混凝土劣化現象與機理

一般混凝土劣化的原因可概分為物理性及化學性兩大類，物理性 劣化原因包括磨損及開裂兩種；而化學性劣化原因，可分為硬固水泥 成分產生水解或析出、有害因子與硬化水泥成分發生交換反應和膨脹 性化合物生成反應三種等[1]。造成混凝土開裂的原因甚多，主要影 響因素包括材料性質，施工狀況、以及暴露環境條件與外力等。混凝 土發生開裂尺度大小、形狀與範圍差異很廣，可由內部粒料與水泥間 之細裂紋，擴大到混凝土受外在環境作用所產生的大裂縫。其嚴重開 裂時會影響到混凝土結構物的完整性與使用的安全性。在一般情況下 開裂雖不致於影響混凝土承受荷重的能力，但卻能使有害物質較易侵 入內部發生化學反應或引發鋼筋鏽蝕，如若有體積膨脹或大量鏽蝕物 產生，會導致混凝土耐久性降低及使用安全性[2]。

2-1-1 裂縫形成的原因

目前混凝土結構物所採用的配比設計與以往比較差異很大；坍 度、水灰比、砂率等的控制不當，皆可能造成混凝土容易產生裂縫。

混凝土澆置完後在凝結過程中所發生之裂縫稱為早期裂縫(early age cracking)，包括沉陷裂縫、塑性收縮裂縫、模板變形造成之裂 縫、震動或荷重造成之裂縫。而混凝土硬化後產生的裂縫包括溫度裂

縫、乾縮裂縫、及鹼性粒料反應、硫酸鹽侵蝕、暴露環境，結構受外 力等所造成之裂縫[2]。

2-1-2 鋼筋腐蝕對混凝土耐久性及安全性之影響

普通混凝土係由水泥、粒料、加水拌合而成具有良好的可塑性及 填充效果；水泥反應硬化後，抗壓強度會隨齡期而增加。由於混凝土 是脆性材料，因此抗拉強度相對於抗壓強度較低。鋼筋具有高抗壓、

抗拉強度且有良好的延展性、韌性等特性，但缺點就是暴露於高溫環 境下強度會折減且易發生腐蝕。因此鋼筋與混凝土結合為一體可以互 補，成為一種具備耐久性、耐火性、耐震性、整體性、高強度、剛性、

可塑性等多項性能的複合營建材料[3]。

欲造成鋼筋腐蝕需具備陽極、陰極、導電通路、電流、電解液等 條件；一般正常情況下由於混凝土包覆鋼筋，使得鋼筋與外在環境隔 離，且由於鋼筋在混凝土水溶液高鹼性環境下，表面會形成一層鈍態 氧化膜，此鈍態膜對鋼筋具有保護作用[4,5]，使得鋼筋不易受外界環 境有害物質入侵而造成破壞，但若混凝土配比不良、澆置及養護不 當，致使混凝土品質不良，易於損壞，或因保護層厚度不足，鋼筋外 容易外露，如同時暴露在大氣中或海洋環境等高腐蝕環境中[6]，會 造成混凝土內部材料性質的改變與外在有害物質的侵蝕交互作用，鋼

台灣位處亞熱帶區且四面環海，常年氣候高溫潮濕[7]，屬於高 腐蝕發生區域。混凝土開裂後失去了對鋼筋保護作用，此時若結構物 處於高腐蝕環境，有利於氯離子及其它有害有物質如二氧化碳入侵，

破壞鋼筋表面的鈍態膜或加速陽極反應，加上高溫潮濕的暴露環境，

更能符合鋼筋腐蝕的五個基本要件。鋼筋腐蝕後腐蝕生成物體積可能 為原來鋼筋體積的2~7倍[8]，由於束制條件會於混凝土內部產生應 力，對保護層混凝土造成擠壓作用，使得混凝土出現裂縫，嚴重者更 可能造成剝落或崩落等現象，影響結構物耐久性及使用者安全性。

氯離子去鈍化機理

二氧化碳與氯化物是破壞鋼筋鈍態膜的兩種介質，當氯離子濃度 高過ㄧ定量時，即使在pH值很高的環境中，鈍態膜亦可能會被破壞 [9]。Glasser [10] 提出陽極Fe²⁺與 Cl^-、OH^-反應後會形成淺綠或藍色 溶性的FeCl2‧4H2O其化學反應如式2-1,2-2所示：

陽極反應： (2-1)

陰極反應： (2-2)

陽極反應生成的氯化鐵，會往混凝土含氧量較高的孔隙水移動並 分解成褐鏽Fe(OH)2，同時放出H⁺、Cl^-，由此反應可知(1) Cl^- 並未參 與氧化還原反應，且 Cl^- 在腐蝕過程中也不會消失，它只會對鋼筋腐

蝕起催化作用，如加速鋼筋腐蝕；(2)鋼筋表面若有局部區域氯化物 濃度較高時，鈍化膜會被破壞，形成大陰極小陽極的腐蝕電偶，鋼筋 會產生快速的孔蝕反應，此對於預力構件影響尤為顯著；(3)氯化物 的吸濕性會維持混凝土內部孔隙的含水量。前述三者的循環反應，使 得鋼筋腐蝕持續進行[8]，足夠氯離子侵入衍生之腐蝕行為，如圖2-1 所示。

圖2-1 氯離子侵入引發之腐蝕行為

(資料來源：本研究整理) 鋼筋的腐蝕機理

在自然界中金屬大多與穩定的狀態存在，當氧化電位較高的金屬 元素，為了達到穩定的平衡狀態，就會釋放出電子而與其他元素形成 能量較低穩定性化合物，才能存在於自然界中，也就是金屬腐蝕的驅

動力 (driving force)；此外腐蝕作用的產生，需滿足以下五種條件 [11,12]：

(1) 陽極(anode)

釋放出電子，產生氧化反應的電極 Fe→Fe²⁺+2e^- ( 2-3) (2) 陰極(cathode)

得到電子而產生還原反應的電極 2H₂O+O₂+4e^-→4 OH^- (2-4) (3) 導電通路(conducting path)

電化學的氧化還原反應均須要有電子的轉移，因此有良好的導電 通路腐蝕現象才能順利進行。

(4) 電流(corrosion current)

腐蝕的進行要有足夠的電子束才能使反應順利進行，即需要有足 夠的電動勢才能驅動電子形成電流。

(5) 電解液(electrolyte)

電化學腐蝕又稱濕腐蝕(wet corrosion)，必須在潮濕或有水氣的情 況下，氧化還原才會順利進行。

圖2-2 鋼筋腐蝕機理示意圖 (資料來源：Beeby，1978)

鋼筋的腐蝕膨脹

發生在鋼筋上的陽極反應，不只產生鐵離子而已，其中2價鐵離 子會進一步氧化成3價鐵離子，鐵離子的化學反應，如式2-5~ 2-7所示：

Fe²⁺+2OH^- → Fe(OH)2 (2-5)

4Fe(OH)2+O2+2H2O → 4Fe(OH)3 (2-6) 2Fe(OH)3 → Fe2O3‧H₂O+2H2O (2-7)

鐵鏽的體積膨脹會隨著氧化程度而增加，鐵鏽增加鋼筋與混凝土 交界區體積約2至7倍如圖2-3所示。當膨脹產生的內應力超過混凝土 強 度 時 ， 混 凝 土 就 會 開 裂(cracking) 、 剝 落 (delamination) 或 脹 裂 (spalling)。

圖2-3 鐵氧化體積膨脹倍率示意圖

(資料來源：Mehta，1992)

第二節 混凝土結構物修復與補強 2-2-1 混凝土結構物修補規定與原則

關於混凝土結構物之修補方式，主要有以下規定與原則[15]。

1. 一般規定：新澆注的混凝土拆模後，若有表面不平整、蜂窩、麻 面、裂縫、孔洞、石窩、露筋及空鼓等缺陷時，承包商須採用經 監造工程師同意之方法，儘速完成修補；情況嚴重者須會同監造、

設計工程師等協商辦理。修補後之表面混凝土顏色應與原混凝土 接近，修補部份不得脫落、剝離或與原混凝土間產生隙縫。

2. 修補方式

(1) 修補前準備：應在不影響構造物之強度下，敲鑿去除薄弱的混 凝土面層與特別突出的粒料，然後用鋼刷、高壓空氣或壓力水 清理表面，並依照擬使用之黏結劑特性規定，保持表面乾燥或 濕潤。

(2) 修補：將填充材料與黏結材料均勻混合直接填塞後再將黏結劑 注入，施工應參照施工說明書之規定。

(3) 保養：填補之混凝土或水泥砂漿應至少養治七日，黏結材料應 依其產品說明書規定進行養護。

2-2-2 混凝土結構物修補材料

一般混凝土結構物劣化受損情況，主要為混凝土開裂及大塊混 凝土剝落二類[16]。因此，凡修補材料具有良好施工性（灌注、填滿），

能與舊混凝土有效結合，力學行為不低於舊混凝土等三項特性，基本 上均可作為混凝土結構物修補材料。

中國土木水利工程學會出版的混凝土工程施工規範與解說 [15]，對於修補材料之選用有以下建議：

1. 修補材料：填充材料包括混凝土材料及混凝土填加材料。黏結材 料包括水泥及高分子黏結劑。

2. 水泥砂漿修補：表面不平整、蜂窩、麻面、露筋或石窩等缺陷面 積小且數量不多之缺陷，可用與原混凝土相近之水泥砂漿修補；

修補前，缺陷及其周圍之軟弱部份應予鑿除至堅實的混凝土面。

3. 混凝土修補：較深或較大之蜂窩、露石和露筋之缺陷修補，應在 不影響構造物之結構強度下，鑿去薄弱的混凝土與特別突出的粒 料粒，然後用鋼刷、高壓空氣或壓力水清理表面，再用與原混凝 土相同配比的混凝土確實填補搗實之。

4. 其他材料修補：表面缺陷亦可採用下列方式修補，但須提修補計 畫經監造者認可：(1)高分子黏結劑修補，(2)填塞材修補，(3)表面

塗料修補。表面缺陷亦可用高分子黏結劑以下列方式修補：(1)表 面塗敷修補及(2)灌漿修補，但須提送修補計畫經監造者認可。

日本土木學會[17]將混凝土結構物的維護、修補或補強材料，概分為 九大類：

1. 混凝土表面塗層材料(concrete surface coating materials)。

2. 有機裂縫注入修補材料(organic crack injecting repairing materials)。

3. 水 泥 質 系 裂 縫 注 入 修 補 材 料 (cement crack injecting repairing materials)。

4. 高分子(聚合物)改質水泥質系裂縫注入修補材料(polymer modified cement crack injecting repairing materials)。

5. 有 機 灌 漿 修 復 或 補 強 材 料 (organic grouting repairing or strengthening materials)。

6. 水 泥 質 系 灌 漿 修 復 或 補 強 材 料 (cement grouting repairing or strengthening materials)。

7. 高 分 子 ( 聚 合 物 ) 改 質 水 泥 質 系 灌 漿 修 復 或 補 強 材 料 (polymer modified cement grouting repairing or strengthening materials)。

8. 補綴修復材料(patching repair materials)。

9. 表面滲透修復材料(surface penetrants for concrete structures)。

水泥質修補材料

日本土木學會[17]提到水泥質系裂縫注入修補材料主要是針對 混凝土結構物之裂縫修補；水泥質系灌漿修復或補強材料灌漿修補材 料則主要修補較大的孔洞，如鋼板貼於混凝土表面修補及加強之混凝 土結構；補綴修復材料是應用在混凝土結構物表面修補及加強。

營造法與施工[18]提到灌漿修補可用水泥漿或水泥砂漿；並可用 不致損傷鋼材及混凝土摻劑以增加工作性，減少浮水及收縮，修補材 料配比應於工作前依新製及硬化試驗結果決定之，所使用水分應為灌 漿流動最低需要量，依重量不得超過水泥之1/2。

灌漿修補用水泥漿為水泥、水及無收縮摻合劑的混合物，其比例 為50 kg 水泥加 22 kg 水拌合(相當於水灰比 0.45)，若使用水泥砂漿，

則水泥及粒料(通過#30 篩)的混合比例為重量比 1 份水泥：0.75 份砂，

則水泥及粒料(通過#30 篩)的混合比例為重量比 1 份水泥：0.75 份砂，