氯離子傳輸相關試驗

凝土材料抗氯離子能力越佳，此試驗之缺點在於需耗費數月的時間才能於 Cell2 量測到氯離子濃度。

圖 2-2 傳統氯離子擴散試驗 [4]

鹽池試驗 (Ponding Test)

1980 年以前鹽池試驗就已成為 AASHTO 的試驗規範 AASHTO T259 [14]。在 2002 年 ASTM 也列入正式規範，即 ASTM C1543 [15]。此規範在適 用範圍上，說明此方法主要計算 NaCl 溶液由混凝土縱面進入內部的氯離子 含量。但試驗最少天數為 90 天（AASHTO T259 規定為 90 天，因此亦稱為 90 days Ponding test），ASTM C1543 亦將 90 天認為是最初的取樣時間，建 議必要時需進行 6 個月或 1 年浸泡的取樣間隔。由於試驗時間太長，因此相 關文獻〔16,17〕將此試驗歸類為長期試驗與用來驗證其他加速試驗之準確性。

北歐容積擴散試驗

北歐容積擴散試驗為北歐國家所組成的北歐測試中心所建立的試驗方 法，在 NTBuild 443 [18]試驗規範內是一個標準化的容積擴散試驗法，與鹽池 試驗在測試過程的差別是混凝土試體的最初含水狀態不同；鹽池試驗為 28

高濃度氯離子溶液 Cell 1

混凝土試體 取樣孔

蒸餾水 Cell 2

天氣乾狀態試樣，容積擴散試驗為飽和石灰水試樣，以防止最初之吸收作用 影響。試驗機構為頂面浸泡於 2.8 M NaCl 溶液至少 35 天其餘四週及底面被 密封，混凝土試體厚約 60 mm ，如圖 2-3 所示。底面密封可避免如鹽池試驗 底部暴露於大氣乾燥環境而產生乾濕吸收作用影響。大容積擴散可降低因溶 液蒸發及滲透而減少之溶液壓力差影響。

圖 2-3 Nordtest 443 試驗機構 [18]

為了評估氯離子含量，在試驗完成後之混凝土試體直接於鑽床上依垂直 深度每增加 0.5 mm 磨粉取樣再依 AASHTO T260 [19]試驗法滴定求得不同 深度之氯離子重量百分濃度，用Fick’s第二定律求得各試體之擴散係數，並可 繪出深度與氯離子重量百分濃度的關係曲線圖。

Nordtest 容積擴散試驗雖然能依不同深度描繪出氯離子滲透歷程，但是 仍然需要長期的試驗，對低品質混凝土來說，最少浸泡時間為 35 天；高品質 混凝土至少浸泡 90 天或更多。

2.8 M NaCl 溶液

mm

 60

除了頂面以 外其餘各面 皆密封

貳 、 以外加電場加速氯離子入侵為機制的氯離子傳輸試驗

外加電場法主要在水泥質試體兩側施加電壓，使得試體內部孔隙水產生 導電，形成一典型電解系統。並在試體一側放置具待測離子之溶液，使其離 子藉由電位梯度進入試體，如在陰極槽內放置高濃度的氯離子溶液，以評估 水泥基複合材料抗氯離子傳輸特性。評估方式有以水泥基複合材料之電容，

如 ASTM C1202 的 RCPT 法。或以濃度法擴散係數物理意義近似傳輸係數的 評估方式，如屬於穩態型式的 Norwigan 試驗法，或非穩態型式，如 Andrade 等所發展的試驗法。

快速氯離子穿透試驗（RCPT）

AASHTO T277（ASTM C1202）快速氯離子穿透試驗（Rapid Chloride Permeability Test）[20, 21]，主要將飽和處理之試體嵌入兩個容量約為 250ml 的試驗槽之間，組合成一施加電壓單元。其中在一試驗槽中放入 0.3M 氫氧 化鈉溶液作為陽極槽，另一試驗槽放入 3﹪氯化鈉溶液做為陰極槽。並施加 60V 直流電壓來驅動離子，評估方式為將 6 小時試驗期間內所量測的電流值 轉換成總電荷量，藉由總電荷量大小評估水泥基複合材料抗氯離子入侵能力。

此規範在適用範圍上即說明本試驗主要以混凝土導電性的決定做為評估 混凝土抗氯離子入侵能力的快速指標。而表現混凝土導電性質的方式則利用 外加的 60V 直流電壓使得氯離子快速進入混凝土材料中，藉由量測得到的電 流值計算 6 小時內總通過電量（total charge passed），用以評估混凝土抵抗氯 離子滲透的能力。由於這個方法具有耗時較短與量測方式精簡等優點，因此 目前廣泛應用於評估混凝土耐久性試驗中，但很多研究文獻 [22, 23, 24]中指 出 RCPT 尚有許多缺失，尤其是添加礦物摻料時常低估混凝土抵抗氯離子滲 透的能力。

加速氯離子傳輸試驗（ACMT）

本研究所研發的本土化氯離子傳輸試驗法－ACMT（accelerated chloride migration test）。試驗槽溶液與 RCPT 均採用相同濃度的溶液。而 ACMT 與 RCPT 兩者最大不同之處為試驗槽的體積與電壓。ACMT 試驗槽的容積約為 4500 ml，遠大於 RCPT 試驗槽的容積（250 ml），試驗槽容積的增加可避免 試驗期間溫度所引起的焦耳熱效應而放熱，並可在試驗期間提供足夠試樣以 量測試驗槽內氯離子濃度的變化。除可探討氯離子傳輸歷程外，亦可計算水 泥基複合材料的氯離子擴散係數，藉此作為評估氯離子穿透能力的指標。試 驗方法與分析詳如 3-2-2 節所述。

Norwigan 試驗法

Norwigan 試驗法主要由 RCPT 改良而來，1992 年由 Detwiler 等人所發表 [25]，現已為北歐國家試驗規範 Nordtest 355 [26]。與 RCPT 主要不同的地方 有兩處。首先為所施加的電壓由 60V 變為 12V，低電壓使得通過的總電量降 低，可以避免 RCPT 受爭議的熱焦耳效應。但會因此增加了試驗時間，且須 避免電極所產生的極化（polarization）。而由極化所造成的電位降（voltage drop），則與電極所使用的材料有關。Hooton [27]建議可在試體表面放置參考 電極，以量測電位降的影響。Norwigan 試驗法以量測氯離子通過試體進入陽 極槽的累積濃度為主，取代 RCPT 量測總電荷量方式，因此屬於穩態形式的 一種。由氯離子的量測，可使用 Nernst-Planck 方程式計算氯離子傳輸係數。

然而缺點也在於電壓較小，通過試體的氯離子量較小，因此量測氯離子濃度 的精密度要求便相當高；且 Norwigan 試驗法試驗槽容積與 RCPT 相同僅約 250 ml，因此可供氯離子濃度量測的樣本有限。

北歐加速非穩態傳輸試驗

依據NTBuild 492規範 [28]試驗如圖2-4，利用氯離子的傳輸係數評估混

凝土抵抗氯離子穿透能力，其試驗方法為施加30伏特之電壓，通電後將試體

Andrade 非穩態氯離子擴散試驗

Andrade 等 [32]於 1983 年亦發展出一種由 Ponding 試驗改良而來的試驗 方式，如圖 2-5 所示，主要將試體上部如同 Ponding 試驗一般，將試體加上 圍束，並放入 0.3N NaCl溶液，以及銅網電極作為陽極。試體下方則放一片 內含電極的濕海綿，作為陰極，並通入 12V 直流電壓，同樣的量測一段時間 後進入試體內部的氯離子濃度，並依Fick’s第二定律計算氯離子擴散係數。

而此試驗最後亦被發展成移除混凝土內部氯離子之技術。

圖 2-5 Andrade 非穩態氯離子擴散試驗方式 [32]

12V DC

電源供應器 ＋

－

混凝土試體

陰極：鐵網

陽極：鐵網

濕海綿

0.5N 氯離子溶液 試驗溶液容器

壓 力 穿 透 法

圖 2-6 壓力滲透試驗過程 [33]

用式（2-5）微分方程來解氯化物穿透之擴散係數較複雜，因為需要有氯 離子穿透歷程之濃度資料，此資料不易測得且須龐大的數據計算。水力滲透 係數可以下式來求得：

th

k nlx^d (2-6)

式中 k 為水力滲透係數，n 為孔隙率，l 是試片長度，x 為氯離子穿透深度，_d 由硝酸銀比色法測得，t 是被加壓的時間，h 為壓力水頭。

荷重

氯化物溶液

混凝土試樣

試樣取出 劈開塗硝酸銀

白色 褐色

氯化物滲入深度