115 原住民特考三等 土木工程類科 營建管理與工程材料 考古題詳解

115 年・原住民特考・三等・土木工程類科
試題代碼 營建管理與工程材料

第 一 題25 分

混凝土裂縫易造成工程品質的疑慮,請詳述混凝土龜裂的可能原因及因應對策。

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核心觀念

混凝土裂縫是指混凝土因體積變化、溫度變化、外力作用、地基變形或耐久性劣化,使其拉應力超過抗拉強度而產生的破壞現象。混凝土抗壓強度高,但抗拉強度低,因此裂縫控制的核心在於:

  1. 降低混凝土的收縮與溫度變化。
  2. 減少外部拘束與不均勻變形。
  3. 提高早期抗拉強度及韌性。
  4. 防止鋼筋腐蝕、化學反應等耐久性問題。
  5. 透過適當施工、養護、伸縮縫及裂縫控制設計,使裂縫寬度維持在可接受範圍內。

混凝土裂縫不一定代表結構立即失效,必須依裂縫的發生時間、位置、方向、寬度、深度及是否持續發展,判斷其屬於非結構性裂縫或結構性裂縫。

混凝土發生裂縫的基本條件可表示為:

σt>ft\sigma_t > f_t

其中,σt\sigma_t 為混凝土所受拉應力,ftf_t 為混凝土抗拉強度。拉應力來源包含收縮受拘束所產生的應力、溫度應力、外力彎矩、地基變形及鋼筋鏽蝕膨脹等。


解題方法

本題宜採「裂縫原因分類—裂縫特徵—對應對策」的方式作答。可將原因分為下列六大類:

  1. 新拌混凝土及早期塑性階段裂縫。
  2. 乾燥收縮、自生收縮等體積變化裂縫。
  3. 水化熱及溫度變化裂縫。
  4. 施工品質不良所造成的裂縫。
  5. 結構受力、地基變形或外力造成的裂縫。
  6. 耐久性劣化及化學反應造成的裂縫。

各類裂縫應分別說明形成機制、常見位置及預防、修復方法,方能完整回答。


一、新拌混凝土及早期塑性裂縫

1. 塑性收縮裂縫

混凝土澆置後尚未硬化,表面水分因高溫、低濕度或強風快速蒸發,造成表面收縮;但內部混凝土仍受拘束,因而產生裂縫。

常見特徵:

  • 通常發生於澆置後數小時內。
  • 裂縫較淺,常呈不規則分布。
  • 多出現在樓板、道路版、廣場及大面積水平構件。
  • 裂縫方向常與風向或表面蒸發狀況有關。

主要原因:

  • 高溫、低濕度、強風。
  • 澆置速度慢,表面長時間暴露。
  • 混凝土泌水量不足,表面失水速度大於泌水補充速度。
  • 水膠比過低而早期失水迅速。
  • 表面沒有及時覆蓋或養護。

因應對策:

  • 避免在炎熱、乾燥、強風時段澆置。
  • 澆置前潤濕模板及基底,但不得形成積水。
  • 使用遮陽、擋風設施降低蒸發速率。
  • 採用噴霧、霧化或蒸發抑制劑維持表面濕潤。
  • 及時進行抹面、覆蓋及濕養護。
  • 施工縫、收縮縫及鋼筋配置應依構造需求設置。
  • 控制混凝土坍度及水膠比,禁止以現場任意加水增加工作性。

2. 塑性沉陷裂縫

新拌混凝土中的粗骨材下沉、水泥漿上升,若受到梁、柱、鋼筋或模板等阻礙,便會形成局部沉陷差異,進而產生裂縫。

常見特徵:

  • 常沿著上層鋼筋、梁柱交界或大型埋設物上方發生。
  • 裂縫多呈直線狀,位置具有規律性。
  • 發生時間通常在澆置後數小時內。

因應對策:

  • 選用適當級配,避免骨材分離。
  • 控制坍度,避免混凝土過度流動。
  • 改善振動搗實,確保鋼筋及埋設物周圍填充密實。
  • 在初凝前觀察表面沉陷情形,適時進行二次抹面。
  • 合理配置鋼筋,避免鋼筋過度集中造成混凝土沉陷受阻。
  • 控制澆置層厚及澆置速度,避免局部堆積。

二、收縮所造成的裂縫

1. 乾燥收縮裂縫

混凝土硬化後,孔隙中的水分逐漸蒸發,水泥膠體體積縮小。若混凝土受到鋼筋、鄰接構件、模板或基礎的拘束,收縮變形無法自由發展,便產生拉應力及裂縫。

乾燥收縮裂縫的基本關係可表示為:

εsh↑⇒σt↑\varepsilon_{sh} \uparrow \quad \Rightarrow \quad \sigma_t \uparrow

當拘束程度增加,收縮應力也隨之增加。

主要原因:

  • 水膠比過高。
  • 單位用水量過大。
  • 水泥用量過多。
  • 細料比例過高。
  • 骨材量不足或骨材級配不佳。
  • 養護不足、乾燥過快。
  • 構件尺寸大、鋼筋配置不足或拘束條件複雜。

因應對策:

  • 降低水膠比及單位用水量。
  • 使用高品質、低收縮骨材及良好級配。
  • 避免任意增加水泥量。
  • 使用減水劑改善工作性,不以加水方式提高坍度。
  • 加強早期濕養護,延長養護時間。
  • 合理配置收縮控制鋼筋。
  • 設置適當鋸切縫、誘導縫及施工縫。
  • 大面積樓板及地坪應分區澆置,縮短無縫長度。
  • 使用收縮補償混凝土、膨脹材或纖維材料時,須配合正確養護。

2. 自生收縮裂縫

高強度混凝土或低水膠比混凝土在水化過程中,內部水分被水泥水化消耗,造成內部相對濕度下降及體積收縮。此類收縮即使沒有外部乾燥,也可能發生。

因應對策:

  • 避免不必要地採用過低水膠比。
  • 使用內部養護材料,如預濕輕質骨材。
  • 控制水泥及礦物摻料用量。
  • 加強早期保濕養護。
  • 配置適當鋼筋及纖維,控制裂縫寬度。

三、水化熱及溫度變化裂縫

1. 大體積混凝土水化熱裂縫

水泥水化會釋放熱量。大體積混凝土內部散熱不易,內部溫度升高;表面散熱較快,內外形成溫度差。當內部降溫收縮受到外部約束時,便可能形成貫穿性裂縫。

溫度應力可概略表示為:

σT≈REαΔT\sigma_T \approx R E \alpha \Delta T

其中:

  • RR:拘束係數。
  • EE:混凝土彈性模數。
  • α\alpha:熱膨脹係數。
  • ΔT\Delta T:溫度變化量。

當溫差、拘束程度或彈性模數增加時,溫度應力也會增加;混凝土徐變則可使部分應力鬆弛。

常見位置:

  • 厚基礎。
  • 擋土牆及大型墩座。
  • 大型橋墩。
  • 厚牆及大型筏式基礎。

因應對策:

  • 使用低熱水泥或降低水泥用量。
  • 以飛灰、爐石粉等礦物摻料部分取代水泥。
  • 採分層、分區及分段澆置。
  • 降低入模溫度,可採低溫拌合水、冷卻骨材等方法。
  • 埋設冷卻水管,控制內部溫升。
  • 加強保溫,降低內外溫差及降溫速率。
  • 設置溫度感測器,監測內部與表面溫度。
  • 避免拆模過早,防止表面急速冷卻。
  • 合理設計施工縫及伸縮縫。

2. 外界溫度變化裂縫

日夜溫差、季節變化、日照及寒冷環境會造成混凝土反覆伸縮。若構件受鄰接構件或支承拘束,容易形成裂縫。

因應對策:

  • 設置伸縮縫、隔離縫及誘導縫。
  • 改善構件細部設計,避免突然變化及應力集中。
  • 控制構件長度及斷面尺寸。
  • 加強表面保溫,降低溫度變化速率。
  • 配置足量溫度及收縮鋼筋。

四、施工品質不良造成的裂縫

1. 過量加水或水膠比過高

現場任意加水會使水膠比提高,造成:

  • 強度下降。
  • 乾燥收縮增加。
  • 泌水及離析增加。
  • 表面粉化及裂縫增加。
  • 耐久性降低。

對策:

應以配比設計及減水劑調整工作性,禁止以現場加水方式改善坍度;若坍度不符規定,應依品質管理程序處理。


2. 混凝土離析及泌水

粗骨材下沉、砂漿上浮會使構件內部材料分布不均,形成弱面及局部收縮差異。

對策:

  • 改善粒料級配。
  • 控制坍度及澆置高度。
  • 避免長距離自由落料。
  • 正確使用振動器,避免漏振或過振。
  • 分層澆置並確實搭接振搗。

3. 振搗不足或過度振搗

振搗不足會造成蜂窩、孔洞及局部強度不足;過度振搗則可能造成離析及泌水。

對策:

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第 二 題25 分

為能降低營造工地災害的發生機率,在營造工程施工現場承包商須有哪些職業安全衛生的措施或策略?

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核心觀念

本題考查營造業承包商如何依「職業安全衛生管理」及「營造施工現場危害控制」觀念,降低工地事故發生機率。答題重點不在單一防護設備,而在於建立一套由「事前預防、施工控制、現場監督、事故應變、持續改善」所構成的完整安全衛生管理制度。

法規以命題當年(民國115年)法規為準,主要涉及:

  • 《職業安全衛生法》
  • 《職業安全衛生管理辦法》
  • 《營造安全衛生設施標準》
  • 《職業安全衛生教育訓練規則》
  • 《勞動檢查法》及相關危害性作業規定

雇主或承包商對於勞工的安全與健康負有事前預防及現場管理責任,不能僅在事故發生後補救,也不能以勞工自行注意或僅配戴個人防護具代替雇主應負的安全設施與管理義務。

風險的基本概念

職業安全衛生管理通常以危害辨識、風險評估及風險控制為核心。風險可用下式表示:

R=P×SR=P \times S

其中:

  • RR:風險程度
  • PP:危害事件發生的可能性
  • SS:事故後果的嚴重度

承包商應先辨識危害,再評估風險,依風險高低採取控制措施,並於施工條件改變時重新評估。

解題方法

本題可採「安全衛生管理循環」作答,依下列順序說明:

  1. 建立安全衛生管理組織與責任。
  2. 施工前進行危害辨識及風險評估。
  3. 依施工特性訂定安全衛生計畫。
  4. 採取工程控制及防護設施。
  5. 加強人員教育、訓練及作業管制。
  6. 透過巡檢、稽核及缺失改善進行現場監督。
  7. 建立緊急應變、事故通報及持續改善制度。

這種寫法可以同時涵蓋制度面、技術面及人員面,避免答案只羅列安全帽、安全帶等個人防護具,導致層次不足。

承包商應採取的職業安全衛生措施或策略

一、建立安全衛生管理組織與責任制度

承包商應依工程規模、危險程度及法規要求,設置適當的安全衛生管理人員,明確劃分承攬人、工地主任、職業安全衛生人員、各級主管及現場作業人員的責任。

主要措施包括:

  • 訂定公司及工地安全衛生政策。
  • 明確規定各級主管的安全責任。
  • 由工地主管負責施工協調及現場安全管理。
  • 由職業安全衛生人員辦理危害辨識、巡檢、教育訓練及改善追蹤。
  • 將安全衛生績效納入主管及承包商的管理考核。
  • 建立勞工參與及反映危害的管道。

安全衛生責任必須落實到現場各級人員,不能只由安全衛生人員單獨負責。

二、施工前實施危害辨識與風險評估

工程開始前應依施工流程進行工作安全分析,辨識各工項所可能產生的危害,例如:

  • 高處作業:墜落、物體飛落。
  • 模板及支撐工程:倒塌、失穩、壓傷。
  • 鋼筋及結構工程:穿刺、墜落、吊掛事故。
  • 土方及基礎工程:邊坡崩塌、土砂掩埋、地下管線破壞。
  • 起重吊掛:吊物掉落、碰撞、翻覆。
  • 機械設備:夾捲、切割、撞擊。
  • 臨時用電:感電、短路、火災。
  • 密閉空間:缺氧、中毒、窒息。
  • 動火作業:火災、爆炸。
  • 交通動線:車輛撞擊及人車交織事故。

對每一項危害評估其發生可能性與後果嚴重度,將高風險工作列為優先控制對象。施工方法、設備、材料、工序或現場環境變更時,也應重新進行風險評估。

三、訂定施工安全衛生計畫及作業程序

承包商應將風險評估結果轉化為具體的安全衛生計畫,內容應配合工程特性及施工進度,至少包括:

  • 各工項施工方法及安全作業標準。
  • 高風險作業的管制方式。
  • 臨時設施及安全防護設備配置。
  • 人員、機具及材料進場管理。
  • 危險性機械設備檢查及操作資格。
  • 分包商安全管理方式。
  • 緊急應變及救援程序。
  • 安全檢查、缺失改善及紀錄保存方式。

對於高處、吊掛、開挖、模板支撐、動火、密閉空間及停電作業,應訂定明確的作業程序與許可制度,不得僅以口頭交代代替書面管制。

四、依危害控制層級採取工程控制

安全措施應優先採用能直接消除或降低危害的方式,控制層級可依下列順序辦理:

  1. 消除危害。
  2. 以較安全的方法或材料替代。
  3. 工程控制。
  4. 管理控制。
  5. 個人防護具。

例如高處作業應優先採用地面組裝、預鑄構件或其他降低高處暴露的方法;無法避免高處作業時,再設置工作平台、護欄、安全網及安全帶等防護措施。

常見工程控制措施如下:

高處作業防墜

  • 設置牢固的工作架、工作台及安全通道。
  • 開口、樓板邊緣、昇降口及電梯井設置護欄、覆蓋或安全網。
  • 使用安全帶時,應設置可靠的安全母索、錨錠或防墜落系統。
  • 梯具、施工架及高空工作車應符合規定並定期檢查。
  • 防止工具、材料及物件自高處掉落。

開挖及土方工程安全

  • 事前調查地質、地下管線及鄰近構造物。
  • 依地質及開挖深度採取放坡、支撐或擋土措施。
  • 避免土方、機械及材料堆置於開挖邊緣。
  • 設置安全上下設備、排水措施及警戒設施。
  • 雨後、地震後或現場條件變更後重新檢查邊坡及支撐。

模板及支撐安全

  • 依結構、澆置順序及施工荷重設計支撐系統。
  • 支撐基礎應穩固,並設置足夠的水平繫桿及斜撐。
  • 澆置混凝土前辦理模板及支撐檢查。
  • 控制混凝土澆置速度及順序,避免集中載重。
  • 拆模應依強度及施工程序辦理,不得任意拆除支撐。

起重吊掛安全

  • 使用合格的起重機具、吊索及吊具。
  • 由具資格人員操作及指揮。
  • 事前確認吊重、吊點、作業半徑、地耐力及行進路線。
  • 吊掛物下方禁止人員停留或通行。
  • 設置警戒區,避免吊物碰撞結構物、電線及其他設備。
  • 吊索、吊鉤及安全裝置應於使用前檢查。

機械及臨時用電安全

  • 機械設備應設置護罩、護圍、緊急停止裝置及防止誤啟動措施。
  • 機械檢修、清理及排除故障時,應停機、斷電並採取上鎖掛牌措施。
  • 臨時用電應設置漏電斷路器、接地及適當的配電設備。
  • 電線應避免破損、積水、碾壓及任意接線。
  • 電氣作業應由具資格人員辦理。

五、落實教育訓練與危害告知

承包商應依工作性質對勞工及相關人員實施安全衛生教育訓練,內容包括:

  • 一般安全衛生教育。
  • 新進人員及調換工作人員的作業訓練。
  • 特殊危害作業訓練。
  • 危險性機械設備操作資格訓練。
  • 個人防護具的選用、穿戴及保養。
  • 緊急事故通報、避難及急救方法。
  • 工地特殊危害及當日作業注意事項。

對於新進人員、分包商人員及臨時進場人員,應先完成入場教育及危害告知,確認其了解作業環境、禁令、逃生路線及緊急聯絡方式後,才可進場作業。

六、實施工具箱會議及作業前安全確認

每日或每一工作班開始前,應由現場主管針對當日工作內容召開工具箱會議,說明:

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第 三 題25 分

工程契約變更在實務上不僅依賴雙方合意,亦可能透過法律原則或法院裁判進行調整。請詳述工程契約變更的意義以及工程契約中常見的變更原因。

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核心觀念

本題考查「工程契約變更」的定義、成立基礎及實務上常見的變更原因。作答時應先說明契約變更並非單純增加工程數量,而是使原契約的工程範圍、工作內容、施工方法、履約期限、契約價金或其他權利義務發生變動。

涉及法規部分,以下以命題當年(民國115年)法規為準,主要依據包括:

  1. 契約自由及契約合意原則。
  2. 民法關於契約變更、給付不能、給付遲延及情事變更之規定。
  3. 政府採購法第63條及採購契約要項。
  4. 工程契約所訂之設計變更、追加減帳、展延工期、物價調整及不可抗力條款。

工程契約變更的核心,在於「原契約內容發生具有契約效力的調整」,並須同時處理工程、價金、工期及風險分配等問題。


一、工程契約變更之意義

工程契約變更,是指契約成立後,因雙方合意、契約預先約定、法律規定或法院裁判,使原工程契約之內容發生變動。

其變更事項通常包括:

  • 工程範圍增減。
  • 工項、數量或規格變更。
  • 材料等級、施工方法或施工順序變更。
  • 契約價金增減。
  • 工期展延或縮短。
  • 工程品質、驗收標準或付款條件調整。
  • 契約責任及風險分配改變。

契約變更後,原契約並不當然消滅,而是依變更內容修正部分契約條款。若變更程度已使原契約的主要內容完全改變,則可能涉及新契約成立、契約更換或超出原契約範圍的問題。


二、工程契約變更的成立方式

(一)依雙方合意變更

這是最典型的契約變更方式。定作人與承攬人就變更內容、追加減金額、工期及責任分配達成合意,並以書面變更設計、契約變更書、工程議價紀錄或補充協議確認。

例如:

  • 增加地下室開挖深度。
  • 將外牆材料由磁磚改為石材。
  • 增設排水設施。
  • 刪除部分原訂工程項目。

契約變更原則上應以書面確認,避免僅由口頭指示造成日後對於工作範圍、價格及工期的爭議。

(二)依契約預先約定變更

工程契約通常會設計變更條款,使定作人於一定範圍內具有指示變更工作的權利。例如:

  • 設計變更。
  • 工程數量增減。
  • 契約單價調整。
  • 追加工程。
  • 工期展延。
  • 暫停施工及復工。
  • 物價指數調整。
  • 不可抗力事件處理。

此種情形雖未必在每次變更前重新協商全部內容,但仍須依契約所定程序辦理,例如提出變更通知、估價、議價、核定及簽署契約變更文件。

(三)依法律原則或法律規定調整

即使雙方未明確同意變更,法律仍可能因公平原則、誠信原則或情事變更原則,調整契約權利義務。

民法第227條之2規定,契約成立後,情事發生重大變更,非訂約時所得預料,而依其原有效果顯失公平者,當事人得聲請法院增加或減少給付,或變更其他原有之效果。

因此,情事變更原則通常須具備下列要件:

  1. 契約成立後發生情事變更。
  2. 該變更具有重大性。
  3. 變更在訂約時無法合理預見。
  4. 變更不可歸責於主張調整的一方。
  5. 繼續依原契約履行將造成顯失公平。
  6. 當事人曾依誠信原則協商,仍無法合理解決。

情事變更並非發生任何成本增加即可主張。一般市場價格波動、承包商估價錯誤、施工管理不善,原則上仍屬承包商自行承擔的商業風險。

(四)依法院裁判變更

契約爭議經法院審理後,法院得依法律規定及契約性質,對契約效果加以調整。例如:

  • 依情事變更原則增減給付。
  • 認定部分契約條款無效。
  • 判定定作人之變更指示具有契約效力。
  • 認定承包商有權請求追加工程款。
  • 認定工期應予展延。
  • 認定雙方責任比例及損害賠償範圍。

法院裁判的功能不是任意替代當事人訂約,而是在法律授權範圍內,針對原契約履行結果是否顯失公平、是否違反誠信原則及實際責任歸屬進行調整。


三、工程契約中常見的變更原因

(一)業主需求或使用功能改變

工程進行期間,業主可能因使用需求、營運計畫、預算配置或政策方向改變,而要求調整工程內容。

例如:

  • 增加樓層或使用面積。
  • 改變空間配置。
  • 增設機電設備。
  • 提高耐震、節能或消防標準。
  • 刪減非必要工程以降低成本。

此類變更通常屬於業主需求變更,應辦理設計變更、估價及工期影響評估。

(二)原設計錯誤、遺漏或圖說不一致

設計圖、施工規範、數量清單及現場條件不一致時,施工可能無法依原契約直接進行。

常見情形包括:

  • 圖說與數量表不一致。
  • 結構圖與建築圖互相衝突。
  • 機電管線與結構梁柱碰撞。
  • 漏列必要工項。
  • 設計尺寸不符現場施工需求。
  • 規範內容前後矛盾。

此類變更須先釐清責任歸屬。若係定作人或設計單位的錯誤,承包商得依契約及實際影響請求合理追加費用及展延工期;若係承包商本身施工錯誤,則不得將修正費用轉嫁給定作人。

(三)現場地質或地下障礙與預期不符

地下工程最容易發生此類變更,例如:

  • 地質強度低於調查資料。
  • 地下水位高於預估。
  • 發現未載明的既有管線。
  • 發現舊基礎、構造物或障礙物。
  • 土壤遭污染。
  • 開挖後發現地層、岩盤狀況顯著不同。

此時可能須改變基礎形式、增加擋土支撐、抽水、換填、地盤改良或調整施工順序。若該現場條件具有不可預見性,且非承包商可歸責,通常涉及追加工程款及工期展延。

(四)法令、規範或主管機關要求變更

施工期間法令、技術規範或主管機關審查要求改變,也可能造成契約內容調整。

例如:

  • 建築、消防、環保或職業安全法規修正。
  • 主管機關要求提高防火或耐震標準。
  • 交通維持計畫經核定後必須調整。
  • 環境影響評估或水土保持條件改變。
  • 公共管線單位提出新設或遷移要求。

此類變更須區分於訂約前已存在且承包商應查知的法令要求。若屬訂約後始發生且無法合理預見的強制性要求,較有理由主張契約價金及工期調整。

(五)工程數量增減

實際數量與契約數量不一致,是工程契約最常見的變更原因。

例如:

  • 土方開挖數量增加。
  • 鋼筋、混凝土或模板數量減少。
  • 管線長度與原估算不同。
  • 路基、路面或排水工程數量調整。

工程數量增減通常依契約單價辦理追加減帳。計算基本上為:

追加或減作金額=∑(變更後數量−原契約數量)×適用單價追加或減作金額 = \sum \left(\text{變更後數量}-\text{原契約數量}\right) \times \text{適用單價}
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第 四 題25 分

現代建築中時常涉及到大體積混凝土施工,如高層樓房基礎、大型設備基礎、水利大壩等。請詳述大體積混凝土容易產生溫度裂縫的原因,並列出改善措施。

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核心觀念

本題考查大體積混凝土(mass concrete)的水化熱、溫度變化、約束作用與溫度裂縫控制。大體積混凝土通常具有下列特性:

  1. 構件尺寸大,內部熱量不易散失。
  2. 水泥水化反應產生大量熱。
  3. 內部與表面產生顯著溫度差。
  4. 混凝土早期抗拉強度低,且受到基礎、鄰接構件或自身內部的約束。
  5. 溫度收縮所產生的拉應力超過混凝土當時的抗拉強度時,即形成溫度裂縫。

水泥水化熱可概念性表示為:

Q∝C×HQ \propto C \times H

其中,QQ 為水化熱總量,CC 為水泥用量,HH 為單位水泥水化熱。因此,水泥用量越大、材料水化熱越高,混凝土內部升溫越顯著。

混凝土因溫度變化所產生的自由變形為:

εT=αΔT\varepsilon_T=\alpha \Delta T

其中,εT\varepsilon_T 為溫度應變,α\alpha 為混凝土線膨脹係數,ΔT\Delta T 為溫度變化量。

若混凝土受到約束,溫度應變無法自由發展,便會轉換為拉應力,其概念式為:

σT≈REcαΔT\sigma_T \approx R E_c \alpha \Delta T

其中,σT\sigma_T 為溫度應力,RR 為約束程度,EcE_c 為混凝土彈性模數。當:

σT>ft\sigma_T>f_t

即溫度拉應力大於混凝土當時抗拉強度 ftf_t 時,便容易產生裂縫。

解題方法

本題宜採「發熱原因—溫度變化—約束作用—控制措施」的架構作答,先說明裂縫如何形成,再依材料、配比、施工、養護及監測等面向提出改善措施。

一、水泥水化產生內部熱量

混凝土澆置後,水泥與水發生水化反應並放出熱量。大體積混凝土因水泥用量多,內部累積的水化熱也較大。

構件表面與空氣接觸,熱量可逐漸散失;構件核心部位則因距離表面較遠,熱量不易傳導出去。因此,內部溫度會持續升高,形成「中心高溫、表面低溫」的溫度分布。

二、內外溫差造成溫度梯度

澆置初期,混凝土內部因水化熱升溫並膨脹,表面溫度相對較低。當內部膨脹受到表層及鄰近部位限制時,會產生內部應力。

其後混凝土內部逐漸散熱並冷卻收縮,若表面、基礎或相鄰構件限制其收縮,便會產生拉應力。若內外溫差過大,表面容易先出現裂縫;若整體降溫收縮受到約束,則可能形成貫穿性裂縫。

三、外部與內部約束作用

大體積混凝土常與岩盤、地基、既有混凝土、鋼筋及鄰接構件連結。這些部位會限制混凝土的自由膨脹與收縮,形成約束應力。

約束可分為:

  • 內部約束:混凝土中心與表面溫度不同,彼此限制變形。
  • 外部約束:混凝土受到地基、岩盤、底板、牆體或既有構件限制。
  • 鋼筋約束:鋼筋與混凝土共同作用,限制混凝土收縮變形。

約束程度越高、溫度變化越大,產生裂縫的風險越高。

四、早期混凝土抗拉能力不足

混凝土早期尚未充分硬化,抗拉強度低,且彈性模數逐漸增加。此時若產生較大的溫度收縮,混凝土尚無足夠能力抵抗拉應力。

此外,混凝土具有徐變與應力鬆弛作用,可消除部分溫度應力;但在降溫速度過快、約束程度很高時,應力累積速度可能超過應力鬆弛能力,因而發生裂縫。

五、乾燥收縮與塑性收縮加劇裂縫

大體積混凝土若表面失水過快,可能產生塑性收縮裂縫與乾燥收縮裂縫。這些裂縫雖不完全等同於水化熱裂縫,但會與溫度應力相互疊加,使裂縫更容易形成及擴大。

改善措施

一、降低水化熱

  1. 降低單位水泥用量 在滿足強度、耐久性及施工性的前提下,減少水泥用量,以降低總水化熱。

  2. 採用低熱水泥或中熱水泥 選用水化熱較低的水泥,降低混凝土內部最高溫度。

  3. 使用礦物摻料取代部分水泥 摻用飛灰、爐石粉等材料,可降低早期水化熱及放熱速率,並改善長期強度及耐久性。

  4. 避免不必要提高設計強度 強度要求過高常導致水泥用量增加,應依設計需求合理決定配比。

二、降低入模溫度

  1. 使用低溫拌合水或冷卻水。
  2. 對粗骨材、細骨材採取遮陽、噴水或預冷措施。
  3. 在高溫季節避開中午澆置,安排夜間或清晨施工。
  4. 縮短混凝土拌合、運輸及澆置時間,避免混凝土在入模前溫度持續升高。
  5. 必要時使用片冰取代部分拌合水,但須確保冰塊在拌合及澆置前充分融化。

三、控制澆置與施工程序

  1. 分層分塊澆置 將大型構件分成適當澆置區段,控制單次澆置量,減少單一區域熱量累積。

  2. 控制澆置層厚度及間隔時間 確保各層混凝土充分結合,避免形成冷縫,同時控制熱量累積及溫度梯度。

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