內
政
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究
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究
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診
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法
研
擬
II
鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬
內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 成果 報告
中華民國 102 年 12 月
鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬
研 究 主 持 人 ： 鄭 元 良 協 同 主 持 人 ： 邱 建 國 研 究 員 ： 陳 君 弢 、 周 楷 峻 研 究 助 理 ： 陳 美 儒 、 陳 重 利內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 成果 報告
中華民國 102 年 12 月
（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）I
目次
目次 ... I 表索引 ... I 圖索引 ... IX 摘要 ... XII ABSTRACT ...XIV 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景、目的與範圍 ... 1 壹、研究背景 ... 1 貮、研究目的 ... 2 參、研究範圍 ... 2 肆、相關用語定義 ... 3 第二章 文獻回顧... 7 第一節 鋼筋混凝土老劣化原因 ... 7 第二節 國外耐久性能評估方法 ... 14 壹、建築物耐久性能調查 ... 14 貮、鋼 筋 混 凝 土 建 築 物 耐 久 設 計 法 ... 17 第三節 國內耐久性能評估方法 ... 23 壹、橋梁 D.E.R.&U.目視檢測評估 ... 23 貮、建築物耐久性評估指標與殘餘壽命預測方法之研究 ... 27 第三章 鋼筋混凝土建築物耐久性能損壞案例圖集 ... 32 第一節 主要構件損壞案例... 33 壹、柱構件耐久性能損壞型式 ... 33 貳、梁構件耐久性能損壞型式 ... 35鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 II 參、版構件耐久性能損壞型式 ... 36 肆、RC 牆構件耐久性能損壞型式 ... 38 第二節 次要構件損壞案例... 38 第三節 使用性能損壞案例... 40 第四章 鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 ... 44 第一節 耐久性能診斷流程說明 ... 44 第二節 建築物概要調查 ... 46 第三節 耐久性能初步診斷法 ... 48 壹、初步診斷方法說明 ... 48 貳、調查前準備項目 ... 50 參、主要構件調查 ... 57 肆、建築物外牆被覆條件調查 ... 69 伍、環境影響因子調查 ... 71 陸、其他使用性能評定表建立 ... 83 柒、初步診斷綜合評定表 ... 84 第四節 耐久性能詳細診斷... 85 壹、詳細診斷方法說明 ... 85 貳、詳細診斷權重因子說明 ... 97 參、詳細診斷綜合評定 ... 98 第五節 補修策略建議 ... 104 壹、鋼筋腐蝕補修工法 ... 104 貳、中性化抑制工法 ... 105 參、氯離子抑制工法 ... 106 肆、裂縫補修工法 ... 107 第五章 實例調查與專家訪談 ... 114
III 第一節 實例調查 ... 114 壹、實例一 ... 114 貳、實例二 ... 137 參、實例三 ... 165 第二節 專家諮詢會議紀錄... 178 第六章 結論與建議 ... 183 第一節 結論 ... 183 第二節 建議 ... 184 參考文獻 ... 187 附錄一 典型校舍耐震能力初步評估表 ... 190 附錄二 概要調查表 ... 191 附錄三 耐久性能評定準則... 192 附錄四 第一次專家諮詢會議紀錄 ... 253 附錄五 第二次專家諮詢會議紀錄 ... 256 附錄六 期中審查會議記錄與意見回覆 ... 258 附錄七 期末審查會議記錄與意見回覆 ... 262
表索引 IV
表索引
表 2-1 建築物耐久性調查內容 ... 15 表 2-2 日本建築學會 JASS 5 之耐久設計基準強度規定 ... 22 表 2-3 橋梁構造物檢測評定標準 ... 26 表 2-4 A.B.C.D.評定法對結構損傷等級之判定標準 ... 26 表 2-5 推薦建築物所處環境條件影響的分級評定標準 ... 28 表 2-6 建築物齡期因子的評定標準 ... 29 表 2-7 混凝土構件材質狀況檢測指標與耐久性指標推薦權重值 ... 30 表 2-8 混凝土單一構件之耐久性評估標準 ... 30 表 2-9 混凝土建築物各構(部)件權重值 ... 30 表 2-10 混凝土建築物各構(部)件權重值 ... 31 表 3-1 柱構件耐久性損壞形式 ... 33 表 3-2 梁構件耐久性損壞形式 ... 35 表 3-3 版構件耐久性損壞形式 ... 36 表 3-4 RC 牆構件耐久性損壞形式 ... 38 表 3-5 次要構件構件耐久性損壞形式 ... 38 表 3-6 使用性能耐久性損壞形式 ... 40 表 4-1 準備工作細項說明 ... 50 表 4-2 初步診斷調查之項目 ... 52 表 4-3 柱、梁構件及 RC 結構牆劣化度評定基準 ... 63 表 4-4 鋼筋腐蝕等級評定基準 ... 63 表 4-5 版構件評定基準 ... 65 表 4-6 單一樓層構件劣化紀錄表 ... 67 表 4-7 整棟建築物構件劣化紀錄表 ... 68V 表 4-8 建築物外牆被覆材評定基準 ... 69 表 4-9 建築物外牆劣化紀錄表 ... 70 表 4-10 各國氯離子含量規定值 ... 71 表 4-11 不同海洋腐蝕區域中混凝土保護層最小厚度 ... 74 表 4-12 建築物於 40 年時混凝土保護層厚度設計建議值 ... 75 表 4-13 氯離子環境影響因子評定表 ... 75 表 4-14 中性化引致之劣化潛勢評定 ... 76 表 4-15 台灣各縣市橋梁混凝土中性化速度係數平均值 ... 78 表 4-16 北部及中部地區校舍中性化速度係數 ... 79 表 4-17 無任何被覆之潛勢判斷結果統整表 ... 79 表 4-18 水泥砂漿被覆(m=2cm)之潛勢判斷結果統整表 ... 80 表 4-19 樹脂材料中性化抵抗係數 ... 80 表 4-20 瓷磚及水泥板材中性化抵抗係數 ... 81 表 4-21 各種被覆材預防中性化發生之比較結果 ... 81 表 4-22 北部 RC 建築物考慮表面被覆材之環境影響因子評定表 .... 82 表 4-23 中、南部 RC 建築物考慮表面被覆材之環境條件評估表 .... 82 表 4-24 其他使用性能評估表 ... 83 表 4-25 鋼筋鏽蝕電位的評定標準 ... 87 表 4-26 混凝土中性化深度評定標準 ... 88 表 4-27 氯離子含量評定標準 ... 90 表 4-28 混凝土電阻率的評定標準 ... 91 表 4-29 混凝土抗壓強度的評定標準 ... 93 表 4-30 K 值與 n 值參考表 ... 94 表 4-31 鋼筋保護層厚度之評定標準 ... 95 表 4-32 修改後之耐久性指標權重值 ... 97
表索引 VI 表 4-33 詳細診斷綜合評定項目 ... 99 表 4-34 單一樓層之耐久性能評定 ... 100 表 4-35 整體建築物之耐久性能評定 ... 101 表 4-36 單一樓層評定表 ... 102 表 4-37 整棟建築物評定表 ... 103 表 4-38 鋼筋腐蝕補修工法與回復目標方法之關係 ... 105 表 4-39 混凝土中性化程度分類 ... 105 表 4-40 混凝土中性化補修工法選定 ... 106 表 4-41 混凝土氯離子含量程度分類 ... 106 表 4-42 氯離子補修工法選定 ... 106 表 4-43 中性化及氯離子補修工法與回復目標方法之關係 ... 107 表 5-1 科學樓校舍基本資料 ... 114 表 5-2 地下一樓柱構件之劣化記錄表 ... 118 表 5-3 地下一樓梁構件之劣化記錄表 ... 119 表 5-4 地下一樓版構件之劣化記錄表 ... 120 表 5-5 整棟建築物構件之劣化紀錄表 ... 121 表 5-6 氯離子環境影響因子評定表 ... 122 表 5-7 北部 RC 建築物考慮表面被覆材之環境影響因子評定表 ... 122 表 5-8 其他使用性能評定表 ... 123 表 5-9 抗壓強度試驗表(1) ...125 表 5-10 抗壓強度試驗表(2) ...126 表 5-11 中性化深度試驗表(1) ... 127 表 5-12 中性化深度試驗表(2) ... 127 表 5-13 氯離子含量試驗表(1) ... 128 表 5-14 氯離子含量檢測表(2) ... 128
VII 表 5-15 柱(C10)電阻率 ... 131 表 5-16 柱(C9)電阻率 ... 131 表 5-17 柱(C6)電阻率 ... 132 表 5-18 科學樓混凝土保護層厚度實測值 ... 133 表 5-19 表面損傷係數 ... 135 表 5-20 環境影響係數對照表 ... 135 表 5-21 科學樓地下一樓案例說明 ... 136 表 5-22 忠孝樓校舍基本資料 ... 137 表 5-23 忠孝樓一樓構件劣化記錄表 ... 140 表 5-24 忠孝樓二樓構件劣化記錄表 ... 144 表 5-25 忠孝樓三樓構件劣化記錄表 ... 148 表 5-26 整棟建築物構件劣化紀錄表 ... 151 表 5-27 整棟建築物構件之劣化紀錄表 ... 152 表 5-28 氯離子環境影響因子評定表 ... 153 表 5-29 北部 RC 建築物考慮表面被覆材之環境影響因子評定表 .. 153 表 5-30 其他使用性能評定表 ... 154 表 5-31 抗壓強度試驗表 ... 156 表 5-32 中性化深度檢測試驗表(1) ... 157 表 5-33 氯離子含量試驗表(1) ... 158 表 5-34 氯離子含量試驗表(2) ... 158 表 5-35 腐蝕電位試驗表 ... 159 表 5-36 柱(C8)電阻率 ... 160 表 5-37 柱(C9)電阻率 ... 160 表 5-38 科學樓混凝土保護層厚度實測值 ... 161 表 5-39 表面損傷係數 ... 163
表索引 VIII 表 5-40 環境影響係數對照表 ... 163 表 5-41 忠孝樓地下一樓案例說明 ... 164 表 5-42 四維、忠孝樓構件調查表 ... 171 表 5-43 信義樓西棟構件調查表 ... 172 表 5-44 信義樓東棟構件調查表 ... 173 表 5-45 氯離子環境影響因子評定表 ... 174 表 5-46 北部 RC 建築物考慮表面被覆材之環境因子評定表 ... 174 表 5-47 四維樓其他使用性能評定表 ... 175 表 5-48 四維樓其他使用性能評定表 ... 177 表 5-49 忠孝樓東棟其他使用性能評定表 ... 178 表 5-50 忠孝樓西棟其他使用性能評定表 ... 180 表 5-51 專家諮詢會議紀錄表 ... 183
IX
圖索引
圖 2-1 混凝土劣化之物理因子 ... 8 圖 2-2 混凝土劣化之化學因子 ... 8 圖 2-3 結構耐久性損傷原因分類 ... 9 圖 2-4 鋼筋鏽蝕對混凝土結構性能的影響 ... 11 圖 2-5 鋼筋鏽蝕引起黏結強度退化 ... 12 圖 2-6 劣化症狀、劣化現象、劣化因素的關係 ... 16 圖 2-7 劣化診斷的整個流程 ... 17 圖 2-8 建築物耐久性設計過程示意圖 ... 18 圖 2-9 建築物耐久性設計過程示意圖 ... 19 圖 2-10 材料耐久性評估項目示意圖 ... 27 圖 4-1 本研究建議之耐久性能診斷流程 ... 45 圖 4-2 耐久性能初步診斷項目 ... 49 圖 4-3 勘查動線示意圖(一) ... 52 圖 4-4 勘查動線示意圖(二) ... 52 圖 4-5 構件編號規則示意圖 ... 53 圖 4-6 柱構件單位設定示意圖 ... 54 圖 4-7 梁構件單位設定示意圖 ... 54 圖 4-8 版構件單位設定示意圖 ... 55 圖 4-9 外牆單位設定示意圖 ... 55 圖 4-10 初步診斷準備工具 ... 56 圖 4-11 柱構件劣化造成之裂縫 ... 58 圖 4-12 柱構件受外力作用下裂縫 ... 59 圖 4-13 柱構件因施工不良形成之裂縫 ... 59鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 X 圖 4-14 梁構件劣化造成之裂縫 ... 60 圖 4-15 梁構件外力造成之裂縫 ... 60 圖 4-16 RC 結構牆混凝土乾縮與鋼筋腐蝕 ... 61 圖 4-17 RC 牆結構不均勻下陷 ... 62 圖 4-18 RC 結構牆之施工不良 ... 62 圖 4-19 腐蝕面積率與重量減少率之關係 ... 62 圖 4-20 鋼筋腐蝕程度 ... 64 圖 4-21 北部校舍氯離子含量與鋼筋鏽蝕之關係 ... 72 圖 4-22 北部校舍氯離子臨界含量 ... 73 圖 4-23 中部校舍氯離子含量與鋼筋鏽蝕之關係 ... 73 圖 4-24 中部校舍氯離子臨界含量 ... 74 圖 4-25 北部校舍中性化速度係數 ... 78 圖 4-26 中部校舍中性化速度係數 ... 78 圖 4-27 初步診斷綜合評定 ... 84 圖 4-28 耐久性能詳細診斷方法 ... 86 圖 4-29 表面損傷係數對照表 ... 96 圖 4-30 環境影響係數對照表 ... 96 圖 4-31 初步診斷連結詳細診斷說明 ... 98 圖 4-32 裂縫修補工法示意圖 ... 108 圖 4-33 鋼筋生鏽、混凝土開裂修補工法示意圖 ... 112 圖 5-1 台北市某高中平面圖 ... 115 圖 5-2 建築物概要調查表 ... 116 圖 5-3 初步診斷綜合評定 ... 124 圖 5-4 腐蝕電位檢測測點 ... 129 圖 5-5 柱劣化度重度(C10)腐蝕電位檢測結果 ... 130
XI 圖 5-6 柱劣化度中度(C9)腐蝕電位檢測結果 ... 130 圖 5-7 柱劣化度輕度(C6) 腐蝕電位檢測結果 ... 130 圖 5-8 腐蝕電位值圖形對照圖 ... 130 圖 5-9 建築物概要調查表 ... 138 圖 5-10 初步診斷綜合評定 ... 155 圖 5-11 建築物概要調查表 ... 170 圖 5-12 初步診斷綜合評定 ... 181 圖 6-1 台灣建築物屋齡調查 ... 184
摘要 XII
摘要
關鍵詞：建築物概要調查、建築物耐久性診斷、建築物耐久性能評估一、研究緣起
鋼筋混凝土建築物於其生命週期中，常因天然因素(如地震、海 風、降雨等)，更有可能因人為因素(施工設計不良、品質管控不佳、 維護不當、外在改變結構物原先的用途等)，混凝土及鋼筋會因其影 響而產生劣化與腐蝕，造成強度降低及使用年限減少。因此我們更須 擬定一套客觀之評估系統，對於耐久性或安全性不足之建築物，應拆 除重建或給予適當之補修。二、研究內容
由於本研究主要研擬鋼筋混凝土建築物整體之耐久性能診斷，如 何將各部位劣化狀況或各劣化因子影響範圍統合為一綜合性指標將 為主要研究重點，且如何依診斷結果建議合適之補修方法亦為另一大 挑戰。為解決上述之問題，本研究內容可分為：建築物概要調查、初 步耐久診斷與詳細耐久診斷等三大項。以建築物概要調查而言，主要 建立一般建築物適用之基本資料表格，除可記載建築物相關之基本資 料(如興建年代、基礎型式、用途、外裝材料及所在位置等)外，亦可 用了解所在位置之環境條件等。初步耐久診斷以目視調查為主，除建 築物外觀劣化狀況外，與使用性能相關之振動、漏水等也應考慮於診 斷項目內，考量外在環境劣化因子以決定是否進行詳細耐久診斷。詳 細耐久診斷以了解混凝土材料性質與鋼筋腐蝕程度，因此須進行混凝 土鑽心取樣之測試其抗壓強度、中性化深度或氯離子濃度等，其目的 主要了解劣化主因及選擇適當維護方法。XIII
三、重要成果
本研究目完成之成果如下所述： 1. 鋼筋混凝土建築物概要調查方法與表格建置； 2. 鋼筋混凝土建築物初步診斷方法與表格建置； 3. 鋼筋混凝土建築物詳細診斷項目與評估方法建置； 4. 案例分析與專家座談。 本研究已將建置之表格應用於實際案例，並藉由專家座談方式確 認其可行性與實用性，且為調查人員便於使用，已將本研究所提之耐 久性能診方法精簡成一準則草案，調查人員可依此一準則即可進行相 關作業。摘要
XIV
ABSTRACT
Keywords: durability, reinforce concrete, preliminary assessment, detailed assessment, maintenance strategy
1.Background
Reinforced concrete (RC) structures or buildings deteriorate over time when exposed to corrosive environments. When the service-life in terms of the structural safety or serviceability of a deteriorating RC building does not meet the original target, lifecycle maintenance strategies should be implemented. Once the cause of corrosion has been identified, structural members, beams, or columns with reinforcing steel components corroded by carbonation or chloride ingress can be repaired or retrofitted. Therefore, there is an need for a method that can be used to assess the durability of an RC building and then determine an appropriate maintenance strategy to prolong its service life.
2.Methods
The main purpose is to build an assessment method of the durability for an RC building. Besides of the preliminary assessment including the visible investigation, the detailed assessment of the durability consists of several tests of material properties, e.g., concrete cover depth, concrete compression strength, chloride concentration, carbonation depth and so on. Engineers can follow the proposed assessment method to determine the durability of an RC building. Futhermore, according to the quantitative index of the durability and deterioration factors obtained from the detailed assessment, the appropriate maintence strategy can be suggested to prolong the service life. In brief, several topics drafted in the research plan have been accomplished and concluded, as follows:
XV
3.Results
1. Summary investigation for an RC building.
2. Preliminary assessment method of the durability for an RC building. 3. Detailed assessment method of the durability for an RC building. 4. Case studies and professional discussion meetings.
Finally, several case studies and professional discussion meetings are used to investigate the application the proposed assessment method; then the principal draft is finished for engineers.
第一章 緒論 1
第一章 緒論
第一節 研究背景、目的與研究範圍
壹 、 研 究 背 景
近年日本因建築物性能維持與管理所產生之大量資源使用、營建 廢棄物增加等危害地球環境等問題日益受到重視，建築物之長壽命化 或耐久性問題也受到廣泛的關心與注意。較於 1997 年之京都議定書 內容，日本建築學會於 1997 年 12 月亦提出「如為減少 30%之 LCCO2， 建築物之壽命必須延長為原設定值 3 倍，即為 100 年之供用目標」， 由於可見，建築物之性能維持或長壽命化於「永續發展」或「永續工 程」中是不可缺少的。2008 年 9 月日本建築學會頒布「鋼筋混凝土 建築物之環境配慮施工指針（案）及解說」一書，當中以鋼筋混凝土 建築物為對象，依生命週期(Life-cycle)觀點提出「省資源型」、「省能 源型」、「環境負荷物質減低型」及「長壽命型」等共四類之環境考慮 方法，並於生命週期各階段(設計階段、施工階段及使用維護階段等) 提及各型應滿足事項外，各相關人員(設計師、施工監造人員等)所應 具備之思維與知識。 目前國內雖積極推動工程之永續設計或低碳設計，但多為定性方 法或理論而缺乏一系統性定量準則。以鋼筋混凝土建築而言，延長其 生命週期或使用年限，可提升其＂耐久性能＂以符合長壽命建築之要 求，則能使其符合永續工程目標。因此，建立台灣適用之鋼筋混凝土 建築耐久診斷與設計準則是極為需要之研究課題。2
貳 、 研 究 目 的
研究內容可分為：建築物概要調查、耐久性能初步診斷方法與詳 細耐久診斷方法等三大項。以建築物概要調查而言，主要建立一般建 築物適用之基本資料表格，除可記載建築物相關之基本資料(如興建 年代、基礎型式、用途、外裝材料及所在位置等)外，亦可用了解所 在位置之環境條件等。初步診斷方法以目視調查為主，除建築物外觀 劣化狀況外，與使用性能相關之振動、漏水等也應考慮於診斷項目內， 考量外在環境劣化因子以決定是否進行詳細診斷。詳細診斷以了解混 凝土材料性質與鋼筋腐蝕程度，因此須進行混凝土鑽心取樣之測試其 抗壓強度、中性化深度或氯離子濃度等，其目的主要了解劣化主因及 選擇適當維護方法。工作項目可分為： 1. 蒐集相關研究及方法 2. 台灣既有鋼筋混凝土建築物劣化事例研究與分析 3. 耐久性能影響因子確立及量化模式建立 4. 建築物概要調查(含目視調查)、耐久性能初步診斷、耐久性能 詳細診斷及結果判定等方法研擬 5. 鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷準則草案案例研究與適用性 檢討參 、 研 究 範 圍
1. 本研究適用於典型之鋼筋混凝土建築物，調查混凝土內部鋼筋是 否產生鏽蝕或建築物是否有劣化現象，進行劣化診斷及補修工法 建議。 2. 本研究僅適用因外部酸性之化學物質進入混凝土內部與骨材發 生化學變化，而造成的劣化現象，若因地震、使用上不當等因外第一章 緒論 3 力而造成的結構體損害，則不適用。 3. 本研究僅針對主要受力構件，也就是主結構體(柱、梁、版、RC 牆)，進行耐久性能調查、診斷。
肆 、 相 關 用 語 定 義
1. 主要構件 結構體的柱為支承樑所傳來的載重；梁為建築物的水平構材，支 撐樓板、地板重量，並將力傳至；版為房屋內部的水平構造物，用來 區隔建築物的垂直空間；而牆為建築物的垂直構造物，界定不同機能 空間的區劃結構體，以上皆為建築物重要的承重結構，由主要鋼筋、 混凝土兩大材料構成，而牆構件則為輕質磚堆砌而成。 2. 次要構件 次要構件為建築物的輔助結構，組成包含如下:樓梯、女兒牆陽 台、邊梁等。樓梯為建築物不同樓層間垂直動線交通的構造物；女兒 牆為建築物屋頂外圍之矮牆，主要作用為防止墜落之欄杆，以維護安 全。 3. 劣(老)化 建築物為鋼筋混凝土材料建造而成的，經時間、環境、施工不良、 使用不當等各種影響因素，皆會造成材料的劣(老)化並影響建築物的 安全及使用性。常見的劣化現象為混凝土裂縫、混凝土剝落、鋼筋鏽 蝕、建築物滲漏水等。 4. 鼓起 鼓起又稱為鼓脹，為水泥砂漿和覆蓋水泥砂漿的裝修材料之介面 發生間隙併發產生材料分離現象。 5. 中性化4 中性化作用是空氣中二氧化碳或其他具酸性氣體侵入混凝土而 產生之化學變化。新拌混凝土具高鹼性，可使鋼筋表面形成鈍態氧化 膜，而能防止鋼筋腐蝕。當混凝土暴露在大氣中，尤其是工業污染的 環境下，會使混凝土的 pH 值降低，而使鋼筋表面狀態由鈍化區變為 易腐蝕之狀態，若混凝土繼續受碳化作用，碳酸鈣會轉變成溶解性較 高的碳酸氫鈣析出混凝土而增加混凝土的孔隙，造成強度遞減現象， 使有害物質更易滲入混凝土中。換言之，混凝土之 Ca(OH)2會和空氣 中之二氧化碳反應而產生近中性之 CaCO3 (pH 值為 7)，使得混凝土 的酸鹼度由 pH 12~14 約降至 pH 10；此一反應稱為中性化反應。當 表面混凝土產生中性化反應後，二氧化碳接著由混凝土中的孔隙滲入 混凝土中，逐漸將較深的混凝土轉變為中性。鋼筋混凝土結構中對混 凝土中性化的影響，一般可分為材料因素和環境介質因素。材料對混 凝土中性化速度的影響，分成下列五種情況： (1) 水灰比 (2) 水泥種類和水泥用量 (3) 摻和劑 (4) 施工品質和養護條件 (5) 混凝土的強度 而環境因素對混凝土中性化的影響包含了(1).大氣的相對濕度、 (2).大氣的溫度、(3).酸性介質的濃度、(4).外界風壓及(5).應力狀。 6. 特殊環境引致之劣化 混凝土結構物在工業地區等惡劣的環境下，很容易造成中性化、 鋼筋腐蝕、表面劣化及強度降低等劣化現象。工業地區空氣中氧化碳 濃度高，容易促使混凝土結構產生中性化現象，另空氣中含有污染物 質與氧作用後形成有害物，將自混凝土表面緩緩弱化混凝土品質，此
第一章 緒論 5 即為表面劣化或強度降低之主要因素。除上述之不利影響外，工業地 區亦常常設立於鄰海區域，若再加上海鹽粒子與雨水之作用，將侵蝕 混凝土而造成鋼筋腐蝕，產生鹽害。 7. 鹽害 引起鹽害之原因有二種。其一為在製造混凝土時由海砂或水等使 用直接化物而形成；另一則為鄰近海岸地區之結構物，混凝土表面附 著海，由於吸水或擴散使得超過容許含量之鹽化物自混凝土中侵入， 經過數，混凝土之品質將因鋼筋腐蝕而大受影響。混凝土由於外界鹽 份侵入或使用含鹽份材料，使鋼筋表面氯離子含量超一臨界值時，則 鋼筋表面的鈍化膜便會遭受破壞而產生腐蝕。在鹽害方面，當混凝土 中鋼筋表面的氯離子超過一定的量時，鋼筋表面的保護性鈍化膜開始 破壞，接著鋼筋開始腐蝕膨脹造成混凝土龜裂。 8. 鹼質與粒料反應 混凝土為含有連續微細空隙之孔質材料，易造成氧或水份等之浸 透。鹼質與粒料反應為混凝土之細孔溶液內含有氫氧化鹼(KOH 或 NaOH)，而與粒料中之活性物質形成化學反應，此種化學反應在化學 產物形成過程中，會因吸水產生膨脹而引致混凝土產生裂縫，裂縫發 生後，不僅直接造成混凝土結構物構材強度降低，且將降低對於抵抗 鹽害或化學物質侵蝕之能力，亦增大混凝土內鋼筋腐蝕之可能性。鹼 質與粒料反應將造成混凝土產生有害的膨脹現象，此反應的產生基於 下列三項因素：1.材料中存在有反應性粒料，2.混凝土中存有充分的 KOH 或 NaOH 溶液，3.混凝土處於多濕或維持濕潤狀態。混凝土中 鹼之主要來源係由水泥所供應，水泥原料之粘土礦物等含有鹼成份， 因此，混凝土配比單位體積中水泥含量越高者，產生鹼質與粒料反應 之機率就越高。水泥以外之鹼供應來源為自海砂附著 NaCl 等鹽化物，
6
鹼質與粒料反應所引致之膨脹現象有賴水份或濕氣之供給，對於易受 雨淋之結構物或內部水份乾燥不易之巨積結構物而言，特別容易形成 損傷。
第二章 文獻回顧 7
第二章 文獻回顧
第一節 鋼筋混凝土老劣化原因
根據 ACI Committee 201 對卜特嵐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，亦即其耐久性之混凝土，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」。且混凝土常被廣泛的使用在不同的 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、環境的濕度、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銹蝕的現象,而環境溫度與環境溼度 則是影響鋼筋銹蝕的主要因素。故混凝土耐久性需求更顯得重要。 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 2-1，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 2-2，由化學作用與電化學作用使結構產 生劣化現象主要有：混凝土中的鋼筋銹蝕、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 2-3。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。8 混凝土劣化之物理性因子 表面磨損 開裂 磨損 侵蝕 孔隙 體積變化 ★正常的溫度和 濕度梯度 ★鹽類結晶壓力 結構加載 ★超載與衝擊 ★疲勞載重 暴露極端溫度 ★凍融作用 ★火害 圖 2-1 混凝土劣化之物理因子 (資料來源：(Mehta, P.k.等 1982, Mehta, P.k.等 1993) 混凝土劣化之化學性因子 侵害性液體與水硬水 泥漿體之交換反應 形成膨脹性產物 鹼度損失 質量損失 惡化 水硬性水泥漿 體之組成滲出 與水合反應 增加內部應力 鈣離子移 出形成水 溶性產物 鈣離子移 出與非膨 脹性不溶 於水產物 取代C-H-S 膠體中之 鈣離子 孔隙度增 加和滲透 率性 開裂、剝落、 凸出 鹼性鋼性 損失 變形 化學反應的 主要效應 圖 2-2 混凝土劣化之化學因子 (資料來源：(Mehta, P.k.等 1982, Mehta, P.k.等 1993)
第二章 文獻回顧 9 耐久性損傷 ✽化學作用 (混凝土碳化、鋼筋 鏽蝕、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) ✽生物作用 圖 2-3 結構耐久性損傷原因分類 (資料來源：牛荻濤，2003) 混凝土結構的破壞原因按重要性排列為：混凝土中的鋼筋銹蝕、 寒冷氣候的凍融現象，侵蝕環境的物理化學作用，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：混凝土中的鋼筋銹蝕、混 凝土碳化、混凝土的裂縫、混凝土強度降低、結構過大變形等。 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銹蝕的前提件，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，碳化導致鈍壞膜的破壞，使鋼筋不具有保護的 作用，實際上，鋼筋周圍混凝土的 pH 值 11.5 時，鋼筋表面的鈍態保 護膜已經開始混凝土中的鋼筋變得不穩定，對鋼筋失去保護的作用。 2. 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， 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，
10 雖不易鏽蝕，但發現鏽蝕時，該構件可能已經呈現厭重的破壞，故建 築物檢測時，鋼筋鏽蝕應為檢測重點之一。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： (1) 混凝土中性化。 (2) 鋼筋表面氯離子含量高。 (3) 鋼筋受到濕氣及氧氣之作用。 然而產生鋼筋鏽蝕會造成各個方面的損傷，如圖 2-5 所示，鋼筋鏽蝕 會對混凝土結構早成以下三個方面的影響： (1) 導致鋼筋保護層脹裂或脫落，混凝土截面面積減小。 (2) 鋼筋截面積減少，導致鋼筋的力學性能如：極限 強度、伸長率產生變化。 (3) 使鋼筋與混凝土之間的黏結性能下降。
第二章 文獻回顧 11 鋼筋鏽蝕 混凝土與鋼筋 黏結性能退化 鋼筋截面減小 力學性能退化 混凝土鏽脹 保護層剝落 混凝土結構剛度、延性和承載力等性能下降 圖 2-4 鋼筋鏽蝕對混凝土結構性能的影響
(資料來源：Andrade C,Alonso C,Molina F J. ，1993)
鋼筋鏽蝕亦會導致黏結強度的降低，如圖 2-5 所示，在鋼筋發生 鏽蝕後，鋼筋與混凝土之鏽蝕層會促使鋼筋與混凝土接觸面上之化學 膠著力產生變化；而鋼筋鏽脹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之機械咬合 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。
12 鋼筋鏽蝕 鋼筋與混凝土之間 產生鐵鏽層 保護層開裂 鋼筋橫肋鏽蝕 化學膠著力 變化 鋼筋與混凝土間 摩擦力的變化 混凝土對鋼筋約束作用降低 機械咬合力降低 黏結強度降低 圖 2-5 鋼筋鏽蝕引起黏結強度退化
(資料來源：Andrade C,Alonso C,Molina F J. ，1993) 3. 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： (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
第二章 文獻回顧 13 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 著時間的增長有所不同，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，以提供判斷是否為結構裂縫；紀錄裂縫 的寬度與長度時須和以前檢測紀錄比較，判斷是否為活裂縫，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。 4. 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。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。 5. 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。混凝土產生蜂窩會造成混凝土的強度降低，也會使空氣中的氧 氣、水氣與腐蝕因子容易進入混凝土中，發生混凝土中性化以及鋼筋 受到腐蝕，加速混凝土構件的劣化。 6. 混凝土保護層不足 鋼筋為容易腐蝕的材料，鋼筋的耐蝕能力，視混凝土保護層厚度 而定，混凝土保護層不足時，容易使鋼筋的鏽蝕、混凝土剝落，混凝 土保 護層不足之原因均因施工不當所造成。 7. 混凝土強度降低
14 混凝土結構隨著齡期的增長，其混凝土強度也會隨之下降。混凝 土強度劣化主要是受到環境因素影響，在一般大氣環境之下，混凝土 強度在相當長時間後，才會開始降低，在自由性濱海環境的混凝土強 度，齡期到達 30 年時其強度約降低 50%。 8. 結構變形過大 結構產生變形原因，主要是因為荷載作用下(包括振動與疲勞)梁、 版的過大變形以及不均勻沉降所引起的過大變形，使結構物產生劣化 現象。
第二節 國外耐久性能評估方法
壹 、 建 築 物 耐 久 性 能 調 查
若建築物處於鹽害環境或者本身含有較高之氯鹽量，將會降低其 結構物之耐久性，不僅造成鋼筋腐蝕，甚至影響建築物其耐震能力。 因此，透過耐久性調查可瞭解建築物之劣化狀況，並且依調查結果可 決定劣化建築物是否需要補修、補強以及其工法之選定。依文獻 AIJ(1997)建築物耐久性調查可分為三類，「概要調查」、「外觀目視調 查」及「詳細調查」，其調查內容如表 2-1 所示。調查目的如下述： 1. 概要調查： 記錄建築物相關資訊，如設計圖說、施工記錄、補修記錄以及使 用者口述建築物之狀況，其目的是為瞭解建築物固有之條件，可作為 後續診斷之依據。又好比人類進行健康檢查，醫生將患者的姓名、年 齡、住所、職業、出生年月日、教育環境、病歷及父母病歷等依據紀 錄，對於診斷、治療是有其必要性的。 2. 外觀目視調查： 透過外觀目視調查可判定建築物其劣化原因及劣化程度。一般從第二章 文獻回顧 15 建築物外觀症狀可大概評估其劣化狀況，作為補修、補強之依據。 3. 詳細調查： 通常經由概要調查以及外觀目視調查之結果即可判定建築物之 劣化狀況，若資訊不夠充分而無法判定時，則需進行詳細調查。一般 而言，經由外觀目視劣化較嚴重之構件其腐蝕量也較大，但亦有可能 外觀看似健全但內部嚴重腐蝕，因此若需要確定劣化狀況需要更詳細 的調查方式，如除去混凝土保護層、鋼筋腐蝕電位量測等。 表 2-1 建築物耐久性能調查內容 調查種類 調查內容 概要調查 1. 建築物的名稱和所在地。 2. 建築物的設計者及施工者。 3. 完工時間。 4. 建築物之用途、規模、構造形式。 5. 建築物所在環境與氣候條件。 6. 建築物使用材料。 7. 外裝材料之有無以及種類(如外裝石材、油漆塗料、磁 磚等)。 8. 補修、補強履歷。 9. 建築物於使用上之損壞與交易。 10. 其他。 外觀目視調查 1. 建築物外觀狀況 (1). 外裝材損傷狀況 (2). 混凝土保護層裂縫、剝離及剝落。 (3). 鋼筋腐蝕程度(可目視鋼筋之情況下進行調查) 。 (4). 建築物構件發生腐蝕之位置。 (5). 其他。 2. 建築物使用機能
16 (1). 漏水。 (2). 變形。 (3). 異常感覺(振動、撓曲) 。 (4). 其他。 詳細調查 1. 利用儀器掃描鋼筋號數、配筋狀況。 2. 鋼筋腐蝕電位量測。 3. 除去混凝土保護層觀測鋼筋腐蝕狀況。 4. 進行混凝土鑽心試驗，判定混凝土中性化深度、氯離 子含量以及混凝土抗壓強度。 (資料來源：涂豐鈞等，2012) 由劣化的症狀，推定出劣化現象，進而推測出導致劣化的因素， 其關係如圖 2-1 所示。 圖 2-6 劣化症狀、劣化現象、劣化因素的關係 (資料來源：建築物耐久性向上技術普及委員會， 2007) 由建築物耐久性向上技術普及委員會頒布之鋼筋混凝土建築物 耐久性技術指針中，為了進一步了解既有建築物現況，以確定是否需 要進行各種症狀調查，其診斷方法共分為三次診斷，第一次診斷為目 視的概要診斷與劣化症狀的調查，由劣化程度的結果作為評定是否進 行第二次的診斷調查，或進入維持管理指針的依據。第二次診斷和第 三次診斷主要是依照指定的劣化現象調查，且進行劣化現象的原因推 定，進而作為補修工法或是維護管理指針的必要性判斷。 劣化症狀 劣化現象 病狀 病名 病因 劣化因素
第二章 文獻回顧 17 建築物概要調查 劣化症狀調查 是否高次 診斷 Y 維持管理指針 N 劣化現象選別，進行第二次診斷調查 調查(第二次診斷) (指定的劣化現象調查) 原因推定 是否補修 判定 Y N 維持管理指針 補修工法選定 不明，待確認 調查(第三次診斷) (指定的劣化現象調查) 是否補修 判定 Y N 維持管理指針 補修工法選定 原因推定 圖 2-7 劣化診斷的整個流程 (資料來源 文獻【20】)
貳 、 鋼 筋 混 凝 土 建 築 物 耐 久 設 計 法
由日本建築學會所頒布之建築物材料耐久設計方法與解說中，於 建築物的設計規劃中，將耐久性能納入考量，有助於建築物延長壽命 並符合設定之使用年限。於建築物設計規劃階段，由所有者(管理者)、 設計者、施工者至使用者角度考量耐久性能要求，並橫跨全生命週期 包含規劃、設計、契約、使用、保全等均為耐久設計之重要一環。該 文獻建議由建築物設計使用年限、耐久性劣化相關因素與條件、施工 監理與施工計畫、維護管理、劣化條件下之耐用年限預測方法等各方18 面著手耐久設計。 規劃、設計 初期設計 實施設計 建築物的用途；建 設地、敷地、環 境、規模、構造種 類 建築物目標耐用年 限 建築物的要求性能 預算 概算 累算 設計耐用年限設定 設計耐用年限的推 定、設計耐用年限 預測方法、試驗結 果、保全計畫 設計圖 規範 (說明書) 施工規劃 維護管理 目標<設計 耐用年限 陳舊? NO YES YES NO 建築物主要構件的 目標使用年限 建築物主要構件的 性能等級，維護計 畫 圖 2-8 建築物耐久性設計過程示意圖 (資料來源：日本建築學會，2003) 日本建築學會於 2004 年發行之鋼筋混凝土建築物耐久性設計施 工指針中，已針對劣化耐久設計部分加以說明，假設建築物因環境條 件影響包括：中性化、鹽害、氯離子或其他因素致使產生鋼筋鏽蝕、 凍害、鹼骨材反應、混凝土剝落、表面劣化或抗壓強度下降等劣化現 象發生，故於耐久性能設計中考慮各劣化外力影響，大致分為以下四 種劣化影響因素：
第二章 文獻回顧 19 1. 針對設計劣化外力中性化的影響 2. 針對設計劣化外力鹽害的影響 3. 針對設計劣化外力凍害的影響 4. 針對設計劣化外力鹼骨材的影響 開始 建築物的用途與規模 建築物的環境條件 設計目標的設定 劣化外力的選定 設計劣化外力 容許劣化狀態 設計耐用年限 主要對建築物耐久性能要求的明確性 耐久設計的要求 混凝土品質要求 施工規範的要求 管理品質的要求 維護管理的要求 耐久設計法的選定 材料的選定 施工規範的選定 品質管理方法的選定 維護管理方法的選定 耐久性 評估 結束 圖 2-9 建築物耐久性設計過程示意圖 (資料來源：日本建築學會，2004) 日本土木學會混凝土標準示方書設計篇中關於一般環境下且其 使用年限為 100 年之結構物耐久設計(第 2 章)，主要建議混凝土水灰 比及保護層厚度，設計者若依其建議值設計，可不須進行性能核檢。
20 然而，若對於具塩害、中性化、凍害或化學侵蝕等劣化可能之結構物， 則提供耐久性簡易設計法(第 3 章)以符合示方書中所規定之性能檢核。 以塩害為例，設計者須依環境條件(混凝土表面氯塩量)及性能檢核基 準(鋼筋腐蝕之臨界氯塩量；第 8 章)，以決定混凝土保護層厚度與氯 離子擴散係數之組合；並於設定之保護層厚度下，依容許之裂縫寬度 及氯離子擴散係數以決定所須之混凝土水灰比。以中性化而言，設計 者須依環境條件及性能檢核基準(第 8 章)，以決定混凝土保護層厚度 及其水灰比。日本土木學會混凝土標準示方書設計篇主要之耐久性能 檢核方法，除環境條件或作用之設定參數外，分為鋼筋腐蝕檢核及混 凝土劣化檢核二大項目。混凝土劣化之原因以凍害及化學侵蝕為主； 鋼筋腐蝕檢核又細分為： 1. 混凝土表面裂縫是否符合最小值規定； 2. 鋼筋表面氯離子濃度於使用期間內是否小於腐蝕發生之臨界 值； 3. 中性化深度於使用期間內是否未達腐蝕發生之臨界深度。 日本於 2000 年開始推動「住宅品質確保制度」，而其國土交通省 則適時建立相關住宅性能評估基準與表示方法，主要包含 10 個領域 (結構安全、火災安全、劣化減輕、維護管理與更新等)及 34 個項目。 結構安全中共規定七個項目，除地震荷重外風力及積雪也考慮在內， 以耐震等級－結構崩塌防止為例，共分為三個等級如下所示： 等級 1：於日本建築基準法所定之稀有地震(約數百年 1 次)作用 下，建築物不能倒壞或崩塌。 等級 2：於日本建築基準法所定之稀有地震(約數百年 1 次)之
第二章 文獻回顧 21 1.25 倍作用下，建築物不能倒壞或崩塌。 等級 3：於日本建築基準法所定之稀有地震(約數百年 1 次)之 1.50 倍作用下，建築物不能倒壞或崩塌。 劣化減輕對策中僅規定一項目，依劣化對策等級共分為： 等級 1：依日本建築基準法所規定之相關事項進行設計(使用年限 約 25-30 年)。 等級 2：於設定之自然環境與維護管理條件下，符合 2 世代建築 標準(使用年限約 50-60 年)。 等級 3：於設定之自然環境與維護管理條件下，符合 3 世代建築 標準(使用年限約 75-90 年)。 除劣化對策等級 1 外，為使建築符合 2 世代或 3 世代建築標準， 可依日本國土交通省建議之基準，依 a. 水泥種類；b. 混凝土水灰比； c. 構件設計與配筋；d. 混凝土品質；e. 施工計畫；f. 其它結構構件 等項目進行設計。台灣之內政部建築研究所雖有推動「新建住宅性能 評估制度」，但對耐久或劣化相關規定或建議，則鮮少著墨；換言之， 台灣對於建築之耐用壽命部份並無清楚定義。 日本建築學會出版之「建築工事標準仕樣書·同解說 JASS 5 鋼 筋混凝土工事」(2009)中亦有提及一般劣化環境下(中性化為主)之混 凝土耐久設計基準強度，如下表所示，並配合混凝土保護層、混凝土 內含氯鹽量容許值(0.3 kg/m3 )及表面裂縫容許值(0.2 mm)等規定，以 確保其耐久性能。若建築物承受特殊劣化作用，如鹽害或凍融作用等， 則除上述各項依所處環境條件另有規定外，亦可考慮設置表面被覆材 料以增進其耐久性能。
22 表 2-2 日本建築學會 JASS 5 之耐久設計基準強度規定 計畫供用期間等級 計畫供用期間(年) 耐久設計基準強度(N/mm2 ) 短期供用等級 30 18 標準供用等級 65 24 長期供用等級 100 30 超長期供用等級 200 36 *若為超長期供用等級時，當混凝土保護層增加 10 mm 時，耐久設計 基準強度可設定為 30 N/mm2
第二章 文獻回顧 23
第三節國內耐久性能評估方法
壹、橋梁 D.E.R.&U.目視檢測評估
D.E.R.&U.檢測系統，是分別對混凝土結構之構件劣化程度(D)、 劣化範圍(E)、與劣化情形對該構件的影響度，或是對整體混凝土結 構安全及使用性的影響度(R)，三大方面來做評估並給予評等，劣化 範圍(E)可由目視直接來評等，但劣化現象的種類繁多，且各種劣化 程度也各不同，所以需要簡易的劣化現象與劣化程度對應表，以便現 場檢測時參考。 目視檢測之準則影響未來維修工法與構件選定之決策。構件劣化 之評估等級不宜過多或過少。過於過於簡略之檢測評估準則，無法提 供足夠的資料給予管理單位進行維修決策；使用過多列化評估等級， 雖有利於構件劣化現象之表達，但太過複雜之檢測評估準則，卻會增 加現場檢測人員之負擔與困擾。所以選擇適合的方法不但對整個建築 物檢測工作時程、成本有相當的影響，對於整體結構物的耐久性能評 估與建議的分析方法建立亦是以此為輸入與回饋的重要參考資料。 目前國內主要採用之檢測準則為 D.E.R.&U.檢測系統以及 A.B.C.D.準則等，此兩種評等法之檢查項目大同小異，只是在檢查項 目之群組分類稍有差異，當中以 D.E.R.&U.評等法檢測項目較為詳細 齊全，但對於劣化與損傷等級之程度判定(相對於 D 值)，A.B.C.D.評 等法比 D.E.R.&U.評等法有較明確的規定與說明。其中，D.E.R.&U. 檢測準則為昭淩工程顧問公司為國道高速公路局開發橋梁管理時制 定之目視檢測評估準則。A.B.C.D.檢測準則則為中華工程顧問公司為 台灣省住都處所編定的「混凝土、鋼橋一般檢查手冊」中所制定之目 視檢測準則。雖然這兩種檢測準則各有其優劣，但是於「臺灣地區橋24 梁管理系統」開始，全國使用之目視檢測標準則以 D.E.R.&U.檢測準 則為主要目視檢測標準。 D.E.R.&U.評等法強調的是大規模、快速、且有效率的進行初步 的檢測與評估，故檢測紀錄方式需甚為精簡，其 D.E.R.&U.之記錄方 式即相當符合此精神。D.E.R.&U.評等法已針對混凝土的剝落、蜂窩、 撓曲裂縫、剪力裂縫、保護層厚度不足、混凝土表面劣化等十五項劣 化現象的劣化程度(D 值)、混凝土的劣化程度(D 值)由輕微到嚴重逐 條列表說明，以提供檢測時判斷之參考，雖然 D.E.R.&U.評等法對劣 化程度(D 值)判斷等級的「原則性」定義不構明確，但主要仍以劣化 程度判斷之「等級定義」做為檢測判斷之標準，若能夠經由訓練來充 分瞭解劣化程度判斷等級之定義與準則或能更加明確來說明與解釋， D.E.R.&U.評等法將會更加理想。 D.E.R.&U.檢測準則中分別為，「劣化程度」(Degree)、「劣化範圍」 ( Extend)、「對橋梁結構安全性與使用性之影響 (Relevancy)、「急迫性」 (Urgency)四個項目，前三個項目為檢測評估項目，最後之「急迫性」 則為評估是否需緊急維修處理之項目如表 2-3 所示。而檢測評分等級 則分為四等，評估值為 1~4，若評估值為 0，則代表特殊情形造成無 法檢測與判定。 而 A.B.C.D.評等法之判定標準則分為 A~D 四個等級，若無此項 目或無法判斷結構物損傷狀況時，則評估值為 N，上述以外之場合則 記錄為 OK，其評等準則如表 2-4 所示。 採用以 D.E.R.&U.檢測準則使用上有以下優點： 1. 可簡化檢測工作：僅需針對有劣化現象之構件進行評估，並 可凸顯建築物損壞之重點。
第二章 文獻回顧 25 2. 簡化電腦資料之輸入：僅針對有劣化之構件進行評估與記錄， 可節省記錄不必要的資料。此外，記錄檢測之資料均為評分分數，對 電腦的量化分析與處理有極佳的相容性。 3. 可針對維修建築物之急迫性提出維修之時程，使維修時程有 具體的概念，並方便建築物維修作業之規畫。 4. 強調缺陷對建築物整體重要性之影響：不僅只針對劣化嚴重 程度與劣化範圍進行評估，亦可對缺陷的建築物整體重要性之影響進 行評估，其中包括對建築物安全性輿交通性之影響。 目前台灣公路總局主要是採用 D.E.R.&U.方法，此評估法乃根據 交通部國道高速公路局所開發之橋梁管理系統基礎，委託 CSIR 公司 與昭淩顧問工程股份有限公司制定之目視評估準則。檢測人員於定期 檢測時參照橋梁檢測表格，表列各構件之劣化情形，分別依劣化程度 (D)、劣化範圍(E）、劣化情形或現象對橋梁結構安全性與服務性之影 響度(R）等三項予以評定後；再評估該劣化構件需維修之急迫性(U）。 為評估劣化情形，D.E.R.U 以 1 至 4 之四個等級予以具體評估劣 化程度，但若「無此項目」或「無法檢測」或「無法判定」時，則以 0 予以記錄，如表 2-4。並由橋梁檢測人員於檢測現場予以評等。橋 梁檢測員得參考相關檢測手冊並接受適當之橋梁檢測培訓，以期了解 D.E.R.U 檢測評估方法及評定準則。
26 表 2-3 橋梁構造物檢測評定標準 分數 項目 0 1 2 3 4 D 無此項目 良好 尚可 差 嚴重損壞 E 無法檢測 <10 10~30% 30~60 >60% R 無法判定重要性 微 小 中 大 U 無法判定急迫性 例行維護 3年內 1年內 緊急處理維護 (資料來源：公路養護手冊，2003) 表 2-4 A.B.C.D.評定法對結構損傷等級之判定標準 判定等級 狀 況 A 損傷輕微，需要做重點檢查。 B 有損傷，但需要進行監視，且必要時視狀況加以補強。 C 有明顯的損傷，且變形持續進行，功能可能降低，必須加以補修。 D 損傷顯著，有重大變形及結構物功能降低，必須採取緊急補修。 N 無此項目或無法判斷結構物之損傷狀況。 OK 上述以外之場合。 (資料來源：公路養護手冊，2003)
第二章 文獻回顧 27
貳、建築物耐久性評估指標與殘餘壽命預測方法之研究
建築物耐久性評估指標與殘餘壽命預測方法之研究主要係針對 鋼筋混凝土結構材料耐久性進行評估，RC 建築物結構耐久性評估是 以組成結構的構件之耐久性作為評估值，綜合考慮各構件之影響係數 或外在環境條件等，來評估既有 RC 建築物之耐久性等級，檢測時應 結合環境條件與結構自身特性，針對影響耐久性的主要影響因素，進 行重點檢測，必要時可以適當的增加權重值，而影響鋼筋混凝土的耐 久性因子甚多，該研究計劃大致上分為環境因子、施工因子、設計因 子、材料因子、維護營運因子等五類，此研究即為採用層級分析法作 為決定因子間的相對權重時，因為層級分析法是假設各層因子問為獨 立關係，之間並無關聯，最後整體的評估乃是由各因子評定分數乘上 相對權重再加總起來。 材料耐久性評估項目 腐蝕現況 混凝土 現況 腐 蝕 電 位 中 性 化 深 度 腐 蝕 電 流 電 阻 係 數 表 面 損 傷 氯 離 子 抗 壓 強 度 鋼 筋 保 護 層 厚 度 圖 2-10 材料耐久性評估項目示意圖 (資料來源：交通部，2003)28 在決定各項配置的權重上，一般來說可以採用層級分析法或是網 絡分析法來決定，層級分析法基本上每一層的各因子間是互相獨立的， 也就是說它們不會互相影響或是影響可以忽略；網絡分析法則可以容 許因子間互相影響，甚至自我影響。理論上來說，網絡分析法比層級 分析法更具合理性，不過以實際的應用層面來說，卻存在以下的弊端: 其一為結果對各因子間的相互影響係數非常敏感，因此如果問卷設計 上無法得到準確評斷，則經過累乘加總之後，其收斂值將會差異甚大; 換言之，在問卷設計上須要分級精確；其二網絡分析法雖然理論上可 以讓因子間存在互相影響的關係，不過若是因子間的影響關係不明確 時(如氯離子與碳化深度之關係)，則即使在問卷設計上分級詳盡，但 是若因為資訊不足造成專家無法確定其影響為何，在決定材料因子的 權重上採用層級分析法。 表 2-5 推薦建築物所處環境條件影響的分級評定標準 環境類別 環境條件 環境影響係數 I 可忽略 非常冷或寒冷地區的大氣環 境，水或土壤無侵蝕性；乾 燥環境；風環境 內陸乾旱地區 1.0 II 輕微 嚴寒地區的大氣環境潮濕 不直接受日曬、雨淋或風 蝕的構件；水下構件 1.05 III 中度 內陸潮濕氣候：乾溼交替 一般的環境受日曬、雨淋 與風蝕的構件；靠近地表 受地下水影響的構件 1.10 IV 嚴重 酸雨或沿海環境；接觸除冰 鹽構件 沿海煙霧地區：酸雨或鹽 鹼環境 1.15 V 惡劣 乾溼交替，有侵蝕性水、氣 體或土壤；高度水飽和並受 凍融循環 海水浪濺、潮差區 1.20 (資料來源：葉為忠等，2012)
第二章 文獻回顧 29 結構的使用壽命或耐久年限的定義為建築結構在正常使用和正 常維護絛件下，仍然具有其預定使用功能的時間。由於混凝土結構的 性能退化過程是一個極其複雜的演化過程，不僅取決於結構本身，而 且與結構所處環境有非常密切的關係，故在有些情況下，鋼筋銹蝕並 不十分嚴重，但發了構件破壞現象；而有時鋼筋銹蝕已出現明顯的斷 面損失，卻未發生破壞，構件還在正常使用。因此，並不存在一個規 定不變的耐久性評估準則，為了能綜合考慮結構的經濟效益與社會效 益、採用齡期因子來判定分類。 表 2-6 建築物齡期因子的評定標準 評定標準值 K 齡期影響係數 1 1≦K 1.0 2 0.75≦K<1 1.05 3 0.5≦K<0.75 1.10 4 0.25≦K<0.5 1.15 5 K≦0.25 1.20 備註 K=T1/T2 T1=設計年限；T2=檢測時年限 (資料來源：葉為忠等，2012) 在文獻中，提出先以單一構件作出耐久性評定，然後再總合計算 整體性耐久性評定的概念。混凝土構件材質狀況檢測指標與耐久性指 標推薦權重值如表所示：
30 表 2-7 混凝土構件材質狀況檢測指標與耐久性指標推薦權重值 項目 耐久性指標 Local 權重值 Global 權重值 鋼筋腐蝕狀況 - 0.727 0.727 腐蝕電位 1 0.210 0.153 中性化深度 2 0.182 0.133 氯離子 3 0.315 0.229 腐蝕電流 4 0.293 0.213 混凝土現況 - 0.273 0.273 電阻係數 5 0.068 0.019 抗壓強度 6 0.145 0.040 混凝土表面 損傷 裂縫 7 0.175 0.48 開裂、剝落 8 0.265 0.72 蜂窩、表面沉積 9 0.178 0.48 混凝土保護層厚度 10 0.169 0.046 (資料來源：葉為忠等，2012) 表 2-8 混凝土單一構件之耐久性評估標準 D total 範圍 1≦D total<2 2≦D total<3 3≦D total<4 4≦D total<5 D total≧5 單一構件 耐久等級 1 2 3 4 5 耐久性狀況 完好 較好 一般 較差 很差 (資料來源：葉為忠等，2012) 有了單一構件之耐久性評定，則可以針對建築物整體結構耐久性 作整體評定如下所示： 表 2-9 混凝土建築物各構(部)件權重值 構(部)件 名稱 推薦權重 1 梁 0.4 2 柱 0.4 3 牆 0.1 4 板 0.1 備註 當評定標度值為“1”時，表示好的狀態，或表示沒有設置的構造部件， 不再進行疊加。 (資料來源：葉為忠等，2012)
第二章 文獻回顧 31 但是實作上可依據建築物所處環境、設計時之考量等之不同，故 由專家進行評定再給與權重。同樣地在整體建築物耐久性評定上，也 針對建築物整體耐久性評定分級。 表 2-10 混凝土建築物各構(部)件權重值
D total 範圍 1≤ D total ≤2 2≤ D total ≤3 3≤ D total ≤4 4≤ D total ≤5 D total >5 結構耐久等 級評定標度 1 2 3 4 5 耐久性狀況 完好 較好 一般 較差 很差 建議處理 方式 正常使用 正常使用 持續維護或修 復 補強 拆除 (資料來源：葉為忠等，2012)
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第三章
鋼筋混凝土建築物耐久性能損壞案例圖集
鋼筋混凝土建築物之構件或單元因耐久性能問題而產生損壞，且 損壞現象已甚明顯，並損及建築物本身之機能性、安全性與服務性， 則需進行結構修復，而此損壞現象或形式為本章節探討之重點。探討 國內鋼筋混凝土建築物耐久性能損壞之形式，除了可對建築物其劣化 原因進一步瞭解外，亦有助於評估其劣化的狀況，以作為建築物往後 補修或補強之依據。 本研究收集鋼筋混凝土校舍建築之耐久性能損壞相關照片，而將 常見之損壞案例依下列項目分類探討之，即：(1)主要構件損壞案例(2) 次要構件損壞案例(3)使用性能損壞案例。由於構件損壞形式與其結 構特性或使用材料有密切之關係，因此在進行建築物損壞形式之探討 時，將以建築物結構組成分類為主，即根據所定義之建築物構件與單 元，進行損壞形式分類，探討如下。鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 33
第一節 主要構件損壞案例
壹、柱構件耐久性能損壞形式
柱構件為建築物主要結構構件之一，因耐久性能而產生常見之裂 縫形式如下圖所示，此案例圖集本研究實際探勘之資料彙整。 表 3-1 柱構件耐久性能損壞形式 鋼筋腐蝕造成之裂縫；柱頂和柱 底因鋼筋較集中、混凝土保護層 厚度不夠，而產生裂縫、剝落。 鋼筋腐蝕造成之裂縫；混凝土中 含有過量之氯離子，而於沿著主 筋方向產生裂縫。34 鋼筋腐蝕造成裂縫；混凝土中含 有過量氯離子，而於沿著主筋產 生裂縫。 鋼筋腐蝕造成裂縫；混凝土中含 有過量氯離子，而於沿著主筋產 生裂縫。 混凝土乾燥收縮產生裂縫；柱角 水平方向裂縫。
鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 35 面磚底部承壓而受損，柱底裂縫 往上延伸。
貳、梁構件耐久性能損壞形式
梁構件為建築物主要結構構件之一，因耐久性能而產生常見之裂 縫形式如下圖所示，此案例圖集為校舍實際探勘之資料彙整。 表 3-2 梁構件耐久性能損壞形式 鋼筋腐蝕造成裂縫；原因為混凝 土保護層厚度不夠，沿著箍筋方 向產生混凝土裂縫、剝落。36 鋼筋腐蝕造成裂縫；混凝土中含 有過量氯離子，而於沿著主筋方 向產生裂縫。 剪力裂縫；梁端斜向裂縫，大多 屬外力所造成。
參、版構件耐久性能損壞形式
版構件為建築物主要結構構件之一，因耐久性能而造成之裂縫或 混凝土剝落形式如下圖所示，此案例圖集為校舍實際探勘之資料彙 整。鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 37 表 3-3 版構件耐久性能損壞形式 鋼筋腐蝕產生混凝土剝落；於版 下層之混凝土保護層厚度不足 且含過量氯離子，而於下層鋼筋 附近產生混凝土大量剝落。 鋼筋腐蝕產生裂縫；版下層之混 凝土保護層厚度不足且含過量 氯離子而使鋼筋產生銹蝕，沿著 下層鋼筋產生裂縫。 版角隅滲水問題嚴重，而造成鋼 筋銹蝕。
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肆、RC 牆構件耐久性能損壞形式
RC 牆構件為建築物主要結構構件之一，因耐久性能造成的之裂 縫形式如下圖所示： 表 3-4 RC 牆構件耐久性能損壞形式 鋼筋腐蝕造成裂縫；氣窗下方滲水嚴 重而使鋼筋產生銹蝕，，且混凝土保 護層厚度較不足之地方，常伴隨著混 凝土產生剝落、鋼筋裸露等狀況。第二節 次要構件損壞案例
次要構件為建築物輔助結構，組成包含如下：樓梯、女兒牆、陽 台、邊梁等。樓梯為建築物不同樓層間垂直動線交通的構造物；女兒 牆為建築物屋頂外圍之矮牆，主要作用為防止墜落之欄杆，以維護安 全。 表 3-5 次要構件耐久性能損壞形式 伸縮縫之鄰近牆體混凝土受 損。鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 39 女兒牆角隅產生縱向裂縫。 外柱面磚明顯有剝落現象。 門窗邊之牆面磁磚剝落。 門窗邊梁面磁磚嚴重剝落。
40 樓梯產生裂縫。
第三節 使用性能損壞案例
除了建築物構件、裝修材料外觀劣化狀況外，使用性能、室內環 境美觀也為相當重要指標，為了避免一些使用性問題無法於前文提及 之調查中反映，因此在其他使用性能的部分，將使用者平常於日常生 活中所發現的問題列為評估項目，其中包含室內滲漏水、油漆剝落、 混凝土的白華現象及使用者異常體感(振動或變形)等。 表 3-6 使用性能耐久性能損壞形式 鄰近外側之梁、樓板滲水裂損 嚴重。鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 41 滲水白華。 因頂樓防水層未完善，造成樓 板漏水嚴重、潮濕、發霉。 因頂樓層滲水問題，造成內部 裝修材之油漆剝落。 天花板滲水白華。
42 樓梯角隅積水。 因滲漏水問題而使天花板油 漆剝落。 輕鋼架因滲水而造成嚴重變 形受損。
鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 43 伸縮縫受損而變形。 外牆流水汙漬。 教室外側排水不良而造成地 坪積水。
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第四章
鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬
第一節 耐久性能診斷流程說明
鋼筋混凝土建築物因明顯看出劣化症狀，或想掌握建築物完工後 經過數年其軀體之劣化狀況，而進行耐久性能調查及診斷。本研究建 議之耐久性能調查及診斷，不僅包含建築物基本資料、構件劣化狀況、 環境影響及使用性能等外，另外亦採用相關檢驗或試驗以了解鋼筋與 混凝土現況，配合環境與使用年限設定可用於研擬各種修補或補修之 方案，如圖 4-1 說明。 1. 本研究所提之耐久性能診斷方法中，建築物概要調查為第一 步，須透過與建築物使用者訪談及現地探勘、調查，以初步 了解該建築物之相關基本資料，而後進行耐久性能初步診斷。 一般而言，建築物概要調查及耐久性能初步診斷為必要實施 項目，而詳細診斷則須根據初步診斷結果而判定有無實施之 必要性。各項目內容概述如下：建築物概要調查內要包含設 計圖書、施工紀錄、檢查或補修工事紀錄等資料，並透過與 建築物使用者之訪談以獲得建築物相關資訊；換言之，其目 的為調查建築物固有條件而實行之調查。 2. 耐久性能初步診斷是依本研究所建議之項目進行調查，且以 目視為主，主要了解構件是否有劣化症狀及其程度外，並調 查建築物所在環境之劣化潛勢及使用性能狀況。 3. 耐久性能詳細診斷是根據特定之劣化現象進行現地調查並採 取試體樣本進行相關材料檢驗或試驗，其目的主要了解劣化 原因與程度，並判定是否進行補修及合適之補修工法選定。鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬 45 本研究提供之耐久性能診斷方法及流程僅適用於自然狀態下鋼 筋混凝土材料或因本身材料不良，而引發之老劣化現象；若因外力、 地震力或施工不良等造成之建築物損壞，則不適用於本研究提供之方 法，而地震所引致之損傷則可參考國家地震中心建議之初步耐震能力 診斷方法(附錄一)，以進行耐震能力評估。 建築物選定 建築物現地與資料蒐集 建物之資料 圖書記錄 建物之履歷 建物之環境 建物之材料性質 「建築物概要調查」 建物概要調查是以建築物為對象，調 查其固有的條件，為了得到劣化原因 以及判定劣化外力等資料為目的。 建築物目視調查 構件劣化 內、外表外被覆材料 建物老化程度/環境條件 其他使用性能(使用條件) 「初步診斷」 為調查建築物劣化症狀的有無以及劣 化形式之調查，其目的為掌握建築物 之劣化程度。 調查記錄、整理 劣化程度判定 調查人員根據初步診斷之結果依業界 經驗或根據劣化原因判定圖例，判定 劣化原因及劣化程度。 建築物之詳細診斷 鋼筋腐蝕現況 混凝土現況 是否進行詳細診斷 耐震能力評估 耐久性能良好 定期維護、檢查 否 是 「詳細診斷」 鋼筋腐蝕現況調查採取核心的試片進行 診斷，以及非破壞性試驗等，分析判定 其劣化要素或劣化原因、掌握劣化狀 況。 建築物耐久性能確有疑慮，為了更確切 的了解劣化情形，須進行詳細診斷。 補修工法之建議 調查前之準備 項目 圖 4- 1 本研究建議之耐久性能診斷流程(本研究整理)
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第二節 建築物概要調查
建築物概要調查如同人生病時之基本資料填寫，醫生藉由患者所 填寫之基本資料，包含姓名、年齡、住所、職業、出生年月日、教育 程度、病歷或父母病歷等，以獲取相關資訊，並可採用問診方式以了 解患者可能之生病原因或協助醫生選擇合適之診斷與治療方法。建築 物概要調查乃基於此種概念，為調查建築物固有資料而實施，以做為 日後診斷或補修工法選擇之資料。 建築物概要調查表(詳見附錄二)之主要項目如下所述： 1. 完工年代－建築物使用時間相當於其建造完工年代至該調查 時間年份之差，使用時間越久遠，建築物之耐久性能應會越 差。 2. 使用類別－為調查該建築物使用用途及是否沿用原設計用 途。 3. 平面尺寸－建築物單一使用樓層之平面面積，約為長向×短向 之尺度。 4. 地盤種類－若地盤不夠堅硬，而容易造成地層下陷，而其引 致之房屋傾斜現象，亦會造成使用性不佳問題。 5. 構造種類－建築物構造方式眾多，如鋼筋混凝土造、鋼構、 木構造、磚造等，而本研究所提出之耐久性能評估方法僅適 用於鋼筋混凝土造建築物。 6. 内外裝修材料－主要為調查建築物外部及內部之主要裝潢材 料，裝潢材料種類及裝修程度均會影響其耐久性能。 7. 補修或補強紀錄－建築物過去是否有進行過補修或補強，若 曾進行相關工程，則須詳細紀錄補修或補強時間、位置及工 法等。鋼筋混凝土建築物耐久性能診斷方法研擬
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8. 結構平面圖－結構平面圖可用於了解建築物之結構構件配置、 主要與次要構件位置等，以協助擬定調查範圍與順序。
