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建築研究簡訊第102期 《業務報導》

高飛灰摻量混凝土與鋼筋力學試驗

水泥產製的過程產生大量的二氧化碳,對地球的環境造成嚴重的傷害,為降低水泥用量,目前多以添加飛灰等卜作嵐材料替代水泥用量來處理,飛灰取代水泥的用量一般被限制在水泥用量的30%以下,但隨著環保意識的提高及混凝土科技的進步,近年陸續有飛灰取代水泥用量50%以上的高飛灰摻量混凝土研究成果產出,認為該類混凝土的力學性質與傳統混凝土相當。然而自921地震發生以來,建築混凝土與鋼筋握裹強度的研究一直是相當熱門的主題,但針對高飛灰摻量混凝土與鋼筋握裹強度之研究尚付諸闕如,由於該類混凝土添加的飛灰經卜作嵐反應後可生成具有強度的膠體,填充於鋼筋與混凝土間的空隙,增加混凝土與鋼筋間的握裹強度,不過添加高摻量的飛灰是否會使混凝土中性化,導致鋼筋容易鏽蝕,造成建築混凝土與鋼筋間握裹強度的損失,或因過度摻和不當以致強度受到影響,進而影響結構安全,有必要針對此課題進一步的分析探討,以利該類混凝土於新建建築結構物之設計與施工階段的參考應用。

本研究於試拌試驗階段規劃2種抗壓強度高飛灰摻量混凝土(210 kgf/cm2及280 kgf/cm2),5種飛灰取代水泥用量,分別為0%、25%、50%、60%及70%,抗壓試驗齡期有3天、7天、14天、28天、56天及90天,試驗項目有混凝土的新拌性質、初終凝及抗壓強度,之後再依專家學者座談會建議增加混凝土強度等級,於後續鋼筋握裹及耐久性等驗證試驗規劃3種混凝土抗壓強度(210 kgf/cm2、280 kgf/cm2及350 kgf/cm2),3種飛灰取代水泥用量(0%、25%及60%),2種鋼筋握裹試體(有圍束及無圍束),試驗齡期有7天、28天及56天,探討高飛灰摻量的混凝土對鋼筋握裹應力的影響,並進行混凝土滲透試驗及快速氯離子滲透試驗,試驗齡期有28天及56天,解析高飛灰摻量混凝土的耐久性。

 

 

本研究試驗係依據美國ASTM C 234及中國國家標準CNS A 3129中之說明,主要是藉由直接將鋼筋自混凝土塊體拔出之握裹應力試驗過程來評估混凝土的性能,而非真正模擬構件之實際握裹行為。但其試驗模式與理論上之鋼筋混凝土握裹受力行為近似,故以此可簡易做為探討高飛灰摻量下混凝土與鋼筋間握裹受力基本行為之研究。試驗結果整理如表1至表4所示,並分別對其極限載重下之握裹應力、破壞模式及載重-位移關係逐一分析探討如下:

表1.無箍筋圍束鋼筋混凝土拉拔握裹應力試驗結果 (28天齡期)

試體編號

抗壓強度

( kgf/cm2 )

極限荷重

( kgf )

握裹應力

( kgf/cm2 )

平均值

( kgf/cm2 )

自由端
滑移量
( mm )

載重端
滑移量
( mm )

破壞
類型

C210-F00-F1

261

7232

69

70

1.76

2.21

Splitting

C210-F00-F2

7432

71

2.16

2.86

Splitting

C210-F25-F1

247

8726

83

75

2.62

3.10

Splitting

C210-F25-F2

6922

66

2.12

2.57

Splitting

C210-F60-F1

245

7836

75

78

2.29

2.57

Splitting

C210-F60-F2

8407

80

2.65

3.03

Splitting

C280-F00-F1

358

9550

91

88

2.27

2.68

Splitting

C280-F00-F2

8791

84

1.92

2.40

Splitting

C280-F25-F1

309

9338

89

89

1.73

2.36

Splitting

C280-F25-F2

6795

65

1.72

1.99

Splitting

C280-F60-F1

339

10827

103

102

1.98

2.19

Splitting

C280-F60-F2

10546

101

1.92

2.18

Splitting

C350-F00-F1

527

9534

91

98

2.07

2.22

Splitting

C350-F00-F2

11047

106

2.99

3.24

Splitting

C350-F25-F1

571

10023

96

99

1.67

2.17

Splitting

C350-F25-F2

10786

103

2.03

2.32

Splitting

C350-F60-F1

527

14149

135

123

1.81

2.54

Splitting

C350-F60-F2

11578

111

1.65

2.14

Splitting

 

表2.有箍筋圍束鋼筋混凝土拉拔握裹應力試驗結果 (28天齡期)

試體編號

抗壓強度

( kgf/cm2 )

極限荷重

( kgf )

握裹應力

( kgf/cm2 )

平均值

( kgf/cm2 )

自由端
滑移量
( mm )

載重端
滑移量
( mm )

破壞
類型

C210-F00-C1

261

10227

98

107

1.46

2.12

Pullout

C210-F00-C2

12243

117

2.81

3.17

Pullout

C210-F25-C1

247

9342

89

89

2.59

2.82

Pullout

C210-F25-C2

9191

88

2.04

2.54

Pullout

C210-F60-C1

245

11098

106

104

2.21

2.49

Pullout

C210-F60-C2

10632

102

2.58

2.98

Pullout

C280-F00-C1

358

12794

122

115

1.93

3.00

Pullout

C280-F00-C2

11256

108

2.13

2.86

Pullout

C280-F25-C1

309

12484

119

118

1.53

2.01

Pullout

C280-F25-C2

12170

116

2.7

3.23

Pullout

C280-F60-C1

339

15018

144

139

2.79

3.19

Pullout

C280-F60-C2

14125

135

3.28

3.51

Pullout

C350-F00-C1

527

16296

156

156

2.32

2.74

Pullout

C350-F00-C2

16279

156

2.47

2.65

Pullout

C350-F25-C1

571

16043

153

155

2.41

2.69

Pullout

C350-F25-C2

16288

156

2.9

3.61

Pullout

C350-F60-C1

527

18610

178

184

3.7

4.86

Pullout

C350-F60-C2

19805

189

1.89

3.31

Pullout

 

表3.無箍筋圍束鋼筋混凝土拉拔握裹應力試驗結果 (56天齡期)

試體編號

抗壓強度

( kgf/cm2 )

極限荷重

( kgf )

握裹應力

( kgf/cm2 )

平均值

( kgf/cm2 )

自由端
滑移量
( mm )

載重端
滑移量
( mm )

破壞
類型

C210-F00-F1

279

7522

72

71

1.66

2.36

Splitting

C210-F00-F2

7244

69

1.12

1.96

Splitting

C210-F25-F1

281

7289

70

80

1.07

1.17

Splitting

C210-F25-F2

9521

91

0.89

1.13

Splitting

C210-F60-F1

291

10040

96

91

1.85

2.18

Splitting

C210-F60-F2

9032

86

1.17

1.61

Splitting

C280-F00-F1

366

7779

74

74

2.39

3.03

Splitting

C280-F00-F2

7775

74

1.25

2.01

Splitting

C280-F25-F1

373

8791

84

94

2.39

2.56

Splitting

C280-F25-F2

10799

103

1.89

2.34

Splitting

C280-F60-F1

414

11794

113

113

0.95

1.16

Splitting

C280-F60-F2

11790

113

1.31

1.64

Splitting

C350-F00-F1

563

10284

98

98

0.78

2.15

Splitting

C350-F25-F1

631

11044

106

114

0.93

1.35

Splitting

C350-F25-F2

12774

122

1.95

2.45

Splitting

C350-F60-F1

562

13043

125

130

0.6

1.32

Splitting

C350-F60-F2

14055

134

0.88

1.13

Splitting

 

表4.有箍筋圍束鋼筋混凝土拉拔握裹應力試驗結果 (56天齡期)

試體編號

抗壓強度

( kgf/cm2 )

極限荷重

( kgf )

握裹應力

( kgf/cm2 )

平均值

( kgf/cm2 )

自由端
滑移量
( mm )

載重端
滑移量
( mm )

破壞
類型

C210-F00-C1

279

10546

101

91

1.36

2.09

Pullout

C210-F00-C2

8546

82

1.56

2.21

Pullout

C210-F25-C1

281

10999

105

109

1.51

2.27

Pullout

C210-F25-C2

11770

113

1.11

1.61

Pullout

C210-F60-C1

291

13272

127

121

1.95

3.06

Pullout

C210-F60-C2

12035

115

2.55

2.71

Pullout

C280-F00-C1

366

11263

108

107

0.58

1.14

Pullout

C280-F00-C2

11027

105

2.25

2.8

Pullout

C280-F25-C1

373

14529

139

140

2.53

2.9

Pullout

C280-F25-C2

14786

141

2.27

2.79

Pullout

C280-F60-C1

414

17055

163

159

2.44

2.84

Pullout

C280-F60-C2

16271

156

1.25

1.74

Pullout

C350-F00-C1

563

15039

144

144

1.28

1.99

Pullout

C350-F25-C1

631

18010

172

183

2.13

2.53

Pullout

C350-F25-C2

20271

194

1.55

2.88

Pullout

C350-F60-C1

563

21548

206

201

1.28

2.86

Pullout

C350-F60-C2

20548

196

2.88

4.18

Pullout

 

本研究針對不同的飛灰摻量、設計強度及試體齡期,探討高飛灰摻量混凝土與鋼筋間握裹強度的關係,並進行混凝土抗彎、滲透及快速氯離子滲透等試驗,解析高飛灰摻量混凝土的耐久性,藉以研究高飛灰摻量混凝土與鋼筋間的握裹機理。研究結論概述如下:

  1. 解析抗壓強度試驗結果可發現,飛灰有助於增加混凝土的晚期強度,惟隨飛灰摻量的增加,強度成長趨於緩慢,需待更後面的齡期方能表現出理想的強度。
  2. 由鋼筋握裹試驗結果可知,早齡期時(28天以前),無論有無箍筋圍束,握裹應力主要與混凝土抗壓強度有較明確之關係,與飛灰的摻量關係較不明顯;較晚齡期時(28天以後),飛灰提高了混凝土的強度與密度,使得握裹應力明顯增加,尤其在高含量飛灰(60%)的狀態下,不論箍筋有無圍束,此趨勢均相當明顯。
  3. 觀察拉拔握裹試體破壞情形可知,無圍束握裹試體大多出現劈裂破壞,即鋼筋被拉拔的過程中,於鋼筋周圍出現裂縫,造成鋼筋失去與混凝土的握裹應力而破壞;有圍束試體之破壞模式大致呈現鋼筋拔出破壞,且因圍束鋼筋的作用,使得混凝土方塊試體能保持完整,沒有出現碎解的狀況。

本研究將彙整高飛灰摻量混凝土與鋼筋間握裹強度之研究執行過程中的發現,研擬施工綱要規範-高飛灰摻量混凝土建議條文草案及結構混凝土施工規範-高飛灰摻量混凝土建議條文草案,俾供該類混凝土應用於建築用鋼筋混凝土設計之參考。