以加速鹽霧試驗探討氯離子對混凝土耐久性影響之研究
研究主持人：何明錦
所長
協同主持人：楊仲家 教授
研 究 員：卓世偉、林志彥
研 究 助 理 ：江慶堂、翁詩涵
內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告
中華民國 101 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）目次 I
目次
目次... I 表次... III 圖次... V 摘要... IX 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究緣起與背景 ... 1 第二節 研究目的 ... 2 第三節 本研究計畫之重要性 ... 3 第四節 國內外有關本計畫之研究情況 ... 5 第五節 報告內容說明 ... 6 第二章 文獻回顧 ... 9 第一節 氯離子對鋼筋混凝土主要的危害 ... 9 第二節 氯離子於混凝土中傳輸途徑與機制 ... 12 第三節 現行相關氯離子對混凝土耐久性評估試驗方式 ... 13 第四節 鹽霧試驗 ... 16 第三章 大氣氯鹽量測方法與相關文獻 ... 19 第一節 大氣氯鹽量測方法 ... 19 第二節 國外大氣氯鹽沉積量測文獻 ... 22 第三節 國內大氣氯鹽沉積量測文獻 ... 25 第四章 試驗計畫 ... 29 第一節 試驗變數設計 ... 29 第二節 混凝土組成材料 ... 32 第三節 混凝土配比設計 ... 35 第四節 試驗規劃 ... 36 第五節 試驗方法 ... 38 第五章 研究成果 ... 45第一節 混凝土配比強度性質 ... 45 第二節 自然曝曬混凝土配比氯離子貯鹽試驗結果 ... 47 第三節 混凝土長期曝曬氯離子試驗結果 ... 51 第四節 混凝土長期曝曬試驗與貯鹽試驗結果關聯性建立 ... 59 第五節 OPC 混凝土配比鹽霧試驗結果 ... 64 第六節 OPC 混凝土配比貯鹽試驗結果 ... 71 第七節 貯鹽試驗與鹽霧試驗結果關聯性建立 ... 74 第八節 長期自然曝曬混凝土試體循環鹽霧試驗結果驗證 ... 81 第六章 結論與建議 ... 85 第一節 結論 ... 85 第二節 建議 ... 86 附錄一 期初審查會議審查回應一覽表 ... 89 附錄二 期中報告審查回應一覽表 ... 91 附錄三 期末報告審查回應一覽表 ... 95 參考書目... 99
表次 III
表次
表 1-1 執行工作內容與期末報告對照表 ... 7 表 3-1 苗栗以北至基隆各地區氯鹽沉積量與離海岸線距離之迴歸式3 ... 27 表 4-1 過去研究已有長期曝曬混凝土配比資料3（單位：kg/m3） ... 30 表 4-2 試驗變數設計表 ... 31 表 4-3 拌合水試驗結果(ppm) ... 32 表 4-3 水泥之物理性質 ... 32 表 4-5 水泥化學性質 ... 33 表 4-6 篩分析試驗結果 ... 33 表 4-7 細骨材之篩分析試驗結果 ... 34 表 4-8 本計畫製作之水灰比 0.35 至 0.65 混凝土配比（單位：kg/m3） ... 35 表 4-9 鹽水噴霧裝置之運轉設定 ... 39 表 5-1 自然曝曬混凝土試體各時期材齡抗壓強度試驗結果平均值（kgf/cm2） ... 46 表 5-2 OPC35 至 OPC65 配比 28 天材齡抗壓強度試驗結果平均值（kgf/cm2） ... 47 表 5-3 自然曝曬混凝土配比貯鹽試驗結果 ... 48 表 5-4 I245 配比各曝曬期氯離子濃度量測結果 ... 51 表 5-5 I350 配比各曝曬期氯離子濃度量測結果 ... 53 表 5-6 II350 配比各曝曬期氯離子濃度量測結果 ... 55 表 5-7 SCC 配比各曝曬期氯離子濃度量測結果 ... 57 表 5-8 各曝曬期混凝土氯離子侵入總量值（mexpsoure） ... 59 表 5-9 各配比混凝土貯鹽試驗氯離子侵入總量所對應之曝曬期 ... 64 表 5-10 OPC 各配比混凝土傳統鹽霧劣化試驗氯離子總量 m 計算值（%.cm） ... 69 表 5-11 OPC 各配比混凝土循環鹽霧劣化氯離子總量 m 計算值（%.cm） .... 69 表 5-12 OPC 配比混凝土配比貯鹽試驗結果 ... 71 表 5-13 OPC 配比貯鹽試驗氯離子侵入總量所對應之傳統鹽霧試驗劣化期 .... 79 表 5-14 OPC 配比貯鹽試驗氯離子侵入總量所對應之循環鹽霧試驗劣化期 .... 81圖次 V
圖次
圖 1-1 研究流程圖 ... 4 圖 2-1 造成鋼筋腐蝕的混凝土氯離子濃度門檻文獻整理圖 ... 11 圖 2-2 造成鋼筋腐蝕的混凝土 Cl -/OH-門檻文獻整理圖 ... 11 圖 2-3 透水試驗水侵入深度結果與抗壓強度文獻整理圖25 ... 15 圖 2-4 RCPT 試驗總通過電量結果與抗壓強度文獻整理圖25 ... 15 圖 2-5 貯鹽試驗擴散係數結果與抗壓強度文獻整理圖25 ... 16 圖 3-1 ISO 9225 濕燭法示意圖與其實品照片 ... 20 圖 3-2 日本 PWRI 土研法飛來鹽分捕集器示意圖與其實品照片 ... 21 圖 3-3 韓國 K3 系鹽分捕集器示意圖29 ... 22 圖 3-4 日本飛來鹽分量全國調查結果30 ... 23 圖 3-5 美國夏威夷 Oahu 島調查結果31 ... 24 圖 3-6 臺灣北部氯鹽年平均等位線分佈圖（單位：mg/100cm²/day）3 ... 26 圖 4-1 過去研究已有長期曝曬混凝土（於基隆沿海 10 公尺區域曝曬）3 ... 31 圖 4-2 三分碎石之級配分布圖 ... 34 圖 4-3 細骨材之級配分布圖 ... 35 圖 4-4 自然曝曬試體立面圖3 ... 36 圖 4-5 自然曝曬試體剖面圖 ... 37 圖 4-6 自然曝曬試體試體鑽心過程 ... 37 圖 4-7 本研究團隊鹽霧試驗設備（連續噴霧試驗使用） ... 39 圖 4-8 Mebon Prohesion 劣化試驗法 ... 40 圖 4-9 CTP96 鹽霧複合耐候試驗機外觀 ... 41 圖 4-10 混凝土氯離子含量磨粉取樣設備 ... 42 圖 4-11 將氯離子萃取液燒杯覆蓋與加熱過程 ... 43 圖 4-12 將氯離子萃取液過濾過程 ... 44 圖 4-13 本計畫使用之 Metrohm 702 SM 型電位滴定儀 ... 44 圖 5-1 水灰比 0.35 至 0.65 與曝曬試驗 5 年期試體鹽霧加速劣化過程 ... 45 圖 5-2 自然曝曬混凝土試體各時期材齡抗壓強度關係圖 ... 46 圖 5-3 貯鹽試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（I245 配比）... 49圖 5-4 貯鹽試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（I350 配比） ... 49 圖 5-5 貯鹽試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（II350 配比） ... 50 圖 5-6 貯鹽試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（SCC 配比） ... 50 圖 5-7 720 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（I245 配比）... 52 圖 5-8 840 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（I245 配比）... 52 圖 5-9 1850 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（I245 配比）... 53 圖 5-10 720 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（I350 配比）... 54 圖 5-11 840 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（I350 配比）... 54 圖 5-12 1850 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（I350 配比）... 55 圖 5-13 720 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（II350 配比） ... 56 圖 5-14 840 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（II350 配比） ... 56 圖 5-15 1850 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（II350 配比） ... 57 圖 5-16 720 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（SCC 配比） ... 58 圖 5-17 840 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（SCC 配比） ... 58 圖 5-18 1850 天曝曬試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（SCC 配比） ... 59 圖 5-19 各曝曬期與貯鹽試驗混凝土氯離子侵入總量值關係圖 ... 60
圖 5-20 mexpsoure/mponding與曝曬期時間關係圖（I245 配比） ... 61
圖 5-21 mexpsoure/mponding與曝曬期時間關係圖（II350 配比） ... 61
圖 5-22 mexpsoure/mponding與曝曬期時間關係圖（I350 配比） ... 62
圖 5-23 mexpsoure/mponding與曝曬期時間關係圖（SCC 配比） ... 62 圖 5-24 mexpsoure/mponding與曝曬期時間關係圖（所有自然曝曬配比） ... 63 圖 5-25 OPC35 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（傳統鹽霧試驗劣化） ... 65 圖 5-26 OPC45 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（傳統鹽霧試驗劣化） ... 65 圖 5-27 OPC55 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（傳統鹽霧試驗劣化） ... 66 圖 5-28 OPC65 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（傳統鹽霧試驗劣化） ... 66 圖 5-29 OPC35 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（循環鹽霧試驗劣化） ... 67
圖次 VII 圖 5-30 OPC45 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（循環鹽霧試驗劣化） ... 67 圖 5-31 OPC55 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（循環鹽霧試驗劣化） ... 68 圖 5-32 OPC65 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（循環鹽霧試驗劣化） ... 68 圖 5-33 混凝土氯離子總量 m 計算值與劣化時間關係圖（傳統鹽霧試驗劣化） ... 70 圖 5-34 混凝土氯離子總量 m 計算值與劣化時間關係圖（循環鹽霧試驗劣化） ... 70 圖 5-35 貯鹽試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（OPC35 配比） ... 72 圖 5-36 貯鹽試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（OPC45 配比） ... 72 圖 5-37 貯鹽試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（OPC55 配比） ... 73 圖 5-38 貯鹽試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（OPC65 配比） ... 73 圖 5-39 各曝曬期與貯鹽試驗混凝土氯離子侵入總量值 m 與水灰比關係圖 .... 74
圖 5-40 msalt spray/mponding與劣化期時間關係圖（OPC35 配比） ... 75
圖 5-41 msalt spray/mponding與劣化期時間關係圖（OPC45 配比） ... 75
圖 5-42 msalt spray/mponding與劣化期時間關係圖（OPC55 配比） ... 76
圖 5-43 msalt spray/mponding與劣化期時間關係圖（OPC65 配比） ... 76
圖 5-44 mprohesion/mponding與劣化期時間關係圖（OPC35 配比） ... 77
圖 5-45 mprohesion/mponding與劣化期時間關係圖（OPC45 配比） ... 77
圖 5-46 mprohesion/mponding與劣化期時間關係圖（OPC55 配比） ... 78
圖 5-47 mprohesion/mponding與劣化期時間關係圖（OPC65 配比） ... 78
圖 5-48 msalt spray/mponding與劣化期時間關係圖（所有 OPC 配比） ... 80
圖 5-49 mprohesion/mponding與劣化期時間關係圖（所有 OPC 配比） ... 80
圖 5-50 I245 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（循環鹽霧試驗劣化） 82 圖 5-51 I350 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（循環鹽霧試驗劣化） 82 圖 5-52 II350 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（循環鹽霧試驗劣化） ... 83 圖 5-53 SCC 配比試驗後氯離子濃度與入侵深度關係圖（循環鹽霧試驗劣化） ... 83 圖 5-54 mprohesion/mponding與劣化期時間關係圖（所有長期自然曝曬配比） ... 84
摘要 IX
摘要
關鍵詞：鹽霧試驗、長期自然曝曬、貯鹽試驗、混凝土 一、研究緣起 混凝土耐久性是結構物服務年限評估與永續設計建議所必需得到的定量依 據。目前雖有許多種指標可以驗證混凝土耐久性，但對海島型氣候的我國，以氯 離子直接侵入混凝土速率與深度的量測對評估耐久性而言，最具有代表性。原因 在於除了氯離子是導致鋼筋腐蝕主要肇因外，氯離子的離子半徑極小，可藉由連 通孔隙擴散進入混凝土內，所以可做為混凝土的耐久性最重要的指標。我國雖然 有各種可檢測混凝土氯離子的相關標準，世界各國也有相關評估混凝土抗氯離子 能力的評估試驗，如我國的 CNS 14795（RCPT）、美國的 ASTM C1502（Ponding test）、歐洲 RCT 試驗、或本研究團隊所發展的 ACMT 法。但仍僅為混凝土配 比間相互耐久性的比較，較無法提供一個建議值給設計人員去評估混凝土的使用 年限。本研究即希望蒐集我國與各海島型國家大氣氯離子資料，並利用所內加速 鹽霧試驗儀器快速模擬各種年期氯鹽濃度對混凝土耐久性實際的影響，以建立大 氣氯離子對混凝土耐久性影響的關聯性。 二、研究方法及過程 本計畫藉由加速鹽霧試驗探討氯離子對混凝土耐久性影響。以達 5 年長期沿海自 然曝曬試體，試驗其各深度氯離子侵入的濃度，同時間並製作 0.35 至 0.65 水灰 比混凝土進行試驗，由不同劣化時間、不同鹽霧劣化試驗、與貯鹽試驗後所得的 氯離子數據，建立加速鹽霧試驗與長期曝曬之間的關聯性。 三、重要發現 研究成果發現長期自然曝曬配比抗壓強度初期隨著齡期的增加上升的幅度 較大，但到了 540 天以後，抗壓強度雖有增加，但上升幅度趨緩。而混凝土氯離 子侵入總量值會隨著曝曬期的延長而增加，且貯鹽試驗的總量值（mponding）遠大 於各曝曬期氯離子總量值（mexpsoure）。藉由長期自然曝曬配比貯鹽試驗的總量值 （mponding）與各曝曬期氯離子總量值（mexpsoure）的比較，可以發現貯鹽試驗氯離 子侵入總量可相當於 15.35 至 18.38 年的曝曬期。而由 OPC 配比貯鹽試驗的總量 值（mponding）與 Prohesion 循環鹽霧劣化試驗氯離子總量值（mprohesion）的比較， 可以發現貯鹽試驗氯離子侵入總量可相當於 Prohesion 循環鹽霧試驗 23.06 天至23.97 天的劣化期。且其與劣化時間有良好線性關係（R2=0.969），其線性關係 式為 Y=0.0277X+0.46600。由此可建立鹽霧試驗、自然曝曬試驗、與貯鹽試驗三 者之關聯性。可對後續混凝土結構物服務年限有極大的幫助，並可由此建立適用 於混凝土耐久性評估的鹽霧試驗方法。 四、主要建議事項 本研究針對實驗結果發現，提出下列建議，說明如下。 立即可行之建議— 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署 1. 建議可研擬適用於混凝土鹽霧試驗的標準試驗法，以供混凝耐久性快速評估 或鋼筋混凝土結構物服務年限計算參數使用。 長期性建議— 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署 1. 建議針對台灣地區不同氣候型態長期自然曝曬與鹽霧試驗關聯性進行探討。 2. 可使用此試驗法對具有瑕疵（裂縫或蜂窩）、低設計強度混凝土進行相關研 究。 3. 建議內政部建研所未來可進行長久曝曬與含氯量對混凝土構材劣化之研究。
摘要
XI
ABSTRACT
Keywords: salt spray test, long-term exposure test, Ponding test, concrete
This plan is to study the chloride ion impact on durability of concrete by accelerated salt spray test. The concrete specimens with five years long term coastal nature exposure were testing its depth concentration of chloride ion intrusion. And at the same time, concrete specimens with water cement ratio 0.35 to 0.65 were produced and tested. By the different deterioration time deterioration test, salt spray, and chloride ions from the salt storage test data, establishment of accelerated salt spray test and correlation between long-term exposures. Test results found that long-term natural exposure increased compressive strength at early age, but after 540 days, the compressive strength has also increased, but the rate of increase is slowing. And total chloride ion intrusions of concrete values were increased as extensions of the
period of exposure. And the total chloride ion of ponding test （mponding） is much
larger than the concrete specimens with long term coastal nature exposure （mexpsoure）.
By comparison of the total chloride amount of long-term natural exposure （mexpsoure）
and ponding t test （mponding） with each exposure period, and found that the ponding
test was equivalent to 15.35 to 18.38 years of long-term natural exposure test. When the total chloride ion of ponding test and Prohesion cycle salt spray test comparison can be found that the ponding test equivalent to Prohesion Cyclic Salt Fog test 23.06 to 23.97 days deterioration period. And its good linear relationship with the degradation time (R2=0.969), the linear relationship of the formula Y = 0.0277X +0.46600. Thus establishing salt spray test, natural exposure testing, associated with the ponding test of the three. It can be help to estimate service life of the concrete structure, and thus to create a salt spray test methods applicable to the assessment of the durability of concrete.
第一章緒論 1
第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
國內混凝土結構物由於國內地理氣候與空氣污染關係，長期暴露於高濕度 與含有氯鹽的大氣環境中。對於混凝土所保護的鋼筋而言，水汽會由吸附與毛 細吸收現象進入混凝土孔隙中，並因蕊絲現象(wick action)逐漸讓孔隙充滿水分。 當連通孔隙呈現水飽和狀態後，外界氯離子會利用與孔隙水中氯離子濃度上的 差異進行傳輸，此即擴散現象1。另一方面，由於水泥中氫氧化合物的因素，使 得孔隙內部的水分呈現高鹼性狀態（pH>11），當鋼筋存在鹼性環境時，可以確 保其表面鈍態保護膜的存在，由於氯對鐵及不銹鋼有很大的親和力，易使鐵金 屬離子化，進而造成孔蝕（pitting corrosion），並促使部分鋼材因電位不同產生 伽凡尼電偶（Galvanic couple），造成鋼材電動勢（electromotive force）提昇， 因而腐蝕產生紅棕色鐵銹。但由於鹼性環境，鈍態保護膜受氯離子破壞後會迅 速再度形成的現象。但若受到大氣中二氧化碳的侵入，會使得孔隙水因為碳酸 的形成導致 pH 值的降低。當氯離子濃度與氫氧根濃度（[Cl -]/[OH-]）大於一定 值時，便有極高的腐蝕機率2。當鋼筋開始腐蝕，便會導致體積積膨脹，致使混 凝土受到應力，造成龜裂，進而保護層剝落，鋼筋斷面縮小危害結構物安全。 過去氯離子的危害大多發生於海域環境結構物上，因海域環境大氣中的氯 鹽量極高，根據最近的研究，台灣北部距海 1200 公尺內空氣中仍具有一定的氯 鹽量，某些地區甚至達到 2000 公尺範圍3。建築物長期處於氯鹽空氣量，會使 得表面附著一定濃度的氯離子，本研究團隊曾針對我國北部沿海 500 公尺內 20 年以上 22 座橋梁上部結構鑽心取樣進行氯離子含量研究，發現混凝土表面 0.5 公分氯離子含量有 50%以上超過 0.3%，甚至最高有 0.6%。由於國內並無硬固 1
Meira, G. R., Andrade, C., Alonso, C., Borba Jr., G. R., Padilha Jr., M., “Durability of concrete structures in marine atmosphere zones – The use of chloride deposition rate on the wet candle as an environmental indicator ”, Cement and Concrete Composites, Vol 32, 2010, pp. 427-435.
2 Bulu Pradhan, B. Bhattacharjee, “Rebar corrosion in chloride environment“, Construction and
Building Materials, Vol 25, 2011, pp. 2565-2575.
3詹穎雯、陳振川、吳建國、楊仲家、許鎧麟、卓世偉、陳育聖、張永昌, “台灣苗栗以北地區大
混凝土氯離子含量規範，但新拌混凝土限制量為 0.3%，因此其混凝土表面所附 著的氯離子均有相當大的濃度。依據物理現象如果混凝土表面含鹽量增加，由 於滲透壓（osmotic pressure）的關係，使得混凝土內部的水份不易排出。加上 我國沿海地區高濕度與多雨的環境，若施工時搗實不良加上施工縫處理不當， 混凝土內部相對濕度很容易高於 65%，此為達鋼筋（鐵）的腐蝕臨界相對濕度， 表示在此濕度下鐵的氧化可以自行產生。而高濕度更會導致孔隙結構充滿水氣， 破壞鋼筋鈍態保護膜的氯離子便可藉由擴散到達鋼筋表面，而外在海域環境的 鹽霧便提供氯離子的持續來源。 對混凝土抗氯離子傳輸行為而言，目前各國標準所使用的試驗大概有兩種。 分別為傳統的 ASTM C1543 貯鹽試驗（Ponding test），以及 ASTM C1202 的 RCPT 試驗。其中貯鹽試驗係將混凝土上部以氯化鈉溶液浸漬，藉由量測 90 天浸漬後 氯離子進入試體的濃度與深度判斷混凝土抗氯離子入侵能力。RCPT 試驗以外 加電壓加速氯離子進入試體內，藉由量測電流換算 6 小時通過電量評估混凝土 抗氯離子侵入的能力。兩種試驗雖為標準規範，近年來也衍生出類似的實驗， 如本研究團隊的加速氯離子傳輸試驗（ACMT）。但兩種試驗法機理明顯與實際 狀況中大氣氯鹽對混凝土影響的方式不同，相關文獻也無兩者關聯性的建置。 若參考金屬腐蝕的試驗法，則 CNS 8886 標準中性鹽霧試驗（spray test）可與大 氣氯鹽對混凝土影響機制類似。CNS 8886 係將鹽水以 0.098 MPa 壓力在 35℃環 境中由上往下噴出接觸試體。由於試驗機通常均具有控制溫度的能力，故可變 換多種溫濕度形式的循環劣化鹽霧試驗。因此若將蒐集的長期大氣氯鹽資訊， 因可藉由循環劣化鹽霧試驗模擬沿海結構物混凝土遭遇大氣氯鹽侵蝕的影響。
第二節 研究目的
本計畫研究目的擬藉由試驗，建立大氣氯離子對混凝土耐久性影響的關聯性， 並由此建立加速鹽霧試驗方法。相關研究目的細項內容說明如下。 1. 各國大氣氯離子採集標準與關聯性文獻蒐集。第一章緒論 3 （a） 蒐集 ISO、CNS、與日本等各國大氣氯鹽試驗法標準。 （b） 比較各國大氣氯鹽試驗法標準差異性與關聯性。 2. 我國與各海島型國家大氣氯離子資料分析與試驗設計。 （a） 蒐集現有各國大氣氯鹽量測資料文獻。 （b） 整理我國大氣氯鹽量測資料，並由此建立後續試驗設計變數。 3. 加速鹽霧試驗模擬各種年期氯離子濃度混凝土劣化。 （a） 探討一般中性鹽霧試驗與循環加速劣化試驗結果之差異性。 （b） 探討加速鹽霧試驗劣化時間對混凝土氯離子侵入濃度與時間的關 係。 （c） 由現有長期曝曬試驗結果建立與加速鹽霧試驗結果之關聯性。 （d） 探討加速鹽霧試驗劣化時間與長期曝曬齡期的關聯性。 4. 混凝土於各種年期氯離子濃度抗氯離子能力的評估。 （a） 探討工程實務常用的混凝土在各種加速鹽霧試驗劣化時間下，內部氯 離子變化情形。 （b） 由加速鹽霧試驗結果建立與加速氯離子傳輸試驗之間的關聯性。 下頁圖 1-1 為本計畫研究流程圖。
第三節 本研究計畫之重要性
一般建築物所設的服務年限大多在 50 年左右，若妥善設計、施工、與維護， 鋼筋混凝土建築物國外也有許多高達百年壽命的案例。但一般工程人員在設計建 築物時對於其力學性質，如各種載重或地震力的影響均會審慎考量；但對耐久性 如氯離子所造成的影響均往往會忽略，大多僅以改用較設計強度略高的混凝土或 增加其保護層厚度作為因應對策，對於建築成本的增加與耐震性均產生疑慮。而 過去的研究均著重於配比組成材料的改變對抗混凝土氯離子性質的影響，然而較 可惜的均為相對比較影響，並沒有考慮大氣氯鹽量對混凝土性質的影響，因此無 法提供一個客觀數據供設計單位評估或計算結構服務年限使用。而加速鹽霧試驗 雖然較符合大氣氯鹽接觸建築物的機制，但僅用於金屬材料腐蝕評估使用，對混凝土材料耐久性評估，則無標準試驗方法，因此本計畫以加速鹽霧試驗探討氯離 子對混凝土耐久性影響進行研究有其重大意義。 圖 1-1 研究流程圖 （資料來源：本研究自行整理） 以加速鹽霧試驗探討氯離子對 混凝土耐久性影響之研究 各國氯鹽試驗標準與資料蒐集整理 實驗變數設計 試體製作與試體養護 氯離子含量試驗分析 鹽霧環境 劣化時間 混凝土配比 混凝土表面氯離子濃度 與各變數關聯性建立 加速鹽霧試驗結果與各種氯離 子評估試驗關聯性建立 加速鹽霧試驗方法建立 結論與建議 完成計畫成果報告 試體鹽霧試驗加速劣化過程 混凝土氯離子侵入深度 與各變數關聯性建立 混凝土氯離子侵入總量 與各變數關聯性建立
第一章緒論
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第四節 國內外有關本計畫之研究情況
目前國內外有關加速鹽霧試驗均以金屬材料有關，各國也有相對應的試驗標 準，如我國的 CNS 8886；美國的 ASTM B117；ISO 9227 與 ISO 21207 等。也有 將加速鹽霧試驗運用於塗料或塑膠建材的試驗法，如 NT Build 228。但對混凝土 材料的研究則較少，最近的研究為 He 等，利用加速鹽霧試驗後的混凝土試體， 利用噴灑硝酸銀來建立評估氯離子入侵混凝土的試驗方法4；Park 等也有利用類 似的方法評估含有裂縫混凝土的耐久性5 ；Matsumura 等用高溫的鹽霧試驗評估 核電廠混凝土耐久性6。亦有 Castro 等利用加速鹽霧試驗評估鋼筋混凝土內部鋼 筋腐蝕情形7；Jung 等也有相關研究8。於大氣腐蝕研究方面，過去我國交通部運 輸研究所與公路總局均有相關研究，並對各地的金屬腐蝕速率進行分類，以提供 鋼結構設計參考3。其他建材部分則著重於塗裝材料，塗裝材料耐久性劣化評估 試驗方面，過去國內相關偏重於塗裝材料鹽霧加速劣化試驗之結果，如成大蔡文 達教授針對不同塗層材料加速劣化之電化學分析9，以及本研究團隊過去之研究。 塗裝材料耐光性方面則有台大森林系曾於南投溪頭進行塗裝木材長期曝曬試驗 觀察，並與日光加速劣化之結果進行比較10。而林業試驗所亦有一連串木材用塗
4 He, F, Shi, C., Tuan, Q., Chen, Zheng, K., “AgNO
3-based colorimetric methods for measurement of
chloride penetration in concrete”, Construction and Building Materials, Vol 26, 2012, pp. 1-8.
5 Park, S. S., Kwon, S. J., Jung, S. H., “Analysis technique for chloride penetration in cracked concrete
using equivalent diffusion and permeation Original Research Article” , Construction and Building Materials, Vol 29, 2012, pp. 183-192.
6 Matsumura, T., Shirai, K., Saegusa, T., “Verification method for durability of reinforced concrete
structures subjected to salt attack under high temperature conditions” , Nuclear Engineering and Design, Vol 238, 2008, pp. 1181-1188.
7 P. Castro, L. Véleva, M. Balancán, “Corrosion of reinforced concrete in a tropical marine
environment and in accelerated tests” , Construction and Building Materials, Vol 26, 1997, pp. 75-81.
8
Jung, W. Y., Yoon, Y. S., Sohn, Y. M., “Predicting the remaining service life of land concrete by steel corrosion”, Cement and Concrete Research, Vol 33, 2003, pp. 663-677.
9林筵進，「不同塗層在乾溼循環環境中之電化學阻抗性質研究」，國立成功大學材料工程與科學
研究所碩士論文，指導教授：蔡文達教授，2002。
10蕭亞方，「塗裝木材人工加速與自然劣化相關性之探討」，國立台灣大學森林學研究所碩士論文，
料耐候性試驗11,12。長期曝曬試驗部份，國內清大施漢章教授針曾對電信材料與 鋼材進行長期曝曬試驗觀察13，柏林塗料公司亦於麥寮地區進行 38 個月曝曬試 驗14等。對混凝土長期曝曬試驗研究雖無少，但仍有一些老舊建築物的鑽心試驗 報告可供依循。於大氣氯鹽調查方面，本研究團隊與臺灣營建研究院曾於 2006 年開始合作進行台灣苗栗以北大氣中氯鹽的調查研究。而日本土研所與美國夏威 夷大學也有類似的調查研究3。
第五節 報告內容說明
本計畫目前已完成研究企畫書所規劃的各項工作，分別為研究背景與目的、 文獻蒐集、試驗設計、4 組混凝土試體拌合養護、混凝土壓力強度量測、4 組自 然曝曬混凝土與 4 組不同水灰比混凝土配比的氯離子含量、鹽霧試驗、與貯鹽試 驗。表 1-1 將已執行工作內容與期末報告進行對照，此次期末報告之主要內容係 於第一章介紹本計畫之研究背景與目的。第二章針對氯離子對鋼筋混凝土影響進 行文獻探討。第三章蒐集並整理各國大氣氯鹽量試驗標準與相關成果文獻資料。 第四章針對試驗變數設計、組成材料性質、配比設計、與實驗方法介紹。第五章 針對已進行的混凝土抗壓強度試驗結果、自然曝曬混凝土與 4 組不同水灰比混凝 土配比的氯離子含量、鹽霧試驗、與貯鹽試驗試驗結果進行討論。第六章針對試 驗成果說明研究所獲得的結論與發現。 11李鴻麟、鄒哲宗、夏滄淇、顧文君，「木材用塗料耐候性之研究－塗料耐候性之比較」，林業試 驗所研究報告季刊，Vol. 8, pp.321-330, 1993. 12鄒哲宗、夏滄淇、陳啟榮、顧文君，「木材用塗料耐候性之研究－塗料之耐候性與耐光性」，林 業試驗所研究報告季刊，Vol. 10, pp.153-160, 1995. 13洪耀宗，「電信材料之大氣腐蝕及其防治研究」，國立清華大學材料工程研究所博士論文，指導 教授：施漢章教授，2003。 14陳哲生、吳忠民，「耐候型塗料於麥寮地區曝曬行為研究」，中國工程師學會工程季刊，Vol. 80, pp.39-46, 2007.第一章緒論 7 表 1-1 執行工作內容與期末報告對照表 工作分項 計畫執行迄今之工作內容 期中報告位置 研究背景與目的 計畫研究流程與相關背景說明和目 的確認 第一章 文獻蒐集 氯離子對鋼筋混凝土影響、各國大氣 氯鹽量試驗標準與相關成果文獻資 料。 第二章、第三章 試驗研究 變數設計、組成材料性質、配比設 計、與實驗方法介紹 第四章 試驗研究 自然曝曬混凝土氯離子含量量測 第五章 試驗研究 貯鹽試驗與自然曝曬關聯性建立 第五章 試驗研究 鹽霧試驗與貯鹽試驗關聯性建立及 驗證 第五章 結論 研究初步結論與發現 第六章 （資料來源：本研究自行整理）
第二章文獻回顧 9
第二章 文獻回顧
第一節 氯離子對鋼筋混凝土主要的危害
混凝土在鋼筋混凝土或預力混凝土中除了承受壓應力外，對結構物內部之鋼 筋或鋼鍵也提供了一鹼性保護層，以延緩暴露環境中有害離子侵入，進而造成鋼 筋或鋼鍵腐蝕。然而隨著結構物使用年限增加或是暴露的環境因素，可能導致混 凝土劣化進而失去原有保護功能，甚且造成整體結構的毀壞。混凝土品質評估標 準除抗壓強度外，耐久性亦是不可或缺之項目。影響混凝土耐久性的因素主要可 以分為內部與外部的因素。內部的因素主要包括混凝土組成材料、配比設計、搗 實過程、及養護等。而外部因素包括暴露環境及所承受的應力狀態等。對暴露環 境中的有害離子而言，會造成鋼筋或鋼鍵腐蝕的主要因素即氯離子對鐵的親合力。 由於氯對鐵及不銹鋼有很大的親和力，因此易在金屬表面上有助於在較低的相對 濕度形成液膜，其在腐蝕過程中會阻止氧化膜(oxide films)的形成，進而有助於 陰極上氧的還原反應，然而當金屬表面已有氧化膜或鈍態膜存在時，氯離子會破 壞鈍態膜，造成孔蝕（pitting corrosion）。Cl-與鐵的作用較特別，由於 FeCl2 不 是緊密結合之化合物，所以 Cl-很容易從氯化亞鐵中釋放出來，再與其他金屬作 用，進而加速腐蝕反應3。 對氯離子進入混凝土的機制而言，氯離子必須藉由濃度差機制進行擴散運動。 當水氣會由吸附與毛隙吸收現象進入混凝土孔隙中，並因蕊絲現象(wick action) 逐漸讓孔隙充滿水分。當連通孔隙呈現水飽和狀態後，外界氯離子會利用與孔隙 水中氯離子濃度上的差異進行傳輸，此即擴散現象。當氯離子擴散至鋼筋鈍態保 護膜表面時，若此時混凝土內部孔隙水的 pH 值並未低於一定狀態（即中性化）， 則鋼筋並不會腐蝕。但當孔隙水中氯離子濃度與氫氧根濃度（[Cl -]/[OH-]）大於 一定值時，便會開始破壞鈍態保護膜以及阻止其再形成。下列方程式為其氧化反 應方程式。鋼筋腐蝕導致體積積膨脹，致使混凝土受擠壓應力，造成龜裂，進而 保護層剝落，危害結構物安全。2Fe + 6Cl- → 2FeCl3- + 4e- （ 2-1 ）
FeCl3- + 2OH- → Fe(OH)2 + 3Cl- （ 2-2 ）
4Fe(OH)2 + 2H20 + O2 → 4Fe(OH)3 （ 2-3 ）
而在混凝土內氯離子濃度造成鋼筋腐蝕門檻值得研究方面，過去有許多學者 進行相關研究與調查。亦有如 Ann 和 Song15、與 Angst16等將文獻進行整理分析。
圖 2-1 為 Angst 整理各學者針對造成鋼筋腐蝕的混凝土氯離子濃度門檻值。其中 若以實際戶外曝曬量測的試驗結果，則總氯離子量介於 0.1%至 1.96%，而在實 驗室內研究情形則以 0.04%至 8.34%，雖然其範圍甚大，但扣除極端試驗結果， 大部分最低門檻值以 0.4%最多。目前各國對硬固混凝土總氯離子含量限制，如 歐洲相關國家均以總氯離子含量 0.4%為限制標準17，故有其參考性，而 Ann 和 Song 整理的結果為 0.2%至 1.5%，大部分最低門檻為 0.5%。 圖 2-2 亦為 Angst 整理的各學者 Cl-/OH-門檻文獻研究資料，其值介於 0.01 至 45，扣除極端試驗結果，則 Cl -/OH-最低門檻為 0.3 至 0.6 之間。若以孔隙水 pH 值 11~13 的混凝土而言，氯離子要超過水泥重的 0.2 到 0.4%，Cl-/OH-才會大 於 0.6。所以混凝土中性化程度也是影響鋼筋是否腐蝕的重要因素。
15 Ann, K. Y., and Song, K. Y., “Chloride threshold level for corrosion of steel in concrete”, Corrosion
Science, Vol.49, pp.4113-4133, 2007.
16 Angst, U., Elsener, B., Larsen, K. C., Vennesland, O., “Critical chloride content in reinforced
concrete- A review”, Cement and Concrete Research, Vol.39, pp.1122-1138, 2009.
17
BS EN 206-1 “Eurocode 2. Design of concrete structures. General rules and rules for buildings “, British-Adopted European Standard, 2004.
第二章文獻回顧 11 圖 2-1 造成鋼筋腐蝕的混凝土氯離子濃度門檻文獻整理圖 （資料來源：文獻 16） 圖 2-2 造成鋼筋腐蝕的混凝土 Cl-/OH-門檻文獻整理圖 （資料來源：文獻 16）
第二節 氯離子於混凝土中傳輸途徑與機制
氯離子侵入混凝土與孔隙結構之連通性有相當影響，Wu 等18提出氯離子侵 入混凝土內部孔隙的三種傳輸途徑，其分別為（1）水泥漿體相互連通之孔隙；（2） 骨材相互連通之孔隙；（3）水泥漿體與骨材間界面過渡區。對於離子的傳輸途徑， 漿體的緻密性與孔隙體積會影響氯離子之擴散速率。若水化達到一定程度時，毛 細孔隙體積會隨水灰比而改變，水灰比增加時，毛細孔隙體積也隨之增加，相對 也影響骨材與漿體介面之鍵結強度與性質；若離子於骨材之滲透行為低於水泥漿 體與骨材和漿體的界面時，會因水泥漿體內含有較多孔隙率，使得成為主要擴散 途徑，導致混凝土對氯離子之抵抗降低與增加氯離子擴散係數。 氯離子於混凝土中傳輸，需以水為媒介，藉由水進入混凝土內部連通孔隙中。 混凝土結構物與水接觸，混凝土表面的水首先會藉由混凝土毛細管與液面之間的 壓力差吸收進入混凝土內部，再藉由內外部的濕度差，導致進入孔隙的水利用水 氣蒸發擴散至混凝土內部，當混凝土內外濕度逐漸相同時，孔隙間的含水狀態亦 趨近飽和。此時若混凝土處於含有氯離子環境中，氯離子便容易伴隨著水氣進入 混凝土中，而後氯離子在孔隙水中藉由濃度差的擴散機制在連通孔隙網絡中移動 直至接觸鋼筋表面造成腐蝕。因此離子於混凝土材料中實際的傳輸行為，依順序 分別為：（1）離子以水為媒介被吸收進入混凝土；（2）漸轉為離子由於孔隙水蕊 絲現象隨著水氣的蒸發擴散；（3）當孔隙水飽和時，轉由利用離子於水中濃度上 的差異進行傳輸。對混凝土材料本身來說，連通孔隙結構（孔隙率、孔徑、蜿蜒 度）與孔隙內部相對濕度（或含水量）均影響離子傳輸速率的快慢。而由傳輸型 態區分，順序（1）與（2）均屬於非穩態傳輸行為。而影響離子傳輸的機制，依 Johannesson 分類可分為五大類19： 1. 擴散機制：由於混凝土內部連通孔隙水所含的離子濃度較低，因此暴露環 境中的離子可藉由重量濃度梯度的不同，造成離子由高濃度位置流向低濃18 X. Wu, L. Xu, Q. Yang, S. Huang,“The diffusion equation of chloride ions in cement mortar”Trans
Shanghai Building Materials Collection Vol.4, pp.364-372( 1991).
19
B. F. Johannesson, “Diffusion of a mixture of cations and anions dissolved in water”, Cement and Concrete Research, Vol. 29, pp.1261-1270 (1999).
第二章文獻回顧
13
度位置。
2. 外力對流機制：離子藉由外界的力量梯度導致移動。例如毛細管孔隙水的 吸收現象。
3. 離子吸附與析出機制：孔隙管壁的電雙層作用（electrical double layers）或 與漿體產生化學反應導致離子吸附於水化生成物表層（孔隙管壁）和析出 於孔隙水中。 4. 內部電化學反應機制：因電化學的氧化還原反應所造成的移動，如鋼筋腐 蝕。 5. 外加電場機制：藉由混凝土外部施加電場使得整個電解反應產生，造成離 子流在陰陽極間游動。
第三節 現行相關氯離子對混凝土耐久性評估試驗方式
目前常進行的氯離子傳輸試驗主要有 2 種，分別為傳統的 ASTM C1543 貯鹽 試驗、ASTM C1202 的 RCPT 試驗。但這兩種方法仍僅為混凝土配比間相互耐久 性的比較，較無法提供一個建議值，給設計人員去評估混凝土的使用年限。 貯鹽試驗 (Ponding Test) 1980 年以前貯鹽試驗就已成為 AASHTO 的試驗規範 AASHTO T259。在 2002 年 ASTM 也列入正式規範，即 ASTM C1543。此規範在適用範圍上，說明此方 法主要計算 NaCl 溶液由混凝土表面進入內部的氯離子含量。但試驗最少天數為 90 天（AASHTO T259 規定為 90 天，因此亦稱為 90 days Ponding test），ASTM C1543 亦將 90 天認為是最初的取樣時間，建議必要時需進行 6 個月或 1 年浸泡 的取樣間隔。由於試驗時間太長，因此相關文獻20,21將此試驗歸類為長期試驗與用來驗證其他加速試驗之準確性。
20
Arsenault, J. P. Bigas, J. P. Ollivier,“Determination of chloride diffusion coefficient using two different steady-state methods：influence of concentration gradient ”Chloride Penetration into Concrete, Proceedings of the International RILEM Workshop pp.150-160, (1993).
21
M. D.A. Thomas, and P. B. Bamforth, “Modelling Chloride Diffusion in Concrete Effect of Fly ash and Slag,” Cement and Concrete Research, Vol.29, pp.487-495 (1999).
快速氯離子穿透試驗（RCPT）
AASHTO T277 （ ASTM C1202 ） 快速氯 離 子穿 透試 驗 （ Rapid Chloride Permeability Test），主要將飽和處理之試體嵌入兩個容量約為 250ml 的試驗槽之 間，組合成一施加電壓單元。其中在一試驗槽中放入 0.3M 氫氧化鈉溶液作為陽 極槽，另一試驗槽放入 3﹪氯化鈉溶液做為陰極槽。並施加 60V 直流電壓來驅動 離子，評估方式為將 6 小時試驗期間內所量測的電流值轉換成總電荷量，藉由總 電荷量大小評估水泥基複合材料抗氯離子入侵能力。 此規範在適用範圍上即說明本試驗主要以混凝土導電性的決定做為評估混 凝土抗氯離子入侵能力的快速指標。而表現混凝土導電性質的方式則利用外加的 60V 直流電壓使得氯離子快速進入混凝土材料中，藉由量測得到的電流值計算 6 小時內總通過電量（total charge passed），用以評估混凝土抵抗氯離子滲透的能力。 由於這個方法具有耗時較短與量測方式精簡等優點，因此目前廣泛應用於評估混 凝土耐久性試驗中，但很多研究文獻22,23,24中指出 RCPT 尚有許多缺失，尤其是 添加礦物摻料時常低估混凝土抵抗氯離子滲透的能力。 在上述各種試驗結果與抗壓強度的關係方面，A-Amoudi 等人以矽灰 與飛灰礦物摻料、水膠比變數的混凝土進行試驗，並嘗試建立關聯性如圖 2-3、圖 2-4、與圖 2-5 所示25。由圖中的迴歸曲線可以建立耐久性指數（
DI
） 與抗壓強度（f
c’）的關係，式中 a、b 為圖中數據的迴歸係數，而由相關 係數發現耐久性指數與部分種類的混凝土強度會呈現較好的關聯性，如一22T. H. Wee, A. K. Suryavanshi, and S. S. Tin, “Influence of aggregate fraction in the mix on the
reliability of the rapid chloride permeability”, Cement and Concrete Composites, Vol. 21, pp.59-72 (1999).
23 W. Prince, R. Pérami, and M. Espagne, “Mechanisms involved in the accelerated test of chloride
permeability”, Cement and Concrete Research, Vol. 29, pp.687-694 (1999).
24 A. A. Ramezanianpour, “Effect of curing on the compressive strength resistance to chloride-ion
penetration and porosity of concrete incorporating slag, fly ash or silica fume”, Cement and Concrete Composites, Vol. 17, pp.125-133 (1995).
25
O. S. B. Al-Amoudi, W. A. Al-Kutti, S. Ahmad, and M. Maslehuddin, “Correlation between compressive strength and certain durability indices of plain and blended cement concretes”, Cement
第二章文獻回顧 15 般混凝土與矽灰混凝土，其中以貯鹽試驗的相關係數較佳。 b c f a DI ) ( ' 式(2-1) 圖 2-3 透水試驗水侵入深度結果與抗壓強度文獻整理圖25 （資料來源：文獻 25） 圖 2-4 RCPT 試驗總通過電量結果與抗壓強度文獻整理圖25 （資料來源：文獻 25）
圖 2-5 貯鹽試驗擴散係數結果與抗壓強度文獻整理圖25
（資料來源：文獻 25）
第四節 鹽霧試驗
鹽霧試驗（salt spray test）是目前常用於金屬建材的加速劣化試驗，並為 ISO 9227、CNS 8886 試驗標準。主要原因在於劣化過程所耗費時間較短，且可明顯 看到金屬建材腐蝕生成物的產生，可以讓工程設計人員迅速得到某金屬建材的抗 腐蝕能力。其主要腐蝕因子僅考量海域環境中的氯離子。所產生的腐蝕行為是氯 離子具較小離子半徑特性與一定之水合能的因素。鹽霧試驗與自然曝曬試驗不同 處在於鹽水噴霧試驗屬人工加速劣化試驗。將待測建材放入包含噴霧室、溫濕度 調節設施、鹽液儲存設備之鹽霧劣化試驗箱。其中噴霧室的容積至少為 0.2 m3， 並包含鹽水噴霧裝置與試片支架。而鹽霧劣化的產生主要由壓縮空氣以一定的壓 力將鹽水輸送至噴霧裝置噴嘴，形成 0.0980.010 MPa 的壓力，使鹽霧均勻噴灑 在試片上。其試片大多採用 70 × 150 mm 或 60 × 80 mm 的平板試片，以 205 度角放置在支架上。鹽霧劣化所使用的鹽液通常為 5%的氯化鈉溶液，其濃度大 於海水中氯離子的濃度，其試驗過程最多不超過 1000 小時，相對於自然曝曬劣 化以年為計算周期，可以說是較為迅速。鹽霧劣化試驗一般可分為中性鹽霧劣化 試驗（neutral salt spray test, NSS）、醋酸鹽霧劣化試驗（acetic acid salt spray test,
第二章文獻回顧
17
AASS）、與含銅加速醋酸鹽霧劣化試驗（copper-accelerated acetic acid salt spray test, CASS ）。
在混凝土方面，目前雖無相關文獻之研究，但鹽霧試驗方式與大氣氯鹽對混 凝土影響機制類似，因此本研究擬藉由試驗建立大氣氯離子對混凝土耐久性影響 的關聯性，並由此建立加速鹽霧試驗方法。
第三章大氣氯鹽量測方法與相關文獻 19
第三章 大氣氯鹽量測方法與相關文獻
第一節 大氣氯鹽量測方法
由於大眾對房屋結構耐久性意識抬頭以及混凝土品管制度的重視，目前國內 對新拌混凝土均需逐批進行檢測與管制，所以使用海砂作為混凝土原料的情形已 鮮少發生。因此大氣飛來鹽分中所帶的氯離子便成為主要來源，尤其於海岸環境 中的建築物。目前常用於測量大氣氯鹽的方式分別為 ISO 9225 濕燭法，以及日 本 PWRI（Public Works Research Institute, 獨立行政法人土木研究所）的土研法。 而韓國 Korea Institute of Construction Technology 也有發展類似的實驗方式 K3 與 K3h。 ISO 9225 濕燭法26，在我國規範為 CNS 1375427。係利用紗布吸收帶有氯化 物的濕氣，以計算氯化物沉積量。最後再配合二氧化硫沉積量數據判斷τ、P、S 三個因子等級交集判斷此金屬建材在大氣環境中的腐蝕特性，分別為 C1 至 C5 共五個等級。其試驗方法為利用布與塑膠材質組成的濕式蠟燭，使得帶有氯化物 的濕氣經由紗布排入濕式蠟燭底部的收集瓶內，收集瓶內吸收空氣中氯鹽之溶液 組成係用 200 mL 甘油 C3H8O3與 1000 mL 蒸餾水混合後加入 20 滴辛酸以防止菌 類繁殖。為避免下雨所導致的試驗誤差，濕式蠟燭與收集瓶需以不鏽鋼材質棚架 遮蔽，如圖 3-1 所示。而依 CNS 13754 規範建議每月需將收集瓶取回，以滴定方 式甘油溶液內的氯鹽含量。而取回過程需小心以約 200 mL 之蒸餾水清洗燭芯上 的紗布，使附著於紗布流入收集瓶內。取回後再將濕式蠟燭裝在新的採集瓶上， 繼續進行氯鹽採集工作。 日本 PWRI 土研法係由 JIS Z2382 規範紗布法改良而來28，係利用飛來鹽分 捕集器進行，相關儀器如圖 3-2 所示。採集器整體除鹽分採集片與採集容器外幾 乎均以不鏽鋼製作；鹽分採集片以壓克力材質製作且可自由更換，並以每年 126 ISO 9225, “Corrosion of metals and alloys -- Corrosivity of atmospheres”, International
Organization for Standardization, 2012.
27 CNS 13754，「金屬及合金之腐蝕—大氣腐蝕性（污染之測定）」，中華民國國家標準。
次之頻率更換鹽分採級片。採集器設置前，需以去離子水洗淨採集片、矽膠水管 及塑膠桶內部。採樣時先以去離子水將溝槽及矽膠水管內的鹽分洗進塑膠桶內， 並量測塑膠筒內之水重，充份攪拌後取回部分水樣。回收的水樣以滴定法分析鹽 分濃度，並以下式計算氯鹽分量。 ) ( ) ( ) ( ) / ( ) ( 2 dm day ml ml mg mdd 收集板面積 調查期間 塑膠桶內的水量 鹽分濃度 鹽分量 （ 3-1 ） 其中鹽分量mdd1mg/dm2/day， 2 2 100 1dm cm 圖 3-1 ISO 9225 濕燭法示意圖與其實品照片 （資料來源：本研究自行整理）
第三章大氣氯鹽量測方法與相關文獻 21 圖 3-2 日本 PWRI 土研法飛來鹽分捕集器示意圖與其實品照片 （資料來源：本研究自行整理，文獻 3） 韓國 KSCE 綜合上述日本與 ISO 濕燭法發展出 K3 與 K3h 試驗法 29。K3 試 驗法與 PWRI 和 JIS Z2382 不同在於採用 2 組 10 cm×10 cm 氯鹽採集片，且為避 免強風豪雨將氯鹽帶走在採集器下方底部設計 2cm 高度的擋版，如圖 3-3 所示。 而 K3h 試驗法的收集原理與 ISO 濕燭法類似，於採集採集器下方底部放置水補 給裝置。K3 與 K3h 試驗採集器如圖 3-3 所示。 29
J. K. Lee, and H. Y. Moon, “Salinity distribution of seashore concrete structures in Korea”, Building and Environment, Vol. 41, pp.1447-1453 (2006).
圖 3-3 韓國 K3 系鹽分捕集器示意圖29 （資料來源：文獻 29）
第二節 國外大氣氯鹽沉積量測文獻
大氣氯鹽沉積量大多屬於多年期的研究成果或大型計畫。因此國內外相關文 獻均較少。國外有與我國同樣為海島型氣候的日本與美國夏威夷；或沿海的孟加 拉與韓國等進行相關研究。 在日本研究方面，主要以獨立行政法人土木研究所於 1984 年至 1987 年在日 本全國佈設 266 個量測點，以土研法進行氯鹽沉積量研究30。圖 3-4 為日本飛來 鹽分量全國調查結果，並將其區分成<0.1 mdd、0.1~1 mdd、1~10 mdd、與>10 mdd 共四種區域。 30日本獨立行政法人土木研究所構造橋樑部橋樑研究所，「飛來鹽分量全國調查（Ⅳ）-飛來鹽分 量的分佈特性與風的關係-」土木研究所資料 第 3175 號 pp. 1~26，1993 年 3 月。第三章大氣氯鹽量測方法與相關文獻 23 圖 3-4 日本飛來鹽分量全國調查結果30 （資料來源：文獻 30） 而後續秋山充良等31針對試驗結果以及測站與海岸線距離和所測風速整理 成氯鹽沉積量與距離關係式，如下式所述。 952 . 0 386 . 0 29 . 1 r u d Cair r （ 3-2 ） 式中氯鹽量 Cair單位為 mdd（mg/100 cm2/day）、有效風向 r 單位為%、有效 風速 ur單位為 m/sec、距離d 單位為 Km。 美國夏威夷的研究方面，夏威夷運輸部門曾於 2003 年委託 Malalis 和 31秋山充良、伊東佑香、鈴木基行，「信頼性理論を用いた塩害劣化作用を受ける鉄筋コンクリ ート構造物の耐久性評価の試み」土木学会第60回年次学術講演会，2005年9月。
Robertson 於 Oahu 島設置 50 個 ISO 濕燭法量測設備進行 2 年期研究32，圖 3-5 為其研究結果，其單位為 mg/m2 /day，若化成 mdd 則需除以 100，由圖中可以發 現普遍大於 5 mdd，但此報告雖由風向說明氯鹽量的多寡，但未進行深入分析。 圖 3-5 美國夏威夷 Oahu 島調查結果31 （資料來源：文獻 31） 在孟加拉研究部分，Hossain 和 Easa33以 12 個距離海岸不同的濕燭法量測設 備 進 行 1 年 期 研 究 。 由 量 測 結 果 得 到 氯 鹽 量 與 距 離 之 間 的 關 係 為 744 . 0 478 . 4 L Cair 但此結果並未考量風向與雨量等因素。 在韓國研究方面，Lee 與 Moon 於韓國東、西、與南側進行 1 年期的飛來鹽 分收集研究，並進行期開發的 K3 系列採集器與日本 PWRI 法和 ISO 濕燭法之間
32 Malalis, R. R., and Robertson, I. N., “Island mapping of chloride deposition rate”, Research Report
UHM/CEE/06-05, May, 2006.
33 Hossain, K. M. A., and Easa, S. M., “Spatial Distribution of Marine Salts in Coastal Region Using
Wet Candle Sensors”, International Journal of Research and Reviews in Applied Sciences, Vol.7, No.3, 2011,pp.228-235.
第三章大氣氯鹽量測方法與相關文獻 25 的關聯性研究 28。由 23 個區域，73 組測點一年度飛來鹽分收集工作發現飛來鹽 分會受到四季氣候與季風的影響。且 K3 系列採集器在飛沫帶所收集的飛來鹽分 結果會與 PWRI 法接近。
第三節 國內大氣氯鹽沉積量測文獻
在國內研究部分，於 ISO 濕燭法方面，近期的研究有財團法人工業技術研 究院於 2007 年接受交通部運輸研究所委託的 2 年期研究34。此研究在我國沿海 地區佈置 77 個濕燭法量測設備。並藉由其過去研究資料以距離海岸線 3 km 為 邊界，選擇 9 個位置設置臨海、100m、300m、1 km、3 km 試驗線。而 2 年期試 驗結果配合 54 個二氧化硫沉積量調查結果與各種金屬材料腐蝕試驗結果，建立 臺灣地區大氣腐蝕劣化分區。 臺灣西部海岸的氯鹽沉積速率以初秋到冬季最為嚴重，約在6 ~ 80 mg/m2/day 之間，東部海岸的氯鹽沉積速率則以夏季至初秋，約為15~30 mg/m2 /day。比較 北部與南部則以北部氯鹽沉積速率較高，南部均低於10 mg/m2 /day。並以風向與 風量說明西部氯鹽沉積速率受到東北季風的影響，而東部受到夏季季風及颱風影 響較大。在距海遠近方面，則與其過去研究的試驗結果相同，即距離海岸超過 3000m 以上時，氯離子的沉積速率已明顯減少。 於PWRI土研法研究方面，國內財團法人台灣營建研究院3於2006年接受交通 部公路總局委託的近4年（44個月）研究3。本研究團隊亦參與此項研究，並於計 畫結束後，持續進行海洋大學試驗點觀測。此研究於臺灣北部（苗栗以北縣市） 佈置50個飛來鹽分採集器。於台北金山、桃園竹圍及苗栗白沙屯3處，分別在0 m、 50 m、100 m、150 m、250 m、500 m、1000 m 及3000 m 距離處佈設8 個試驗 點，桃園竹圍更於9000 m 距離處佈設1個試驗點。除此之外亦於海洋大學、金山、 34 陳桂清、柯正龍、羅建明、羅俊雄，「臺灣地區大氣腐蝕劣化因子調查研究」，交通部運輸 研究所研究報告，MOTC-IOT-97-H1DB002，2009。竹圍漁港測點增設相對高程約20公尺之採集器。因此此計畫分別探討距海遠近、 風向、雨量、高程對飛來鹽分的影響。由量測結果並建立臺灣北部氯鹽年平均等 位線分佈圖，如圖3-6所示。由圖中可以發現苗栗以北至基隆地區之氯鹽量的特 性，基本上可將桃園竹圍漁港視為地理上之分界，桃園竹圍以北至基隆海洋大學 地區的氯鹽落鹽量均較桃園竹圍以南至苗栗白沙屯地區為高。如以各季節之氯鹽 量觀察之，各地區之氯鹽落鹽量均在秋季達到最高。桃園竹圍以北至基隆海洋大 學地區冬季落鹽量均遠較春、夏二季來的高，而夏季通常又比春季低；桃園竹圍 以南至苗栗白沙屯地區，春、夏二季落鹽量均較冬季高，而夏季通常又比春季高， 此乃桃園竹圍以北至基隆海洋大學地區冬季時受東北季風響較深，而桃園竹圍以 南至苗栗白沙屯地區於夏季時受西南季風影響所致。 圖 3-6 臺灣北部氯鹽年平均等位線分佈圖（單位：mg/100cm²/day）3 （資料來源：文獻 3） 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
第三章大氣氯鹽量測方法與相關文獻 27 若單以距離來進行探討，則苗栗以北至基隆各地區氯鹽沉積量與離海岸線距 離之迴歸式如下表 3-1 所示。 表 3-1 苗栗以北至基隆各地區氯鹽沉積量與離海岸線距離之迴歸式 3 地區 迴歸公式 基隆 Cair =32.1d -0.60 台北金山 Cair =67.9d -0.62 台北三芝 Cair =15.5d -0.61 桃園竹圍 Cair =17.2d -0.58 桃園永安 Cair =17.2d -0.58 新竹漁港 Cair =7.6d -0.57 苗栗龍鳳 Cair =8.5d -0.57 苗栗白沙屯 Cair =8.9d -0.57 備註：Cair 為氯鹽量(mg/100cm²/day) d 為離海岸線距離（m） （資料來源：文獻 3） 當風向、雨量等氣象因子加入氯鹽沉積量的探討時，則藉由試驗結果迴歸分 析的到下面預測公式。 6 . 0 4 . 0 27 . 1 05 . 0 r u w d Cair r r （ 3-3 ） 式中Cair：氯鹽量（mg/100cm2 /day） r：有效風向百分比（%） r u ：有效風速（m/sec） r w ：有效雨量（mm） d：離海岸線之距離（m）
第四章試驗計畫 29
第四章 試驗計畫
第一節 試驗變數設計
本研究計畫將混凝土進行不同劣化時間的加速鹽霧劣化試驗，由其試驗結 果比對大氣氯鹽觀測資料與混凝土長期曝曬資料，分析其關聯性，進而可建立適 合混凝土抗氯離子能力特性分析的加速鹽霧試驗。因此首先須建立加速鹽霧試驗 所需的試驗條件設定，而後以此設定進行各種變數混凝土的加速鹽霧試驗。相關 說明如下。 1.加速鹽霧試驗條件設定 A.鹽水溶液設定 加速鹽霧試驗條件設計主要為鹽水溶液設定，傳統加速鹽霧試驗所使用之 鹽水溶液與噴霧量依 CNS 8886 為使用化學試藥級的氯化鈉加入導電率低於 20 μS/cm 的去離子水，其濃度為 505 g/L，比重在 1.029 至 1.036 之間，而 pH 必 需維持在 6.5 至 7.2 間。試驗時噴霧室試片支架附近的溫度與鹽水儲存槽內的溫 度需保持在 352℃內。其中噴霧液取樣要求在設備充滿噴霧狀態下運轉 24 小 時候進行，其取樣筒的水平面積必須為 80 cm2，每小時需平均收集 1 mL 液體樣 本，取樣後測試其濃度、比重、與 pH 值判斷是否合乎標準試驗鹽液之規定。而 經由本研究團隊過去 4 年之研究3，我國腐蝕行為較鹽重的北部地區沿海總氯鹽 量平均值最高值約為 9.84 mg/100 cm2 /day。加速鹽霧試驗劣化的氯落鹽量大於現 地值，表示其具模擬加速劣化之能力。 B.劣化環境狀態設定 傳統加速鹽霧試驗劣化環境係為 35℃的連續噴霧環境，由於金屬材料表面 遠較混凝土緻密，因此連續噴霧環境會促使氯離子破壞表面的鈍態保護膜。然而 混凝土為多孔性複合材料，氯離子需藉由吸附與擴散機制進入混凝土中到達鋼筋 表面，因此連續噴霧環境是否會加速混凝土劣化仍有疑慮，因此本計畫以北歐測 試合作組織（Nordisk Innovations Center test methods, nordtest）的 NT Build 228-Prohesion 鹽霧循環劣化試驗方式，採 4 個小時 205℃的噴霧過程和 2 個小時 352℃的乾燥過程，探討乾濕循環的噴霧條件對氯離子傳輸機制的影響。 C.劣化時間設定 傳統金屬材料加速鹽霧試驗劣化進行時間最長約為 1000 小時（41.67 天）， 因此本研究參考過去研究與落鹽量數據，與混凝土材料大多以天數計算，進行 240 小時（10 天）、480 小時（20 天）、720 小時（30 天）、960 小時（40 天）的 劣化試驗。 2.混凝土配比變數設計 於混凝土變數方面，本研究先針對過去本團隊研究已有 4 組長期曝曬氯離 子含量資料的混凝土配比進行延續性試驗 3，配比變數如表 4-1 所示，並較原服 務建議書多兩組試驗配比。相關配比規劃當初係參考沿海混凝土橋樑可能使用的 混凝土配比，因此除設計強度 245 kgf/cm2與 350 kgf/cm2的傳統混凝土配比外 （I245、I350），亦設計地下結構單元所使用的 II 型水泥混凝土配比（II350）以 及未來趨勢與有添加飛灰與爐石礦物摻料的自充填混凝土（SCC），所灌製大型 試體尺寸為 225 cm×60 cm×100 cm。目前已於基隆沿海 10 公尺區域曝曬超過 5 年（如圖 4-1 所示），過去已進行 540 天、720 天、與 840 天曝曬期氯離子深度量 測，此次將進行 1850 天曝曬期試驗。除此之外亦以業界常用混凝土設計強度範 圍設計水灰比 0.35 至 0.65 混凝土配比共 4 組為變數設計進行試驗（較服務建議 書多兩組試驗配比）。經整理後相關試驗變數如下表 4-2 所示。 表 4-1 過去研究已有長期曝曬混凝土配比資料3（單位：kg/m3） 配比 編號 水膠比 （w/b） 水泥 （型式） 爐石 飛灰 粗骨 材 細骨 材 水 化學 摻料 I245 0.57 310 (I 型) - - 914 935 178 4.65 I350 0.45 400 (I 型) - - 945 823 180 2.20 II350 0.45 400 (Ⅱ型) - - 945 823 180 2.20 SCC 0.40 255 (I 型) 85 85 761 952 170 4.25 （資料來源：文獻 3）
第四章試驗計畫 31 圖 4-1 過去研究已有長期曝曬混凝土（於基隆沿海 10 公尺區域曝曬）3 （資料來源：文獻 3） 表 4-2 試驗變數設計表 變數項目 變數說明 鹽水溶液 505 g/L 劣化環境 1. 連續噴霧環境。 2. 四個小時 205℃的噴霧和二個小時 352℃的乾燥複合 循環噴霧過程 劣化時間 0 小時、240 小時（10 天）、480 小時（20 天）、720 小時（30 天）、960 小時（40 天） 混凝土配比 1. 過去文獻已有長期曝曬氯離子含量資料的混凝土配比 4 組 （較服務建議書多兩組試驗配比） 2. 水灰比 0.35 至 0.65 混凝土配比 4 組 （較服務建議書多兩組試驗配比） （資料來源：本研究自行整理）
第二節 混凝土組成材料
1.水 混凝土試體拌合所用的水為符合 CNS 13961 與 ASTM C94 規範所規定的混凝 土拌合用水，一般常使用自來水，其相關性質如表 4-3 所示。 表 4-3 拌合水試驗結果(ppm) 試驗項目 含量 氯離子 0.35 硫酸根離子 0.20 鹼性物質 (Na2O＋0.66K2O) 0.31 總固體含量 0.01 （資料來源：台灣自來水公司） 2.水泥 本計畫試驗採用台灣水泥公司所生產的卜作嵐第一型水泥，比重為 3.15，表 4-4 與表 4-5 為其物理性質與化學成分。 表 4-3 水泥之物理性質 試 驗 項 目 CNS 61-R2001 試 驗 值 細度：Fineness (cm2 /g) Min: 2800 3520 健度：Soundness (％) Max: 0.80 0.05 7 天抗壓強度(kgf/cm2) Min: 197 312 28 天抗壓強度(kgf/cm2) Min: 281 412 初凝：Initial set (分鐘) Min: 45（維卡針法） 3:10終凝：Final set (分鐘) Max: 375（維卡針法） 5:30 （資料來源：台灣水泥股份有限公司）
第四章試驗計畫 33 表 4-5 水泥化學性質 二氧化矽(SiO2) --- 20.89 氧化鋁(Al2O3) --- 5.61 氧化鐵(Fe2O3) --- 3.13 氧化鈣(CaO) --- 63.87 氧化鎂(MgO) Max: 6.00 2.93 燒失量(L.O.I) Max: 3.00 0.73 不溶殘渣(Ins. Res) Max: 0.75 ---
矽酸三鈣(C3S) --- 50.40 矽酸二鈣(C2S) --- 22.20 鋁酸三鈣(C3A) --- 9.57 鋁鐵酸四鈣(C4AF) --- 9.51 （資料來源：台灣水泥股份有限公司） 3.粗骨材 本計畫混凝土所使用之粗骨材為三分碎石，其產地均為我國花蓮地區河域。 其中面乾內飽和狀態比重(SSD)為 2.77，篩分析試驗結果如表 4-6 所示，其粒徑 級配分布圖如圖 4-2 所示。 表 4-6 篩分析試驗結果 篩 號 遺留重量% 累積重量% 通過重量% 1" (25.4 mm) 0.00 0.00 100.00 3/4"（19.05 mm） 0.17 0.17 99.83 1/2"（12.7 mm） 15.17 15.33 84.67 3/8” (9.5 mm) 12.83 28.17 71.83 NO.4 (4.75 mm) 53.33 81.50 18.50 底 盤 18.25 99.75 0.25 (資料來源：本研究自行整理)
圖 4-2 三分碎石之級配分布圖 (資料來源：本研究自行整理) 4.細骨材 本計畫所使用之細骨材為我國花蓮地區河域所產之混凝土用粗砂級配。其面 乾內飽和比重(SSD)為 2.69，篩分析試驗結果如表 4-7 所示，其粒徑級配分布圖 如圖 4-3 所示。 表 4-7 細骨材之篩分析試驗結果 篩 號 遺留重量% 累積重量% 通過重量% 3/8” (9.5mm) 0.00 0.00 100.00 NO.4 (4.75mm) 1.24 1.24 98.76 NO.8 (2.36mm) 18.00 19.24 80.76 NO.16 (1.18mm) 22.04 41.28 58.72 NO.30 (600μm) 14.20 55.48 44.52 NO.50 (300μm) 15.00 70.48 29.52 NO.100(150μm) 20.00 90.48 9.52 底盤 9.30 99.78 0.22 (資料來源：本研究自行整理)
第四章試驗計畫 35 圖 4-3 細骨材之級配分布圖 (資料來源：本研究自行整理)
第三節 混凝土配比設計
將上述材料製作水灰比 0.35 至 0.65 混凝土，表 4-8 為其配比設計表，每個試 驗變數均製作 30 個直徑 10 公分高度 20 公分試體進行後續試驗。 表 4-8 本計畫製作之水灰比 0.35 至 0.65 混凝土配比（單位：kg/m3） 編號 水灰比 水泥 粗骨材 細骨材 水 化學摻料 OPC35 0.35 509 813 881 173 5.09 OPC45 0.45 443 813 881 197 -- OPC55 0.55 392 813 881 216 -- OPC65 0.65 351 813 881 228 -- （資料來源：本研究自行整理）第四節 試驗規劃
1.自然曝曬混凝土試驗規劃 已達 5 年期的自然曝曬試體，其尺寸為 225 cm×60 cm×100 cm，原規劃便已 預留 144 個直徑 10 cm ×30 cm 試體鑽心位置（含背海側），圖 4-4 為試體立面圖。 本計畫為了解經 5 年沿海環境曝曬後，氯離子進入混凝土的深度與濃度，因此將 分別由面海側與背海側鑽心直徑 10cm ×25 cm 試體各 3 個，如圖 4-5 所示。由於 根據 840 天試驗資料，面海側混凝土氯離子進入深度不會超過 10 cm，背海側不 會超過 5 cm。因此規劃將面海側 25 cm 長度鑽心試體的前半段約 15 cm 位置進 行氯離子進入混凝土的深度與濃度量測，後面剩下長度試體進行，可以視為無氯 離子入侵且相同齡期的混凝土配比試體，因此可供鹽霧試驗與強度試驗使用。背 海側試體則於長度 10 cm 後視為無氯離子入侵且相同齡期的混凝土配比試體。圖 4-6 為試體鑽心過程。試體於曝曬與鹽霧試驗時為考量單方向的影響，因此於長 期自然曝曬試體上方與下方以緻密 Epoxy 塗料塗封。所以僅留迎風與背風兩側 為受鹽面。鹽霧試驗時除受鹽面外其餘亦均以緻密 Epoxy 塗料塗封。 圖 4-4 自然曝曬試體立面圖3 (資料來源：本研究自行整理) 225cm 100cm 65cm(#5保護層1cm) 65cm(#5保護層2.5cm) 65cm(#5保護層4cm) Ø 10×20cm 鑽心試體 Ø 10×5cm 箍筋#3 #5@5cm第四章試驗計畫 37 圖 4-5 自然曝曬試體剖面圖 (資料來源：文獻 3 與本研究自行整理) 圖 4-6 自然曝曬試體試體鑽心過程 (資料來源：本研究自行整理) #5保護層 1、2.5、4cm 60cm 100cm 面 海 側 背 海 側 吊耳 #5主筋 直徑 10cm*25cm 鑽心試體 背海側鑽心試體 強度試驗試體 氯離子濃度量測 面海側鑽心試體 鹽霧試驗試體 氯離子濃度量測
2.水灰比 0.35 至 0.65 配比混凝土試驗規劃 將第三節製作之試體經 28 天齡期水中養護後，切割成直徑 10 公分高度 8 公分試體，試體除接觸鹽水噴霧面外，其於試體側與試體面均以環氧樹脂塗封以 確保氯離子擴散方向。而後將試體放入鹽霧試驗機中，依上述加速鹽霧試驗條件 變數進行鹽霧加速劣化試驗過程。試驗過程中將定期取樣蒐集噴霧液體樣本，以 確定鹽水溶液濃度與噴霧量。鹽霧試驗時除受鹽面外其餘亦均以緻密 Epoxy 塗 料塗封。
