112 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》

此題考驗瀝青材料的標示與黏滯度特性。AR (Asphalt Rubber) 標示法是根據瀝青在特定溫度下的黏滯

此題考驗瀝青材料的標示與黏滯度特性。AC (Asphalt Concrete) 標示法是根據瀝青在攝氏 60 度

此題考驗瀝青乳化劑與溶劑的種類。中凝油溶瀝青（Medium Curing Cutback Asphalt）

此題考驗鋪面材料在載重下的破壞模式。車輛超載是造成鋪面破壞的主要原因之一。超載會導致鋪面產生永久變形，最常見的破壞形式是車轍（Rutting），即車輪壓過的地方形成凹陷。

此題考驗瀝青材料的安全性相關試驗。在工廠處理瀝青時，安全性考量非常重要，特別是避免火災風險。

此題考驗瀝青混凝土拌合與滾壓溫度的決定依據。拌合與滾壓溫度是為了確保瀝青能均勻地裹覆粒料，並在滾壓時達到足夠的流動性以便密實。這個溫度範圍的確定，主要取決於瀝青的黏滯度。

此題考驗瀝青材料的分類標準。瀝青材料依據其性質和用途，有不同的分類系統。其中，針入度等級（Penetration Grade）是最傳統且廣泛使用的分類方法之一，它直接以瀝青在標準溫度（25°C）和標準負載（100g）下，經過 5 秒鐘的穿透深度（以 0.1mm 為單

此題考驗瀝青材料的燃燒相關溫度定義。

• 閃火點 (Flash Point)：瀝青加熱至某溫度時，其蒸氣與空氣的混合物接觸火源會產生瞬間閃燃的最低溫度。
• 燃燒點 (Fire Point)：瀝青加熱至某溫度時，其蒸氣與空氣的混合物能持續燃燒至少 5 秒鐘的最低溫度。

此題考驗鋪面材料的破壞類型。疲勞破壞（Fatigue Cracking）是鋪面在承受反覆載重作用下，材料產生微小裂縫，並逐漸擴大最終導致鋪面破損的現象。

此題考驗「pavement」（鋪面）的定義與範疇。Pavement 指的是為了承受交通載重而建造的地面結構，通常由鋪面層、基層、底基層等組成。
(1) Highway (公路)：是典型的鋪面結構。

此題考驗混凝土中性化反應的檢測方法。混凝土的中性化（Carbonation）是空氣中的二氧化碳與混凝土中的氫氧化鈣反應，生成碳酸鈣，使混凝土的 pH 值降低。

此題考驗混凝土的水膠比計算。水膠比（Water-to-binder ratio, W/B）是混凝土拌合物中水質量與膠凝材料（包括水泥、飛灰、爐石粉等）總質量之比。

此題考驗混凝土抗壓強度試驗的目的。混凝土的抗壓強度是其最重要的力學性質之一，直接關係到結構的安全與穩定。

• 安全性 (Safety)：結構能否抵抗外力而不發生破壞，強度是安全性的基礎。

此題考驗粒料（骨材）的分類標準。在工程材料中，通常以篩孔尺寸來區分粗粒料（Coarse Aggregate）和細粒料（Fine Aggregate）。

核心觀念

卜作嵐材料（pozzolanic material）本身通常沒有明顯的膠結性，或膠結性很弱，但含有大量活性二氧化矽 $SiO_2$、氧化鋁 $Al_2O_3$ 等成分，能在水分存在下與水泥水化產生的氫氧化鈣 $Ca(OH)_2$ 反應，生成具有膠結性的水化矽酸鈣（C-S-H）與水化鋁酸鈣等產物。

代表性反應可表示為：

卜作嵐反應可消耗混凝土中的 $Ca(OH)_2$，降低孔隙率與滲透性，並提升後期強度、耐久性及抗硫酸鹽侵蝕能力。

本題的判斷重點是：辨認各材料是否屬於典型卜作嵐材料；其中爐石還要注意其冷卻方式與膠結機理。

解題方法

逐一判斷材料的主要反應性質：

• 含有大量活性非晶質二氧化矽，且主要透過與 $Ca(OH)_2$ 反應產生膠結物者，屬於卜作嵐材料。
• 高爐爐石則須區分：
  • 粒化高爐爐石：具潛在水硬性，可作為水泥混合材料。
  • 氣冷高爐爐石：冷卻較慢、結晶度較高，主要不是卜作嵐反應材料。

因此，選出不屬於卜作嵐材料者即可。

選項分析

（1）燃煤飛灰

燃煤飛灰是燃煤發電產生的細粉狀副產品，通常含有大量非晶質矽鋁成分。其活性成分可與水泥水化產生的 $Ca(OH)_2$ 反應，形成額外的 C-S-H 膠結物。

因此，燃煤飛灰是典型的人工卜作嵐材料。此選項錯誤。

（2）氣冷爐石

此題考驗混凝土抗凍融性能的改善方法。凍融循環（Freeze-thaw cycling）是混凝土在寒冷地區面臨的主要耐久性問題之一。水在混凝土孔隙中結冰時體積膨脹，會產生應力，反覆凍融會導致混凝土開裂、剝落。

• 緩凝劑 (Retarder) 和 速凝劑 (Accelerator)：主要用於控制混凝土的凝結時間，與抗凍融能力無直接關聯。

此題考驗混凝土在塑性階段（未硬化前）可能出現的問題。

• 泌水 (Bleeding)：拌合物中較輕的水分和細微膠凝材料顆粒上浮至混凝土表面現象。這是塑性階段常見的問題。
• 坍損 (Slump loss)：混凝土在運輸或放置過程中，其坍度（塑性）快速喪失的現象。這也是塑性階段的問題。

此題考驗骨材的乾搗實單位重（Dry Tamped Unit Weight）計算。乾搗實單位重是指在規定條件下（如特定搗實方法），單位體積的骨材（不含孔隙中的水分）的質量。
題目已經給定了：

• 體積 = 1 m³
• 質量 = 1600 kg

此題考驗波特蘭水泥主要水化產物的反應速率與水化熱比較。
水泥水化反應的速率和釋放的水化熱由快到慢、由高到低大致為：

1. C₃A (三鈣鋁酸鹽): 反應最快，水化熱最高。
2. C₃S (三鈣矽酸鹽): 反應較快，水化熱較高。

此題考驗「海砂屋」事件的成因。海砂屋事件是指使用受污染的海砂作為混凝土骨材，導致鋼筋鏽蝕、混凝土開裂等損壞現象。海砂中常含有高濃度的氯離子（Chloride ions）。

本部分為問答題，共四題，每題佔 15%，總計 60%。

1. 請詳述瀝青混凝土的基本組成。(15%)

瀝青混凝土（Asphalt Concrete, AC）是一種由瀝青（Asphalt Binder）和骨材（Aggregates）按一定比例混合而成的複合材料，是鋪設道路、機場跑道等路面的主要材料。其基本組成包括：

• 瀝青（Asphalt Binder）:

  • 功能: 作為膠結材料，將骨材顆粒黏結在一起，賦予瀝青混凝土抵抗交通載重和環境影響的能力。同時，瀝青也提供了一定的防水性。
  • 種類: 根據其性質和用途，有不同類型的瀝青，如道路瀝青（Penetration Grade, PG）、改質瀝青（Modified Asphalt）、乳化瀝青（Emulsified Asphalt）、切割瀝青（Cutback Asphalt）等。
  • 用量: 一般佔瀝青混凝土總重量的 4-7%，具體用量由配合設計決定。

• 骨材（Aggregates）:

  • 功能: 構成瀝青混凝土的主體，提供其強度、穩定性、耐磨性和體積。骨材的級配（Gradation）對瀝青混凝土的性能至關重要。
  • 分類:
    • 粗骨材（Coarse Aggregate）: 通常指粒徑大於 4.75 mm (#4 篩) 的骨材，如碎石、卵石、爐渣等。主要提供結構強度和穩定性。
    • 細骨材（Fine Aggregate）: 通常指粒徑小於 4.75 mm (#4 篩) 且大於 0.075 mm (#200 篩) 的骨材，如砂。主要起到填充粗骨材間空隙、改善級配、提高密實度和工作性的作用。
    • 填充料（Filler）: 指粒徑小於 0.075 mm (#200 篩) 的細粉狀材料，如水泥、飛灰、石粉等。主要用於填充細骨材間的空隙，提高拌合物的黏滯度和密封性，改善瀝青的黏結性能。

• 添加劑（Admixtures） (可選):

  • 功能: 為改善瀝青混凝土的特定性能而添加的材料。
  • 種類:
    • 抗剝劑（Antistripping Agents）: 提高瀝青與骨材間的黏附性，防止水損（Water Damage）。
    • 聚合物（Polymers）: 如 SBS、SBR 等，用於改質瀝青，提高其彈性、黏彈性、抗車轍和抗裂性能。
    • 纖維（Fibers）: 如木質纖維、玻璃纖維等，用於提高材料的韌性、抗裂性。
    • 其他: 如橡膠粉、再生瀝青等。

瀝青混凝土的性能很大程度上取決於瀝青的質量、骨材的級配、瀝青與骨材的比例以及施工質量。

2. 請說明馬歇爾配合設計如何決定最佳含油量。(15%)

馬歇爾配合設計（Marshall Mix Design）是一種廣泛應用於瀝青混凝土配合設計的方法，其目標是確定能獲得最佳工程性能（強度、穩定性、耐久性、經濟性）的瀝青與骨材比例。最佳含油量（Optimum Asphalt Content, OAC）是馬歇爾配合設計的核心。

決定最佳含油量的步驟如下：

1. 準備試樣: 選擇代表性的骨材級配，並準備不同含油量的瀝青混凝土試樣（通常設定 5 個不同的含油量，每個含油量製作 3 個試樣，例如從 4.0% 到 6.0%，間隔 0.5%）。
2. 馬歇爾試驗:
   • 製作試樣: 將拌好的瀝青混凝土試樣在規定溫度下（通常為 150°C 左右）進行標準搗實（每面搗實 35 次），製作成標準圓柱形試樣。
   • 測試穩定度與流值 (Stability & Flow): 將搗實好的試樣在規定溫度下（通常為 60°C）進行馬歇爾穩定度試驗。該試驗施加垂直載荷於試樣上，記錄試樣破壞時的最大載荷（穩定度，Stability，單位為 kN 或 lb）和此時的變形量（流值，Flow，單位為 mm 或 0.01 inch）。
   • 測試體積密度與空隙率: 測定試樣的體積密度（Bulk Specific Gravity）、瀝青飽和表觀密度（Apparent Specific Gravity）等，並據此計算試樣的瀝青含量、空隙率（Voids in Total Mix, VTM）、瀝青間隙中的空隙率（Voids in Mineral Aggregate, VMA）、瀝青膜厚度（VFA, Voids Filled with Asphalt）等參數。
3. 繪製曲線:
   • 將試驗得到的各項指標（穩定度、流值、體積密度、VTM、VMA、VFA）與對應的瀝青含量繪製成圖表。
   • 通常，穩定度、體積密度會隨著瀝青含量增加而先上升後下降；流值、VTM 會隨著瀝青含量增加而下降；VMA 會隨著瀝青含量增加而下降，但其最小值點可能對應著較低的瀝青含量。
4. 確定最佳含油量:
   • 三條曲線法: 根據上述繪製的曲線，取穩定度曲線、VTM 曲線和 VFA 曲線的最高點（或特定要求值）對應的瀝青含量。
   • 平均值法: 將三條曲線各自的最高點（或最佳範圍）對應的瀝青含量進行平均，得到一個初步的最佳含油量。
   • 考量設計參數: 根據相關規範（如 AASHTO 或 JTG F40），對於穩定度、流值、VTM、VMA、VFA 等指標，都有一定的設計範圍要求。最佳含油量應是能夠使所有關鍵指標均滿足規範要求，且通常取使穩定度、體積密度達到最大值，同時 VTM 和 VFA 處於合理範圍內的瀝青含量。
   • 最終確定: 綜合考慮各項因素，確定一個最佳含油量（OAC）。一般會在此基礎上再增加或減少 0.3%-0.5% 作為施工時的調整範圍。

3. 請說明混凝土養護的重要性,有哪些策略及其使用的原理。(15%)

混凝土養護的重要性:

混凝土的養護（Curing）是指在混凝土澆築並初步硬化後，為確保其充分水化、達到預期強度、耐久性和其他性能而採取的一系列措施。養護的重要性體現在：

1. 充分水化: 水是混凝土正常水化反應的必要條件。養護旨在提供並保持足夠的水分，使水泥能夠持續、充分地水化，生成穩定的水化產物（如 C-S-H凝膠），從而獲得高強度。
2. 提高強度和耐久性: 充分的水化是混凝土獲得高強度和良好耐久性的基礎。不良的養護會導致水化不完全，強度不足，並可能產生微裂縫，降低抗滲、抗凍融、抗化學侵蝕等性能。
3. 減少收縮和開裂: 養護過程能減緩混凝土表面水分的蒸發，降低因乾燥收縮引起的拉應力，從而有效防止或減少表面裂縫的產生。
4. 改善表面性能: 良好的養護有助於形成緻密、平滑的混凝土表面，提高其耐磨性和抗滲性。

養護的策略及其原理:

養護的主要目的是保持混凝土內部的水分，並將溫度控制在適宜的範圍內。常見的養護策略包括：