新世代耐震材料

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1、新世代耐震材料－高流動性應變硬化鋼纖維混凝土的研發及應用DOI:10.6653/MoCICHE/2017.04401.06新世代耐震材料—高流動性應變硬化鋼纖維混凝土的研發及應用廖文正／國立臺灣大學土木工程學系副教授高流動性應變硬化鋼纖維混凝土為近年來台灣大學研發之高韌性新世代耐震材料，其同時擁有自充填混凝土在新拌時的自充填超高流動性，及高性能纖維水泥質複合材料受直拉作用時，呈應變硬化之卓越力學性質。未來台灣在走向使用高強度混凝土的高層鋼筋混凝土建築時，為因應高強度混凝土偏脆性的破壞模式及底層柱將承受極大軸壓的考驗，美國混凝土學會（A

2、mericanConcreteInstitute,ACI）於2014年出版的結構混凝土建築規範（ACI318-14）已要求比台灣現行規範需要更多的橫向鋼筋來確保柱構材的韌性，此項變革將會使未來柱子鋼筋綁紮及澆置施工難度大幅提高；而有梁主筋穿過的梁柱接頭之鋼筋配置將更加複雜而因難。由國家地震工程研究中心相關實尺寸（柱及梁柱接頭）反復載重試驗結果發現，高流動性應變硬化鋼纖維混凝土可有效取代橫向鋼筋，除了柱構材的橫向鋼筋可放大到有效深度的一半外，在梁柱接頭內甚至可以完全不需配置橫向鋼筋。高流動性應變硬化鋼纖維混凝土優異的工程力學行為（高軸力

3、下極限變形容限、高剪力強度、拉力應變韌性、高消能容限等），將有助提昇建物抗震表現、提高材料效率、減少箍筋使用、抑制裂縫生成及增加變形損傷容限，達到永續發展及防災耐震的目標。前言直至1960年初Romualdi與Mandel成功使用鋼纖維大幅混凝土為全球應用最廣泛的營建材料，其具有經濟改善混凝土力學性質，才讓鋼纖維混凝土真正受到世界性、耐火性、易塑性、高抗壓性等優點，但其抗張強度廣泛注意及開始蓬勃發展。接續更有其他學者添加不同卻僅約抗壓強度十分之一，並有脆性破壞及抗張延展性類型的纖維（如英國學者Majumdar與Ryder添加玻璃差的先

4、天缺陷。藉由添加纖維來改善混凝土力學質已在纖維）及提出纖維混凝土基礎理論分析研究。除了成功近二三十年來普遍應用，並針對應用標的不同，調整添帶起纖維混凝土相關研究起飛外，Romualdi與Mandel加纖維的數量、材質和種類。添加纖維體積比愈高，相更以破壞力學的觀點切入纖維混凝土受拉時的應力應變對增加的拉力強度及韌性也愈高；然而，高鋼纖維量的關係；Naaman在1972年時以添加未經表面處理的鋼製添加，卻同時讓工作性巨幅降低，增加了施工的難度，短纖，整理出了一系列鋼纖維水泥質複合材料在不同纖也相對造成混凝土的不均勻性及硬固品質的不確定性

5、。維含量下的拉力及變形關係（圖1）。由於纖維較短、與為了克服水泥質材料受拉時呈現的低強度脆性破水泥漿體間握裹較弱，該實驗即便在添加了3%體積含壞，Berard早就在1874年就提出在混凝土中添加纖維的量的纖維，仍只呈現應變軟化的行為，但已大幅改善過想法，這也是從基本體質上改善水泥質材料的濫觴；但去水泥質材料受拉初裂即斷裂的脆性破壞樣態。52Vol.44,No.1February2017土木水利第四十四卷第一期地震工程專輯圖1Naaman於1972年發表之鋼纖維水泥質複合材料拉力－變形關係圖混凝土也能應變硬化圖2受直接拉力，應變軟化及應

6、變硬化纖維水泥質複合材料隨著愈來愈多關於纖維水泥質複合材料受拉行為之應力應變比較的討論，﹝應變硬化，strainhardening﹞這個名詞首度在1978年RILEMSymposiumonTestingandTestMethodsof卻也會同時降低混凝土的流動度及工作性，造成施工上FiberCementComposites由Kaperkiewickz提出，用來描的困難及工程品質的降低。述纖維水泥質複合材料的受拉行為：“Whatismuchmore筆者近年來以自充填混凝土為設計基材，透過改importantisthatthealigne

7、dfibersgivequitesubstantial善粒料級配及漿體強度，並添加適量鋼纖維，已成功ductilityandakindofstrainhardeningcharacteristictothe研發一系列針對不同強度需求之高流動性應變硬化鋼composite”。至此，纖維混凝土可依受直拉行為不同分纖維混凝土。其鋼纖維（hooked,L=30mm,aspectratio為應變軟化及應變硬化二大類。=80）體積含量為1.5到2.0%，抗壓強度範圍從35至如圖2所示，在受直接拉力作用下，應變軟化纖維105MPa，坍流度直徑約為6

8、00mm。在直拉試驗中，不混凝土在初裂後雖不至馬上破壞，但其拉力強度卻於初同於普通混凝土的脆性破壞，也呈現了應變硬化的力學裂後有一陡降，並隨著裂縫增大而緩步降低，即為所謂性質，並伴隨多重裂縫產生。與傳統HPFRCC相比，