111 年 國立中央大學土木工程學系碩士班丁：材料組一般生《工程材料》

此題為解釋名詞題，主要在測試考生對工程材料基本名詞的理解程度。

1. 黏滯度 (Viscosity)
   黏滯度是流體抵抗流動的內部摩擦力，通常用動力黏滯度 ($\mu$) 或運動黏滯度 ($\nu$) 表示。對於瀝青等高分子材料，黏滯度是衡量其流動性的重要指標，並隨溫度顯著變化。高溫下黏滯度低，易於鋪設；低溫下黏滯度高，能提供較好的穩定性。

2. 間接張力 (Indirect Tensile Strength)
   間接張力試驗，又稱巴西試驗 (Brazilian test)，是一種測定脆性材料（如混凝土、岩石、瀝青混凝土試體）抗拉強度的間接方法。試體承受壓力時，在試體中心區域會產生近似均勻的張力，當張力達到材料的抗拉強度時，試體即會破裂。其計算公式為：
   $\sigma_t = \frac{2P}{\pi DL}$
   其中 $\sigma_t$ 為間接張力強度，$P$ 為施加的載重，$D$ 為試體直徑，$L$ 為試體厚度。

此題主要考查卜作嵐反應的定義、機理，以及具體卜作嵐材料的物化性質及其對混凝土的影響。

卜作嵐反應 (Pozzolan Reaction)
卜作嵐反應是指一種含有火山灰質的物質，本身可能沒有或只有很低的膠結性質，但它能在常溫下，在有水存在的條件下，與氫氧化鈣（$Ca(OH)_2$，即水化水泥產生的熟料）發生化學反應，生成具有膠結性的水化產物，通常是水化矽酸鈣 (C-S-H)。此反應不僅消耗了水泥水化過程中產生的氫氧化鈣，還生成了新的膠結相，從而改善了混凝土的長期強度、耐久性及其他性能。

舉例：飛灰 (Fly Ash)
飛灰是燃燒煤炭的工業鍋爐或火力發電廠產生的副產品，是一種常見且廣泛使用的卜作嵐材料。

• 物化性質：
  • 成分： 主要成分是二氧化矽 ($SiO_2$) 和氧化鋁 ($Al_2O_3$)，也含有少量的氧化鐵 ($Fe_2O_3$)、氧化鈣 ($CaO$) 等。飛灰的化學成分和礦物組成取決於燃燒的煤炭種類和燃燒條件。
  • 形態： 呈細小的球形顆粒，粒徑通常在 1-100 $\mu m$ 之間，平均粒徑一般小於水泥顆粒。
  • 活性： 飛灰的卜作嵐活性主要取決於其非結晶二氧化矽的含量及反應性。高反應性的飛灰通常具有較高的非結晶二氧化矽含量和較細的粒徑。
  • 種類： 根據飛灰中氧化鈣的含量，可分為 F 級飛灰（低鈣，CaO < 10%）和 C 級飛灰（高鈣，CaO > 10%）。F 級飛灰的卜作嵐活性主要依靠與水泥水化產生的 $Ca(OH)_2$ 反應；C 級飛灰除了卜作嵐反應外，本身也具有一定的水硬性（能與水直接反應生成水化物）。

此題旨在測試考生對強塑劑（高效減水劑）在混凝土中作用機制的理解。

強塑劑 (Superplasticizer) 提升工作性原理
強塑劑，又稱高效減水劑，是一類高分子化合物，屬於第三代或更先進的外加劑。在水泥混凝土中，水泥顆粒在水中會因表面電荷而相互吸引，形成絮凝體 (floccules)，中間包裹大量的水，導致水的利用效率低，拌合物流動性（工作性）差。

當加入強塑劑後，其分子結構具有親水基團和疏水基團。這些分子會吸附在水泥顆粒的表面：

1. 靜電排斥 (Electrostatic Repulsion)：強塑劑的親水基團帶有負電荷，當大量負電荷吸附在水泥顆粒表面時，會產生強烈的靜電排斥作用，使原本聚集的水泥顆粒相互分離，分散開來。

此題主要考查 ACI 規範下混凝土配合設計時，對粒料（骨材）物理性質的要求及相應試驗的目的。

ACI (American Concrete Institute) 規範在進行混凝土配合設計時，對粒料（粗骨材和細骨材）的物理性質有詳細的要求，這些性質直接影響混凝土的性能。主要的物理性質及其試驗目的如下：

一、 粗骨材 (Coarse Aggregate)

1. 粒徑分佈 (Gradation)

   • 試驗方法： 篩分析 (Sieve Analysis)。
   • 試驗目的： 確定粗骨材的顆粒大小分佈範圍。良好的級配可以使粗骨材與細骨材之間的空隙減到最小，減少水泥漿用量，提高混凝土的密實度和強度，並影響其和易性。ACI 規範對不同最大粒徑的粗骨材有詳細的級配要求。

2. 密度與吸水率 (Density and Absorption)

   • 試驗方法： 質量法（如 ASTM C127）。
   • 試驗目的：
     • 表乾密度 (Oven-dry density)： 測定骨材在完全乾燥狀態下的密度，用於計算混凝土的密度和配合比。
     • 飽和面乾密度 (Saturated surface-dry density)： 測定骨材孔隙被水充滿但表面無水的密度，這是進行配合設計時計算骨材含水量和調整混凝土配合比的基準。
     • 吸水率 (Absorption)： 測定骨材孔隙吸收水分的能力。吸水率高的骨材會從拌合水中吸收水分，導致實際水灰比偏低，影響混凝土強度。需要根據吸水率來調整拌合水的量。

3. 堆積密度與空隙率 (Bulk Density and Voids)

   • 試驗方法： 堆積密度試驗 (Bulk Density Test)。
   • 試驗目的： 測定單位體積骨材（包括骨材顆粒本身及其間的空隙）的質量。與密度結合，可以估計骨材的堆積效率，並間接反映其級配和形狀。

4. 壓碎值 / 洛杉磯磨損值 (Crushing Value / Los Angeles Abrasion Value)

   • 試驗方法： 壓碎值試驗 (Crushing Value Test) 或洛杉磯磨損試驗 (Los Angeles Abrasion Test)。
   • 試驗目的： 測定骨材的抗壓碎能力和耐磨損、耐衝擊能力。要求骨材具有足夠的強度和耐久性，以抵抗混凝土在受力、運輸、澆築和使用過程中承受的機械作用。

5. 含水量 (Moisture Content)

   • 試驗方法： 烘乾法 (Oven-dry method) 或快速水分計法。
   • 試驗目的： 測定骨材中實際包含的水分。在配合設計時，必須準確測量骨材的含水量，以便調整拌合用水量，保證混凝土實際水灰比符合設計要求。

此題考查預拌混凝土在運輸過程中常見的三種問題：坍損、析離和泌水，要求分析其原因並提出預防及改善方法。

1. 坍損 (Slump Loss)

• 原因：

  • 環境溫度高： 高溫會加速水泥水化反應，使混凝土早期強度發展過快，拌合物變稠，流動性降低。
  • 運輸時間過長： 水泥水化反應持續進行，導致混凝土逐漸失去流動性。
  • 水泥本身性質： 如水泥細度過細、鹼含量高等，可能加速水化。
  • 外加劑失效或用量不足： 減水劑、塑化劑等外加劑的效能隨時間和溫度可能衰減，若用量不足或選擇不當，則無法維持足夠的流動性。
  • 拌合水量不足： 初始拌合水量偏低。
  • 骨材吸水： 骨材（特別是乾燥的骨材）會吸收拌合水，導致有效水灰比降低。

• 預防與改善：

  • 適當的運輸時間： 盡量縮短運輸時間，遵守規範規定的最大運輸時間。
  • 使用外加劑： 摻用高效減水劑或保塑劑 (retarding plasticizer)，可延長混凝土的保塑時間，維持流動性。
  • 控制拌合水量： 確保初始拌合水量充足，並考慮骨材的吸水率。
  • 改善骨材性質： 使用吸水率較低的骨材。
  • 採用低水化熱水泥： 對於長途運輸或高溫環境，可選用低水化熱水泥。
  • 加水調整（謹慎）： 在工地若發現坍度不足，可在允許的水灰比範圍內，並經現場監督人員同意後，適量加入拌合水和外加劑進行調整，但需注意不能超過設計水灰比。

2. 析離 (Segregation)

• 原因：
  • 拌合不均勻： 拌和時間不足或拌和設備不良，導致水泥漿、骨材、水未能均勻混合。
  • 水灰比過高： 過多的水會使水泥漿與骨材之間的分離趨勢增加。
  • 骨材級配不良： 粗骨材過多或粒徑過大，與細骨材、水泥漿之間形成較大的空隙，容易發生分離。
  • 骨材形狀不良： 扁平、細長的骨材容易滾動分離。
  • 運輸過程中的劇烈震動： 長時間或劇烈的機械震動會加劇粗骨材與水泥漿的分離。
  • 外加劑使用不當： 過量使用減水劑或不當使用空氣夾帶劑，可能導致水泥漿與骨材分離。

此題旨在測試考生對剛性鋪面 (Rigid Pavement) 與柔性鋪面 (Flexible Pavement) 的基本概念、結構特徵、工作原理及適用性的理解。

剛性鋪面 (Rigid Pavement)

• 定義： 剛性鋪面是指使用厚而堅硬的板狀材料（通常是鋼筋混凝土或無鋼筋混凝土板）作為承載層的鋪面結構。
• 結構特徵： 主要由混凝土板、基礎層（如有）、基層（如有）組成。混凝土板是關鍵承載構件，其厚度通常較大（15-30 cm 或更多）。
• 工作原理： 混凝土板本身具有很高的抗彎剛度 (flexural rigidity) 和強度。當載重作用在混凝土板上時，載荷主要通過板的彎曲和應力傳遞，並由板的整體性將應力分散到較大的面積上，同時也由板與下方的基礎層或土壤直接承受。混凝土板被視為一個整體，能將局部載荷均勻分散到整個路基上，因此對基層和路基的要求相對較低。
• 優點：
  • 耐久性好，使用壽命長（通常 20-40 年）。
  • 維護費用較低。
  • 表面平整，不易變形，行車舒適。
  • 對基層和路基的強度要求不高。
  • 抗車轍能力強。
• 缺點：
  • 初期建設費用較高。
  • 施工較為複雜，養護期較長。
  • 接縫處理是關鍵，接縫處容易產生不平整和損壞。
  • 一旦損壞，修復相對困難且成本高。
• 應用場合： 主要用於高交通量、重載交通的道路，如高速公路、機場跑道、城市主要幹道等。

柔性鋪面 (Flexible Pavement)

• 定義： 柔性鋪面是指由多層不同粒徑的粒料（如碎石、砂）和瀝青混合料（如瀝青混凝土）組成的鋪面結構。
• 結構特徵： 通常由面層 (surface course)、基層 (base course)、底基層 (subbase course) 和路基 (subgrade) 組成。各層材料的力學性質和粒徑分佈不同。
• 工作原理： 柔性鋪面不具備顯著的抗彎能力。當載重作用在面層時，應力通過各層材料的逐層傳遞和分散，最終由較厚的路基承擔。各層材料的變形累積起來，造成整個鋪面結構的變形。因此，柔性鋪面對基層和路基的強度要求較高。
• 優點：
  • 初期建設費用相對較低。
  • 施工較為簡單快捷，可分層建設和逐步加厚。
  • 損壞後易於修補和加寬。
  • 接縫處理相對簡單。
• 缺點：
  • 使用壽命相對較短（通常 10-20 年）。
  • 維護費用較高。
  • 易受交通量和氣溫影響產生車轍、裂縫等病害。
  • 對基層和路基的強度要求較高。
• 應用場合： 適用於各種交通量和交通類型的道路，特別是中低交通量、對初期投資敏感的地區，如鄉村道路、城市次幹道、停車場等。

主要區別總結：

此題考查台灣常用的瀝青混凝土設計方法，以及如何確定最佳瀝青含量。

台灣常用的瀝青混凝土設計法

台灣瀝青混凝土設計方法主要採用 馬歇爾設計法 (Marshall Design Method)，這是國際上廣泛應用的一種瀝青混凝土配合比設計方法。雖然近年來也有引入 Superpave 等新方法，但馬歇爾法因其操作相對簡便、試驗設備普及，至今仍在台灣的道路工程中佔有重要地位，尤其是在規範中仍有提及或作為參考。

馬歇爾設計法的基本原理：
馬歇爾設計法是通過製作一系列不同瀝青含量的馬歇爾試體，並進行馬歇爾穩定度 (Marshall Stability) 和流值 (Flow Value) 試驗，以及體積性質（如空隙率、VMA、VFA）的測定，來確定最佳瀝青含量。其基本思想是尋找一個瀝青含量，能夠在保證足夠穩定度和耐久性的同時，也達到較好的經濟性。

決定最佳含油量 (最佳瀝青含量) 的步驟：

1. 準備骨材： 選擇並準備好設計所需的各種粒徑的粗骨材、細骨材和填縫料 (filler)。
2. 確定試驗級配： 根據設計要求（如最大粒徑、級配範圍），選定一個或幾個代表性的骨材級配。
3. 製作馬歇爾試體： 針對選定的級配，製作一系列（通常 5 組）不同瀝青含量的試體。每組瀝青含量應涵蓋設計預期範圍，且組間瀝青含量差約 0.5%-1.0%。試體尺寸通常為直徑 10.16 cm (4 inch)，高 6.35 cm (2.5 inch)。
4. 馬歇爾試驗：
   • 穩定度 (Marshall Stability) 試驗： 將製作好的試體在規定溫度（如 60°C）下進行穩定度試驗。穩定度是指試體在受壓破壞前所能承受的最大載荷。
   • 流值 (Flow Value) 試驗： 在穩定度試驗過程中，記錄試體從施加初始載荷（或某一規定載荷）到破壞時，其頂面的垂直變形量，即為流值。流值反映了瀝青混合料的延展性或塑性。
5. 體積性質測定： 對每組試體，在完成穩定度試驗後，測定其體積性質，包括：
   • 體積密度 (Bulk Specific Gravity)： 測定試體的表觀密度。
   • 瀝青含量 (Asphalt Content)： 根據試驗前試體質量和瀝青用量計算。
   • 礦料含量 (Aggregates Content)： 減去瀝青和孔隙後的水泥石體積。
   • 空隙率 (Percentage of Voids, $V_a$)： 根據試體密度和理論最大密度計算。
   • 瀝青飽和度 (Percentage of Voids Filled with Asphalt, $V_f$)： 根據瀝青含量和礦料體積計算。
   • 礦料空隙率 (Voids in Mineral Aggregate, VMA)： $VMA = V_a + V_f$。