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建築研究簡訊第107期 《業務報導》

卜作嵐摻料對再生混凝土與鋼筋間界面作用機理探討

       摻加飛灰及爐石等卜作嵐材料有助於混凝土晚期抗壓強度的提升及其耐久性的表現,且摻加卜作嵐材料也可減少混凝土的泌水現象,改善混凝土與鋼筋間界面的品質,增加混凝土的握裹強度,不過摻加大量卜作嵐材料的再生骨材混凝土與鋼筋間界面作用機理尚未被完整探討,特別是再生骨材的表面孔隙量多、吸水量大,加上卜作嵐材料的作用,使再生骨材混凝土與鋼筋間界面的作用機理趨於複雜,有必要針對該界面之巨觀及微觀行為進行探討。

       基於上述概念,本研究製作摻加飛灰及爐石卜作嵐材料(取代水泥重量之0%、30%、45%、60%)之(使用碎化後混凝土塊)再生骨材混凝土及傳統骨材混凝土,進行巨觀的鋼筋拉拔試驗及微觀的界面觀測,解析卜作嵐摻料對再生骨材混凝土與鋼筋間界面作用機理。由本研究結果可知,整體而言,無摻加卜作嵐材料(控制組)之傳統骨材混凝土及摻有爐石之傳統骨材混凝土,7天齡期之抗壓強度較摻加飛灰之傳統骨材混凝土高,前二者7天抗壓強度均已超過200kgf/cm2,28天抗壓強度亦達到設計強度(280kgf/cm2)的要求。另外,用爐石取代30%、45%及60%水泥重量之傳統骨材混凝土,其28天抗壓強度分別為394kgf/cm2、422kgf/cm2及434kgf/cm2,相較無摻加卜作嵐材料之傳統骨材混凝土28天抗壓強度295kgf/cm2,明顯高出許多,本研究結果可協助業者研發高抗壓強度混凝土。

       圖1及圖2所示為鋼筋拉拔試驗結果,從圖中可發現7天齡期時,混凝土的握裹強度均未隨添加飛灰而有明顯提升的現象,這是由於飛灰早期的卜作嵐反應尚未完全進行,因此對混凝土與鋼筋間的握裹強度幫助較小;齡期28天時,飛灰的卜作嵐反應開始進行,混凝土整體的握裹強度略為提升;齡期56天時,摻加60%飛灰之混凝土雖較45%飛灰之混凝土略低,但其握裹強度仍大於無添加卜作嵐摻料之混凝土(控制組)。比較爐石摻量的影響可知,7天齡期時,摻加45%及60%爐石之混凝土握裹強度有明顯高於控制組的現象,這是由於爐石具有部分水化反應的性質,可在早齡期時提供混凝土強度,增加混凝土的握裹強度,晚齡期又可進行卜作嵐反應,因此摻加混凝土與鋼筋間的握裹強度比摻加飛灰的混凝土高。整體而言,56天齡期時,兩種摻有卜作嵐材料的混凝土之握裹強度有接近的趨勢。

 

圖1傳統骨材混凝土握裹強度

 

 

圖2再生骨材混凝土握裹強度

 

編號說明:N為傳統骨材混凝土、R為再生骨材混凝土、280為混凝土28天設計強度280kgf/cm2、F30為飛灰摻量30%(其餘推)、S30為爐石摻量30%(其餘推)。

       另觀察鋼筋拉拔試體破壞情形,如圖3至圖5所示。從圖中可看出兩種混凝土的鋼筋拉拔試體均出現劈裂破壞,即鋼筋被拉拔的過程中,混凝土於鋼筋周圍出現裂縫,造成鋼筋失去與混凝土的握裹強度而破壞。隨齡期及卜作嵐材料摻量的增加,劈裂裂縫的寬度及長度有增加的趨勢,係因卜作嵐材料進行卜作嵐反應,提升混凝土晚期抗壓強度,使劈裂破壞趨於脆性所致。

 

       此外,本研究利用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀測混凝土與鋼筋間界面的微觀結構,探討再生骨材及卜作嵐材料對界面的影響。一般而言,混凝土與鋼筋間界面的氫氧化鈣含量較高、孔隙量多,不利於鋼筋握裹強度的表現。觀測結果顯示,齡期28天時,隨飛灰及爐石摻量的增加,界面的氫氧化鈣數目逐漸減少,惟高飛灰摻量者於56天齡期時仍有未反應之飛灰顆粒(圖6及圖7),可知需更晚齡期方可將剩餘飛灰反應完成;摻加爐石之混凝土於齡期28天時所含氫氧化鈣數目已明顯減少,而齡期56天時所剩為數甚少之氫氧化鈣周圍已被大量的C-S-H膠體包圍(圖8),可知混凝土與鋼筋間界面的品質獲得理想的改善,可提昇混凝土的鋼筋握裹強度,進而可望縮短鋼筋於混凝土內的埋置深度。

 

 

結論:

       由試驗結果可知,28天齡期,用爐石取代30%、45%及60%水泥重量之傳統骨材混凝土抗壓強度已分別達394kgf/cm2、422kgf/cm2及434kgf/cm2,比無摻加卜作嵐材料之傳統骨材混凝土28天抗壓強度295kgf/cm2高出許多;56天齡期時,摻加爐石或飛灰卜作嵐材料之傳統骨材混凝土或再生骨材混凝土之鋼筋握裹強度,均較無摻加卜作嵐材料之傳統骨材混凝土或再生骨材混凝土鋼筋握裹強度高出20%至45%。本研究結果可協助研發高抗壓強度混凝土及研訂縮短鋼筋於混凝土內的埋置長度。