混凝土橋之劣化現象

2.6 橋梁老化腐蝕破壞模式

2.6.1 混凝土橋之劣化現象

台灣地處亞熱帶，氣候潮溼又多鹽份，對鋼筋混凝土而言是屬高 腐蝕性環境，加上施工品質不良或摻用未經處理的海砂，使得近年來 鋼筋混凝土結構腐蝕問題頻傳。腐蝕影響的結構種類除了鋼筋混凝土 橋 (Reinforced Concrete Bridge, RCB) 以 外 ， 也 包 括 預 力 混 凝 土 橋 (Prestressed Concrete Bridge, PCB)，預力橋的腐蝕會嚴重影響到其結構 安全。美國統計在 1950 年到 1978 年之間，預力混凝土橋因腐蝕而影 響其結構安全的案例有 28 個，而在 1978 到 1987 年間，腐蝕的案例激 增了十倍。一般而言，混凝土橋常見之損壞如表 2-8 所列。

9 脫層(Delamination)

混凝土結構之裂紋並不一定是在表面，可能隱藏在 表面下某一距離。如鋼筋銹蝕膨脹後將混凝土向外 推擠，在混凝土尚未剝落前亦會形成條狀甚至於片 狀之空洞區域，此亦為脫層現象之一種。

10 孔蝕(Cavitation)

孔蝕之外觀非常類似蜂窩，通常在混凝土澆置後數 月或數年才會出現。一般均認為突出物突然出現水 流漩渦造成的氣泡，是導致孔蝕現象的主因。

表 2-8 混凝土常見之損壞現象(續) (沈永年，2001)

損壞名稱 損壞現象

11 失色(Discoloration)

混凝土結構物完工後顏色必屬均勻一致，失色則是

健捷等，2000)：

(1)龜裂

龜裂是混凝土構造最常見的劣化損害現象，亦是導致內部鋼筋腐 蝕的主因之一。在力學強度上，混凝土材料之特性為抗壓強、抗拉弱(拉 力強度約僅壓力強度之 1/7 至 1/10)，由於其不耐拉之特性使得龜裂成 為混凝土構造很常見之劣化缺陷。茲就各種龜裂之成因及其相關特徵 歸納如表 2-9，該表可做為初步判斷裂縫原因之依據。當難以明確地判 別其原因時，須施行非破壞檢測，或用其他方法作進一步之診斷。

用材料直接引入鹽化物而形成；另一則為鄰近海岸地區之結構物，混 凝土表面附著海鹽粒子等，由於吸水或擴散使得超過容許含量之鹽化 物自混凝土中侵入，經過數年後，混凝土之品質將因鋼筋腐蝕而大受 影響。

混凝土由於外界鹽份侵入或使用含鹽份材料，使鋼筋表面氯離子 含量超過某一臨界值時，則鋼筋表面的鈍化膜便會遭受破壞而產生腐 蝕。在鹽害方面，當混凝土中鋼筋表面的氯離子超過一定的量時，鋼 筋表面的保護性鈍化膜開始破壞，接著鋼筋開始腐蝕膨脹造成混凝土 龜裂。

(3)鹼質與粒料反應

混凝土為含有連續微細空隙之孔質材料，易造成氧或水份等之浸 透。鹼質與粒料反應為混凝土之細孔溶液內含有氫氧化鹼(KOH 或 NaOH)，與粒料中之活性物質形成化學反應，此種化學反應在化學產 物的形成過程中，因吸水產生膨脹而引致混凝土產生裂縫，裂縫發生 後，不僅直接造成混凝土結構物構材強度降低，且將降低對於抵抗鹽 害或化學物質侵蝕之能力，亦增大混凝土內鋼筋腐蝕之可能性。鹼質 與粒料反應將造成混凝土產生有害的膨脹現象，此反應的產生肇基於 下列三項因素：1.材料中存在有反應性粒料，2.混凝土中存有充分的 KOH 或 NaOH 溶液，3.混凝土處於多濕或維持濕潤狀態。

混凝土中鹼之主要來源係由水泥所供應，水泥原料的粘土礦物等 含有鹼成份，因此，混凝土配比單位體積中水泥含量越高者，產生鹼 質與粒料反應之機率就越高。水泥以外之鹼供應來源為自海砂附著 NaCl 等鹽化物，鹼質與粒料反應所引致之膨脹現象有賴水份或濕氣之 供給，對於易受雨淋之結構物或內部水份乾燥不易之巨積結構物而 言，特別容易形成損傷。

(4)中性化

生之化學變化。新鮮混凝土具高鹼性，可使鋼筋表面形成鈍態氧化膜，

保護鋼筋防止腐蝕。當混凝土材料暴露在大氣中，尤其是工業污染的 環境下，會使混凝土的 PH 值降低，而使鋼筋的表面狀態由鈍化區變為 具腐蝕之狀態，若混凝土繼續受碳化作用，碳酸鈣會轉變成溶解性較 高的碳酸氫鈣析出混凝土而增加混凝土的孔隙，造成強度遞減現象，

使有害物質更易滲入混凝土中，因為混凝土中的 Ca(OH)2 遇水後，會 解離為 Ca2+離子及 OH-離子，所以混凝土的酸鹼度一般為 PH 12~14。

在此酸鹼度下，鋼筋表面會形成一層鈍化膜。當鈍化膜形成後，鋼筋 即受到此鈍化膜保護而不再腐蝕。然而混凝土的 Ca(OH)2 會和空氣中 的二氧化碳反應產生中性的 CaCO3 (PH 值為 7)，使得混凝土的酸鹼度 由 PH 12~14 降至 PH 7。此一反應稱為中性化反應。當表面混凝土產生 中性化反應後，二氧化碳接著由混凝土中的孔隙滲入混凝土中，逐漸 將較深的混凝土轉變為中性。

鋼筋混凝土結構中對混凝土中性化的影響，一般可分為材料因素 和環境介質因素。材料對混凝土中性化速度的影響，分成下列五種情 況：1.水灰比 2.水泥種類和水泥用量 3.摻和劑 4.施工品質和養護條件 5.混凝土的強度。而環境因素對混凝土中性化的影響包含了 1.大氣的相 對濕度 2.大氣的溫度 3.酸性介質的濃度 4.外界風壓 5.應力狀態。

(5)特殊環境引致之劣化

混凝土結構物在工業地區等惡劣的環境下，很容易造成中性化、

鋼筋腐蝕、表面劣化及強度降低等劣化現象。工業地區空氣中二氧化 碳濃度高，容易促使混凝土結構產生中性化現象，另空氣中含有污染 物質與氧作用後形成有害物，將自混凝土表面緩緩弱化混凝土品質，

此即為表面劣化或強度降低之主要因素。除上述之不利影響外，工業 地區亦常常設立於鄰海區域，若再加上海鹽粒子與雨水之作用，將侵 蝕混凝土而造成鋼筋腐蝕，產生鹽害。

(6)硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽侵蝕是造成混凝土損壞的主要原因之一，硫酸鹽的存在常

給混凝土帶來不等程度的傷害，多數的土壤中均含有某些以石膏形式 存在的硫酸鹽，部份硫酸鹽係由使用高硫酸燃料之化學工業或電廠之 煙囪落塵與雨水逐漸累積而成。地下水中含有因硫酸錳與硫酸鹼化合 物造成之硫酸鹽。遍存之硫酸鹽隨著工業化(硫酸錳、硫酸鈉、硫酸鉀 之存在於地下水中)，農業生產(化學肥料硫酸氨)，能源(高硫燃料)而散 佈於空氣、土壤與水中。有關硫酸鹽侵蝕造成混凝土失效的案例在全 世界多有。早在一九三六年，由美國墾務局(U.S. Bureau of Reclamation) 出版的混凝土結構建造手冊已說明，土壤中可溶性硫酸鹽濃度超過 0.1% (水中含 SO4 150mg/liter) 則可能造成混凝土的嚴重傷害。