The Study on Manufacture Processing and Toughness Behavior of Reactive Powder Concrete Thin Plate

本實驗主要有二項研究主題，第一是透過活性粉混凝土薄版製程的研發，解決過去技術面臨的問題瓶頸，在同時添加鋼纖維及加勁鋼絲網時，仍能確保漿體內鋼纖維呈理想2D均勻分布；第二則是利用該製程製作版厚3.5公分、版寬15公分、版長51公分、跨距15公分之抗彎試體，分別引進鋼纖維含量、鋼絲網層數及漿體強弱等參數，以三分點抗彎架構進行試驗。探討活性粉混凝土薄版在單向及反覆加載時表現出的韌性行為及消能效果；也將更進一步釐清鋼纖維與鋼絲網對於消散能量的個別貢獻，並期望建立正確的背景資料，作為爾後實際設計消能構件之參考依據。 由試驗結果可知2％鋼纖維含量漿體已具良好韌性行為，不需要額外鋼絲網加勁，即能充份在主裂縫生成到完全開裂的區間內，穩定而有效地消散能量。經與其他配比交叉比對後，證明鋼纖維應為消能主要貢獻來源。而鋼絲網的添加，對於2％鋼纖維含量的活性粉混凝土韌性的提升並不十分明顯，但其對於原屬脆性行為的基材，仍具有良好提昇韌性效果，連帶造成吸收能量驟增的加成效應。此外也由與普通混凝土薄版消散能量結果比對，證實活性粉混凝土由於漿體緻密良好，在相同材質、相同含量鋼纖維及相同鋼絲網層數配置下，消能效果都較普通混凝土優越釵h。第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究範圍與內容 2 第二章 文獻回顧 5 2.1 近代混凝土強度的提昇理論 5 2.2 DFRCC 6 2.2.1 活性粉混凝土 7 2.2.1.1 活性粉混凝土簡介 7 2.2.1.2活性粉混凝土之結構機理 8 2.2.1.3 鋼纖維的增韌機制 10 2.2.2 ECC [22] 12 2.2.3 SIFCON，SIMCON [29] 14 2.3 結構消能構件 14 2.3.1 TADAS [34] 15 2.3.2 TMD 15 2.3.3 活性粉混凝土應用於消能構件的優勢 16 2.4 試驗規定及規範 17 2.4.1 抗壓試驗 17 2.4.2 抗彎試驗[36] 18 2.4.2.1 韌性指數 19 2.4.2.2 殘餘強度因子 20 2.4.2.3 破裂模數 21 2.4.2.4 延性指數 21 2.4.3 反覆加載試驗 22 2.4 鋼絲網的應用 24 2.4.1 鋼絲網種類 24 2.4.2 相關規範 25 第三章 活性粉混凝土薄版製程 27 3.1 試驗動機與目的 27 3.2 過去技術及瓶頸 27 3.3 活性粉混凝土薄版製程概念 29 3.4 小結 29 第四章 試驗計畫 33 4.1 試驗背景 33 4.2 試驗流程 33 4.3 試驗材料 33 4.4 試驗儀器設備 35 4.4.1 活性粉混凝土薄版灌製部分 35 4.4.2 試驗部份 36 4.5 試驗配比 37 4.6 試驗參數與試體尺寸 37 4.6.1試驗參數 37 4.6.2 試體尺寸 38 4.6.3 鋼絲網配置 38 4.7 拌合程序せ流動性、試體灌製與養護流程 39 4.7.1 拌合程序 39 4.7.2 流度測試 39 4.7.3試體灌製 40 4.7.4 養護流程 40 4.8 試驗內容與方法 40 4.8.1 抗壓試驗 40 4.8.2 抗彎試驗 41 4.8.2.1 單向加載 41 4.8.2.2 反覆加載圖4-4 41 第五章 結果與討論 43 5.0 前言 43 5.1 拌合情況 43 5.2 基本力學試驗 44 5.2.1 抗壓強度試驗 44 5.2.2 抗壓強度 45 5.2.3 鋼絲網材料測試 45 5.2.4 抗彎強度試驗 46 5.2.5 抗彎強度 47 5.2.5.1 鋼纖維加勁活性粉混凝土 47 5.2.5.2 鋼絲網加勁鋼纖維活性粉混凝土 48 5.2.5.3 鋼絲網與鋼纖維在抗彎強度中扮演之角色 49 5.2.6 抗彎歷程 49 5.2.6.1 鋼纖維加勁活性粉混凝土 49 5.2.6.2 鋼絲網加勁纖維活性粉混凝土 50 5.2.6.3鋼絲網與鋼纖維於抗彎歷程中扮演之角色 51 5.2.7小結 52 5.3 材料韌性表現 52 5.3.1 韌性指數 53 5.3.1.1 鋼纖維加勁活性粉混凝土 53 5.3.1.2鋼絲網加勁鋼纖維活性粉混凝土 54 5.3.1.3鋼絲網與鋼纖維於韌性指數中扮演之角色 55 5.3.2 殘餘強度因子 55 5.3.2.1 鋼纖維加勁活性粉混凝土 56 5.3.2.2鋼絲網加勁鋼纖維活性粉混凝土 56 5.3.2.3鋼絲網與鋼纖維於殘餘強度因子中扮演之角色 57 5.3.3 破裂模數 58 5.3.4 延性指數 59 5.3.4.1 鋼纖維加勁活性粉混凝土 59 5.3.4.2鋼絲網加勁鋼纖維活性粉混凝土 60 5.3.4.3鋼絲網與鋼纖維於延性指數中扮演之角色 60 5.3.5小結 61 5.4反覆加載的力學行為 61 5.4.1 反覆抗彎強度試驗 62 5.4.2 反覆抗彎極限強度 62 5.4.2.1 鋼纖維加勁活性粉混凝土 62 5.4.2.2鋼絲網加勁纖維活性粉混凝土 63 5.4.2.3 鋼絲網與鋼纖維於反覆抗彎強度中扮演角色 63 5.4.3 反覆加載抗彎歷程 64 5.4.3.1 鋼纖維加勁活性粉混凝土 64 5.4.3.2鋼絲網加勁纖維活性粉混凝土 65 5.4.3.3 鋼絲網與鋼纖維於反覆抗彎歷程中扮演角色 66 5.4.4小結 67 5.5活性粉混凝土薄版消能行為 67 5.5.1 鋼纖維加勁活性粉混凝土 68 5.5.2鋼絲網加勁纖維活性粉混凝土 68 5.5.3 鋼絲網與鋼纖維於消能行為中扮演角色 70 5.5.3.1思考邏輯與假設前提 70 5.5.3.2消能貢獻的初步釐清 71 5.5.3.3消能歷程的觀察 72 5.5.3.4鋼絲網及鋼纖維角色扮演 73 5.5.3.5 小結 74 5.6 活性粉混凝土與普通混凝土消能行為比較 74 5.6.1 鋼纖維加勁普通混凝土 75 5.6.2鋼絲網加勁鋼纖維普通混凝土 76 5.6.3小結 76 5.7 消能行為綜合討論 77 第六章 結論與建議 79 6.1結論 79 單向抗彎試驗 79 反覆抗彎試驗 79 6.2建議 80 參考文獻 83 表目錄 表2- 1 DFRCC、HPFRCC判斷指標[21] 89 表2- 2 不同混凝土材料用於建造Sherbrooke試驗橋之材料需求 89 表2- 3 各種纖維混凝土材料性質比較[23] 90 表2- 4 ACI Committee[24]所提出之鋼絲網種類表 91 表2- 5 各種鋼絲網與加載方向之整體有效因子建議設計值[24] 92 表2- 6 鋼絲網與鋼筋有效模數與降伏強度最小建議設計值[24] 92 表3- 1 平躺澆灌與垂直澆灌[43]活性粉混凝土薄版相關性質比較 93 表4- 1 試驗用矽灰成份分析 94 表4- 2 試驗用矽灰之物理性質 94 表4- 3 鋼絲網種類及材料性質 95 表4- 4 本試驗採用之配比 95 表4- 5 試體參數符號總表 95 表5- 1 活性粉混凝土試體之抗壓強度 96 表5- 2 活性粉混凝土薄版單向加載之極限抗彎強度 96 表5- 3 活性粉混凝土薄版之韌性指數 96 表5- 4 活性粉混凝土薄版之殘餘強度因子 97 表5- 5 活性粉混凝土薄版之延性指數 97 表5- 6 活性粉混凝土薄版反覆加載之極限抗彎強度 97 表5- 7 活性粉混凝土薄版反覆抗彎能量累積表 98 圖目錄 圖2- 1 DFRCC相關水泥質材料分類圖[21] 99 圖2- 2 纖維拉拔試驗的荷載與位移曲線 99 圖2- 3 纖維橋接（fiber bridge）[9] 100 圖2- 4 裂縫延伸過程中，遇到纖維時可能產生的四種情況[5] 100 圖2- 5 鋼纖維混凝土纖維體積含量與張力強度之關係[23] 101 圖2- 6 ECC 在拉力試驗下產生應變硬化行為[23] 101 圖2- 7 利用ECC局部加勁梁拉力區之斷面設計[23] 102 圖2- 8 A : brittle, B : Quasi-brittle, C : Ductile behavior [21] 102 圖2- 9 韌性指數（Toughness Index, I.）[25] 103 圖2- 10 破裂模數（Modulus of Rupture, MOR.）[2] 103 圖2- 11 延性指數（Ductility Index，μ）[2] 104 圖2- 12 位移控制的加載規則[39] 104 圖2- 13 遲滯迴圈之累積能量[39] 105 圖2- 14 鋼絲網測試試體圖[24] 105 圖2- 15 鋼絲網應力應變曲線示意圖[24] 106 圖3- 1不同製程含1%鋼纖維活性粉混凝土薄版單向加載歷程比較 107 圖4- 1 試驗流程圖 108 圖4- 2 鋼絲網配置圖 109 圖4- 3 單向加載（三分點抗彎）示意圖 109 圖4- 4 反覆加載夾具架設圖[43] 109 圖4- 5 反覆加載歷程 110 圖5- 1 鋼絲網拉伸曲線 111 圖5- 2 不同含量鋼纖維加勁活性粉混凝土薄版抗彎歷程比較 111 圖5- 3 鋼絲網加勁0%鋼纖維活性粉混凝土薄版抗彎歷程比較 112 圖5- 4 鋼絲網加勁1%鋼纖維活性粉混凝土薄版抗彎歷程比較 112 圖5- 5 鋼絲網加勁2%鋼纖維活性粉混凝土薄版抗彎歷程比較 113 圖5- 6 4×2層鋼絲網加勁不同含量鋼纖維薄版抗彎歷程比較 113 圖5- 7 所有配比活性粉混凝土薄版韌性指數比較 114 圖5- 8 不同含量鋼纖維加勁活性粉混凝土薄版韌性指數比較 114 圖5- 9 鋼絲網加勁0%鋼纖維活性粉混凝土薄版韌性指數比較 115 圖5- 10 鋼絲網加勁1%鋼纖維活性粉混凝土薄版韌性指數比較 115 圖5- 11 鋼絲網加勁2%鋼纖維活性粉混凝土薄版韌性指數比較 116 圖5- 12 所有配比活性粉混凝土薄版殘餘強度因子比較 116 圖5- 13 不同含量鋼纖維加勁活性粉混凝土薄版殘餘強度因子比較 117 圖5- 14 鋼絲網加勁0%鋼纖維加勁活性粉混凝土薄版韌性指數比較 117 圖5- 15 鋼絲網加勁1%鋼纖維加勁活性粉混凝土薄版韌性指數比較 118 圖5- 16 鋼絲網加勁2%鋼纖維加勁活性粉混凝土薄版韌性指數比較 118 圖5- 17 所有配比活性粉混凝土薄版延性指數比較 119 圖5- 18 反覆力載抗彎[施載－位移曲線] 119 圖5- 19 F1R遲滯迴圈 120 圖5- 20 F2R遲滯迴圈 120 圖5- 21 F1W4R遲滯迴圈 121 圖5- 22 F2W4R遲滯迴圈 121 圖5- 23 F1W4×2R遲滯迴圈 122 圖5- 24 F2W4×2R遲滯迴圈 122 圖5- 25 OF2R遲滯迴圈 123 圖5- 26 OF2W4×2遲滯迴圈 123 圖5- 27 F0W4×2R遲滯迴圈 124 圖5- 28 所有配比活性粉混凝土薄版反覆抗彎能量累積曲線比較 124 圖5- 29 不同含量鋼纖維加勁活性粉混凝土薄版能量累積曲線比較 125 圖5- 30 F0W4×2R能量累積曲線 125 圖5- 31 鋼絲網加勁1%鋼纖維能量累積曲線比較 126 圖5- 32 鋼絲網加勁2%鋼纖維能量累積曲線比較 126 圖5- 33 普通混凝土薄版反覆抗彎能量累積曲線 127 圖5- 34 活性粉混凝土與普通混凝土薄版反覆抗彎能量累積曲線比較 127 照片目錄 照片2- 1 擁有相同力學效果的鋼、活性粉混凝土及一般混凝土斷面大小比較 129 照片2- 2 韓國以活性粉混凝土興建之Seoul Footbridge 129 照片2- 3 Sherbrooke試驗橋為以活性粉混凝土填充管為主體之桁架結構 130 照片3- 1 以垂直澆灌活性粉混凝土之舊有製程[43] 131 照片3- 2 垂直澆灌薄版試體鋼纖維易沈積於底部 131 照片3- 3 平躺式澆灌活性粉混凝土薄版 132 照片3- 4 破壞面可觀察到鋼纖維呈均勻效率分布 132 照片4- 1 點焊鋼絲網 133 照片4- 2 中型拌合機 133 照片4- 3 流度台 134 照片4- 4 抗壓圓柱鋼模 134 照片4- 5 點焊機 135 照片4- 6 恆溫恆濕機 135 照片4- 7 震動台 136 照片4- 8 100噸萬能試驗機（1000 kN MTS） 136 照片4- 9資料收集器（TDS-302 Data Logger） 137 照片4- 10反覆加載上方施力小梁 137 照片4- 11 三分點單向抗彎試驗裝置 138 照片4- 12 三分點反覆抗彎試驗裝置 138 照片4- 13電阻式變位計（LVDT） 139 照片4- 14 ( a ) 焊合鋼絲網 ( b ) 焊合前單層與焊合後雙層(×2)鋼絲網 140 照片4- 15 流度試驗 141 照片4- 16 控制MTS反覆加載操縱面板 141 照片5- 1 鋼絲網材料拉伸試驗 142 照片5- 2 F0M破壞後試體 143 照片5- 3 F1M破壞後試體 144 照片5- 4 F2M 破壞後試體 145 照片5- 5 F0W4×2M 破壞後試體 146 照片5- 6 F1W4M破壞後試體 147 照片5- 7 F1W4×2M 破壞後試體 148 照片5- 8 F2W4M破壞後試體 149 照片5- 9 F0W4×2R破壞後試體 150 照片5- 10 F1R破壞後試體 151 照片5- 11 F2R破壞後試體 152 照片5- 12 F1W4R破壞後試體 153 照片5- 13 F1W4×2R破壞後試體 154 照片5- 14 F2W4R破壞後試體 155 照片5- 15 F2W4×2R破壞後試體 156 照片5- 16 OF2W4×2R破壞後試體 15