第一卷 第八期 - 2007年十月十二日
高溫後混凝土受壓應力-應變關係
姚昭智

國立成功大學建築研究所 gcyao@mail.ncku.edu.tw
Cement and Concrete Research, Vol. 36, No.10, pp.1999-2005, Oct., 2006

害建築物的諸多災害中,火災是發生頻率最為頻繁的一種。根據內政部所公佈的資料,過去10年來,台灣每天發生約40件的火災。不論是從安全或者從經濟的角度切入,遭受火害之建築物並不全然都需要拆除重建, 在經過適當之修復、補強後多可安全地恢復使用。

然而,在高溫作用下,混凝土會發生水分蒸發、水泥砂漿失水收縮、粗骨材受熱膨脹破裂、砂漿與粗骨材之熱變形量不一致等情形,造成高溫後強度與彈性模數降低,材料性能受到折損。因此,為了對火害後鋼筋混凝土建築物作精確地安全評估與有效、經濟的補強設計,使之仍能滿足耐震性能之要求,就必須先確切掌握高溫後混凝土材料之力學性質, 如: 殘餘強度、彈性模數、應力—應變曲線關係等,才能確定火害後混凝土構件之損傷狀況與殘餘耐震能力。

以往,國內對高溫後混凝土力學性能之研究也相當重視而有些成果。然而在高溫後混凝土受壓應力-應變全曲線之試驗研究中,限於量測或加壓設備,部份學者未架設應變環,直接以試體上下端之相對變形量來計算應變;部份學者雖有架設應變環,但採用應力控制加壓而只得到曲線之上升段。這些都與常溫下混凝土受壓應力-應變全曲線試驗之量測或加壓方式不同,而難以整合。

國外對高溫後混凝土之力學性能試驗雖有不少研究,但由於不同國家或不同學者所用之試體材料、尺寸與試驗方法等有所差異,使得試驗成果難以直接定量比較;至於高溫後混凝土應力-應變全曲線之試驗研究則不多見。

圖1 抗壓試驗
圖2 劈裂試驗
有鑑於此,本研究採用的試體為直徑15cm、高度30cm之標準混凝土圓柱試體,粗骨材為台灣常見之矽質骨材, 水泥則為波特蘭第I 型水泥。試體先在無預壓力條件下加熱到100至800℃均溫間,待自然冷卻後於室內靜置一個月,再進行高溫後混凝土的材料試驗。試驗共分二個部份:第一部分係在試體架設應變環,並採用位移控制的方式進行單軸抗壓試驗,以測得高溫後混凝土之全程受壓應力—應變曲線,實際之試驗裝置如圖1所示;第二部分則進行劈裂試驗,測得高溫後混凝土之劈裂抗拉強度,實際之試驗裝置如圖2示。由於本研究之試體尺寸、加載條件及應變量測設備均與常溫下之試驗相同,故可將試驗結果整合為適用於常溫與無預壓力加熱後之相關公式。

圖3 高溫後混凝土應力-應變之曲線特性
高溫作用後,除了受壓應力-應變曲線之特徵參數( 強度、峰值應變、彈性模數) 發生重大改變之外,全曲線的形狀也隨著試體溫度的升高而不斷地變化,大致規律如圖3所示。與常溫未加熱混凝土之應力—應變曲線互相比較,曲線之形狀存在明顯的差異,可用座標原點處之初始切線彈性模數(Eo )與最大強度處之割線彈性模數(Ep )間的關係作說明:常溫時,Eo 高於Ep ,而後隨著試體溫度的升高,兩者的差異會逐漸減少,當溫度超過600℃時Eo 則會低於Ep ,這是因為試體在高溫作用後所產生的裂縫,在加壓時這些裂縫會先閉合,造成Eo 低於Ep 之上凹曲線。此外,隨著試體溫度之升高,應力-應變曲線之下降段則愈趨平緩。

根據單軸抗壓試驗與劈裂試驗的結果,混凝土受高溫作用後,依材料性能折損之大小程度,依序為:彈性模數、抗拉強度、抗壓強度。最後, 本研究除了合理迴歸出高溫後混凝土的殘餘抗壓強度、峰值應變、彈性模數與抗拉強度等力學性能之預測公式外,並提出可適用於常溫下與高溫後混凝土之受壓應力-應變全曲線單一公式,並與與試驗曲線比對,如圖4所示,結果相當吻合。
圖4 強度40MPa混凝土高溫後受壓應力-應變曲線之預測結果
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