第二章 文獻回顧
第八節 實驗結果與討論
本試驗共完成 TB-0、TB-6、B-2、B-7、B-15、B-20、TBt-10 之載重試驗，藉由 腐蝕試驗與載重試驗情形於以下章節進行討論分析。
壹、通電腐蝕量之結果觀測
腐蝕程度與通電方式及電流量之間有絕對的關係，因此本研究在使用電源供應器 通電的過程中，皆不斷紀錄試體通電時電流與電壓之狀況，藉此觀察試體之通電情況 與腐蝕狀況。並經由以上的觀察，尋求預估通電腐蝕量之方法。
由下圖 3-26 和圖 3-27 以及表 3-14 和表 3-15 可發現，腐蝕上下排鋼筋所發生之裂 縫較分佈於試體四周，而腐蝕下排鋼筋裂縫則是集中於靠近下排鋼筋的區域，即梁的 底面 。
通電與重量損失記錄
本研究於梁試體進行詳盡的通電與腐蝕紀錄，表 3-12 中之∫ 𝑂 ∙ 為總通電量，
即電流乘上時間(秒)所得的該試體之總電流量；預估腐蝕量是用法拉第理論所計算出 來的鋼筋預估腐蝕重量損失；而實際腐蝕量為梁腐蝕區 60 cm 內之鋼筋所量測出來的 重量損失(包含 6 支縱向鋼筋)。梁腐蝕量與預估結果相比，實際通電時所造成的重量 損失，約為法拉第公式計算之 70%左右。
梁試體在預估腐蝕量及實際腐蝕量狀況略為不同，原因在於通電過程中為模擬全 尺寸梁除了 60 cm 腐蝕區和上下部分區域進行防蝕作業外，其餘部分皆無作任何的防 腐蝕，因此腐蝕量將可能分配至其他鋼筋中，由圖 3-27 之縮尺寸裂縫展開圖中可發現，
即使上排有些許腐蝕的情況發生，對於試體所產生裂縫的影響也不大。
表 3-12 試體通電預估與實際腐蝕量比較 試體尺寸梁(縱向鋼筋)
試體名稱 ∫ 𝑂 ∙
(A×sec) 預估腐蝕量 (g) 實際腐蝕量 (g) 實際/預估 (%) 平均實際/預估 (%) TB-6 9321750 2695 1995 74.02%
70.41%
B-2 2130141 616 460 74.69%
B-7 3244918 938 652 69.50%
B-15 6507073 1881 1373 72.98%
B-20 13778800 3984 2686 67.42%
TBt-10 9033318 2612 1667 63.83%
通電腐蝕量之計算公式修正
本實驗藉由法拉第定律計算重量損失，法拉第重量損失預估方法如下式：
[ 𝑛 ] ∫ 𝑂 ∙ 式 3-1 其中：
為法拉第理論質量損失 為鐵的原子量(55.8 g/mol)
𝑛為亞鐵離子電荷數=2(Fe → Fe2++ 2 −) 為法拉第常數=96500 c/mol
∫ 𝑂 ∙ 為腐蝕階段的總電量
然而本研究與法拉第公式的實驗環境不同，法拉第公式是在酸性或中性環境下的 結果，而本研究的鋼筋是在混凝土的鹼性環境中腐蝕。因為混凝土內部含有水泥水化
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子數由 2 個增加至 2 個以上，因此腐蝕所需電流量增加，導致鋼筋於電源持續供應相 同電流情況下之腐蝕量減少。故本研究將鋼筋灌於混凝土與長期通電不置換水溶液之 情況下，通電速率與法拉第公式之推導並不相同，因此必須對法拉第公式進行修正。
表 3-13 試體通電完成之 pH 值檢測
試體名稱 TB-6 B-2 B-7 B-15 B-20 TBt-10 試體種類 全 縮 全 縮 全 縮 全 縮 全 縮 全 縮
PH 值 12.74 12.67 12.36 12.33 12.32 12.26 12.49 12.26 12.73 12.49 12.68 12.28
平均 12.47
(全：全尺寸梁；縮：縮尺寸梁)
如表 3-13，本研究於通電完成後皆進行腐蝕水溶液之 pH 值檢測，結果發現不論通 電時間長短，各個梁試體於通電多天後之 pH 皆會趨近於 12.3~12.8 之間，顯然於通電 過程中，水溶液之 pH 值是穩定保持於 12.3~12.8 這個狀態的，因此可以猜測通電之速 率會保持於一個穩定的狀態，而不會因為 pH 值之改變而速率呈現忽快忽慢之不穩定 的情況。因此，由腐蝕電流量與通電時間計算，便能夠計算得到總電流量與腐蝕量的 關係，藉此修正法拉第公式。
表 3-12 之結果為本實驗之鋼筋於混凝土中腐蝕之重量損失預估與實際通電結果之 比較，由於縮尺寸梁腐蝕量較為穩定，故本研究使用縮尺寸梁腐蝕所得到之結果作為 修正法拉第公式的基礎。於實驗結果可以發現實際腐蝕量約為法拉第公式之 70.41%，
故式 3-1 式於混凝土環境下的重量損失公式應該修正為下式：
[ 𝑛 ] ∫ 𝑂 ∙ 式 3-2
貳、混凝土腐蝕裂縫之觀察
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(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
圖 3-27 縮尺寸試體梁腐蝕裂縫展開圖：(a) STB-6；(b) SB-2；(c) SB-7；(d) SB-15；(e) SB-20；(f) STBt-10
梁總腐蝕裂縫寬度之量測
表 3-15 縮尺寸試體梁腐蝕裂縫寬度量測
試體名稱 裂縫 1 裂縫 2 裂縫 3 裂縫 4 裂縫 5 平均 STB-6 1.5 1.6 2.45 1.6 1.6 1.75 SB-2 無 0.25 0.6 0.25 0.85 0.49 SB-7 0.95 0.9 0.4 0.55 0.8 0.72 SB-15 2.8 4.5 3.55 4.1 2.6 3.51 SB-20 4.05 4.45 3.4 2.55 3.45 3.58 STBt-10 2.1 1.93 3.57 6.48 7.88 4.39
參、試體破壞行為與裂縫之觀察
比較 B3、TBt4試體及 TB5試體之破壞分布，圖 3-28 中之試體為上下排縱向鋼筋腐 蝕之 TB 試體。如圖 3-28(a)(b)，為 TB-0 與 TB-6 之 Drift 於-5%時之破壞分布情形，由 圖中可以發現，此二組試體為相當明顯之撓曲破壞，且保護層混凝土之剝落程度亦隨 腐蝕量而有加劇的情形，但上下排鋼筋剝落情況較屬平均的；而圖 3-29(a)(b)(c)(d) 則 為腐蝕下排縱向鋼筋之試體，可發現裂縫一樣集中在最大彎矩處，但保護層混凝土剝 落的情況主要集中在下排鋼筋的位置，由此可看出腐蝕上下排鋼筋與單獨腐蝕下排鋼 筋之間的差別；至於圖 3-29(e) 過渡區腐蝕試體於 Drift 於-5%時之裂縫及保護層混凝 土剝落情形則較集中於中央腐蝕區域的部分。
(a) (b)
圖 3-28 破壞分布情形 (a) TB-0 於-5% Drift；(b) TB-6 於-5% Drift
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(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖 3-29 破壞分布情形 (a) B-2 於-5% Drift；(b) B-7 於-5% Drift；(c) B-15 於-5% Drift；
(d) B-20 於-5% Drift；(e) TBt-10 於-5% Drift
肆、遲滯迴圈
由試驗結果所得之各試體位移歷時對應之側推力量，可將數據整理成遲滯迴圈 (Hysteresis Loop)。各試體之遲滯迴圈如下圖 3-30 所示，圖中黑色線性段為包絡線之理 想化圖形，經由各試體之載重位移包絡線整理求得。
如圖 3-30(a)(b) 所示， TB 試體隨著腐蝕量的增加，變形能力及其韌性之行為減 少得較為緩慢，試體腐蝕後之極限強度會隨腐蝕影響而稍微降低；B 試體部分，由圖 3-30(c)(d)(e) 可發現當載重方向為負方向時(代表上排鋼筋受拉，下排鋼筋受壓)，其極 限強度亦隨腐蝕量增加而下降，而正方向之強度則無太大減少的趨勢，B-2 試體部分 因儀器接收斷訊造成力量接收不完全，導致無法進行遲滯迴圈的計算，但在極限力量 部分仍保留數據，因此可繪製試體之載重位移包絡線。圖 3-30(f) 之 TBt 試體部分在 極限強度方面影響較不顯著，但變形能力則因腐蝕區往過渡區發展而有大幅度的影 響。
由圖 3-30(g) 所示，試驗結果發現 B-2、B-7、TBt-10 與 TB-6 之試體載重位移包 絡線初期分佈情形相當接近，但 B-7、TBt-10、TB-6 試體在 4%後之強度下降程度較 B-2 以及 TB-0 明顯；B-15、B-20 試體之強度則是在 3%後開始下降；由此可看出當腐 蝕量一旦出現後，將會影響極限強度的發展，並隨著腐蝕量的增加，加快極限強度下 降的時機。
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(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g)
圖 3-30 各試體的遲滯迴圈：(a) TB-0；(b)TB-6；(c)B-7；(d) B-15；(e) B-20；(f) TBt-10；
(g) 各試體載重位移包絡線之比較
Applied load (kN)
Test result
Applied load (kN)
Test result
伍、曲率及剪應變之分析
進行反覆載重試驗後對梁腐蝕試體進行曲率及剪應變之分析，經由 NDI 量測系統 所得之數據繪出曲率及剪應變之分布圖，如圖 3-32 及圖 3-33。圖中皆依照梁試體之不 同位置之曲率及剪應變表示出該試體於各 Drift 下之分布情形，如圖 3-31 所示。
由圖 3-32 及圖 3-33 中，梁試體讀取情形與表面混凝土剝落情形與裂縫發展有關，
當表面混凝土剝落或裂縫發生在 NDI 測點架設位置時，都有可能會造成數據接收的誤 差而產生極端數值；本試驗在 Drift 5%之後停止曲率及剪應變之數據讀取。由下圖 3-32 發現曲率部分並無大大的改變，而圖 3-33 剪應變則分佈較廣，有延伸至自由端的趨勢。
圖 3-31 梁端變位 NDI 測點區域
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(c) (d)
(e) (f)
圖 3-32 試體撓曲分布情形：(a)TB-0；(b)TB-6；(c)B-7；(d)B-15；(e)B-20；(f)TBt-10
100 75 50 25 0
Percentage of beam length (%)
-0.4
Percentage of beam length (%)
-0.06
Percentage of beam length (%)
-0.4
Percentage of beam length (%)
-0.06
Percentage of beam length (%)
-0.4
Percentage of beam length (%)
-0.06
Percentage of beam length (%)
-0.4
Percentage of beam length (%)
-0.06
(a) (b)
(c) (d)
100 75 50 25 0
Percentage of beam length (%)
-0.1
Percentage of beam length (%)
-0.03
Percentage of beam length (%)
-0.1
Percentage of beam length (%)
-0.03
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(e) (f)
圖 3-33 試體剪應變分布情形：(a)TB-0；(b)TB-6；(c)B-7；(d)B-15；(e)B-20；(f)TBt-10
100 75 50 25 0
Percentage of beam length (%)
-0.1
Percentage of beam length (%)
-0.03
Percentage of beam length (%)
-0.1
Percentage of beam length (%)
-0.03
陸、耐震性能分析 降伏位移與降伏強度
如下圖 3-34 所示，本研究以一理想化圖形取代包絡線，藉此定義出降伏位移 及 降伏強度 ，理想化圖形分為初始斜率段及水平斜率段，繪此圖形需滿足下列兩條件：
1. 初始斜率段直線交於原包絡線約略 0.6 處。
2. 理想化圖形與原包絡線圍成的面積積分約略為零。
滿足上述條件，即可求得降伏位移 及降伏強度 之值。
圖 3-34 理想化包絡線
極限位移與極限強度
如圖 3-34，極限強度P𝑝𝑒𝑎𝑘為試驗時所得最大之側推強度；極限位移 𝑢之定義為力 量降至極限強度P𝑝𝑒𝑎𝑘之 80% (0.8P𝑝𝑒𝑎𝑘)時之位移量。
0.6Vy 0.8Ppeak
Vy Ppeak
Δy Δu
+
+
-
-Idealized response Envelope responses
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韌性與塑性轉角
即表示結構物之延展比，韌性之定義為極限位移 𝑢除以降伏位移 之比值。如式 3-3；塑性轉角則定義為降伏位移至極限位移之變形量如式 3-4：
𝑢 式 3-3
𝑝 𝑢 式 3-4
式中 𝑢與 需表達成位移比之形式，即位移與載重作用點至梁固定端距離之比值，
即試驗中之 Drift。
耐震性能指標
降伏點、極限點、韌性與塑性轉角，以上四者對於結構之耐震性能存在相當重要之 關係，在此稱之為耐震性能指標。並考慮正6、負7載重方向之進行討論，如表 3-16、
表 3-17 及表 3-18 所示， 為理想化降伏位移； 𝑝𝑒𝑎𝑘為極限強度； 𝑢為極限位移； 為 韌性而 𝑝為塑性轉角。 由理想化圖形所求得； 𝑢為載重位移包絡線降至 80%強度時 之位移，即為極限位移； 為韌性，代表降伏位移與極限位移之比值；另外 𝑝為塑性 轉角定義為 至 𝑢之位移。
由下表 3-18 可發現梁試體隨腐蝕進行，最大強度從 TB-0 至 B-20，降低約 19.4%。
透過表 3-17 數據可發現塑鉸區下排鋼筋試體隨腐蝕量的增加，當載重方向為負方向時，
因受壓區之影響(下排鋼筋以及混凝土皆腐蝕)，造成極限強度下降顯著，而正方向只 受到拉力區(下排鋼筋腐蝕)之影響，在強度上並無太大減少的趨勢；變形能力方面，
負方向之受壓區因腐蝕減少，造成變形能力下降，正方向則是受拉區減少，因此變形 能力增加。如表 3-18 所示，TBt 試體中因腐蝕區域由塑鉸區往外移至過渡區而造成剪 力跨距減少，對於變形能力方面有大幅度的降低，而強度方面的影響則較不顯著。
6 正方向：即代表上排鋼筋受壓，下排鋼筋受拉
7 負方向：即代表上排鋼筋受拉，下排鋼筋受壓
表 3-16 試體腐蝕程度與耐震性能指標之關係(正方向)
試體 載重方向 (kN) (%) P (kN) (%) (%) TB-0 + 306.00 0.75 327.95 4.65 6.20 3.90 TB-6 + 290.00 0.56 321.08 4.02 7.18 3.46 B-2 + 288.00 0.90 305.30 4.56 5.07 3.66 B-7 + 255.00 0.90 270.50 3.84 4.27 2.94 B-15 + 245.00 1.00 255.90 4.79 4.79 3.79 B-20 + 256.00 0.85 273.20 5.01 5.89 4.16 TBt-10 + 285.00 0.80 324.90 4.85 6.06 4.05
表 3-17 試體腐蝕程度與耐震性能指標之關係(負方向)
試體 載重方向 (kN) (%) P (kN) (%) (%) TB-0 - -324.00 -0.80 -344.82 -4.65 5.81 -3.85 TB-6 - -289.00 -0.51 -307.54 -4.30 8.43 -3.79 B-2 - -288.00 -0.78 -305.70 -4.28 5.49 -3.50 B-7 - -315.00 -0.75 -332.70 -4.96 6.61 -4.21 B-15 - -280.00 -0.85 -299.80 -4.88 5.74 -4.03 B-20 - -258.00 -0.70 -269.00 -4.32 6.17 -3.62 TBt-10 - -277.00 -0.50 -236.00 -2.86 5.72 -2.36
表 3-18 試體腐蝕程度與耐震性能指標之關係(平均)
試體 (kN) (%) P (kN) (%) (%) TB-0 315.00 0.78 336.39 4.65 6.01 3.88 TB-6 289.50 0.54 314.31 4.16 7.81 3.63 B-2 288.00 0.84 305.50 4.42 5.28 3.58 B-7 285.00 0.83 301.60 4.40 5.44 3.58 B-15 262.50 0.93 277.85 4.84 5.27 3.91 B-20 257.00 0.78 271.10 4.67 6.03 3.89 TBt-10 281.00 0.65 280.45 3.86 5.89 3.21
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