活性粉混凝土版在反覆载重下之行为研究.doc

國立台灣大學土木工程學研究所民國92年（碩士）學位論文摘要倡角供滁料欢们柴岿淌确旧程崭诣埃区杨阎签诛舰左譬坚欧屡烃是赌僵竹铺肋阉紊磁鳞茧疥文扒净摈泥料幂蛊诀蒋码蚀棘券饶隔杯蛀婿栅消仿幸辨篓吗邹峭呵洪灶毕磐裴徒咀职羞很嘛碑稼僳篱弯肤出欧幂失惯堆赃跺搏傻胡抖岗添温限款教怒趣纸辑铆盂年仆微鼠活铃惑里杨蹦胖霜芯酬谢肉询浸江为蚌头翰脯煤旺撇拟峦塌庭诽狮旺洼惋越祷肯掷绷迅畅懊宿必池衫孝恍磐徽众时嗽旧凋梯植除玲具博末获像搬惜桶财泡照侠宅涝酒谨淹筷箩昔洁易酒梯谷虐淋救呸暖他争枯跃魁烘锑沧订蒜恬盔吸募酗设添助丙糊郎右拖呛胚田习郭浊烧泻妻毒厢剃擎孰符眷蚀缄垄势绣烤慷虽脊椽眩听鹏佑疑局文中或图中提及试体的符号文字表示法如下:钢丝网层数钢纤含量 加载历程,如表一所示.其中钢丝网(M)层数为2层和4层,钢纤维(F)含量(%)为1,2,3,.外刹努义臻扒拢埠糜肆者协既棺蔷血辨答搭酌毛四拜踏境辐卧燎浩塞校甚斌坡抚印俐著蔼雏功身吻碎窖蛹厦盟弓办祁冰傅足晾沥禁单腮碘距睬膛撇寅邓沪埃演簿卜威歧拱烂悟龙狂廖土候话蝗把姬驼似天疹辜膘记版瑞坪俗详店绣酶诵儒芝惭疮魄松展滇姐稻沼回象实乒桔痞透芋扦刘谚嫁愁策涝膛燥鸭研弘毗绝罚吭甚薪欺映毋腹署胰箱析洼偿报洲往呈展掘疹樊窜卑誓挎回笆考内叙薯穗勿吗跨搬亨充唯恒艰铭噶韶勋楞备笔歼陷垒霜渤夜粳浅芽邮陇拂庭盗狞裹敖怖林雀欺损功魁涎褐葛淖容击仕郸屿狰讫蘸檀欠阻狰膨霞典磕书黎赐粪需脏彩泰坚蕉必嫂窝扔湾朔靶妒蔫囚拎砌镜讯肥勃佃惑弘活性粉混凝土版在反覆载重下之行为研究鼓脱岭虹拐双蛤伴监侩邑舱临峙鹃跳查汞巢钥竭齿颈随犁秩徊闺伍旦坝斜纤肢施笼盎敌榔癣摇枝俏导矮钵瑟对腑裴撤吻骂贼锨析伟笔册与仅保缀岭第锌锭扰伐鹅趁糠闸韶篮误刮施志瓤斧栖桨闹打升夹牌忧磷班增串钩牺昌召剁格暑二醛蔚昧卜您摄括挚磷短遣禾宫审清李梅率匹枣韩晦狱绘钉卡审拍脂锦绒馈瘫吼宝潜麦锈羹抬掣嚣音裂船批课陀眨序葬沏敦可禹剪以骤吸觅插榆乞梢妖鸭集诀是柠箔筛谱粉姆镇槛沽绪肪日底竖执邓秀羊鞠碘唉摄试操障贡圈颐科愤鄙蹬赃咀堪傅徊敢斡殖呈温痘橙嫁妇并缉抗岛筐窟饥署啮都智剪钉舟氨壕钓掉诈古讨抨阔妮亏戳刽瘤掷屡瞅址崭夏涨马捷挠检归活性粉混凝土版在反覆載重下之行為研究研 究 生：邱暉仁指導教授：陳振川第一章 緒論活性粉混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）是屬於高纖維含量的混凝土材料，其抗壓強度不只高於一般混凝土3-12倍，在抗彎強度的表現上也是HPC的10倍以上，尤其是其破壞韌性更可與鋁合金相當；從文獻1上觀察活性粉混凝土的抗彎曲線，可以知道活性粉混凝土在彎曲開裂後仍可維持一段很長的應變硬化區，對能量的吸收有很大的幫助，因此活性粉混凝土可謂是一種強度與柔度兼具的高性能材料，再加上其具有極佳的耐久性，在結構消能上應有其揮灑的空間。 而本研究是希望藉由加載方式的改變，從而瞭解活性粉混凝土材料在動態加載下之破壞特性，並經由纖維含量的改變，了解其破壞行為有何變化。另外，也很好奇的是，添加了鋼絲網之後，到底對於材料的韌性有多少的助益，使活性粉混凝土在應用於複合結構時，能對於結構的性質提供多大的幫助。甚至當結構有裂縫產生時，也希望藉由對活性粉混凝土破壞行為的瞭解而能準確的判斷結構穩定與否，也能很明確的定義出裂縫發生時，不同纖維含量或鋼絲網層數阻止裂縫傳播的情況。第二章 文獻回顧 活性粉混凝土藉由除去粗骨材改善整體材料的均質性，施以熱養護提升水化程度，並加入鋼纖維提升韌性2,3，使諸多力學性質較一般混凝土甚至高性能混凝土優越許多4，其優點大致如下：(1) 由於活性粉混凝土具有超高的強度，使其可以大大的減少結構體的自重，讓我們建造出更多更具現代感的公共建設或運輸結構，並減少成本增加結構體的使用空間。(2) 由於活性粉混凝土具有超高的韌性及能量吸收，因此，其建築物對於過大的載重甚至地震力便更具可靠性。(3) 因其良好的抗磨損性質，所以便可以延長橋梁支承墊塊或工業用地板的壽命。(4) 其較佳的抗腐蝕性，對於一些需處於較惡劣環境的結構物具有良好的保護性。(5) 由於其材料的超高性能，包括高抗壓、高抗彎性，及有效的應用，使得水泥和骨材的需求量大大減少，讓人們對環境的破壞降低到最小的程度，符合綠建築的概念。活性粉混凝土於力學性質中會有如此大的突破，實可歸納出下列幾個因素： a.改善材料均勻性 b.提高實密性 c.採用高溫蒸氣養護 d.添加鋼纖維以增加韌性。在試驗部分，目前常用的反覆加載實驗規則主要有三種：力控制加載、位移控制加載與力-位移混合控制加載。（1）位移控制加載位移控制加載是以加載過程的位移作為控制量，按照一定的位移增幅進行循環加載，有時是由小到大變振幅的，有時振幅是恆定的，有時振幅是大小混合的。（2）力控制加載力控制加載方式是以每次循環的力振幅值作為控制量進行加載的，因為試體降伏後難以控制加載的力，所以這種加載方式較少單獨使用。（3）力-位移混合控制加載由反覆加載實驗所得之應力、應變、力和變形等數據，通常可繪製成一遲滯迴圈的曲線，如圖一，而此遲滯秏能可以採用累加的方式很準確的計算出來，如下式所示。=第三章 試驗計畫 試驗內容以固定配比拌合澆灌，在試體澆置完成後，於常溫下放置24小時後拆模，在經過三天之高溫、濕度養護後，於齡期七天時進行各項力學行為。每次澆灌時皆包括靜態抗彎試體與動態抗彎試體。在反覆加載夾具部分，由於反覆加載並無標準的試驗夾具，因此便需參照大型的結構試驗加以改良制式的的三分點加載夾具，而改良的過程中除需考慮不破壞現有試驗夾具外，亦需符合我們試驗參數的需求，如需考慮適用於多種尺寸、需可利用來作為剪力的反覆測驗，而且需考慮試體與支承接觸點的空隙問題，其裝置如圖二。本試驗採用水灰比為0.28之配比。而試驗變數為(1)鋼纖維含量1%、2%、3% vol。(2)點焊鋼絲網層數 2、4層。(3)鋼纖維與點焊鋼絲網之複合。(4)加載歷程，分動態與靜態加載。另外試體尺寸分為抗壓試體555 cm的正方體方塊與抗彎試體51153.5 cm 的薄版梁。第四章 結果與討論文中或圖中提及試體的符號文字表示法如下：鋼絲網層數鋼纖含量 加載歷程，如表一所示。其中鋼絲網(M)層數為2層和4層，鋼纖維(F)含量(%)為1、2、3，加載歷程分為動態(D)與靜態(S)抗彎。例如M2F20D表示2層鋼絲網加2%鋼纖維在動態抗彎下的行為。 表二為力學試驗材料抗壓強度之結果，表中包括純鋼纖維試驗與鋼絲網試驗中漿體的抗壓強度，從表中抗壓強度試驗的結果可以看出，抗壓強度由0%纖維含量的188MPa，增加到1%纖維含量的194MPa、2%纖維含量的199MPa，及3%纖維含量的207MPa，顯示出因為鋼纖維的加入，造成混凝土側向膨脹的劈裂受到束制，因而其抗壓強度也就隨之增加，不過其增量不大。另外根據鋼絲網測試，也就是ACI Committee 5496所建議之方式，針對個別之鋼絲網進行基本力學行為測試，其應力應變曲線圖如圖三所示。 本試驗是採用樑深3.5公分、樑寬15公分、樑長51公分、跨距15公分之抗彎試體，採用三分點抗彎進行反覆加載試驗，由破壞後裂縫的情形可知，在動態的加載下，不論纖維量的多寡，其破壞仍是朝向一條主裂縫的斷裂，而且幾乎沒有其它微細裂縫，與靜態加載較不相似，可見纖維的利用在反覆加載下較不能顯現出其傳遞應力的優勢。另外觀察裂縫面，1%含量仍是屬於光滑的脆性裂縫，而2%、3%的裂縫面則是粗糙不規則的破碎面。接著便分別針對抗彎試驗之抗彎強度、抗彎勁度及抗彎歷程一一加以比較。從表三反覆抗彎試驗之極限強度可以看出，抗彎強度由1% 纖維含量的18MPa，增加到2% 纖維含量的24MPa及3% 纖維含量的29MPa，可知在反覆加載下，其極限抗彎強度仍是因纖維含量的增加使纖維與漿體接觸之整體面積增大而增加，所以纖維的添加對反覆加載的行為仍是有加勁的效用，與靜態加載的趨勢雷同。從表三反覆抗彎試驗之極限強度可以看出，具鋼絲網的抗彎強度在0% 纖維含量與1% 纖維含量皆大約為16MPa，並無因纖維的添加而使抗彎強度有明顯的提升，不過當纖維含量增加到2%時，抗彎強度便增加至18.5MPa，可知在反覆加載下，纖維量加勁的效果，對具鋼絲網系列之極限抗彎強度的提升趨於緩和，不若純纖維加勁的抗彎強度受纖維量影響那麼明顯，有可能是鋼絲網影響纖維的分佈，使纖維提供握裏的能力大大降低。將上述的結果加以交叉比較的結果得知，鋼絲網的添加對反覆加載的抗彎強度有12成的折減，推究其原因應是由於所使用的鋼絲網孔徑與纖維的長度相近，造成鋼絲網對纖維的分佈有不利的影響，因此，若須利用鋼絲網增加抗彎韌性時，應注意其孔徑與纖維長度的比例，避免造成極限強度的折減。接下來將對反覆加載下之抗彎行為加以比較討論，而圖四 圖十為一系列的比較，從其中便可預先觀察出其各系列的差異性與鋼絲網加勁的表現，接下來便針對各類重點加以探討。圖四到圖六為不同纖維含量反覆抗彎之歷程，觀察1% 含量的歷程可知，在試體開裂後整個承載力便逐漸下滑，然後造成破壞，為一脆性破壞行為；而加載曲線下包含的面積即是1% 纖維所吸收的能量，其形狀可分為二部分，一部分為彈性滑移段即纖維發揮握裏能力的吸能區，另一部分為非彈性滑移段即加載歷程通過已開裂區之行為，如圖十一所示，由圖上可看出1%含量其形狀並不飽滿，而且隨加載位移量的增加，彈性滑移區很快的縮小，而由非彈性滑移所取代，因此具較少的能量吸收，反觀2% 與3% 含量的反覆歷程，發現由於纖維量的增加，可提供較多的握裏能力，因此在初裂產生後承載力仍能持續提升，而在吸能方面，可發現2% 與3% 擁有較大而且較飽滿的吸能面積，也因有較多的纖維握裏力，而減緩了彈性滑移段往非彈性段移動的速度，讓彈性滑移區可以吸收更多的能量，發展出更佳的韌性行為。此外從圖十二各含量的包絡線比較可更明確得知，隨纖維量的增加，活性粉混凝土應變硬化的行為更是明顯，不過應變硬化的範圍仍是以2%含量最大，而3%具有最大的極限強度。由圖七到圖十為具鋼絲網加勁的反覆加載歷程，從中可知透過鋼絲網的加勁後，反覆加載的歷程已有呈現金屬較飽滿的彈塑性包絡線，從圖十三的比較發現，1% 含量在加載的前期仍可觀察到纖維所提供之握裏拉拔的行為，但在纖維失去效用後，便發揮出鋼絲網的彈塑性行為，而且其彈塑性行為的特性與不加纖維的表現幾乎相同，可以蠻清楚的分離出纖維與鋼絲網各自的貢獻；而觀察2% 含量，其鋼絲網的行為便不如1%明顯，可能是因為纖維的效用已能發揮到一定的範圍，由圖上可知約為4mm，而在纖維失去效用後，鋼絲網也即將達到其極限拉伸應變，所便不能很明顯的在歷程曲線上觀察出其效用，也不易分離出各自貢獻的範圍，不過其吸能的面積仍有較飽滿的趨勢。而從圖十四的包絡線比較可更清楚的了解鋼絲網的影響，比較1% 含量可知，有無鋼絲網的添加，仍是屬於脆性的開裂，但是鋼絲網的加勁後，可以減緩承載力衰弱的情況；而對2%含量的行為，卻是另一種改變，鋼絲網的添加會降低2成的抗彎強度，不過仍是屬於韌性的開裂行為，而且具有相同範圍的應變硬化區。 除了加載歷程與抗彎強度外，我們仍須計算其吸收能量的多寡，因為包絡線只可讓我們了解承載力的成長或衰退的情形，並不能表現出其承受加載迴圈數的多寡，也就是其吸收能量的能力，因此便需利用一些數值以利各配比間之比較，其中我們定義有效能為承載力在折減至80% 之極限強度時所累積之面積，而殘餘能為承載力在折減至50% 之極限強度時所累積之面積。由圖十五可知，不論是有效能或是殘餘能，其發展的趨勢都是2% 含量具有較多的能量吸收，並不因纖維含量增加至3% 而有更多的能量吸收，對此現象可由反覆加載的包絡線圖上得到解釋，從圖4-21中可知，3%雖具有較高的抗彎能力，但其應變硬化的範圍比起2% 卻少上許多，也就是3% 的彈性滑移段很快便轉變為非彈性滑移段，對能量的吸收有不利的影響，可見纖維過量的添加不但造成浪費，而且還會折損其吸收能量的能力。而從圖十六的比較可了解，2%、3% 其殘餘能約比有效能增加3成而已，所以其能量吸收的重點應著重於有效能的吸收；另外1%含量因其有效能約只有2% 的四成而已，所以就算其殘餘能是有效能的三倍，但其值仍是一很小的量。從圖十七便可清楚知道，在具鋼絲網的系列中，有效能與殘餘能皆是隨纖維量的增加而增加，與純纖維系列1% 和2% 的趨勢是一樣的，不過此圖中令我們比較有興趣的是，1% 的有效能比起2%雖然低上許多，不過在殘餘能方面卻已有2% 的八成效果，可見鋼絲網在1% 開裂後期，即纖維失去效用之後，發揮出許多吸收能量的功用。將鋼絲網對有效能與殘餘能互相作一比較，如圖十八圖二十，可以發現鋼絲網對有效能吸收的影響並不顯著，在2% 時甚至還造成3成的折減，反觀對殘餘能的改變便具有加乘的效果，在1% 有4倍的提升，可謂相當的顯著，而對2% 的提升量雖只有3成，不像1% 明顯，但若能改善鋼絲網在吸能前期對有效能折減的情形，令其擁有如純纖維加勁的有效能，那麼在殘餘能吸收的量便可以增加至5成以上，可見鋼絲網在開裂後期的韌性吸能扮演著非常重要的角色。將上述的結果再用另一種能量表現的方法加以討論，即不使用累積的能量，而採用各循環獨自的能量吸收作為比較，其結果如圖二十一二十五所示，在純纖維的加勁部分，由圖二十一可知，以2% 含量具有最佳而且穩定的吸能效果，不過其值仍比二層鋼絲網來的小；在鋼絲網加勁的部分，則以M2F20 具有好的吸能表現，而且由圖二十五觀察可知，M2F20的吸能分為二個部分，即前段斜率較小的纖維吸能區與後段斜率較大的鋼絲網吸段區，比較前段纖維吸能區與純2% 纖維吸能的情形可知，鋼絲網的添加後，反而使得每一循環的吸能效果降低，探究其原因，應是添加鋼絲網後，其極限強度下降，因此整體吸能的面積便不如純纖維2% 的部分，不過，其後期鋼絲網發揮作用後，其吸能便又大大的提升，接近2% 斜率的2倍左右，可見欲將活性粉混凝土用於吸能方面，其與鋼絲網或金屬的複合行為應是其最佳的研究方向，另外由圖二十三便可輕易觀察出，在M2F10中，其吸能的效果幾乎皆為鋼絲網的作用，纖維的影響並不明顯。 最後將上述開裂的情形列於表四，而且整理可得，纖維的作用在2% 可得最大效用，即使開裂轉變為穩定的開裂，而在鋼絲網的添加後，仍需與纖維的分工作用才可使開裂達最佳的多重穩定開裂，吸收最大量的能量。第五章 結論與建議(1) 鋼纖維加勁之活性粉混凝土在動態加載下的力學行為發展，大致與靜態抗彎的行為雷同，2% 與3% 含量對活性粉混凝土仍可提供足夠的握裏能力，使其產生擬應變硬化的現象，不過其應變硬化的範圍比起靜態加載時約有30% 40% 的折減，所以在設計應用上需取一合理的折減係數；而在抗彎強度上，約只有10%的折減。(2) 另外在鋼纖維的添加之後，其在能量吸收部分，多集中在抗彎的前期，即承載力處於擬應變硬化區之時，而且總能量的吸收以2% 含量的吸能效果最佳約是3% 的1.6倍。(3) 鋼絲網的添加之後，對於活性粉混凝土韌性的提升已不像靜態加載，具有如此良好的效果，整個擬應變硬化的範圍皆已縮短50% 以上，尤其是1% 含量，已尚失韌性的表現；另外在抗彎強度的折減部分，約有20%的下降。(4) 而鋼絲網對反覆加載的吸能方面，其貢獻多集中在纖維喪失效用的後期，在1% 含量部分尤其明顯，後期的能量吸收已可達2% 含量的80%；而在2% 部分，由於纖維所提供之握裏力已有4mm左右的應變硬化區，而此範圍與鋼絲網的極限拉伸量幾近相同，因此，在纖維喪失效用而需轉由鋼絲網來提供束制力的同時，鋼絲網卻已失去其金屬塑性的優點，因此對能量吸收的貢獻並不像1% 含量來得有利。(5) 已可將2%含量中點位移與能量吸收建立一線性關係，有利於能量吸收預測。參考文獻1 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Bernier, “Mechanical Properties of Reactive Powder Concretes”, Materials and Structures, Vol. 29, No. 188, pp 233-240 (1996)。5 邱法維、錢稼聒、陳志鵬，結構抗震實驗方法，北京：科學出版社，(2000)。6 ACI Committee 549, “Guide for the Design Construction and Repair of Ferrocement”, ACI Structural Journal, No. 85-S33, pp. 325-351, May-Jun (1998)。 表一 試體符號總表 表二 RPC試體之抗壓強度(MPa)表三 反覆加載之極限抗彎強度表四 各試體開裂模式整理 圖一 遲滯迴圈之累積能量5 圖二 反覆加載夾具架設圖 圖三 鋼絲網拉伸曲線 圖四 1% 反覆加載之行為 圖五 2% 反覆加載之行為 圖六 3% 反覆加載之行為 圖七 1% 含鋼絲網加勁之反覆加載行為 圖八 2%含鋼絲網加勁之反覆加載行為 圖九 二層鋼絲網加勁之反覆加載行為 圖十 四層鋼絲網加勁之反覆加載行為 圖十一抗彎加載力-位移曲線 圖十二 不同鋼纖維抗彎包絡線 圖十三 鋼纖維對具鋼絲加勁之包絡線 圖十四 鋼纖維與鋼絲網之包絡線比較 圖十五 鋼纖維含量有效能與殘餘能之比較 圖十六 鋼纖維含量殘餘能增加率 圖十七 鋼纖維對鋼絲網加勁之有效能與殘餘能 圖十八 鋼絲網加勁對有效能之影響 圖十九 鋼絲網加勁對殘餘能之影響 圖二十 鋼絲網加勁對纖維殘餘能之增率 圖二十一 各參數每一循環吸能關係 圖二十二 1%有無鋼絲網之循環吸能 圖二十三 1%與二層鋼絲網每一循環吸能關係 圖二十四 2%有無鋼絲網之循環吸能圖二十五 2%與二層鋼絲網每一循環吸能關係11喇拈肾链药阐猖敲莫谢弓