快速氯離子穿透試驗於含飛灰爐石混凝土耐久性能評估之研究

快速氯離子穿透試驗於含飛灰爐石混凝土耐久性能評估之研究

內政部建築研究所協同研究報告

︵

年度︶

103

快速氯離子穿透試驗於含飛灰爐

石混凝土耐久性能評估之研究

內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告

中華民國 103 年 12 月

快速氯離子穿透試驗於含飛灰爐石

混凝土耐久性能評估之研究

研究主持人：鄭元良

主任秘書

協同主持人：楊仲家 教授

研 究 員：卓世偉、林志彥、鄒思宇、厲娓娓、周楷峻

研 究 助 理 ：江慶堂、高淑文

內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告

中華民國 103 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

目次 ... I

表次 ... V

圖次 ... VII

摘要 ... XV

ABSTRACT ... XIX

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 本研究計畫之重要性... 5

第四節 國內外有關本案之研究情況 ... 6

第五節 研究主題範圍 ... 7

第六節 報告內容說明 ... 7

第二章 文獻回顧 ... 11

第一節 RCPT 現行試驗標準說明 ... 11

第二節 飛灰混凝土 ... 15

第三節 爐石混凝土 ... 18

II

第三章 試驗變數設計與方法 ... 23

第一節 變數設計 ... 23

第二節 混凝土組成材料性質 ... 24

第三節 混凝土配比設計 ... 29

第四節 試驗方法 ... 33

第四章 研究成果 ... 41

第一節 抗壓強度試驗結果 ... 41

第二節 RCPT 電量試驗結果 ... 54

第三節 RCPT 試驗後內部氯離子含量試驗結果 ... 66

第四節 研究成果綜合分析 ... 88

第五章 評估添加礦物摻料混凝土 RCPT 總電荷量改善方法

... 97

第一節 改善方法建立

...

97

第二節 CNS 14795 標準增修建議

...

101

第六章 專家諮詢會議 ... 105

第七章 研究結論與發現 ... 107

第一節 結論

...

107

第二節 建議

...

108

參考書目 ... 111

附錄一-期初審查意見與回應 ... 115

附錄二-第一次專家諮詢會議紀錄 ... 119

附錄三-期中審查意見與回應 ... 125

附錄四-第二次專家諮詢會議紀錄 ... 129

附錄五-期末審查意見與回應 ... 133

表次

表 1-1 執行工作內容與期末報告對照表與完成率 ... 8

表 2-1 氯離子穿透性與 RCPT 總通過電量關係

2,3,4

... 15

表 2-2 CNS 3036 規定之飛灰品質要求

26

... 17

表 2-3 不同飛灰的典型化學成分

26

... 18

表 2-4 高爐石粉之物理性質

29,30

... 19

表 3-1 混凝土配比變數 ... 24

表 3-2 拌合水試驗結果(ppm) ... 24

表 3-3 水泥之物理與化學性質 ... 25

表 3-4 飛灰主要化學成分 ... 26

表 3-5 爐石粉主要化學成分 ... 27

表 3-6 篩分析試驗結果 ... 27

表 3-7 細骨材之篩分析試驗結果 ... 28

表 3-8 本研究混凝土配比編號設計（飛灰混凝土） ... 30

表 3-9 本研究混凝土配比編號設計（爐石混凝土） ... 30

表 3-10 本研究飛灰混凝土配比設計 ... 31

表 3-11 本研究爐石混凝土配比設計 ... 32

表 4-1 飛灰混凝土養護材齡 28 天抗壓強度試驗結果 ... 42

表 4-2 飛灰混凝土養護材齡 91 天抗壓強度試驗結果 ... 43

表 4-3 爐石混凝土養護材齡 28 天抗壓強度試驗結果 ... 44

表 4-4 爐石混凝土養護材齡 91 天抗壓強度試驗結果 ... 45

表 4-5 飛灰混凝土 RCPT 總電荷量試驗結果（養護材齡 28

VI

天） ... 55

表 4-6 飛灰混凝土 RCPT 總電荷量試驗結果（養護材齡 91

天） ... 56

表 4-7 爐石混凝土 RCPT 總電荷量試驗結果（養護材齡 28

天） ... 57

表 4-8 爐石混凝土 RCPT 總電荷量試驗結果（養護材齡 91

天） ... 58

表 4-9 各飛灰混凝土配比 RCPT 後試體內部總氯離子含量

與穿透深度 ... 79

表 4-10 各爐石混凝土配比 RCPT 後試體內部總氯離子含

量與穿透深度 ... 80

表 5-1 氯離子穿透性與修正後 RCPT 總通過電量關係對照

表 ... 101

圖次

圖 1-1 本研究流程圖 ... 9

圖 3-1 三分碎石之級配級配分布圖 ... 28

圖 3-2 粗砂之級配級配分布圖 ... 29

圖 3-3 混凝土全斷面磨粉儀器 ... 34

圖 3-4 穿透深度 1 cm 至 5 cm 切片磨粉取樣示意圖 ... 34

圖 3-5 Metrohm 702 SM 型電位滴定儀 ... 37

圖 3-6 滴定過程電位變化與硝酸銀加入量關係 ... 37

圖 3-7 典型的離子層析法試驗結果 ... 38

圖 3-8 Metrohm MIC 模組式離子層析儀 ... 39

圖 4-1 不同水膠比飛灰混凝土替代量與抗壓強度之關係圖

（養護材齡 28 天） ... 46

圖 4-2 不同水膠比飛灰混凝土替代量與抗壓強度之關係圖

（養護材齡 91 天） ... 46

圖 4-3 不同水膠比爐石混凝土替代量與抗壓強度之關係圖

（養護材齡 28 天） ... 47

圖 4-4 不同水膠比爐石混凝土替代量與抗壓強度之關係圖

（養護材齡 91 天） ... 48

圖 4-5 不同替代量飛灰與爐石混凝土抗壓強度比較圖（養護

材齡 28 天） ... 48

圖 4-6 不同替代量飛灰與爐石混凝土抗壓強度比較圖（養護

材齡 91 天） ... 49

VIII

圖 4-7 不同替代量飛灰混凝土材齡與抗壓強度關係圖（水

膠比 0.35） ... 50

圖 4-8 不同替代量飛灰混凝土材齡與抗壓強度關係圖（水

膠比 0.45） ... 50

圖 4-9 不同替代量飛灰混凝土材齡與抗壓強度關係圖（水

膠比 0.55） ... 51

圖 4-10 不同替代量飛灰混凝土材齡與抗壓強度關係圖（水

膠比 0.65） ... 51

圖 4-11 不同替代量爐石混凝土材齡與抗壓強度關係圖（水

膠比 0.35） ... 52

圖 4-12 不同替代量爐石混凝土材齡與抗壓強度關係圖（水

膠比 0.45） ... 52

圖 4-13 不同替代量爐石混凝土材齡與抗壓強度關係圖（水

膠比 0.55） ... 53

圖 4-14 不同替代量爐石混凝土材齡與抗壓強度關係圖（水

膠比 0.65） ... 53

圖 4-15 飛灰混凝土替代量與總電荷量關係圖（材齡 28 天）

... 59

圖 4-16 飛灰混凝土替代量與總電荷量關係圖（材齡 91 天）

... 59

圖 4-17 爐石混凝土替代量與總電荷量關係圖（材齡 28 天）

... 60

圖 4-18 爐石混凝土替代量與總電荷量關係圖（材齡 91 天）

... 60

圖 4-19 不同替代量飛灰與爐石混凝土 RCPT 總電荷量比

較圖（養護材齡 28 天） ... 61

圖 4-20 不同替代量飛灰與爐石混凝土 RCPT 總電荷量比

較圖（養護材齡 91 天） ... 62

圖 4-21 不同替代量飛灰混凝土材齡與 RCPT 總電荷量關係

圖（水膠比 0.35） ... 62

圖 4-22 不同替代量飛灰混凝土材齡與 RCPT 總電荷量關係

圖（水膠比 0.45） ... 63

圖 4-23 不同替代量飛灰混凝土材齡與 RCPT 總電荷量關係

圖（水膠比 0.55） ... 63

圖 4-24 不同替代量飛灰混凝土材齡與 RCPT 總電荷量關係

圖（水膠比 0.65） ... 64

圖 4-25 不同替代量飛灰混凝土材齡與 RCPT 總電荷量關係

圖（水膠比 0.35） ... 64

圖 4-26 不同替代量飛灰混凝土材齡與 RCPT 總電荷量關係

圖（水膠比 0.45） ... 65

圖 4-27 不同替代量飛灰混凝土材齡與 RCPT 總電荷量關係

圖（水膠比 0.55） ... 65

圖 4-28 不同替代量飛灰混凝土材齡與 RCPT 總電荷量關係

圖（水膠比 0.65） ... 66

圖 4-29 控制組混凝土試體氯離子深度與含量關係圖（28

天材齡） ... 67

圖 4-30 替代量 20%飛灰混凝土試體氯離子深度與含量關

係圖（28 天材齡） ... 68

圖 4-31 替代量 30%飛灰混凝土試體氯離子深度與含量關

係圖（28 天材齡） ... 68

X

圖 4-32 替代量 40%飛灰混凝土試體氯離子深度與含量關

係圖（28 天材齡） ... 69

圖 4-33 替代量 50%飛灰混凝土試體氯離子深度與含量關

係圖（28 天材齡） ... 69

圖 4-34 替代量 20%爐石混凝土試體氯離子深度與含量關

係圖（28 天材齡） ... 70

圖 4-35 替代量 30%爐石混凝土試體氯離子深度與含量關

係圖（28 天材齡） ... 70

圖 4-36 替代量 40%爐石混凝土試體氯離子深度與含量關

係圖（28 天材齡） ... 71

圖 4-37 替代量 50%爐石混凝土試體氯離子深度與含量關

係圖（28 天材齡） ... 71

圖 4-38 控制組混凝土試體氯離子深度與含量關係圖（91

天材齡） ... 72

圖 4-39 替代量 20%飛灰混凝土試體氯離子深度與含量關係

圖（91 天材齡） ... 73

圖 4-40 替代量 30%飛灰混凝土試體氯離子深度與含量關係

圖（91 天材齡） ... 73

圖 4-41 替代量 40%飛灰混凝土試體氯離子深度與含量關係

圖（91 天材齡） ... 74

圖 4-42 替代量 50%飛灰混凝土試體氯離子深度與含量關係

圖（91 天材齡） ... 74

圖 4-43 替代量 20%爐石混凝土試體氯離子深度與含量關係

圖（91 天材齡） ... 75

圖 4-44 替代量 30%爐石混凝土試體氯離子深度與含量關係

圖（91 天材齡） ... 75

圖 4-45 替代量 40%爐石混凝土試體氯離子深度與含量關係

圖（91 天材齡） ... 76

圖 4-46 替代量 50%爐石混凝土試體氯離子深度與含量關係

圖（91 天材齡） ... 76

圖 4-47 總氯離子含量定義圖 ... 77

圖 4-48 穿透深度定義圖 ... 78

圖 4-49 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（飛灰

替代量 0%） ... 82

圖 4-50 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（飛灰替

代量 20%） ... 82

圖 4-51 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（飛灰替

代量 30%） ... 83

圖 4-52 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（飛灰替

代量 40%） ... 83

圖 4-53 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（飛灰

替代量 50%） ... 84

圖 4-54 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（爐石

替代量 20%） ... 84

圖 4-55 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（爐石

替代量 30%） ... 85

圖 4-56 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（爐石

替代量 40%） ... 87

圖 4-57 不同水膠比總氯離子含量、穿透深度關係圖（爐石

XII

替代量 50%） ... 87

圖 4-58 C350、F655、與 S655 配比抗壓強度、RCPT 結果比

較圖 ... 88

圖 4-59 所有試體 RCPT 總氯離子含量與總電荷量關係圖 89

圖 4-60 所有試體 RCPT 氯離子穿透深度與總電荷量關係圖

... 89

圖 4-61 添加礦物摻料混凝土與控制組 RCPT 總氯離子含量

與總電荷量關係圖 ... 90

圖 4-62 添加礦物摻料混凝土與控制組 RCPT 氯離子穿透深

度與總電荷量關係圖 ... 91

圖 4-63 添加礦物摻料混凝土與控制組總氯離子含量與總電

荷量迴歸關係圖 ... 92

圖 4-64 添加礦物摻料混凝土與控制組氯離子穿透深度與總

電荷量迴歸關係圖 ... 92

圖 4-65 飛灰混凝土 F352 與控制組 C350 配比 RCPT 氯離子

穿透深度關係圖 ... 93

圖 4-66 飛灰混凝土與控制組 28 天材齡 RCPT 試驗結果正規

化比值比較圖 ... 95

圖 4-67 飛灰混凝土與控制組 91 天材齡 RCPT 試驗結果正規

化比值比較圖 ... 95

圖 4-68 爐石混凝土與控制組 28 天材齡 RCPT 試驗結果正規

化比值比較圖 ... 96

圖 4-69 爐石混凝土與控制組 91 天材齡 RCPT 試驗結果正規

化比值比較圖 ... 96

圖 5-1 飛灰混凝土與控制組混凝土 RCPT 穿透深度與電量

之關係圖 ... 98

圖 5-2 爐石混凝土與控制組混凝土 RCPT 穿透深度與電量

之關係圖 ... 99

圖 5-3 飛灰混凝土電量修正式與原始 RCPT 總通過電量之

關係圖 ... 100

圖 5-4 爐石混凝土電量修正式與原始 RCPT 總通過電量之

關係圖 ... 100

圖 6-1 第一次專家諮詢會議 ... 105

圖 6-2 第二次專家諮詢會議 ... 106

摘要

關鍵詞：混凝土耐久性、快速氯離子穿透試驗、飛灰混凝土、爐石混凝土 一、 研究緣起 CNS14795 快速氯離子穿透試驗為目前最常用來評估混凝土耐久性的試驗 法。但因為此方法發展之初並未考量礦物摻料的影響，因此在使用飛灰與高爐 爐碴粉添加混凝土時，會因為孔隙水中離子種類與熱效應的關係，導致試驗誤 差，因此試驗標準於附註中，提及其他摻劑可能會影響試驗結果，若有疑問， 建 議 進 行 長 期 貯 鹽 試 驗 驗 證 。 本 試 驗 原 始 研 發 單 位 Federal Highway Administration (FHWA)亦開始探討修正此規範的相關研究。我國於新版的綠建 材標章已將添加再生材料（回收高爐爐碴粉、飛灰、再生粒料等）佔總重量50% 以上的綠混凝土列入再生綠建材認證。其中並將快速氯離子穿透試驗的氯離子 滲透電量結果應小於2000 庫倫列入認證要求。可見未來高劑量飛灰與高爐石粉 添加混凝土的設計方式會日益增加，國內過去超高層大樓如高雄85 大樓與 101 大樓均有飛灰爐石使用於混凝土的配比設計。故對 CNS14795 快速氯離子穿透 試驗方法原理探討，及應用於高劑量飛灰與高爐石粉添加混凝土時的修正方式 有研究之必要性。對於 CNS14795 快速氯離子穿透試驗，使用於飛灰或爐石混 凝土時，可使用兩種方式加以改善，(1)適當調整電量標準; (2)以氯離子穿透深 度評估其耐久性。除可保有RCPT 快速試驗優點外，亦可精確量化混凝土耐久 性。並可藉以建立適用於我國的快速混凝土耐久性評估試驗法。 二、研究方法及過程 本研究以驗研究與文獻蒐集，對 CNS14795 快速氯離子穿透試驗法－RCPT 進行增修建議，以建立適用於我國的快速混凝土耐久性評估試驗法方式。由於

XVI RCPT 電量表示耐久性的評估方法仍較為簡便，因此修正相關試驗法將藉由 CNS14795 標準 3.3 節中依據 RCPT 試驗結果評估氯離子穿透性分類的基礎點進 行思考，建立適用於飛灰與爐石混凝土的氯離子穿透性分類。因此會先進行各種 變數飛灰或爐石混凝土（包含未添加的控制組配比）RCPT 試驗結果，相關試驗 變數將包含三大類，分別為水膠比、礦物摻料總類、與礦物摻料添加量。其中水 膠比變數範圍為 0.35 至 0.65，此範圍可涵蓋目前業界混凝土產製的高中低設計 強度。礦物摻料種類則為本研究主題之飛灰（F 級飛灰）與爐石（4000 型高爐爐 碴粉）。在礦物摻料添加量方面，其設定為替代水泥量的0%~50%。 試體依變數配比設計製作後，由試驗結果進行比對分析，且配合相關文獻蒐 集說明RCPT 運用於飛灰或爐石混凝土可能產生的試驗結果誤差與 RCPT 相關試 驗機理。其次將試驗後的試體利用全斷面磨粉與切片磨粉取樣方式，量測試體於 試驗後各深度位置混凝土氯離子濃度變化情形進行分析。由控制組混凝土氯離子 濃度進入深度與總通過電量之關係，比對飛灰或爐石混凝土氯離子濃度進入深度 與總通過電量之關係，轉換成適用飛灰或爐石混凝土氯離子穿透性分類，藉以建 立適用於我國的快速混凝土耐久性評估試驗法。 三、重要發現 由試驗研究成果發現在抗壓強度上飛灰組的強度會隨著養護材齡增加而增 加，在養護達28 天時，所有的飛灰組強度皆低於控制組，當養護達 91 天時大部 分飛灰組試體都會高於對照組。在RCPT 總通過電荷量方面，控制組與爐石組一 樣隨著水膠比提升而增加，隨著養護材齡的增加電量降低了12.1～39.7%，而相 較於控制組，添加爐石後，總電量隨著爐石添加量增加而減少，爐石組28 天降 低了 41.6～82%，91 天降低了 47.8 ～86.9%。而飛灰混凝土方面，控制組與飛 灰組混凝土配比中總電量、總氯離子含量、穿透深度彼此之間分佈的趨勢大致相 同，都是隨著水膠比增加而增加，而隨取代量增加而下降，且同樣在飛灰取代

50%時水膠比在 0.55、0.65 等試體都會有不穩定的上升情況發生。而 RCPT 後飛 灰或爐石混凝土總通過電量與總氯離子含量之間的關係有不錯的線性關係，而總 通過電量與穿透深度的關係也為良好線性關係。控制組混凝土亦呈現好的線性關 係。但飛灰或混凝土與控制組未添加礦物摻料混凝土線性關係為兩條不同的關係 曲線，表示其RCPT 在 2 種混凝土的傳輸機制明顯不同。而由氯離子穿透深度與 電量關係分析可以建議飛灰混凝土電量調整式為 1. 18 2042；爐石混 凝土電量調調整式為 1.23 1776。最後並依此建議我國 CNS 14795 條 文增修之部分。 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。 建議一 進行爐石與飛灰混合混凝土電量調整公式相關研究：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：無 本計畫研究水膠比範圍為 0.35 至 0.65，礦物摻料種類為飛灰（F 級飛灰）與 爐石（4000 型高爐爐碴粉），在礦物摻料添加量方面，其設定為替代水泥量的 0%~50%，由試驗分析結果分別獲得飛灰混凝土與爐石混凝土電量調整式。 建議未來可在此研究範圍外進行其他種變數組合 RCPT 試驗，然後依循本計 畫模式進行分析，擴充本研究飛灰混凝土與爐石混凝土電量調整式的限制範圍， 使對未來CNS 14795 條文增修可更完整。 建議二 擴大或改變參數設定探討對電量及耐久性之影響：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所

XVIII 協辦機關：無 進行各種通電模式、試驗溶液改變、試體內部孔隙飽和溶液改變對電量的 探討。RCPT 是標準電解電池的一種類型，因此試驗過程中對氧化還原反應影響 的參數建議在未來研究中加以釐清。各種試驗環境下陰陽離子對活化能或電化學 各種參數的影響。可對RCPT 於試驗法上的影響機理更加清楚，並對未來若發展 更迅速量測混凝土抗氯離子傳輸特性方法時有所幫助。 由於飛灰與爐石會降低混凝土的酸鹼度，而飛灰與爐石的混合方式，建議可 為未來研究的方向，且擴大水膠比與礦物摻料替代量、與齡期相對關係的研究可 了解長期混凝土耐久性的影響。 建議三 CNS 14795條文增修建議—長期性建議 主辦機關：經濟部標準局 協辦機關：內政部建築研究所 由於影響氯離子穿透性因素包括水灰比、聚合物摻料、試體材齡、氣孔與孔 隙結構、粒料總類、搗實度與養護方式等，若混凝土使用礦物摻料如飛灰或爐石 時，需依對試驗總電荷量結果進行修正。 建議可整理相關研究資料，並參考本研究第六章內容，對CNS 14795 條文 10.3 節的參照表 1 進行評估試驗結果之增修，提供RCPT 使用於飛灰或爐石混 凝土抗氯離子傳輸特性時的判斷方式。

ABSTRACT

Keywords: concrete durability, rapid chloride ion penetration test, fly ash concrete, slag concrete

This research uses the rapid chloride Ion permeability test to study durability of concrete containing fly ash slag. The rapid chloride ion penetration test developed in the 1970s for the American Association of State Highway and Transportation Officials, referred RCPT test, and is also included in Taiwan test standards, namely CNS 14795. This method use external 60V DC voltage allows quick access to the chloride ion into concrete. The current value was measured by calculating the total charge passed utilizes the wet saturated conductivity determine the overall concrete as concrete resistance to chloride ion intrusion. Since this method is simple and short measurement time-consuming way of advantages, it is widely used to assess the durability of concrete. However, many literatures indicate that the test results to RCPT for fly ash and slag concrete still doubts. The main reason for the ions in the pore water of fly ash and slag will be affected, leading to experimental error. Therefore, this study hope to be a series of experimental studies and literature collection, to put forward a draft of proposed amendments to this test method to be tested in the future fly ash or slag concrete can be followed.

This project concludes that:

1. The compressive strength of fly ash concrete in the age of 28 days, all compressive strength of fly ash concretes are lower than the control group, when the age of 91 days, most of fly ash concretes will be higher than the control groups.

2. The total charge passed of control group and slag concretes are increased with water binder ratio increasing. And increases with curing age, the total charge

XX

passed of RCPT was reduced by 12.1 ~ 39.7%. The total charge passed of RCPT is reduced with increasing the slag content of concrete. Slag concrete at 28 days curing age decreased 41.6 ~ 82%, 91 days decreased 47.8 ~ 86.9% compared to the control group.

3. The control group and the fly ash concrete in total charge passed, total chloride ion content, and the chloride ion penetration depth have the same trend. All properties increase with water-binder ratio and mineral admixtures content increase.

4. The test results also show that a good linear relationship between total charge passed and the chloride ion penetration depth in each mix groups. However, different linear relationships represent RCPT transport mechanism is significantly different in different concrete group.

5. By chloride ion penetration depth and total charge passed relations analysis can suggest the fly ash concrete results of RCPT adjustment formula

1. 18 2042 . Slag concrete results of RCPT adjustment formula is 1.23 1776.

This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategies:

1. Suggestions can follow this project mode, and then proceed with the research of concrete mixed with fly ash and slag adjustment formula to the future of CNS 14795 upgrading can be more complete.

2. Recommended that future research can be a variety powered mode, change the test solution, and the changes internal concrete pore solution. In order to better clarify the influence of ions or electrochemical activation of various parameters under various experimental conditions. 3. Proposes to expand study of the effects of water-binder ratios, the

For long-term strategies:

1. Suggestions collation research data, and refer to this research, conducted on CNS 14795 upgrading provisions. Explained using RCPT to determine the chloride ion resistance of fly ash and slag concrete.

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

CNS14795 快速氯離子穿透試驗為目前最常用來評估混凝土耐久性的試驗 法。但因為此方法發展之初並未考量礦物摻料的影響，因此在使用飛灰與高爐 爐碴粉添加混凝土時，會因為孔隙水中離子種類與熱效應的關係，導致試驗誤 差，因此試驗標準於附註中，提及其他摻劑可能會影響試驗結果，若有疑問， 建 議 進 行 長 期 貯 鹽 試 驗 驗 證 。 本 試 驗 原 始 研 發 單 位 Federal Highway Administration (FHWA)亦開始探討修正此規範的相關研究。我國於新版的綠建 材標章已將添加再生材料如回收高爐爐碴粉（以下簡稱爐石）、飛灰、再生粒料 等，需佔總重量50%以上的綠混凝土列入再生綠建材認證。其中並將快速氯離 子穿透試驗的氯離子滲透電量結果應小於2000 庫倫列入認證要求。可見未來高 劑量飛灰與高爐石粉添加混凝土的設計方式會日益增加，國內過去超高層大樓 如高雄 85 大樓與 101 大樓均有飛灰爐石使用於混凝土的配比設計。故對 CNS14795 快速氯離子穿透試驗方法原理探討，及應用於高劑量飛灰與高爐石 粉添加混凝土時的修正方式有研究之必要性。對於 CNS14795 快速氯離子穿透 試驗，使用於飛灰或高爐爐碴粉混凝土（以下簡稱爐石混凝土）時，可使用兩 種方式加以改善，(1) 適當調整電量標準; (2)以氯離子穿透深度評估其耐久性。 除可保有RCPT 快速試驗優點外，亦可精確量化混凝土耐久性。並可藉以建立 適用於我國的快速混凝土耐久性評估試驗法。 1970 年 Whiting 1利用電化學的原理發展出一種快速評估混凝土抵抗氯離子 滲透能力的試驗方法－氯離子快速滲透試驗（Rapid Chloride ion Permeability Test， 以下簡稱RCPT）；其後美國公路運輸協會（American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO）與美國材料試驗學會（American Society for

1 _{D. Whiting, “Rapid measurement of the chloride permeability of concrete”, Public Roads, Vol. 45, pp.}

2

Testing and Materials，ASTM）並依此先後建立試驗規範(AASHTO T277 2，ASTM C1202 3)，此規範名為「以總通過電荷量表示混凝土抗氯離子穿透能力之標準試 驗方法」，英文名稱為Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration。我國於民國 93 年 1 月 9 日公布為 CNS 14795 國家標準，其名稱為「混凝土抗氯離子穿透能力試驗法－通過電荷量表示 法」。此標準在適用範圍上即說明：「本試驗主要為混凝土導電性之測定，以做為 評估混凝土抗氯離子入侵能力之快速指標。」而在方法概要上的說明：「本試驗 主要量測6 小時試驗期間內，通過厚 51 mm 標稱直徑 102 mm 鑽心試體或圓柱 試體之電流。試體的一側浸於氯化鈉溶液，另一側浸於氫氧化鈉溶液中，試體兩 端直流電壓差維持為60V；總通過電荷量（庫倫）與試體抵抗氯離子穿透能力有 關。」4 因此RCPT 將水泥質材料的孔隙結構視為電解電池的鹽橋，內部的孔隙水溶 液便為電子通路，與離子移動的媒介。以外加 60V 直流電壓，使得氧化與還原 反應於系統內產生，藉由6 小時內通過的電量評估混凝土抗氯離子傳輸的能力。 RCPT 試驗法並不需像其他試驗方法（如 ASTM C1542-Ponding test 貯鹽試驗）， 需進行氯離子進入混凝土深度與濃度的量測，所以RCPT 具有耗時較短與量測方 式精簡等優點，目前廣泛應用於評估混凝土耐久性試驗中。但在多年研究下，部 分學者將此試驗用於含有飛灰與爐石的混凝土的耐久性評估，對試驗結果發現疑 問。例如Wee 等 5對混凝土配比在固定水膠比、養護條件、與材齡，但添加不同 細度爐石粉與矽灰的條件下進行RCPT 與 90 天貯鹽試驗之研究，試驗結果指出

2 _{AASHTO T277-07, “Electrical Indication of concrete’s ability to resist chloride ion penetration”,}

Standard specification for transportation materials and methods of sampling and testing (2007).

3 _{ASTM C1202-12, “Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration”,}

American Society for Testing and Materials (2012).

4 _{CNS 14795, “以總通過電荷量表示混凝土抗氯離子穿透能力之標準試驗方法”,中華民國國家標}

準, (2004).

5 _{T. H. Wee, A. K. Suryavanshi, and S. S. Tin, “Evaluation of rapid chloride permeability test (RCPT)}

results for concrete containing mineral admixture”, ACI Materials Journal, Vol. 97, No. 2, pp.221-232 (2000).

兩者之間並無良好的線性相依之關係。因此在規範中亦說明當混凝土摻有亞硝酸 鈣（calcium nitrite）類抗腐蝕劑時，會獲致較高的庫倫值，顯示比相同配比但未 摻用亞硝酸鈣的混凝土（控制組）具有較低的抗氯離子穿透能力。然而，長期的 氯離子貯鹽試驗顯示摻用亞硝酸鈣混凝土至少與控制組混凝土具有一樣的抵抗 氯離子穿透的能力。且於附註亦註明其他摻劑也可能會影響試驗結果。若懷疑摻 劑會有影響，建議進行長期貯鹽試驗。 另外部分學者亦由電化學觀點說明RCPT 可能發生的疑慮。由於 RCPT 為典 型標準電解電池，由外加電場（外加電壓）強制供給陰極試驗容器電子，使其形 成還原反應。另一方面則從陽極試驗容器中強制吸收電子造成氧化反應。而混凝 土材料試體的多孔性質使得兩試驗容器溶液內解離的離子可以相互游離。因此陰 極試驗容器內的氯化鈉可以解離出氯離子進入混凝土內，最後並游離至陽極槽內， 而陽極槽內的NaOH 溶液則目的在於避免氯氣產生6。然而在外加電場施加的過 程中，混凝土內部的離子會傳導部分電流，因而導致試驗結果產生誤判，例如混 凝土材料中的孔隙水通常含有大量的OH+、K+、Na+等離子，其中以氫氧根離子 （OH+）最為主要，然而氯離子在無限稀釋溶液下的離子移動率卻只是氫氧根離 子的0.39 倍 7，Byfors 8曾針對添加不同礦物摻料混凝土的孔隙水進行研究，發 現混凝土中添加爐石與飛灰會導致孔隙水 pH 值下降。因而當外加電場導電時， 所反應的電流可能是掌控在氫氧根離子而非氯離子 。例如 Andrade 9與Zhang10 等均提出相同論點。Page and Vennesland 11於試驗結果中亦提出當水泥以30﹪矽

6 _{D. W. Pfeifer, “Coulombs passed and chloride intrusion: Is it a numbers game？”, ASCENT}

Magazine, Precast / Prestressed Concrete Institute, p.35 (1993).

7 _{C. Shi, J. A. Stegemann, and R. J. Caldwell, ,“Effect of supplementary cementing materials on the}

specific conductivity of pore solution and its implications on the rapid chloride permeability test (AASHTO T277 and ASTM C1202) results”, ACI Materials Journal, Vol. 95, No.4, pp.387-394 (1998).

8 _{Byfors, K., “Pore solution expression as a method to determine the influence of mineral additives on}

chloride binding”, Cement and Concrete Research, Vol. 16, pp.760-770 (1986).

9 _{C. Andrade, “Calculation of chloride diffusion coefficients in concrete from ionic migration}

measurements”, Cement and Concrete Research, Vol.23, pp.724-742 (1993).

10 _{M. H. Zhang, and O. E. Gjψrv, “Permeability of high–strength lightweight concrete”, ACI}

Materials Journal, Vol. 88, No. 5, pp.463-469 (1991).

11 _{C. L. Page, ψ. Vennesland, ”Pore solution composition and chloride binding capacity of silica-fume}

4 灰替代後，在28 天材齡時，試體內孔隙水中 OH+的濃度會從743 mmole/L 下降 至10mmole/L。以實驗觀點來看，若在 RCPT 試驗結束後於陽極試驗容器內取樣， 並未發現氯離子的存在，也有相關文獻藉由RCPT 試驗結束後試體內部氯離子含 量變化說明上述之結果 12。因此在試驗過程 6 小時中氯離子並未穿透試體，因 此亦說明由於RCPT 試驗過短，所反應的電流可能會受到內部離子影響。 綜上所述，RCPT 發展之初並未考量礦物摻料的影響，因此在使用飛灰與 高爐爐碴粉添加混凝土時，會因為孔隙水中離子種類與熱效應的關係，導致試 驗誤差，因此試驗標準於附註中，提及其他摻劑可能會影響試驗結果，若有疑 問，建議進行長期貯鹽試驗驗證。而我國於新版的綠建材標章已將添加再生材 料佔總重量50%以上的綠混凝土列入再生綠建材認證。其中並將快速氯離子穿 透試驗的氯離子滲透電量結果應小於2000 庫倫列入認證要求。可見未來高劑量 飛灰與高爐石粉添加混凝土的設計方式會日益增加，國內過去超高層大樓如高 雄85 大樓與 101 大樓均有飛灰爐石使用於混凝土的配比設計。故對 CNS14795 快速氯離子穿透試驗方法原理探討，及應用於高劑量飛灰與高爐石粉添加混凝 土時的修正方式有研究之必要性。因此本研究希望藉由一連串的試驗研究與文 獻蒐集，期能提出此試驗法修正建議草案，以對未來於添加飛灰或爐石混凝土 石耐久性評估可有所依循。

第二節 研究目的

本研究目的為將行之多年的 CNS14795 快速氯離子穿透試驗法－RCPT 進行 增修建議，以運用於添加飛灰或爐石混凝土耐久性評估時可有所依循。首先針對 RCPT 試驗法過去研究所提出的疑慮進行文獻蒐集整理，得知各國對 RCPT 試驗 法的進一步運用或修改情形。再由一連串試驗進行探討和建立適用於我國的快速

12 _{M. Castellote, C. Andrade, and C. Alonso, “Electrochemical Chloride Extraction: Influence of}

Testing Conditions and Mathematical Modelling”, Advanced in Cement Research, Vopl.11, pp.63-80 (1999)

混凝土耐久性評估試驗法方式。相關研究內容如下： 1. CNS14795 快速氯離子穿透試驗原理文獻蒐集與整理。 2. 飛灰及爐石混凝土對長期曝曬試驗結果影響文獻蒐集與整理。 3. 高劑量飛灰與爐石粉添加，對混凝土耐久性之影響與快速氯離子穿透試 驗結果之影響。 4. RCPT 試驗電壓與熱效應對 CNS14795 快速氯離子穿透試驗結果之影 響。 5. 使用飛灰及爐石混凝土時，適當調整電量標準。 6. 利用 CNS14795 快速氯離子穿透試驗，以氯離子穿透深度評估其耐久 性。

第三節 本研究計畫之重要性

目前以電壓加速離子傳輸的試驗法有變成主流評估方式之趨勢。然而在 RCPT 量測除了熱焦耳效應的影響外，大部分文獻還是指出當水泥質材料添加摻 料（飛灰、爐石、或腐蝕抑制劑）時，電量會有低估現象 7,8,9,10,12，多位學者也 證實貯鹽試驗與以電壓加速離子傳輸的試驗過程中顯現出 RCPT 電量與其關連 性不佳。原因曾有研究提出為孔隙水 OH+濃度降低所致，但如以化學機理而言 RCPT 試驗 6 小時期間，孔隙溶液能遷移多少氫氧離子到陽極，目前尚有疑問， 若以Rasanen and Penttala 13所量測的孔隙溶液pH 最大值接近 13.2，換算為氫氧 離子的濃度是0.1585 M (mole/L)，如以 1 mL (毫升)孔隙溶液為計算基礎，其所 攜帶電量為15.29 庫侖，即 1 mL 孔隙溶液內的氫氧離子全部被遷移到陽極參與 反應，所增加的電量僅為15.29 庫侖，這電量尚需減去因孔隙連通性不佳及離子

13 _{V. Rasanen and V. Penttala, The pH measurement of concrete and smoothing mortar using a}

6 遷移過程被吸附到孔隙內表面，而無法遷移到陽極的部分。所以這部份的問題仍 待試驗過程分析尋找出真正原因。 飛灰與爐石粉為國內各種與民生相關產業所產出之事業廢棄物，其中飛灰為 燃煤火力發電廠在燃煤發電的過程中所產生之煤灰。爐石為煉鋼廠煉鋼過程熔融 礦碴經水淬冷卻後所得爐碴磨粉所得。兩者每年產出量甚大，在過去處置上均是 事業單位與環保機關相當棘手問題，若處理不當，會造成環境生態負擔。但因這 兩種材料具有卜作嵐(Pozzolanic)特性，可用以取代部分水泥。根據 1996 年以前 統計，我國每年水泥使用量約在2000 萬公噸。但在 2007 年統計，我國每年約使 用274 萬公噸爐石粉與 311 萬公噸飛灰，而我國於 2007 年以後每年水泥使用量 則減至在1400 萬至 1500 萬公噸之間，因此在 2007 以後，我國爐石與飛灰替代 水泥量已超過總水泥用量的25%以上。未來這個數字可能會持續成長。因此建立 適用於飛灰與爐石混凝土的RCPT 法有其重要性。

第四節 國內外有關本案之研究情況

目前相關改良RCPT 法的研究大多已降低電壓，並量測混凝土內部氯離子 進入濃度為主。如Detwiler14等改良發展出Norwgian 試驗。Norwgian 試驗主要 以12 Volts 電壓加速氯離子通過。並量測所通過氯離子累積濃度代替 RCPT 電 流的量測。但Detwiler 指出試驗所需時間較長，而且因氯離子穿透混凝土濃度 甚低，因此量測氯離子濃度的儀器需非常準確14。而國內亦有Yang 等15,16針對 上述 RCPT 與貯鹽試驗優缺點，以 RCPT 架構發展出加速氯離子移動試驗 （accelerated chloride migration test，簡稱 ACMT）。由於 ACMT 可以量測試驗

14 _{R. J. Detweiler and C. A. Fapohunda, “A comparison of two methods for measuring the chloride ion}

permeability of concrete”, Cement, Concrete, and Aggregate, Vol. 15, pp.70-73 (1993).

15 _{C. C. Yang, S. W. Cho, and R. Huang, "The relationship between charge passed and the chloride-ion}

concentration in concrete using steady-state chloride migration test," Cement and Concrete Research, Vol. 32, No. 2, pp. 217-222 (2002).

16 _{S. W. Cho, C. C. Yang, and R. Huang, "Influence of aggregate content on the transport properties of}

mortar using accelerated chloride migration test," Concrete Science and Engineering, Vol. 4, No.14, pp. 84-90 (2002).

期間氯離子濃度與電量變化，此方法以穩態期內氯離子濃度傳輸速率作為評估 的氯離子穿透能力依據，且此試驗方法相較於 90 天貯鹽試驗而言，只需耗費 7~10 天即可完成。在非穩態試驗方面，亦有翁在龍等17將 RCPT 試驗後試體剖 開，依縱向位置量取各點混凝土氯離子含量，並由Fick 第二定律計算擴散速率。 但上述相關研究之方法仍以RCPT 電量表示耐久性的評估方法較為簡便。

第五節 研究主題範圍

本研究目的係探討快速氯離子穿透試驗法－RCPT 運用於添加飛灰或爐石 混凝土耐久性評估時的改善方式。相關研究以不同水膠比、不同飛灰含量、與不 同爐石含量混凝土配比進行相關研究。

第六節 報告內容說明

本研究內容共分為研究背景與目的、文獻蒐集、試驗設計、試體拌合養護、 所有混凝土RCPT 與抗壓強度試驗、混凝土 RCPT 後試體氯離子含量量測。計畫 執行進度良好。表1-1 將執行工作內容與報告進行對照，報告之主要內容係於第 一章緒論介紹本研究之研究背景與目的。第二章文獻回顧針對RCPT 試驗法、飛 灰混凝土、以及爐石混凝土的過去相關研究進行文獻探討。第三章試驗變數及方 法為本研究實驗變數設計、組成材料性質、配比設計、與試驗方法進行說明。第 四章針對已進行的混凝土抗壓強度試驗結果、RCPT 結果、以及飛灰混凝土 RCPT 後試體氯離子含量量測試驗結果進行討論。第五章針對RCPT 用於飛灰或爐石混 凝土修正方法建立情形進行討論。第六章為2 次專家會議辦理情形。第七章針對 成果做結論與建議。並於附錄放置期初、期中、及期末審查會議委員意見與辦理 17翁在龍、卓世偉、楊仲家、黃然, “ 表層滲透劑對混凝土特性影響之研究“, 防蝕工程, (accepted) (2002).

8 情形。 表1-1 執行工作內容與期末報告對照表與完成率 工作分項 計畫執行迄今之工作內容 期中報告位置 完成率 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 100% 文獻蒐集 RCPT 試驗法、飛灰混凝土、以 及爐石混凝土文獻整理。 第二章 100% 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 第三章 100% 試驗研究 混凝土抗壓強度試驗結果 第四章 100% 試驗研究 RCPT 結果 第四章 100% 試驗研究 混凝土RCPT 後試體氯離子含 量量測 第四章 100% 成果分析 各試驗結果關係分析 第四章 100% 方法建立 RCPT 用於飛灰或爐石混凝土修 正方法建立 第五章 100% 專家會議 2 次專家會議辦理情形 第六章 100% 結論與建議 研究成果結論與建議 第七章 100% （資料來源：本研究自行整理）

圖1-1 本研究流程圖 （資料來源：本研究自行整理） 快速氯離子穿透試驗於含飛灰爐石 混凝土耐久性能評估之研究 各國文獻搜集整理 實驗變數與配比設計 混凝土試體製作、28 天與 91 天材齡試體養護 28 天材齡抗壓試驗與 RCPT 試驗 水膠比 飛灰、爐石 替代水泥量 28 天 RCPT 試驗後混凝土氯離子含量分析 91 天材齡抗壓試驗與 RCPT 試驗 飛灰與爐石混凝土RCPT 試驗方法架構建立 各變數RCPT 總電量與混凝土氯離子 深度試驗結果關聯性建立 結論與建議 完成研究成果報告 91 天 RCPT 試驗後混凝土氯離子含量分析

第二章 文獻回顧

第一節 RCPT 現行試驗標準說明

RCPT 現行試驗標準為 ASTM C1202、AASHTO T277、與我國 CNS 14795。 其中美國ASTM 最新版本為 2012 年版本。AASHTO 最新版本為 2007 年版本。 而我國CNS 最新版本為 2004 年版本，三者文字上並無明顯差異。RCPT 在 CNS 14795 標準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 2,3,4 。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，其試驗方法詳述於下。 試體試驗前處理 RCPT 所使用的試樣依評估混凝土材料特性或舊有結構體而有所不同。在評 估材料特性上可於試驗混凝土版上或大直徑圓柱試體中鑽心取出直徑102mm 試 體。亦可直接製作達到養護材齡之圓柱試體（其標稱直徑為 102mm，但規範允 許實際試體直徑可介於 95mm 至 102mm 之間）。若用於評估舊有結構體，則利 用配置直徑102mm 鑽石鑽頭的鑽孔設備進行鑽心。鑽心試體與位置選擇則需參 照ASTM C192 之規定。其後並使用水冷式鑽石鋸片或碳化矽鋸片由試體頂面平 行方向自鑽心或圓柱試體的頂部切取一個厚度51



3mm 試片。此試片即為 RCPT 試驗試體。且可使用帶磨機（belt sander）清除試體兩側鋸痕。若鑽心試體曾經 表面處理過（例如使用養護劑，塗封劑、或其他表面處理材料等），且若試驗不 考慮表面處理對氯離子入侵能力的影響時，則鑽心試體表面處理的部分需被移除， 鄰接混凝土部分則切取厚度51



3mm 試片進行試驗。 試體切割完後，需在室溫下氣乾 1 小時，並以快速凝結的環氧塑脂（epoxy risen）塗刷試片側面進行封層（coating）。於試體封層硬固後，將試體放置在燒

12 杯中，試體的兩端面必須完全暴露，再將燒杯置入真空乾燥器內，密封並開啟真 空泵浦，使真空乾燥器內壓力降低至133 Pa（1mm Hg）以下，且維持真空狀態 三小時，真空設備如圖2-1 所示。而於抽真空前需預先準備去氣水；係主要利用 加熱器將存放於與真空乾燥器管路相連容器中的水加熱至滾沸，滾沸後密封並冷 卻至室溫狀態。當真空狀態維持三小時後，將預先準備的去氣水抽入真空乾燥器 內，使試體被水淹沒，並讓真空泵浦維持運轉1 小時後關閉。真空泵浦關閉後將 試體浸漬於燒杯的水中182 小時後始進行 RCPT 試驗。 圖2-1 RCPT 試體前處理抽真空設備 （資料來源：本研究自行整理） 真空乾燥器 真空泵浦 真空計 去氣水容器與加熱裝置

試驗部分 將浸漬 182 小時的試片取出，擦乾後將試片安裝於試驗系統上。試驗系 統包含兩個施加電位容器（容積約為220~250ml 之間），如圖 2-2 所示，係以壓 克力為材料，分別安裝於試體的兩端。容器內並含有1 個銅網電極（20 號篩徑）， 試體一側以0.3N 氫氧化鈉（NaOH ）溶液填充，是為陽極。另一側則以3% 氯 化鈉（NaCl ）溶液填充，是為陰極。並在兩極之間施加60 伏特直流電壓，以數 據擷取器記錄6 小時內電流之變化，並繪製其關係圖，電流與時間關係曲線下的 面積即為 6 小時試驗期間所通過的總通過電量，單位為庫倫（coulombs, 安培-秒）；或每隔30 分鐘記錄 1 次，一直到 6 小時為止，將所記錄的電流值代入下式 （2-1）即可獲得累積電量。 ) 2 ... 2 ... 2 2 ( 900I₀ I₃₀ I₆₀ I I₃₀₀ I₃₆₀ Q     t    （2-1 ） 式中Q為總通過電量(coulombs)，I₀為初始電流(amperes)，I_t為在時間t 時的電 流(amperes)。若試體直徑不等於 95mm 時，由式（2-1）所獲致的總通過電量需 加以修正。修正方式係將式（2-2）所計算的總通過電荷量乘上標準試體面積與 實際試體斷面積的比值，亦即： 2 95         x Q Qs x （ 2-2 ） 式中Qs＝通過直徑為 95mm 試體的總通過電量（庫倫），Qx=通過直徑為xmm 試體的總通過電量（庫倫），x=非標準試體直徑（mm）。而依 ASTM C1202 [8] 規範建議，通過試片的總電荷可以評估混凝土抗氯離子穿透能力定性，如表2-1 所示。 而試驗過程中須同時記錄陽極試驗容器溶液溫度，若溫度超過 95℃時，則 整個RCPT 系統視為試驗結束，並將此試體視為具有高氯離子穿透性之混凝土。

14 （a） (b) 圖2-2 (a)RCPT 試驗系統圖；(b) RCPT 試驗系統示意圖 （資料來源：本研究自行整理） 數據擷取系統 60V 直流電源供 應器 溫度量測熱電偶 壓克力試驗槽 試體

20 號銅網

橡膠 O 型墊片

1Ω電阻 250 ml

0.3M NaOH 溶液

直流電源供應器 ＋ － ＋

數據擷取器

－

溫度量測熱電偶

250 ml

3% NaCl 溶液

表2-1 氯離子穿透性與 RCPT 總通過電量關係2,3,4 RCPT 總通過電量（coulombs） 氯離子穿透性 >4000 高 2000~4000 中 1000~2000 低 100~1000 極低 <100 可視為無 （資料來源：文獻2、3、4）

第二節 飛灰混凝土

飛灰為煤燃燒廢氣經由過濾與靜電集塵器收集所得之無機物質。直徑大約分 佈於1 μm 至 100 μm 之間 18_{。飛灰與爐石均是礦物摻料的一種，可以在有水份} 存在之條件下可與水泥水化生成物中的氫氧化鈣產生波索蘭反應（pozzolanic reaction），因此被稱為波索蘭材料 19_{。其主要反應方程式如下：} CH S  H  CS H (2-3) 式中CH 為氫氧化鈣，S為二氧化矽，H為水。由於波索蘭材料含有數量頗多的 非晶質矽氧化物（amorphous silica），因此在水泥水化過程中會與水化生成物中 的CH 晶體再反應形成緻密的CSH 膠體。對水泥漿體孔隙而言，毛細孔隙尺 寸會縮小，孔隙率也因而降低 20。 又礦物摻料亦含有相當數量的鋁化合物，鋁化合物與氫氧化鈣(CH )晶體反

應生成C  AH（calcium aluminate hydrates）反應物，如下式所述 21：

18 _{Yan F. D., Ding J., and Beaudoin J. J., “Effect of different calcium aluminate hydrates on ettringite}

formation and expansion of high alumina cement-based expansive cement pastes,” Cement and Concrete Research, Vol. 26, pp. 417-426, 1996.

19 _{Mehta P. K., and Monteiro P. J. M., “Concrete-Structure, Properties, and Materials,” Prentice Hall,}

pp. 283, 1993.

20 _{Collepardi M., Monosi S., and Piccioli P., “The influence of pozzolanic materials on the mechanical}

stability of cement,” Cement and Concrete Research, Vol. 25, pp. 961-968, 1995.

16

CH  A H  C  AH (2-4)

式中A為鋁化合物。反應物C  AH 可與硫化物再反應生成鈣釩石。由於此種

鈣釩石是在水泥基複合材料硬固之後由硫化物侵入與C AH 反應之生成物，

屬於DEF（delay ettringite formation，遲滯形成的鈣釩石）的一種，而 DEF 是在 具穩定體積之硬固水泥基複合材料中形成，所以膨脹所產生的應力會造成水泥基 複合材料裂縫的產生。因此當有硫化物侵蝕的疑慮時，必需考量礦物摻料鋁含量 的最低限制 22。 鋁含量雖對水泥基複合材料抗硫化物侵蝕有不力的影響，但對氯離子傳輸而 言，當孔隙水中氯離子與鋁化合物進行反應時，會形成穩定的法拉第鹽類 （Friedel's salt），填充孔隙，減少氯離子擴散路徑 23,24,25。 目前我國 CNS 3036 及美國 ASTM C618 規範將飛灰分成兩類：C 級與 F 級飛灰。C 級飛灰是由燃燒褐煤或次煙煤所生成者 其成分中 + + 至少含 50％以上， F 級飛灰是由燃燒煙煤或無煙煤所生，而成分中 + + 則至少 70％以上26，如表 2-2 所示。表 2-3 為各種飛灰的典 型化學成分，其中以 含量最大，其次為 Al O2 3、Fe O2 3 及 CaO，此三種氧 化物含量會因燃煤的不同而有所變動，如 F 級飛灰的 C aO含量明顯偏低。台 灣地區由於進口的煤礦大都為煙煤，飛灰的 CaO含量甚低，多在 10％以下，屬 於 F 級，含有高量的二氧化矽（ ）及氧化鋁（Al O2 3），主要由鋁矽鹽酸玻 璃組成。煤料在爐子裡燃燒時，由於已被熔融的大粒球體面上玻璃無法快速且均 勻地冷卻，導致部分矽鋁晶體，如石英、 、Al O2 3 及 2 ‧3 等針狀

cement rich in tri-calcium aluminate,” Cement and Concrete Research, Vol. 26, pp. 1673-1680, 1996.

22 _{Dhir R.K., El-Mohr M. A. K., and Dyer T. D., “Chloride binding in GGBS concrete,” Cement and}

Concrete Research, Vol. 26, pp. 1767-1773, 1996.

23_{Princd W., Perami R., and Espagne M., “Mechanisms involved in the accelerated test of chloride}

permeability,” Cement and Concrete Research, Vol. 29, No.2, pp.687-694, 1999.

24_{Zhang Y. M., Sun W. Y. and Han D., “Hydration of high-volume fly ash cement pastes,” Cement and}

Concrete Composites, Vol. 22, pp. 445-452, 2000. ,

25 _{Nixon P. J., “The effect of pfa with a high total alkali content on pore solution composition and}

alkali-silica reaction,” Magazine of Concrete Research, Vol. 38, pp. 30-35, 1986.

形物質，會混雜在飛灰球體內，影響低鈣質 F 類飛灰之活性。 表2-2 CNS 3036 規定之飛灰品質要求26 項目 限制標準 單位 C 類 F 類 化學成分 SiO₂+Al O_{2 3}+Fe O_{2 3} 最小值 % 50.0 70.0 三氧化硫SO₃ 最大值 % 5.0 5.0 燒失量(L.O.I) 最大值 % 6.0 6.0 含水率 最大值 % 3.0 3.0 物理性質 細度（停留在 No.325 篩量） 最大值 % 34.0 34.0 卜作嵐活性指數 最小值 % 75.0 75.0 高壓蒸鍋膨脹率或收縮率 最大值 % 0.8 0.8 與控制組之需水量比率 最大值 % 105 105 均質性規定：每 個試樣比重及細 度值與其 10 個 試樣（試樣不足 10 個時採全部 試樣）之試驗平 均差異值： 細度；檢驗篩 45μm 篩餘量 （CNS 386） 最大值 % 5 5 比重 最大值 % 5 5 其他規定 氧化鎂（MgO） 最大值 % 5.0 5 有效鹼量(以Na O+0.658K O2 2 )計算 最大值 % 1.5 1.5 複因數：燒失量與 45μm篩餘量 之乘積 最大值 % - 255 水泥砂漿柱體乾縮率（材齡 28 天） 最大值 % 0.03 0.03 與水泥含鹼成份之反應性：水泥 砂漿柱體膨脹率（材齡 14 天） 最大值 % 0.02 0.02 均質性規定：輸氣混凝土含氣量 達水泥砂漿體積之 18％時，輸氣 劑量與前十次試驗結果（不足十 次時，採全部試樣）平均差異值 最大值 % 20 20 （資料來源：文獻26）

18 表2-3 不同飛灰的典型化學成分26 飛灰 種類 化學成分 (%) 2 SiO Al O2 3 Fe O2 3 C aO SO3 MgO 燒失量 含水率 C 類 38.6 19.2 4.8 24.2 1.6 4.1 0.5 0.2 F 類 49.4 23.5 14.8 1.2 0.9 1.0 2.9 0.1 （資料來源：文獻26） 飛灰的卜作嵐反應與混凝土孔隙水之酸鹼環境有關，相關文獻指出，F 級飛 灰的卜作嵐反應需在混凝土孔隙水pH 大於 13.2 時才會發生27,28。所以飛灰的卜 作嵐反應須在水泥水化反應數星期之後有足夠的鹼性氫氧化鈣生成時才會開始， 因此飛灰加入混凝土後可以因延後反應而降低水化熱，可大量改善熱裂縫的產生。 1993 年 Mehta 27曾針對 F 級飛灰替代水泥量多寡進行研究，指出飛灰對混凝土 氯離子滲透率有正面之影響。 Thomas 等28針對養護材齡進行研究發現添加飛灰 之混凝土在28 天或早期材齡時的氯離子擴散改善不大，但在材齡 91 天之後的長 期材齡卻有顯著的改善。此與卜作嵐反應較慢有關。亦有研究指出使用適量飛灰 可以抑制混凝土因鹼骨材反應所造成的膨脹裂縫，減少氯離子傳輸途徑 27。對 飛灰使用量而言，雖然對混凝土耐久性有相當助益，但替代水泥量過高會導致力 學行為折減，因此一般均會考慮最大替代量。

第三節 爐石混凝土

在高爐煉鐵的過程中，為了降低生產溫度，添加石灰石作為助熔劑使氧化鐵 還原，在1500°C 高溫的作用下使石灰石與鐵礦中之礦物形成氧化物爐渣，由於 爐渣較鐵水(融鐵)來的輕，因此浮在鐵水之上，分離萃取及冷卻處理後形成爐石， 又稱高爐熟料。而每生產一噸生鐵伴隨著產生約300 公斤的高爐石。依冷卻方式

27_{Mehta P.K., and Monteiro, P.J.M., “Concrete-Structure, Properties, and Materials,” Prentice Hall, pp.}

281-282, 1993.

28_{Thomas M.D.A., and Bamforth, P.B., “Modelling chloride diffusion in concrete effect of fly ash and}

區分為水淬爐石及氣冷爐石，爐石主要成分為CaO 、SiO₂、Al₂O₃、與MgO等 和水泥相似，其中以CaO 含量較高，約為 40﹪以上，在適當熱量、濕度與鹼性 環境下，可以與水產生水化反應，具潛在膠結能力，因此被視為水泥質材料 29。 而符合 CNS 12223 30品質之水淬高爐石經研磨後稱為水淬高爐石粉，其品質須 符合CNS 12549 31之規定。水淬高爐石粉依活性指數可分為80 級、100 級和 120 級等三級。又依細度可分為 4000、6000、8000 三級，如表 2-4 所示，目前台灣 市面上所使用之爐石粉為80~100 級，細度為 4000 級。影響爐石粉的品質為細度、 鹽基度、燒失量、玻璃質等等。一般而言鹽基度最好在 1.75 以上，玻璃質不得 低於 95%，最好在 98%以上，燒失量不得超過 1%(CNS 規定 3%以內)，最好低 於0.3%。 表2-4 高爐石粉之物理性質29,30 試驗項目 規範 細度：(1)0.045mm CNS 386 濕篩後殘留量，最大值 20% (2)比表面積[CNS 2924 卜特蘭水泥細度檢驗法（氣透儀法）]，最 小值 330m 2_/kg 水淬高爐石粉墁料之空氣含量，最大值 12% 水淬高爐石粉活性指數 7 天指數最小值 最近連續五個試樣平均值 任一試樣 80 級 100 級 120 級 -- 75% 95% -- 70% 90% 28 天指數最小值 80 級 100 級 120 級 75% 95% 115% 70% 90% 110% （資料來源：文獻29、30）

29 _{Osborne G.J., “Durability of Portland blast-furnace slag cement concrete,” Cement and Concrete}

Composites, Vol. 21, pp. 11-21, 1999.

30 _{CNS 12223, “水淬高爐爐碴＂,中國國家標準, (2013).}

20 爐石取代水泥時，須仰賴水泥釋放鹼性離子溶液來提供相當之活化能，才能 激發其潛在的膠結功能，當水泥水化作用產生出C-S-H 膠體及 Ca(OH)2時，爐石 便會與 Ca(OH)2反應生成類似卜特蘭水泥之水合物 C-(S/A)-H 膠體，填充原本 Ca(OH)2所佔之空間，使得毛細孔隙直徑變得更小，使混凝土中孔隙減少，水密 性較佳，外界有害性物質如氯離子、硫酸鹽類不易滲入，有助於抗海水及硫鹽侵 蝕，並防止鋼筋腐蝕31。 Price 32指出，當混凝土的孔隙溶液中含有較少的氫氧根離子時，會導致外 加電場電解池所量測到的電流較低；而爐石的化學反應行為會消耗掉孔隙溶液中 的氫氧根離子，以致爐石取代部份水泥的混凝土量測到的電流值會較低。 由於爐石之顆粒較水泥顆粒細小，故將爐石適量摻用於混凝土中，可使其原 有的顆粒堆積程度更加緻密化。一般水泥之細度約在2800 cm2/g 左右，而爐石依 需要可提高研磨細度達5000 m2/g 或更高，因此添加爐石後之混凝土可以使混凝 土孔隙尺寸變小，降低氯離子滲透性，提高抵抗硫化物侵蝕之能力 33。 爐石之比重略小於水泥（水泥比重約為3.15；爐石約為 2.90；飛灰約為 2.10）， 且無飛灰燒失量之問題，故爐石以相等重量替代部份水泥時，膠結料總重量不變， 但漿體實質佔有之體積會增加，亦即漿體對骨材之體積比會因而提高，改善了新 拌混凝土工作性，又因爐石替代了部份水泥對混凝土的縮變行為亦有相當的改善 34,35_。 混凝土中以爐石適量替代部分水泥後，因漿體微觀結構較緻密，增加了抵抗 有害物質侵蝕、鹼骨材反應及鋼筋之銹蝕能力，使混凝土之耐久性提高。Hogan 36 研究指出在第一型水泥中加入50 %（Al₂O₃的含量約12﹪）爐石，與使用第五

32 _{Prince W. and Gagne, R., “The effects of types of solutions used in accelerated chloride migration}

tests for concrete,” Cement and Concrete Research, Vol. 31, No.4 pp.775-780, 2001.

33 _{Hooton R.D., and Emery J.J., “Sulfate resistance of a Canadian slag cement”, ACI Materials Journal,}

Vol. 87, pp. 547-555, 1990.

34 _{沈進發等， “公共工程高爐石混凝土使用手冊”，行政院公共工程委員會專案研究計劃， 2003.} 35 _{Hogan F.J., and Meusel J.W., “Evaluation for Durability and Strength Development of a Ground}

Granulated Blast-Furnace Slag,” Cement, Concrete, and Aggregates, V.3, No1, pp.40~52, summer, 1981.

型水泥所產生的抗硫酸鹽侵蝕能力相當。以同樣百分比的爐石替代第II 型水泥， 則效果更佳，這是因為用了爐石替代部分水泥使混凝土中 C3A 及 C3S 之含量降 低，又因化學反應使C-(S/A)-H 之膠體量增多所致。爐石之反應使混凝土中水泥 漿體內之毛細孔隙直徑變小，微觀結構較緻密，因此增加混凝土之水密性，有效 減少鹼骨材反應所引起的膨脹及抑制氯離子之滲入，減少鋼筋之銹蝕。又爐石取 代的混凝土中，漿體內的 Ca2+、Al3+、AlOH2+、Si4+之總量比純水泥漿多，且濃 度較高，而這些離子有較低的擴散能力，可以約束氯離子之移動 36且 C3A，可 與氯離子反應生成法拉第鹽，來填充孔隙，減少擴散路徑。

36 _{Princd W., Perami R., and Espagne M., “Mechanisms involved in the accelerated test of chloride}

22

第三章 試驗變數設計與方法

本研究以試驗研究與文獻蒐集，對 CNS14795 快速氯離子穿透試驗法－ RCPT 進行增修建議，以建立適用於我國的快速混凝土耐久性評估試驗法方式。 由於RCPT 電量表示耐久性的評估方法仍較為簡便，因此修正相關試驗法將藉由 CNS14795 標準 3.3 節中依據 RCPT 試驗結果評估氯離子穿透性分類的基礎點進 行思考，建立適用於飛灰與爐石混凝土的氯離子穿透性分類。因此會先進行各種 變數飛灰或爐石混凝土（包含未添加的控制組配比）RCPT 試驗結果，並進行比 對分析，由此配合相關文獻蒐集說明RCPT 運用於飛灰或爐石混凝土可能產生的 試驗結果誤差與RCPT 相關試驗機理。其次將試驗後的試體利用全斷面磨粉與切 片磨粉取樣方式，量測試體於試驗後各深度位置混凝土氯離子濃度變化情形進行 分析。由控制組混凝土氯離子濃度進入深度與總通過電量之關係，比對飛灰或爐 石混凝土氯離子濃度進入深度與總通過電量之關係，轉換成適用飛灰或爐石混凝 土氯離子穿透性分類，藉以建立適用於我國的快速混凝土耐久性評估試驗法，相 關方法說明如下。

第一節 變數設計

相關試驗變數將包含三大類，分別為水膠比、礦物摻料總類、與礦物摻料添 加量。其中水膠比變數範圍為0.35 至 0.65，此範圍可涵蓋目前業界混凝土產製 的高中低設計強度。礦物摻料種類則為本研究主題之飛灰與爐石。飛灰將採用國 內較常用的F 級飛灰。爐石則使用國內較常用的 4000 級水焠高爐石粉。在礦物 摻料添加量方面，其設定為替代水泥量的0%~50%，此設定含括業界最常使用的 30%，以及未來再生綠建材認證的 50%範圍。原試驗變數設計為 0%、20%、30%、 50%，為使計畫研究更趨完整性增加 40%變數組。試驗配比變數如表 3-1 所示。 相關混凝土也從原計畫書設計28 組配比增加至 36 組配比。每組配比至少製作 20 個試體以供試驗。試體均製作直徑 10 公分高度 20 公分圓柱試體。試體於硬 固後進行水中養護，相關規劃養護材齡為28 天與 91 天。並達規劃養護材齡後，

24 進行抗壓強度試驗、RCPT 試驗、與 RCPT 試驗後各深度混凝土氯離子濃度量測。 表3-1 混凝土配比變數 配比變數 變數範圍 水膠比 0.35、0.45、0.55、0.65 礦物摻料種類 飛灰、爐石 礦物摻料添加量 0%、20%、30%、40%、50% （資料來源：本研究自行整理）

第二節 混凝土組成材料性質

本研究所使用的混凝土組成材料包含水、水泥、F 級飛灰、4000 型水淬高爐 石粉、粗骨材、與細骨材，其材料性質如下所述。 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3-2 所示。 表3-2 拌合水試驗結果(ppm) 試驗項目 含量 氯離子 0.33 硫酸根離子 0.20 鹼性物質 (Na2O＋0.66K2O) 0.29 總固體含量 0.01 （資料來源：本研究自行整理）

水泥 本研究試驗採用台灣水泥公司所生產的第一型水泥，比重為 3.15，表 3-3 為 其物理性質與化學成分。 表3-3 水泥之物理與化學性質 試 驗 項 目 CNS 61-R2001 試 驗 值 細度：Fineness Min: 2800 cm2/g 3520 cm2/g 健度：Soundness Max: 0.80% 0.05% 7 天抗壓強度 Min: 197 kgf/cm2 312 kgf/cm2 28 天抗壓強度 Min: 281 kgf/cm2 412 kgf/cm2 初凝：Initial set Min: 45 分鐘（維卡針法） 3 小時 10 分鐘

終凝：Final set Max: 375 分鐘（維卡針法） 5 小時 30 分鐘

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%

26 飛灰 本研究所採用之飛灰取自台灣電力公司，依CNS 3036 分類為 Class-F 等級 的飛灰，比重為2.26，其化學成分組成如表 3-4。 表3-4 飛灰主要化學成分 化學組成 平均值(%) 試驗標準 （CNS 3036） 2 SiO 50.00 三者合計大於70% 3 2O Al 28.41 3 2O Fe 6.98 CaO 5.99 --- MgO 1.39 --- O K₂ 0.13 --- O Na₂ 0.09 --- 3 SO 0.47 小於3% 燒失量 4.62 小於6% 活性指數(7 天) 86.8 大於75% 活性指數(28 天) 97.8 大於75% (資料來源：台灣電力公司) 爐石 本研究使用之爐石粉為中聯爐石股份有限公司所生產4000 型，比重為 2.82， 其化學成分組成如表3-5。

表3-5 爐石粉主要化學成分 化學組成 平均值(%) 試驗標準 （CNS 12223） 2 SiO 34.28 38%以下 3 2O Al 13.52 16%以下 3 2O Fe 0.39 1%以下 CaO 42.39 37%以上 MgO 5.95 10%以下 3 SO 0.52 3%以下 比表面積(cm2/g) 4390 --- 活性指數(7 天) 84.8 --- 活性指數(28 天) 116.5 --- (資料來源：中聯爐石股份有限公司) 粗骨材 本研究混凝土所使用之粗骨材為三分碎石，其產地為我國宜蘭河域。其中比 重(SSD)為 2.74，篩分析試驗結果如表 3-6，其粒徑級配分布圖如圖 3-1 所示。 表3-6 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） 1.40 1.40 _98.60 1/2"（12.7 mm） 22.75 24.15 _75.85 3/8” (9.5 mm) 15.00 39.15 60.85 NO.4 (4.75 mm) 48.00 87.15 12.85 底 盤 12.60 99.75 _0.25 (資料來源：本研究自行整理)

28 圖3-1 三分碎石之級配級配分布圖 (資料來源：本研究自行整理) 細骨材 本研究所使用之細骨材為我國宜蘭河域所產之混凝土用粗砂級配。其比重 (SSD)為 2.69，篩分析試驗結果如表 3-7 所示，其粒徑級配分布圖如圖 3-2 所示。 表3-7 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) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 10 100

Cumulative amount passing

(%

)

圖3-2 粗砂之級配級配分布圖 (資料來源：本研究自行整理)

第三節 混凝土配比設計

本研究經第一節變數設計與第二節組成材料性質，進行配比設計。表 3-8 為 本研究飛灰混凝土配比編號設計；表3-9 為爐石混凝土配比編號設計。其中代號 第一位以F 為飛灰，S 為爐石，C 為控制組未添加飛灰與爐石的傳統混凝土。代 號第二位與第三位以數字代表水膠比，如35 為水膠比 0.35、65 為水膠比 0.65。 最後一位數字代表飛灰或爐石替代量，如0 為未添加飛灰或爐石、2 為替代量 20%、 5 為替代量 50%。表 3-10 至表 3-11 為本研究混凝土配比設計。相關試體於製作 硬固後，隨即放入水中養護28 天後進行各項試驗。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.01 0.1 1 10

Cumulative amount passing

(% ) Sieve size (mm) 試驗結果 ASTM C33上限 ASTM C33下限