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研究生:羅國倫
研究生(外文):Kuo-Luen Lo
論文名稱:火害後自充填混凝土複合纖維圍束補強之研究
論文名稱(外文):Study of Fire Damaged Self-Compacting Concrete and Strengthened with Composite Fiber Confinement
指導教授:趙文成趙文成引用關係
指導教授(外文):Wen-Chen Jau
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:108
中文關鍵詞:自充填混凝土火害補強碳纖維玻璃纖維圍束
外文關鍵詞:Self-Compacting Concretefire damagerepairingcarbon fiberglass fiberconfinement
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自充填混凝土乃屬較新的材料,且應用日廣,而據消防暑之統計,近年火災有快速增加的趨勢,故火害後自充填混凝土之力學行為就顯得相當重要。而複合纖維補強為現今較常用的補強方法,因此本研究除探討自充填混凝土強度與火害溫度之關係外,並針對火害後的試體經纖維補強後的強度回復做一系列的試驗,探討纖維圍束對火害後試體的補強關係。
本研究主要目的第一為探討自充填混凝土在遭受火害後,其殘餘強度、殘餘應變等力學性質的變化,由實驗數據迴歸一近似的關係式,並與前人所做的研究成果相比較,評估其合理與否。第二是將火害後的試體予以包覆纖維補強,使混凝土試體的殘餘強度能夠回復原先的強度。實驗所模擬的火害延燒時間為0.5小時、1.0小時、1.5小時、2.0小時、2.5小時、3.0小時等六段;最後再找出圍束效應與試體殘餘強度的關係性,作為結構物補強的最佳參考。由實驗結果得知,(1) SCC與OPC在相同設計強度,若受相同火害溫度,會有類似的火害後強度折損,亦即,SCC受火害後的強度折減,並不會比OPC來的嚴重。(2) 常溫下不同設計強度的纖維補強試體,相同纖維層數圍束下,強度愈低,所產生的圍束力有較高的現象。(3) 以10cm×20cm的火害試體做纖維包覆補強而言對於中強度210kg/cm2 系列的試體皆能回復原強度,但對420kg/cm2系列試體則未皆能回復原強度,欲補強至原強度,則需做更多層的纖維補強。(4)本研究所推導之分析公式計算值與實驗值結果相差無幾。
Self-Compacting Concrete is a new material, and is widely used in these days. According to the statistics of Fire Administration, the occurrence of fires has been increasing in a fast trend. The mechanic behavior of self-compacting concrete after the fire damage is thus very important. The composite fiber confinement is used to repair concrete strength recently. The objective of this research also studying the relationship of strength and fire temperature of self-compacting concrete, and Self-Compacting Concrete strengthening with composite fiber is also investigated.
The SCC specimens was fired exposed to different high temperatures. The temperature rice follows ASTM E119 and the test times are 0.5 ,1.0 ,1.5 ,2.0 ,2.5 ,3.0 hours. The result can be used practice engineers to determine the method and materials to be used for strengthening. From the test results, it is found that (1)the residual strength of OPC and SCC after fire is about the same,(2)the effectiveness of fiber strengthening is better for lower strength concrete,(3)the strengthening of fire damaged concrete can recover to its original strength for 210 kgf/cm2 concrete specimens with only one layer of composite . However , for 420 kgf/cm2 concrete , it may need 2 or more layers to recover its strength and (4)the empirical equation agree well with the test data.
KEY: Self-Compacting Concrete、fire damage、repairing、carbon fiber、glass fiber、confinement
目 錄
頁次
中文摘要 ……………………………………………………………… Ⅰ
英文摘要 ……………………………………………………………… Ⅱ
誌謝 ……………………………………………………………… Ⅲ
目錄 ……………………………………………………………… Ⅴ
表目錄 ……………………………………………………………… Ⅶ
圖目錄 ……………………………………………………………… Ⅹ
照片目錄 ……………………………………………………………… ⅩⅢ
第一章 緒論………………………………………………………… 1
1.1 研究緣起…………………………………………………… 1
1.2 研究目的…………………………………………………… 2
1.3 研究範圍與方法…………………………………………… 2
第二章 SCC 概述…………………………………………………… 4
2.1 自充填混凝土特性………………………………………… 4
2.1.1 自充填混凝土之工作性………………………………… 4
2.1.2 自充填混凝土之硬固性質………………………………… 5
2.2 自充填混凝土工作性試驗………………………………… 5
2.2.1 坍流度試驗………………………………………………. 6
2.2.2 流速試驗………………………………………………… 6
2.2.3 鋼筋通過試驗……………………………………………… 7
2.2.4 新拌混凝土全量通過試驗………………………………… 7
第三章 文獻回顧………………………………………………… 8
3.1 複合纖維材料簡介………………………………………… 8
3.1.1 碳纖維…………………………………………………… 8
3.1.2 玻璃纖維………………………………………………… 9
3.2 水泥與水泥漿體之熱學性質…………………………… 10
3.2.1 水泥之組成成份及其性質………………………………… 10
3.2.2 水泥漿體與水泥砂漿受熱後之變化…………………….. 11
3.3 骨材之熱學性質…………………………………………. 12
3.3.1 骨材在高溫下之性質變化………………………………… 12
3.3.2 骨材熱學性質對混凝土性質之影響……………………… 13
3.4 飛灰對水泥漿體性質之影響…………………………….. 13
3.4.1 飛灰的成分及形成………………………………………. 13
3.4.2 飛灰在水泥漿體內之作用機理………………………….. 13
3.4.3 飛灰對水泥漿體熱學性質之影響……………………….. 14
3.5 強塑劑......................................... 14
3.5.1 強塑劑之成分與一般性質………………………………… 14
3.5.2 強塑劑對混凝土耐火性之影響…………………… 15
3.6 混凝土火害後的性質……………………………………… 15
3.6.1 熱學性質…………………………………………………… 16
3.6.2 物理性質…………………………………………………… 17
3.6.3 化學變化…………………………………………………… 18
3.7 升溫速率及延時對混凝土之影響………………………… 19
3.8 火害後混凝土之應力應變關係…………………………… 20
3.9 圍束應力對軸向抗壓強度的影響………………………… 22
第四章 試體製作與實驗結果……………………………………… 24
4.1 試驗規劃…………………………………………………… 24
4.2.1 試驗材料………………………………………………… 24
4.2.2 試體製作………………………………………………… 25
4.3 主要試驗儀器與設備……………………………………… 26
4.4 試驗項目與方法…………………………………………… 27
4.5 試驗流程圖………………………………………………… 28
第五章 試驗結果與分析………………………………………… 30
5.1 火害中試體的內部溫度分佈……………………………… 30
5.2 火害後混凝土試體之外觀變化…………………………… 31
5.3 試體的破壞行為…………………………………………… 32
5.3.1 火害後試體的破壞行為…………………………………… 32
5.3.2 纖維補強後試體的破壞行為……………………………… 32
5.4 試體在高溫下的應力應變曲線行為……………………… 34
5.5 纖維補強試體的圍束效應與抗壓強度…………………… 35
5.6 纖維補強後試體之軸向應力應變關係…………………… 38
5.7 火害後混凝土試體殘餘強度分析…………………… 43
5.8 纖維圍束混凝土之分析模式……………………………… 43
第六章 結論與建議………………………………………… 46
6.1 結論…………………………………………………… 46
6.2 建議…………………………………………………… 47
參考文獻 ……………………………………………………………… 49
表 目 錄
頁次
表2-1 SCC相關試驗參考值………………………………………… 52
表3-1 水泥熟料礦物的水化特徵……………………………………… 53
表3-2 標準卜特蘭水泥之典型成分及性質…………………………… 53
表4-1 骨材性質………………………………………………………… 54
表4-2 碳纖維與玻璃纖維的性質……………………………………… 54
表4-3 環氧樹脂(Epoxy)資料………………………………………… 55
表4-4 自充填混凝土配比………………………………………… 55
表4-5 試驗變數規劃表………………………………………… 56
表4-6 新拌自充填混凝土工作性試驗………………………………… 57
表5-1 各時段試體內部溫度分佈…………………………………… 57
表5-2 210kgf/cm2試體中心達目標溫度所需時間………………… 57
表5-3 420kgf/cm2試體中心達目標溫度所需時間……………… 57
表5-4 210kgf/cm2試體火害後殘餘強度………………………… 57
表5-5 420kgf/cm2試體火害後殘餘強度………………………… 58
表5-6 210kgf/cm2試體火害後極限應變…………………………… 58
表5-7 420kgf/cm2試體火害後極限應變…………………………… 58
表5-8 210kgf/cm2在 ASTM升溫曲線下之殘餘強度(爐溫控制)… 58
表5-9 210kgf/cm2 碳纖維單層補強……………………………… 59
表5-10 210kgf/cm2 碳纖維雙層補強……………………………… 59
表5-11 210kgf/cm2 玻璃纖維單層補強……………………………… 60
表5-12 210kgf/cm2 玻璃纖維雙層補強…………………………… 60
表5-13 210kgf/cm2 未火害試體碳纖維補強層數比較…………… 61
表5-14 210kgf/cm2 未火害試體玻璃纖維補強層數比較…………… 61
表5-15 210kgf/cm2 火害840℃試體碳纖維補強層數比較………… 61
表5-16 210kgf/cm2 火害840℃試體玻璃纖維補強層數比較…… 62
表5-17 210kgf/cm2 火害1050℃試體碳纖維補強層數比較……… 62
表5-18 210kgf/cm2 火害1050℃試體玻璃纖維補強層數比較…… 62
表5-19 420kgf/cm2 在 ASTM升溫曲線下之殘餘強度(爐溫控制)… 63
表5-20 420kgf/cm2 10cm×20cm試體碳纖維單層補強…………… 63
表5-21 420kgf/cm2 10cm×20cm試體玻璃纖維補強……………… 64
表5-22 420kgf/cm2碳纖維雙層補強在不同溫度下的比較………… 64
表5-23 420kgf/cm2玻纖維雙層補強在不同溫度下的比較……… 65
表5-24 420kgf/cm2未火害試體碳纖維不同層數下圍束補強……… 65
表5-25 420kgf/cm2未火害試體玻纖維不同層數下圍束補強……… 65
表5-26 420kgf/cm2 840℃試體在碳纖維不同層數下圍束補強…… 66
表5-27 420kgf/cm2 840℃試體在玻纖維不同層數下圍束補強…… 66
表5-28 420kgf/cm2 1050℃試體在碳纖維不同層數下圍束補強… 66
表5-29 420kgf/cm2 1050℃試體在玻璃纖維不同層數下圍束補… 67
表5-30 15cm×30cm試體碳纖維單層補強………………………… 67
表5-31 15cm×30cm試體玻璃纖維單層補強……………………… 67
表5-32 15cm×30cm試體碳纖維雙層補強………………………… 68
表5-33 15cm×30cm試體玻璃纖維雙層補強……………………… 68
表5-34 15cm×30cm未火害試體碳纖維不同層數下圍束補強效果… 69
表5-35 15cm×30cm未火害試體玻纖維不同層數下圍束補強效果… 69
表5-36 殘餘強度理論分析………………………………………… 69
表5-37 210kgf/cm2碳纖維單層補強試體強度分析……………… 70
表5-38 210kgf/cm2碳纖維雙層補強試體強度分析……………… 70
表5-39 420kgf/cm2碳纖維單層補強試體強度分析……………… 70
表5-40 420kgf/cm2碳纖維雙層補強試體強度分析…………… 71
表5-41 210kgf/cm2玻璃纖維單層補強試體強度分析……………… 71
表5-42 210kgf/cm2玻璃纖維雙層補強試體強度分析……………… 71
表5-43 420kgf/cm2玻璃纖維單層補強試體強度分析……………… 72
表5-44 420kgf/cm2玻璃纖維雙層補強試體強度分析…………… 72
表5-45 15cm×30cm碳纖維單層補強試體強度分析……………… 72
表5-46 15cm×30cm碳纖維雙層補強試體強度分析………………… 73
表5-47 15cm×30cm玻璃纖維單層補強試體強度分析……………… 73
表5-48 15cm×30cm玻璃纖維雙層補強試體強度分析……………… 73
圖 目 錄
頁次
圖1-1 歷年火災發生次數統計表…………………………………………. 74
圖2-1 坍流度試驗器具……………………………………………………….. 75
圖2-2 流速試驗V型漏斗試驗儀…………………………………………… 75
圖2-3 鋼筋間隙通過試驗箱型試驗儀…………………………………….. 76
圖2-4 U型箱充填試驗……………………………………………………. 76
圖2-5 全量通過試驗器具…………………………………………………… 77
圖3-1 水泥成份之水化速率(1)在純水泥單礦物(2)在第一種水泥漿體內 78
圖3-2 純水泥礦物漿體的強度發展………………………………………… 78
圖3-3 水泥砂漿不同細骨材所含體積百分比與熱膨脹係數關係圖………… 79
圖3-4 水泥砂漿熱膨脹係數與相對溼度之關係圖………………………. 79
圖3-5 不同齡期水泥砂漿之熱膨脹係數…………………………………… 80
圖3-6 強塑劑的減水作用機理………………………………………………… 80
圖3-7 強塑劑分散水泥作用…………………………………………………. 81
圖3-8 火害後應力應變圖…………………………………………………….. 81
圖3-9 混凝土強度折減圖…………………………………………………….. 82
圖3-10 火害後混凝土應力應變圖…………………………………………… 82
圖4-1 ATME E119升溫曲線………………………………………………… 83
圖4-2 埋設熱電偶線示意圖………………………………………………… 83
圖5-1 自充填混凝土試體溫度分佈曲線………………………………… 84
圖5-2 SCC 210 kgf/cm2試體中心達各目標溫度所需時間………………. 84
圖5-3 420kgf/cm2試體中心達各目標溫度所需時間……………………. 85
圖5-4 210 kgf/cm2試體高溫下之應力應變圖……………………………. 85
圖5-5 420kgf/cm2試體高溫下之應力應變圖……………………………… 86
圖5-6 高溫爐定溫下與ASTM E-119升溫曲線下,210 kgf/cm2殘餘強度曲線 86
圖5-7 高溫爐定溫下與ASTM E-119升溫曲線下,420kgf/cm2殘餘強度曲線 87
圖5-8 各強度折減公式之比較……………………………………………. 87
圖5-9 210 kgf/cm2未圍束試體應力應變圖………………………………. 88
圖5-10 210 kgf/cm2試體碳纖維單層補強應力應變圖………………………. 88
圖5-11 210 kgf/cm2試體玻璃纖維單層補強應力應變圖……………………. 89
圖5-12 210 kgf/cm2試體碳纖維雙層補強應力應變圖……………………… 89
圖5-13 210 kgf/cm2試體玻璃纖維雙層補強應力應變圖…………………… 90
圖5-14 210 kgf/cm2 未火害試體碳纖維補強層數比較之應力應變圖……. 90
圖5-15 210 kgf/cm2未火害試體玻纖維補強層數比較之應力應變圖…….. 91
圖5-16 210 kgf/cm2火害840℃試體碳纖維補強層數比較之應力應變圖…. 91
圖5-17 210kgf/cm2 火害840℃試體玻璃纖維補強層數比較之應力應變圖.. 92
圖5-18 210kgf/cm2 火害1050℃試體碳纖維補強層數比較之應力應變圖.. 92
圖5-19 210kgf/cm2 火害1050℃試體玻璃纖維補強層數比較應力應變圖.. 93
圖5-20 420kgf/cm2試體 在ASTM升溫曲線下之應力應變圖…………… 93
圖5-21 420kgf/cm2試體碳纖維單層補強應力應變圖…………………….. 94
圖5-22 420kgf/cm2試體玻璃纖維單層補強應力應變圖…………………….. 94
圖5-23 420kgf/cm2i試體碳纖維雙層補強應力應變圖……………………… 95
圖5-24 420kgf/cm2試體玻璃纖維雙層補強應力應變圖…………………….. 95
圖5-25 420kgf/cm2 未火害試體碳纖維補強層數比較之應力應變圖…….. 96
圖5-26 420kgf/cm2 未火害試體玻璃纖維補強層數比較之應力應變圖…… 96
圖5-27 420kgf/cm2 火害840℃試體碳纖維補強層數比較之應力應變圖…. 97
圖5-28 420kgf/cm2 火害840℃試體玻璃纖維補強層數比較之應力應變圖… 97
圖5-29 420kgf/cm2 火害1050℃試體碳纖維補強層數比較應力應變圖…. 98
圖5-30 420kgf/cm2 火害1050℃試體玻璃纖維補強層數比較應力應變圖… 98
圖5-31 SCC 15cm×30cm 未圍束試體應力應變圖……………………………. 99
圖5-32 SCC 15cm×30cm試體碳纖維單層補強應力應變圖……………… 99
圖5-33 SCC 15cm×30cm 試體碳纖維雙層補強應力應變圖………………… 100
圖5-34 15cm×30cm未火害試體碳纖維補強之應力應變圖………………….. 100
圖5-35 15cm×30cm火害840℃試體碳纖維補強之應力應變圖…………….. 101
圖5-36 SCC 15cm×30cm試體玻璃纖維單層補強應力應變圖………… 101
圖5-37 SCC 15cm×30cm試體玻璃纖維雙層補強應力應變圖……………. 102
圖5-38 15cm×30cm未火害試體玻璃纖維補強之應力應變圖…………….. 102
圖5-39 15cm×30cm火害840℃試體玻璃纖維補強之應力應變圖………… 103
照 片 目 錄
頁次
照片4-1 纖維貼布之外觀…………………………………………….. 104
照片4-2 纖維貼布補強施工後之試體………………………………. 104
照片4-3 鼓型混凝土拌和機………………………………………… 105
照片4-4 高溫爐……………………………………………………… 105
照片4-5 UCAM-10B溫度資料蒐集器…………………………………. 106
照片4-6 USB20A-Channel擴充器………………………………….. 106
照片4-7 MTS UMH-100…………………………………………………. 107
照片4-8 烘箱…………………………………………………………… 107
照片5-1 碳纖維補強混凝土之破壞行為……………………… 108
照片5-2 玻璃纖維補強混凝土之破壞行為…………………………108
參考文獻
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