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土木工程研究所硕士论文

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国国立立中中央央大大学学土木工程研究所硕士论文水泥混凝土蒸汽养护成效对施工成本效益之研究以台湾高铁C215标桥梁工法为例The Study of construction costbenefit on cementconcrete steam curing efficiencyCase example-Taiwan high speed railwaybid C215 viaduct construction method
指导教授:林志栋Jyh-Dong Lin
研究生:吴建宪Chien-Hsien Wu中华民国九十四年四月国立中央大学图书馆硕博士论文电子档授权书(93年5月最新修正版)本授权书所授权之论文全文电子档,为本人於国立中央大学,撰写之硕博士学位论文.(以下请择一勾选)同意(立即开放)
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不同意,原因是:以非专属,无偿授权国立中央大学图书馆与国家图书馆,基於推动读者间「资源共享、互惠合作」之理念,於回馈社会与学术研究之目的,得不限地域,时间与次数,以纸本,微缩,光碟及其它各种方法将上列论文收录,重制,公开陈列,与发行、或再授权他人以各种方法重制与利用,并得将数位化之上列论文与论文电子档以上载网路方式,提供读者基於个人非营利性质之线上检索,阅览,下载或列印.
研究生签名: 吴建宪
论文名称: 水泥混凝土蒸汽养护成效对施工成本效益之研究(以台湾高铁C215标桥梁工法为例)
指导教授姓名: 林志栋教授
系所: 土木工程研究所博士硕士班学号
日期:民国94 年04 月12 日
备注:
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水泥混凝土蒸汽养护成效对施工成本效益之研究-以台湾高铁C215标桥梁工法为例摘要
关键字:品质管理,蒸汽养护,多元回归分析,价值工程近年来,国内经济快速成长,公共工程加速推动,在工程方面不断引进新技术,工法.然这些高度机械化与系统化施工方法,其技术性与复杂性所考量工程界面繁多,使得设计及施工困难度亦增加不少;从传统到新式工法,工程技术已向高度自动化发展进步,如何解决施工问题,降低成本与缩短工期需求,实为一重要课题.国内工程界过去十余年致力於自动化推展已有相当成效,由民间投资兴建且全面动工兴建中之台湾高速铁路工程,有长达250公里以上高架桥梁结构.承包厂商基於工期,成本及品质考量下,采用预铸桥梁工法,由於其在施工快速,品质控制容易,适合大量产制,且不妨碍地面交通等等因素,势必影响未来高架桥梁工程之应用将日益普遍、如何运用既有技术,经验及资源,更有效落实缩短营建自动化之目标,有赖工程界群策群力、共同努力完成此理想目标.本研究计画从品质方面著手,从工程执行面作深入探讨,在过去大多是兴建阶段,相关制度及配套措施未建立;且过去有关工程品质管理制度研究中、亦大多著眼在公司施工品质管理计画方向,大原则监督策略架构0拟,鲜少对兴建阶段工程品质管理作业做深入探讨;故本研究以此为主轴,进行相关研究分析.根据相关文献内容分析结果显示、施工自动化,施工循环周期必须有效压缩才能达成,其中以混凝土养护时程空间最大,透过蒸汽养护品质及施工效率工法案例调查(以高铁C215标Viaduct 2段之桥梁工法),文献汇整及应用统计原理之相关性与多元回归分析探讨,期以养护时程达到最佳化模式价值工程之施工效益,进而有效的运用养护效率,而不降低损及工程品质.ABSTRACT
analysis,Value engineeringDue to high growth of national economy and acceleration of numbers of new engineering technology and particular know-howon highly machinery and systematic construction skill are ; however, this new technology leads to difficulty on design as wellas construction. Basically, from traditional from new civil engineering, skills have developed with high automatic ones; therefore, itsindeed essential theme on how to solve construction problem and cost , and toshorten constructive in the automation development for the recent 10 years, As forthe engineering project of Taiwan High Speed Railway which is and currently under full scale construction, it includes also more than
250 kilometer overpass bridge structure. Taking into considerations on construction period, cost and quality, factors on how the private may achieve fast construction, easy quality control, feasible massproduction and not hindering ground traffic etc, application of overpass bridgewill inevitably more popular in the future construction projects. How to fullyutilize existing technologies, experiences and resources to more the goal of shortening realization period of construction would beagiant step awaiting to be taken through the concerted effortsmade jointly by the engineering industries to achieve the ultimate objective.
This research project shall be commenced from the aspect of with in depth exploration to be made against the execution phaseof the construction. Since most of the previous cases were categorized stages, related systems and matching procedures have notyet been established; also in previous studies regarding construction most of the main focuses fall on the investigation of structure over the general direction and principle for management plans made by companies with special privilege, there arescarcely in depth exploration targeting at the operations related to of construction project at its building-up phase, therefore thesubject study shall focus on this to conduct related research and analysis; asindicated according to related documents and analysis results, period through construction automation can be achieved onlywhen the construction cycle could be effectively compressed, of which theconcrete maintenance schedule is the one with the most space. methodology case study regarding steam curing quality efficiency (Bridge construction method applied to High SpeedRailway, bid C215 Viaduct Section 2) along with research of relevant documentation as well as application of correlationand multiple regression analysis, it is expected that the value engineering ofoptimal steam curing schedule model can be obtained to achieve and then more effectively utilize on spot curing efficiency the construction quality.
目录摘要I目录IV图目录VII表目录IX相片目录XI
第一章,前言1-1 研究动机1-2 研究目的1-3 研究方法1-4 研究架构
第二章,文献回顾2-1 蒸汽养护2-1-1 加速养护方法2-1-2 蒸汽养护流程2-1-3 蒸汽养护特点2-2 蒸汽养护对水泥混凝土性质之影响2-3 蒸汽养护温度与时间和混凝土强度之成熟度关系2-4 国内有关蒸汽养护之现况2-4-1 国内相关蒸汽养护实际案例现况2-4-2 国内相关蒸汽养护研究成果2-5 蒸汽养护之统计相关性分析方法与应用2-5-1 相关性分析2-5-2 多元回归分析2-5-3 逐步回归分析2-5-4 『SPSS 』统计分析软体2-6 价值工程2-6-1 价值工程的基本功能与定义2-6-2 价值工程的特性2-6-3 价值工程的实施
第三章,执行现况与试验计划3-1 工地桥梁养护之施作与设置3-1-1 全跨径预铸桥梁生产3-1-2 蒸汽养护设备3-1-3 蒸汽养护程序3-2 试验规划与方法3-2-1 使用材料及依据标准规范3-2-2 实验室试验3-2-3 工地试验
第四章,试验结果与成效分析4-1 实验室试验结果4-2 工地试验结果4-3 统计分析4-3-1 相关性分析4-3-2 多元回归分析4-3-3 逐步回归分析4-4 施工成本效益4-4-1 施工成本4-5 现地施工成本分析4-5-1 不同养护时程比较分析4-5-2 工期比较分析4-6 不同养护工法之施工成本比较4-7 小结
第五章,结论与建议5-1 结论5-2 建议参考文献附录一场铸节块悬臂工法桥梁统计总表附录二节块推进工法桥梁统计总表附录三预铸厂平面配置示意图附录四全跨径预铸桥梁断面示意图附录六水泥混凝土拌合厂计量设备校正记录表附录七混凝土材料检查表附录八水泥混凝土拌合厂驻厂监工检验表附录九工地混凝土浇注前检验表附录十混凝土浇注监工报告表附录十一混凝土验收及浇置记录表附录十二混凝土试体抗压纪录表附录十三工地混凝土试体取样试验流程附录十四蒸汽养护锅炉操作检查表附录十五蒸汽养护温度纪录表图目录图1-1 研究流程与架构图图2-1 养护温度控制阶段流程图图2-2 两变数关系示意图图2-3 多元回归分析法适用时机图图2-4 多元回归分析方法比较图图3-1 全跨径预铸桥梁生产流程图图3-2 蒸汽养护流程图图3-3 锅炉位置及蒸汽管配置示意图图3-4 现地蒸汽养护温度控制阶段流程图图3-5 现地蒸汽养护温度量测点位置图图3-6 实验规划流程图图3-7 水泥种类对强度与成熟度曲线之影响图图3-8 不同配比水灰比强度与成熟度曲线图图4-1 蒸汽养护历时曲线图图4-2 蒸汽养护历时对强度与成熟度曲线之影响图图4-3 混凝土蒸汽养护温度与历时曲线图图4-4 混凝土蒸汽养护温度与历时曲线图图4-5 工地蒸汽养护历时对强度与成熟度曲线之影响图图4-6 混凝土管制图(蒸汽养护后28天水养护抗压强度图4-7 混凝土管制图(蒸汽养护后28天自然养护抗压强度图4-8 蒸汽养护时室外温度统计图图4-9 蒸汽养护时间统计图图4-10 蒸汽养护温度统计图-VIII-图4-11 蒸汽养护后混凝土抗压强度统计图图4-12 研究分析径路图图4-13 残差分析图图4-14 常态机率图图4-15 残差分析图图4-16 常态机率图图4-17 常态机率图图4-18 分析径路结果图图4-19 常态机率图表目录表2-1 各工法的浇置时程及蒸汽养护特性比较表3-1 高铁C215标V2段桥梁工法资料总表表3-2 水泥之水化热表3-3 水泥之抗压强度表表3-4 水泥化学成分和物理性质表表3-5 工地配比之试验相关资料表表3-6 各组拌合配比表表3-7 混凝土之配比设计表表4-1 蒸汽养护时间试验结果表表4-2 蒸汽养护尺寸与面积和混凝土强度发展之关系表表4-3 龄期天混凝土试体抗压强度表表4-4 工地采用湿治水养护之混凝土强度试验值统计表表4-5 工地采用蒸汽养护及28天水养护抗压强度试验值统计表4-6 混凝土抗压统计分析表(蒸养后28天水养护抗压强度表4-7 工地采用蒸汽养护及28天自然养护抗压强度试验值统计表4-8 混凝土抗压统计分析表(蒸养后28天自然养护抗压强度表4-9 工地相关性样本试验值统计总表表4-10 平均数与标准差数据值表4-11 相关系数分析结果表表4-12 自变数与应变数关系表4-13 回归统计数据值结果表4-14 变异数(ANOVA)分析表表4-15 回归分析判定系数分析表表4-16 回归统计数据值结果表4-17 变异数(ANOVA)分析表表4-18 回归分析判定系数分析表表4-19 回归统计数据值结果表4-20 变异数(ANOVA)分析表表4-21 回归分析判定系数分析表表4-22 回归统计数据值结果表4-23 变异数(ANOVA)分析表表4-24 回归分析判定系数分析表表4-25 蒸养时间与蒸养后拆模时混凝土强度逐步回归分析结果表4-26 回归方程式预测蒸汽养护后混凝土抗压强度误差值表4-27 土地租金成本单价分析表表4-28 设备成本单价分析表表4-29 材料成本单价分析表表4-30 人力成本单价分析表表4-31 其他管理成本单价分析表表4-32 预铸混凝土箱型梁生产步骤日程表表4-33 工期比较分析表表4-34 全跨预铸桥梁工法湿治水养护与蒸汽养护施工成本比较表4-35 全跨预铸桥梁工法湿治水养护与蒸汽养护施工成本效益相片目录照片-1 蒸汽养护锅炉照片-2 蒸汽管架与蒸汽主副管照片-3 养护棚覆盖情形照片-4 蒸汽养护混凝土抗压试体放置位置照片-5 现地蒸汽养护温度自动量测器照片-6 实验室蒸汽养护恒温恒湿控制器与温度自动控制量测-1-在混凝土工程养护之方法,一般大致可分为下列三类:一、湿治养护,
二、护膜养护,三、蒸汽养护;湿治及护膜养护同为保持混凝土中之拌和水,使其不致因水分蒸发而损失,以利水化作用;而蒸汽养护乃提高温度以加速水化作用,进而缩短产品之制程,其适用於大规模生产之预铸混凝土制品、如混凝土涵管,隧道环片,建筑楼版及预力场铸混凝土梁等构件.
利用蒸汽养护的方式来加速混凝土的水化反应速度,为制作混凝土预铸构件常用的方法,而养护的方式中、又以蒸汽养护方式为最有效率,此方式最主要优点在於能快速增加混凝土强度,在适当的养护过程下,超过60%之湿室养护下的28天混凝土抗压强度,能让混凝土在24小时短期内、达到养护28天的强度,为预铸混凝土最有效率的方法.针对国内对蒸汽养护的相关研究十分缺乏,也未能加入适当运用,这方面研究与推广对营建工程自动化,缩短时程,高效率与高性能等方面助益良多;为有效的运用现地蒸汽养护效率,而不降低工程品质,促使本研究之确立,从台湾高铁C215标桥梁工程(以下简称本工程)养护案例探讨,建立品管人员在工程上实际扮演角色与地位提升,在这微利时代让业界落实品管人员统计能力、将是有助於工程上不致浪费材料及成本,使工期缩短进而品质提升,并有效的降低成本,达到最佳化之施工效益.-2-桥梁施工现地养护技术管理与品质控制,能提高其施工效益,藉由实验室相关试验与工地现地试验之方法,找出与蒸汽养护之相关性项目与相互间之影响因素,分析出最佳化之效益,基於上述动机、本研究论文期望藉由蒸汽养护成效,而能达到下列几项研究目的:
1. 从统计理论角度,落实品管人员统计能力、将是有助工程品质提升.
2. 有效缩短工期.
3. 提高施工效能,节省劳力.
4. 在这微利时代跳脱传统模式,降低成本. 本文研究探讨混凝土蒸汽养护品质,拟采用下列数项方式进行:
1. 工地实验数据收集与方法工地实验数据收集与方法,以本工程蒸汽养护现况案例,进而掌握蒸汽养护的实际状况,以利试验的规划与分析.
2. 文献回顾与整理针对品管应用情形,工程品质管制相关研究文献与混凝土相关性规范、文献,研究论文,以及工程统计分析理论等等之书面资料之收集汇整.
3. 统计分析方法-3-分别以统计方法之相关性分析,多元回归分析(强迫进入法)及复回归分析(逐步回归分析法)三种方法与回归模型来预测影响蒸汽养护后之混凝土拆模时抗压强度(0.8 fc)之影响因素作一比较、说明品管人员利用统计方法,将可避免问题发生,减少不必要之资源浪费、进而有效降低成本,以及提升工程品质.本论文於第一章说明本文之研究动机、研究目的,研究方法,研究流程及本文架构.第二章说明有关蒸汽养护对混凝土之相关规范与文献;回顾目前国内有关蒸汽养护之现况,并针对统计相关性分析,多元回归分析(强迫进入法)及复回归分析(逐步回归分析法)作一简要概述,作为本研究选用分析方法之参考.第三章於工地实验值资料作统计整理.第四章则先利用相关性分析,再利用多元回归分析(强迫进入法)及复回归分析(逐步回归分析法)等回归模式作一比较验证及预测结果.第五章为结论与建议,汇整研究的分析结果,并提出后续研究之建议.本研究架构可分为工地实验数据收集概况,文献收集与参考、混凝土相关规范、试验规划与方法等四大部分;试验规划与方法部分从实验室试验与工地现地试验两方面著手,根据实验部分来做最后统计资料分析与结论、整个研究架构流程如图1.1所示.-4-研究动机及目的设计规范及施工的规定国内相关论文研究成果探讨统计分析方法与应用工地桥粱养护之施作与设置实验规划与试验方法试验结果文献收集与回顾结论与建议
第一章前言
第二章文献回顾
第三章执行现况与试验计画
第四章试验结果与施工成效分析
第五章施工成本效益比较分析确定研究主题论文架构架构说明章节
1.从统计理论角度,落实品管人员统计能力、将是有助工程品质提升
3.提高施工效能,节省劳力
2.有效缩短工期
2.相关蒸汽养护实际案例与研究成果
3.相关统计理论及分析方法之运用
1.以高铁案例说明统计品管
2.实验室试验与现地试验规划
3.施工成本效益比较
1.以统计方法验证成效对施工成本效益之重要
2.由案例中证明品管人员实际扮演角色之价值
1.统计手法之应用情形及如何落实统计品管统计分析结果验证以高铁C215标桥梁工法为例
4.跳脱传统模式, 降低成本
3.实验室试验与现地试验(温度与强度以及蒸汽养生时间等等)材料试验实验室试验工地试验-5-有关蒸汽养护对混凝土之相关规范与文献分别叙述如下:加速养护方法很多,以下是常见几种实验室和工程上常使用的程序(ASTM C684规范【1】,黄兆龙【17】):
1. 温水养(Warm-water method):标准试体在浇置后即放於35 ±3℃的温水中养护24小时,且养护期间之水温差不能超过3℃;之后再量测其强度,并与常温养护的试体做比较、在1970年代中期,U.S. Corps of Engineers 有广泛的研究.
2. 沸水养(Boiling-water method):此法先将浇置后的混凝土试体在湿室养护24小时,然后放入100℃的水中煮3.5小时±5min,取出后在室温下经1小时的冷却,再量测其强度.
3. 自生养(Autogenous method):将浇置后的混凝土试体立即放入温度为21 ±6℃自生容器中之塑胶袋内、养护48小时±15min(从混凝土试体开始浇置算起),取出后在室温下放置30分钟,再量测其混凝土强度.
4. 高温高压蒸汽养(High Temperature and Pressure method):-6-蒸汽养护又分为常压及高压两种、一般而言、常压蒸汽养护用於封闭式的场铸结构或大型的预铸混凝土单元、如桥梁施工等;高压蒸汽养护则用於小型的制造单元、高压蒸汽养护之养护时间为5小时±5min,前3小时之养护温度必须保持最高温度149 ±3℃、但整个养护期间的压力则需维持10.3 ±0.2 Mpa.蒸汽养护流程如图2-1【16】所示、根据ACI Committee 517【2】【17】所陈述常压蒸汽养护之建议,文中提出蒸汽养护过程可分成下列四个阶段:混凝土浇置完成后至混凝土初凝初始硬化阶段之前置时期,然后锅炉开始增温,将混凝土温度予以控制之速率上升至所需最高温度之升温时期,待混凝土及周围温度维持在一定温度下,此为恒温时期或高温时期,当蒸汽养护达某一时间后,锅炉即可降温至大气温度,此阶段即为降温时期或冷
却时期.兹将各阶段分述如下:
【资料来源】加拿大水泥协会(Cement Association of Canada)【16】
-7-
1. 前置时期:前置期为混凝土配料拌合后至初凝(Initial set)完成之时间,於此段期间,水泥水化反应开始,混凝土初始硬化,并提供混凝土於蒸汽中之稳定性,此段时间为蒸汽养护效果,具决定性的影响、混凝土初凝时间加以决定,即在接近初凝时间,开始养护流程,不但有最佳早期强度,也有著经济效益,节约能源之最佳结果.
2. 升温时期:此时期为将混凝土温度予以控制之速率上升至所需最高温度,只要有适当的前置期,若前置期较2小时长,一般则可使用较高升温速率,自11℃hr ~ 44℃hr升温速率都是可以接受的,在品质或施工经济考量方面都有较佳效果,而对於混凝土早期或晚期强度几乎没有影响;由普通及早强水泥的实验显示、其混凝土早期强度差别亦很小.
3. 高温时期(恒温时期):此段时间为混凝土或周围之温度维持在加温所达之最高温度,其最佳蒸汽养护温度为66℃~ 74℃范围内、而能使得混凝土强度得以进行处理预力或搬运的程度.升温速率和养护高温皆会影响所需养护时间,养护之最高温度较高时,最高温度时期所需的时间较低,至於养护高温则根据所需时间及强度予以决定之;显著之混凝土强度增加发生在龄期4 ~ 10小时,
10 ~ 12小时之后混凝土强度增加率即很快降低,在混凝土浇置24小时-8-后,即使再增加养护时间其对於混凝土强度增加效果也极为有限.
4. 冷却时期(降温时期):降温过程中、温度应以不超过20℃hr的速率慢慢减少,直到较外界大气温度高约10℃时为止;相关研究显示、快速冷却很少影响混凝土强度,但快速冷却在较厚且尺寸大混凝土单元之表面层会形成裂缝、因此以采用较低冷却速率,避免使混凝土结构面形成裂缝.在莫诒隆,郑胜仁、郭正一【29】文献里提出使用蒸汽养护之特点如下:
1. 蒸汽养护前混凝土至少应已浇置2小时以上.
2. 蒸汽养护前置期为3 ~ 5小时,可得最高混凝土强度.
3. 最高蒸汽养护温度由65℃升高至79℃、混凝土之强度无甚增加.
4. 蒸汽养护之最高温大约勿超过80℃以上,否则不经济而且对混凝土极限强度有不良影响.
5. 蒸汽养护温度之升降率勿超过33℃小时,以免混凝土因体积之变化率太大而受损伤.
6. 蒸汽养护最高温应保持至混凝土所需强度,所需时间则随混凝土配比与蒸汽养护温度而定.-9-蒸汽养护最主要的优点在於能快速增加混凝土强度,於适当的养护过程下,超过60%之湿室养护下的28天混凝土抗压强度,可以在24小时内达到.但许多调查及试验过程中也发现,养护过程中较高的初期温度会减少晚期之混凝土抗压强度,至於抗张与挠曲强度及弹性模数,在养护过程中也有类似抗压强度的变化,只是程度较抗压强度为小【3】.
1. 强度(1) 蒸汽养护前置时间对混凝土强度的影响:由於混凝土刚完成浇置,水化热反应尚未达到混凝土硬化之程度,必须要有一段前置时间,使混凝土稳定,若此段时间过短、则蒸汽养护可能影响混凝土强度之发展.Shiedeler等【4】指出、养护温度愈高时,需较长之前置时间,其混凝土早期强度(即24小时)愈佳;
可见适当之前置时间,混凝土早期硬化佳,对於温度造成之热应力抵抗较佳,使混凝土足以形成足够之抗张强度,可减少蒸汽养护过程中生成裂缝、降低晚期强度之损失;也就是说,适当足够的前置时间,对混凝土强度,不论是早期强度或晚期强度皆有较佳的反应效果.
(2) 蒸汽养护升温速率对混凝土强度影响:Hanson【5】之研究显示、在适当的前置时间下,自11℃hr至44℃hr的升温速率都不会对混凝土早期与晚期强度造成影响.但若未有-10-适当之前置时间,过高的升温速率,对混凝土强度有不利之影响、将造成混凝土强度损失,且升温速度愈高,对混凝土强度之影响则愈大,原因如前所叙述,由於无适当前置时间,则使混凝土早期硬化较差,易於产生裂缝所致.
(3) 蒸汽养护温度及时间对混凝土强度影响:Klieger【6】研究即指出、较高的蒸汽养护温度,使混凝土早期强度较高,晚期强度之损失亦较大,因为温度愈高,混凝土固然因水化反应加速,造成强度快速增加,但却因内外温度差,形成热应力裂缝及较大孔隙,造成混凝土强度损失.蒸汽养护为在大气压力下,以饱和蒸汽进行养护,其温度需在100℃以下.根据ACI Committee 517的建议【】,关於预力及预铸混凝土之养护,由於多项因素相互的作用,影响混凝土强度与其它混凝土性质,而有助於提高混凝土早期强度的因素通常与提高混凝土晚期强度互相冲突.
(4) 蒸汽养护高温会造成混凝土晚期强度影响:在低温时,水化产物因有足够时间扩散而均匀分布与沉淀、当初期温度升高时,水化反应速率则以温度升高速率较高之比例而增高,而超过水化产物扩散速率,使得水化产物聚集在水泥颗粒之周围,形成一层低渗透性外壳,让水化产物无法继续扩散,空隙间之空间相对-11-变大,同时亦阻碍水泥颗粒尚未反应部分之后续反应.蒸汽养护高温养护虽使水泥颗粒周围CSH胶体较为密实,但混凝土强度却受孔隙中多孔的CSH胶体所控制,强度反而减低,因此蒸汽养护高温对於混凝土晚期强度有不良之影响.根据Shideler【4】提出超过74℃之蒸汽养护温度,对混凝土强度将造成损害以及Nasser等【7】有关於巨积混凝土之相关研究也显示、养护温度超过71℃之养护温度会导致混凝土晚期强度的损失,因此损失随著温度升高而加大.
2. 渗透性一般混凝土设计方向为强度与耐久性并重、而混凝土之耐久性评估时,渗透性是极为常见且重要之指标.由於蒸汽养护过程不仅水化反应加速,造成孔隙体积增加,内外温度差又导致混凝土形成裂缝、因此蒸汽养护使混凝土渗透性增加.Higginison【8】建议指出、在蒸汽养护后持续进行水养护,可有效改善渗透性,原因为使混凝土得以持续进行水化反应、使孔隙减少而降低渗透性;但在适当的蒸汽养护前置时间下,即使不在蒸汽养护后持续进行水养护,渗透性仍可以控制在一般湿室养护的水准.
3. 乾缩Higginison【8】指出、混凝土乾缩量会随蒸汽养护时间或温度增加而降低,因此蒸汽养护可以降低混凝土乾缩量;Higginison认为蒸汽养护除了使混凝土强度加快外,也提高混凝土的弹性模数发展,混凝土早期即具有-12-较高弹性模数,使混凝土不易收缩变形,并非混凝土乾燥速率或胶体型态及组成改变所致.
4. 潜变蒸汽养护也会降低混凝土之潜变量,与乾缩之情况类似,65℃时蒸汽养护13小时,可以减少30~50%的潜变量,原因部份是由於水化反应的加速,使CSH胶体更快成熟,早期即具有较高的弹性模数,部份则在於热混凝土试体移至乾冷处,造成水分损失所致.
5. 水泥成份所有符合规范要求条件,可用於一般未进行蒸气养护之混凝土中之水泥,骨材及水,皆可使用於进行蒸汽养护之混凝土,但不同水泥有不同之最佳养护流程,且不同骨材在高温下也有不同之反应【18】;含水量,水灰比及坍度愈低愈好,以缩短前置时间,增加混凝土早期强度,其中影响混凝土强度最主要的为水灰比(水灰比0.3 ~ 0.4间为最佳),较低之水灰比其早期强度较佳外,蒸汽养护后易达到施拉预力之混凝土目标强度,耐久性亦较佳【19】.
6. 化学掺料(Chemical Admixtures)高性能减水剂(Type F,G)皆可用於进行蒸汽养护之混凝土,但其使用之剂量,则须经试验再决定之,而高性能减水剂之目的,在於降低水灰比、提高混凝土早期强度,ACI规范认为并不会造成混凝土初凝时间与-13-前置时期之显著变化;但经从试验显示、为达到低水灰比、较高剂量之高性能减水剂用量,会延长混凝土初凝时间【58】【59】.高性能减水剂之添加时机、应於拌合时延迟加入,即在水泥和水反应数分钟后加入,可获得最佳之早期强度.
7. 耐久性在传统设计规范(ACI里、是以水灰比(WC)来考量混凝土的耐久性,而ACI新规范『结构混凝土』中、特别以水胶比(WCM)来规范混凝土强度,以期获得混凝土之耐久性,ACI 318-95规范容许使用水泥以外的卜作岚材料,像飞灰,炉石,稻谷灰,矽灰,及其他火山灰材料,经过10年来大量数据显示、混凝土添加飞灰,炉石等卜作岚材料具有阻渗及抗蚀的功能.预测混凝土早期强度的方法很多,其中之ㄧ为成熟度法【
39,40】,成熟度可定义为养护时间和养护温度之函数,然而温度与时间和混凝土强度的关系,早年等即曾进行相关研究,发现温度与时间对混凝土强度具有同等重要地位.Saul【14】更首度提出混凝土成熟度概念,定义成熟度为温度与时间的乘积,其数值表示混凝土成熟的情形,成熟度与水化程度在初期有很好的-14-关系,原因为早期水化反应是「化学控制」、而晚期水化为「扩散控制」、所以晚期效果则不明显,成熟度的表示方式如下:M(℃×日)=∑(T , t公式2-1)
依据ASTM C1074建议的Nurse Saul function法,由Nurse Saul推导之
成熟度经验公式表示方式如公式2-2:M(℃×日)=∑(T -T0) t公式2-2)M= 成熟度T = 时间t内混凝土平均温度T0 = -10.5℃(基准温度)Saul建议为负10.5℃、在此种定义下,如果成熟度相同、不论温度与时间历程为何,配比相同之混凝土有近似的混凝土强度.Plowman【15】依据其试验数据,推导出成熟度与强度关系如公式2-3:M(℃×小时)S (%) =AB log公式2-3)
1000 公式中A及B为经验常数值,其依据为温度23℃、蒸汽养护28天之混凝土抗压强度.基本上,对於某一特定混凝土材料其关系是存在的,然而不同材料则会有不同之曲线关系产生,这些都必须借重於试验来建立相关资料与资讯.在特定情况下,由成熟度预测混凝土强度,其研究结果也发现,事实-15-上,温度与时间对混凝土强度之影响在不同时期,并非是等量的,在早期由於水化作用造成混凝土强度增加,温度的影响要高於时间的影响、因此现有许多成熟度与混凝土强度之关系式,在混凝土早期强度与实际情况往往是有相当差异.混凝土蒸汽养护之目的,在使混凝土保有足够水分及温度,确保水化作用进行已产生混凝土强度,达到所要之耐久性,蒸汽养护作业要点主要
为:(1)确保其在水化硬固期间有足够之水份供应、(2)保持适当温度,(3)避免暴露表面因阳光照射与强风,下雨等气象作用,而造成损伤龟裂,(4)减少外力与震动之影响;混凝土在水化反应时,应适当的控制养护温度与湿度,否则将会使混凝土内部产生许多孔隙,需注意不可使混凝土产生不良影响、故蒸汽养护之前须先规划养护起始时间,温度上升速率,养护温度及时间,冷却速率等、以避免产生裂缝而影响混凝土强度与耐久性.
由於混凝土蒸汽养护具有相对之施工经济效益,且在国内桥梁的使用情形十分普遍广泛、如国工局及高工局之桥梁工程,包括北二高,中二高,南二高,及中山高汐五段拓宽等工程,得以了解相关蒸汽养护经验、及设计与施工上之差距【20~27】.针对国工局等单位专案工程,混凝土使用蒸汽-16-养护而已完工之桥梁工程,汇整如附录一、二所示.每种工法都有其特性,其中有些部分对於混凝土使用蒸汽养护有明显之经济效益影响.目前桥梁施工经常采行之工法,分别有场铸节块悬臂工法,预铸节块悬臂吊装工法,支撑先进工法,节块推进工法以及全跨预铸桥梁工法【41】等等;基本上,在混凝土蒸汽养护的设备与程序上,各工法使用情形并无太大明显差异,其主要的不同处是在於工程施工方面,工法不同所需混凝土蒸汽养护之区域面积亦不同、这对於混凝土养护过程中管线的配置方式,密闭性的设计与锅炉的规划等等、皆有决定性之影响【30,
31,39】,表2-1列出几种主要桥梁工法的浇置时程及混凝土蒸汽养护特性之比较、由於混凝土的浇置时程也会对蒸汽养护的方式造成影响、因此,我们比较各工法的混凝土蒸汽养护特性,其主要是受下列几个因素的影响
1. 混凝土浇置方式混凝土蒸汽养护的方式,共分有桥梁整跨一体养护,节块整体一体养护与仅养护节块腹、底版或仅养护节块顶版等四种、其中支撑先进、悬臂与预铸节块工法,以及全跨径预铸桥梁皆为底,腹、顶版整体同时养护,而节块推进则仅养护腹、底版或是仅养护顶版;此外养护方式的不同、对於蒸汽主副管之配置与密闭性的难易度,也有相当程度的影响、当然蒸汽养护区域面积越单纯,则困难度便相对降低,-17-如仅仅养护顶版则较易实施,反之,若同时养护底,腹、顶版则难度将相对提高.
2. 不同工法之工作区与设备每一种工法都有其特定施工区域的工作范围,就工法而言、可将施工区分为固定与渐进移动式两种、其中节块推进桥梁与预铸节块吊装桥梁及全跨预铸桥梁之生产工作范围是固定不动的,属固定式;而支撑先进桥梁与场铸节块悬臂桥梁则会随著箱梁节块建造施筑而移动者、属渐进移动式;另蒸汽主管之配置,主要受到工作区域的位置所影响、渐进移动式之工作区域,其锅炉的设置则采用可移动式,否则蒸汽主管将因为长度过长,造成过大压力而降低温度,产生温度不均匀现象.然在场铸节块悬臂桥梁工法中、蒸汽主管的长度需求,随两侧悬臂节块的延伸而增加将无可避免、但可以另增加使用两组以上之锅炉设备来进行养护混凝土.在工作区域的主要设备方面,影响混凝土蒸汽养护主要的是养护密闭性与蒸汽主副管之配管配置的问题,设备越多则架设蒸汽养护棚的障碍也越多,要达到养护完全密闭的困难度亦越高.对全跨径预铸桥梁、支撑先进桥梁、预铸节块吊装桥梁及节块推进桥梁而言、由於工作区域内的障碍较少,则较容易做好混凝土蒸汽养护棚的密闭性;而场铸节块悬臂桥梁、则由於工作区域内的复杂性与设备障碍较多,-18-故养护密闭困难度则相对较高.
3. 养护尺寸与面积不同工法的蒸汽锅炉容量需求亦有所不同、蒸汽锅炉的容量主要取决於蒸汽养护范围之大小,范围越大,需求条件则越高;通常全跨径预铸桥梁及支撑先进桥梁、其为整跨桥梁一体施工,因此所需蒸汽养护面积及范围最大,蒸汽锅炉容量与需求亦较大.而场铸节块悬臂桥梁及预铸节块桥梁、则由於每一个节块的长度通常约3 ~ 5公尺、故蒸汽养护面积及范围较小,蒸汽锅炉容量及需求亦较小;至於节块推进工法之施工,其养护范围视养护的方式而定,通常一般介於在两者之间.工法混凝土浇置时程蒸汽养护方式管线配置难度密闭难度锅炉容量全跨预铸桥梁工法桥梁整跨一起浇置桥梁整体一体养护中或难中或难大支撑先进桥梁整跨一起浇置桥梁整体一体养护中中大悬臂工法节块整体一起浇置节块整体一体养护难难中或小预铸节块吊装工法节块整体一起浇置节块整体一体养护易中或易中或小节块推进先浇置底,腹版养护节块顶板中或易中或易中【资料来源】:本研究修改自财团法人台湾营建研究院-「桥梁现地蒸汽养生讲习」【31】
1. 有关杨锦0【32】对高性能混凝土蒸汽养护之研究,发现蒸汽养护会在混凝土之骨材与浆体界面造成裂缝、影响混凝土晚期强度,经蒸汽养-19-护之混凝土28天强度与浸於饱和石灰水之混凝土强度相比、有明显折减现象,蒸汽养护时间愈长,其混凝土强度折减愈大.
2. 高健章【30】指出有关温度对混凝土相关影响、叙述如下:
(1) 混凝土内之过渡区(Transition Zone)对混凝土性质之影响:a.混凝土因捣实振动引起之浮水上升,而积存於大骨材颗粒之底缘与周围,形成一层水灰比较高之水泥浆薄层,包围於骨材表面,称为过渡区.b.在水化早期,过渡区之孔隙量与孔穴尺寸均大於砂浆内者、且因水灰比较高,水化生成物之钙矾石(Aft)与氢氧化钙(CH)结晶之含量较大,并形成较多孔之构造,且板状氢氧化钙结晶排列具方向性,其C轴多呈垂直於骨材表面,故容易被劈裂.c.骨材粒径若愈大,形成之过渡区则愈厚,常於乾缩或温度变化而形成微裂缝、此即过渡区强度较弱之原因.d.混凝土受拉力时,过渡区内既有之微裂缝容易快速漫延,此即为何混凝土受拉会形成脆性破坏之原因.e.通常骨材若愈大,浮水积存於骨材周围之机率则愈大,其过渡区之水灰比也愈高,形成强度愈弱及透水性愈大之混凝土.
(2) 温度对水化反应之影响:化学反应具温度敏感性,温度较高反应较快、水化作用亦然,在足够-20-水分下,提高温度必加速水化反应速率,温度不超过10℃之低压蒸汽养护,水化反应之生成物,大致与常温养护者类同、但生成物之分布可能有所差异;高温催化快速水化之产物比较会堆集於水泥颗粒之周围,无足够时间均匀分布、尤其是过渡区多水孔地带,缺乏后续之水化物来填补,影响混凝土晚期强度之成长及透水性.
(3) 温度对混凝土力学行为之影响:
a.温度梯度与混凝土抗张度之关系:蒸汽养护时构件内外会有温度梯度产生,形成温度应力、使过渡区之微裂缝扩张,且温度使孔隙膨胀、形成孔隙压力、亦会导致裂缝成长,而影响混凝土晚期强度,因此,蒸汽养护前置时间愈长,混凝土早期抗裂强度愈足,其晚期强度之损减会愈少;同理,蒸汽养护升温与降温速率均会产生混凝土构件内部之温度梯度,其养护速率亦影响混凝土之晚期强度.
b.过渡区之附著强度发展之影响:过渡期之早期强度较低於水泥浆体内者、但龄期增长后,两者趋近相等.过渡区内大型氢氧化钙结晶,可藉缓慢水化反应、与矽质骨材表面作用而增生钙矽水化合物,充填过渡区而增加其附著强度,并有长时间愈合过渡区微裂缝之效力、而增加混凝土晚期强度,但蒸汽高温养护之混凝土,恐较缺乏此机制.-21-
3. 丘惠生,王瑞祯等【30】研发成果报告结果指出:
(1) 采用水灰比0.37或0.4的混凝土,蒸汽养护效果最佳的温度在60℃至80℃之间,水灰比0.45则以60℃的养护效果最佳.
(2) 水灰比、恒温期时间,养护温度各有不同、水灰比0.4以上与养护温度在50℃以下者、养护效果不佳.
(3) 水灰比愈低(0.3 ~ 0.4间),养护温度愈高,混凝土强度发展愈快、水灰比0.45以上之配比、不宜以过高的温度养护,接近80℃或以上的高温则应避免.
(4) 前置时期应待整体混凝土达初凝、一般约2 ~ 4小时,使用缓凝剂实则应视情况延长为4 ~ 6小时.
4. 姜沛尧【39】研究论文结果指出:
(1) 密闭性,锅炉容量与蒸汽能否流通对养护效果颇具影响.
(2) 水灰比太高(高於0.4),养护温度过低,蒸汽养护的效果是有限的.
(3) 0.4以下水灰比与60℃之养护温度,混凝土强度不仅易达到且较为经济有效的.
(4) 蒸汽养护结束时,混凝土抗压强度大致介於湿治三天至七天间水准.
(5) 混凝土初凝后进行蒸汽养护,与湿治28天相较、混凝土28天龄期强度折减可以降至10 ~ 20,在水灰比较低的情况下,混凝土强度折减甚至在5%以内或高过湿治七天结果.-22-相关分析(Correlation analysis)是回归分析的基础、也就是分析变数间关系的方向与程度大小的统计方法,相关分析与回归分析方法的目的及结果虽有些不同、但却是密切关联的.在作相关分析之前、除了经验上之考虑变数间是否相关外,资料收集工作是非常重要、没有高品质资料,资料是不可靠的.在一些变数之间彼此结合程度有高,有低,两种变数间之关系很高,其意义就是它们几乎同一因素决定,也就是说一种变数变动时,另一种变数跟著改变;当相关性低时,其意义为两变数间之个别差异由相当不同之因素决定,因此,相关程度是了解变数关系的一种方法,所以两变数之相关程度是指一变数已知时,另一变数缩减变异的程度,数值愈大,表示相关愈高,如图2-2所示【41】.Y负相关
1. 正值表示正相关,变数Y的值随变数X的值增加而倾向增加;反之, Y正相关-23-负值表示负相关,变数Y的值随变数X的值增加而倾向减少.
2. 在一些变数之间彼此结合程度有高,低,两种变数之关系很高,其意义它们几乎由同一因素决定.回归分析就是分析问题为应变数(Dependent variable)时,所考虑之相关影响因素为自变数(Inependent variable)是否有效降低应变数变异的一种统计方法,用来寻求自变数与应变数之间的关系及根据已知的自变数来预测应变数以及影响方向与程度;如果自变数只有一个,称之为简单回归(Simple Regression),如果自变数超过一个,则称之为多元回归或复回归(Multiple Regression)【38】.一般而言、复回归分析因为考虑多个影响应变数的自变数,因此,复回归分析是分析应变数Y与一群自变数(XX2)间的相关程度,如图2-3所示.然而复回归及复相关中所导引出的多变数统计方法有很多种、用途也各异,但其基本原理却是相似的;目前常用的有逐步分析(Stepwise multiple regression analysis),因素分析(Factor analysis),径路分析(Path analysis),判定分析(Discriminant analysis)等等.
多元回归方程式主要有如下用途:(1) 从较易测得可控制变数Xi来推算较难测得的应变数Y,(2)描述某ㄧ现象时,考虑与某些因素的数量关系.
-24-效标变项(连续变项)ㄧ个应变项(Y)预测变项(N个连续变项)N个预测变项多元回归分析法0之「强迫进入法」(Enter)中之径路分析又称「结构方程式模式」(Structural Equation Models)或「同时方程式考验模式」
(Simultaneous Equation Models),因为它同时让所有预测变项进入回归模式之中【38】.
径路分析基本步骤,简要归纳如下:
1. 根据相关理论与文献资料,建构一个可以考验之初始模式,并绘制一个没有径路系数的径路图(Path Diagram);箭号起始处为「因」(Cause),即自变项、箭号所指处者为「果」(Effect),即应变项;以多元回归分析而言、箭号起始处为回归方程式中之「预测变项」、箭号所指的变项为回归方程式中之「效标变项」.
2. 选用适当的回归模式(通常选用Enter法)已估计径路系数并考验其是否显著,进而估计残差系数(Residual coefficient),在径路分析中、选用之分析方法为多元回归分析方法(Multiple regression analysis),而径路系数,就是回归方程式中的「标准化回归系数」(Standardized 在一般所谓的复回归,即让所有欲进行复回归分析的预测变项、同时进入回归方程式;而所谓的残差系数,是指应变项变异量中自变项无法解释的部份,这是一种「残差变异」所代表的图示称为「残差变量径路」(Residual Variable Path),其求法为1减掉决定系数(R2)再开根号.残差系数= R-12
3. 评估理论模式,可在删除不显著的径路系数,重新计算新模式的径路系数.残差系数=R-12
4. 在删除部分的影响径路后,会成为一种「限制模式」(Restrict Model), 由於预测变项数的改变,径路系数也会跟著改变,因而要重新进行复回归分析.逐步复回归(Stepwise multiple regression),亦有称为最佳复回归者、就是利用一般的复回归方法,以求得「用最少个自变项、以解释应变项最大的异变量」【37】;在众多自变项间常有高度之相关,因此虽然每个自变项均个别与应变项有相关;举例说明,如甲自变项与乙自变项相关程度很高,亦即甲自变项之变异可大部分被乙自变项之变异所解释,则对应变项而言、甲与乙两个自变项只需存留一个即可.又如甲与乙两个自变项、在-26-复回归中均可有意义解释或预测应变项、但丙自变项的变异却大部分可被甲与乙两个自变项所解释,则丙变项虽个别与应变项有相关,但在复回归中却为多余,应予去除,此种以化繁为简、只求出对应变项有独特之影响力的自变项来预测或解释应变项的方法,就是逐步复回归,逐步复回归实施后,所选取的自变项、与应变项所做的复回归,通常称之为最佳复回归.
多元回归分析之「逐步回归法」(Stepwise),是运用设为广泛的复回归分析方法之ㄧ,也是多元回归分析报告中出现机率最多的一种预测变项的方法,它结合「顺向选择法」(Forward selection)与「反向剔除法」
(Backward elimination)二种方式的优点【37,38】.
SPSS统计分析软体是「社会科学统计套装软体」(Statistical Package forthe Social Science)的简称,由於简易的操作界面,且相容於PC个人电脑,资料处理速度快、富人性化的视窗操作,导引研究者进入量化资料处理,让其使用之普及率更广,「SPSS统计分析软体」其包括统计方法分析与解说,结果报表呈现与解释,颇具实用与参考价值【38】.本研究内容之资料分析,则藉由此套装软体进行统计方法分析,结果与解释,及应用回归分析方法来进行资料之分析比较(如图2-4);本研究使用此软体分析的Pearson相关分析及多元回归分析法中之「强迫进入法

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