高温高压蒸汽养护混凝土在预力挠曲构件之应用.doc

高溫高壓蒸汽養護混凝土在預力撓曲構件之應用
壹、前言
預力，係指利用人力、器械或電氣等不同之方法預先於某構件上施加外力，希望能在構件內產生預應力以便與日後構件受載時所產生的應力互相抵消，達至平衡及穩定。
預力混凝土撓曲構件之設計與施工，有許多須注意的事項；其中最重要的即是預力損失的計算，一般規納起來因混凝土的乾縮、潛變、彈性變形所引起的損失為大宗且行為較為不易掌握。因為混凝土會因時、因地、因配比方法、製程及養護方式而在不同面向有不同的表現。因此，研究預力構件的行為，其所採用的混凝土性質也相對重要。
另就施工方法而言，須在混凝土達到一定強度下方可進行預力轉移。故強度達到需求與否，關係著構件生產之速度，但混凝土在濕治養護環境下之水化反應的進行甚為緩慢，如何加速其強度成長，提高產能，則是大家所關心與追求的。目前預鑄預力工業界常用高溫高壓蒸汽養護法（Auto-clave Curing）是將高溫水蒸汽通入放置預鑄混凝土構件的密閉壓力槽中，使養護環境的溫度調整至180～200℃，相對之壓力為8～10 atm，以促使水泥的水化反應快速完成。此法的設備投資及操作費用雖較高，但是混凝土經此養護8～10小時之後，抗壓強度可達濕治養護28天強度的85～115％，並且有較不明顯的乾縮，潛變問題。面對「時間」即是「產量」的競爭壓力，高溫高壓蒸汽養護法早已為業者所接受，並採用於實際生產過程。
不幸的是，在高溫的養護環境之下，混凝土不僅在水化反應過程與水化生成物方面略異於濕治養護混凝土，就連中長期的強度發展，亦異於吾人對混凝土的認知。其強度雖可大量快速的提高，但是，在達到材齡60～90天時，其強度卻有明顯衰減之情形，衰減量約10％左右，如此可能造成承載能力負面的影響，及預力產品製程上之不確定性。因此，吾人須針對高溫高壓蒸汽養護法在混凝土上的影響作一徹底的瞭解，方能夠安心的應用。

貳、文獻探討
一、預力混凝土之概念
混凝土的抗壓能力強，抗拉能力弱，因此在一般之混凝土結構撓曲桿件之設計中，皆把拉力區之混凝土視為只用來連結鋼筋而不承受拉力。故在跨度或載重較大時，使用的構件體積及自重均大，不符合經濟效益。
預力混凝土則在撓曲構件之拉力區上，配置高拉力高延展性鋼鍵取代大部份鋼筋，並且在鋼鍵中施以預拉力，使鋼鍵與混凝土形成一加壓系統，亦即令混凝土拉力區先承受若干預壓應力，以便抵消工作載重下所產生之拉力，增加承載能力與經濟性。目前已廣泛被使用於橋樑與大跨度房屋結構中。
設計過程中首重預力損失之計算，何謂「預力損失」？其可定義為：「在構件中，因受混凝土之彈性應變、潛變、乾縮及鋼鍵的鬆弛等因素之影響，造成初始預力與有效預力之間的差值。」其中由於混凝土彈性縮短、構材本身預力偏心及自重所引起之彎曲作用，均會造成預力的改變，故通常假設預力樑在鋼鍵轉移時，發生在第一時間的預力損失約為10％；另外，由混凝土之潛變、乾縮等現象所產生的損失，各家說法紛紜，但大家皆同意其所產生的損失量為總損失量的40~60%左右。

二、高溫高壓蒸汽養護混凝土
混凝上對於八小時高溫高壓養護之效果，與混凝土中之水泥含量有相當之關聯：設計強度210～280kgf／cm2立即強度約可達到期80％左右；而設計強度350～560kgf／cm2之間者，養護後之立即強度為90％以上，甚而超過100％。
雖然高溫高壓蒸汽養護法具有使混凝土在短時間內提昇強度的效果，但是美中不足的，是在2～3個月後，可能會有強度衰減的情況產生，而衰減的量約為其28天濕治養護強度的10％；之後，約在5～6個月以後強度又明顯的回升。

參、研究規劃
一、構想
就養護方法而言，分為高溫高壓蒸汽養護（養護後置於空氣中）與一般濕治養護兩種養護方式，再根據不同材齡間距將不同養護方式之試體分別進行不同之試驗，取得所需之數據。另外在回蒸試驗部份，試體依照不同之齡期進行回蒸，養護之後一律採模擬現場情況放置於空氣之中，並與高溫高壓蒸汽養護混凝土及濕治養生試體作比較。
就不同混凝土而言，乃是依210、350、490、630 kgf／cm2 等四組設計目標強度，得四組配比。另就預力撓曲構件之分析設計而言，藉由對混凝土在不同之養護境，不同配比所表現之諸多力學性質的瞭解，去推敲混凝土之強度快速成長對於預力撓曲構在使用與設計上之改變，及其長期強度成長變化對構件外加載重之影響；同時探討高溫高壓蒸汽養護混凝土所導致之預力損失對整體預力損失之影響並且與一般濕治養護混凝土作比較，以便對其適用性及施工之時間順序作出建議。
二、研究進行
1. 坍度
根據CNS 3040 混凝土坍度測定法測定之。
2. 抗壓強度、劈裂強度、彈性模數及柏松比測定
根據 CNS 1232、ASTM C496-71 及 C469-65測定法測定之。
3. 乾縮試驗
試驗儀器為ELE機械式應變計。
4. 潛變試驗
試驗儀器為ELE機械式應變計。潛變定壓架。千斤頂。
5. 探討高溫高壓蒸汽養護混凝土之早強特性對設計與施工之影響。
6. 分析混凝土強度的成長或衰減對預力構件之承載力與安全性之影響。
7. 分析混凝土時間性變性對預力鋼鍵預力損失的影響。

肆、研究結果與討論
一、基本力學性質
(1)坍度
混凝土的設計坍度為12cm，經拌合後，坍度尚可滿足工作度的要求，在預鑄工廠中，因水電、機械等設備支援條件佳，故當混凝土之工作性不良時，除了可利用強塑劑之添加或配比之調整等根本解決方法外，亦可惜助高震動能量之震動機具，如高效能震動床，模內、外震動器，或管狀構件可利用離心法進行夯實等諸多方法，均可有效改善混凝土工作性不佳之問題，而得到密實之混凝土。
(2)抗壓強度成長狀況
在本研究中，不同設計強度的混凝土經高溫高壓蒸汽養護之後1天（即材齡3天）至1年的觀察之中可發現，混凝土經高溫高壓蒸汽養護之後，強度迅速提高，之後各曲線在1-3個月之期間都有些許強度衰減之現象，其值大約介於15～50kgf／cm2之間，約佔10％，對PC樑設計、施工等影響，必須考慮。
由圖5-2、圖5-3、圖5-4及圖5-5看來，回蒸確實有其效果，與同時期之高溫高壓蒸汽養護混凝土比較約可提升110～130％之間。
(3)彈性模數
由試驗所得普遍看來，其值約分佈於 2*105~3*105 ，略大於經濕治養護之混凝土。
(4)柏松比與極限應變
各種混凝土之柏松比約介於0.18~0.20之間，而極限應變約介於0.0025~0.0035之間，與ACI之建議相近。
(5)劈裂試驗
所得之試驗值普遍與ACI之預測值接近。
(6)潛變試驗
高溫高壓蒸汽混凝土的潛變值約為濕治養護混凝土的60~75%，表示高溫高壓蒸汽養護對混凝土的潛變較有防制效果，如圖5-6、5-7。
(7) 乾縮試驗
混凝土經高溫高壓蒸汽養護之後，其收縮量僅為濕治養護混凝土的50%左右，顯示高溫高壓蒸汽養護法確實能有效降低混凝土之乾縮量，如圖5-8、5-9。究其原因可歸於兩點：
1.高溫高壓蒸汽養護混凝土的早期強度甚高，抑制了混凝土的乾縮。
2.高溫高壓蒸汽的養護工作完成時，加壓艙內溫度仍超過100℃，因洩壓過程迅速，混凝土內毛細孔與膠體所吸附之水將因高溫及壓變化而迅速排出混凝土體內，使混凝土體內甚為乾燥，降低了乾縮之量。
二、應用於預力構件之討論
(1)預力損失比較
以混凝土之彈性變形、乾縮與潛變三項變數來加以計算，預測式預測濕治混凝土預力損失為18.15％，而由實際試驗所得之濕治養護混凝土之預力損失為15.71％，兩者有些許差距但不大，高溫高壓蒸汽養護混凝土之預力損失為10.62％，約為前二者的65％。
(2)混凝土強度之快速成長對預力構件設計影響
採用經高溫高壓養護之混凝土，其養護後之立即強度為濕治養護28天強度，於設計時鋼鍵初預力可增加至0.757fpu而達構件底纖維拉應力之極限；故相同之構件斷面，使用相同之材料，運用高溫高壓蒸汽養護法之混凝土預力曲構件可藉由早期強度快速提昇的性能，使施加於構件之初始預力值而有較大的容許承載力。
(3)高溫高壓蒸汽養護混凝土之強度衰減對預力曲構件安全性之影響
在高溫高壓蒸汽養護混凝土之強度衰減約為10%，換算構件底纖維之容許拉應力減力4.8%，其幅度不大，且衰減時期發生於混凝土材齡2~3個月，通常工程尚在進行中，並未滿載，故其強度衰減情形對構件的安全性影響不大。
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