臺灣博碩士論文加值系統

工程纖維增強水泥質複合材料ECC ( Engineered Cementitious
Composites )，是近幾年來由美國密西根大學ACE-MRL 所研究發展出
來的一種水泥質複合材料，利用大量的PVA 纖維來增強環保水泥質複
合材料，其力學性質並非強調在高強度，而是擁有高變形的能力。透
過纖維、漿體、握裹介面等三方面的參數關係，採用微結構與最佳化
設計理論，纖維體積含量可減低至2%~3%，大幅降低纖維成本，而當
飽和多重裂縫形成時，裂縫間的間距小於3 mm，抗拉應變容量可至
3~6%，大幅提升了耐久性，延長了材料和結構的壽命。
高爐石粉為卜作嵐材料，為一貫作業煉鋼廠在煉鐵過程所生產之
副產物，高爐石若以水淬方式冷卻，可具有潛在之水硬性，研磨成細
粉添加於混凝土中會產生卜作嵐反應，而增加混凝土之晚期強度，降
低水合熱，並使混凝土更加緻密，增進其抗硫酸鹽侵蝕、抗鹼骨材反
應的能力，以提高耐久性。高爐石粉之應用不但可提升混凝土之品質，充分有效利用廢料資源，節省水泥之耗費，並可避免往昔未妥善利用高爐石粉時，亂加棄置所造成之環境污染問題。
本研究即運用研磨細度達4000 cm2/g 之高爐石粉加上ECC 新型材
料的研發技術，研究兩者複合的結果與影響，研究包括爐石粉對於ECC力學行為的影響，探討在抗壓強度，抗彎歷程的行為以及韌性貢獻上的多寡。

致謝 ............................... 一
摘要 ............................... 三
目錄 ............................... 四
表目錄...............................七
圖目錄 ............................. 九
照片目錄 ........................... 一二
第一章 緒論 ......................... 1
1.1 前言 ............................ 1
1.2 研究動機與目的 .................. 2
1.3 研究範圍與內容 .................. 3
第二章 文獻回顧 ..................... 5
2.1 卜作嵐材料 ...................... 5
2.1.1 高爐石粉 ...................... 6
2.1.1.1 爐石的來源 .................. 6
2.1.1.2 爐石的製造與分類 ............ 7
2.1.1.3 高爐石的成份與性質 .......... 9
2.1.1.4 高爐石對界面強度之影響 .......10
2.1.1.5 高爐石對混凝土性質之影響 .... 12
2.1.2 飛灰 .......................... 13
2.1.3 矽灰 .......................... 14
2.2 高性能混凝土發展趨勢 ............ 16
2.2.1 高韌性混凝土發展與分類 ........ 16
2.2.2 纖維混凝土 .................... 18
2.3 ECC ............................. 21
2.3.1 ECC 簡介 ...................... 21
2.3.2 ECC 之結構機理 ................ 22
2.3.2.1 擬應變硬化（Pseudo Strain-Hardening） ........ 22
2.3.2.2 多重裂縫（Multiple Cracking） 23
2.3.3 纖維增韌機制 .................. 24
2.3.4 工程上的發展與應用 ............ 27
2.3.5 工程實例 ...................... 28
2.3.6 未來展望 ...................... 29
2.4 試驗規定及規範 .................. 32
2.4.1 抗壓試驗 ...................... 32
2.4.2 抗彎試驗 ...................... 33
2.4.2.1 韌性指數（Toughness Index，I) 34
2.4.2.2 殘餘強度因子 ................ 35
2.4.2.3 破裂模數 .................... 35
2.4.2.4 延性指數 .................... 36
第三章 試驗計畫 ......................37
3.1 試驗背景 ........................ 37
3.2 試驗流程 ........................ 37
3.3 試驗材料 ........................ 38
3.4 試驗儀器設備 .................... 39
3.4.1 ECC 製程部分 .................. 39
3.4.2 試驗部分所需之儀器 ............ 40
3.5 試驗配比 ........................ 41
3.6 試驗變數與試體尺寸 .............. 41
3.6.1 變數 .......................... 41
3.6.2 尺寸 .......................... 42
3.7 試體製程 ........................ 42
3.7.1 拌合程序 ...................... 42
3.7.2 試體灌製 ...................... 43
3.7.3 養護流程 ...................... 43
3.8 試驗內容與方法 .................. 43
3.8.1 抗壓試驗 ...................... 43
3.8.2 抗彎試驗 ...................... 44
3.8.3 MTS 試驗方法 .................. 45
第四章 結果與討論 ................... 46
4.1 前言 ............................ 46
4.2 拌合 ............................ 47
4.3 基本力學性能試驗 ................ 47
4.3.1 抗壓試驗 ...................... 47
4.3.2 抗壓強度 ...................... 49
4.3.3 抗彎試驗 ...................... 50
4.3.4 抗彎強度 ...................... 51
4.3.5 抗彎歷程 ...................... 51
4.4 韌性行為表現 .................... 52
4.5 殘餘強度因子 .................... 53
4.6 裂縫觀察 ........................ 54
4.7 裂縫密度與能量的關係 ............ 56
4.8 臨界纖維含量計算 ................ 56
第五章 結論與建議 ................... 59
5.1 結論 ............................ 59
5.2 建議 ............................ 61
參考文獻 ............................ 65
表2.1 ACI 對高性能混凝土的性能要求 ......... 71
表2.2 水泥質材料性質 ....................... 71
表2.3 工程用纖維種類與基本性質 ............. 72
表2.4 各種纖維混凝土結構性質 ............... 72
表2.5 多重裂縫之對策與方法 ................. 73
表3.1 台泥I 型水泥化學成分 ................. 73
表3.2 台泥I 型水泥物理性質 ................. 74
表3.3 中聯高爐石粉基本物理與化學性質 ....... 75
表3.4 大安溪細骨材之篩分析與物理性質 ....... 76
表3.5 PVA 纖維性質 ......................... 76
表3.6 強塑劑性質 ........................... 77
表3.7 配比表(重量比) ....................... 77
表4.1 ECC 圓柱試體之平均抗壓強度 ........... 78
表4.2 抗彎試體單向加載之極限抗彎強度與破裂模數 78
表4.3 抗彎試體之韌性指數 ................... 79
表4.4 殘餘強度因子 ......................... 79
表4.5 各試體開裂模式 ....................... 80
表4.6 各試體裂縫密度-齡期28 天 ............. 80
表4.7 各數據綜合比較-齡期28 天 ............. 81
表4.8 式2-4 中各參數的值 ................... 81
表4.9 f 與g 值對應表 ....................... 81
表4.10 臨界纖維含量與Jc 和τ之關係表(g=1.5) . 82
表4.11 臨界纖維含量與Jc 和τ之關係表(g=1.95) 82
圖2.1 各種鋼鐵爐石之CaO-SiO2-Al2O3 三向圖 .. 83
圖2.2 爐石之分類 ........................... 85
圖2.7 無纖維與纖維混凝土受撓曲時之開裂情形 . 86
圖2.8 纖維與漿體破壞時能量吸收機理 ......... 86
圖2.9 纖維受拉拔時因蒲松比而在側向產生體積收縮 87
圖2.10 典型ECC 抗拉應力應變曲線 ............ 87
圖2.11 材料組成與複合材料間的關係係 ........ 88
圖2.12 應力應變行為的比較 .................. 88
圖2.13 應變硬化複合材料的σ(δ)曲線 .......... 89
圖2.14 穩態開裂(Steady-State Crack)分析圖 .. 89
圖2.15 ECC 加勁梁拉力區之斷面設計圖 ........ 90
圖2.16 ECC 加勁梁之彎矩-裂縫寬度關係 ....... 90
圖2.17 漿體韌度與介面握裹力對臨界纖維含量的影響 91
圖2.18 ECC 受撓曲下之多重裂縫示意圖 ........ 91
圖2.19 ECC 與一般混凝土的抗壓應力應變圖 .... 92
圖2.20 韌性指數 ............................ 93
圖2.21 完全彈塑性材料EPP ................... 93
圖2.22 破裂模數(M.O.R.) .................... 94
圖2.23 ISMD 觀念圖 ......................... 94
圖2.24 延性指數，μ ......................... 95
圖2.25 s/c 與w/c 對於Km 的影響 ............. 95
圖2.26 單一纖維拉拔試驗 .................... 96
圖2.27 破壞能Gd 對J''b 的影響 ............... 96
圖2.28 ECC 梁柱接頭塑鉸能量吸收 ............ 97
圖2.29 纖維與拉拔方向不平行時之拉拔狀況示意圖之一 97
圖2.30 纖維與拉拔方向不平行時之拉拔狀況示意圖之二 98
圖3.1 試驗流程圖 ........................... 99
圖3.2 細骨材篩分析曲線 ..................... 100
圖3.3 三分點抗彎試驗剪力、彎矩以及曲率分佈圖 100
圖3.4 三分點抗彎試驗架構 ................... 101
圖4.1 圓柱試體抗壓強度發展 ................. 102
圖4.2 S45 二十八天抗壓應力應變圖 ........... 102
圖4.3 齡期對破裂模數的影響 ................. 103
圖4.4 爐石0%取代之抗彎歷程-齡期14 天 ....... 103
圖4.5 爐石0%取代之抗彎歷程-齡期28 天 ....... 104
圖4.6 爐石25%取代之抗彎歷程-齡期14 天 ...... 104
圖4.7 爐石25%取代之抗彎歷程-齡期28 天 ...... 105
圖4.8 爐石45%取代之抗彎歷程-齡期14 天 ...... 105
圖4.9 爐石45%取代之抗彎歷程-齡期28 天 ...... 106
圖4.10 抗彎歷程的比較-齡期14 天 ............ 106
圖4.11 抗彎歷程的比較-齡期28 天 ............ 107
圖4.12 RPC 鋼纖維混凝土抗彎歷程............. 107
圖4.13 十四天齡期韌性指數比較 .............. 108
圖4.14 二十八天齡期韌性指數比較 ............ 108
圖4.15 韌性指數綜合比較 .................... 109
圖4.16 十四天齡期殘餘強度因子比較 .......... 109
圖4.17 二十八天齡期殘餘強度因子比較 ........ 110
圖4.18 殘餘強度因子綜合比較 ................ 110
圖4.19 裂縫密度與破裂模數、韌性指數、殘餘強度因子的關係圖111
圖4.20 臨界纖維含量與Jc 和τ之關係圖(g=1.5) . 111
圖4.21 臨界纖維含量與Jc 和τ之關係圖(g=1.95). 112
照片2.1 非連續性的聚丙烯醇短纖維 ........... 113
照片2.2 連續性的聚乙烯醇纖維網 ............. 113
照片2.3 ECC 承受彎矩情形 ................... 114
照片2.4 美國密西根橋面版使用ECC 補強之性質...114
照片2.5 日本Mitaka 水壩使用ECC 修補 .........115
照片2.6 日本北海道Bihara 橋橋面版鋪設ECC ... 115
照片2.7 日本東京住宅連結樑（R/ECC） ........ 116
照片2.8 美國密西根橋橋面版更新 ............. 116
照片2.9 梁柱接頭塑鉸區 ..................... 117
照片3.1 爐石粉 ............................. 117
照片3.2 PVA 纖維 ........................... 118
照片3.3 中型拌合機 ......................... 118
照片3.4 抗壓試體模具 ....................... 119
照片3.5 抗彎試體壓克力模具 ................. 119
照片3.6 震動台 ............................. 120
照片3.7 搖篩機 ............................. 120
照片3.8 MTS 萬能試驗機 ..................... 121
照片3.9 MTS 控制箱 ......................... 121
照片3.10 TDS 資料收集器 .................... 122
照片3.11 電阻式變位計(LVDT) ................ 122
照片3.12 應變計 ............................ 123
照片3.13 抗彎試驗架設情形 .................. 123
照片4.1 圓柱抗壓試體破壞情形 ............... 124
照片4.2 S0 單向加載下之破壞情形 ............ 124
照片4.3 S25 單向加載下之破壞情形 ........... 125
照片4.4 S45 單向加載下之破壞情形 ........... 125
照片5.1 抗拉試體 ........................... 126
照片5.2 抗拉試驗架設 ....................... 126
照片5.3 抗拉試體破壞情形 ................... 127
照片5.4 RPC 加勁ECC 試體 ................... 127
照片5.5 RPC 加勁ECC 試體破壞情形 ........... 128
照片5.6 鋼絲網加勁ECC 試體與黏貼橡膠軟墊 ... 128
照片5.7 鋼絲網加勁ECC 試體破壞情形 ......... 129

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