建築物耐久性評估指標與殘餘壽命預測方法之研究

PG10101-0416 101301070000G0024

建築物耐久性指標與殘餘壽命預測

方法之研究

受委託者 ： 國立臺灣海洋大學

研究主持人： 葉為忠

協同主持人： 張建智

研 究 員： 黃 然

研究助理： 鄒思宇

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 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）

表次

... III 

圖次

...VII 

摘要

... XI 

第一章

緒 論 ...1 

第一節

研究緣起與背景 ...1 

第二節

研究目的 ...4 

第三節

研究計畫之重要性 ...6 

第四節

研究流程 ...7 

第五節

研究方法及進度說明 ...9 

第二章

蒐集之資料與文獻分析 ... 11 

第一節

鋼筋混凝土老劣化原因 ... 11 

第二節

耐久性評估方法 ...23 

第三節

混凝土結構耐久性與壽命預測 ...46 

第三章

混凝土結構材料耐久性評估 ...75 

第一節

定義與範疇 ...75 

第二節

權重方法之決定 ...76 

第三節

材料因子耐久性指標之分層 ...77 

第四節

因子介紹 ...80 

第五節

鋼筋腐蝕現況耐久性指標介紹 ...83 

第六節

混凝土現況耐久性指標介紹 ...97 

第七節

耐久性綜合評估方法 ... 113 

第四章

實際案例說明 ... 117 

第一節

花蓮縣瑞穗國小 B1 棟檢測實例... 117 

第二節

新北市五股國小至真樓檢測實例 ...130 

第三節

綜合評定結果 ...145 

第四節

殘餘壽命預測計算結果 ...146 

第五章

結論與建議 ...151 

第一節

結論 ...151 

第二節

建議 ...152 

附錄一

...155 

附錄二

...163 

附錄三

...167 

附錄四

...171 

附錄五

...175 

參考書目

...179 

表次

表

1-1 研究進度及預期完成之工作項目表... 10

表

2-1 國內目前常用檢測準則... 25

表

2-2 D.E.R.&U.評估準則 ... 26

表

2-3 A.B.C.D.評等法對結構損傷等級之評定標準... 26

表

2-4 網絡分析法與層級分析法的差異... 37

表

2-5 ANP 法、AHP 法、德菲法之優劣比較 ... 45

表

3-1『耐久性→材料因素』評估項目之權重問卷... 78

表

3-2『耐久性→腐蝕現況』評估項目之權重問卷... 78

表

3-3『耐久性→混凝土現況』評估項目之權重問卷... 79

表

3-4 推薦建築物所處環境條件影響的分級評定標準... 81

表

3-5 建築物齡期因子的評定標準... 82

表

3-6 結構混凝土中鋼筋鏽蝕電位的評定標準... 88

表

3-7 混凝土碳化深度的評定標準... 90

表

3-8 結構混凝土中氯離子含量的評定標準... 93

表

3-9 鋼筋鏽蝕電流的評定標準... 94

表

3-10 混凝土保護層厚度評定係數值... 96

表

3-11 混凝土保護層厚度評定標準 ... 96

表

3-12 混凝土電阻率的評定標準... 99

表

3-13 非水平狀態檢測時回彈值修正值... 103

表

3-14 混凝土澆注表面、底面回彈值的修正... 104

表

3-15 泵送混凝土測區混凝土強度換算值的修正值... 106

表

3-16 結構混凝土現場檢測強度的評定標準... 108

表

3-17 混凝土建築物結構構件表面損傷的損傷度指標體... 109

表

3-18 混凝土建築物結構構件表面損傷的分級評定方法表..110

表

3-19 鋼筋混凝土構件非結構受力裂縫分級評定標準表...111

表

3-20 鋼筋混凝土構件結構受力裂縫分級評定標準表...112

表

3-21 鋼筋混凝土結構構件表面損傷分級評定標準表...113

表

3-22 混凝土構件材質狀況檢測指標與耐久性指標權重值..114

表

3-23 混凝土單一構件之耐久性評估標準...115

表

3-24 混凝土建築物各構(部)件權重值 ...116

表

3-25 構件整體的耐久性綜合評定標準...116

表

4-1 瑞穗國小樓高及用途...117

表

4-2 瑞穗國小 B1 棟中性化試驗結果 ... 121

表

4-3 瑞穗國小 B1 棟氯離子含量試驗結果 ... 121

表

4-4 瑞穗國小 B1 棟抗壓強度試驗結果 ... 122

表

4-5 瑞穗國小 B1 棟梁柱鋼筋配置、間距及保護層厚度之抽樣

探測結果

... 123

表

4-6 建築物之混凝土保護層厚度評定表... 124

表

4-7 結構性受損程度評定標準... 125

表

4-8 瑞穗國小 B1 棟裂縫檢測結果 ... 126

表

4-9 瑞穗國小一樓的耐久性指標權重值... 127

表

4-10 瑞穗國小二樓的耐久性指標權重值... 128

表

4-11 建築整體結構耐久性評估表(花蓮縣瑞穗國小 B1 棟) 129

表

4-12 五股國小使用執照... 130

表

4-13 五股國小樓高及用途... 130

表

4-14 五股國小至真樓中性化試驗結果... 133

表

4-15 五股國小至真樓混凝土中性化權重評定值... 133

表

4-16 五股國小至真樓氯離子含量檢測結果... 134

表

4-17 五股國小至真樓抗壓強度試驗結果... 135

表

4-18 五股國小至真樓鋼筋探測試驗與保護層厚度檢測結果136

表

4-19 五股國小建築物之混凝土保護層厚度評定表... 137

表

4-20 結構性受損程度評定標準... 138

表

4-21 五股國小各樓層混凝土損傷之情況... 139

表

4-22 五股國小一樓的耐久性指標權重值... 140

表

4-23 五股國小二樓的耐久性指標權重值... 141

表

4-24 五股國小三樓的耐久性指標權重值... 142

表

4-25 五股國小四樓的耐久性指標權重值... 143

表

4-26 建築整體結構耐久性評估表(新北市五股國小至真樓)144

表

4-27 瑞穗國小預測混凝土 Dc 之計算表 ... 147

表

4-28 五股國小預測 Dc 之計算表 ... 149

圖次

圖

2-1 混凝土耐久性與性能關係圖... 12

圖

2-2 混凝土劣化之物理因子... 12

圖

2-3 混凝土劣化之化學因子... 13

圖

2-4 結構耐久性損傷原因分類... 13

圖

2-5 鋼筋鏽蝕對混凝土結構性能的影響... 15

圖

2-6 鋼筋鏽蝕引起黏結強度退化... 16

圖

2-7 結構裂縫... 18

圖

2-8 耐久性損傷原因與劣化現象的關係圖... 22

圖

2-9 典型的網絡分析法模型結構... 31

圖

2-10 ANP 法的執行步驟... 32

圖

2-11 ANP 法問題架構示意圖 ... 33

圖

2-12 超級矩陣... 34

圖

2-13 層級分析法與網絡分析法架構圖... 36

圖

2-14 層級分析法決策問題分析優點與步驟流程圖... 41

圖

2-15 耐久性評估架構圖... 42

圖

2-16 使用功能、劣化因子、材料劣化程度、時間關係圖... 43

圖

2-17 結構的使用壽命示意圖... 49

圖

3-1 材料因子耐久性評估項目... 76

圖

3-2 結構的使用壽命示意圖... 82

圖

3-3 腐蝕現況耐久性指標... 83

圖

3-4 銅/硫酸銅參考電極結構圖... 85

圖

3-5 測試系統簡圖... 87

圖

3-6 鑽孔取混凝土粉末的方法... 91

圖

3-7 氯離子滴定儀... 92

圖

3-8 利用 GalvaPulse 測量地區的示意圖... 93

圖

3-9 鋼筋探測儀... 94

圖

3-10 混凝土現況耐久性指標... 97

圖

3-11 混凝土電阻率測試技術示意圖 ... 98

圖

3-12 反彈錘... 99

圖

4-1 瑞穗國小基本位置圖...117

圖

4-2 瑞穗國小 B1 棟教室座落位置圖 ...118

圖

4-3 瑞穗國小 B1 棟正向立面現況圖 ...118

圖

4-4 瑞穗國小 B1 棟背向立面現況圖 ...119

圖

4-5 瑞穗國小 B1 棟二樓走廊立面現況圖 ...119

圖

4-6 五股國小基本位置圖... 131

摘要

關鍵字： 建築物、耐久性評估、殘餘使用壽命預測、層級分析法

一、研究緣起

臺灣位處亞熱帶地區且四面環海，鋼筋混凝土結構物多暴露於高溫、潮濕的環境，地下水或 表面水會隨著暴露時間的增加而逐漸滲入到混凝土結構物中。長期暴露於潮濕環境的混凝土其內 部會有定量的水分，有害物質易隨著水進入到混凝土中，而混凝土中部份的水化生成物會被溶解， 導致混凝土的總孔隙率或連通性增加，提高混凝土中鋼筋腐蝕的機率，進而發生因腐蝕生成物膨 脹，使混凝土開裂、剝落與崩落，降低混凝土結構承載力，喪失混凝土結構耐久性與使用性。過 去鋼筋混凝土結構設計規範多著重於結構強度設計，而未具體考量材料耐久性的問題，結構物的 耐久性不足，將導致結構物提前破壞，修復補強構件費用會隨使用年增加而快速增加，造成生命 週期成本的不經濟，因此探討混凝土劣化原因、機理及影響鋼筋混凝土結構耐久性的重要因素， 成為探討永續混凝土結構物的關鍵課題之ㄧ。同時，針對既有鋼筋混凝土結構物現況，如何選擇 適當的方法，推估其殘餘的使用壽命，亦為評估既有鋼筋混凝土結構物使用狀況的重要課題，以 作為決定維修補強或拆除的參考資料。

二、研究方法及過程

本研究主要目的是針對既有結構物來訂定材料耐久性評估指標與殘餘壽命預測方法進行探 討，主要內容包括探討材料試驗項目及方法，氯離子在混凝土中的傳輸行為、意義及影響，混凝 土內鋼筋腐蝕的電化學反應過程與影響，混凝土碳化過程與意義，利用層級分析法擬定鋼筋混凝 土耐久性指標，經由文獻蒐集與試驗資料研析，選定建築物殘餘使用壽命的預測方法及建立適當 模型，並進行案例驗證。

三、重要發現

本研究所得到之重要發現為： 1. 在建築物耐久性評估上，選定十個項目，又將此十個項目分為混凝土現況與腐蝕現況兩種類 別。混凝土現況指標包括混凝土抗壓強度、混凝土電阻係數、鋼筋保護層厚度、表面損傷(裂 縫)、表面損傷(蜂窩、表面侵蝕、表面沉積)與表面損傷(層離、缺角與掉稜、露筋或剝落)。腐 蝕狀況指標包括氯離子濃度、中性化深度、半電池電位以及腐蝕電流密度四項。 2. 使用層級分析法並透過專家會議，建立各指標間的相對關係。 3. 耐久性評估模式可以僅針對有限的試驗資料進行正規化，仍可以得到評價結果。 4. 耐久性評估模式採用兩個放大因子：環境因子以及齡期因子。 5. 以 ACI 的氯鹽擴散模式，建立起 RC 建築物殘餘壽命預測數學模式。 6. 在本研究中開發程式對於當僅有鑽心取樣的平均氯離子濃度並且僅有混凝土推估的抗壓強度 並無混凝土的氯離子擴散係數的狀況下，以合理的數學方式與推估進行缺乏資料的補正。

四、主要建議事項

經過本研究進行之後，提出立即可行建議及中長期建議： 建議一 立即可行建議—國內其他類型建築物進行類似耐久性評估的相關研究 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國全國建築師公會、中國土木水利工程學會 由於國內有許多構造物是屬於鋼結構或鋼骨鋼筋混凝土結構，本研究中所使用對鋼筋混凝土結 構物耐久性指標的分析方法，稍加改變後(針對不同構造型態其耐久性考量的指標有所不同，如鋼

結構物會考量到銲道或是錨栓之健全性，並且針對不同耐久性指標的相對權重，也需要重新調整)， 如此本研究所使用的方法也可以移植應用在這些結構上。 建議二 立即可行建議—在耐久性指標中加入建築物裝置監測系統訊號 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國全國建築師公會、中國土木水利工程學會 國內之建築物若裝設有沉陷、傾斜等觀測儀，這些監測數據可長期觀察建築物之位移、傾斜等 狀況隨時間的變化，這些觀測資料可以納入耐久性指標的考量內，以提高耐久性評估之可靠度。這 是因為當這些物理量變化太大時，會造成結構物受到拉扯，進而產生破壞、開裂等不利於耐久性的 症狀，導致結構物的耐久性下降。 建議三 中長期建議—建立國內數據資料庫 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國全國建築師公會、中國土木水利工程學會、臺灣混凝土學會 國內有許多材料耐久性評估的檢測數據，諸如氯離子含量、碳化深度、抗壓強度等資料；若將 這些檢測所得數據整理並建立一個統計資料庫，則不但可提供新建建築物之設計參數建議，以及老 舊建築物之維護方式處理考量，更可利於往後進行可靠度分析並加以使用。特別是建立這些資料與 結構物表現(如抗彎能力的變化)之間的時間序列關係，以統計的方式瞭解發生的或然率，如此可以 幫助國內建立當地的統計模式。 建議四 中長期建議—碳化理論公式之建立 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國全國建築師公會、中國土木水利工程學會、臺灣混凝土學會

本計畫是假設氯離子擴散為耐久性失效的最主要原因，並以此來預測殘餘壽命。而混凝土長時 間接觸空氣中二氧化碳，易使混凝土中性化，以增加鋼筋腐蝕之機率，因此可以考量以碳化為主控 的理論公式，針對碳化現象導致的耐久性問題作出合理預測。此等碳化模式需要考慮二氧化碳的擴 散以及二氧化碳的中和化學反應，預測氫氧根離子濃度受到二氧化碳濃度的影響。 建議五 中長期建議—同時考量碳化與氯鹽侵入的理論模式建立 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國全國建築師公會、中國土木水利工程學會、臺灣混凝土學會 當構件內同時存在氯鹽侵害以及碳化問題時，鋼筋發生痕蝕的瓶頸氯離子濃度將會受到孔隙水 溶液內的氫氧根離子濃度影響，而氫氧根離子濃度與碳化發生與否有關。因此，將兩種現象複合一 起考量的理論模式，有發展的必要。除此之外，在這模式中應該考慮到當混凝土受到碳化以後，原 先被化學性束縛的氯離子將會重新變為自由氯離子的機制。

ABSTRACT

Keyword：building， durability assessment， prediction of remaining service life， AHP Background

Taiwan is located at subtropics and surrounded by the ocean where the climate is hot and humid. Reinforced concrete structures exposed to this climate zone are often subjected to the permeability of surface water or underground water so that the moisture contents are high in most concretes. The aggressive ingredients would enter concrete with water and dissolve the hydration products， thus increase the total pore volume or the connection of pores and enhance the corrosion potential of steel reinforcement. The volume of corrosion products is much larger than the original rebar would induce much internal stress and result in cracking， scaling and spalling of concrete surface. Many concrete structures degraded by losing loading capacities or service function are due to the corrosion of steel reinforcement. In the past， reinforced concrete design was focused on the strength not on the durability. However， in-durable structures would fail earlier before their design service life and much funding is needed for maintenance， and strengthening or even demolition. The life cycle cost is high for the structure not designed based on durability performance. For the development of sustainable concrete structures， it is an urgent need to investigate the phenomenon and mechanism of concrete durability and their effects on the capacity or function of concrete structures and to estimate the remaining service life based on the inspecting and testing data. The research results would provide some information to the construction sector for the decision of building management.

Research Content

This aim of this research is to study the durability assessment of existing reinforced concrete building， to set up the durability index using AHP method and to find the methodology for the remaining service life. This project research includes materials testing method， the investigation of transport mechanism and effect of chloride ions， the study of electro-chemical reaction of steel corrosion， the assessment of concrete carbonization. Case study will be provided for demonstration or verification.

The main findings of this research are：

1. Ten items are selected for evaluating the durability of RC buildings. These ten items can be categorized into two levels： the status of concrete and the status of rebar corrosion. The status of concrete level includes the following six durability indices： concrete compressive strength， the resistivity of concrete， cover thickness， surface deterioration (cracks)， surface deterioration (honeycombs， surface erosion and deposit) and surface deterioration (delamination， spalling and

exposure of rebars). The status of rebar corrosion level includes the following four durability indices： the chloride contents， carbonation depth， half-cell potential and corrosion current density.

2. Through the forum， the relative weight between every indices are determined by specialists.

3. A robust mathematical model for evaluating the durability of RC buildings are proposed， which can allow users to find the results by using limited indices but not all.

4. Two factors， the environment factor and age factor， are considered in the evlaution model of the durability of RC buildings.

5. Following the chloride diffusion model suggested in ACI， a mathematical model for predicting the service life of RC buildings is proposed.

6. In this research， a reasonable mathematical model is proposed to deal with the scenario when one only has the average chloride contents for the take-core specimens and having only the compressive strength of conrete but no chloride diffusion coefficient data is available.

Suggestions 1:

Suggestion that can be carried out immediately- performing the similar durability evaluation for other types of structures in Taiwan.

The organizer: construction and planning agency, ministry of the interior.

The co-organizer: architecture and building research institute, ministry of the interior; union internationale des architectures; Chinese institute of civil and hydraulic engineering.

The durability evaluation method developed in this study is used for the reinforced concrete structure, however, with some modification (For different structure types, different durability indices should be considered. For example, the soundness of welding or bolting should be considered for the steel structure. In addition, the weights for each index should be determined according to the professional suggestions for different structure types) it can also be applied to other types of structure such as steel structure and steel reinforced concrete.

Suggestion 2:

Suggestion that can be carried out immediately- to add another durability index using the data from monitoring system.

The co-organizer: architecture and building research institute, ministry of the interior; union internationale des architectures; Chinese institute of civil and hydraulic engineering.

If the buildings in Taiwan have the monitoring system to observe the time history of the settlement as well as the declination, such data can be considered as durability indices. It is known that whan the values of the settlement or declination exceed the safety values, the structure endure extra stress and deterioratations and cracks may occur and such phenomenon will reduce the durability of the structure. Suggestion 3:

Mediate-term or long-term suggestion- building up domestic database. The organizer: construction and planning agency, ministry of the interior.

The co-organizer: architecture and building research institute, ministry of the interior; union

internationale des architectures; Chinese institute of civil and hydraulic engineering; Taiwan concrete institute.

It is very important to collect durability evaluation data such as the chloride content, the carbonation depth, the compressive strength and so on to build up a database. Such a database can provide useful information for design of newly built structures and it also can provide useful information for the users to determine what to do in the maintenance stage. Mostly important issue is that such a database can provide data for future development of reliability analysis. To collect the time series of the structure performance such as the history of the bending strength and the durability indices can provide scholars to devlop a domestic statistical model for the reliability analysis.

Suggestion 4:

Mediate-term or long-term suggestion- building up the service life prediction formula based on carbonation.

The organizer: construction and planning agency, ministry of the interior.

internationale des architectures; Chinese institute of civil and hydraulic engineering; Taiwan concrete institute.

In this study, the chloride attack is assumed be the dominant reason for the failure of durability of RC structures and the theory is then developed to predict the remaining service life. In the forthcoming projects, the theory based on the carbonation should be built and the user then can make a reasonable prediction of service life for the structures suffered from the carbonation. Such a carbonation model needs to consider the diffusion of carbon dioxide and the chemical reaction of carbon dioxide and it should predict the concentration of the hydroxide ions.

Suggestion 5:

Mediate-term or long-term suggestion- building up the service life prediction formula based on carbonation and chloride attack.

The organizer: construction and planning agency, ministry of the interior.

The co-organizer: architecture and building research institute, ministry of the interior; union

internationale des architectures; Chinese institute of civil and hydraulic engineering; Taiwan concrete institute.

While the structure member suffers from the chloride attack and the carbonation at the same time, the thredhold chloride concentration to induce the pitting corrosion of rebar will influenced by the concentration of the hydroxygen ions inside the pore solution which will be affeceted by the carbonation process. Therefore, to consider the coupled model which combining the effects of chloride attack and carbonation is necessary and is worth to develop in the future project. In this model, the effect of releasing the chemically bonded chlorides into free chlorides while the concrete is carbonated needs to be considered.

第一章

緒 論

第一節

研究緣起與背景

壹、研究緣起

臺灣四面環海，屬於海洋性腐蝕的暴露環境。建造建築物所使用的混凝土材料具有原 料來源取得容易、強度高、體積穩定性佳、易施工等特性，因此混凝土是目前用量最大之 營建材料，適合做為房屋結構與其他重要結構物之材料。但過往因混凝土施工品質水準参 差不齊，故若在惡劣之暴露環境下會產生結構物耐久性不足的問題。隨著時間的推移，大 量的鋼筋混凝土結構經過多年的使用，已經相繼進入老化階段，與此同時，越來越多的結 構物因處於嚴酷的環境中，由於結構的耐久性不足而提前發生裂化，無法達到預定的使用 年限，特別是沿海及近海地區的混凝土結構物，由於海洋環境對混凝土的侵蝕，導致鋼筋 鏽蝕而使結構發生早期損壞。早期損壞的結構物需要花費很多的金錢進行維修補強，甚至 造成停工、停產的巨大損失[1]。結構材料其耐久性卻深深影響著構造物的使用性能，且 材料本身耐久性攸關最後使用壽命的評定，更需要訂立耐久性指標項目，並使用科學方法 應用耐久性指標的狀況，亦即透過資料分析計算轉換成權重值，然後對耐久性提出適當的 評估，以作為日後維修補強或拆除重建之參考依據，並可適時延長結構物的使用壽命。緣 此，本研究乃是針對結構材料本身耐久性評估進行研究。

貳、研究背景

以往在工程界上習慣利用混凝土的強度來做為耐久性之參考依據，試體的強度可以做 為耐久性之代表，在品質控制上也有標準可以遵循，但是耐久性是否等於強度，是一個非 常不明確的因素，所以建立一個耐久性指標系統與材料試驗的準則資料庫，不但可以提供 設計者或維修者適當的準則指標以及參考的依據，並且能有效的針對混凝土結構物來進行 耐久性設計或維修，耐久性指標並沒有一個明顯之定義，所以為了能有效的控制混凝土的

耐久性，耐久性指標之評估模式應予確立。混凝土材料具有高強度、體積的穩定性高、施 工使用方便、原料來源取得容易等特性，因此混凝土是目前結構物用量最大之營建材料， 適合做為房屋結構與其他重要結構物之材料。混凝土材料本身也存在脆性很大、抗張力強 度很低及容易產生開裂等缺點，如果長期暴露在惡劣的環境下可能會產生結構物耐久性不 足的相關問題。 建築結構物在其生命週期過程當中與建造施工時使用之規範、材料、施工品質等原先 基本條件及各種外在環境影響因素相互的影響下，會逐漸老化、劣化甚至破壞，導致建築 物的耐久性完全無法達到設計當時的預期理想效果。導致RC結構建築物耐久性降低發生 的原因大至上可以分成三大類：（一）地震力所引起的破壞與崩壞；（二）颱風導致建築物 受到損害的影響（三）鋼筋的腐蝕與混凝土劣化。在所有的影響因素的交互作用之下，使 得結構物的生命週期與使用年限並不容易進行評估，更不易來預測其殘餘壽命。唯一可以 肯定的是，如果建築物具備良好的結構設計、完善的施工品質與維護防範措施，這樣才能 在許許多多的人為破壞與自然的災害中存留下來。然而進行建築物結構老、劣化之診斷可 以瞭解到建築物結構是否具備耐久性；但在進行建築物結構老、劣化診斷之前，則需要有 完整且正確的評估資料。因此，必須充分瞭解房屋結構產生劣化的原因及劣化機制，才能 取得正確且合宜的檢測評估資料，並對結構老劣化行為做出正確的評估。建築結構物是日 常生活上非常普遍可見的結構物，建築結構物必須經歷並遭受環境侵害及天然災害的破壞 與挑戰，一旦發生了損害或崩壞，可能會造成民生的問題與民眾生命的威脅，所以探討建 築物耐久性之原因與程度、使用安全及預測殘餘使用壽命等，具有重大的意義。當建築結 構物處於惡劣嚴酷的環境當中，特別是沿海或是近海地區的RC建築結構物，由於海洋環 境對混凝土的侵蝕，導致鋼筋鏽蝕而使結構發生損壞與破壞，使建築結構物的耐久性不足 而提前發生裂化，導致無法達到預計的使用壽命年限。如何利用建築結構物檢測資料，以 評估建築結構物的使用情況並在未處理的條件下，評估其可能的殘餘壽命，是建築結構物 維護管理系統上重要的研究。建築結構物檢測的內容一般包括混凝土抗壓強度、中性化深

度、腐蝕電流、氯離子濃度、腐蝕速率、保護層厚度、裂縫位置與寬度等與腐蝕相關的檢 測數據。利用這些檢測數據來考量其它非腐蝕因素來評估建築結構物的耐久性。 建築結構物的使用壽命變成為當前重要的研究課題之ㄧ。且使用中的建築結構物之使 用壽命或殘餘壽命預測應該是國內外未來需要密切注意之研究方向，是往後研究的主流之 一。使用中的建築結構物的破損、老化、劣化與承載力的不足是個國際性需要共同面對的 一大問題。而建築結構物在長期的外部環境和使用材料因素下，會發生建築結構物的損 壞，就以環境因素來看(如大氣中的CO2、Cl－和SO2，土壤中的硫酸鹽類譬如CaSO4、 MgSO4、Na2SO4等)隨時都在侵蝕建築結構材料，至於材料因素方面(如混凝土的強度、滲 透性及鋼筋的保護層厚度等)都會影響建築結構物的壽命。當空氣中Cl－

和CO2從混凝土表 面的孔隙中侵入，勢必會導致材料的劣化，建築結構的功能逐漸地被削弱，甚至喪失，這 是一個不可改變的客觀因素。在鋼筋混凝土結構物的使用壽命上，CO2是誘導鋼筋混凝土 結構腐蝕的關鍵因素，當CO2侵入混凝土中時，會與Ca(OH)2產生CaCO3，且被束縛在孔 隙壁上，並導致pH值的降低，當pH值小於11.5時，混凝土中的鋼筋就開始腐蝕。因此只 有部分剩餘的自由氯離子或CO2在孔隙溶液中繼續向內傳輸進入混凝土中，由此可見，混 凝土孔隙溶液中的自由氯離子或CO2正會破壞混凝土中鋼筋表面的鈍態保護膜，導致鋼筋 腐蝕，危害建築結構物的安全。

第二節

研究目的

本研究研究內容目標就是將過去混凝土耐久性影響因子與評估指標研究之相關文獻 及研究成果進行蒐集、彙整與資料重建，並藉由本研究結果建立混凝土耐久性方面的資料 庫統計，應用統計方法，去發掘材料因子與耐久性之間的相互關係，建立耐久性評估指標 且訂定建築物材料耐久性本土化影響因子與等級，並應用科學方法使用耐久性評估指標對 建築物提出適當處理方式，及建立建築物殘餘壽命預測之數學模式。 在建築物材料耐久性評估部份，本研究建立(1).以混凝土材料的耐久性評估為主，並 將其分為混凝土現況以及腐蝕狀況兩大類指標；(2).建立本土化權重(3).AHP層級分析法可 以用來評定單一構件之耐久性，也可以用來整合評估建築物整體的耐久性。 在建築物耐久性評估部份，蒐集國內建築物耐久性相關數據之量測與統計工作，並結 合國內耐震詳評之案例來進行評估與驗證，使進行國內建築物耐久性評估能更加的完整。 在建築物材料耐久性評估上，本研究將其它會影響耐久性之因子如齡期因子等納入，來進 行評估考量；由於耐久性綜合眾多相關因素，故本研究僅針對在做檢測時常會進行之相關 試驗探討，因此僅以材料做為出發點，研究材料老劣化對建築物耐久性的影響。其他的影 響因子如齡期因子、設計因子、施工因子、環境因子等，將選擇重要者以粗略的放大係數 的觀念融入所得到之材料評估中加以修正。 提出結構材料耐久性影響因子評估項目與等級，來建立材料因子與建築物耐久性之關 係，並藉由問卷設計調查及使用AHP層級分析法來建立單一構件材料各耐久性評估指標之 權重值後，接著經由適當的計算模式將之組合疊加，以獲致定量化的評分，然後再整合各 單一構件所獲得的評分，最後透過耐久性等級分類，對整體結構材料耐久性給予綜合評估。 經由上述之研究分析，提出建築物耐久性評估方法與建立耐久性評估指標，並進行案 例探討分析，以提供建築物耐久性設計或評估時之參考。

一般而言，建築物耐久性檢測評估之目的有下列幾點： 1. 確保建築物實際狀況是否處於良好、堪用狀況，以提供適當的補強與維修。 2. 實際了解建築物本身的現況，且同時對主體結構受損狀況充分掌握，並適時的提出 相關警訊。 3. 經由建築物耐久性評估結果可提供評定建築物的危險等級，以供研判修復工法及經 費編列之依據，以減少公共工程成本。 4. 確實掌握各階段影響建築物耐久性之各項主要關鍵因素，檢視整體建築物的耐久性。 5. 將建築物耐久性評估方法系統性整合，並制定一套完整的檢測標準。 期望此計畫日後能納入建築物維修補強及檢測機制當中，使未來建築物檢測管理系 統架構更加完善與成熟。

第三節

研究計畫之重要性

臺灣為全世界鋼筋混凝土構造物密度最高的地區，鋼筋混凝土構造建築物約佔全國95 ％以上[2]，目前臺灣在建築物上使用大量的鋼筋混凝土結構，依營建署統計目前國內的 新建築70%都是鋼筋混凝土構造，除了部分辦公大樓之外，鋼骨構造或木構造的建築物比 例相對較低，且近幾年來，鋼筋混凝土構造物破壞劣化事件頻傳，造成許多財物的損失及 人員的傷亡[3]，故混凝土結構值得研究與探討。建築物耐久性主要係考量其安全性、經 濟性與環境性等因素，因此為了確保建築物在合理的建造成本下，有較長的使用年限及合 適的維護方式，世界各國建築物在發展長期耐久性的設計方面及精確的預測模式上，做了 相當多的努力，特別是不同的影響因子組合可能引起之耐久性問題[4]。因此，如果想要 對建築物有一個既好又精確的長期預測，則需要有一套考慮完善又精確的評估方式。 初始設計混凝土結構物時，除了考量到混凝土的強度之外，混凝土材料的耐久性更是 重要的考慮重點；混凝土的耐久性是指混凝土在使用年限之內能維持其物理特性與力學性 質，使混凝土不致於發生嚴重的劣化現象，以確保結構物整體的安全性。以往評定混凝土 的品質常常以抗壓強度為依據，但是混凝土的抗壓強度高未必表示其耐久性佳，故本研究 將混凝土結構物耐久性不足的主要因素大致上分為混凝土的劣化現況及鋼筋的腐蝕現況 兩大類。由於鋼筋混凝土結構物會因為暴露環境的不同而遭受到各種化學性或物理性的侵 蝕，使得結構物未達設計年限就產生劣化與破壞等損壞現象。而混凝土的劣化成因主要是 由於混凝土受到外在或內在因素的影響，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]。而混凝土受到外在與內在的因素影響，導致混凝土產生物理性質或化學性質產生變 化，使得混凝土發生膨脹性的開裂或產生連通性的孔隙現象等。而物理性的侵蝕包括受到 風化作用所引起混凝土的劣化變質、沖刷混凝土表面造成磨耗損壞或孔蝕性的破壞以及因

結構物承受載重作用使得混凝土產生裂縫等；而化學性的侵蝕主要包括侵蝕物質（如氯離 子、二氧化碳、硫酸根離子等）與硬固水泥漿水化產物產生交換反應、硬固水泥漿體產生 溶解及析晶之反應、產生膨脹物質之反應等[6]。在鋼筋腐蝕方面，主要為氯離子侵蝕、 中性化作用及氧化還原作用造成膨脹腐蝕生成物，使混凝土開裂而增加鋼筋暴露程度，因 而增加有害離子侵蝕鋼筋的機會；混凝土耐久性的問題受結構設計、材料選擇、施工技術 及養護等因素控制，同時也需配合環境因子作用的影響，故若能針對鋼筋混凝土破壞的原 因提出良好的預防與改善之道，對提升混凝土結構物的耐久性有相當的助益。

第四節

研究流程

本 研 究 初 步 蒐 集 國 內 混 凝 土 耐 久 性 評 估 的 相 關 文 獻 並 加 以 彙 整，力 求 報 告 之 完 整 性 ， 在決定材料因子的權重上採用AHP 層級分析法，且經由專家學者擬定每項配 置的權重值，透過對於建築物的檢測結果，瞭解材料目前的耐久性狀況為何。由於本部 份的研究，主要是以混凝土材料的耐久性為出發點，故不將設計不良、超載、基礎掏空 等其它原因所造成之結構劣化納入評估。預計此部份的完成，將可以提供國內業者對既 存鋼筋混凝土結構物是否有腐蝕耐久性危機有一評等之機制，並可以從評分等級評定該 做何種處置。本研究之研究流程圖見圖1-1 所示。

圖1-1 本研究之研究流程圖

第五節

研究方法及進度說明

壹、研究方法

訂定出結構材料耐久性影響因子的評估項目與等級，且透過問卷調查及使用層級分析 法來建立建築物單一構件材料的耐久性評估指標之權重值配置；本計畫將齡期，納入建築 物的耐久性的評估考量，並以粗略的放大係數之觀念融入材料評估當中，且適時的加以修 正；經由適當的數學計算將之組合疊加，來取得定量化的評分，並整合各個建築物單一構 件所獲得的評分，最後依照耐久性的等級分類，對整體結構材料耐久性給予綜合評估，且 評定是否需補強或拆除。

貳、進度說明

表1-1 研究進度及預期完成之工作項目表 月次 工作項目 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 備 註 確立研究目的與 範圍 耐久性評估指標 探討與建立 混凝土耐久性檢 測 建築物耐久性評 估 建築物殘餘壽命 預測 評估成果與結論 成果報告書 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 7.7 % 15.4 % 23.1 % 38.5 % 53.9 % 61.6 % 69.3 % 77 % 84.7 % 92.4 % 100 % (資料來源：本研究繪製)

第二章

蒐集之資料與文獻分析

第一節

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 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 。 7. 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 。 8. 混凝土強度降低： 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 的 劣 化 主 要 是 受 到 環 境 因 素 的 影 響 ， 在 一 般 大 氣 環 境 之 下 ， 混 凝 土 強 度 在 相

當 長 的 時 間 後 ， 才 會 開 始 降 低[23]，在濱海環境的混凝土強度，齡期到達 30 年 時 其 強 度 約 降 低 50%[24]。 9. 結構的過大變形： 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 、 板 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 。 使 結 構 物 產 生 劣 化 的 主 要 原 因 與 劣 化 現 象 的 關 係 如 圖 2-8 所示[25]。

耐久性損傷主要原因 外部原因 內部原因 一般環境 特殊環境 劣化現象 設計 反應性骨料 K2O Na2O 無機鹽 保護層不足 設計 材料 施工 溫度、溼度 CO2 一般環境 Cl-離子 凍融 酸性土壤 腐蝕性物質 特殊環境 中性化 裂縫 鋼筋銹蝕 混凝土脫落 表面劣化 混凝土 強度劣化 侵蝕 化 退 能 性 構 件 構 結 圖2-8 耐久性損傷原因與劣化現象的關係圖[25] (資料來源：文獻[25])

第二節 耐久性評估方法

目 前 臺 灣 的 混 凝 土 結 構 物 耐 久 性 評 估 方 法 主 要 可 分 為 交 通 部 國 道 高 速 公 路 局 與 公 路 總 局 使 用 之「D.E.R&U.評等法」、內政部營建署訂頒提供縣政政府使用 之 「A.B.C.D 評等法」；混凝土耐久性指標權重值可利用專家評估法來求得，一 般 專 家 評 估 方 法 包 括：層 級 分 析 法(AHP)[26]、德菲法[27，28]、模糊數學法[29] 以 及 網 絡 分 析 法[30]等。混凝土結構的耐久性評估方法，都需要通過以下步驟來 完 成 混 凝 土 結 構 物 的 耐 久 性 評 估[31]： (1) 定義何為目標，如此研究計畫的耐久性指標等，此項目為輸出目標。 (2) 定義何為評估所需使用的項目，此項目必須為影響因子。 (3) 建立影響因子的量化 (如果非為量化數據，則應採用數學手段將之量化)。 (4) 建立各影響因子對輸出目標的響應函數 (若為線性函數則是建立權重矩陣；若為非 線性，則視響應函數定義而建立相關係數)。 (5) 定義目標函數的合理合格值或分類區間(如耐久性指標達 0.8)。 (6) 比較目前的目標函數值處於何範圍，作出評估與評定。 以 上 的 各 種 方 法，其 數 學 操 作 模 式 都 已 經 制 式 化，而 在 處 理 上 比 較 會 出 現 差 異 的 反 而 是 在 於 步 驟(1)、(2)、(4)以及(5)，因為這些都涉及到建模者本身如何去 定 義 一 個 系 統，也 就 是 說 這 些 與 經 驗 還 有 評 定 有 關，受 到 人 為 影 響 以 及 當 初 問 卷 設 計 的 影 響 較 大 。 如 何 盡 量 排 除 人 為 因 子 ， 其 實 是 評 估 法 成 功 與 否 最 重 要 的 關 鍵 ， 因 此 選 擇 一 個 優 良 的 方 式 來 排 除 人 為 因 子 ， 是 極 為 重 要 的 。

壹、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 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 建 築 物 的 耐 久 性 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.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 上 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評定(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(可比較 表 2-2 與表 2-3 之等級評定狀況)。檢測準則之概要重點如表 2-1 所示。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訂 之 目 視 檢 測 評 估 準 則。A.B.C.D.檢測準則為中華工程顧問公司為臺灣省住都處所 編 定 的「 混 凝 土、鋼 橋 一 般 檢 查 手 冊 」中 所 制 訂 之 目 視 檢 測 準 則。雖 然 種 檢 測 準 則 各 有 其 優 劣，但 是 於「 臺 灣 地 區 橋 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，以提供檢測時評定之參考，雖然 D.E.R.&U. 評 等 法 對 劣 化 程 度(D 值)評定等級的「原則性」定義不夠明確，但主要仍以劣化 程 度 評 定 之「 等 級 定 義 」做 為 檢 測 評 定 之 標 準，若 能 夠 經 由 訓 練 來 充 分 瞭 解 劣 化 程 度 評 定 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 。 表2-1 國內目前常用檢測準則[22] 評估準則 檢測類別 檢測項目 劣化評等標準 橋況評估指標 採用之機關 目視檢測 依構件分為 21項目 D.E.R.U. 評等法 儀器檢測 分為7種檢 測項目 分為1~4級 分為 CI、PI、 FI、OPI四種指標 高公局公路總 局、基隆港務 局 A.B.C.D. 評等法 目視檢測 分為8大類 及其細分項 目 分為A~D級 無 鐵路局住都處 新北市政府 危險度 評等法 耐震能力 耐洪能力 承載能力 分成初步 評估與詳細 評估 加權分數計算法 以分數高低 評定安全度 交通部科技 顧問室研究 使用 (資料來源：文獻[22])

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 2-2 所示[22]。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評定。 而 A.B.C.D.評等法之評定標準則分為 A~D 四個等級，若無此項目或無法評 定 結 構 物 之 損 傷 狀 況 時，則 評 估 值 為 N，上述以外之場合則紀錄為 OK，其評等 準 則 如 表 2-3[22]所示。 表2-2D.E.R.&U.評估準則[22] 劣化程度 無此項目 良好 尚可 差 嚴重損壞 劣化範圍 無法檢測 小於 10% 10% ~ 30% 30% ~ 60% 60%以上 影響程度 無法評定 微 小 中 大 維修急迫性 無法評定 例行維護 三年內 一年內 緊急處理 (資料來源：文獻[22]) 表2-3A.B.C.D.評等法對結構損傷等級之評定標準[22] 評定等級 狀 況 A 損傷輕微，需要作重點檢查。 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，必須採取緊急修補。 N 無此項目或無法評定結構物之損傷狀況。 OK 上述以外之場合。 (資料來源：文獻[22])

採用以D.E.R.&U.檢測準使用上有以下優點： 1. 可簡化檢測工作：僅需針對有劣化現象之構件進行評估，並可凸顯出建築物損壞之 重點。 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 築物維修作業之規劃。 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，亦可對缺陷對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與 交通性之影響。

貳、德菲法(Delphi Method) 德菲法又稱為專家評定法，其主要目的在於達到各位專家學者們的認知共識，並尋 找各位專家學者對某一問題或特定議題的一致性意見，德菲法是屬於群體決策方法的一 種，德菲法在取得專家意見的問卷調查過程中，以匿名的方式，避免面對面接觸的情況 下，利用問卷或其他意見蒐集工具，實施反覆多回合的個別意見問卷調查，並於每次的 問卷調查結束後，將新的問卷與分析結果分送回給參與決策的專家學者，並反覆地回饋 資訊給予參與施測的專家學者們，直到專家意見差異降至最低且趨於統合、收斂，達到 有效的共識[32]。 德菲法能使參與的專家學者匯總出一個比較能反映群體意見的預測結果。文獻[33] 認為整體問卷一致性程度的檢定需具有80%以上的意見達到一致，才可視整體問卷獲得 一致且穩定的共識。 根據文獻[34]，德菲法為一種結構性的團體溝通過程，在施測的過程當中，參與的 專家學者就某決策議題充分表達其意見，並受等同的重視，以求得在該複雜決策議題上 意見有效的共識。 透過文獻[35]可得知，參與德菲法問卷調查的施測專家學者，需要具備該研究領域 的相關實務經驗及專業知識，並能適時的提供合乎時宜的資訊與意見。 德菲法為一種專家決策的方式，參與德菲法研究的專家學者們，為德菲法研究的重 心所在，故專家學者們所提供的意見具有深遠的意義與影響。

德菲法的特徵：[36] 德非法的特徵具有保密性、反覆性、回饋性。 1. 保密性： 由於專家學者們的意見受到保密，故可以不受到任何拘束的表達自己的觀點，並透過匿名 的方式，且秉持客觀、公正的立場，來填寫調查問卷，匿名的方式也能避免盲目附和的現象發 生，故最後調查出來的結果也較能反應出真正的看法。 2. 反覆性： 調查問卷會反覆多次的往返，且德菲法在施測第二次以後的問卷.均會提供專家學者上一 回問卷調查的統計結果，使參與問卷填寫的專家學者可以從中暸解其他人的觀點與想法，並對 自己原先的意見提出修正，使意見更加完善且趨向於一致。 3. 回饋性： 德菲法具有回饋與反覆作用的影響，使參與施測的專家學者，意見能趨向一致，讓專家學 者得知別人意見的訊息，讓所得到的結論能更加接近決策問題的重要核心。 德菲法研究也有使用條件及限制如下所示[37]： 1. 施行德菲法相當的耗時與不容易控制進度，且專家學者的意見難免出現前後矛盾。 2. 參與熱誠意願不高的施策對象，容易在過程中退出施策。 3. 德菲法的施策，必須仰賴專家的直覺知識，且預測結果容易受到專家自我主觀評定的影響。 4. 施測德菲法的過程中，由施測者統籌主持，因此德菲法可能會受到施測者的干擾。 5. 德菲法的最後結論大多較為籠統，因此僅能作為訂定決策時的參考與方向指導。 德爾非法為專家評估預測方法之ㄧ，也是群體決策的一種方法。與 AHP 層級分析 法相似，德爾非法也具有擷取問卷調查和會議兩者之優點，德爾非法假設大多數的專家 於多次問卷作答後，其意見逐漸趨向於最後真實的答案，以下為使用德爾非法的優缺點。

德爾非法之優點：[27] 1. 經由數次往返的問卷調查及不同專家間資訊之橫向傳遞，逐步凝聚專家間之共識。 2. 問卷調查之過程中，形同專家們一同參與規劃，促進專家對於問題之更深入的瞭解，有 助於 提供較客觀之意見。 3. 採匿名方式進行，不必遭受批評，因而可以獨立評定，且個人意見皆能獲得同等充分之重視。 德爾非法之缺點：[28] 1. 蒐集各方專家意見耗時日久，花費成本高。 2. 所謂專家意見一致，只是代表專家意見落在某一範圍中，而此範圍隱含了模糊性，但在處理的 過程中卻未將此模糊性納入考慮。 3. 調查問卷回收率低。 4. 在求取專家意見一致過程中，容易扭曲專家意見，亦即會系統性的削弱對手的意見與抑制不同 的想法。 德爾非法與層級分析法都為專家評估預測方法，由於德爾非法需花成本較高、問卷 需要較長的蒐集回收整理的時間，且容易扭曲各位專家的寶貴意見，無法於當場解釋說 明，故本研究計畫將採用層級分析法，來做為此計畫的耐久性評估方法。

参、網路層級分析法(Analytic Network Process，ANP) 文獻[38]認為群組與元素間彼此具相依性的交互影響關係可以用圖形的方式來呈現，圖形中 每一元素必須相連，無法分成二個或二個以上不相連的圖形。 網絡分析法為層級分析法的延伸，層級分析法係將欲研究之問題以由上往下以垂直層級關係 展開，加入權重量化後進行比較評估，初期廣泛應用於決策分析方面。網絡分析法是層級分析法 的一般化，主要是將層級分析法加上回饋(feedback)機制。網絡分析法的基本假設中，除了第一項 「層級結構為有向網路」及第二項「要素間彼此相依」與層級分析法不相同外，其餘假設均與層 級分析法相同。網絡分析法將問題分解成許多不同類別的群組，各個群組中包含許多元素，而且 群組與元素間依決策者對問題的定義與需求，建構成群組與元素彼此相關的網狀圖。網絡分析法 的整體結構主要分為控制層與網路層兩大類如圖2-9 所示[39]。控制層是指準則、次準則與目標之 間的層級關係。控制層滿足層級分析法之基本假設，也就是所有決策準則皆彼此獨立，且只受目 標元素支配，控制因素中可以沒有決策準則，但至少有一個目標，控制層中每一個準則的權重均 可用層級分析法之方式獲得；而網路層是由所有受控制層支配的群組所組成，群組之間形成互相 影響的網路結構。 圖2-9 典型的網絡分析法模型結構[39] (資料來源：文獻[39]) 文獻[38]提出網絡分析法主要是因應許多決策問題通常沒有辦法以結構化的層級分析法的層 級架構來表示，主要是因為真實情況中上下層級間常常存在相互依賴，彼此相互作用之類似網狀 的關係，而非單純由上而下的線性關係且網絡分析法具相依性與回饋性，並使用超級矩陣來計算

權重。網絡分析法包含兩種相依性，分別為同一群組中各元素間彼此交互影響的內部相依關係及 群組與群組之間具交互影響的外部相依關係，它提供一個完整架構其中包含群組與元素之間的連 結，使決策者可以依其期望的方式去研究整個問題，並從問題中找出各個元素與群組之間的相互 影響，再推導出各方案之優先順序比例尺度[40]。 文獻[41]認為網絡分析法是以層級分析法為基礎運作，並將網絡分析法分成四個階段，其執 行步驟如圖2-10 所示[42]：

選擇最佳方案

建立成對比較矩陣並計算其特徵向量

一致性檢定

形成超級矩陣

形成架構與問題

圖2-10 ANP 法的執行步驟[42] (資料來源：文獻[42])