中性化與鋼筋腐蝕

混凝土碳化反應產生的CaCO3，其pH 值約在 8.5～10 之間，遠低於CH 之pH 值，此即稱為中性化。CaCO3 屬於非溶解性鈣鹽，比原來水化反應物的體積膨 脹約17％，能使混凝土的孔隙率降低以充實混凝土的緻密性，進而減緩CO2的擴 散速率。但是，其亦會引發鋼筋脫鈍，在有足夠水和氧氣的條件下即産生自然電 化學銹蝕。鋼筋銹蝕會使本身有效斷面積縮減，其銹蝕産物會引致體積膨脹造成 混凝土保護層脹裂甚至脫落，鋼筋與混凝土的握裹作用因而下降甚至喪失，進而 嚴重影響混凝土結構物的安全性和正常使用性能。

由於中性化使混凝土本身的物理性質會產生變化，因此鋼筋混凝土構件的力 學特性會產生某種程度上地改變。中性化使混凝土的抗壓強度、劈裂強度及彈性 模數皆有所提高，抗壓應力–應變曲線上升段和下降段斜率變大，混凝土的脆性 增加，極限應力提高，極限應變改變不顯著(如圖 2.1-1 所示)【唐岱新、李興民，

89】。另外，朱伯龍等人【朱伯龍、肖建庄，民 87】以鋼筋未腐蝕為前提，對已 中性化與未中性化混凝土梁進行載重試驗，並將研究結果繪製如圖 2.1-2 所示。

由圖可知，混凝土中性化後，梁的極限承載力雖有所提升，但極限變位與構件韌 性卻相對地降低。但是，部份學者【紀茂傑，民91，黃然，民 87，張譽等，民 92】亦指出，水泥的水化產物Ca(OH)2 若和大量CO2 反應，會産生溶解性較高 的碳酸氫鈣(Ca(HCO3)2)，反而會增加混凝土的孔隙率，造成更多有害物質入侵 混凝土內部的機會，使混凝土抗壓強度不升反降。所以，一般大氣環境下導致的 混凝土中性化效應，對鋼筋混凝土結構物的負面影響，主要還是來自於其引起的 鋼筋銹蝕問題。

圖 2.1-1 中性化前後混凝土抗壓應力–應變曲線比較圖【唐岱新、李興，民 89】

圖 2.1-2 中性化前後混凝土梁的載重–變位曲線比較圖

【朱伯龍、肖建庄等，民 87】

參、影響混凝土中性化的重要因素 響孔隙飽和度(孔隙水體積與孔隙總體積之比)的大小【Hakan Nuri Atahan ， 2009】。因此，水灰比是決定CO2 有效擴散係數及混凝土中性化速度的主要因素

圖 2.1-3 水灰比對中性化深度的影響 【張譽等，民 92】

圖 2.1-4 水灰比對中性化深度的影響【牛荻濤 民 92】

圖 2.1-5 水灰比對中性化速度比的影響【日本建築學會 1997】

ii. 水泥種類與用量：

當不同種類的水泥和不同摻和料的混合使用時，水化產物中的鹼性物質量會 有所差別，故對混凝土的中性化速度有直接影響。水泥種類決定著各種礦物成分 在水泥中的百分比，而水泥用量則是決定單位體積混凝土中水泥熟料的含量，兩 者皆是水泥水化反應後，單位體積混凝土中可碳化物質含量的主要決定因素。水 泥用量越大，則單位體積混凝土中可碳化物質的含量越多，中性化必須供給的 CO2 也越多，使中性化速度越慢。對於相同級配的混凝土(水泥用量相同)，採用 矽酸鹽水泥時中性化速度最小，採用粉煤灰水泥、火山灰質矽酸鹽水泥和礦渣矽 酸鹽水泥混凝土者則最大。若是同一種類的水泥，則中性化速度隨混合材摻量的 多寡成正比。者岸谷、白山及中國大陸學者張譽、蔣利學、張偉平及屈文俊都研 究了水泥種類對中性化的影響，其成果如表 2-1.1、表 2-1.2 及圖 2.1-6 所示。中 國大陸學者牛荻濤指出，Meyer 等人通過試驗，得到不同水泥用量所對應的中性 化深度比值，如表 2-1.3 所示。

表 2-1.1 混凝土使用各種不同水泥之中性化速度比【王櫻茂，民 89】(一)

表 2-1.2 混凝土使用各種不同水泥之中性化速度比【曾子彥，民 91】(二)

圖 2.1-6 水泥用量對混凝土中性化深度的影響【張譽等，民 92】

表 2-1.3 水泥用量對混凝土中性化深度的影響【王櫻茂，民 99】

iii. 骨材種類與粒徑：

人造或天然的輕粒料所含火山灰在加熱養護過程中會與Ca(OH)2結合。粗粒 料與水泥漿黏結性較差，CO2 易從粒料與水泥漿的界面擴散。以上這些因素都 會使中性化速度加快。混凝土中粒料的體積約佔全部體積 60～70％，因此粒料 強度、粒徑大小對混凝土性質有很大的影響。適當選擇級配良好的粒料，不僅可

以增加混凝土的強度，亦可以提高混凝土的水密性，增加CO2 入侵的難度。Mehta

【P.K. Mehta，1990】指出水灰比不變時，由於混凝土在拌和時會沿粗粒料周圍 形成水膜，在粒徑較大的粒料周圍，其水灰比相對較高，所形成的孔隙要比漿體 本身的孔隙多，使得混凝土之滲透性會隨著增加。

iv. 摻和劑：

混凝土中摻加輸氣劑(Air Entraining Agent, 簡稱AE 劑)，能形成很多封閉的 氣泡，切斷毛細管的通路，而減水劑能直接減少用水量，兩者皆可使CO2 有效 擴散係數顯著減小，進而大大降低混凝土的中性化速度，如表 2-1.4 與表 2-1.5 所 示。

表 2-1.4 混凝土使用材料與中性化速度比之關係【王櫻茂，民 89】 (一)

表 2-1.5 混凝土使用材料與中性化速度比之關係【曾子彥，民 91】(二)

v. 養護條件與齡期：

混凝土早期養護不良，表層水分失去較快，將使混凝土滲透性增大，抗中性 化能力降低，進而加快混凝土中性化速度。甚至同一種類混凝土完成的不同構件 或同一構件的不同位置，其中性化速度亦有顯著差別。Bassat 等人把相同的試體 分別放在水中及相對濕度維持在 65％的大氣中進行養護，並暴露在相同的中性 化環境下長達兩年，結果發現水中試體的中性化深度比大氣中試體約低 20％～

50％。Mattews 亦指出水中養護時間由一天增至三天，可降低中性化深度達 40

％。岸谷孝一則探討各種不同水泥種類在不同養護條件下之中性化速度比，如圖

2.1-7 所示。

圖 2.1-7 各種不同水泥種類在不同養護條件下之中性化速度比

【日本建築學會．1997】

圖 2.1-8 抗壓強度與中性化速度比之關係【魚本健人，1992】

vi. 混凝土抗壓強度：

混凝土抗壓強度能反映其孔隙率、密實度，其值越大表示混凝土孔隙結構越 緻密，因此能宏觀地作為抗中性化能力的指標。一般而言，混凝土抗壓強度愈高，

中性化速度愈慢，但混凝土抗壓強度難以反映水泥用量等因素對中性化速度的影 響，故試驗結果離散性較大。圖 2.1-8 所示為以水泥種類、水灰比及養護條件等 為參數而以定量檢討抗壓強度與中性化速度之關係【魚本健人，1992】

圖 2.1-9 CO2

濃度對中性化速度之影響 【日本建築學會．1997】

(2) 外在環境因素：

i. 二氧化碳濃度：

環境溫濕度大略相同時，若大氣的CO2含量越高，混凝土內外CO2濃度梯度 就越大，也越易擴散進入孔隙，同時使中性化速度加快。因此，CO2濃度是決定 中性化速度的主要環境因素之一。一般而言，中性化速度與CO 濃度的平方根近 似成正比，混凝土快速試驗正是根據這一原理設計的。快速試驗顯示，CO

2

相對濕度：

2的濃 度越高，且壓力越大，CO2氣體能較快地向混凝土內部擴散，使中性化反應迅速 進行。圖 2.1-9 為日本建築學會研究CO2濃度對中性化速度之影響的試驗結果。

ii. 環境

由碳化機理可知，當環境相對濕度較高時，才能使混凝土中性化反應充分進

為明顯，

圖 2.1-10 環境相對濕度對中性化速度的影響【張譽等，民 92】

行。相關文獻指出環境相對濕度約在55%以上時，中性化速度可達最大值。若環 境相對濕度過高至混凝土接近飽水狀態，則CO2 的擴散速度反而緩慢，使中性 化發展也很慢。當環境相對濕度較低(約在 55%以下)時，孔隙水不充分，CO2 與 水化產物不會產生化學作用，亦即濕度過小會使中性化反應受到限制，混凝土的 部分中性化現象較明顯。若相對濕度過低至混凝土處於乾燥狀態，雖然CO2的擴 散速度很快，但缺少液相環境促進中性化反應，中性化難以發展。

溫度在 20～40℃間，環境相對濕度比溫度對中性化速度的影響會較

當環境相對濕度大於50％時，其與中性化速度約呈線性關係【Y.H. Loo et al，

1994】。牛荻濤指出，蔣清野等人曾針對1981 年至 1996 年的中性化檢測資料分 析後提出中性化速度與環境相對濕度的關係呈拋物線狀，如圖 2.1-10 所示。圖

2.1-11 為日本建築學會研究環境相對濕度對中性化速度之影響的試驗結果。

圖 2.1-11 環境相對濕度對中性化速度的影響【日本建築學會，1997】

圖 2.1-12 溫度對中性化速度之影響【日本建築學會，1997】

iii. 溫度：

當相對濕度不變時，CO2的擴散速度隨著溫度的升高而加快，可促進碳化反 應速度，溫度的交替變化也有利於CO2的擴散。混凝土在炎熱的氣候下的中性化 速度比在溫和氣候下快，並與變化的幅度、頻率、結構幾何尺寸和形狀以及混凝

土的孔隙率有關。Nagataki研究結果顯示，當試體在 50℃的環境下烘乾時，由於 水氣被蒸發，因此氣體滲透性會增加；當試體在100℃或 150℃的環境下烘乾時，

由於試體內微裂縫的的形成會造成氣體滲透性增加。圖 2.1-12 為日本建築學會研 究溫度對中性化速度之影響的試驗結果。

iv. 應力狀態：

鋼筋混凝土結構中，由於不同結構位置的混凝土會承受不同的應力，在拉應 力的作用下，加速混凝土微裂縫的擴張與延伸，並擴展微裂縫間的連接貫通，增 大混凝土的空隙縫，降低混凝土的抗滲性，進而削弱混凝土的抗中性化能力。劉 亞芹研究過單軸拉壓狀態下混凝土的中性化現象。試驗結果顯示，當壓應力 fc 不超過0.7fc'(fc'為混凝土的抗壓強度)時，壓應力對中性化起延緩作用。壓應力為 0.7fc'時的碳化深度與無壓應力時相當。當壓應力超過 0.7fc'時，由於微裂縫的開 展加劇，會使中性化速度加快，如圖 2.1-13 所示。在拉應力 ft 不超過 0.3 ft(ft 為混凝土的抗拉強度)時，應力作用不明顯，當拉應力為 0.7ft 時，碳化深度增大 近 30%，如圖 2.1-14 所示。可見，不管是拉應力還是壓應力，在高應力水平時 必須考慮應力對中性化的不利影響。由橋樑調查中發現，鋼筋鏽蝕引起的混凝土

鋼筋混凝土結構中，由於不同結構位置的混凝土會承受不同的應力，在拉應 力的作用下，加速混凝土微裂縫的擴張與延伸，並擴展微裂縫間的連接貫通，增 大混凝土的空隙縫，降低混凝土的抗滲性，進而削弱混凝土的抗中性化能力。劉 亞芹研究過單軸拉壓狀態下混凝土的中性化現象。試驗結果顯示，當壓應力 fc 不超過0.7fc'(fc'為混凝土的抗壓強度)時，壓應力對中性化起延緩作用。壓應力為 0.7fc'時的碳化深度與無壓應力時相當。當壓應力超過 0.7fc'時，由於微裂縫的開 展加劇，會使中性化速度加快，如圖 2.1-13 所示。在拉應力 ft 不超過 0.3 ft(ft 為混凝土的抗拉強度)時，應力作用不明顯，當拉應力為 0.7ft 時，碳化深度增大 近 30%，如圖 2.1-14 所示。可見，不管是拉應力還是壓應力，在高應力水平時 必須考慮應力對中性化的不利影響。由橋樑調查中發現，鋼筋鏽蝕引起的混凝土