111 年 國立中央大學土木工程學系碩士班丁：材料組在職生《工程材料》

本題為工程材料的基礎名詞解釋，主要測試考生對材料基本性質與試驗方法的了解程度。

1. 黏滯度 (Viscosity)：
   黏滯度是流體抵抗流動的內部摩擦力，也就是流體內部的黏滯性。對於液體而言，黏滯度越高，表示流動性越差。在工程材料中，特別是在瀝青、水泥漿液等領域，黏滯度是影響施工性能的重要參數。例如，高黏滯度的瀝青在低溫下難以泵送和鋪設，而低黏滯度的瀝青可能在鋪設後容易產生變形。
   【答案】流體抵抗流動的內部摩擦力。

2. 間接張力 (Indirect Tension)：
   間接張力試驗，又稱巴西試驗 (Brazilian Test)，是一種測量脆性材料（如混凝土、岩石）抗拉強度的間接方法。試驗時，將圓柱形或圓盤形試體置於壓力機的兩平行平板之間，施加壓力使其沿直徑方向受壓，進而產生作用在試體內部的張力，直至試體破裂。此試驗方法較直接抗拉試驗容易進行，且試體不易損壞。
   【答案】一種測量脆性材料抗拉強度的間接試驗方法，透過施加壓力使其產生內部張力而破壞。

3. VMA (Voids in Mineral Aggregate)：
   VMA 指的是礦物骨材總體積中，扣除骨材本身體積後所剩下的空隙體積，通常以體積百分比表示。VMA 是瀝青混凝土設計中的一個關鍵參數，它包含了瀝青量、填充料量以及空氣空隙。

本題考查卜作嵐反應的定義、機理，以及一種卜作嵐材料的物化性質及其對混凝土性能的影響。

卜作嵐反應 (Pozzolan Reaction)：
卜作嵐反應是指一種含矽質或矽鋁質的材料，本身可能沒有或只有微弱的黏結性，但在細粉狀態下，與水反應生成氫氧化鈣（Ca(OH)$_2$），並且在常溫下與氫氧化鈣和水反應，生成具有膠結能力的矽酸鈣水合物（C-S-H gel）。這種反應是卜作嵐材料在水泥基材料中發揮作用的關鍵。

卜作嵐材料舉例：飛灰 (Fly Ash)
飛灰是燃煤電廠燃煤過程中的副產品，是一種細粉狀的無機物。

飛灰的物化性質：

1. 化學成分：主要成分是氧化矽 (SiO$_2$) 和氧化鋁 (Al$_2$O$_3$)，也含有一定量的氧化鐵 (Fe$_2$O$_3$) 和氧化鈣 (CaO)。根據 ASTM C618 標準，飛灰可分為 F 類（低鈣）和 C 類（高鈣）。F 類飛灰的 SiO$_2$ + Al$_2$O$_3$ > 70%，CaO < 20%；C 類飛灰的 SiO$_2$ + Al$_2$O$_3$ + Fe$_2$O$_3$ > 50%，CaO > 20%。
2. 物理性質：
   • 細度：飛灰顆粒非常細小，通常比水泥細，其比表面積較大，有利於卜作嵐反應的發生。
   • 球形顆粒：大部分飛灰顆粒呈球形，這使得飛灰與水泥漿體混合時，能夠起到潤滑作用，改善混凝土的和易性。
   • 顏色：顏色通常呈灰色，但可能因燃燒條件和煤的種類而異。

本題考查強塑劑（高效減水劑）在混凝土中的作用機理，以及如何提升工作性。

強塑劑 (Superplasticizer) 的原理：
強塑劑，又稱高效減水劑，是一類高分子化合物，主要成分通常是聚羧酸鹽 (Polycarboxylate Ether, PCE)、萘系磺酸鹽甲醛縮合物 (SNF) 或密胺系磺酸鹽甲醛縮合物 (SMF)。它們的作用機理是通過物理和化學吸附作用，分散水泥顆粒，從而提高拌合物的工作性。

提升工作性的原理：
在水灰比和水泥用量相同的情況下，混凝土的工作性（或稱和易性）主要取決於拌合物的流動性、黏聚性和保水性。當添加強塑劑後，其作用機理如下：

1. 分散水泥顆粒 (Dispersing Effect)：
   • 靜電排斥 (Electrostatic Repulsion)：大多數強塑劑分子帶有負電荷。當它們吸附在水泥顆粒表面時，會使水泥顆粒帶上相同的負電荷。由於同種電荷的互相排斥，水泥顆粒之間會產生強烈的靜電排斥作用，從而打破水泥顆粒的絮凝結構，使其分散開來。

本題考查 ACI 規範下混凝土配合設計時，對粒料（骨材）所需考慮的物理性質及其試驗目的。ACI (American Concrete Institute) 規範對骨材的要求非常詳盡，旨在確保混凝土的強度、耐久性、工作性及經濟性。

所需粒料的物理性質與試驗目的：

1. 粒料的級配 (Gradation of Aggregates)

   • 性質：指粒料中不同粒徑顆粒的相對含量，通常通過篩網分析 (Sieve Analysis) 來確定。良好的級配意味著各種粒徑的骨材能緊密堆積，減少空隙。
   • 試驗目的：
     • 減少空隙：優良的級配能使細骨材填充粗骨材間的空隙，再由填充料（如水泥、飛灰）填充更小的空隙，從而降低骨材總體積中的空隙率，減少膠結材用量，提高混凝土的密實度。
     • 提高工作性：適當的級配有助於改善混凝土的和易性，使其易於搗實。
     • 影響強度與耐久性：級配影響骨材的堆積密度，進而影響混凝土的抗壓強度和耐久性。

2. 粒料的顆粒形狀與表面紋理 (Particle Shape and Surface Texture)

   • 性質：顆粒形狀可以是圓形、不規則形、扁平形、細長形；表面紋理可以是光滑的或粗糙的。
   • 試驗目的：
     • 影響工作性：圓形、光滑表面的骨材，其流動性較好，所需的水量較少，有助於提高工作性。而不規則形、扁平或細長形的骨材，其接觸面積大，表面粗糙，需要更多的水來潤滑，會降低工作性，並可能需要更高的膠結材用量。
     • 影響強度：粗糙表面和較為規則的骨材顆粒，能提供更好的骨材與水泥漿體的黏結力，有助於提高混凝土的強度。

3. 粒料的密度與吸水率 (Density and Absorption of Aggregates)

   • 性質：密度（單位體積的質量）和吸水率（骨材吸收水分的能力）是影響混凝土配合設計的重要參數。通常使用表乾密度 (Saturated Surface-Dry, SSD) 和吸水率來表示。
   • 試驗目的：
     • 精確計算用水量和膠結材用量：吸水率決定了骨材在拌合過程中會從拌合物中吸收多少水分，這會影響拌合物的實際水灰比。通過測量吸水率，可以在計算時補償這部分水分的損失，確保混凝土的設計強度。
     • 影響混凝土密度：骨材的密度直接影響混凝土的單位體積重量。

本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，要求分析其發生原因及預防改善措施。

1. 坍損 (Segregation)

• 發生原因：

  • 拌合物過於乾硬或過於濕軟：拌合物太乾硬時，骨材不易密實，容易產生空隙；拌合物太濕軟，水泥漿體與骨材分離。
  • 骨材級配不良：粗細骨材的比例不當，或缺乏足夠的細骨材填充空隙，導致拌合物鬆散。
  • 骨材顆粒形狀不良：過多的扁平、細長或表面粗糙的骨材，會增加拌合物的內部摩擦力。
  • 過度運輸時間或劇烈震動：長時間或劇烈運輸，使較重的粗骨材在離心力或重力作用下向下沉降，細骨材和水泥漿體則向上分離。
  • 振動過度：在混凝土澆築過程中，若振動時間過長或振動器插入過深，也可能導致坍損。

• 預防或改善措施：

  • 優化拌合物設計：確保適當的水灰比、水泥用量，並採用良好級配的粗細骨材，避免過多使用扁平、細長骨材。
  • 使用適當的外加劑：如減水劑或增稠劑，可以改善拌合物的和易性，提高其抗離析能力。
  • 控制運輸時間與方式：盡量縮短運輸時間，並選擇平穩的運輸方式。避免在運輸過程中劇烈顛簸。
  • 控制澆築過程中的振動：確保適當的振動，避免過度振動。

2. 析離 (Bleeding)

• 發生原因：

  • 過量的拌合用水：拌合物中水分過多，水泥顆粒無法完全懸浮，多餘的水分會慢慢上浮。
  • 水泥細度過細或用量過多：細水泥顆粒容易水化，產生較多膠體，包裹水分。
  • 骨材細度模數過大：粗骨材比例相對較高，水泥漿體難以均勻包裹。
  • 拌合物溫度過高：高溫會加速水泥水化，增加泌水。
  • 過度振動：振動會加速水泥顆粒沉降，使水分上浮。

• 預防或改善措施：

  • 控制水灰比：使用較低的水灰比，避免過量用水。

本題考查剛性鋪面 (Rigid Pavement) 與柔性鋪面 (Flexible Pavement) 的定義、特點及區別。

1. 剛性鋪面 (Rigid Pavement)

• 定義：剛性鋪面是指由水泥混凝土 (Portland Cement Concrete, PCC) 製成的鋪面結構。其主要結構層是厚實的混凝土板（或稱為剛性層）。
• 特點：
  • 高強度與剛度：混凝土板具有很高的抗壓強度和彎曲剛度，能夠抵抗較大的彎曲應力。
  • 承載機理：主要依靠混凝土板本身的強度和剛度來分散車輛荷載，並將荷載傳遞給下方的基層和地基。混凝土板的彎曲變形很小。
  • 耐久性好：使用壽命長，通常可達 20-40 年甚至更長。
  • 維護成本較低：雖然初期建設成本較高，但長期維護費用相對較低。
  • 對基層要求不高：由於混凝土板剛度高，對下方的基層和地基的平整度和承載力要求相對較低。
  • 易產生裂縫：受溫度變化和荷載作用，混凝土板會產生應力，若未能有效處理，易發生溫度裂縫、收縮裂縫等。需要設置伸縮縫和縮縫。
  • 乘坐舒適性較差：由於剛性較大，路面不平整時，乘坐舒適性可能較差。
• 常見應用：高速公路、機場跑道、重載交通的道路。

2. 柔性鋪面 (Flexible Pavement)

• 定義：柔性鋪面是指由瀝青混凝土 (Asphalt Concrete, AC) 或類似材料製成的鋪面結構。其結構通常由多個層次組成，包括面層（瀝青混凝土）、基層（碎石、級配粒料等）和底層（級配粒料、穩定土等），直接承受車輛荷載。
• 特點：
  • 低強度與柔性：各層材料的強度和剛度相對較低，整體結構具有較好的柔韌性。
  • 承載機理：主要依靠各層材料的相互作用，將車輛荷載逐層向深處分散，最終傳遞到地基。荷載作用下，鋪面結構會產生較大的彎曲變形。
  • 初期建設成本較低：相較於剛性鋪面，柔性鋪面的初期建設成本較低。
  • 維護頻繁：使用壽命相對較短，約 10-20 年，需要較頻繁的維護和翻修，維護成本較高。
  • 對基層要求高：對基層和地基的平整度和承載力要求較高，否則容易發生車轍、裂縫等病害。
  • 乘坐舒適性較好：由於結構具有一定的柔韌性，路面較為平順，乘坐舒適性較好。
  • 易產生車轍和裂縫：在高溫和重載作用下，瀝青混凝土面層易產生車轍變形；溫度變化和老化也容易導致裂縫。

本題考查台灣瀝青混凝土設計方法，以及如何確定最佳含油量。台灣瀝青混凝土設計主要採用美國的 Asphalt Institute (AI) 設計法或 Superpave 設計法，而傳統上較常用的是基於壓實度與穩定性的方法。這裡以較為經典的 AI 設計法或類似的壓實度法進行說明。

台灣常用的瀝青混凝土設計法：

台灣瀝青混凝土設計方法受到國際先進技術的影響，目前較為常用且標準化的方法有：

1. 美國瀝青協會 (Asphalt Institute, AI) 設計法：這是一種經驗與理論結合的方法，強調根據交通量、氣候條件和骨材特性來確定瀝青混凝土的設計參數，包括最大理論密度、空隙率、瀝青含量等。
2. Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements) 設計法：這是美國在 SHRP (Strategic Highway Research Program) 計畫後發展出的新一代瀝青鋪面設計系統，包含三個主要組件：性能級瀝青（PG Binder）、骨材篩選準則 (Aggregate Consensus Properties) 和混合料設計 (Mix Design)。Superpave 設計法更注重材料的性能，能更精確地預測鋪面在不同環境下的長期性能。
3. 交通部頒布的公路工程設計規範：台灣交通部公路總局會制定相關的工程設計規範，這些規範通常會參考或整合上述國際主流設計方法，並結合台灣本地的材料特性和氣候條件進行調整。

在此，我們以較為通用的基於壓實度與穩定性的方法（類似 AI 設計法）來說明如何決定最佳含油量。

決定最佳含油量的方法（以壓實度與穩定性為基礎）：

最佳含油量 (Optimum Asphalt Content, OAC) 的確定是瀝青混凝土配合設計的核心步驟之一。其目標是在保證足夠的穩定性（抵抗變形）和耐久性的前提下，使用最少的瀝青，同時獲得良好的工作性和適當的空隙率。

一般而言，最佳含油量並非單一數值，而是在一個合理的範圍內。設計過程通常涉及以下步驟：

1. 試驗拌製不同含油量的混合料：
   首先，根據對骨材的初步評估和經驗，選擇一系列不同的瀝青含量（例如，以骨材總質量百分比表示，從 3% 到 8% 不等，間隔 0.5% 或 1%）。對每一種瀝青含量，使用相同的骨材級配和水泥用量（如果有的話），拌製足夠數量的試件。

2. 壓實試驗：
   將拌製好的混合料在實驗室進行壓實，模擬現場施工的壓實過程，製成試驗圓餅或圓柱體試件。壓實的目的是達到一定的壓實度（或稱空隙率）。常用的壓實方法包括馬氏壓實器 (Marshall Compactor) 或旋轉壓實器 ( Gyratory Compactor)。

3. 測量關鍵參數：
   對於每一種瀝青含量的試件，測量以下關鍵參數：

   • 體積密度 (Bulk Density)：測量試件的質量和體積，計算其體積密度。
   • 瀝青飽和體積密度 (Bulk Specific Gravity)：用於計算瀝青含量。
   • 空隙率 (Voids in Total Mix, VTM)：根據試件的體積密度和骨材、瀝青的密度，計算出總體積中的空隙率。