高溫作用對水庫淤泥輕質骨材混凝土耐久性之影響The ... - 工學院網站

工 程 科 技 與 教 育 學 刊 第 七 卷 第 二 期民 國 九 十 九 年 四 月 第 275~283 頁高 溫 作 用 對 水 庫 淤 泥 輕 質 骨 材 混 凝 土 耐 久 性 之 影 響2.1.王 和 源1 、 張 書 銓2 、 方 聖 棻1 、 黃 文 亮國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 土 木 工 程 與 防 災 科 技 研 究 所國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 工 學 院 機 械 與 精 密 工 程 研 究 所E-mail : f9998@kcg.gov.tw1摘 要本 研 究 係 使 用 台 灣 南 部 水 庫 淤 泥 製 成 之 輕 質 骨 材 , 以 緻 密 配 比 法 中 骨 材 緊 密 堆 積 之 理 論 , 探 討 不 同 顆粒 密 度 之 輕 質 骨 材 及 常 重 骨 材 受 高 溫 作 用 後 對 混 凝 土 的 工 程 性 質 之 影 響 。 高 溫 作 用 後 輕 質 骨 材 混 凝 土(LWC) 仍 然 保 有 較 高 之 抗 壓 強 度 殘 留 率 (56~99%)、 電 阻 值 殘 留 率 (40~93%)、 超 音 波 速 殘 留 率 (45~86%)。 輕 質 骨 材 混 凝 土 對 於 高 溫 度 作 用 、 較 久 的 延 時 及 較 高 水 膠 比 時 則 具 有 較 低 的 抵 抗 硫 酸 鹽 侵 蝕 能 力 ,顯 示 高 溫 作 用 及 硫 酸 鹽 侵 蝕 仍 將 影 響 輕 質 骨 材 混 凝 土 的 耐 久 性 質 。關 鍵 字 : 輕 質 骨 材 混 凝 土 、 高 溫 延 時 、 緻 密 配 比 、 超 音 波The effect of the lightweight aggregate concrete Durability properties fromreservoir Sediment at high temperatureWang Her-Yung 1 , Chang Shu-Chuan 2 , Fang Sheng-Fen 3 , Huang Wen-Liang 3Department of Civil Engineering, National Kaohsiung University of Applied SciencesAbstractIn this research, which used the lightweight aggregate concrete in local reservoir mud and adopted theclosle-packed theory from desified mixture design algorithm? In the meanwhile, it discussed the effect of concreteunder high temperature between the lightweight aggregate with a grain which density 800 and 1600 kg/m 3 and thenormal-weight aggregate. After high temperature, the lightweight aggregate concrete still remained high resistanceof between 56% ~ 99%.the electrical resistant remanent rate was between 40% ~ 93% and the ultrasonic pulsevelocity remanent rate was between 45% ~ 86%.it showed that the lightweight aggregate concrete is thesuperiority quality after high temperature.1. 前 言台 灣 地 區 目 前 大 小 水 庫 計 有 八 十 六 座 , 其 中 南 部 地 區 有 十 六 座 水 庫 均 有 淤 積 , 其 平 均 蓄 水 容 量 減 少 約13%[1]。 而 現 有 重 要 水 庫 中 普 遍 有 淤 積 的 問 題 。 如 能 將 水 庫 中 淤 泥 加 工 製 成 工 程 用 之 輕 質 骨 材 , 則 不 僅 解決 水 庫 蓄 水 的 問 題 , 恢 復 水 庫 原 有 之 蓄 水 功 能 , 更 可 解 決 砂 石 短 缺 的 問 題 。 以 輕 質 骨 材 拌 合 成 輕 質 粒 料 混凝 土 可 減 少 結 構 物 自 重 , 提 升 抗 震 能 力 。 同 時 具 有 優 異 防 火 與 隔 火 性 能 , 此 較 一 般 混 凝 土 構 造 或 鋼 骨 構 造具 備 節 能 與 防 災 功 能 。 有 利 於 高 樓 建 築 、 隔 震 結 構 物 與 節 約 能 約 之 建 築 , 在 達 到 「 均 勻 性 」 及 「 穩 定 性 」的 生 產 模 式 下 , 混 凝 土 品 質 得 以 控 制 , 也 有 助 於 提 升 工 作 品 質 。 由 於 輕 質 混 凝 土 具 有 質 輕 、 高 強 度 、 隔 熱 、©2010 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

高 溫 作 用 對 水 庫 淤 泥 輕 質 骨 材 混 凝 土 耐 久 性 之 影 響 276消 音 、 防 水 、 抗 火 、 耐 久 、 體 積 穩 定 、 施 工 方 便 、 經 濟 等 諸 多 特 性 [2~7]。一 般 混 凝 土 受 高 溫 作 用 後 強 度 折 減 性 質 [8] 及 最 高 作 用 溫 度 延 時 對 混 凝 土 試 體 殘 餘 強 度 之 影 響 [9], 可 了解 混 凝 土 受 高 溫 後 殘 餘 抗 壓 強 度 影 響 之 主 要 因 素 來 自 於 最 高 作 用 溫 度 和 最 高 作 用 溫 度 延 燒 時 間 等 。 混 凝 土受 高 溫 作 用 下 強 度 變 化 之 影 響 主 要 由 水 泥 水 化 物 的 分 解 、 骨 材 的 劣 化 及 水 泥 漿 與 骨 材 間 熱 變 形 差 異 所 導 致的 應 力 集 中 破 壞 等 。 除 了 強 度 變 化 以 外 , 高 溫 作 用 下 也 會 造 成 混 凝 土 如 體 積 變 化 、 開 裂 、 剝 落 或 爆 裂 等 變化 現 象 。2. 試 驗 計 畫2.1 試 驗 變 數 及 材 料本 研 究 採 用 緻 密 配 比 法 , 以 三 種 水 膠 比 為 (0.28、0.32、0.40), 三 種 骨 材 比 重 (0.8、1.6、 常 重 ) 以 及固 定 拌 和 水 量 (170kg/m3), 設 計 9 組 配 比 製 作 圓 柱 試 體 共 385 顆 。 另 外 針 對 火 害 之 部 份 , 固 定 在 28 天 齡期 之 後 以 三 種 溫 度 (250℃、500℃、750℃), 兩 種 延 時 時 間 (60、120 分 鐘 ) 進 行 高 溫 延 燒 , 輕 質 骨 材 物性 及 配 比 如 表 1、2 所 示 。2.2 試 驗 項 目本 研 究 針 對 各 配 比 之 新 拌 性 質 之 量 測 , 高 溫 作 用 前 、 後 , 進 行 混 凝 土 一 般 性 質 檢 測 , 包 括 抗 壓 強 度 量測 、 電 阻 分 析 、 抵 抗 硫 酸 鹽 侵 蝕 試 驗 CNS1167 及 超 音 波 波 速 檢 測 及 分 析 。3.1 新 拌 性 質3. 結 果 與 分 析圖 1 所 示 , 顆 粒 密 度 800 kg/m 3 坍 度 在 265~280mm, 坍 流 度 為 570~630mm; 顆 粒 密 度 1600 kg/m 3 之 坍度 在 275~285mm、 坍 流 度 在 610~670mm。 顯 示 輕 質 混 凝 土 新 拌 性 質 均 能 符 合 坍 度 250±20mm 和 坍 流 度600±50mm 以 上 之 要 求 。 常 重 骨 材 在 低 水 膠 比 下 則 因 膠 結 料 過 多 , 流 度 值 低 於 600mm。3.2 抗 壓 強 度圖 2 為 LWC 之 抗 壓 強 度 在 245~684 kg/cm 2 之 間 , 低 於 控 制 組 41~92%, 輕 質 骨 材 隨 著 顆 粒 密 度 增 加 ,強 度 越 高 。 隨 著 水 膠 比 提 高 , 強 度 越 低 , 降 低 13~25% 之 間 。 輕 質 骨 材 顆 粒 抗 壓 強 度 遠 低 於 一 般 常 重 骨 材 ,水 泥 漿 體 強 度 較 比 重 低 之 輕 質 骨 材 高 , 故 水 泥 漿 體 的 鍵 結 力 亦 影 響 強 度 發 展 。 圖 3 所 示 , 顆 粒 密 度 1600 kg/m 3在 任 何 高 溫 延 時 的 情 況 下 , 其 抗 壓 強 度 殘 留 率 皆 比 控 制 組 優 異 ,750℃ 時 高 出 31~54 kg/cm 2 , 殘 留 率 亦 高 出10~16%。 顯 示 輕 質 骨 材 混 凝 土 殘 餘 抗 壓 強 度 皆 能 沈 進 發 所 述 一 般 混 凝 土 [10] 約 55~227 kg/cm 2 , 強 度 殘 留率 亦 高 達 4~40%, 顯 示 緻 密 配 比 之 輕 質 骨 材 混 凝 土 , 經 過 高 溫 作 用 後 , 皆 能 保 持 甚 高 的 殘 餘 抗 壓 強 度 。3.3 超 音 波 波 速圖 4 所 示 , 超 音 波 速 介 於 1552~3842 m/s 之 間 , 而 輕 質 骨 材 顆 粒 孔 隙 及 界 面 較 多 , 脈 波 傳 遞 時 易 受 干 擾 ,故 波 速 較 常 重 者 為 低 。 水 膠 比 提 高 造 成 水 泥 漿 量 及 水 化 產 物 的 減 少 , 骨 材 與 漿 體 間 之 界 面 較 弱 , 缺 陷 較 多 ,以 致 於 超 音 波 波 速 較 低 。 超 音 波 發 展 趨 勢 與 抗 壓 強 度 相 近 , 水 膠 比 越 低 , 超 音 波 波 速 越 高 。 隨 著 水 膠 比 提高 、 溫 度 升 高 、 顆 粒 密 度 降 低 , 超 音 波 速 皆 降 低 。3.4 表 面 電 阻圖 5 所 示 , 一 般 LWC 之 表 面 電 阻 值 介 於 11.8~21 KΩ-cm。 混 凝 土 耐 久 性 與 混 凝 土 本 身 電 化 學 性 質 有 關 ,電 阻 值 越 高 代 表 有 害 物 質 難 以 滲 入 混 凝 土 中 , 減 少 混 凝 土 劣 化 而 影 響 耐 久 性 的 發 展 。 輕 質 骨 材 顆 粒 密 度 800

277王 和 源 、 張 書 銓 、 方 聖 棻 、 黃 文 亮kg/m 3 容 易 上 浮 , 造 成 高 漿 量 而 降 低 電 阻 值 , 在 28 天 時 較 控 制 組 降 低 4.2~6 KΩ-cm。 輕 質 骨 材 顆 粒 密 度 1600kg/m 3 形 狀 均 勻 , 所 需 漿 量 較 少 , 故 表 面 電 阻 值 略 低 於 控 制 組 (0.1~1.2 KΩ-cm), 而 隨 著 水 膠 比 提 高 , 各組 之 電 阻 值 降 低 約 3.2~5 KΩ-cm(19~23%)。 混 凝 土 受 熱 後 造 成 孔 隙 水 消 散 、 裂 縫 產 生 甚 至 於 結 構 體 破 壞 ,故 表 面 電 阻 值 遠 低 於 常 溫 時 。 受 到 受 熱 溫 度 及 延 時 影 響 , 電 阻 值 亦 不 同 (5~18 KΩ-cm)。 混 凝 土 電 阻 值 在250℃ 延 燒 1 小 時 及 2 小 時 後 降 低 10~30% 左 右 。 低 水 膠 比 之 顆 粒 密 度 1600 kg/m 3 電 阻 值 最 高 , 增 加 約 5~12%。 顆 粒 密 度 800 kg/m3 水 泥 漿 量 多 , 水 化 產 物 消 散 後 微 裂 縫 多 , 故 表 面 電 阻 值 最 差 。 高 溫 500℃ 及 750℃後 電 阻 值 皆 降 低 30~40% 左 右 , 隨 水 膠 比 、 溫 度 提 高 而 降 低 界 面 之 強 度 , 以 致 於 減 低 表 面 電 阻 , 顯 示 高 溫 作用 會 降 低 LWC 的 耐 久 性 。3.5 抗 硫 酸 鹽 侵 蝕 試 驗圖 6 所 示 , 隨 著 試 驗 的 循 環 次 數 增 加 , 重 量 損 失 趨 於 穩 定 。 輕 質 骨 材 顆 粒 密 度 800kg/m 3 在 第 1 循 環 時重 量 損 失 率 大 (-8%)。 顆 粒 密 度 1600 kg/m 3 工 作 度 較 佳 , 添 加 之 水 量 足 夠 提 供 水 化 反 應 用 量 , 內 部 結 構較 緊 密 , 重 量 損 失 率 範 圍 小 (1.59~3.04%), 抗 硫 酸 鹽 侵 蝕 之 能 力 較 佳 。 常 重 骨 材 本 身 堅 硬 , 孔 隙 少 , 受硫 酸 鹽 侵 蝕 變 化 更 小 (1~3%), 顯 示 顆 粒 密 度 大 之 輕 質 骨 材 抗 硫 酸 鹽 侵 蝕 能 力 較 佳 。 輕 質 骨 材 顆 粒 密 度800kg/m 3 在 較 低 之 溫 度 ( 常 溫 及 250℃), 重 量 損 失 率 與 顆 粒 密 度 1600 kg/m 3 相 近 , 重 量 損 失 率 相 差 在 5% 內 。500℃ 後 , 水 化 產 物 消 失 使 顆 粒 密 度 800 kg/m 3 , 重 量 損 失 率 較 顆 粒 密 度 1600 kg/m 3 高 出 7%,750℃後 , 顆 粒 密 度 800 kg/m 3 在 第 3 循 環 後 , 就 無 法 進 行 試 驗 , 顯 示 顆 粒 密 度 大 之 輕 質 骨 材 在 高 溫 作 用 下 之 耐 侵蝕 能 力 較 佳 , 而 輕 質 骨 材 重 量 損 失 較 常 重 骨 材 大 。 常 重 骨 材 之 重 量 損 失 率 皆 為 三 者 之 中 最 小 , 重 量 損 失 率在 6~ -11% 之 間 。 輕 質 骨 材 顆 粒 內 部 孔 隙 多 、 密 度 小 , 拌 合 時 需 使 用 較 多 之 卜 作 嵐 材 料 平 衡 上 浮 之 情 形 。在 高 溫 作 用 下 , 卜 作 嵐 材 料 將 隨 溫 度 上 升 而 萎 縮 、 消 失 , 試 體 內 部 結 構 微 裂 縫 較 多 、 鬆 散 , 提 供 管 道 讓 硫酸 鹽 侵 蝕 , 故 輕 質 骨 材 重 量 損 失 較 常 重 骨 材 大 。4. 結 論1、 顆 粒 密 度 800 kg/m 3 坍 度 在 265~280 mm, 坍 流 度 為 570~630 mm 之 間 。 顆 粒 密 度 1600 kg/m 3 坍 度 在275~285 mm、 坍 流 度 在 610~670 mm 之 間 , 輕 質 骨 材 混 凝 土 使 用 緻 密 配 比 後 , 均 達 到 堆 積 緻 密 及 高流 動 性 之 效 果 。2、 輕 質 骨 材 比 重 越 大 , 抗 壓 強 度 越 趨 近 於 常 重 骨 材 , 顆 粒 密 度 1600kg/m 3 在 任 何 高 溫 延 時 的 情 況 下 , 其 抗壓 強 度 殘 留 率 皆 比 常 重 骨 材 優 異 , 在 750℃ 時 高 出 31~54 kg/cm 2 , 殘 留 率 亦 高 出 10~16%; 殘 餘 抗 壓 強度 亦 超 過 文 獻 值 55~227 kg/cm 2 (4~40%)。3、 輕 質 骨 材 在 28 天 時 超 音 波 速 皆 低 於 常 重 骨 材 (86~92%)。 水 膠 比 提 高 , 超 音 波 波 速 降 低 約 349~399m/s(8~10%)。4、 高 溫 作 用 後 顆 粒 密 度 1600 kg/m 3 之 低 水 膠 比 時 有 較 高 之 電 阻 值 (5~12%),500℃ 之 後 , 皆 降 低 30~40% 左 右 , 並 隨 水 膠 比 提 高 而 下 降 , 且 電 阻 反 應 效 果 不 佳 , 已 無 阻 止 電 流 通 過 之 能 力 。5、 高 溫 作 用 後 輕 質 骨 材 混 凝 土 其 初 始 溫 度 散 熱 的 速 度 最 快 ( 較 常 重 骨 材 低 2~9℃), 高 溫 作 用 之 溫 度 越 高 、延 時 越 久 之 試 體 越 明 顯 。 輕 質 骨 材 本 身 熱 傳 導 係 數 較 低 , 溫 度 喪 失 時 會 由 於 骨 材 位 置 而 造 成 溫 差 的 現 象 。6、 高 溫 作 用 下 輕 質 骨 材 受 侵 蝕 後 , 試 體 呈 現 整 體 的 崩 解 、 剝 落 。 此 在 溫 度 越 高 時 越 明 顯 。 經 過 高 溫 作 用 之輕 質 骨 材 , 隨 著 水 化 產 物 消 失 、 萎 縮 而 易 造 成 硫 酸 鹽 侵 蝕 。

高 溫 作 用 對 水 庫 淤 泥 輕 質 骨 材 混 凝 土 耐 久 性 之 影 響 278參 考 文 獻[1] 林 襟 江 ,「 台 灣 地 區 水 庫 淤 積 浚 渫 面 面 觀 」, 水 庫 淤 積 浚 渫 工 程 研 討 會 , 台 中 (2002)。[2] 顏 聰 ,「 輕 質 混 凝 土 的 隔 熱 性 能 與 能 源 節 約 」, 營 建 知 訊 ,120, 台 灣 營 建 研 究 中 心 , 台 北 (1992)。[3] Zhang,M-H and O.E. Gjorv, ”Characteristics of Lightweight Aggregate for High-strength Concrete”, ACI MaterialJournal,pp.150-158.(1991).[4] Nilsen,A.U.,and P.C.Aitcin, ”Properties of High-strength Lightweight Concrete Containing Light-, Normal-, and HeavyweightAggregate”, Cement, Concrete, and Aggregates, CCAGDP ,Vol.14,No.1,pp.8-12. (1992).[5] 中 國 國 家 標 準 ,” 結 構 用 之 輕 質 骨 材 ”,CNS 3691 A2046, 民 國 87 年 。[6] M.N.Hague, H.AI.Khaiat, O.Kayali, “Strength and Durability of Lightweight Concrete”, Cement and ConcreteComposites, Vol.26, Issue: 4, May, 2004, pp.307-314.[7] Joao A. Rossignolo, Marcos V.C.Agensini, Jerusa A. Morais, 2003, “Properties of high-performance LWAC for precaststructures with Brazilian lightweight aggregates ”, Cement and Concrete Composites, Vol.25, pp.77-82.[8] 張 正 平 ,「 高 強 度 混 凝 土 受 高 溫 後 之 性 質 」, 碩 士 論 文 , 國 立 交 通 大 學 土 木 工 程 系 , 新 竹 (1996)。[9] Mohamedbhai,G.T.G., “Effect of exposure time and rates of heating and cooling on residual strength of heated concrete”,Magazine of Concrete Research ,Vol. 38 , No. 136 , pp.151-158(1986).[10] 沈 進 發 、 陳 舜 田 ,「 高 溫 造 成 混 凝 土 材 料 性 質 改 變 及 火 場 溫 度 推 估 法 」, 建 築 物 火 害 及 災 後 安 全 評 估 法 研 討 會 論文 集 , 台 北 , 台 灣 科 技 大 學 ,pp.71-99。

279王 和 源 、 張 書 銓 、 方 聖 棻 、 黃 文 亮表 1 輕 質 骨 材 基 本 性 質性 質比 重30min吸 水 率60min吸 水 率浮 粒 率最 大 粒徑細 度 模 數 筒 壓 強 度 乾 搗 單 位 重單 位 - % % % in - MPa Kg/m 3水 庫 淤 泥 輕質 骨 材 (I)水 庫 淤 泥 輕質 骨 材 (II)說 明0.84 4.7 7.8 92 1/2” 6.65 7.6 5081.61 3.6 6.5 8 3/8” 6.50 16 826水 庫 淤 泥 輕 質 骨 材 (I) 密 度 統 稱 為 800 Kg/m 3 等 級 。水 庫 淤 泥 輕 質 骨 材 (II) 密 度 統 稱 為 1600 Kg/m 3 等 級 。表 2 輕 質 骨 材 高 性 能 混 凝 土 配 比 表單 位 :kg/m 3編 號W/B膠 結 料 骨 材 總 拌 和 水水 泥 爐 石 粉 飛 灰 粗 骨 材 砂 水 強 塑 劑LWC08LWC16NWC0.28 493 26 88 315 646 158 120.32 418 22 91 327 671 160 100.40 312 16 96 344 706 163 70.28 478 25 104 529 760 154 160.32 403 20 108 550 789 156 140.40 296 16 113 578 830 158 120.28 512 27 68 1058 501 155 150.32 437 23 71 1098 520 158 120.40 333 17 75 1155 547 162 8備 註 :LWC08~LWC16 之 粗 骨 材 為 輕 質 骨 材NWC 之 粗 骨 材 為 常 重 骨 材

高 溫 作 用 對 水 庫 淤 泥 輕 質 骨 材 混 凝 土 耐 久 性 之 影 響 280Slump (mm)300295290285280275270265260255250LWC08 LWC16 NWCW/B = 0.28W/B = 0.32W/B = 0.36Slump flow (mm)700680660640620600580560540520500LWC08 LWC16 NWCW/B = 0.28W/B = 0.32W/B = 0.36圖 1 新 拌 輕 質 骨 材 混 凝 土 之 坍 度 、 坍 流 度 變 化

281王 和 源 、 張 書 銓 、 方 聖 棻 、 黃 文 亮70LWC08LWC16NWCCompressive Strength (MPa)60504030201000.28 0.32 0.4 0.28 0.32 0.4 0.28 0.32 0.4W/B圖 2 不 同 水 膠 比 及 單 位 重 輕 質 骨 材 混 凝 土 之 抗 壓 強 度 變 化60025 250-1hr 500-1hr 750-1hr250-2hr 500-2hr 750-2hr550Compressive Strength (kg/cm 2 )5004504003503002502001501001.6-0.28 1.6-0.32 1.6-0.4D -W/B圖 3 顆 粒 密 度 1600kg/m 3 輕 質 骨 材 混 凝 土 之 抗 壓 強 度

高 溫 作 用 對 水 庫 淤 泥 輕 質 骨 材 混 凝 土 耐 久 性 之 影 響 282400038003600340025 250-1hr 500-1hr250-2hr 500-2hr4000380036003400750-1hr750-2hr4000380036003400Pluse Velocity (m/s)320030002800260024002200200032003000280026002400220020003200300028002600240022002000180018001800160016001600140014000.8-0.28 0.8-0.32 0.8-0.4014001.6-0.28 1.6-0.32 1.6-0.40D -W/BN-0.28 N-0.32 N-0.40圖 4 高 溫 作 用 之 輕 質 骨 材 混 凝 土 超 音 波 速 值Concrete Resistivity (KΩ -cm)222120191817161514131211109876540.8-0.28 1.6-0.28 N-0.2825 250-1hr 500-1hr250-2hr 500-2hr222120191817161514131211109876540.8-0.32 1.6-0.32 N-0.32D -W/B22212019181716151413121110987654750-1hr750-2hr0.8-0.40 1.6-0.40 N-0.40圖 5 溫 度 變 化 對 輕 質 骨 材 混 凝 土 在 不 同 骨 材 密 度 下 之 表 面 電 阻

283王 和 源 、 張 書 銓 、 方 聖 棻 、 黃 文 亮800-0.281600-0.28N-0.2864225-1h0-2250-1h1 2 3 4 50-2500-1h1 2 3 4 50-2750-1h1 2 3 4 5CycleLoss Weight(%)0-2-4-6-8-10-12-14-16-18-41 2 3 4 5-6-8-10-12-14-16-18-4-6-8-10-12-14-16-18-4-6-8-10-12-14-16-18-20-20-20-20圖 6 各 溫 度 下 不 同 骨 材 比 重 混 凝 土 之 抗 硫 酸 鹽 試 驗 重 量 損 失 (W/B=0.28)