第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
第一節 研究緣起與背景
CNS14795 快速氯離子穿透試驗為目前最常用來評估混凝土耐久性的試驗 法。但因為此方法發展之初並未考量礦物摻料的影響，因此在使用飛灰與高爐 爐碴粉添加混凝土時，會因為孔隙水中離子種類與熱效應的關係，導致試驗誤 差，因此試驗標準於附註中，提及其他摻劑可能會影響試驗結果，若有疑問，
建 議 進 行 長 期 貯 鹽 試 驗 驗 證 。 本 試 驗 原 始 研 發 單 位 Federal Highway Administration (FHWA)亦開始探討修正此規範的相關研究。我國於新版的綠建 材標章已將添加再生材料如回收高爐爐碴粉（以下簡稱爐石）、飛灰、再生粒料 等，需佔總重量50%以上的綠混凝土列入再生綠建材認證。其中並將快速氯離 子穿透試驗的氯離子滲透電量結果應小於2000 庫倫列入認證要求。可見未來高 劑量飛灰與高爐石粉添加混凝土的設計方式會日益增加，國內過去超高層大樓 如高雄 85 大樓與 101 大樓均有飛灰爐石使用於混凝土的配比設計。故對 CNS14795 快速氯離子穿透試驗方法原理探討，及應用於高劑量飛灰與高爐石 粉添加混凝土時的修正方式有研究之必要性。對於 CNS14795 快速氯離子穿透 試驗，使用於飛灰或高爐爐碴粉混凝土（以下簡稱爐石混凝土）時，可使用兩 種方式加以改善，(1) 適當調整電量標準; (2)以氯離子穿透深度評估其耐久性。
除可保有RCPT 快速試驗優點外，亦可精確量化混凝土耐久性。並可藉以建立 適用於我國的快速混凝土耐久性評估試驗法。
1970 年 Whiting 1利用電化學的原理發展出一種快速評估混凝土抵抗氯離子 滲透能力的試驗方法－氯離子快速滲透試驗（Rapid Chloride ion Permeability Test，
以下簡稱RCPT）；其後美國公路運輸協會（American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO）與美國材料試驗學會（American Society for
1 D. Whiting, “Rapid measurement of the chloride permeability of concrete”, Public Roads, Vol. 45, pp.
101-112 (1981).
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Testing and Materials，ASTM）並依此先後建立試驗規範(AASHTO T277 2，ASTM C1202 3)，此規範名為「以總通過電荷量表示混凝土抗氯離子穿透能力之標準試 驗方法」，英文名稱為Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration。我國於民國 93 年 1 月 9 日公布為 CNS 14795 國家標準，其名稱為「混凝土抗氯離子穿透能力試驗法－通過電荷量表示 法」。此標準在適用範圍上即說明：「本試驗主要為混凝土導電性之測定，以做為 評估混凝土抗氯離子入侵能力之快速指標。」而在方法概要上的說明：「本試驗 主要量測6 小時試驗期間內，通過厚 51 mm 標稱直徑 102 mm 鑽心試體或圓柱 試體之電流。試體的一側浸於氯化鈉溶液，另一側浸於氫氧化鈉溶液中，試體兩 端直流電壓差維持為60V；總通過電荷量（庫倫）與試體抵抗氯離子穿透能力有 關。」4
因此RCPT 將水泥質材料的孔隙結構視為電解電池的鹽橋，內部的孔隙水溶 液便為電子通路，與離子移動的媒介。以外加 60V 直流電壓，使得氧化與還原 反應於系統內產生，藉由6 小時內通過的電量評估混凝土抗氯離子傳輸的能力。
RCPT 試驗法並不需像其他試驗方法（如 ASTM C1542-Ponding test 貯鹽試驗），
需進行氯離子進入混凝土深度與濃度的量測，所以RCPT 具有耗時較短與量測方 式精簡等優點，目前廣泛應用於評估混凝土耐久性試驗中。但在多年研究下，部 分學者將此試驗用於含有飛灰與爐石的混凝土的耐久性評估，對試驗結果發現疑 問。例如Wee 等 5對混凝土配比在固定水膠比、養護條件、與材齡，但添加不同 細度爐石粉與矽灰的條件下進行RCPT 與 90 天貯鹽試驗之研究，試驗結果指出
2 AASHTO T277-07, “Electrical Indication of concrete’s ability to resist chloride ion penetration”, Standard specification for transportation materials and methods of sampling and testing (2007).
3 ASTM C1202-12, “Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration”, American Society for Testing and Materials (2012).
4 CNS 14795, “以總通過電荷量表示混凝土抗氯離子穿透能力之標準試驗方法”,中華民國國家標
準, (2004).
5 T. H. Wee, A. K. Suryavanshi, and S. S. Tin, “Evaluation of rapid chloride permeability test (RCPT) results for concrete containing mineral admixture”, ACI Materials Journal, Vol. 97, No. 2, pp.221-232 (2000).
兩者之間並無良好的線性相依之關係。因此在規範中亦說明當混凝土摻有亞硝酸 鈣（calcium nitrite）類抗腐蝕劑時，會獲致較高的庫倫值，顯示比相同配比但未 摻用亞硝酸鈣的混凝土（控制組）具有較低的抗氯離子穿透能力。然而，長期的 氯離子貯鹽試驗顯示摻用亞硝酸鈣混凝土至少與控制組混凝土具有一樣的抵抗 氯離子穿透的能力。且於附註亦註明其他摻劑也可能會影響試驗結果。若懷疑摻 劑會有影響，建議進行長期貯鹽試驗。
另外部分學者亦由電化學觀點說明RCPT 可能發生的疑慮。由於 RCPT 為典 型標準電解電池，由外加電場（外加電壓）強制供給陰極試驗容器電子，使其形 成還原反應。另一方面則從陽極試驗容器中強制吸收電子造成氧化反應。而混凝 土材料試體的多孔性質使得兩試驗容器溶液內解離的離子可以相互游離。因此陰 極試驗容器內的氯化鈉可以解離出氯離子進入混凝土內，最後並游離至陽極槽內，
而陽極槽內的NaOH 溶液則目的在於避免氯氣產生6。然而在外加電場施加的過 程中，混凝土內部的離子會傳導部分電流，因而導致試驗結果產生誤判，例如混 凝土材料中的孔隙水通常含有大量的OH+、K+、Na+等離子，其中以氫氧根離子
（OH+）最為主要，然而氯離子在無限稀釋溶液下的離子移動率卻只是氫氧根離 子的0.39 倍 7，Byfors 8曾針對添加不同礦物摻料混凝土的孔隙水進行研究，發 現混凝土中添加爐石與飛灰會導致孔隙水 pH 值下降。因而當外加電場導電時，
所反應的電流可能是掌控在氫氧根離子而非氯離子 。例如 Andrade 9與Zhang10 等均提出相同論點。Page and Vennesland 11於試驗結果中亦提出當水泥以30﹪矽
6 D. W. Pfeifer, “Coulombs passed and chloride intrusion: Is it a numbers game？”, ASCENT Magazine, Precast / Prestressed Concrete Institute, p.35 (1993).
7 C. Shi, J. A. Stegemann, and R. J. Caldwell, ,“Effect of supplementary cementing materials on the specific conductivity of pore solution and its implications on the rapid chloride permeability test (AASHTO T277 and ASTM C1202) results”, ACI Materials Journal, Vol. 95, No.4, pp.387-394 (1998).
8 Byfors, K., “Pore solution expression as a method to determine the influence of mineral additives on chloride binding”, Cement and Concrete Research, Vol. 16, pp.760-770 (1986).
9 C. Andrade, “Calculation of chloride diffusion coefficients in concrete from ionic migration measurements”, Cement and Concrete Research, Vol.23, pp.724-742 (1993).
10 M. H. Zhang, and O. E. Gjψrv, “Permeability of high–strength lightweight concrete”, ACI Materials Journal, Vol. 88, No. 5, pp.463-469 (1991).
11 C. L. Page, ψ. Vennesland, ”Pore solution composition and chloride binding capacity of silica-fume cement pastes”, Materials and Structures, Vol.16, pp.19-25 (1983).
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灰替代後，在28 天材齡時，試體內孔隙水中 OH+的濃度會從743 mmole/L 下降 至10mmole/L。以實驗觀點來看，若在 RCPT 試驗結束後於陽極試驗容器內取樣，
並未發現氯離子的存在，也有相關文獻藉由RCPT 試驗結束後試體內部氯離子含 量變化說明上述之結果 12。因此在試驗過程 6 小時中氯離子並未穿透試體，因 此亦說明由於RCPT 試驗過短，所反應的電流可能會受到內部離子影響。
綜上所述，RCPT 發展之初並未考量礦物摻料的影響，因此在使用飛灰與 高爐爐碴粉添加混凝土時，會因為孔隙水中離子種類與熱效應的關係，導致試 驗誤差，因此試驗標準於附註中，提及其他摻劑可能會影響試驗結果，若有疑 問，建議進行長期貯鹽試驗驗證。而我國於新版的綠建材標章已將添加再生材 料佔總重量50%以上的綠混凝土列入再生綠建材認證。其中並將快速氯離子穿 透試驗的氯離子滲透電量結果應小於2000 庫倫列入認證要求。可見未來高劑量 飛灰與高爐石粉添加混凝土的設計方式會日益增加，國內過去超高層大樓如高 雄85 大樓與 101 大樓均有飛灰爐石使用於混凝土的配比設計。故對 CNS14795 快速氯離子穿透試驗方法原理探討，及應用於高劑量飛灰與高爐石粉添加混凝 土時的修正方式有研究之必要性。因此本研究希望藉由一連串的試驗研究與文 獻蒐集，期能提出此試驗法修正建議草案，以對未來於添加飛灰或爐石混凝土 石耐久性評估可有所依循。