鋼筋腐蝕構件耐震行為

第二章文獻收集與分析

第三節鋼筋腐蝕構件耐震行為

近年來，越來越多的研究探討鋼筋腐蝕，所引起的結構耐震性能的過早衰退。通常，腐蝕造成的破壞是由氯離子滲透擴散從外部通過混凝土，碳化混凝土保護層。混凝土保護層保護鋼筋，也防止化學離子(氯化物離子，二氧化碳，等等) 從混凝土表面滲透到鋼筋。不過，在海洋環境下，從海水中的氯離子在混凝土的表面上累積並且緩慢地遷移透過混凝土保護層往鋼筋方向滲透。當氯離子濃度在鋼筋上超過一個臨界值，鋼筋的保護層開始出現裂縫則加快了鋼筋的腐蝕速度。

圖 2.3-1 代表使用年限模型，適用於鋼筋混凝土結構暴露在腐蝕性環境下。

這一模式提出利用結構承載能力（或標稱電阻）作為評估其使用年限。耐用性被認為有三個階段。使用期T 定義為︰T=T1+T2+TRL，如下所述：

圖 2.3-1 耐久性模型【Torres-Acosta, A.A., Navarro-Gutierrez, S., Terán-Guillén,

J.2007】

T1(或腐蝕開始階段)是第一個階段，從腐蝕開始算起的時間。T2為第二階段(或者參考，如混凝土結構嵌入腐蝕主筋【Cabrera JG. 1996、Mangat PS, Elgarf MS.

1999、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1997、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1996、

AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,EP AL1997 、 AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,Aziz AR,Rasheeduzzafar.1996、Huang,Yang CC.1997、Tachibana Y,Maeda K,Kajikawa Y,Kawuamura M.1990 、 Torres-Acosta AA,Martinez-Madrid M,Mu˜noz-NovalA.2003 、 Fabela-Gallegos MJ,Vazquez-Vega D, EP AL2003 、

Torres-Acosta AA ,Fabela-Gallegos MJ,EP AL2003 】並詳細討論於文獻

【Torres-Acosta AA, Martinez-Madrid M2003】。

圖 2.3-2 總結了這樣的結果【Mangat PS, Elgarf MS. 1999、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1997、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1996、AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,EP AL1997、AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,Aziz AR,Rasheeduzzafar.1996、

Huang,Yang CC.1997、Tachibana Y,Maeda K,Kajikawa Y,Kawuamura M.1990】，在 不同的結構要素（梁，柱，板）的腐蝕和進行結構實驗到試體破壞。圖 2.3-2 橫 軸代表腐蝕引起的鋼筋半徑損失，這是由平均腐蝕深度XAVER和初始的半徑r0之間的比值。從文獻【Mangat PS, Elgarf MS. 1999 、 RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1997、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1996、AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,EP AL1997、AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,Aziz AR,Rasheeduzzafar.1996、

Huang,Yang CC.1997、Tachibana Y,Maeda K,Kajikawa Y,Kawuamura M.1990】所得到實驗承載能力的數據用來估計的承載能力比，LCCOR，不論什麼類型的加載（對梁和樓板施加彎矩，對柱施加壓力）。LCCOR被表示為受腐蝕元素的加載能力除 以未受腐蝕元素的加載能力。可由圖 2.3-2 中觀察出當LCCOR降低時，則XAVER/r0

的比值會增加。

圖 2.3-2 LC_COR與文獻調查的實驗結果X_AVER

/r

₀比較【Mangat PS, Elgarf MS.

1999、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1997、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1996、AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,EP AL1997、

AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,Aziz AR,Rasheeduzzafar.1996、Huang,Yang CC.1997、Tachibana Y,Maeda K,Kajikawa Y,Kawuamura M.1990】

貮、相關實驗程序與結果調查

12 個 100×150×1500mm的鋼筋混凝土梁，如圖 2.3-3 所示，其主筋使用#3 鋼 筋(直徑 10mm)鋼筋。忽略濕/乾循環所需使用的鹽水，氯化物被添加於鋼筋混凝土試體，其所造成的損害是可以被預測的。添加3%的氯離子於水泥中(~12kg/m³)

使用次方法的如早期研究【 Torres-Acosta AA,Martinez-Madrid M,Mu˜noz-NovalA.2003 、Fabela-Gallegos MJ,Vazquez-Vega D, EP AL 2003 、 Torres-Acosta AA ,Fabela-Gallegos MJ,EP AL 2003 】並詳細討論於文獻

【Torres-Acosta AA, Martinez-Madrid M2003】。試體樣品鑄造是在一個工廠使用木頭模板。試體使用 0.5 水灰比 ; I型波蘭特水泥(389 kg/m³) ;標準石英砂(685 kg/m³)和粗骨料(1042 kg/m³)與最高標稱尺寸 13mm。透過測試 4 個 76×305mm的圓柱試體得到平均28 天抗壓強度(27MPa)。

圖 2.3-3 加速腐蝕方法【Torres-Acosta, A.A., Navarro-Gutierrez, S.,

Terán-Guillén, J.；2007】

為了加速腐蝕，使用定電流於一個#3 鋼筋上，一個 30mm寬和 1200mm長的鋼板，黏於梁的表面使用直流供應器負極接於鋼板。在梁的整個長度上建立一種傳遞元素。陽極的電流密度80μA/cm²施加在鋼筋表面，施加了~40，~80 或 200

天，根據預期的腐蝕損壞對應上述施加電流時間對應分別為5，10，和 15%的鋼筋半徑損失。試體鑄造後大約50 天，開始進行加速腐蝕，用濕海綿保持整個梁頂部的濕潤，在整個加速腐蝕階段中這些海綿被安置在所有腐蝕梁和塑膠袋內被用來保持濕度，當鋼筋半徑損失達到目標(從法拉第的質量損失估計)，停止施加電流。加速腐蝕停止後進行裂縫的監測，全部的梁使用放大鏡(20 倍的放大率) 觀察試體表面裂縫，裂縫測量使用(Construction Technology Laboratories, Inc.

(CTL) reference card)，裂縫監控的程序於文獻【Torres-Acosta AA,Martinez-Madrid M,Mu˜noz-NovalA.2003 、Fabela-Gallegos MJ,Vazquez-Vega D, EP AL 2003 、 Torres-Acosta AA ,Fabela-Gallegos MJ,EP AL 2003 、 Torres-Acosta AA,Martinez-Madrid M.2003 、 Torres-Acosta AA.1999 、 Torres-Acosta AA,SaguesA.2000、Torres-Acosta AA,SaguesAA.2004】

裂縫調查結束後，梁試體進行了三點的撓曲加載直到試體破壞，實驗使用 8503 INSTRON Universal Servo hydraulic Testing Machine(最大加載能力為 500 KN)，使用一個訂製的鋼支撐柱梁的頂端，和使用液壓驅動器在梁中央施加力量其加載速率為1mm/min，而實驗的輸出值(力量和位移)，自動儲存於電腦中。

在實驗結束後將鋼筋從試體取出，估計鋼筋的平均腐蝕深度XAVER方法類似於早前文獻【 Torres-Acosta AA,Martinez-Madrid M,Mu˜noz-NovalA.2003 、 Fabela-Gallegos MJ,Vazquez-Vega D, EP AL 2003 、 Torres-Acosta AA ,Fabela-Gallegos MJ,EP AL 2003、Torres-Acosta AA,Martinez-Madrid M.2003、

Torres-Acosta AA.1999 、 Torres-Acosta AA,SaguesA.2000 、 Torres-Acosta AA,SaguesAA.2004】，XAVER的獲得是由質量的損失(△W)使用下列公式：

103

 為鋼筋直徑，單位為 mm； 8 根梁(B3-B10)與未受腐蝕的 3 根梁(B1，B2，B12)的數據所表示的力量與位移圖。在調查過程中，PMAX相當於記錄鋼筋降伏前的最大負荷，從全部受測試的腐蝕梁中發現只有B04，B05 和B10 有不同的力量與位移反應，這些梁的完全斷裂，顯然由於鋼造成高度的局部腐蝕。在腐蝕後測量這些鋼筋，發現這3 根梁的孔蝕深度超過初始直徑的一半且在梁斷裂部份發現這些較深的孔蝕。

每根梁在撓曲試驗後，鋼筋被從混凝土中取出且清除鋼筋表上的腐蝕生成物。鋼筋質量的損失(△W)為鋼筋初始質量減去受腐蝕後的質量，而△W，XAVER，加速腐蝕系統的效能%EFFICIENCY和半勁的損失XAVER/r0被記錄於表 2.3-1，在高濕度環境下加速腐蝕的效能介於67.2%與 120.1%之間，(平均 92.3%)，濕度的環境會增加鋼筋腐蝕的生成物，隨後將腐蝕生成物擴散於鋼與混凝土之間。從文獻中可發現腐蝕生成物由混凝土裂縫滲透到混凝土頂部的濕海綿，另一方面，效率估計在文獻【Torres-Acosta AA,Martinez-Madrid M,Mu˜noz-NovalA.2003】中乾

環境(70%相對溼度)，只有介於 70%和 85%之間。

表 2-3.1 實驗數據【Torres-Acosta, A.A., Navarro-Gutierrez, S., Terán-Guillén,

J.；2007】

圖 2.3-4 梁的力量與位移的實驗結果【Torres-Acosta, A.A., Navarro-Gutierrez, S.,

Terán-Guillén, J.；2007】

決定XAVER/r0比值是困難的，現今仍然沒有有效的方法可以簡單估計。因此有必要以獲取相關這些比值和簡單的測量衰退過程。一個工程常用的工具估計典型的混凝土結構退化是由裂縫寬度測得。假設只有裂縫(不分層)是目前由於腐蝕可能相關性於最大裂縫寬度CWMAX和可能可以找出XAVER/r0的比值。決定 XAVER/r0和CWMAX的關係如圖 2.3-5 示了實驗所得的數據從先前調查

【Torres-Acosta AA ,Fabela-Gallegos MJ,EP AL 2003 】提出在參考文獻

【Torres-Acosta AA,Martinez-Madrid M.2003】，和本次調查的結果記錄在表

2.3-1，早期的調查結果鋼筋全長度腐蝕【Cabrera JG. 1996、Mangat PS, Elgarf MS.

1999、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1997、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1996、

Torres-Acosta AA ,Fabela-Gallegos MJ,EP AL2003】(符號“○”)和鋼筋局部長度腐蝕

【10-12】(符號“

^

，

^

”)以及從本次調查鋼筋全長度腐蝕(符號“●”)。由圖 2.3-5 AA,Martinez-Madrid M,Mu˜noz-NovalA.2003、Fabela-Gallegos MJ,Vazquez-Vega D, EP AL2003、Torres-Acosta AA ,Fabela-Gallegos MJ,EP AL2003】在乾燥的環境(符

號“

易地從鋼筋與混凝土的界面轉移，使用混凝土的孔隙。減少水份會使孔隙增加壓力集中在鋼筋與混凝土的界面，因此更容易地擴大裂縫。

圖 2.3-5 CW_MAX與X_AVER

/r

₀的實驗結果【Torres-Acosta, A.A., Navarro-Gutierrez,

S., Terán-Guillén, J.；2007】

第四節鋼筋腐蝕 RC 建築構件生命週期

1. 潛伏期(Initiation stage)：

建設完成至鋼筋開始腐蝕階段。依文獻可知，鋼筋開始腐蝕可定義為混凝土表面之氯離子擴散至外層鋼筋表面或中性化深度達保護層厚度，且由於氣候或環境條件與混凝土條件皆具不確定性，須利用可靠度理論及蒙地卡蘿運算進行評估。以中性化為例(如圖 2.4-2)，將環境或氣候條件、混凝土性質及施工品質等之不確定性考慮於中性化速度係數與保護層厚度內，依下式計算其腐蝕發生機率

Pf，若發生機率達10%以上(ASTM C876 1991)時，該時間點可認定為腐蝕發生點。

x t A ) t , x (

g

  (2.4-1)

^P

⁽ ^t ⁾



^P  ^g ⁽ ^x ^, ^t ⁾



⁰ ^, ^for

^all ^t



^[ ⁰ ^; ^T ^] 

(2.4-2) 其中，A：中性化速度係數(t/(year)^0.5)；

x：混凝土保護層厚度(cm)；

t：時間(year)。

圖 2.4-1 中性化或鹽害之鋼筋腐蝕各階段

2. 進展期(Propagation stage)：

鋼筋開始腐蝕至混凝土表面裂縫產生階段。混凝土表面裂縫乃指因鋼筋腐蝕伴隨內部壓力提升，而造成略近於平行縱向鋼筋之裂縫。然而，目前多數研究仍以現地曝露實驗為參考，歸納鋼筋腐蝕量與縱向裂縫寬度關係而建立評估模式，

如下所示：

x d

w

_c 0.141exp(1.078 /) (2.4-3)

o s

r  

 400

(2.4-4)

其中，wc：鋼筋腐蝕量(mg/mm²)；

x：縱向裂縫寬度(mm)；

d：混凝土保護層厚度(mm)；

φ：鋼筋直徑(mm)；

φo：未腐蝕之鋼筋直徑(mm)；

ρs：鋼筋密度(7.85 mg/mm³)；

r：鋼筋之重量減少百分比(%)。

圖 2.4-2 潛伏期評估模式

3. 加速期前期(Former period of acceleration stage)

混凝土表面裂縫產生至混凝土表面剝離或剝落發生階段。當鋼筋腐蝕所造成之混凝土表面裂縫超越某一臨界寬度時(依文獻為 0.5~1.0mm)，剝離或剝落現象即會發生。目前多數研究仍以現地實驗歸納鋼筋腐蝕量、縱向裂縫寬度及剝離或剝落程度等關係而建立評估模式。

基於以上原則並考慮鋼筋腐蝕之不確定性及腐蝕量與裂縫關係(式 2.4-3)，本研究採用蒙地卡蘿運算以求得混凝土保護層之剥離機率，若此一機率超越 15%

則認定分析構件之保護層剝離或剝落發生且其使用性能喪失。

4. 加速期後期(Latter period of acceleration stage)

混凝土表面剝離發生之後稱為加速期後期。此一階段之外層鋼筋已無保護層，其腐蝕速度可近似於裸鋼材之腐蝕速度。

本研究將建立梁構件於鋼筋腐蝕發生後之耐震行為分析模式，依過去研究經驗可見，腐蝕發生後之鋼筋斷面雖會減少，但為分析方便各項材料性質於劣化評估時仍參照原始斷面，因此混凝土與鋼筋間之極限握裹強度(Ultimate bonding stress)與鋼筋之彈性模數、降伏強度及極限強度等均有所變化，如下所示：

圖 2.4-3 腐蝕鋼筋之降伏點殘存率

圖 2.4-4 腐蝕鋼筋之彈性模數殘存率

圖 2.4-5 鋼筋與混凝土間之握裹強度殘存率

由於上述試驗結果與實驗條件設定(如：鋼筋尺寸與強度、混凝土強度及腐蝕方法等)息息相關，若直接應用於條件差異太大之 RC 構件時，則會存在相當程度之差異，因此各歸納式於使用上須特別注意其適用範圍。

本研究之足尺寸梁試體於施工時已將箍筋部份塗上一層防锈漆，於耐震性能評估時只須考慮主筋與混凝土間之握裹破壞與梁端撓曲破壞，配合上述之鋼筋腐 蝕量預測模式即可建立如圖 2.4-6 所示之生命週期曲線；各性能點評估方式則如 下所述：

Ａ點：外層鋼筋開始腐蝕時間(同上述潛伏期時間)。

在文檔中鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響 (頁 46-0)

第二章 文獻收集與分析

第三節 鋼筋腐蝕構件耐震行為

J.2007】

/r

1999、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1997、RodriguezJ,Ortega LM,CasalJ.1996、AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,EP AL1997、

AlmusallamAA,Al-Gahtani AS,Aziz AR,Rasheeduzzafar.1996、Huang,Yang CC.1997、Tachibana Y,Maeda K,Kajikawa Y,Kawuamura M.1990】

Terán-Guillén, J.；2007】

J.；2007】

Terán-Guillén, J.；2007】

2.3-1，早期的調查結果鋼筋全長度腐蝕【Cabrera JG. 1996、Mangat PS, Elgarf MS.





/r

S., Terán-Guillén, J.；2007】

第四節 鋼筋腐蝕 RC 建築構件生命週期

x t A ) t , x (

g

P

( t )

P  g ( x , t )

0 , for

all t

[ 0 ; T ] 

x d

w

 400

第二章文獻收集與分析

第三節鋼筋腐蝕構件耐震行為

^

^

第四節鋼筋腐蝕 RC 建築構件生命週期

^P

⁽ ^t ⁾

^P  ^g ⁽ ^x ^, ^t ⁾

⁰ ^, ^for

^all ^t

^[ ⁰ ^; ^T ^] 