 物 理 性 質 表 如 表

34 圖 3-5 水 淬 爐 石 粉 表 3-3 水 淬 爐 石 粉 物 理 與 化 學 性 質 中 聯 公 司 物 理 試 驗 化 學 試 驗 檢 驗 項 目 (Inspection Itern) 檢 驗 結 果 (Test Result) 比 表 面 積 (Fineness by Air Permeability test) 611 m 2 /kg #325 篩 餘 (Amount Retained on #325 Sieve ) (%) 1.3 比 重 (Density) 2.88 活 性 指 數 7 天 (7 days) (%) (Activity 28 天 (28 days) (%) Index) 墁 料 空 氣 含 量 (Air content of Mortar) 2.94 燒 失 量 L.O.I(Loss on Ignition) (%) 0.38 二 氧 化 矽 SiO2(silicon DIoxide) (%) 三 氧 化 二 鋁 Al 2 O 3 (Aluminum oxide) (%) 三 氧 化 二 鐵 Fe 2 O 3 (Ferric oxide) (%) 0.33 氧 化 鈣 CaO (Calcium oxide ) (%) 氧 化 鎂 MgO(Magnesium oxide) (%) 6.73 三 氧 化 硫 SO3(Sulfur Trioxide) (%) 0.73 鹽 基 度 (Basicity)[( Al 2 O 3+ CaO+MgO)/ SiO2] 1.89 硫 化 物 硫 S(Sulfide Sulfur) (%)

35 6. 強 塑 劑 : 採 用 恆 美 化 工 進 口 之 日 本 竹 本 (Takemoto) 油 脂 製 造 之 強 塑 劑, 型 號 為 SSP104, 主 要 成 分 為 丙 烯 酸 共 聚 物 (acrylic graft copolymer) 之 陰 離 子 型 高 分 子 介 面 活 性 劑, 符 合 ASTMTYPE-G 等 級, 如 圖 3-6 所 示 圖 3-6 強 塑 劑 7. 鋼 纖 維 : 使 用 Dramix 公 司 生 產 之 鋼 纖 維, 長 度 為 12.0mm, 直 徑 0.18mm, 長 徑 比 (aspect ratio) 為 60, 比 重 為 7.8, 其 表 面 經 過 鍍 銅 處 理 成 金 黃 色 以 防 腐 蝕, 鋼 纖 維 可 使 脆 性 混 凝 土 材 料 變 成 具 韌 性 的 材 料, 如 圖

36 (a) (b) 圖 3-7 鋼 纖 維 30

37 3.3 試 驗 參 數 與 試 體 製 作 本 研 究 首 先 參 考 國 內 外 已 知 添 加 飛 灰 水 淬 爐 石 粉 活 性 粉 混 凝 土 配 比 [17-23], 表 3-4 為 爐 石 取 代 配 比 變 數, 探 討 水 淬 爐 石 粉 取 代 矽 灰 含 量 對 抗 壓 強 度 的 影 響, 調 整 配 比 用 水 量 及 強 塑 劑 用 量, 控 制 流 度 值 200~250 mm, 來 保 持 良 好 的 工 作 性 及 避 免 鋼 纖 維 沉 澱 的 情 形 發 生, 最 後 調 整 出 爐 石 取 代 矽 灰 含 量 之 配 比 表 ( 表 3-5), 找 出 抗 壓 強 度 150MPa 配 比 爐 石 取 代 矽 灰 比 例 試 體 編 號 分 別 為 : A(0%) B(30%) C(50%) D(70%) E(100%) 五 種, 透 過 90 養 護 添 加 鋼 纖 維 含 量 1% 及 2% 進 行 抗 壓 試 驗, 並 給 予 試 體 編 號, 當 C 組 配 比 添 加 1% 鋼 纖 維 時, 編 號 成 C1; 當 添 加 2% 鋼 纖 維 時, 編 號 成 C2, 以 此 類 推 表 3-4 爐 石 取 代 配 比 變 數 配 比 變 數 ( 爐 石 取 代 矽 灰 量 ) A(0%) B(30%) C(50%) D(70%) E(100%) 鋼 纖 維 量 0% 1% 2% 養 護 方 式 齡 期 90 養 護 7 天 10 天 表 3-5 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 配 比 表 [kg/m 3 ] 編 號 鋼 纖 維 含 量 水 膠 比 水 水 泥 矽 灰 爐 石 粉 石 英 粉 石 英 砂 強 塑 劑 A0 0% A1 1% A2 2% B0 0% B1 1% B2 2% C0 0% C1 1% C2 2% D0 0% D1 1%

38 D2 2% E0 0% E1 1% E2 2% 將 目 標 強 度 150MPa 之 C 材 配 比 與 未 添 加 爐 石 A 材 配 比, 透 過 210 養 護 添 加 鋼 纖 維 含 量 1% 2%, 接 續 進 行 靜 態 動 態 力 學 試 驗 耐 久 性 及 微 觀 結 構 透 過 210 養 護 方 式, 則 在 試 體 編 號 前 給 予 H 編 號, 例 如 : 當 C 組 配 比 添 加 1% 鋼 纖 維 時, 編 號 成 HC1; 當 添 加 2% 鋼 纖 維 時, 編 號 成 HC2, 以 此 類 推 靜 態 力 學 試 驗 包 括 抗 壓 試 驗 抗 彎 試 驗 破 裂 韌 性 試 驗 及 直 接 剪 力 強 度 試 驗 ; 透 過 三 組 不 同 應 變 率 進 行 SHPB 動 態 力 學 試 驗 ; 耐 久 性 試 驗 包 含 加 速 中 性 化 快 速 氯 離 子 試 驗 抗 硫 酸 鹽 試 驗 及 透 水 試 驗 各 試 驗 試 體 尺 寸 如 表 3-6, 各 配 比 製 作 3 顆 試 體 進 行 試 驗 表 3-6 試 驗 試 體 尺 寸 ( 單 位 :mm) 試 驗 項 目 試 體 尺 寸 靜 態 抗 壓 試 驗 Φ 抗 彎 試 驗 破 裂 韌 性 試 驗 ( 下 方 預 留 4mm 預 裂 縫 ) 動 態 力 學 試 驗 Φ50 25 加 速 中 性 化 試 驗 Φ 氯 離 子 滲 透 試 驗 Φ 硫 酸 鈉 粒 料 健 度 試 驗 浸 泡 硫 酸 鹽 長 度 變 化 透 水 試 驗 Φ

39 3.4 拌 合 方 式 使 用 三 段 速 度 之 拌 合 機 ( 圖 3-8), 拌 合 方 式 依 照 圖 3-9, 流 程 依 序 將 石 英 砂 矽 灰 水 淬 爐 石 粉 石 英 粉 和 水 泥 放 入 拌 合 桶 內, 避 免 使 比 重 輕 的 粉 料 沉 澱 於 桶 底, 以 一 速 (120 rpm) 乾 拌, 並 利 用 湯 匙 攪 拌 未 攪 拌 均 勻 部 份 圖 3-8 拌 合 機 將 水 與 強 塑 劑 均 勻 混 合, 分 三 次 加 入 拌 合 桶 中, 加 入 後 分 別 拌 合 1 分 鐘, 最 後 一 次 加 入 ( 水 + 強 塑 劑 ) 後, 大 約 拌 合 8 分 鐘 就 會 產 生 流 度 若 是 無 添 加 鋼 纖 維 之 基 材, 則 產 生 流 度 後 使 用 三 速 (360rpm) 進 行 高 速 攪 拌 一 分 鐘 ; 若 是 添 加 鋼 纖 維 之 活 性 粉 混 凝 土, 則 分 三 次 份 量 加 入 鋼 纖 維, 每 次 加 入 鋼 纖 維 後, 使 用 一 速 (120 rpm) 進 行 攪 拌, 第 三 次 加 入 完 成 後, 再 進 行 三 速 (360rpm) 進 行 高 速 攪 拌 一 分 鐘 33

40 依 照 材 料 配 比 準 備 材 料 ( 水 泥 矽 灰 爐 石 石 英 粉 石 英 砂 ) 依 照 順 序 將 材 料 置 入 拌 合 桶 中 ( 水 泥 矽 灰 爐 石 石 英 粉 石 英 砂 ) 用 低 速 (120rpm) 乾 拌 二 分 鐘 使 用 湯 匙 攪 拌 未 攪 拌 均 勻 部 份 再 用 低 速 (120rpm) 乾 拌 二 分 鐘 使 用 湯 匙 攪 拌 未 攪 拌 均 勻 部 份 將 強 塑 劑 和 水 均 勻 混 合 ( 強 塑 劑 + 水 ) 分 三 次 加 入 拌 合 桶 中 拌 合 約 8 分 鐘 產 生 流 度 有 鋼 纖 維 無 鋼 纖 維 將 鋼 纖 維 分 三 次 加 入 拌 合 桶 中 用 一 速 (360rpm) 攪 拌 一 分 鐘 漿 料 分 3 層 灌 置 試 體 模 中 依 序 每 層 搗 實 25 下 左 右 各 以 膠 鎚 搥 20 下 48 小 時 硬 固 後 拆 模 圖 3-9 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 拌 合 流 程 圖 34

41 3.5 養 護 方 式 試 體 在 鋼 模 澆 置 完 成 之 後, 將 試 體 放 入 密 封 夾 鏈 袋 中 如 圖 3-10, 放 置 室 溫 48 小 時 硬 化 後 拆 模, 再 將 試 體 高 溫 熱 養 護 高 溫 熱 養 護 分 成 兩 種 熱 養 護 方 式 : 1. 養 護 1 (Curing 1) : 將 拆 完 模 後 試 體, 置 入 恆 溫 恆 濕 水 槽 如 圖 3-11 養 護 中, 於 90 熱 水 進 行 熱 養 護 7 天, 取 出 後 放 置 於 室 溫 一 天 使 試 體 降 溫 再 進 行 試 驗 2. 養 護 2 (Curing2) : 將 拆 完 模 後 試 體, 置 入 恆 溫 恆 濕 水 槽 養 護, 於 90 熱 水 熱 養 護 5 天, 取 出 後 放 置 於 預 先 加 溫 至 90 高 溫 烘 如 圖 3-12, 再 以 每 分 鐘 2 升 溫 速 率 升 溫 至 210, 進 行 熱 養 護 2 天, 最 後 取 出 後 放 置 於 室 溫 一 天 使 試 體 降 溫 再 進 行 試 驗 圖 3-10 灌 置 完 成 後 利 用 夾 鏈 袋 封 住 試 體 圖 3-11 恆 溫 恆 濕 水 槽 90 熱 水 養 護 35

42 圖 3-12 高 溫 烘 箱 210 高 溫 養 護 3.6 試 體 研 磨 試 體 熱 養 護 後, 取 出 冷 卻 後 進 行 試 驗 前, 必 須 保 持 受 壓 面 水 平 狀 態, 避 免 加 載 應 力 集 中 現 象 因 此 使 用 試 體 研 磨 機 如 圖 3-13, 將 試 體 先 行 研 磨 處 理, 確 保 試 體 兩 端 之 受 載 面 保 持 水 平 狀 態, 再 透 過 精 密 水 平 磨 床 ( 圖 3-14), 進 行 兩 受 壓 面 水 平 研 磨, 研 磨 至 兩 面 保 持 水 平 光 滑 為 止, 經 水 平 研 磨 處 理 後 的 試 體 如 圖 3-15 圖 3-13 試 體 研 磨 機 36

43 圖 3-14 精 密 水 平 磨 床 圖 3-15 試 體 經 水 平 研 磨 處 理 3.7 試 驗 儀 器 與 設 備 1. MTS 萬 能 材 料 試 驗 機 本 研 究 使 用 之 100 噸 MTS 材 料 試 驗 機, 為 美 國 MTS 公 司 所 生 產 製 造, 為 自 動 循 環 封 閉 迴 路 伺 服 油 壓 控 制 系 統, 由 可 供 應 油 量 200gpm 的 油 壓 機 驅 動 軸 100 噸 荷 重 計 (load cell) 及 可 利 用 電 腦 或 手 動 調 整 命 令 之 主 控 制 箱 所 組 成, 如 圖 3-16 所 示 實 驗 進 行 加 載 方 式 可 採 用 荷 重 控 制 (load control) 位 移 控 制 (displacement control) 或 應 變 控 制 (strain control) 任 一 種 方 式 進 行 實 驗 試 驗 進 行 中, 荷 重 計 LVDT 及 開 口 位 移 計, 分 別 將 訊 號 傳 回 主 控 制 箱, 並 且 MTS 主 控 制 箱 會 進 行 偵 測 試 驗 進 行 狀 況 與 設 定 狀 況 是 否 一 致, 若 不 一 致 會 同 時 進 行 補 償 37

44 MTS 萬 能 材 料 試 驗 機 對 圓 柱 試 體 進 行 抗 壓 試 驗, 在 Φ50 100mm 圓 柱 抗 壓 試 體 裝 設 50mm 軸 向 伸 長 計 (extensormeter), 橫 向 裝 設 應 變 環, 紀 錄 試 體 受 加 載 到 破 壞 軸 向 位 移 情 形, 及 橫 向 側 向 加 載 時 變 形 關 係, 可 畫 出 完 整 應 力 - 應 變 曲 線 圖 形, 可 計 算 求 得 彈 性 模 數 E 值 柏 松 比 ν 值 圖 3-16 MTS 萬 能 材 料 試 驗 機 控 制 器 及 電 腦 分 析 系 統 2. 分 離 式 霍 普 金 森 桿 法 試 驗 機 (SHPB) 分 離 式 霍 普 金 森 桿 法 試 驗 裝 置 如 圖 3-17 所 示, 設 備 全 長 10m, 主 要 由 控 制 器 資 料 擷 取 系 統 動 力 供 給 系 統 測 速 系 統 撞 擊 桿 入 射 桿 透 射 桿 及 緩 衝 系 統 等 部 份 所 組 成 啟 動 器 壓 控 制 系 統 如 圖 3-18 所 示, 是 用 來 控 制 鋼 瓶 填 充 氣 體 及 發 射 撞 擊 桿 之 用 途, 動 力 系 統 是 利 用 空 壓 機 及 高 壓 鋼 瓶 組 成 入 射 桿 與 透 射 桿 黏 貼 應 變 計 後, 連 接 惠 斯 電 橋 (Wheastone bridge) 訊 號 放 大 器 與 數 位 式 高 速 示 波 器, 量 測 兩 端 受 撞 擊 後 之 彈 性 應 變 量, 以 計 算 入 射 桿 與 透 射 桿 所 夾 持 試 體 之 應 變 歷 程, 緩 衝 系 統 則 由 最 末 端 耗 能 設 備, 用 以 吸 收 撞 擊 後 之 能 量, 避 免 各 桿 彈 回 撞 及 影 響 資 料 之 擷 取 38

45 圖 3-17 分 離 式 霍 普 金 森 壓 桿 試 驗 機 圖 3-18 啟 動 氣 壓 控 制 系 統 3. 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 微 觀 試 驗 使 用 中 山 大 學 國 科 會 貴 儀 中 心 儀 器, 採 用 儀 器 廠 牌 為 JEOL 型 號 JSM-6330TF 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡, 如 圖 3-19 所 示 SEM 利 用 電 子 束 撞 擊 在 試 體 時 所 產 生 各 種 不 同 訊 息, 其 中 以 二 次 電 子 與 背 向 散 射 電 子 為 SEM 主 要 呈 像 依 據, 在 超 高 真 空 ( torr ) 環 境 中 操 作, 可 得 到 高 品 質 解 析 度 影 像 39

46 在 拍 攝 SEM 前, 試 體 需 要 經 過 烘 乾 乾 燥 鍍 金 腹 膜 等 程 序, 烘 乾 方 式 則 使 用 烘 箱 進 行 烘 乾, 再 浸 泡 於 甲 醇 溶 液 當 中, 避 免 水 泥 繼 續 進 行 水 化 反 應, 再 進 行 鍍 金 腹 膜 之 工 作, 利 用 離 子 腹 膜 機, 在 試 體 表 面 上 均 勻 覆 蓋 一 層 金 屬 薄 膜 圖 3-19 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 4. 伸 長 計 軸 向 伸 長 計 是 利 用 惠 士 頓 電 橋 原 裡, 其 電 路 如 圖 3-20 所 示, 一 根 金 屬 導 線 的 阻 抗 與 長 度 成 正 比, 但 與 截 面 積 成 反 比, 當 此 導 線 受 到 外 力 拉 伸 或 壓 縮 時, 其 阻 抗 會 因 此 而 改 變, 但 改 變 的 數 值 太 小 無 法 直 接 應 用, 所 以 將 導 線 拉 長 並 彎 曲, 其 阻 抗 約 為 300Ω 試 體 上 裝 設 軸 向 和 橫 向 伸 長 計 之 方 式, 如 圖 3-21 所 示 圖 3-20 電 磁 感 應 等 效 電 路 圖 40

47 圖 3-21 試 體 裝 設 軸 向 伸 長 計 5. 連 續 記 錄 器 採 用 CRONOS-PL2 連 續 記 錄 器, 如 圖 3-22 所 示, 連 接 電 腦 與 配 合 LVDT 位 移 計 使 用, 裡 面 包 含 惠 斯 敦 電 橋 所 產 生 微 電 壓 變 化, 將 信 號 放 大 後 輸 出, 紀 錄 電 壓 放 大 器 所 擷 取 的 電 壓 頻 率, 每 秒 讀 取 資 料 紀 錄 最 快 可 以 到 達 20k 筆, 紀 錄 數 據 資 料 包 含 時 間 與 電 壓 圖 3-22 連 續 記 錄 器 41

48 6. 精 密 平 面 磨 床 採 用 儀 器 廠 牌 為 KENT, 型 號 為 KGS-250/AHD 之 精 密 平 面 磨 床, 主 要 確 保 在 進 行 靜 動 態 抗 壓 試 驗 時 試 體 上 下 水 平 面 整 平, 防 止 試 體 受 力 不 平 均 造 成 應 力 集 中 現 象, 精 密 磨 床 如 圖 3-14 所 示 7. 應 變 片 (strain gage) 應 變 片 原 理 是 利 用 金 屬 導 線 電 阻 值 的 改 變, 進 而 量 測 應 變 值, 本 研 究 使 用 KYOWA 生 產 之 應 變 片, 型 號 為 KFG C1-11, 應 變 片 長 度 5mm, 電 阻 值 119.8±0.2 歐 姆 (Ω), 將 應 變 片 黏 貼 於 霍 普 金 森 壓 桿 試 驗 機 之 入 射 桿 與 透 射 桿 之 彈 性 桿 上 如 圖 3-23 所 示, 配 合 高 速 數 位 示 波 器 擷 取 數 據 資 料 圖 3-23 應 變 計 黏 貼 於 彈 性 桿 8. 數 位 式 示 波 器 採 用 Agilent 科 技 公 司 之 54620A 示 波 器, 所 記 錄 霍 普 金 森 壓 桿 試 驗 機 之 試 體 受 撞 擊 瞬 間 彈 性 桿 之 應 變 荷 載 位 移 及 時 間 等 數 據, 而 數 據 擷 取 量 可 達 200MHZ 的 訊 號, 示 波 器 如 圖 3-24 所 示 42

49 圖 3-24 數 位 式 示 波 器 43

50 第 四 章 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 基 本 性 質 4.1 試 驗 目 的 本 研 究 將 傳 統 活 性 粉 混 凝 土 配 比 中 使 用 的 矽 灰, 利 用 水 淬 爐 石 粉 來 取 代, 分 別 利 用 爐 石 取 代 矽 灰 0% 30% 50% 70% 100%, 找 出 齡 期 10 天 抗 壓 強 度 可 達 150MPa 之 配 比 澆 置 時 為 了 有 較 佳 工 作 性 能 且 避 免 鋼 纖 維 發 生 沉 澱 情 形, 添 加 鋼 纖 維 含 量 0% 1% 2% 之 流 度 值 必 須 控 制 於 200~250mm 之 間, 來 進 行 爐 石 取 代 量 配 比 探 討 為 增 加 爐 石 取 代 量, 活 性 粉 混 凝 土 採 用 熱 養 護 方 式, 探 討 齡 期 10 天 28 天 爐 石 取 代 矽 灰 抗 壓 強 度 差 異 接 續 探 討 150MP 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 及 傳 統 活 性 粉 混 凝 土 ( 爐 石 0%) 熱 養 護 後 靜 態 動 態 衝 擊 力 學 性 能 耐 久 性 及 微 觀 晶 體 結 構 4.2 試 驗 方 法 流 度 試 驗 為 了 探 討 灌 置 材 料 之 工 作 度, 利 用 流 度 試 驗 來 量 測 工 作 度, 材 料 拌 合 完 成 後, 使 用 ASTM C230M-03 規 範 之 流 度 台, 依 據 ASTM C 水 泥 砂 漿 流 度 試 驗 法 進 行 流 度 試 驗 使 用 之 流 度 錐 頂 端 直 徑 70mm 底 部 直 徑 100mm 高 度 50mm, 放 置 於 流 度 試 驗 台 ( 圖 4-1) 中 間 在 進 行 試 驗 之 前, 必 須 先 利 用 濕 抹 布 擦 拭 流 度 台 及 流 度 錐, 將 漿 體 分 2 次 灌 入 流 度 錐, 分 別 利 用 搗 棒 搗 實 25 下, 在 完 成 第 2 次 澆 置 搗 實 之 後, 將 流 度 錐 的 活 性 粉 混 凝 土 填 滿, 利 用 刮 刀 將 模 頂 多 於 之 漿 體 刮 除 並 修 補 平 整, 慢 慢 將 流 度 錐 向 上 拉 起, 啟 動 計 時 震 動, 以 每 30 秒 25 下 之 速 率 震 動, 震 動 30 秒 完 畢 後, 拿 量 尺 量 活 性 粉 混 凝 土 坍 度 直 徑 如 圖 4-2, 取 五 次 的 直 徑 數 據, 並 取 平 均 作 為 流 度 值 44

51 圖 4-1 流 度 試 驗 台 圖 4-2 流 度 台 震 動 後 量 坍 度 直 徑 45

52 4.3 結 果 分 析 與 討 論 工 作 性 研 究 文 獻 [ ] 指 出, 若 混 凝 土 材 料 中 添 加 水 淬 爐 石 粉, 則 流 度 性 質 有 變 高 的 趨 勢 因 此, 活 性 粉 混 凝 土 中 若 添 加 爐 石 粉, 必 須 保 持 灌 置 時 良 好 之 工 作 性 能, 且 當 活 性 粉 混 凝 土 添 加 鋼 纖 維 後, 為 避 免 會 有 鋼 纖 維 沉 澱 現 象, 必 須 控 制 用 水 量 或 強 塑 劑 用 量, 以 免 有 流 度 太 高 及 泌 水 情 形 發 生 本 研 究 的 流 度 值 控 制 在 20~25cm 之 間, 活 性 粉 混 凝 土 添 加 鋼 纖 維 後 之 流 度 性 質 試 驗 結 果 如 圖 4-3 試 體 編 號 分 別 為 爐 石 取 代 矽 灰 :A(0%) B(30%) C(50%) D(70%) E(100%), 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 基 材 ( 纖 維 量 0%) 與 添 加 1% 2% 鋼 纖 維, 拌 合 後 漿 體 稠 度 情 形 如 圖 4-4, 顯 示 當 添 加 到 2% 纖 維 量 時, 稠 度 有 明 顯 較 高 之 情 形 圖 4-3 之 流 度 試 驗 結 果 顯 示, 在 各 種 爐 石 取 代 矽 灰 之 配 比, 基 材 添 加 1% 鋼 纖 維 後, 流 度 大 約 會 降 低 10mm 流 度 值 ; 若 添 加 2% 鋼 纖 維 時, 流 度 值 會 比 基 材 ( 無 鋼 纖 維 ) 降 低 20mm, 因 此 得 知 鋼 纖 維 含 量 添 加 越 多 的 流 度 會 越 來 越 低 圖 4-3 不 同 爐 石 添 加 量 之 流 度 值 46

53 鋼 纖 維 量 (0%) \ 鋼 纖 維 量 (1%) 鋼 纖 維 量 (2%) 圖 4-4 不 同 纖 維 含 量 之 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 漿 體 稠 度 情 形 將 灌 置 完 養 護 後 鋼 纖 維 含 量 1% 2% 圓 柱 試 體 Φ5 10 cm 剖 開, 探 討 鋼 纖 維 在 試 體 剖 面 之 分 佈 是 否 均 勻 試 體 剖 開 結 果 如 圖 4-5 及 圖 4-6, 結 果 顯 示, 在 試 體 內 部 鋼 纖 維 沒 有 因 添 加 爐 石 後 有 明 顯 鋼 纖 維 糾 結 分 佈 不 平 均 之 情 形 發 生, 也 沒 有 纖 維 沉 澱 於 底 部 情 形 A0 A1 A2 圖 4-5 A 配 比 圓 柱 試 體 剖 面 鋼 纖 維 沉 澱 情 形 47

54 C0 C1 C2 圖 4-6 HC 配 比 圓 柱 試 體 剖 面 鋼 纖 維 沉 澱 情 形 爐 石 粉 添 加 量 之 抗 壓 強 度 影 響 將 活 性 粉 混 凝 土 之 原 始 配 比, 用 水 淬 爐 石 粉 取 代 矽 灰 :A(0%) B B(30%) C(50%) D(70%) E(100%), 如 表 3-4, 並 且 添 加 1% 2% 之 鋼 纖 維, 探 討 齡 期 10 天 之 爐 石 含 量 對 活 性 粉 混 凝 土 抗 壓 強 度 的 影 響, 水 淬 爐 石 粉 取 代 矽 灰 後 之 抗 壓 強 度 試 驗 結 果 為 圖 4-7 及 表 4-1 所 示 圖 4-7 顯 示, 齡 期 10 天 之 爐 石 取 代 矽 灰 含 量 比 例 越 高, 則 抗 壓 強 度 會 逐 漸 降 低, 而 添 加 鋼 纖 維 1% 2% 後, 也 會 因 水 淬 爐 石 粉 取 代 量 越 高, 抗 壓 強 度 有 降 低 的 趨 勢 ; 而 爐 石 取 代 後, 會 隨 著 鋼 纖 維 含 量, 抗 壓 強 度 會 有 增 加 的 趨 勢, 因 此 利 用 水 淬 爐 石 粉 取 代 矽 灰, 基 材 對 鋼 纖 維 也 是 有 增 加 握 裹 的 能 力, 可 以 阻 抗 鋼 纖 維 和 基 材 的 拉 拔 破 壞, 且 各 個 纖 維 間 都 會 有 拉 扯 橋 接 作 用, 使 抗 壓 強 度 會 增 加 圖 4-7 也 顯 示 當 活 性 粉 混 凝 土 添 加 1% 2% 鋼 纖 維, 水 淬 爐 石 粉 取 代 矽 灰 含 量 0% (A 材 ) 和 30% (B 材 ) 時, 兩 者 之 抗 壓 強 度 差 異 性 並 不 大, 尤 其 是 在 2% 鋼 纖 維 含 量 時, 兩 者 抗 壓 強 度 幾 乎 是 相 同 的 將 水 淬 爐 石 粉 100% 完 全 取 代 矽 灰 含 量 時, 基 材 (E 材 ) 強 度 會 比 沒 有 取 代 矽 灰 (A 材 ) 時, 強 度 降 低 31.28%; 添 加 1% 鋼 纖 維 含 量 時, 強 度 會 降 低 33.43%; 當 纖 維 含 量 為 2% 時, 強 度 會 降 低 30.93%, 因 此, 利 用 水 淬 爐 石 粉 完 全 取 代 矽 灰, 活 性 粉 混 凝 土 抗 壓 強 度 約 會 降 低 1/3 當 水 淬 爐 石 粉 取 代 矽 灰 含 量 0% (A 材 ) 與 30%(B 材 ), 基 材 添 加 1% 鋼 纖 維 含 量 之 後 之 抗 壓 強 度, 會 有 較 明 顯 上 升 之 趨 勢, 成 長 幅 度 11.2% 與 11.3% 48

55 表 4-1 不 同 爐 石 和 纖 維 添 加 量 之 齡 期 10 天 與 28 天 抗 壓 強 度 配 比 A B C D E 鋼 纖 維 含 量 齡 期 10 天 齡 期 28 天 抗 壓 強 度 (MPa) 抗 壓 強 度 (MPa) 0% % % % % % % % % % % % % % % 圖 4-7 爐 石 與 鋼 纖 維 對 抗 壓 強 度 影 響 49

56 4.3.3 齡 期 10 天 與 28 天 之 抗 壓 強 度 影 響 水 淬 爐 石 粉 取 代 矽 灰 之 配 比 分 別 添 加 鋼 纖 維 含 量 0% 1% 2%, 在 達 齡 期 10 天 和 28 天 的 抗 壓 強 度 試 驗 結 果 分 別 為 圖 4-8~ 圖 4-10 及 表 4-1 當 齡 期 由 10 天 到 達 齡 期 28 天 時, 各 種 配 比 之 抗 壓 強 度 都 有 逐 漸 成 長 的 趨 勢, 圖 4-8 為 纖 維 含 量 0% 時 之 水 淬 爐 石 粉 全 部 取 代 矽 灰 (E 材 ) 配 比 之 28 天 抗 壓 強 度 增 加 較 多 由 圖 4-10 結 果 顯 示, 當 利 用 水 淬 爐 石 粉 取 代 矽 灰 含 量 50% (C 材 ) 時, 添 加 纖 維 2% 時 之 抗 壓 強 度 會 超 過 150MPa, 因 此, 選 用 此 配 比 (C 材 ) 進 行 本 研 究 探 討 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 之 配 比 圖 4-8 齡 期 10 天 和 28 天 鋼 纖 維 0% 配 比 之 抗 壓 強 度 50

57 圖 4-9 齡 期 10 天 和 28 天 鋼 纖 維 1% 配 比 之 抗 壓 強 度 圖 4-10 齡 期 10 天 和 28 天 鋼 纖 維 2% 配 比 之 抗 壓 強 度 51

58 第 五 章 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 靜 態 力 學 性 能 5.1 試 驗 目 的 本 章 首 先 探 討 150MPa 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 ( 爐 石 50%-C 材 ) 及 活 性 粉 混 凝 土 ( 爐 石 0%-A 材 ) 受 高 溫 90 及 210 養 護 後 對 抗 壓 強 度 影 響, 因 混 凝 土 強 度 是 品 質 的 重 要 指 標 [26], 因 此 本 研 究 將 抗 壓 強 度 作 為 熱 養 護 及 配 比 之 標 準, 找 出 最 高 抗 壓 強 度 熱 養 護 方 式 將 C 材 及 A 材 兩 組 配 比 受 最 佳 養 護 方 式, 接 續 進 行 靜 態 力 學 試 驗, 包 括 壓 縮 試 驗 彎 曲 試 驗 破 裂 韌 性 試 驗 及 直 接 剪 力 試 驗 5.2 試 驗 方 法 MTS 抗 壓 試 驗 本 研 究 進 行 之 單 軸 抗 壓 試 驗, 參 考 ASTM C 39 及 CNS 1232 混 凝 土 抗 壓 試 驗 規 範, 使 用 Φ mm 圓 柱 試 體 進 行 試 驗, 以 位 移 控 制 進 行 加 載, 加 載 速 率 6 為 0.03 mm/min( 應 變 率 5 10 / s ), 進 行 單 軸 抗 壓 試 驗 加 載 直 到 試 體 破 壞 在 試 體 進 行 加 載 過 程 當 中, 在 圓 柱 試 體 兩 側 裝 設 軸 向 伸 長 計 如 圖 5-1, 並 在 試 體 中 間 環 向 裝 設 應 變 環, 來 量 測 試 體 受 加 載 時 軸 向 橫 向 變 形 量 畫 出 抗 壓 加 載 應 力 - 應 變 全 曲 線 圖, 計 算 抗 壓 應 變 能 楊 氏 模 數 E 值 柏 松 比 ν 在 進 行 抗 壓 試 驗 前, 必 需 先 將 圓 柱 抗 壓 試 體 利 用 研 磨 機 ( 圖 3-13) 及 精 密 水 平 磨 床 ( 圖 3-14) 磨 成 保 持 水 平 狀 態, 以 防 止 進 行 抗 壓 載 重 時 應 力 集 中 現 象 每 組 配 比 製 作 3 顆 試 體 進 行 抗 壓 試 驗, 求 取 平 均 值 本 研 究 之 MTS 抗 壓 試 驗, 首 先 將 配 比 表 ( 表 3-4) 各 爐 石 取 代 量 之 配 比, 利 用 Curing 1 養 護 方 式, 探 討 齡 期 10 天 及 28 天 兩 者 齡 期 與 爐 石 取 代 量 和 添 加 1% 2% 鋼 纖 維 之 差 異 並 將 達 到 目 標 強 度 150MPa C 組 ( 爐 石 50%) 配 比 和 A 組 ( 爐 石 0%) 配 比, 利 用 Curing 2 養 護 方 式, 進 行 相 關 力 學 試 驗 探 討 52

59 圖 5-1 圓 柱 抗 壓 試 體 裝 設 軸 向 伸 長 計 與 環 向 應 變 環 混 凝 土 試 體 受 抗 壓 試 驗 之 應 力 σ 應 變 ε 楊 氏 模 數 E 柏 松 比 ν 的 計 算 方 式 如 下 : 1. 應 力 σ (stress): P σ = (5-1) A 式 中 : P 為 試 體 在 軸 向 所 受 加 載 的 力, 單 位 :kn A 為 圓 柱 試 體 受 加 載 之 面 積, 單 位 :mm σ 應 力 單 位 :MPa 2. 應 變 ε (strain): δ ε = (5-2) L 式 中 : δ 由 伸 長 計 量 取 受 施 力 方 向 產 生 長 度 變 化 量 L 為 試 體 受 力 方 向 伸 長 計 預 量 測 之 初 始 長 度 53

60 3. 楊 氏 彈 性 模 數 E: 參 考 ASTM C469 求 得 σ E = ε.4 f c 5x f c (5-3) 式 中 : f c 為 極 限 抗 壓 強 度 ε 0.4 σ f c 為 0.4 f c 所 對 應 的 軸 向 應 變 5 為 軸 向 應 變 5 10 所 對 應 的 應 力 4. 柏 松 比 ν : 材 料 進 行 軸 向 抗 壓 試 驗 時, 在 極 限 強 度 前 之 彈 性 範 圍 內 的 側 向 應 變 與 軸 向 應 變 比 值, 稱 為 柏 松 比 ν, 其 計 算 方 式 如 下 : 式 中 : ε l 為 垂 直 於 施 力 方 向 產 生 的 應 變 ε a 為 平 行 於 施 力 方 向 產 生 的 應 變 ν ε l = (5-4) ε a 本 試 驗 之 柏 松 比 計 算 方 式 如 下 : ε ε ν = (5-5) 5 ε 10 l 2 l1 0.4 f c 5 式 中 : ε l 2 為 0.4 f c 所 對 應 之 側 向 應 變 5 ε 為 5 10 軸 向 應 變 時 之 側 向 應 變 l1 ε 為 0.4 f c 所 對 應 之 軸 向 應 變 0.4 f c 活 性 粉 纖 維 混 凝 土 彎 曲 韌 性 試 驗 為 了 探 討 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 抗 彎 韌 性 性 質, 參 考 ASTM C1609 纖 維 混 凝 土 彎 曲 試 驗 規 範 及 CNS1234 中 心 點 抗 彎 試 驗 使 用 5 噸 MTS 材 料 試 驗 機, 將 40 x 40 x160 mm 之 長 方 形 抗 彎 試 體, 進 行 三 點 抗 彎 試 驗, 以 位 移 加 載 進 行 加 載, 加 載 速 率 為 0.06 mm/min 因 需 要 量 測 活 性 粉 混 凝 土 抗 彎 載 重 撓 度 變 化, 在 抗 彎 基 座 外 試 體 中 點 處 放 置 LVDT 位 移 計 紀 錄 加 載 時 撓 度 ( 圖 5-2), LVDT 位 移 計 連 接 資 料 紀 錄 器 記 錄 位 移 時 電 壓 變 化, 經 電 壓 換 算 成 位 移 撓 度, 畫 出 載 重 - 撓 度 曲 線 54

61 圖 ( 圖 5-3), 並 計 算 彎 曲 韌 性 指 數 (TI) 圖 5-2 彎 曲 韌 性 試 驗 圖 5-3 添 加 纖 維 活 性 粉 混 凝 土 抗 彎 載 重 - 撓 度 曲 線 圖 55

62 試 體 抗 彎 強 度 計 算 公 式 如 下 : 3 PL f = (5-6) 2 2 bh 式 中 : P = 試 體 加 載 到 最 大 載 重 (N) L = 誇 度 (mm) b = 抗 彎 試 體 寬 度 (mm) h = 抗 彎 試 體 深 度 (mm) LVDT 位 移 計 位 移 與 電 壓 換 算 : 當 LVDT 位 移 計 位 移 到 20 mm 時, 電 壓 變 化 為 伏 特, 位 移 計 換 算 公 式 為 : Δl ΔV = (5-7) 式 中 : Δ V 為 位 移 計 紀 錄 位 移 時 之 電 壓 差 Δ l 為 位 移 計 抗 壓 時 紀 錄 位 移 彎 曲 韌 性 指 數 計 算 : 彎 曲 試 驗 韌 性 分 析 方 法, 參 考 ASTM C1609 韌 性 計 算, 此 分 析 方 法 是 計 算 纖 維 混 凝 土 抗 彎 韌 性, 及 應 力 峰 值 後 之 殘 餘 彎 曲 強 度 ASTM C1609 規 範 定 義 韌 性 指 數 (TI) 為 載 重 - 撓 度 曲 線 下, 初 期 加 載 到 撓 度 2 mm 時 載 重 - 撓 度 曲 線 所 包 圍 面 積, 並 探 討 0.5 mm 及 2 mm 時 所 對 應 之 殘 餘 應 力 因 本 研 究 試 體 較 小, 且 為 了 探 討 活 性 粉 混 凝 土 應 力 峰 值 後 之 完 整 韌 性 行 為, 因 此 本 研 究 探 討 試 體 在 抗 彎 撓 度 2 mm 4 mm 6 mm 8 mm 時 韌 性 指 數 (TI), 和 峰 值 後 的 殘 餘 彎 曲 強 度, 來 作 為 分 析 纖 維 活 性 粉 混 凝 土 韌 性 行 為 破 裂 韌 性 試 驗 為 獲 得 臨 界 應 力 強 度 因 子 K IC, 俗 稱 破 裂 韌 性 (Toughness), 參 考 ASTM E 399 線 彈 性 材 料 破 裂 韌 性 試 驗 方 法, 圖 5-4 為 此 方 法 示 意 圖 製 作 長 方 形 cm 試 體, 在 試 體 中 點 下 方 預 留 4mm 預 裂 縫, 並 且 裝 設 CMOD 開 口 位 移 計 ( 圖 5-5) 56

63 使 用 25 噸 MTS 材 料 試 驗 機, 利 用 中 心 點 抗 彎 試 驗 進 行 破 裂 韌 性 彎 曲 試 驗, 以 位 移 加 載 控 制 方 式 進 行 加 載, 加 載 速 率 為 0.02 mm/min, 量 測 中 心 點 最 大 載 重 (P) 和 試 體 裂 縫 開 口 的 位 移 將 試 體 中 心 點 載 重 (P) 和 試 體 裂 縫 開 口 位 移, 並 代 入 下 列 公 式 計 算 臨 界 應 力 強 度 因 子 K IC K P S = (5-8) max IC f 3 b 2 bd 其 式 中 之 S 為 跨 距,b d 分 別 為 試 體 寬 度 和 深 度 d=h-4mm, f b 為 幾 何 形 狀 修 正 係 數 1/ 2 2 3α [1.99 α(1 α)( α + 2.7α )] f b = (5-9) 3 / 2 2(1 + 2α )(1 α) α 為 預 留 裂 縫 與 試 體 高 度 h 的 比 圖 5-4 破 裂 韌 性 試 體 及 抗 彎 示 意 圖 57

64 圖 5-5 破 裂 韌 性 彎 曲 試 驗 直 接 剪 力 試 驗 本 研 究 探 討 爐 石 活 性 粉 混 凝 土 受 直 接 剪 力 之 剪 力 破 壞 情 形, 因 此 參 考 國 外 文 獻 [2], 製 作 直 接 剪 力 試 體 ( 圖 ),, 直 接 剪 力 試 體 長 100 mm 寬 50 mm, 厚 度 為 30 mm 利 用 MTS 萬 能 材 料 試 驗 機 進 行 直 接 剪 力 試 驗, 以 位 移 方 式 進 行 加 載, 加 載 速 率 為 1 mm/min, 將 直 接 剪 力 試 體 放 置 於 試 驗 機 加 載 夾 具 中 進 行 加 載 如 圖 5-8, 試 體 受 剪 力 破 壞 時, 會 沿 著 試 體 設 計 之 預 定 中 心 線 剪 力 弱 面 破 壞 直 接 剪 力 試 體 之 中 心 線 剪 力 弱 面 面 積 為 mm, 利 用 最 大 加 載 之 荷 重 力 (P) 和 試 體 預 設 剪 力 弱 面 面 積 (A) 計 算 出 直 接 剪 應 力 τ 圖 5-6 直 接 剪 力 試 體 尺 寸 ( 單 位 :mm) 58

65 圖 5-7 剪 力 試 驗 試 體 圖 5-8 直 接 剪 力 試 驗 加 載 方 式 5.3 結 果 分 析 與 討 論 根 據 本 研 究 第 4-1 節 透 過 90 熱 養 護 試 拌 抗 壓 強 度 配 比, 探 討 各 爐 石 取 代 矽 灰 抗 壓 強 度 影 響, 找 出 C 組 配 比 ( 爐 石 50%) 添 加 2% 鋼 纖 維 時, 抗 壓 強 度 到 達 150MPa 目 標, 因 此 採 用 此 配 比 作 為 本 研 究 添 加 水 淬 爐 石 粉 配 比, 並 且 探 討 傳 統 未 添 加 爐 石 (0%) 活 性 粉 混 凝 土 配 比, 比 較 兩 者 靜 態 力 學 性 能 差 異 本 章 探 討 C 材 及 A 材 兩 組 配 比, 受 不 同 熱 養 護 靜 態 力 學 性 能, 則 試 驗 數 據 以 試 體 編 號 如 表 5-1 所 示 相 關 文 獻 [10 17] 指 出 混 凝 土 受 到 高 溫 200~300 高 溫 作 用 後, 強 度 會 有 上 升 之 趨 勢 因 此 本 研 究 改 變 90 熱 養 護 7 天 之 方 式, 透 59