本研究目的除使建研所新購置之儀器可以順利運作外，亦希望 藉由試驗過程探討並建立混凝土耐久性試驗方法中，對氯離子於混 凝土內入滲深度與速率評估的方法。因此計畫中以各種水灰比為變 數製作各種混凝土配比，並利用外加電壓加速與由鹽霧複合耐候試 驗機模擬海域環境氣候劣化等機制，對混凝土進行氯離子入滲深度 與速率評估方法研究。而氯離子入滲混凝土後，相關氯離子與孔隙 組織分析工作藉由建研所新設置的壓汞孔隙量測儀與離子層析儀 進行，除此之外亦對各配比壓力強度進行試驗。本章就混凝土各項 試驗所得的結果進行整理。
5-1 壓力試驗結果
混凝土為多孔性複合材料，通常大都認為混凝土內部孔隙的多 寡對壓力強度有相當程度的影響。因此目前許多結構設計上仍以壓 力強度作為耐久性評估指標之一。例如加拿大國家標準（Canadian Standards Association, CSA）A23.1 規定若屬於結構主體所使用的鋼 筋混凝土，壓力強度必須大於 35 MPa；屬於非結構主體性質如地 坪使用的鋼筋混凝土，其壓力強度必須大於 32 MPa [44]。因此本 研究各混凝土配比除進行氯離子與孔隙組織分析試驗研究外，亦將 三個直徑 10 公分高 20 公分之試體依據 ASTM C39 [45]規範進行 91 天材齡的壓力強度試驗。表 5-1 是以改變水灰比為變數之混凝 土配比強度試驗值。
表 5-1 改變水灰比為變數之混凝土配比強度試驗值
C30 0.30
53.09
54.36
48.35 47.50
C35 0.35
48.56
48.14
43.73 44.57
C40 0.40
44.61
44.30
43.56 43.31
C45 0.45
42.49
43.12
37.25 37.57
C50 0.50
35.91
36.91
35.15 35.74
C55 0.55
35.53
35.47
32.25 32.35
C60 0.60
29.51
31.37
28.93 28.86
C65 0.65
27.66
圖 5-1 不同水灰比混凝土配比與抗壓強度之關係圖
5-2 壓汞孔隙儀量測試驗結果
壓汞孔隙儀主要利用惰性的氮氣體加壓液態水銀進入材料連 通孔隙中，所以當壓力持續增加時，水銀可進入孔隙的尺寸就越 小。圖 5-5 為本研究改變水灰比之水泥砂漿配比壓力與總貫入量之 關係圖。由下至上分別為水灰比 0.35 至 0.65 之試驗結果。若透過 式 4-1 Washburn 方程式便可將 X 軸貫入壓力轉換成熟悉的孔徑尺 寸，如 60000 psi 相當直徑約 3 nm 的孔隙。因此圖 5-2 可以轉換成 圖 5-3，即為各配比試樣之孔隙尺寸與總貫入量之關係圖。
25 30 35 40 45 50 55 60
0.3 0.4 0.5 0.6
Water-Cement ratio (W/C) R2=0.973
C30~C35
圖 5-2 改變水灰比之水泥砂漿配比壓力與總貫入量之關係圖
10000 1000 100 10 1
0
10000 1000 100 10 1
0
10000 1000 100 10 1
0
10000 1000 100 10 1
0
10000 1000 100 10 1
0
10000 1000 100 10 1
0
10000 1000 100 10 1
0
10000 1000 100 10 1
Pore diameter (nm)
C35
0 15000 30000 45000 60000 0
0 15000 30000 45000 60000 0
0 15000 30000 45000 60000 0
0 15000 30000 45000 60000 0
0 15000 30000 45000 60000 0
0 15000 30000 45000 60000 0
0 15000 30000 45000 60000 0
0 15000 30000 45000 60000 Pressure (psi)
C30
圖中可以大略發現水灰比越低則孔隙尺寸與總貫入量關係曲 線則越低，且會隨著水灰比增加而越高。相關文獻曾對各種尺寸孔 隙的形成與分類作一系列的研究，一般而言水泥質複合材料孔隙可 分為膠體孔隙（gel pore）、毛細孔隙（Capillary pore）、與搗實或輸 氣孔隙（Air void），一般而言膠體孔細為 C-S-H 交替的夾層空間
（interlayer）所造成，屬於較不連通且孔徑極微小的性質，相關研 究大都認為膠體孔隙與耐久性較無關係 [15, 16]，但與乾縮潛變性 質有一定關係。而搗實或輸氣孔隙則係因為搗實或加入輸氣劑所引 起的大孔洞，但因為是個別獨立的孔洞，因此若無連通裂縫，則與 耐久性亦較無關係 [16]。因此唯一與耐久性有關的便是連通的毛 細孔隙。由於壓汞孔隙儀的汞主要利用汞貫入連通孔隙中，因此若 將圖 5-3 中各個配比孔隙尺寸與總貫入量關係曲線進行分析各級 孔隙尺寸分布率來看，則可如圖 5-4 所示。圖 5-4 中將壓汞孔隙儀 所量測的孔徑範圍依尺寸區分成 8 種等級，分別為 3 至 50 nm、50 至 150 nm、150 至 250 nm、250 至 350 nm、350 至 550 nm、550 至 1050 nm、1050 至 10000 nm、與大於 10000 nm。再將各等級的 貫入量除以各試體的總貫入量，即可得到各等級尺寸範圍的相對貫 入量。由圖中可以發現在單一孔徑範圍內，無論任何水灰比其相對 貫入量比例大致相同，如 3 至 50 nm 的 30-38﹪、50 至 150 nm 的 52-56﹪、150 至 250 nm 的 6-8﹪。而 250 至 350 nm 以後的大孔徑 尺寸範圍，則相對貫入量比例已小於 5﹪。因此明顯發現 3 至 50 nm 與 50 至 150 nm 兩個等級佔整體總貫入量比例最高，兩個等級孔徑 範圍以佔試體 80﹪至 90﹪孔徑範圍，表示各種水灰比改變之水泥 砂漿配比其孔徑尺寸大多介於 3 至 150 nm 之間。若比對文獻 [46]
上對孔隙結構的研究，3 至 50 nm 可以說是由於水泥水化生成物之 間所生成的毛細孔隙架構。但由於所採用的是水泥砂漿試體，因此 細骨材與漿體之間會形成界面過渡區（interface transition zone, ITZ），故 50 nm 孔徑以上推估是受到界面過渡區的影響。
3-50 50-150 150-250 250-350 350-550 550-1050 1050-10000 >10000 0
Pore diameter (nm)
C30
過 0.5 時，試驗開始時之起始電流與實驗結束之電流量測值可以差 Time (minute)
C30
表 5-2 不同水灰比改變之混凝土配比所得之總通過電量 ASTM C1202-00
分類範圍
2512
C30 2506
2286
2435 中
3956
C35 3057
3842
3618 中
5165
C40 5488
5271
5308 高
5767
C45 5886
5767
5807 高
7733
C50 8056
7882
圖 5-6 不同水灰比混凝土與總通過電量之關係圖
5-4 ACMT 試驗結果
ACMT 亦為一種以外加電壓為機制用來評估混凝土抗氯離子 穿透能力的試驗方法，主要利用試驗過程中陽極槽內氯離子濃度於 各時間的變化作為主要量測數據。並以試驗時間為橫軸，縱軸為陽 極槽溶液的氯離子累積濃度，繪製氯離子於混凝土試體中的傳輸歷 程圖（profile diagram），藉由穩態期氯離子累積濃度與時間之關係 可以獲得氯離子於混凝土試體中的傳輸速率。藉由傳輸速率則可以 評估各配比混凝土抗氯離子穿透特性。圖 5-7 為不同水灰比變化 下，各配比在 ACMT 試驗中氯離子的傳輸歷程圖。
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 Water-Cement ratio (W/C)
R2=0.956 C30~C35
圖 5-7 不同水灰比配比陽極槽氯離子濃度與時間之關係圖
由圖 5-7 可以明顯發現離子的傳輸歷程可以分成兩部份，分別 為氯離子尚未通過試體的非穩態期間（non-steady state），以及氯離 子開始穿透混凝土試體進入陽極槽中，且隨著試驗時間的增加而有 Time (hour)
0
表 5-3 不同水灰比改變之混凝土配比所得之氯離子傳輸速率 配比編號
Mix No.
氯離子傳輸速率 Kcl (×10-4mole/ L/hour)
氯離子傳輸速率平均值 (×10-4mole/ L/hour) 3.62
C30 3.50
3.53
3.55 5.21
C35 4.98
4.50
4.90 6.60
C40 5.47
5.78
C50 9.42
8.83
圖 5-8 氯離子傳輸速率與水灰比之關係
5-5 鹽霧複合耐候試驗結果
本研究利用鹽霧複合耐候試驗機模擬混凝土於海域的劣化環 境，每一個模擬環境試驗循環共 12 個小時，包括了 4 小時的鹽霧 試驗、2 小時的烘乾試驗、4 小時的浸滯試驗、與 2 小時的烘乾試 驗共四個步驟。鹽霧複合耐候試驗開始後每四星期（即 56 個循環，
共 672 小時）便由試驗機內取出試體，依據 AASHTO T260 配合離 子層析儀進行不同深度的混凝土氯離子含量量測。由於鹽霧複合耐 候試驗機於今年 4 月底才採購完成，且之後的驗收與訓練工作直至 6 月中才完成，而 6 月中至 7 月底除進行儀器熟練度訓練外，亦尋
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 Water-Cement ratio (W/C)
R2=0.964
找合適於混凝土的鹽霧複合耐候試驗劣化環境設定。因此於 8 月中 0.00~0.50 0.25 0.2116
0.50~1.00 0.75 0.0315 1.00~1.50 1.25 0.0272 1.50~2.00 1.75 0.0000 C30
2.00~2.50 2.25 0.0000
2.8086
0.00~0.50 0.25 0.2310 0.50~1.00 0.75 0.1492 1.00~1.50 1.25 0.0296 1.50~2.00 1.75 0.0000 C35
2.00~2.50 2.25 0.0000
3.0686
0.00~0.50 0.25 0.2783 0.50~1.00 0.75 0.1262 1.00~1.50 1.25 0.0224 1.50~2.00 1.75 0.0000 C40
2.00~2.50 2.25 0.0000
6.4082
0.00~0.50 0.25 0.2127 0.50~1.00 0.75 0.1029 1.00~1.50 1.25 0.0480 1.50~2.00 1.75 0.0145 C45
2.00~2.50 2.25 0.0000
8.9030
表 5-5 C50~C65 配比各深度氯離子含量與擴散係數 0.00~0.50 0.25 0.3471
0.50~1.00 0.75 0.1805 1.00~1.50 1.25 0.0817 1.50~2.00 1.75 0.0185 C50
2.00~2.50 2.25 0.0000
9.3330
0.00~0.50 0.25 0.1626 0.50~1.00 0.75 0.1576 1.00~1.50 1.25 0.0847 1.50~2.00 1.75 0.0357 2.00~2.50 2.25 0.0169 C55
2.50~3.00 2.75 0.0000
12.2549
0.00~0.50 0.25 0.1727 0.50~1.00 0.75 0.0913 1.00~1.50 1.25 0.0644 1.50~2.00 1.75 0.0377 2.00~2.50 2.25 0.0129 C60
2.50~3.00 2.75 0.0000
16.5431
0.00~0.50 0.25 0.2068 0.50~1.00 0.75 0.1424 1.00~1.50 1.25 0.1316 1.50~2.00 1.75 0.0213 2.00~2.50 2.25 0.0025 C65
2.50~3.00 2.75 0.0000
20.0189
混凝土中的氯離子含量亦受到切片內骨材所佔的體積量所影響，氯 離子穿透進入骨材的量相對於漿體部份而言非常的微小。因此若直 徑 2.5 公分高 0.5 公分試片內含有較多 10 mm 直徑的粗骨材時，則 含量會較小，故單一深度的試片試驗數量不足時，所得到的氯離子 含量可能會有較大的誤差，因此必需藉由離子含量與深度之關係進 行對數迴歸求取氯離子擴散係數，來避免骨材因素所造成的誤差。
圖 5-9 至圖 5-16 可以藉由式 4-5 將氯離子含量與深度之關係進 行對數迴歸求取氯離子擴散係數，而各水灰比混凝土配比之氯離子 擴散係數經整理如表 5-4 與表 5-5 所示，由表中可以發現當水灰比 越高時，由鹽霧複合耐候試驗所的的混凝土氯離子擴散係數就越 高，因此圖 5-17 將氯離子擴散係數與水灰比之間的關係圖繪製於 上，圖中亦可以發現兩者之關係呈現良好的線性關係（R2=0.959）。
圖 5-9 鹽霧複合耐候試驗氯離子含量與深度之關係圖（C30 配比）
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Depth (cm)
W/C=0.30
圖 5-10 鹽霧複合耐候試驗氯離子含量與深度之關係圖（C35 配比）
圖 5-11 鹽霧複合耐候試驗氯離子含量與深度之關係圖（C40 配比）
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Depth (cm)
W/C=0.35
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Depth (cm)
W/C=0.40
圖 5-12 鹽霧複合耐候試驗氯離子含量與深度之關係圖（C45 配比）
圖 5-13 鹽霧複合耐候試驗氯離子含量與深度之關係圖（C50 配比）
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Depth (cm)
W/C=0.45
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Depth (cm)
W/C=0.50
圖 5-14 鹽霧複合耐候試驗氯離子含量與深度之關係圖（C55 配比）
圖 5-15 鹽霧複合耐候試驗氯離子含量與深度之關係圖（C60 配比）
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Depth (cm)
W/C=0.55
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Depth (cm)
W/C=0.60
圖 5-16 鹽霧複合耐候試驗氯離子含量與深度之關係圖（C65 配比）
圖 5-17 鹽霧複合耐候試驗氯離子擴散係數與水灰比之關係圖
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Depth (cm)
W/C=0.65
0 5 10 15 20
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 Water-cement ratio (W/C)
R2=0.960