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混凝土之耐火性評估

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  • TA的每日心情
    慵懶
    2017-9-9 23:23
  • 簽到天數: 4 天

    [LV.2]偶爾看看I

    發表於 2018-9-14 11:56:57 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
    朱煌林 技師


    汐止東方科技大樓為鋼骨結構,然國內建築物以鋼筋混凝土造居多,對此國內對於混凝土災後評估資料較少,且因大火延燒高溫可能超出一千度,本人因此整理國內專家學者之資料,做一簡要說明。

    混凝土的耐火評估可分為四大部份。第一部份:其內容先就混凝土組成之材料,受高溫後狀態及熱學性質,做簡要說明。第二部份:混凝土受高溫之變化,其中探討混凝土受高溫後所產生強度折減之原因。第三部份:混凝土火害之影響評估,係針對建築物災後之勘察、量測、評估,做歸納性之整理。第四部份:混凝土火害之抑制對策,分析造成混凝土火害後強度折減之內、外在原因及抑制對策。

    一、水泥組成成份及性質

    卜特蘭水泥是一種主要成份為水硬性矽酸鈣的熟料,經粉磨後而成的水硬性水泥。在製造時通常還加入一種或二種型式的硫酸鈣作為一起粉磨的外加劑。熟料則是將預先依適當比例配製的生料燒至高溫而得,一般直徑為5~25mm呈小球狀的燒結物料。

    ®水泥漿體與水泥砂漿受熱之變化

    水泥漿體在高溫作用下,其成分分解可分成四個階段:

    1.常溫~105℃:毛細孔水及膠孔水蒸發。

    2.1O5℃~440℃:C-S-H分解C-S-H→C-S+H(結晶水分解)。

    3.440℃~580℃:CH分解C-H→C+H(結晶水分解)。

    4.580℃~1007℃:CaCO3分解。

    ®骨材組成成份及性質

    1.混凝土之粒料除標稱最大粒徑外,須符合CNS1240(混凝土粒料)之規定。

    2.粗細粒料應視為不同成分材料,各尺寸粗粒料以及二種以上含混合粗粒料,均需 符合粒料之級配規定。

    3.混合之粗細粒料級配,以達到最小空隙率為要求。

    ®骨材的耐火性

    骨材在高溫下不同岩種有不同之膨脹率,所以岩種不同,耐火性能亦有所不同。

    1.使用石灰質骨材之混凝土,受熱時由於沒有晶相的轉變,因而不易產生爆裂的現象。

    2.花崗岩及黏板岩質骨材呈現良好之結晶結構,其本身由於導熱速度快所以耐火性差,故使用該骨材時耐火性能當然會較差。

    3.砂質骨材(酸性骨材)在受熱570~870℃冷卻後將有恢復原體積之情形,當超過此溫度將會有不可逆之變形。

    ®飛灰對水泥漿體熱學性質之影響

    飛灰含量之增加可以減少水泥漿體及砂漿之熱膨脹量。因飛灰在有水之狀況下會與水泥漿體內之CH起波索蘭反應,消耗CH而生成C-S-H膠體,填塞孔隙及原CH所佔有之空間,因此含飛灰水泥漿體之CH含量較純水泥漿體為少,氫氧化鈣(CH)含量太多,在溫度超過300℃時抗壓強度會受損,此乃因為圍繞在氫氧化鈣晶格四周之微裂縫增加之緣故。因此添加飛灰可以使漿體內之CH降低,間接地使耐熱性質提高。

    ®爐石對水泥漿體熱學性質之影響

    以爐石粉或高爐水泥拌合出之混凝土,於14~28日材齡之時,其強度水準與普通卜特蘭水泥相比,已達相等或更高之強度。而長期強度更是凌駕其他種類之水泥,故可建造持久耐用之各類土木工程構造物。

    爐石粉及高爐水泥之水合熱遠比普通卜特蘭水泥為低,因此高爐水泥之水合熱隨著高爐石粉末之置換混合比率之增加而逐漸降低,近年來隨著土木結構建物之大型化,巨積混凝土溫度裂紋問題亦日益受到矚目,高爐水泥即可有效地克服此困擾。

    ®矽灰對水泥漿體熱學性質之影響

    在不同溫度加熱下,混凝土強度損失是由於水泥漿和骨材間熱膨脹之差異,以及由於加熱所造成混凝土物理和化學之改變。Williamson和Rasheed曾對不同強度水泥沙漿,暴露在不同溫度下之強度損失做過研究,研究結果顯示,低強度含矽灰水泥沙漿比不含矽灰者高溫暴露後之強度損失較不敏感,而含矽灰高強度水泥沙漿似乎比不含矽灰高強度水泥沙漿對高溫較敏感。Williamson和Rasheed推論矽灰在高強度水泥沙漿使氫氧化鈣強化,但在矽灰顆粒已轉化C-S-H後加熱至320℃後會降低他們對氫氧化鈣強化的能力,這是由於C-S-H在300℃時會部份分解之故。

    Sellevold和Redersen曾做過一系列的小圓柱體試驗,這些小試驗體暴露在高溫下,大約在320℃以上時,就會產生爆裂,即使是以很緩慢的昇溫速率(1℃/min)亦然,這是因為矽灰混凝土乾燥的慢,且較緻密,孔隙小,因此在高溫下,試體內部氣體無法排出,產生高壓蒸汽而產生爆裂現象。

    在大多數文獻中,其研究結果多顯示試體含水量增加,會增加爆裂情形,但也有某些研究結果並未有如此的結論,如Maage和Rueslatten及Shirley等人研究結果多顯示,不管水份如何變動,未見有爆裂之情形。

    ®熱學性質

     材料溫度改變時,材料內原子之振動能量及自由電子之動能因而改變,而使材料內能量為之不同,其所呈現出之熱學性質亦有所差異,一般而言,受材料內原子排列缺陷之影響不大。常見的材料熱學性質包括比熱、熱膨脹、熱擴散率、熱慣性。

    二、混凝土受高溫之變化

    ®溫度對混凝土強度及變形之影響

    1.混凝土強度大約在溫度昇高至200℃時開始降低,溫度昇高到800℃時,其強度只有原來的一半。

    2.彈性係數則自約40℃以上開始減低,到500℃時只有原來的20%左右。

    3.混凝土乾縮量隨溫度升高而加大,大約成直線比例關係。

    4.在冷凍低溫時,使內部水氣結凍,造成混凝土強度提高,在零下100℃左右時,混凝土抗壓強度比在室溫時提高3倍。彈性係數則隨溫度降低而增高。

    ®殘餘強度

    針對高溫作用後未爆裂之混凝土試體進行抗壓強度試驗,以試體中心達到最高溫為控溫方式,其結果分析如下:

    在高溫爐中混凝土,加熱溫度在400℃以上時骨材與水泥漿體脹縮不諧和而造成更多之裂縫是強度降低之主要原因。

    在400℃至600℃階段各種混凝土強度折減坡降相當大,其原因可能是:1.在580℃時CH開始分解,因CH是混凝土強度之第二大來源。2.矽質骨材之主要成份石英在573℃時發生晶相轉變,由低溫之α相轉變成高溫之β相,造成混凝土體積膨脹,使得裂縫驟增故強度因此降低。3.在600℃以後,因混凝土之內部微結構已被破壞殆盡,強度損失甚大,因此在800℃時混凝土殘餘強度值已經所剩無幾。

    ®爆裂及剝落

    混凝土在受高溫作用時,經常發生爆裂及破壞之情形,主要原因有:

    1.試體含水量:一般混凝土爆裂之主要因素是試體含水量。當試體含水量愈大,受高溫作用時愈容易產生並增大孔隙蒸氣壓力而造成爆裂現象。

    2.骨材種類:當採用矽質骨材,高溫作用時(約400℃~450℃)試體並無明顯之界面不諧和,故產生之裂縫不多,因此孔隙蒸氣壓缺乏消散的途徑,最後終因孔隙蒸氣壓累積而致爆裂,其爆裂程度相當嚴重,均成碎片。但是添加石灰質骨材混凝土之試體均未發生爆裂,即使是含水量達飽和,仍然沒有發生爆裂。究其原因可能是石灰質骨材混凝土受熱時裂縫及孔隙之產生與發展比矽質骨材混凝土較早,因此造成水蒸氣與CO2有較多逸出之機會,因此減少內部壓力,故試體均沒有爆裂。因此以石灰質骨材為主之混凝土其耐火性能確實比矽質骨材良好。

    ®外觀變化

    1.顏色變化:混凝土中之骨材不論屬於矽質或石灰質均會隨溫度之上昇而有不同之顏色,且此種顏色變化為永久性,在常溫時顏色為深灰色,受高溫作用再冷卻後之表面隨著火害溫度之提高,表面顏色由深灰色轉變為淺灰色,直至加熱溫度600℃其顏色變成淺黃色,溫度再升至800℃時顏色形成稻殼黃。

    2.裂縫成長:高溫對試體裂縫發展之基本機理有二,一是由於水泥漿體受熱收縮,而矽質骨材因受熱膨脹且兩者熱膨脹係數不同,因此在高溫下混凝土極易由於界面脹縮不諧和而產生二次應力及異常變形,當其應力超過水泥漿體與骨材間鍵結力時,則將在界面造成開裂。二是在高溫下水化物迅速分解,鍵結力減弱甚而斷裂,使得因溫度梯度而引起之熱應力很容易在弱面上造成裂縫。在較低之火害溫度如300℃以下時,裂縫發生之機理主要為第一項,因為界面間的結合力一般情形下是低於漿體本身之鍵結力。然而在500℃以上,則因水化物已迅速分解,故二種機理均對混凝土受損有重大影響。

    三、混凝土火害之影響評估

    ®混凝土表面顏色變化觀察

    混凝土構件遭受火害後,混凝土表面顏色會隨所受溫度之高低而產生不同之變化,但其變化不夠明顯,實難以肉眼做定量之判別,然尚可由混凝土表面顏色及外觀表現,粗略了解火場之溫度。

    ®火場現場殘留物之檢測

    1.依據火災中燒毀物料之種類、數量及發熱量,並參考基本資料中之火災經歷時間,有助於對火場溫度評估精度之提升。

    2.觀察混凝土表面附近燒毀物品之殘留物,亦可依據該物品之軟化點或燃點估計混凝土表面所受之最高溫度。例如某火場中發現鋁門窗已溶化,則此火場溫度可以估計為650℃以上; 又若檢查發現角鋼支架已彎曲變形,則此溫度可以估計為750℃以上;若玻璃合板熔化,火場溫度估計為800℃;若發現黃銅門之把手已燒損,則可以估計火場溫度為950℃。根據以上各種數據,並依據軸線位置可以判定火場溫度。

    3.火場溫度推估時,應可考慮建築物發生火災時,建築物內空氣不流通之死角其火場溫度應較低,如此可與其附近部位主溫度比較,而推估該點之溫度。

    4.應注意特殊位置之殘留物取證,火災期間,燃燒之熱量可由燃燒點以60度之角度向上擴散,地面或樓版面溫度最低,樓版底、樑底、門窗洞口上方過樑處溫度最高。殘留物取證時特別要注意這些部位物品燒損情況,抓住主要結構之損壞部位。並應特別注意火災中是否有物料受燒發生爆炸之痕跡,以瞭解其所造成之影響。

    ®混凝土表面裂縫與爆裂情況勘查

    混凝土構件在遭受火害時,若溫度在300℃以下,混凝土表面新增之裂縫極少;溫度升至400℃時,有些微裂縫產生,但寬度不大,肉眼不易察覺;若溫度達到500℃時,有些較大裂縫產生;當溫度達到600℃時,裂縫更明顯增加,而溫度在700℃開始,裂縫之量比600℃時雖增加不多,但裂縫寬度加大。勘查時應詳細檢查構材受火燒表面,若樑版類之受撓構材,若其表面在跨度中央及兩端有稀疏裂紋,則其損壞情況評為輕微,若受撓構材之跨度內之全部或局部,顯現較密集亦較寬大之裂紋或裂縫時,則評為損壞嚴重;介於其間者則評為損壞中度。

    ®混凝土剝落及鋼筋外露情況勘查

    因混凝土構件在遭受火害後,若混凝土之保護層剝落,會造成鋼筋外露及鋼筋強度降低,故從混凝土剝落與鋼筋外露之情形,可以判斷混凝土及鋼筋受火害之程度。勘查時應注意辨別混凝土剝落及鋼筋外露痕跡或現象是否為本次火災所造成,但安全評估時,舊有之情況應列入考慮。構材混凝土剝落及鋼筋外露之損壞程度,應依據混凝土剝落之部位、大小範圍與鋼筋外露之情況評定,其評定標準建議如下:

    1.若構材僅顯示某些角隅部位有混凝土剝落,混凝土剝落寬度不超過10公分,而僅單一箍筋外露但主鋼筋並未外露,且其他表面部位無鼓脹現象者,則該構材評為損壞輕微。

    2.若構材除角隅部位外尚有其他表面混凝土剝落,而剝落之長度、寬度及總面積均甚大,使二支以上之箍筋外露,且其所圍束之主鋼筋亦暴露者,則該構材評為損壞中度。

    3.若構材混凝土剝落及鋼筋外露之情況較上述損壞程度嚴重,則該構材評為損壞嚴重。

    ®構材變形及撓度情況勘查

    火災後結構之變形及撓度勘查主要指樑版之變形與牆、柱之之傾斜檢測。至於樑版結構跨中變形測量方法主要利用水準儀測其兩端支承之讀數與樑跨中對水準儀之讀數相比較,即可求得樑版構件之跨中撓度值。用水準儀測量標竿讀數時,至少測讀3次以上,並以3次讀數之平均值作為跨中標竿讀數,必要時對牆柱之傾斜檢測,可以使用經緯儀來測定。若構材之撓度或變形可以肉眼明顯察覺,則評為嚴重。若以肉眼觀察無法察覺者,則該構材評為損壞輕微。介於其間者則評為中度。

    ®構材受撓面積

    構材火害損壞之程度與受撓面積大小即其溫度有密切關係。勘查時,可依溫度超過在600℃之面積百分比決定其嚴重程度。各種構材損壞程度之評估標準如下:

    1.版牆類構材,若其受撓面積百分比在30~50%評為中度,此範圍之上下界外之情況,則分別列為輕微與嚴重。

    2.矩形斷面之樑或柱,以矩形斷面各有部位受撓溫度超過在600℃為考量:(1)若矩形斷面僅一面受撓超過在600℃為輕微。(2)若有相鄰兩面受撓超過在600℃為中度。(3)若有三面以上或相對兩面受撓超過在600℃為嚴重。

    ®構材試驗

    在量測工作時,若發現構材之某部位損壞嚴重,則須進行必要之試驗,可行之試驗項目如下:1.混凝土之鑽心取樣及試驗。2.混凝土燒失量試驗。3.超音波試驗。4.試錘試驗。5.X-ray繞射試驗。6.壓汞孔隙試驗。7.VIM試驗。

    ®構材損壞之詳細量測

    裂紋數量與分佈之量測構材損壞

    1.裂紋數量與分佈之描繪:由構材表面之裂紋數量與分佈可略知其受火燒之情況,更可知構材力學行為之臨界斷面是否受嚴重損害,因此須描繪裂紋數量與分佈。其描繪最好能將構材各表面:版之底面、牆之立面、方柱之四個立面、圓柱之圓周面、樑之底面與兩側面。尤其對於樑上較寬大之裂紋應量測其形狀、位置及長度。

    2.裂縫寬度及深度之量測:樑斷面有裂紋存在時,表示其斷面開裂,斷面積減少會影響其強度,樑臨斷面上裂紋之寬度及深度對樑之強度有極大之影響。因此對較大之裂紋,應精確量測其寬度,必要時應設法量測其深度。

    ®混凝土剝落部位與範圍之量測

      混凝土構材受火燒時由於熱力之作用會發生剝落現象,會使鋼筋保護層減少使鋼筋外露,甚至深入內層減少構材斷面,以致降低構材強度與耐久性。量測應將各剝落部位明確標示其位置,並對剝落範圍之長度、寬度,更重要是深度,以便評估對構材之影響。

    本項量測結果之評定應依據混凝土剝落之位置及範圍,對構材強度之減損,加以評估。首先判斷剝落之位置是否在構材之臨界斷面,其次為裂紋之深度及寬度。其評估之標準如下:

    1.若構件上雖有裂紋,但深度及寬度均甚小,則評為損壞輕微。

    2.若構件上之裂紋橫向切入構材之深度及寬度均甚大,對構材之強度減損有安全顧慮者,則評為損壞極度嚴重須拆除。

    3.介於以上兩種情況之間,一時無法評定其安全情況者,應提供其資料,以作為後續評估之依據。

    ®混凝土火害溫度評估

    評估混凝土火害最高溫度之方法,其中以燒失量法之結果最為可靠。其評估方法與步驟建議如下:

    1.瞭解結構物之火害情況,根據現場觀察,選定火害混凝土及未受火害混凝土,進行鑽心試驗取樣。

    2.將鑽心試體由外而內依不同深度取樣,將試樣剔除粗材取出水泥沙漿進行燒失量試驗。

    3.將受火害試樣以未受火害試樣之燒失量試驗值進行正規化。

    4.將上述所得之正規化燒失量(IL)代入混凝土正規化燒失量與最高溫之迴歸公式:T=1000-10*IL,式中T:火害溫度(℃),IL:正規化燒失量(%)

    由第4步驟求得之混凝土各不同深度之火害最高溫度T代入火害溫度與殘餘抗壓強度之關係式,可求得之混凝土離開表面不同深處受不同火害溫度作用之混凝土殘餘抗壓強度式中:T:火害溫度(℃);fcr:抗壓強度殘餘率(%)構件各部位殘餘抗壓強度既得,既可進而評估火害混凝土構件之受損程度。

    四、混凝土火害之抑制對策

    由於大火會引起混凝土爆裂而損失強度,造成建築物築物的傾倒,對高安全性的電廠或處於密閉的地下車站及隧道,大火常引起嚴重的混凝土坍塌,造成火災後的二次傷害,因此必須研究相關之抑制對策,例如法國中央橋樑公路工程研究所對混凝土在高温狀態的性能進行了研究改善,並發明了提高混凝土耐火性能的技術。

     根據此項研究人員介紹,混凝土在700至1000氏度時便會像蔥蒜一層層地瓦解成碎片。經過對大火現場進行比較勘察分析和模擬實驗得出結論,在高温狀態下混凝土裡的水分蒸發使混凝土結構内部壓力增大,另外混凝土表面和内部受熱程度不均,而造成混凝土的膨脹和瓦解。

     因此必須讓在混凝土遇火時,能够形成一個水蒸汽通道,而减小混凝土内部的壓力;另一種是在混凝土表面加上一層保温層,以減少混凝土表面和外部的温差。

    綜上所論,我們將造成火害之因素及抑制對策說明如下:

    內在因素:1.混凝土本身材質熱膨脹係數不同而產生龜裂。2.矽質骨材遇高熱相質改變而產生體積膨脹。3.混凝土中水份遇熱而產生孔隙蒸氣壓力所造成之爆裂。4.鋼材與混凝土接面熱膨脹係數不同。

    外在因素:1.火災之火源持續燃燒過久,造成熱傳導效應。2.燃燒時間及位置不均勻,造成混凝土表面產生殘餘應力。3.防火被覆被破壞或失效。

    抑制對策:1.預防火害之發生,及後續延燒。2.有效區隔火源。3.樑、柱主要結構其覆蓋之防火材施工須切實。4.採用聚乙烯纖維混凝土防蒸汽爆裂。5.採用石灰質骨材。6.採用卜特嵐水泥成份之混凝土。

      因此建議政府應加強消防系統之設計、裝置、檢修之工作,如遇上火災掌握寶貴的救援時間,雖災後的復原工作是刻不容緩,但建築物安全性是更重要且攸關住戶的生命安全,政府應委由專業技師鑑定建物災後之安全性,以保障人民居住之安全。
  • TA的每日心情
    奮鬥
    2016-5-25 15:56
  • 簽到天數: 57 天

    [LV.5]常住居民I

    發表於 2018-9-17 14:48:56 | 顯示全部樓層
    好深奧RRRR
    眼花撩亂
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