混凝土結構劣化與開裂原因

混凝土是一種人造石材，本質上應具有類似天然石材的耐久性，但過去許多 工程案例顯示混凝土組合材料中有害成分的物理與化學作用或環境中有害介質 侵入作用時，混凝土會發生劣化。巨觀的現象包括開裂、剝落、膨脹、鬆軟及強 度下降等，不僅嚴重影響混凝土結構物的使用性，甚且會發生結構性破壞，造成 人員傷亡與經濟損失。混凝土初期的劣化開裂與破壞，會影響其耐久性，除造成 資源與能源的浪費外，對於生態環境也會造成負面的影響。

造成混凝土結構劣化的原因很多，彙整文獻資料主要劣化的原因可概分為 8 項：開裂、漏水、強度損失、變形過大、中性化、凍融效應、表面劣化與鋼材腐 蝕。除中性化與鋼材腐蝕有關外，混凝土的開裂與其他 7 項結構劣化因子有密切 的關聯性；結構混凝土開裂是造成結構物的承載力、耐久性、防水性能下降的主 要原因之ㄧ；是否採行適當的防制對策會直接影響到結構物的耐久性與可否達到 設計使用的年限；混凝土開裂可以視為混凝土結構劣化病變的微觀與巨觀的徵 兆；結構混凝土的裂縫會持續引起其他病害的發生與發展。因此，必須了解混凝 土開裂的機理與原因及混凝土結構開裂與安全性、耐久性的關係，方足以採取適 當措施抑制混凝土裂縫的發生與發展。

混凝土開裂的原因甚多，彙整過去研究的結果有超過 40 個以上的原因，這 些原因對裂縫發生的綜合影響非常複雜，如不正確的結構設計無法保證結構物有 足夠的強度、使用不適當的混凝土組成材料與配比設計、未針對暴露環境採用正 確的施工與養護方法及不當的使用與維護混凝土結構等。當結構發生開裂，首先 應要查明原因，診斷其危險性，採取適宜的修補材料與工法，方能獲致實效。日 本研究者[40]依據混凝土結構構件位置、暴露環境、混凝土結構主要開裂型式、

原因、發生時期與嚴重程度，彙整如表 5.1所示。

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成結構破壞，通常工程師會將因混凝土本質的開裂視為一種徵兆(symptom)而非 缺陷(fault)，然而本質的開裂亦可能會成長或發展造成結構性能加速劣化而使結 構物喪失服務性，對於混凝土結構的耐久性有明顯的影響。

裂縫可依走向(如縱向、橫向、斜向、垂直及隨機等)、長度、寬度及深度加 以分類；表面裂縫依其分布幾何型式可概分為兩類：(1)地圖形裂縫(map cracks) 或格式裂縫(pattern cracks)，大致均勻分布於表面各方向(略成六邊形)的短裂縫，

主要因為表層混凝土受到內層混凝土抑制作用的內應力所造成；(2)連續定距離 平行裂縫，主要因垂直於裂縫走向的束制作用內應力所造成。許多的案例顯示隨 著混凝土硬固產生且持續擴張的裂縫是主動的(active)裂縫，而如裂縫發生的因子 不會重複發生，則為休眠的(dormant)裂縫如塑性裂縫與偶發超載產生的裂縫。裂 縫依寬度可概分為 3 類：(1)細裂縫寬度, w＜1mm； (2) 中裂縫寬度, 1mm≦w≦

2mm；(3) 寬裂縫寬度,w＞2mm。裂縫寬度如小於 0.3mm 一般認為不會影響結構 物美觀性；但可接受的裂縫寬度與混凝土構件暴露條件有關連，如暴露於惡劣環 境(如工業區或海洋環境，混凝土的水密性需求高)的構件，裂縫寬度應小於 0.1mm；一般戶外暴露或室內暴露環境潮濕，裂縫寬度應小於 0.2mm；一般室內 暴露，裂縫寬度應小於 0.3mm。圖 5.1為樹狀裂縫分類圖，依混凝土開裂時間發 生於硬固前與硬固後分為兩大類；硬固前開裂的類別分為施工擾動開裂(如木模 板膨脹或板模品質不良)、沉降收縮(析離沉降) 開裂及凝結收縮(塑性收縮) 開裂 等；硬固後開裂概分為 6 類：物理開裂、化學開裂、熱學開裂、應力集中開裂、

結構設計開裂與意外超載。硬固後開裂與乾縮及其他環境引發反映有密切關係如 使用不良品質水泥造成混凝土膨脹、鹼質矽膨脹反應、硫酸鹽侵蝕反應、凍融反 應、循環載重作用與鋼筋腐蝕膨脹反應等。圖 5.2 顯示為一般暴露環境下，混凝 土結構可能發生的不同類型的裂縫，所有裂縫發生的原因均與環境引發水分移動 有關，本質裂縫(intrinsic cracks)分類及說明列於表 5.2。

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圖 5-2混凝土裂縫產生原因 (資料來源：參考書目[42])

剪力裂縫

張力彎曲裂縫

增加繡蝕應變 裂縫

不良，無效的連結 踢腳上緣

踢腳連結處之裂縫

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綜合研究成果與彙整相關文獻資料，引發混凝土結構開裂的原因如下：

(1) 混凝土品質不良，每立方混凝土使用過多拌合水或水泥。

(2) 混凝土結構設計不當。

(3) 初期水化熱過高產生梯度熱應力(development of differential thermal stress) 。 (4) 溫度變化大且混凝土熱漲冷縮變形受束制，引發拉應力超過抗拉強度。

(5) 乾溼循環導致混凝土體積發生膨脹與收縮循環。

(6) 氯離子或中性化引發混凝土中的鋼筋腐蝕。

(7) 混凝土澆置時，暴露環境乾燥、炎熱或大風，導致水分大量蒸發。

(8) 基礎下現貨膨脹土壤作用，造成混凝土結構移動。

(9) 混凝土受到內部化學反應(鹼質粒料)或外部化學反應(硫酸鹽侵蝕)的作用。

(10) 不當或變更混凝土結構的用途。

(11) 混凝土結構的老化或風化。

(12) 塑性沉降(plastic settlement)或重載 (heavy loading) 。

裂縫依受外力與否可分為結構裂縫與非結構裂縫。結構裂縫依受力類別又分 為(1)彎曲開裂裂縫 (flexural cracking)、(2)剪力開裂裂縫(shear cracking)及(3)內部微 開裂裂縫 (internal micro cracking)。彎曲開裂的寬度與間距與梁中性軸位置與鋼筋 保護層厚度有關，一般彎曲裂縫數量多但寬度小多在允許範為內；剪力開裂多形 成斜裂縫(diagonal cracks)，主要由彎曲應力與剪應力組合的斜拉應力所致；內部 微裂縫有兩種，一為預力梁端部複雜的三軸應力區內，主拉應力(principal tensile stress)會引發微細裂縫(micro cracks)；另一為混凝土受到壓應力作用如標準試體抗 壓試驗時，伴隨著側向膨脹，會產生與壓應力方向平行的微細裂縫。非結構裂縫 主要由混凝土或組合材料本質性質所產生，與環境溫濕度有關，但與外力或其他 因素無關，比結構裂縫較不普遍，一般可以適當的控制在允許的範圍內。

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