鋼筋混凝土老劣化原因

壹、混凝土結構劣化現象之分類

根 據 ACI Committee 201 對卜特蘭水泥混凝土耐久性的定義如下：「耐久性 是 指 其 抵 抗 風 化 作 用、化 學 侵 蝕、磨 損 及 其 他 劣 化 過 程 的 能 力，亦 即 具 耐 久 性 之 混 凝 土，在 不 同 暴 露 的 環 境 下 仍 能 保 持 其 原 來 的 幾 何 尺 寸、品 質 與 使 用 性 」[5]。

且 混 凝 土 常 常 被 廣 泛 的 使 用 在 不 統 的 建 築 結 構 上，如 核 能 發 電 廠、儲 氣 槽、儲 油 槽 等 多 曝 露 於 高 溫、低 溫、高 壓 等 環 境 上，或 使 用 於 濱 海 的 建 築 結 構 物 與 跨 海 橋 梁 上；一 般 環 境 中 的 二 氧 化 碳 與 環 境 的 溫 度、環 境 的 溼 度、酸 雨 等 將 使 混 凝 土 中 性 化，使 混 凝 土 結 構 物 當 中 的 鋼 筋 產 生 鏽 蝕 的 現 象，而 環 境 溫 度 與 環 境 溼 度 則 是 影 響 鋼 筋 鏽 蝕 的 主 要 因 素。故 混 凝 土 耐 久 性 需 求 更 顯 得 重 要。圖 2-1 為混凝土耐 久 性 與 性 能 關 係 圖[7]。

產 生 混 凝 土 劣 化 的 原 因 有 許 多，大 致 可 分 為 物 理 性 與 化 學 性 兩 方 面。物 理 性 的 原 因 如 圖 2-2 所示[8，9]，表現出來的現象即為面層的破壞與裂縫的擴張；化 學 性 的 原 因 如 圖 2-3 所示[8，9]，由化學作用與電化學作用使結構產生劣化現象 主 要 有：混 凝 土 中 的 鋼 筋 鏽 蝕、混 凝 土 的 碳 化 等，最 常 見 的 原 因 是 由 於 侵 蝕 性 物 質 與 混 凝 土 中 的 漿 體 產 生 化 學 反 應。除 此 之 外，由 物 理 作 用 使 結 構 產 生 的 破 壞 現 象 主 要 有：混 凝 土 的 磨 損、沖 蝕、碰 撞、凍 融 等，而 凍 融 破 壞 在 臺 灣 並 不 常 見 。 耐 久 性 損 傷 的 分 類 圖 如 圖 2-4 所 示 [10]。 混 凝 土 也 可 能 因 鋼 筋 的 腐 蝕 造 成 剝 落 (spalling)及裂縫擴張等現象。在自然的狀態下，混凝土的劣化是由許多因素所混 合 造 成 的，如 果 能 瞭 解 到 個 別 因 素 影 響 機 理 並 提 出 預 防 之 道，必 能 提 升 整 體 混 凝 土 的 耐 久 性 。

圖2-1 混凝土耐久性與性能關係圖[7]

(資料來源：文獻[7])

圖2-2 混凝土劣化之物理因子[8，9]

(資料來源：文獻[8，9])

圖2-3 混凝土劣化之化學因子[8，9]

(資料來源：文獻[8，9])

耐久性損傷

生物作用

化學作用(混凝土碳化、鋼筋銹蝕、鹼-粒料反應、混凝土腐蝕等)

物理作用(混凝土凍融破壞、沖刷磨損等)

圖2-4 結構耐久性損傷原因分類[10]

(資料來源：文獻[10])

混凝土結構的破壞原因按重要性排列為：混凝土中的鋼筋鏽蝕，寒冷氣候 的 凍 融 現 象，侵 蝕 環 境 的 物 理 化 學 作 用[11]，但從混凝土耐久性損傷的劣化現象 上，主 要 有 以 下 幾 種 類 型：混 凝 土 中 的 鋼 筋 鏽 蝕、混 凝 土 的 碳 化、混 凝 土 的 裂 縫、

混 凝 土 強 度 降 低 、 結 構 的 過 大 變 形 等 。 1. 混凝土碳化

混 凝 土 碳 化 是 混 凝 土 中 的 鹼 與 環 境 中 的 二 氧 化 碳 發 生 化 學 性 反 應 生 成 碳 酸 鈣 的 過 程 ， 這 會 使 混 凝 土 的 鹼 性 降 低 ， 從 而 失 去 對 鋼 筋 的 保 護 作 用 ， 是 一 般 大 氣 環 境 混 凝 土 中 鋼 筋 鏽 蝕 的 前 提 條 件 ， 而 衡 量 混 凝 土 碳 化 的 指 標 為 碳 化 深 度 。

混 凝 土 碳 化 是 一 個 緩 慢 的 過 程 ， 碳 化 的 主 要 結 果 是 降 低 了 混 凝 土 孔 隙 溶 液 的 pH 值，從標準值 12.5~13.5 降低至完全碳化的 8.3 左右，碳化導致鈍態 膜 的 破 壞 ， 使 鋼 筋 不 具 有 保 護 的 作 用 ， 實 際 上 ， 當 鋼 筋 周 圍 混 凝 土 的 pH 值 降 低 至 11.5 時，鋼筋表面的鈍態保護膜已經開始變得不穩定，對鋼筋失去保 護 的 作 用 。[12]

2. 混凝土中的鋼筋鏽蝕

鋼 筋 混 凝 土 構 件 ， 是 將 鋼 筋 置 於 混 凝 土 中 ， 利 用 混 凝 土 具 高 鹼 性 ， 於 鋼 筋 表 面 形 成 一 保 護 層，避 免 鋼 筋 生 鏽。唯 保 護 層 若 因 混 凝 土 裂 縫，導 致 氧 氣 、 水 氣 侵 入 ， 變 為 氧 化 鐵 ， 即 為 生 鏽 。

鋼 筋 混 凝 土 構 件 中 的 鋼 筋 ， 雖 不 易 鏽 蝕 ， 但 發 現 鏽 蝕 時 ， 該 構 件 可 能 已 經 呈 現 嚴 重 的 破 壞 ， 故 建 築 物 檢 測 時 ， 鋼 筋 鏽 蝕 應 為 檢 測 重 點 之 ㄧ 。

鋼 筋 鏽 蝕 為 鋼 筋 混 凝 土 構 件 破 壞 之 主 要 因 素 ， 由 於 鋼 筋 鏽 蝕 時 體 積 會 膨 脹(原為體積的 1~7 倍)，推擠混凝土，導致混凝土承受張力而裂開剝落，使 鋼 筋 暴 露 於 大 氣 當 中 ， 加 速 鋼 筋 生 鏽 ， 並 造 成 鋼 筋 混 凝 土 構 件 之 劣 化 。 鋼 筋

鏽 蝕 後 ， 鋼 筋 的 斷 面 積 將 會 減 少 ， 導 致 強 度 降 低 ， 並 影 響 結 構 物 的 耐 久 性 。

造 成 鋼 筋 鏽 蝕 的 主 要 原 因 有[13]

(1) 混凝土中性化。

(2) 鋼筋表面氯離子含量高。

(3) 鋼筋受到溼氣及氧氣之作用。

然 而 產 生 鋼 筋 鏽 蝕 會 造 成 各 個 方 面 的 損 傷，如 圖 2-5 所示[14]，鋼筋鏽蝕 會 對 混 凝 土 結 構 造 成 以 下 三 個 方 面 的 影 響 ：

(1) 導致鋼筋保護層開裂或脫落，混凝土截面面積減小[15，16]。

(2) 鋼筋 截面積減 小[17，18]， 導 致 鋼 筋 的 力 學 性 能 如 ： 極 限 強 度 、 伸 長 率 產 生 變 化[19]。

(3) 使鋼筋與混凝土之間的黏結性能下降[20]。

鋼筋截面減小 力學性能退化

混凝土與鋼筋 黏結性能退化

混凝土銹脹 保護層剝落

混凝土結構剛度、延性和承載力等性能下降 鋼筋銹蝕

圖2-5 鋼筋鏽蝕對混凝土結構性能的影響[14]

(資料來源：文獻[14])

鋼 筋 的 鏽 蝕 亦 會 導 致 黏 結 強 度 的 降 低 ， 如 圖 2-6 所示[14]，在鋼筋發生鏽蝕 後 ， 鋼 筋 與 混 凝 土 的 鏽 蝕 層 會 促 使 鋼 筋 與 混 凝 土 接 觸 面 上 的 化 學 膠 著 力 產 生 變 化；而 鋼 筋 鏽 蝕 所 引 起 的 保 護 層 開 裂 會 降 低 混 凝 土 對 鋼 筋 的 約 束 作 用 且 鋼 筋 橫 肋 的 鏽 蝕 也 會 影 響 到 其 對 混 凝 土 的 機 械 咬 合 力。鋼 筋 鏽 蝕 與 混 凝 土 結 構 的 黏 結 問 題 不 僅 在 理 論 研 究 上 具 有 重 要 的 意 義 ， 對 工 程 實 務 上 也 是 一 大 重 點 。

鋼筋與混凝土 之間產生鐵銹層

保護層開裂 鋼筋橫肋銹蝕

化學膠著力 變化

混凝土對鋼筋

約束作用降低 機械咬合力降低

鋼筋與混凝土 間摩擦力的變化

黏結強度降低 鋼筋銹蝕

圖2-6 鋼筋鏽蝕引起黏結強度退化[14]

(資料來源：文獻[14])

3. 混凝土凍融破壞

混 凝 土 的 凍 融 現 象 在 臺 灣 並 不 容 易 發 生 ， 凍 融 破 壞 屬 於 物 理 作 用 ， 混 凝 土 產 生 凍 融 破 壞 必 須 要 有 兩 個 條 件 ：1.混 凝 土 中 有 一 定 的 含 水 量 且 必 須 與 水 接 觸 2.混凝土建築物必須受到反覆交替的正負溫度；造成混凝土凍融剝蝕的 主 要 原 因 是 由 於 水 進 入 混 凝 土 的 微 小 孔 隙 中 ， 在 溫 度 的 正 負 交 互 作 用 之 下 ， 形 成 冰 脹 壓 力 和 滲 透 壓 力 ， 促 使 混 凝 土 產 生 由 表 面 到 內 部 的 剝 蝕 破 壞 ， 導 致 混 凝 土 強 度 降 低 。

4. 混凝土裂縫

由 於 混 凝 土 的 收 縮 ， 地 基 不 均 勻 沉 降 ， 溫 度 應 力 以 及 載 重 的 作 用 ， 將 會 使 混 凝 土 產 生 裂 縫 ， 混 凝 土 中 的 鋼 筋 鏽 蝕 將 會 導 致 混 凝 土 沿 著 鋼 筋 產 生 縱 向 裂 縫 ， 裂 縫 為 混 凝 土 構 造 物 最 常 見 的 劣 化 現 象 ， 也 是 導 致 混 凝 土 內 部 鋼 筋 腐 蝕 的 主 因 ， 裂 縫 生 成 的 原 因 不 外 乎 為 以 下 原 因[21]：

(1) 溫度變化或凍融效應。

(2) 混凝土孔隙水與表面水分蒸發，導致塑性收縮。

(3) 材料的老化。

(4) 土石流、地震或強風等外在環境衝擊力。

(5) 潛變等材料本質特性的共同作用下，混凝土材料的抗拉或抗剪強度小於混凝土 的拉裂或剪切作用力所導致。

(6) 水泥水化反應所導致的自體收縮。

裂 縫 多 伴 隨 白 華 與 鋼 筋 生 鏽 等 劣 化 現 象 。 裂 縫 寬 度 不 論 大 小 ， 都 會 對 建 築 物 耐 久 性 產 生 影 響，裂 縫 對 結 構 物 的 影 響，視 裂 縫 類 型(包括發生之位置與 裂 縫 走 向)以及裂縫的尺寸(包括長度與寬度)是否隨著時間的增長而不同，所 以 建 築 物 在 檢 測 發 現 裂 縫 時 ， 應 該 需 要 詳 細 記 錄 裂 縫 發 生 位 置 與 走 向 ， 以 提

供 評 定 是 否 為 結 構 裂 縫 ； 紀 錄 裂 縫 的 寬 度 與 長 度 時 需 和 以 前 檢 測 紀 錄 比 較 ， 評 定 是 否 為 活 裂 縫 ， 避 免 危 及 建 築 物 的 安 全 性 與 耐 久 性 。 混 凝 土 裂 縫 一 般 採 用 裂 縫 寬 度 作 為 度 量 指 標 。

裂縫的類型又可以分為結構裂縫與非結構裂縫兩種類型：[22]

(1) 結構裂縫

結 構 裂 縫 常 見 於 混 凝 土 結 構 上 ， 裂 縫 產 生 的 原 因 是 由 於 靜 載 重 與 活 載 重 所 造 成 ， 結 構 裂 縫 的 類 型 包 括 剪 力 裂 縫 與 撓 曲 裂 縫 。

a. 剪力裂縫：一般發生在大梁支點附近的梁腹底部，如圖 2-7 所示。

b. 撓曲裂縫：在面板底或梁底容易發現撓曲裂縫，如圖 2-7 所示。

支承裂縫

撓曲裂縫

剪力裂縫

剪力裂縫

撓曲裂縫

圖2-7 結構裂縫[22]

(資料來源：文獻[22])

(2) 非結構裂縫

非 結 構 裂 縫 一 但 深 入 混 凝 土 構 件 內 部，可 能 會 造 成 構 件 的 損 害。非 結 構 類 型 大 致 上 可 分 為 ：

a. 溫度裂縫：

溫度高低變化，所引起的熱脹冷縮現象，促使裂縫形成。

b. 大體積裂縫：

澆注大體積混凝土後，混凝土內、外部產生的溫差，造成裂縫。

c. 乾縮裂縫：

混凝土養護期間所造成的收縮，一般發生於預力梁之梁腹。

d. 施工縫之裂縫：

施工縫為混凝土施工所無法避免之情形，施工縫附近，因為混凝土齡期的 不同或不等量的收縮，導致水密性較差，腐蝕因子也較容易進入，擴大縫 隙，然而施工縫也會隨著時間的增長而使鋼筋產生鏽蝕，並擴大裂縫；施 工縫的長度一般較應力裂縫長，造成鋼筋鏽蝕範圍也較廣，容易造成混凝 土構件裂化形成，在檢測時應特別注意。

e. 鋼筋鏽蝕裂縫：

鋼筋生鏽後，導致體積膨脹，混凝土受到推擠，產生裂縫。

5. 剝落與剝離：

剝 落 是 混 凝 土 表 面 水 泥 砂 漿 體 流 失，造 成 粗 粒 料 外 露、粒 料 鬆 脫 之 現 象，

剝 落 一 般 發 生 於 混 凝 土 表 層 ， 剝 落 可 依 照 砂 漿 流 失 程 度 分 為 四 級 ：[22]

(1) 輕度剝落：水泥砂漿流失深度小於 6mm，已可看見粒料露出。

(2) 中度剝落：水泥砂漿流失深度達 6~12mm，粒料間的水泥砂漿已流失。

(3) 重度剝落：水泥砂漿流失深度達 12~25mm，可清楚看見粒料完全暴露。

(4) 嚴重剝落：水泥砂漿以及粒料均流失，且深度達到 25mm 以上，鋼筋明顯暴露。

混 凝 土 構 件 內 之 鋼 筋 鏽 蝕 體 積 膨 脹 ， 導 致 鋼 筋 與 外 層 鋼 筋 附 近 之 混 凝 土 產 生 分 離，當 層 隙 處 的 混 凝 土 層 完 全 流 失 時，即 產 生 剝 離。「 剝 離 」的 形 狀 一 般 近 似 圓 形 或 橢 圓 形 ，「 剝 離 」 與 「 剝 落 」 最 大 區 別 在 於 ，「 剝 離 」 是 呈 現 片 塊 狀 流 失 ， 且 流 失 掉 的 面 積 較 「 剝 落 」 大 。

剝 離 依 照 混 凝 土 流 失 深 度 或 流 失 面 積 的 寬 度 可 分 為 ：

a. 輕微剝離：混凝土流失的深度不超過 25mm，流失面積之直徑不超過 150mm。

b. 嚴重剝離：混凝土流失的深度超過 25mm，流失面積之直徑超過 150mm。

6. 蜂窩：

當 混 凝 土 澆 注 時，搗 實 不 確 實 或 因 為 模 板 漏 漿，會 導 致 水 泥 砂 漿 無 法 充 分 的 填 充 粗 粒 料 之 間 的 縫 隙，使 混 凝 土 產 生 空 洞，此 現 象 即 為 蜂 窩。混 凝 土

當 混 凝 土 澆 注 時，搗 實 不 確 實 或 因 為 模 板 漏 漿，會 導 致 水 泥 砂 漿 無 法 充 分 的 填 充 粗 粒 料 之 間 的 縫 隙，使 混 凝 土 產 生 空 洞，此 現 象 即 為 蜂 窩。混 凝 土