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建築研究簡訊第99期 《業務報導》

新型高強度混凝土高溫爆裂行為分析

  鋼筋混凝土構造建築,隨著各種使用目的需求,所用混凝土形式也不斷的被開發出來,新型鋼筋混凝土構造為高強度混凝土與高強度鋼筋的組合,台灣都市土地面積狹小,若能運用更高強度的建築材料,將可節省材料使用量與土地使用面積。新型鋼筋混凝土構造的常溫力學、耐震性能等,國內已有部分研究成果,但在很多的文獻中指出,高強度混凝土遭遇火災快速升溫時,會產生爆裂剝落,進而使結構在火場中鋼筋提早暴露於高溫下而軟化,同時混凝土斷面減少,亦會使結構承載能力下降,最終導致結構喪失承載力及完整性。國內對於50 MPa抗壓強度左右的混凝土高溫性能已進行過一系列研究,但對於使用更高強度的混凝土則仍相當缺乏,以往的研究成果,如添加聚丙烯纖維的用量等,是否仍可適用?有待進行實驗驗證進行了解及控制改善。

  本研究藉由進行蒐集和彙整國內外相關混凝土爆裂防制規範與文獻,瞭解影響爆裂的原理與機制,參考文獻以往的防制方式及國內的用法,進行圓柱試體及板試體的設計、製作與高溫試驗,圓柱試體主要作為探討不同聚丙烯纖維含量及含水量對爆裂行為之影響,施以CNS 標準升溫速率的加熱,觀察圓柱試體的內部溫度分布及爆裂情形。另外製作板試體,內部佈設蒸氣壓力量測元件、相對濕度量測元件及測溫線,以單面進行CNS 標準升溫速率的加熱,觀測試體內部蒸氣壓力、相對濕度、溫度及受熱表面爆裂情形,提供評估後續大型構件耐火試驗時可行之改善機制,以推動新型高強度混凝土的應用,相關試體規劃、試驗條件及量測觀察項目彙整如表1所示。

  本案藉由文獻回顧及圓柱與板試體試驗結果彙整分析,目前研究結果如下:

  1. 由文獻回顧彙整分析,影響混凝土爆裂因素眾多,並不限於材料本質,與構件特性也有關係,且研究結論之再現性仍有很大的差異,因此對於國內新型高強度鋼筋混凝土系統之推動,其本土化的高溫性能值得進行驗證研究。
  2. 針對圓柱試體探討添加不同含量聚丙烯纖維及含水量對其高溫爆裂之影響,在4種纖維含量,3種相對濕度,依CNS 12514-1的快速升溫加熱,僅有無添加纖維、相對濕度100 %的圓柱試體發生爆裂,另外11種條件組合之試體,皆無發生爆裂的現象,各條件試體試驗後外觀如表2所示。對照板試體之試驗結果,於本研究條件下,試體內部相對濕度對爆裂的影響不明顯,但添加纖維對爆裂卻有很明顯的改善。
  3. 兩種不同聚丙烯纖維含量的超高強度混凝土進行依據CNS 12514-1高溫試驗加熱,無添加纖維的試體因發生嚴重爆裂,其加熱過程混凝土內部的溫升較快速、水分的遷移也較早發生,另外內部壓力則因爆裂造成壓力不易累積,其值則反而較低。在爆裂行為上,兩試體有截然不同的反應,在試體的內部相對濕度程度相近下,無添加纖維的試體很早就開始爆裂且情形嚴重,而添加纖維的試體卻完全沒有爆裂發生,本案添加纖維的抗爆裂效果明顯,兩種試體加熱試驗後外觀及爆裂、剝落情形,如圖1~3所示。
  4. 結語:本案針對新型高強度混凝土進行高溫爆裂行為探討,可發現添加聚丙烯纖維對抗爆裂有明顯效果,但對纖維添加量仍需進行完整研究,在部分文獻提到添加過多的纖維,可能反而造成混凝土拌合及澆製不易,恐造成混凝土品質下降;另外,聚丙烯纖維高溫熔化,對於混凝土高溫後的力學性質之影響,亦須進行後續的研究驗證。

表1 試體規劃

(資料來源:本研究整理)

 

表2 圓柱試體加熱試驗後外觀情形

(資料來源:本研究整理)

 

(a)非曝火面                                                              (b)曝火面

圖1 無添加纖維板試體(內部初始相對濕度86~97 %)加熱試驗後外觀

(資料來源:本研究整理)

 

(a) 平視圖                                                             (b) 立體圖

圖2 無添加纖維板試體(內部初始相對濕度86~97 %)試驗後曝火面爆裂範圍及深度

(資料來源:本研究整理)

 

(a) 非曝火面                                                              (b) 曝火面

圖3 添加纖維板試體(內部初始相對濕度86~90 %)加熱試驗後外觀

(資料來源:本研究整理)