第六章 結果分析與討論
第二節 混凝土劣化試驗結果
本研究於基隆曝曬點放置混凝土試體進行長期自然曝曬試驗觀察，相關 試體數量可供 5 年期以上長期研究之所需。本計劃因受限於期程，因此僅進 行加速氯離子傳輸試驗（ACMT）與鹽池試驗等試驗，期藉由此短中期試驗 成果可供接續研究人員在長期研究後可供比對並建立關聯性。相關加速氯離 子傳輸試驗（ACMT）與鹽池試驗結果如下所述。
壹、加速氯離子傳輸試驗結果
加速氯離子傳輸試驗法（ACMT）試驗過程中最主要獲得的量測數據為 陽極槽內氯離子濃度。若以試驗時間為橫軸，縱軸為陽極槽溶液的氯離子累 積濃度，所繪製的關係圖便為氯離子於混凝土試體中的傳輸歷程圖，圖 6-11 為其示意圖。試驗初期陽極槽內量測不到氯離子，此階段中氯離子完全膠結 於混凝土內，尚未穿過混凝土試體，此階段稱之非穩定態（Non-Steady State）。 當試驗期增長，氯離子開始穿透混凝土進入陽極槽時，其累積量會持續增加，
且單位時間內氯離子通過試體的速率為一定值，因此氯離子累積濃度與時間 的關係呈現線性關係。而由穩態期線性段斜率
K （mole/L/hr）可評估氯離
cl 子傳輸行為。一般而言，離子於混凝土試片的傳輸係數，可以相當程度說明 混凝土孔隙結構與抵抗某離子入侵能力之依據。影響氯離子於混凝土的傳輸 機制大抵有濃度梯度、電位梯度、與對流效應。因此藉傳統熱力學基礎與化 學位能觀念可以由離子通量（flux）計算離子的移動速率，其方程式如下：x RT
x
其中
J (x )
為離子通量，D 即為離子擴散係數，C (x )
為試體於 x 距離時之離子 濃度，Z
為離子價數，F
為法拉第常數，R
為氣體常數，T
為絕對溫度，C
為 試體內氯離子濃度，E (x )
為試體 x 距離時的電位差，V x
為擾動速度梯度。圖 6-11 ACMT 氯離子濃度與時間關係示意圖
（資料來源：本研究整理）
式 (6-3) 中
D
)C
(x
x
項 由 濃 度 梯 度 所 造 成 的 氯 離 子 移 動 。 ZF RT DC
)E
(x
x
項為電位梯度所造成的氯離子移動。最後CV (x )
項為 對流效應所造成的氯離子移動，其中包括溫度梯度與機械擾動行為，對溫度 梯度而言，據過去之研究結果顯示，ACMT 試驗開始與結束時之溫度差，最 高僅為 9℃，且本研究在試驗過程中並無任何機械擾動，故對流效應對氯離 子傳輸行為遠小於電位梯度所造成之影響。以濃度梯度而言，自然擴散之研 究中指出氯離子穿透水泥質材料的時間須耗費數月，甚至數年；相對於電位梯度之影響，氯離子穿透混凝土材料的時間僅需數天，故於電壓加速試驗中，
可忽略濃度梯度與對流效應之影響。因此式（6-3）可改寫為下式：
E FC Z
RT M J
cl cl
cl
s
（6-4）
式中
M 為混凝土試體之氯離子傳輸係數（cm
s 2/sce）（本研究中所稱之傳 輸為電壓梯度下氯離子於混凝土之侵入行為，擴散為離子濃度梯度下氯離子 於混凝土之侵入行為），R
為氣體常數 (8.31 J×mole/K),T
為絕對溫度，
為 試 體 厚 度 （ cm ），Z
cl 為 氯 離 子 電 價 數 ，F
為 Faraday 常 數 (96500 coulombs/mole)。C 為陰極槽的氯離子濃度（mole/cm
cl 3）， E
為兩電極間所 施加之電壓（Volt）。J 為氯離子通量（mole×sce
cl -1/cm2），即單位時間內，垂 直通過單位面積之氯離子量。因此混凝土試體之氯離子傳輸係數可利用圖 6-11 中穩態期線性段之斜率K （mole/cm
cl 3/sce）計算，如下式：A V
J
cl K
anode （6-5）式中
V
anode為陽極槽液體體積（cm3），A
為試體斷面積（cm2），將所計算之氯離子通量（
J ）代入式（6-4）求得混凝土穩態氯離子傳輸係數（
clM ）
s 。 本研究各配比之 ACMT 試驗結果如圖 6-12 至 6-15 所示。表 6-12 為經線性迴 歸計算後之K 值，並依 Nernst-Planck 方程式求得氯離子傳輸係數。
cl0
Time (hour)
C65
Time (hour)
S65
圖 6-13 ACMT 試驗結果（S 組配比）
（資料來源：本研究整理）
0
Time (hour)
F65
Time (hour)
SF65
圖 6-15 ACMT 試驗結果（SF 組配比）
（資料來源：本研究整理）
表 6-12 各配比 ACMT 之穩態傳輸係數 配比
編號
穿透速率
K
cl（×10-4mole/L/hour）
通量
J
cl（×10-5mole/m2/sec）
穩態傳輸係數
M
s（×10-12m2/sec）
C35 5.17 8.22 5.07
C45 7.94 12.63 7.79
C55 11.41 18.16 10.50 C65 13.12 20.89 12.98
S35 3.11 4.95 3.11
S45 4.62 7.35 4.54
S55 4.98 7.92 4.92
S65 5.57 8.87 5.49
F35 3.06 4.87 2.89
F45 4.47 7.12 4.33
F55 5.98 9.52 5.84
F65 10.59 16.86 9.92
SF35 3.38 5.39 3.30
SF45 4.80 7.64 4.84
SF55 6.09 9.70 5.71
SF65 10.92 17.37 10.65
（資料來源：本研究整理）
圖 6-16 為 ACMT 穩態期氯離子傳輸係數與水膠比關係圖，可以發現隨 著水膠比增加，有上昇之趨勢，而添加礦物摻料配比氯離子傳輸係數均有較 控制組下降之趨勢，其中以添加爐石的效果最佳，當水膠比越高時其下降的 幅度越高。表示添加礦物摻料有增加耐久性之特性。
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 w/b
C series S series F series SF series
圖 6-16 ACMT 穩態期氯離子傳輸係數與水膠比關係圖
（資料來源：本研究整理）
貳、鹽池試驗
除 ACMT 試驗外，亦依 ASTM C1543 進行 90 天鹽池試驗（Ponding test），鹽池試驗為典型非穩態擴散機制的氯離子擴散試驗，可利用由浸漬混 凝土表面至內部各深度所量測的氯離子含量計算氯離子之擴散係數。表 6-13
圖 6-20 為混凝土氯離子含量與深度之關係圖。
4.15 0.2518 11.05 0.1275 17.40 0.0183 23.70 0.0051 30.25 0.0884 C35
46.00 0.0766
4.39
4.15 0.2980 11.05 0.1905 17.40 0.1079 23.70 0.0427 30.25 0.0106 C45
46.00 0.0063
9.15
4.15 0.2868 11.05 0.2191 17.40 0.1175 23.70 0.0417 30.25 0.0110 C55
46.00 0.0058
9.91
4.15 0.2841 11.05 0.2094 17.40 0.1698 23.70 0.0683 30.25 0.0531 C65
46.00 0.0212
17.50
（資料來源：本研究整理）
表 6-14 S 組配比之鹽池試驗結果
4.15 0.2724 11.05 0.0367 17.40 0.0061 23.70 0.0050 30.25 0.0053 S35
46.00 0.0060
1.29
4.15 0.3178 11.05 0.0606 17.40 0.0072 23.70 0.0064 30.25 0.0060 S45
46.00 0.0061
1.92
4.15 0.2916 11.05 0.1232 17.40 0.0117 23.70 0.0105 30.25 0.0065 S55
46.00 0.0072
3.59
4.15 0.3333 11.05 0.2022 17.40 0.0427 23.70 0.0134 30.25 0.0081 S65
46.00 0.0087
4.25
（資料來源：本研究整理）
配比編號 深度
4.15 0.3214 11.05 0.0882 17.40 0.0081 23.70 0.0057 30.25 0.0051 F35
46.00 0.0064
2.66
4.15 0.3403 11.05 0.1178 17.40 0.0345 23.70 0.0098 30.25 0.0066 F45
46.00 0.0059
4.67
4.15 0.3716 11.05 0.2192 17.40 0.0832 23.70 0.0186 30.25 0.0059 F55
46.00 0.0067
6.43
4.15 0.4007 11.05 0.3180 17.40 0.1662 23.70 0.0636 30.25 0.0146 F65
46.00 0.0075
9.88
（資料來源：本研究整理）
表 6-16 SF 組配比之鹽池試驗結果
4.15 0.3801 11.05 0.0718 17.40 0.0172 23.70 0.0052 30.25 0.0055 SF35
46.00 0.0063
1.57
4.15 0.3560 11.05 0.1149 17.40 0.0173 23.70 0.0056 30.25 0.0051 SF45
46.00 0.0056
2.83
4.15 0.3650 11.05 0.1751 17.40 0.0357 23.70 0.0068 30.25 0.0050 SF55
46.00 0.0045
4.32
4.15 0.3826 11.05 0.1765 17.40 0.0912 23.70 0.0156 30.25 0.0065 SF65
46.00 0.0062
5.19
（資料來源：本研究整理）
0 Depth (mm)
C65 Depth (mm)
S65
圖 6-18 S 組配比氯離子含量與深度關係圖
（資料來源：本研究整理）
0 Depth (mm)
F65 Depth (mm)
SF65
圖 6-20 SF 組配比氯離子含量與深度關係圖
（資料來源：本研究整理）
由試驗結果可利用 Fick’s 第二定律求取混凝土中氯離子之擴散係數 誤差函數（error function）。各配比之氯離子擴散係數計算值亦詳列於表 6-13 至表 6-16。圖 6-21 為鹽池試驗氯離子擴散係數與水膠比關係圖，可以發現隨 著水膠比增加，有上昇之趨勢，而添加礦物摻料配比氯離子擴散係數均有較 控制組下降之趨勢，其中以添加爐石的效果最佳，當水膠比越高時其下降的 幅度越高。表示添加礦物摻料有增加耐久性之特性。
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 w/b
C series S series
F series SF series
圖 6-21 鹽池試驗氯離子擴散係數與水膠比關係圖
（資料來源：本研究整理）
参、混凝土長期曝曬試驗分析方法
混凝土自然曝曬劣化試驗大多需要5年以上長期研究才可獲得可靠的數 據。本研究已將短期之ACMT與中期的鹽池試驗進行完畢，相關資料可提供 後續研發人員建立關聯性使用。而未來混凝土自然曝曬劣化試驗所進行之分 析工作亦為定期的鑽心取樣方式量測由表面進入混凝土內部之氯離子含量。
相關分析工作可由所內已購置之離子層析儀進行。由分析結果配合濕燭法當 地落鹽量調查，可了解氯離子入侵混凝土之速度與深度。
分析工作亦依6-2-2節以Fick’s定律所推導之氯離子擴散係數計算進行，圖
之迴歸分析結果，由迴歸方程式中可求得氯離子擴散係數(
D
p)。由於混凝土 曝曬實驗亦可藉由Fick’s定律得到不同時期的氯離子擴散係數，將其值與鹽池 與ACMT試驗結果相比較可建立其關聯性，並可確認加速試驗與自然擴散間 的替換關係，可對未來評估氯離子入侵混凝土速率以及抵達鋼筋表面時間的 計算有相當助益。圖 6-22 氯離子含量與侵入深度關係圖
（資料來源：本研究整理）