詹穎雯臺灣大學：土木工程學研究所林建宏2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50156摘要 台灣因特殊地勢影響，使得河流通常短而急促、高差大，並夾帶大量泥沙、砂礫。易對水工結構物直接造成磨耗及沖刷作用，導致水工結構物表面材料嚴重損壞，混凝土表面剝落鋼筋外露，不僅縮短結構體使用年限，亦可能造成整體結構物之安全問題。如欲延長結構物壽命而花費可觀經費用於修補結構體表面，不如從提昇水工結構物抗磨耗能力的材料面加以探討。爐石混凝土在水工結構物上的使用為現在相關工程常見之情形，雖目前多以抗壓強度高低來判斷混凝土之抗磨耗性質，但仍需對爐石混凝土其水中抗磨耗性質進行探討研究，以釐清爐石混凝土水中抗磨耗能力。 故本研究主要在建構爐石混凝土之各項基本力學性質與水中抗磨耗性的完整資料，以獲得爐石混凝土抗壓強度與抗磨耗性間之關係，再藉著觀察試體在試驗期間變化，以了解水中磨耗試驗之破壞歷程，作為未來改善爐石混凝土抗磨耗性質的依據。並由不同的磨耗損失量搭配一些水理公式計算水中磨耗試驗之能量，反推所需之磨耗層厚度，建立爐石混凝土抗磨耗性的材料參數，用以檢核相關水工結構物磨耗層厚度。目錄 誌謝…………………………………………………………………一 摘要…………………………………………………………………三 目錄…………………………………………………………………五 表目錄………………………………………………………………九 圖目錄……………………………………………………………一一 照片目錄…………………………………………………………一六 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究範圍 3 第二章 文獻回顧 5 2.1 混凝土結構物耐久性及劣化原因 5 2.2 水中磨耗機理 6 2.2.1 水中磨耗作用之定義及影響因素 6 2.2.2 水中泥沙移運方式 7 2.3 爐石混凝土之性質 10 2.3.1爐石主要水化反應機理 11 2.3.2爐石對混凝土性質的影響 12 2.4影響混凝土抗磨耗能力與強度之材料參數 16 2.4.1抗磨耗能力與材料參數之關係 16 2.4.2影響抗壓強度之因素 23 第三章 實驗計畫 27 3.1 實驗目的 27 3.2 實驗參數與規劃 28 3.2.1 實驗參數 28 3.2.2 實驗規劃 28 3.3配比設計、拌合與材料性質 29 3.3.1 配比設計、拌合 29 3.3.2 材料性質 29 3.4水中磨耗試驗 31 3.4.1試驗儀器 31 3.4.2試驗方式 32 3.4.3分析方式 33 3.4.4磨耗機校正 34 3.5基本力學試驗 35 3.5.1實驗儀器 35 3.5.2抗壓強度之量測 36 3.5.3彈性模數之量測 37 3.5.4劈裂試驗 39 第四章 試驗結果與討論 41 4.1 水膠比之效應 41 4.1.1 水膠比對抗壓強度之影響 42 4.1.2 水膠比對劈裂強度之影響 42 4.1.3 水膠比對彈性模數之影響 43 4.1.4 水膠比對水中磨耗性質之影響 44 4.1.5 水膠比對各項性質影響之比較 45 4.2 爐石粉取代水泥量之效應 46 4.2.1 爐石粉取代水泥量對抗壓強度之影響 46 4.2.2 爐石粉取代水泥量對劈裂強度之影響 47 4.2.3 爐石粉取代水泥量對彈性模數之影響 48 4.2.4 爐石粉取代水泥量對水中磨耗耗性質之影響 49 4.2.5 爐石粉取代水泥量對各項性質影響之比較 50 4.3齡期之效應 51 4.3.1 齡期對抗壓強度之影響 51 4.3.2 齡期對劈裂強度之影響 52 4.3.3 齡期對彈性模數之影響 54 4.3.4 齡期對水中磨耗性質之影響 55 4.4基本力學性質之比較 56 4.4.1 抗壓強度與劈裂強度之間的關係 57 4.4.2 抗壓強度與彈性模數之間的關係 58 4.5水中磨耗機理探討 61 4.5.1水中磨耗歷程與趨勢 61 4.5.2抗壓強度與水中磨耗性質之關係 65 第五章 水工結構磨耗層厚度推估 69 5.1 磨耗層厚度推算原理 69 5.2 水中磨耗試驗能量推估 70 5.2.1 掃流力及限界掃流力 71 5.2.2 摩擦能量 72 5.3 摩擦損耗係數探討與磨耗層厚度推估 75 5.3.1 摩擦損耗係數討論 75 5.3.1 摩擦層厚度推估 77 第六章 結論與建議 79 6.1 結論 79 6.2 建議 82 參考文獻 85 表目錄 表2-1 懸移質與推移質之比較【7】 93 表2-2 懸移質與推移質對水工結構物之影響【7】 93 表2-3 莫氏 (Mohs) 硬度值【24】 94 表2-4 台灣地區中北部各主要河川骨材磨損率【27】 94 表3-1 實驗配比表 95 表3-2 新拌混凝土性質 96 表3-3 水泥化學分析試驗報告 97 表3-4 水泥物性試驗報告 98 表3-5 爐石物理、化學性質試驗報告 99 表3-6 粗骨材相關試驗報告 100 表3-7 細骨材相關試驗報告 101 表3-8 水中磨耗機校正試驗石膏磨損體積 102 表4-1 試體28天齡期試驗結果 103 表4-2 試體56天齡期試驗結果 104 表4-3 試體91天齡期試驗結果 105 表4-4 試體28天齡期磨耗試驗結果 106 表4-5 試體56天齡期磨耗試驗結果 106 表4-6 試體91天齡期磨耗試驗結果 107 表4-7 劈裂強度實測值與預測值之比較 107 表4-8 彈性模數實測值與預測值之比較 108 表5-1 試體各處磨損次數 109 表5-2 總摩擦能量計算 109 表5-3 摩擦損耗係數 110 表5-4 修正能量後之摩擦損耗係數 110 圖目錄 圖2-1 泥沙移運方式分類圖【7】 111 圖2-2 泥沙移運方式示意圖【8】 112 圖2-3 高爐石生產流程示意圖【10】 113 圖2-4 爐石粉及卜特蘭高爐水泥生產流程【10】 114 圖2-5 爐石粉水泥砂漿強度成長趨勢【14】 115 圖2-6 混凝土抗壓強度與磨耗體積損失之關係【19】 115 圖2-7 水灰比對混凝土磨耗性質之關係【19】 116 圖2-8 養護環境與水灰比對混凝土磨耗性質之關係【23】 116 圖2-9 骨材硬度對混凝土磨耗性質之關係【23】 117 圖2-10 不同骨材對混凝土磨耗性質之關係【19】 117 圖2-11 最大骨材粒徑與混凝土磨耗性質之關係【23】 118 圖2-12 混凝土含矽灰對磨耗性質之影響【20】 119 圖2-13 矽灰混凝土之孔隙累積圖【29】 120 圖2-14 混凝土添加矽灰與飛灰孔隙直徑與灌入體積圖【31】.121 圖2-15 含矽灰與飛灰混凝土養護齡期與孔隙率關係圖【31】.121 圖2-16 飛灰混凝土28天齡期對磨耗性質之影響【21】 122 圖2-17 飛灰混凝土91天齡期對磨耗性質之影響【21】 122 圖2-18 飛灰混凝土28天齡期對磨耗性質之影響【33】 123 圖2-19 飛灰混凝土91天齡期對磨耗性質之影響【33】 123 圖2-20 坍度與混凝土磨耗性質之關係【32】 124 圖2-21 水泥漿體中孔隙分佈圖【36】 125 圖2-22 壓汞孔隙率與磨耗深度之關係【38】 126 圖2-23 混凝土孔隙與磨耗性質之關係【30】 126 圖2-24 膠體數量/孔隙比與強度之關係【30】 127 圖2-25 不同水灰比新拌及硬固水泥漿體水化組成【42】 127 圖2-26 爐石粉取代量與抗壓強度之關係【56】 127 圖3-1 拌合、養護程序 129 圖3-2 水中磨耗機內部尺寸圖 130 圖3-3 磨耗機校正試驗 131 圖4-1 28天齡期水膠比與磨耗損失量之關係 132 圖4-2 28天齡期爐石粉取代水泥量與磨耗損失量之關係 132 圖4-3 56天齡期水膠比與磨耗損失量之關係 133 圖4-4 56天齡期爐石粉取代水泥量與磨耗損失量之關係 133 圖4-5 91天齡期水膠比與磨耗損失量之關係 134 圖4-6 91天齡期爐石粉取代水泥量與磨耗損失量之關係 134 圖4-7 28天齡期水膠比與抗壓強度之關係 135 圖4-8 56天齡期水膠比與抗壓強度之關係 135 圖4-9 91天齡期水膠比與抗壓強度之關係 136 圖4-10 水膠比與抗壓強度之關係 136 圖4-11 28天齡期水膠比與劈裂強度之關係 137 圖4-12 56天齡期水膠比與劈裂強度之關係 137 圖4-13 91天齡期水膠比與劈裂強度之關係 138 圖4-14 水膠比與劈裂強度之關係 138 圖4-15 28天齡期水膠比與彈性模數之關係 139 圖4-16 56天齡期水膠比與彈性模數之關係 139 圖4-17 91天齡期水膠比與彈性模數之關係 140 圖4-18 水膠比與彈性模數之關係 140 圖4-19 28天齡期水膠比與磨耗損失量之關係 141 圖4-20 56天齡期水膠比與磨耗損失量之關係 141 圖4-21 91天齡期水膠比與磨耗損失量之關係 142 圖4-22 水膠比與磨耗損失量之關係 142 圖4-23 28天齡期爐石粉取代水泥量與抗壓強度之關係 143 圖4-24 56天齡期爐石粉取代水泥量與抗壓強度之關係 143 圖4-25 91天齡期爐石粉取代水泥量與抗壓強度之關係 144 圖4-26 28天齡期爐石粉取代水泥量與劈裂強度之關係 144 圖4-27 56天齡期爐石粉取代水泥量與劈裂強度之關係 145 圖4-28 91天齡期爐石粉取代水泥量與劈裂強度之關係 145 圖4-29 28天齡期爐石粉取代水泥量與彈性模數之關係 146 圖4-30 56天齡期爐石粉取代水泥量與彈性模數之關係 146 圖4-31 91天齡期爐石粉取代水泥量與彈性模數之關係 147 圖4-32 28天齡期爐石粉取代水泥量與磨耗損失量之關係 147 圖4-33 56天齡期爐石粉取代水泥量與磨耗損失量之關係 148 圖4-34 91天齡期爐石粉取代水泥量與磨耗損失量之關係 148 圖4-35 齡期對抗壓強度之影響(水膠比) 149 圖4-36 齡期對抗壓強度之影響(取代量) 149 圖4-37 齡期對劈裂強度之影響(水膠比) 150 圖4-38 齡期對劈裂強度之影響(取代量) 150 圖4-39 齡期對彈性模數之影響(水膠比) 151 圖4-40 齡期對彈性模數之影響(取代量) 151 圖4-41 齡期對磨耗損失量之影響(水膠比) 152 圖4-42 齡期對磨耗損失量之影響(取代量) 152 圖4-43 抗壓強度與劈裂強度之關係 153 圖4-44 抗壓強度與彈性模數之關係 153 圖4-45 第一階段磨耗示意圖 154 圖4-46 第二階段磨耗示意圖 154 圖4-47 第三階段磨耗示意圖 155 圖4-48 第四階段磨耗示意圖 155 圖4-49 抗壓強度與磨耗損失量之關係 156 圖4-50 水膠比0.42之磨耗損失量 156 圖4-51 水膠比0.38之磨耗損失量 157 圖4-52 水膠比0.35之磨耗損失量 157 圖4-53 水膠比0.31之磨耗損失量 158 圖4-54 水膠比0.28之磨耗損失量 158 圖4-55 水膠比0.35、取代量0%之磨耗損失量 159 圖4-56 水膠比0.35、取代量20%之磨耗損失量 159 圖4-57 水膠比0.35、取代量75%之磨耗損失量 160 圖4-58 爐石混凝土、矽灰混凝土抗壓強度與磨耗損失量之關係 160 圖5-1 直線水路實驗裝置【54】 161 圖5-2 有鉛直曲率之水路實驗裝置【54】 161 圖5-3 粒徑與河底底速之關係 162 圖5-4 抗壓強度與摩擦損耗係數之關係 162 圖5-5 抗壓強度與磨耗層厚度之關係 163 照片目錄 照片1-1 水工結構受洪水磨耗及沖蝕而鋼筋外露情形 164 照片1-2 水工結構受洪水磨耗及沖蝕而鋼筋外露情形 164 照片1-3 水工結構受洪水磨耗及沖蝕而鋼筋外露情形 165 照片1-4 溢洪道表面受磨損情形 165 照片2-1 洛杉磯磨損試驗機照片 166 照片2-2 磨損試驗結果與試驗用鋼珠 166 照片3-1 水平雙軸式拌合機 167 照片3-2 坍流度錐及試驗用平板 167 照片3-3 新拌混凝土坍度試驗 168 照片3-4 新拌混凝土坍流度試驗 168 照片3-5 空氣含量測定器 169 照片3-6 水中磨耗試驗機 169 照片3-7 水中磨耗試驗機內觀 170 照片3-8 水中磨耗試驗機底部 170 照片3-9 水中磨耗試驗鋼珠尺寸 171 照片 3-10 電子秤 171 照片3-11 MTS萬能材料試驗機 172 照片3-12 多弁鉊禤あ炮偏2627610 bytesapplication/pdfen-US磨耗層爐石水中磨耗slagAbrasion Erosionthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50156/1/ntu-93-R91521224-1.pdf