第五章 鋼材基材/表面處理效能結果與討論
第一節 物理及力學性質試驗結果
水泥砂漿抗壓強度
抗壓強度為混凝土品質好壞之重要指標，經由抗壓強度試驗 可探討表面處理材對於水泥質基材抗壓強度之影響；本試驗依照 ASTM C109 水泥砂漿試體抗壓強度試驗來進行，所設計之水泥砂 漿試體為 5cm×5cm×5cm 立方塊，試體養護齡期為 90 天，經過表 面處理後之試體，再經養護七天才開始進行抗壓強度試驗，其結果 如表6-1、表 6-2 所示。
1翁在龍, “表層滲透塗封劑對混凝土特性影響之研究”, 碩士論文, 國立台灣海洋大學材料工程研究所,2001.
表 6- 1 水泥砂漿試體抗壓強度 (w/c=0.35)
試體編號 抗壓強度(kg/cm2
)
平均(kg/cm2)
強度增加率(%) AX-1 486.0AX-2 478.0 482.0 ---
ASa-1 494.0
ASa-2 492.0 493.0 2.3%
ASb-1 498.0
ASb-2 502.0 500.0 3.7%
AQ-1 494.0
AQ-2 488.0 491.0 1.9%
AP-1 542.0
A1-2 550.0 546.0 13.3%
表 6- 2 水泥砂漿試體抗壓強度 (w/c=0.55)
試體編號 抗壓強度(kg/cm2
)
平均(kg/cm2)
強度增加率(%) BX-1 320.0BX-2 334.0 327.0 ---
BSa-1 342.0
BSa-2 350.0 346.0 5.8%
BSb-1 356.0
BSb-2 346.0 351.0 7.3%
BQ-1 328.0
BQ-2 342.0 335.0 2.5%
BP-1 412.0
BP-2 414.0 413.0 26.3%
1.水灰比之影響
由表 6-1 及表 6-2 可看出，水灰比低(w/c=0.35)的試體，經過 表面處理後，其抗壓強度增加的幅度約為 2.3%~13.3%，水灰比較 高(w/c=0.55)的試體，經過表面處理後，其抗壓強度增加的幅度約 為 5.8%~26.3%，其中高水灰比之強度增加率約為低水灰比的 0.95 倍，此因高水灰比其孔隙結構較為鬆散，孔隙亦較多，所以表面處 理材易於填充砂漿孔隙中，使孔隙結構較為緻密，強度因而增加。
2.表面處理材之影響
水灰比為0.35 的情況下，經過矽酸質塗封劑(a 牌)處理後之試 體，其抗壓強度較未處理之試體，其強度增加率為 2.3%，經過矽
0.00
吸水率試驗
吸水率試驗是用來評估混凝土孔隙中的毛細傳輸現象，試驗 方法為先將水泥砂漿試體側面均勻塗佈防水材料，以避免水分由側 面孔隙進入，再將試體烘乾24 小時後，取出冷卻至常溫，置入水 槽中，並將試體底部墊高，使試體底面能完全進入水中，而水面高 度不應超過試體底部5mm，然後靜待 1、4、9、16、25、36、49、
64 分鐘後取出試體，以濕布擦拭試體底部後秤重。其吸水率試驗 結果如表6-3、表 6-4 所示。
表 6- 3 吸水率試驗結果(W/C=0.35)
試體編號 吸水率(％) 平均(％) AX-1 7.8
AX-2 11.8 9.8 ASa-1 5.9
ASa-2 9.2 7.6 ASb-1 7.1
ASb-2 6.2 6.7 AP-1 2.4
A1-2 2.2 2.3
表 6- 4 吸水率試驗結果(W/C=0.55)
試體編號 吸水率(％) 平均(％) BX-1 33.2
BX-2 22.3 27.8 BSa-1 24.3
BSa-2 22.5 23.4 BSb-1 18.8
BSb-2 19.6 19.2 BP-1 7.7
BP-2 8.6 8.2
1.水灰比的影響
由表6-3、表 6-4 可以看出，水灰比較低(w/c=0.35)的試體，經 過表面處理後，其吸水率約為 2.3%~9.8%；水灰比較高(w/c=0.35) 的試體，經過表面處理後，其吸水率約為 8.2%~27.8%，其中高水 灰比之吸水率約為低水灰比的1.6 倍，由此可知，試體經表面處理 後，表面處理材滲透至孔隙中，使得孔隙緻密性提高，因而抗壓強 度增加，使得吸水率降低，其中又以經高分子注膠之試體，吸水率 約降低7.5%(W/C=0.35)與 19.6%(W/C=0.55)，防水效果最為明顯。
2.表面處理材料的影響
試體經過表面處理後，其吸水率均降低，在水灰比為 0.35 的 情況下，以矽酸質塗封劑(a 牌)處理後之試體，其吸水率較未處理 之試體約降低2.3%，經過矽酸質塗封劑(b 牌)處理後，其吸水率約
0.00
第二節 壓汞式孔隙試驗結果
2 A.B. Abell, K.L. Wills, and D. A. Lange, “Mercury Intrusion Porosimetry and Image Analysis of Cement-Based Materials”,
1 10 100 1000 10000 100000
1 10 100 1000 10000 100000
pressure(psi)
3.孔隙分佈
利用 MIP 試驗來評估水泥質基材的孔隙率、孔隙分佈，目前 已有相當多的研究 27,3,4，前面已提到 MIP 是利用壓力作用將水銀 強迫注入孔隙當中，然後量測試管內所剩餘的水銀體積，換算得到 注入至試體內水銀體積，經由 Washburn equation 可推算孔隙大 小，公式如下：
Γ = 63750/p
p：水銀壓力(psi)，
γ：孔隙尺寸(nm)
由圖6-5、圖 6-6 可看出，低水灰比試體，孔隙尺寸較小約介 於2nm~100nm 之間且數量較多，而高水灰比的試體，孔隙尺寸較 大，約介於2nm~800nm 之間，而圖 6-11 顯示，低水灰比試體經注 膠處理後，其小孔隙(2~10nm)幾乎完全被高分子材料所填補，而由 圖 6-7~圖 6-12 可看出，經過表面處理後之試體，大孔隙的尺寸 (200nm~700nm)，並沒有被表面處理材所填補，經試驗結果可得，
表面處理材對於水灰比較低的試體，其防護效能較佳，可能因為低 水灰比試體，孔隙尺寸小且多，表面處理材易於填補。
3 R.A. Cook and K.C. Hover, “Mercury porosimetry of hardened cement pastes”, Cement and Concrete Research, p.p. 933-943, 1999.
4 R.Kumar and B. Bhattacharjee, “ Assrssment of permeation quality og concrete through mercury intrusion porosimetry”, Cement and
0
Pore Size Diameter(nm)
AX
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
圖 6- 5 孔隙分佈與水銀注入量之關係(AX)
Pore Size Diameter(nm)
BX
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
0
Pore Size Diameter(nm)
ASa
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
圖 6- 7 孔隙分佈與水銀注入量之關係(ASa)
Pore Size Diameter(nm)
BSa
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
圖 6- 9 孔隙分佈與水銀注入量之關係(ASb)
Pore Size Diameter(nm)
ASb
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
0
Pore Size Diameter(nm)
BSb
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
0
Pore Size Diameter(nm)
AP
Pore Size Diameter(nm)
BP
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
圖 6- 12 孔隙分佈與水銀注入量之關係(BP)
第三節 抗氯離子穿透試驗結果
RCPT 試驗
本章節在探討進行RCPT 試驗(ASTM C1202-97)，利用電荷通 過混凝土試體所累積的電量，來評估表面處理材對於混凝土試體抵 抗氯離子穿透之能力，
1.電流之影響
進行RCPT 試驗時，電流讀取間隔為 6 小時內，每 30 分鐘擷 取一次，其結果如表 6-5、表 6-6 所示，由表中可以看出經過表面 處理後之混凝土試體，在水灰比(w/c=0.35)的情況下，其電流值約 介 於 39~162(mA)，而控制組約在 113~279(mA)，而在水灰比 (w/c=0.55)時，經過表面處理後之混凝土試體，其電流值約介於 97~249(mA)，而控制組約在 99~331(mA)，均較控制組低，但經過 矽酸質塗封劑(a 牌)處理後之試體，其電流值卻高於控制組，其時 間與通過電流之關係如圖6-13、圖 6-14 所示。
表 6- 5 單位時間內通過之電流 (w/c=0.35)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
2.混凝土累積通過電量
水灰比對於混凝土試體累積通過電量有明顯的影響，據表 6-7 、 表 6-8 顯 示 ， 水 灰 比 低 ， 其 累 積 通 過 電 量 較 低 ， 約 在 1100~5300coul，，係因混凝土孔隙結構較為緊密，電荷不易通過，
而水灰比高的試體，累積通過電量較高，約介於3800~7600coul ， 其水灰比對累積通過電量之關係如圖6-15 所示。
表 6- 7 累積通過電量 (w/c=0.35)
試體編號 六小時累積通過電量平均值(Coulombs) Temp(℃)
AX 3943.4 45
ASa 5317.7 52
ASb 3287.3 43
AP 1103 29
表 6- 8 累積通過電量(w/c=0.55)
試體編號 六小時累積通過電量(coulombs) Temp(℃)
BX 5142.2 53 BSa 7624.4 68
BSb 4097.7 48
BP 3887.6 37
0
第七章 結論與建議
8. 熱浸鍍鋅暴露於 pH9~12 溶液中會發生腐蝕，顯示鍍鋅層在 鹼性環境中係以犧牲陽極方式保護鋼筋，並於低鹼環境下生 成氧化薄膜；鋅鋁熔射鋼筋中鋅鋁表層生成緻密氧化層包覆 鋼筋。
9. 針對各種鋼材防蝕方法及特性彙整如表 7-1 所示。
10. 表面處理材對於高水灰比之水泥砂漿試體強度影響較為顯 著。其中水灰比 0.35 試體，強度增加率約在 1.9%~13.3%；
而水灰比 0.55 試體，強度增加率約在 2.5%~26.3%。
11. 表面處理之試體，吸水率均較控制組低，其中高水比試體較 為明顯；塗佈矽酸質塗封劑(a 牌)試體(w/c=0.55)，吸水率降 低 4.4%，塗佈矽酸質塗封劑(b 牌)試體，吸水率降低 8.6%，
高分子材料注膠試體，吸水率降低 19.6%。
12. 表面處理材填補大尺寸孔隙效果較不明顯。
13. 水灰比越高，累積通過電量愈高，除矽酸質塗封劑(b 牌)外，
其餘經過表面處理後之試體，其累積通過電量都比未處理的 試體低，顯示表面處理材對水泥質基材抵抗氯離子穿透有一 定的助益。
14. MIP 試驗結果可以評估水灰比、塗層材料對於水泥砂漿或 混凝土的孔隙體積及孔隙尺度之影響。
表 7- 1 防蝕材料應用於鋼材之特性
第二節 建議
1. 熱浸鍍鋅之缺陷與鋅層不足之處可以塗刷鋅漆進行修補。
2. 日本研究指出，高分子複合基塗層於鋼筋防蝕處理案例中，
歷經神戶大地震後並無握裹能力不足之問題。
3. 日本明石大橋橋墩基礎以鈦板包覆為防蝕成功案例，可做為 防蝕參考方式，比較成本價位不鏽鋼板為 200 元/kg，鈦板為 800 元/kg，百年無鏽斑。
4. 北歐挪威為多海岸島嶼國家地區，對於高分子材料應用於改 良混凝土案例多有研究，可為國內 RC 防蝕工程借鏡。
7. RC 結構之混凝土外牆以及其他保護層不足處，應以噴塗防 蝕表面處理材料，取代一般易剝離之水泥砂漿粉刷層；亦可 應用清水模板外加水性防蝕處理材料，以節省工期與成本。
8. 水泥質表面處理除可進行抗離子穿透與防水滲透等試驗外，
亦可進行於結構補強與防火特性方面進行探討。
後續研究項目與目標建議
1. 表面處理方式與材料最佳需符合以下條件：合金相層結構組 織、具陰極防蝕之材料特性、材料自身氧化物可形成緻密氧 化層等，未來可針對上述防蝕方式與材料進行探討。
2. 後續可進行長期鹽霧環境暴露試驗，例如持續 1000、3000 與 5000 小時暴露於鹽霧環境中。
參考文獻
1. A. Beeby.,"Corrosion of reinforcement steel in concrete and its relation to cracking," The Structural Engineer, No.3, Vol.56A, March, 1978.
2. P. K. Mehta, and M. Paulo, "Concrete: Structure, Properties, and Materials," 2nd. Ed., Prentice Hall, pp160-171, 1992.
3. A. M. Neville, Properties of Concrete, 4th ed., Longman, New York, 1996.
4. K. K. Creatsil, F. P. Glasser, " Analysis of the steel: concrete interface, "Proc. of Conf. On Corrosion on Reinforcement in Concrete, UK, pp.74-86, 1990.
5. T.C. Simpson and H.E. Townsend, “Metallic Coatings,”
Corrosion Tests and Standards Application and Interpretation, pp513-524, 1995.
6. ASM Handbook "Heat Treating," tenth edition, 1990.
7. S. R. Yeomens, "Galvanized steel reinforcement in concrete, Proceedings of the 1st Asian-Pacific General Galvanizing Conference," SEP15-18, pp.201-207, 1992.
8. S. R. Yeomens, and M. B. Hadley, "Galvanized Reinforcement Current Practice and Developing Trends," Australasian Corrosion Association, Conference 26, Adelaide, November, pp.17, 1986.
9. R.D. Granata, “Nonmetallic Coatings,” Corrosion Tests and Standards Application and Interpretation, pp525-530, 1995.
10. J. R. Clifton, H. F. Beeghly, R. G. Mathy, "Nonmetallic coatings for concrete reinforcing bars," Report No FHWA – RD-74-18,
Federal Highways Administration, Washington D.C., USA, Vol.37, pp185~197, 1973.
11. A. R. Cusens, Z. Yu, "Pullout tests of epoxy-coated reinforcement in concrete," Cement & Concrete Composites, vol.14, pp.269~276, 1992.
12. J. P. Broomfield, "Corrosion of steel in concrete," 1997.
13. ASTM A775-81, Standard Specification for Epoxy-coated Reinforcing Bar, 1981.
14. 黃然, 鄭安, 水淬高爐爐碴(石)粉應用於鋼筋混凝土構造物之 耐久性, 台灣營建研究院, pp.85-96, 2000.
15. J.F.Young, and S.Mindness, “The Science and Technology of Civil Engineering Materials”, Prentice Hall, pp.218-222, 1998.
16. J.F.Young, and S.Mindness, “Concrete”,Second edition, Prentice Hall,pp.86~101,2003.
17. I.J.Vries, and R.B.Polder, “Hydrophobic Treatment of Concrete Construction and Building Materials 11(4), pp.259-265, 1997.
18. A.M.Brandt, “Cement-based Composites Materials, Mechanical Properties and Performance”, First edition, pp.116-118, 1995.
19. 蔣正武, 混凝土結構的表面防護技術, 同濟大學混凝土材料研 究室, 2003.
20. ACI Concrete repair guide ,ACI 546R-96,1996.
21. 譚大璐, 土木材料, 新文京開發出版, pp.144-145, 2001.
22. N.Jackson, “Civil Engineering Materials“, Prentice Hall, pp.171-177, 1995.
23. H.N.Atkins, “Highway Materials, Soils, and Concretes,” Prentice Hall, pp.290~296.
24. Standard test method for electric indication of concrete’s ability to resist chloride ion penetration, ASTM C 1202-97, American Society for Testing and Material, 1997.
25. W.Prince, R.Perami, M.Espagne, “Mechanisms involved in the accelerated test of chloride permeability“, Cement and Concrete Research, Vol.29, pp.687-694, 1999.
26. 翁在龍, “表層滲透塗封劑對混凝土特性影響之研究”, 碩士 論文, 國立台灣海洋大學材料工程研究所,2001.
27. 27. A.B. Abell, K.L. Wills, and D. A. Lange, “Mercury Intrusion Porosimetry and Image Analysis of Cement-Based Materials”, Journal of Colloid and Interface Science 211, p.p. 39-44, 1999.
28. R.A. Cook and K.C. Hover, “Mercury porosimetry of hardened cement pastes”, Cement and Concrete Research, p.p. 933-943, 1999.
29. R.Kumar and B. Bhattacharjee, “ Assrssment of permeation quality og concrete through mercury intrusion porosimetry”, Cement and Concrete Research, p.p. 321-328, 2004.
30. C. Galle’ “Effect of drying on cement-based materials pore structure as identified by mercury intrusion porosimetry A comparative study between oven-, vacuum-, and freeze-drying“, Cement & Concrete Research, Vol.31, pp.1467-1477, 2001.
31. D.N. Winslow, S. Diamond, A mercury porosimetry study of the evolution of porosity in Portland cement, J. Master, pp.564-585, 1970.