鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響

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(1)鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 98 年 12 月.

(2) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 研究主持人：何明錦協同主持人：邱建國研究員：歐昱辰、蔡煒銘研究助理：何家維、蔡立倫. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 98 年 12 月.

(3) 目. 第一章第一節. 次. 緒論………………………………………………………………………1 研究緣起、背景與預期目標……………………………………………1. 第二節研究目的與重要性………………………………………………………3 第三節研究方法與步驟…………………………………………………4. 第二章. 文獻收集與分析………………………………………………9. 第一節中性化與鋼筋腐蝕……………………………………………………… 9 第二節塩害與腐蝕……………………………...………………………………25 第三節鋼筋腐蝕構件耐震行為……………………………………………….29 第四節鋼筋腐蝕 RC 建築構件生命期……………...…………………………38. 第三章. 試體製作……………………………………………………45. 第一節中性化試體製作………………………………………………………45 第二節塩害試體製作…………………………………………………………48 第三節足尺寸梁試體製作……………………………………………………51. 第四章第一節. 實驗與量測方法……………………………………………59 鋼筋腐蝕潛勢量測方法………………………………………………59. 第二節鋼筋腐蝕形態量測方法………………………………………………69 第三節中性化深度測量方法…………………………………………………73 第四節. 足尺寸梁電腐蝕實驗程序……………………………………………74. 第五節. 足尺寸梁試體反覆加載程序…………………………………………81 I.

(4) 第六節. 第五章. 中性化試體拉拔力測量………………………………………………84. 實驗結果與討論……………………………………………89. 第一節碳化深度量測結果………………………………………………………89 第二節. 碳化試體抗壓強度……………………………………………………99. 第三節. 混凝土碳化後鋼筋腐蝕潛勢…………………………………………106. 第四節碳化混凝土鋼筋握裹力………………………………………………110 第五節鋼筋腐蝕形態量測結果………………………………………………117 第六節腐蝕梁構件之力學性能予測…………………………………………120. 第六章. 結論…………………………………………………………121. 附錄一：期初報告審查意見回覆………………………………123 附錄二：期中報告審查意見回覆………………………………127 附錄三：期末審查會議紀錄 ……………………………………133. II.

(5) 表. 次. 表 1.3-1 擬於建築研究所使用儀器…………………………………..…………….7 表 2-1.1 混凝土使用各種不同水泥之中性化速度比 (一)……………...……….15 表 2-1.2 混凝土使用各種不同水泥之中性化速度比 (二)……………...……….15 表 2-1.3 水泥用量對混凝土中性化深度的影響…………………………...……..16 表 2-1.4 混凝土使用材料與中性化速度比之關係(一)…………………..………17 表 2-1.5 混凝土使用材料與中性化速度比之關係 (二)………………...……….18 表 2-3.1 實驗數據………………………………………………………………….35 表 3-2.1 混凝土拌合配比……………………………………………………….…49 表 4-1.1 常用電化學檢測方法的優劣比………………………………………….59 表 4-1.2 鋼筋銹蝕狀態之自然電位判別準則………….…………………………60 表 4-3.1 實際量測中性化深度(單位:mm)……………………………..…………73 表 4-4.1 足尺寸試體 28 天抗壓強度……………………………..………………74 表 4-4.2 鋼筋初始重量……………………………………………………….……80 表 4-4.3 腐蝕 12.5 天鋼筋重量…………………………………………….………80 表 5-1.1. EA9D-1 碳化深度量測值……………………………………….………89. 表 5-1.2. EA9D-2 碳化深度量測值…………………………….…………………90. 表 5-1.3. EA16D-1 碳化深度量測值……………………………..……………….91. 表 5-1.4. EA16D-2 碳化深度量測值………………………………………..…….92. 表 5-1.5. EA25D-1 碳化深度量測值…………………………..………………….93. 表 5-1.6. EA25D-2 碳化深度量測值………………………………….…………94. 表 5-1.7. EA36D-1 碳化深度量測值……………………….……………………95. 表 5-1.8. EA36D-2 碳化深度量測值………………………………….…………96. 表 5-1.9. 碳化深度量測………………………………………………………….98. III.

(6) 表 5-2.1 碳化時間與抗壓強度………………………………………………..….104 表 5-3.1 碳化 9 天試體開路電位測量……………………………………………106 表 5-3.2 碳化 16 天試體開路電位測量…………………………..………………106 表 5-3.3 碳化 25 天試體開路電位測量…………………………..………………107 表 5-3.4 碳化 36 天試體開路電位測量…………………………..………………107 表 5-3.5 全碳化試體開路電位測量……………………………..……………….108 表 5-3.6 碳化程度與腐蝕電位…………………………………..……………….108 表 5-3.7 鋼筋銹蝕狀態之自然電位判別準則…………………..……………….109 表 5.4-1 不同碳化成度對碳化深度、抗壓和握裹強度和腐爛電位之關係…….116. IV.

(7) 圖. 次. 圖 1.3-1 測試架構……………………………………...……………………………5 圖 1.3-2 研究步驟……………………………………...……………………………8 圖 2.1-1 中性化前後混凝土抗壓應力–應變曲線比較圖.……….……………….11 圖 2.1-2 中性化前後混凝土梁的載重–變位曲線比較圖………..……………….11 圖 2.1-3 水灰比對中性化深度的影響 …………………………………...………13 圖 2.1-4 水灰比對中性化深度的影響…………………………………………….13 圖 2.1-5 水灰比對中性化速度比的影響………………………………………….14 圖 2.1-6 水泥用量對混凝土中性化深度的影響………………………………….16 圖 2.1-7 各種不同水泥種類在不同養護條件下之中性化速度比……………….19 圖 2.1-8 抗壓強度與中性化速度比之關係……………………………………….19 圖響. 2 . 1 - 9. C O. 2. 濃度對中性化速度之影. … … … … … … … … … … … … . … … … . 2 0. 圖 2.1-10 環境相對濕度對中性化速度的影響…………………………..……….21 圖 2.1-11 環境相對濕度對中性化速度的影響…………………………..……….22 圖 2.1-12 溫度對中性化速度之影響……………………………………..……….22 圖 2.1-13 壓應力對中性化深度的影響…………………………………..……….23 圖 2.1-14 拉應力對中性化深度的影響…………………………………..……….24 圖 2.2-1 基本擴散係數與絕對溫度關係………………………………………….27 圖 2.2-2 擴散係數與相對濕度關係……………………………………………….28 圖 2.3-1 耐久性模型……………………………………………………....……….29 圖 2.3-2. LCCOR 與文獻調查的實驗結果 XAVER/r0 比較……………...………31. 圖 2.3-3 加速腐蝕方法…………………………………………………….………32 圖 2.3-4 梁的力量與位移的實驗結果…………………………………….………35. V.

(8) 圖 2.3-5 CW MAX 與X AVER /r 0 的實驗結果………………………...……………….37 圖 2.4-1 中性化或塩害之鋼筋腐蝕各階段…………………………….…………39 圖 2.4-2 潛伏期評估模式……………………………………………….…………40 圖 2.4-3 腐蝕鋼筋之降伏點殘存率…………………………………….…………42 圖 2.4-4 腐蝕鋼筋之彈性模數殘存率………………………………….…………42 圖 2.4-5 鋼筋與混凝土間之握裹強度殘存率………………………….…………43 圖 2.4-6 腐蝕梁構件之生命週期曲線………………………………….…………44 圖 3.1-1 拉拔試體設計圖……………………………………………….…………45 圖 3.1-2 試體環氧樹脂塗封示意圖…………………………………….…………45 圖 3.1-3 試體鋼筋備製………………………………………………….…………46 圖 3.1-4 固定鋼筋圓柱模………………………………………………….………46 圖 3.1-5 澆置混凝土……………………………………………………………….46 圖 3.1-6 塗抹環氧樹脂…………………………………………………….………46 圖 3.1-7 抗壓試體環氧樹脂塗封示意圖………………………………….………47 圖 3.1-8 實際中性化方向 (左右側)……………………………………...……….47 圖 3.2-1 腐蝕試體設計圖………………………………………………….………48 圖 3.2-2 試體製作步驟…………………………………………………………….49 圖 3.2-3 預灌入混凝土之試體模………………………………………………….50 圖 3.2-4 試體成品………………………………………………………………….50 圖 3.2-5. 10 天之電腐蝕結果……………………………………………………….50. 圖 3.3-1 側視圖…………………………………………………………….………51 圖 3.3-2 正視圖…………………………………………………………….………51 圖 3.3-3 固定端俯視圖…………………………………………………….………52 圖 3.3-4. RLCCOR 與 X AVER r0 的實驗結果………...……………………………….57. 圖 4.1-1 自然電位法單電極裝置示意圖………………………………………….60. VI.

(9) 圖 4.1-2 驗室所使用 CANIN 腐蝕電位儀器……………………………...………61 圖 4.1-3 銅/硫酸銅電極………………………………………………...………….61 圖 4.1-4 鋼筋端導線…………………………………………………….…………61 圖 4.1-5 儀器連接圖…………………………………………………….…………62 圖 4.1-6 硫酸銅電極量測腐蝕電位…………………………………….…………62 圖 4.1-7 鋼筋端電極連接………………………………………………...………..63 圖 4.1-8 於試體上畫量測格……………………………………………….………63 圖 4.1-9. Point 1-1 ~ 1-7 腐蝕電位量測結果……………………………...……….64. 圖 4.1-10 Point 2-1 ~ 2-7 腐蝕電位量測結果……………………………..………64 圖 4.1-11 鋼筋腐蝕情況…………………...………………………………………65 圖 4.1-12 外加陰極電流之極化曲線圖…………………………………...………66 圖 4.1-13 電流很小時，極化電位與外加電流的直線關係圖…………………….67 圖 4.1-14 鋼筋銹蝕系統之 Nyquist 圖……………………………...……………68 圖 4.2-1. 3D 表面形狀量測儀………………………………………………………69. 圖 4.2-2 鋼筋之 3D 形狀掃描圖形…………………………………...……………70 圖 4.2-3 鋼筋腐蝕等級…………………………………………………….………71 圖 4.2-4 預測量之腐蝕斷面積…………………………………………….………72 圖 4.2-5 腐蝕後鋼筋之斷面積量測方式………………………………….………72 圖 4.3-1 中性化深度量測位置示意圖…………………………………….………73 圖 4.3-2 抗壓試驗機……………………………………………………….………73 圖 4.3-3 劈裂試驗………………………………………………………….………73 圖 4.4-1 試體實際綁筋情況……………………………………………….………74 圖 4.4-2 足尺寸試體配比………………………………………………….………75 圖 4.4-3 主筋腐蝕通電方式……………………………………………….………76 圖 4.4-4 鋼筋通電搭接方式……………………………………………….………76 圖 4.4-5 足尺寸試體拆除………………………………………………….………77 VII.

(10) 圖 4.4-6 塑鉸區發生部份腐蝕…………………………………………….………78 圖 4.4-7 鋼筋腐蝕發生於外緣…………………………………….………………78 圖 4.4-8 試體拆除後的鋼筋……………………………………….………………79 圖 4.4-9 清除後的鋼筋…………………………………………….………………79 圖 4.4-10 鋼筋秤重………………………………………………...………………80 圖 4.5-1 試驗裝置圖……………………………………………….………………83 圖 4.6-1. 100 頓材料萬能試驗機與拉拔載台…………………………………….84. 圖 4.6-2. 100 頓材料萬能試驗機主機與控制…………………………………….85. 圖 4.6-3 中性化拉拔試體設計圖………………………………….………………85 圖 4.6-4 試體拉拔前於頂部蓋平………………………………………………….86 圖 4.6-5. LVDT 伸長器與伸長器鋼筋固定端……………………...…………….87. 圖 4.6-6 試體固定於載台上情形…………………………………….……………87 圖 4.6-7 拉拔試體破壞情形………………………………………….……………87 圖 4.6-8 觀察鋼筋鏽蝕情形………………………………………….……………87 圖 5.1-1 EA9D-1 碳化 9 天試體劈裂試驗…………………………………………89 圖 5.1-2 EA9D-1 碳化 9 天試體碳化情形…………………………………………89 圖 5.1-3. EA9D-2 碳化 9 天試體劈裂試驗…………………………..……………90. 圖 5.1-4 EA9D-2 碳化 9 天試體碳化情形…………………………………………90 圖 5.1-5. EA16D-1 碳化 16 天試體劈裂試驗………………………..……………91. 圖 5.1-6 EA16D-1 碳化 16 天試體碳化情形………………………………………91 圖 5.1-7. EA16D-2 碳化 16 天試體劈裂試驗………………………..……………92. 圖 5.1-8. EA16D-2 碳化 16 天試體碳化情形………………………..……………92. 圖 5.1-9. EA25D-1 碳化 25 天試體劈裂試驗………………………..……………93. 圖 5.1-10 EA25D-1 碳化 25 天試體碳化情形……………………………………93 圖 5.1-11 EA25D-2 碳化 25 天試體劈裂試驗…………………..………………94 圖 5.1-12 EA25D-2 碳化 25 天試體碳化情形…………………..………………94 VIII.

(11) 圖 5.1-13 EA36D-1 碳化 36 天試體劈裂試驗……………………….………….95 圖 5.1-14 EA36D-1 碳化 36 天試體碳化情形……………………..……………95 圖 5.1-15 EA36D-2 碳化 36 天試體劈裂試驗……………………..……………96 圖 5.1-16 EA36D-2 碳化 36 天試體碳化情形……………………..……………96 圖 5.1-17. HP-1 全碳化試體劈裂試驗……………………………….………….97. 圖 5.1-18. HP-1 全碳化試體碳化情形……………………………….………….97. 圖 5.1-19. 碳化深度與根號時間關係圖……………………………….…………98. 圖 5.2-1 混凝土碳化 9 天抗壓試驗照……………………………………………99 圖 5.2-2 碳化 9 天試體抗壓應力-應變曲線圖………………………...…………99 圖 5.2-3 混凝土碳化 16 天抗壓試驗照………………………………..…………100 圖 5.2-4 碳化 16 天試體抗壓應力-應變曲線圖………………………………….100 圖 5.2-5 混凝土碳化 25 天抗壓試驗照………………………………..…………101 圖 5.2-6 碳化試體 25 天抗壓應力-應變曲線圖………………………………….101 圖 5.2-7 混凝土碳化 36 天抗壓試驗照………………………………..…………102 圖 5.2-8 碳化 36 天試體抗壓應力-應變曲線圖………………………………….102 圖 5.2-9 混凝土全碳化抗壓試驗照……...………………………………………103 圖 5.2-10 全碳化試體抗壓應力–應變曲線圖………………………...…………103 圖 5.2-11 混凝土碳化 9、16、28、36 天抗壓應力–應變曲線比較圖…………..…104 圖 5.2-12 抗壓強度與碳化時間關係圖…………………………………….……105 圖 5.2-13 碳化深度與抗壓強度關係圖…………………………………….……105 圖 5.3-1 腐蝕潛勢與碳化時間關係圖…………………...………………………109 圖 5.4-1. PA9D 中性化 9 天試體拉拔破壞情形……………………………..……110. 圖 5.4-2 混凝土碳化 9 天試體拉拔力與位移關係圖……………………………110 圖 5.4-3. PA16D 中性化 16 天試體拉拔破壞情形…………………………..……111. 圖 5.4-4 混凝土碳化 16 天試體拉拔力與位移關係圖……………………..……111 圖 5.4-5. PA25D 中性化 25 天試體拉拔破壞情形……………………..…………112 IX.

(12) 圖 5.4-6 混凝土碳化 25 天試體拉拔力與位移關係圖…………..…....…………112 圖 5.4-7. PA36D 中性化 36 天試體拉拔破壞情形……………..…………………113. 圖 5.4-8 混凝土碳化 36 天試體拉拔力與位移關係圖………..…………………113 圖 5.4-9. PFC 全碳試體拉拔破壞情形……………………………..…………….114. 圖 5.4-10 混凝土全碳化試體拉拔力與位移關係圖…………..………….……..114 圖 5.4-11 碳化 9、16、28、36 天和全碳化試體拉拔力與位移關係比較圖...…115 圖 5.4-12 拉拔力碳與碳化時間關係圖…………………………..………...……115 圖 5.4-13 碳化深度與拉拔力關係圖……………………………….……………116 圖 5.5-1 電腐蝕結果……………………………..……………………………….117 圖 5.5-2 3D 表面形狀量測-無腐蝕狀態…………………….…………………....117 圖 5.5-3 3D 表面形狀量測-腐蝕狀態…………………….………………………117 圖 5.5-4 3D 表面形狀量測-平均重量減少率與最大斷面減少率關係圖……......118 圖 5.5-5 3D 表面形狀量測-平均重量減少率與平均斷面減少率關係圖………..118 圖 5.5-6 游標尺量測-平均斷面減少率與平均斷面減少率關係圖……….…....118 圖 5.6-1 腐蝕梁構件之力學行為…………………….…………………………..120. X.

(13) 摘. 要. 關鍵詞：鋼筋腐蝕、中性化、塩害、耐震行為、生命週期. 一、研究緣起 1960 年代開始邁入高度經濟成長期，當時或之後所建造的鋼筋混凝土結構物中，有些因自然環境影響(例如：二氧化碳、塩分等)而劣化或因初期不良材料使用(例如：海砂等)而造成内部鋼筋腐蝕嚴重，在震度與週期均未知的地震帶上存在著高度的危險性。因此，以既存或新建之鋼筋混凝土結構物為對象之耐久性診斷、維持管理、補修·補強技術的開發等均成為現今極為重要之研究課題。而對於以資源循環型社會為目標的國家而言，相關研究課題必定更為受到重視。一般而言，鋼筋混凝土結構物所發生之劣化現象(例如：中性化、塩害及複合劣化等)，大部份均會伴隨著鋼筋腐蝕，除造成鋼筋之有效斷面積減少外亦使混凝土裂縫(鋼筋之腐蝕膨脹)增加及握裹性能降低(鋼筋與混凝土)，因此，劣化後之耐力、韌性(或變形)及破壞模式則非設計當時所預期。換言之，鋼筋混凝土結構物之耐久設計及壽命評估與鋼筋腐蝕所引致之耐力及韌性下降程度習習相關。過去相關之研究目的多著重於鋼筋腐蝕程度(如：平均重量減少率)與構件抵抗靜態單向載重性能之關係，但含腐蝕鋼筋構件的耐震性能(受到動態與反覆載重作用下之性能)的研究卻付之闕如。由於台灣地震頻繁，相關的研究實有迫切的需要。二、研究方法及過程本研究主要針對鋼筋混凝土構件受中性化及塩害等材料劣化因子影響而造成力學行為及生命週期改變等課題進行研究。因此，研究方法可大致分為劣化環境模擬與控制、縮尺與足尺實驗與統計分析等三大部份，如下所述： XI.

(14) (1)劣化環境模擬與控制必須考慮如何控制中性化及塩害程度。就中性化而言，此過程於自然條件下非常緩慢而無法利用室外曝曬方式進行劣化，因此本研究擬採用加速劣化試驗模擬中性化現象。加速中性化試驗方式有二：(1)增加二氧化碳濃度；(2)同時增加二氧化碳濃度與壓力。本研究擬採用上述二方式製作 RC 縮尺試體，並藉由腐蝕量測技術(腐蝕電位量測法、直流極化法及交流阻抗法)來評估內部鋼筋腐蝕機率、速率及鋼筋之重量減少率等。就塩害而言，本研究擬參考相關規範中之混凝土氯離子含量限制，於拌合水中添加適量之氯化鈉，然而氯離子實際分佈預測非常困難，必須藉由微觀分析試驗來更精準掌握。此外，本研究亦擬採用貴所之塩霧複合耐候試驗機進行受塩害之 RC 縮尺試體製作，並利用上述之腐蝕量測技術進行內部鋼筋腐蝕評估。然而因塩分或裂縫所造成之腐蝕形態易形成孔蝕(Pitting Corrosion)且具有高度之局部性。因此，一般而言孔蝕之最大深度(Pmax)遠越過平均腐蝕深度(Pav)，根據文獻可知 R 值(Pmax/ Pav)之範圍為 4~8。本研究除利用重量減少率來表示腐蝕程度之指標外，將利用 3D 表面形狀量測儀器以測定各鋼筋斷面之實際腐蝕程度，並藉由統計方法以了解孔蝕之空間分佈及與均佈腐蝕或平均腐蝕電流之關係。. (2)足尺實驗方法(足尺梁實驗) 試驗時以螺桿將試體固定端鎖固至強力地板，並以油壓千斤頂對自由端施以反覆載重，測試梁的勁度、強度、延性與消能能力。試體於反覆載重測試前，將施以電流加速鋼筋腐蝕，以獲得含不同腐蝕程度鋼筋的試體。. (3)統計與分析藉由縮尺模型實驗除利用統計分析了解各劣化環境下之鋼筋腐蝕形態及腐 XII.

(15) 蝕鋼筋之力學行為外，配合足尺寸梁實驗結果以建立鋼筋腐蝕建築構件之耐震性能評估方法與指標。此外，採用既有之中性化與塩害等機率劣化模型，結合上述耐震性能評估模型並根據文獻導入合理之統計持性，以了解鋼筋腐蝕對於 RC 建築構件生命週期之影響。以上研究方法已廣泛於文獻中探討，因此具理論背景及實際可行性，本研究試驗結果亦可與前人研究等比較。此外，部份試驗方法如腐蝕電位及速率等皆有規範可資參考，因此試驗參數可適當地決定。本研究進行過程中預期遇到的困難及解決方式分述如下： (1)量測與實驗設備目前營建系材料實驗室無配備腐蝕量測儀器，為順利進行各項試驗，目前已向校方申請經費已購置儀器，然採購過程費時，故部份試驗擬向貴所借或租用相關儀器。足尺寸梁試體之鋼筋腐蝕產生，由於缺乏大型之環境模擬機或加速腐蝕機，本研究擬採用外加電流強迫腐蝕方式進行，所得結果雖與實際劣化環境不同，但配合環境控制下之縮尺模型試驗結果，所得之分析模型仍具實用價值。. (2)數據分析根據以往的經驗，鋼筋混凝土腐蝕量測的結果具有相當地不確定性，亦即在相似環境條件下，不同試體所量測之鋼筋腐蝕電位與腐蝕速率等皆有所差異，原因可能在於混凝土本身的材料組成變異及量測技術本身的誤差。為解決此問題，本研究擬增加試體數目，嘗試以統計方式解釋其差異性。另一方面，本研究擬增加施加環境條件的差異性，以更能準確掌握各變因影響。. 三、研究成果由試驗結果可看出碳化可使混凝土抗壓強度提升，但隨著碳化深度增加，混凝土極限應力提升抗壓應力–應變曲線斜率變大，混凝土變得較脆硬；由拉拔試驗更可看出隨著混凝土碳化深度增加，混凝土的強度連帶握裹強度發展有明顯的 XIII.

(16) 提升，由破壞點也可看碳化深度增加混凝土脆硬化。中性化會使鋼筋失去高鹼環境，造成鋼筋鈍態膜破壞並使鋼筋腐蝕，但須中性化深度深達鋼筋表層，才會對鋼筋造成腐蝕的影響，若深度不及鋼筋表層，對鋼筋的腐蝕並無太大影響，由本試驗開路電位量測結果，鋼筋腐蝕潛勢雖隨著碳化時間的增加有下降的趨勢，但經由規範[ASTM-C976.91]對照，腐蝕機率仍屬於不確定的狀態，劈裂試驗觀察鋼筋表面之鏽蝕，也無發現明顯鏽蝕。故混凝土部份中性化可使鋼筋混凝土結構物強度提升。本研究所進行之縮尺試體電腐蝕試驗，依其 3D 表面形狀量測結果可知，最大斷面減少率約為平均重量減少率之 2 倍。因此，若僅依平均重量減少率評估腐蝕構件之力學行為時會有不保守現象，也無法考慮局部腐蝕可能之破壞模式，此一現象於塩害腐蝕時應特別注意。另外，本研究所分析之腐蝕梁構件行為，當其平均重量減少率大於 7%時，則破壞模式會由原本之撓曲降伏破壞改為握裹破壞，換言之，於腐蝕構件耐震行為分析時，因主筋腐蝕所造成之握裹強度下降是不可以忽略的。. XIV.

(17) ABSTRACT In this research, besides of experiments of carbonation and chloride ingress, cyclic loading tests of full-scale reinforced concrete beams with corroded rebar are currently being conducted. The accelerated corrosion process is achieved by imposing the specimens a constant current. There are five sets of specimens subjected to the corrosion process for various periods of time. Each set includes two specimens subjected to the corrosion process for the same period of time. One is subjected to cyclic loading after the corrosion process while the other one is demolished after the process to examine the extent of corrosion. Results of the tests will be used to establish the relationships between rebar corrosion indices and seismic performance indices of reinforced concrete beams. In addition, on the basis of corrosion induced by carbonation and chloride ingress, life-cycle of a corroded RC member can be illustrated.. XV.

(18) 第一章緒論. 第一章緒論第一節. 研究緣起、背景與預期目標. 壹、研究緣起 1960 年代開始邁入高度經濟成長期，當時或之後所建造的鋼筋混凝土結構物中，有些因自然環境影響(例如：二氧化碳、塩分等)而劣化或因初期不良材料使用(例如：海砂等)而造成内部鋼筋腐蝕嚴重，在震度與週期均未知的地震帶上存在著高度的危險性。因此，以既存或新建之鋼筋混凝土結構物為對象之耐久性診斷、維持管理、補修、補強技術的開發等均成為現今極為重要之研究課題。而對於以資源循環型社會為目標的國家而言，相關研究課題必定更為受到重視。一般而言，鋼筋混凝土結構物所發生之劣化現象(例如：中性化、塩害及複合劣化等)，大部份均會伴隨著鋼筋腐蝕，除造成鋼筋之有效斷面積減少外亦使混凝土裂縫(鋼筋之腐蝕膨脹)增加及握裹性能降低(鋼筋與混凝土)，因此，劣化後之耐力、韌性(或變形)及破壞模式則非設計當時所預期。換言之，鋼筋混凝土結構物之耐久設計及壽命評估與鋼筋腐蝕所引致之耐力及韌性下降程度習習相關。過去相關之研究目的多著重於鋼筋腐蝕程度(如：平均重量減少率)與構件抵抗靜態單向載重性能之關係，但含腐蝕鋼筋構件的耐震性能(受到動態與反覆載重作用下之性能)的研究卻付之闕如。由於台灣地震頻繁，相關的研究實有迫切的需要。. 貮、研究背景第二次世界大戰結束後，自然資源的大量開發與應用對環境產生極大的衝擊，到 1970 年代能源危機及環境問題的浮現，喚起全球對節約能源與限制溫室氣體排放的重視。聯合國於 1972 年的「人類環境生活」中提出「永續發展」的觀念。1992 年 6 月於巴西里約熱內盧召開「地球高峰會議」，簽署包括「里約宣言」、「廿一世紀議程」、「森林原則宣言」、「氣候變化網要公約」及「生物多樣公 1.

(19) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 約」等五項重要文件作為邇後全球各國努力的目標及依循，進一步表明全球環保意識，公認保護地球永續發展的環保工作為全世界人類共同的責任；至於如何永續發展，已成為重點研究。由於營建工程之所有活動過程，均使用大量能源，並產生大量溫室氣體，在建材的生產、運輸、施工、維護使用至拆除回收的過程中，常對環境造成相當程度的負荷與污染。據過去之調查，營建產業的耗能量與溫室氣體排放量已佔全國總量的五分之二，可見營建業在節約能源及環境保護上佔有十分重要的關鍵。而近年來，本國政府針對新建之大樓或交通設施進行「綠建築」之推動，效果顯著，且內容與先進國家相比較，毫不遜色，但對既有建築物之性能維持之環境影響及耗能相關研究非常缺乏，如補強工事、改修工法之環境影響與經濟效益等，因此，隨著建築物之「生命延續」工法之盛行，勢必無法進行環境衝擊控制，而成「永續發展」目標中之一大缺憾。近年日本因建築物性能維持與管理所產生之大量資源使用、營建廢棄物增加等危害地球環境等問題日益受到重視，建築物之長壽命化與耐久性問題也受到廣泛的關心與注意。較於 1997 年之京都議定書內容，日本建築學會於 1997 年 12 月亦提出「如為減少 30%之 LCCO 2 ，建築物之壽命必須延長為原設定值 3 倍，即為 100 年之供用目標」，由此可見，建築物之性能維持或長壽命化於「永續發展」或「永續工程」中是不可缺少的。基於上述永續工程觀點，目前應用於營建工程中最廣泛之材料＂鋼筋與混凝土＂卻仍存在許多問題。雖隨著研發技術不斷提升已可設計出各種不同性能之混凝土以滿足各類建築物需要，然而，受到外界環境影響、施工不良及結構設計不當等因素，混凝土往往發生各種劣化現象。更為嚴重者，可能進一步造成與加速鋼筋腐蝕，影響結構物的安全並減少使用壽命。有鑒於此，鋼筋混凝土劣化機理及其影響是評估建築物力學性質、耐震行為之一重要研究課題，且對於鋼筋混凝土建築構件之生命週期研究也具有重要意義。. 2.

(20) 第一章緒論. 參、預期目標本究將進行加速腐蝕環境下之鋼筋腐蝕量測，除分析各環境影響因子與鋼筋腐蝕之對應關係外，本計畫擬建立以鋼筋腐蝕程度為變數之材料力學性質，並配合足尺寸之梁試體實驗結果而建立構件劣化指標，以做為考慮鋼筋腐蝕構件之耐震性能評估依據，亦採用即有之材料劣化模型以達成下列各項預期目標：. 1.考慮鋼筋腐蝕梁構件之耐震行為(包含實驗與分析) 2.耐震性能指標與鋼筋腐蝕指標之關係建立。 3.考慮鋼筋腐蝕建築構件之評估或分析方法與指標。 4.鋼筋混凝土建築構件鋼筋腐蝕後之生命週期定義與分析。. 第二節. 研究目的與重要性. 壹、研究目的本研究目的在於瞭解各劣化因子(包括混凝土中性化與塩害)如何影響鋼筋腐蝕，並藉由梁構件之力學試驗以了解其內部鋼筋腐蝕後之耐震性能及建立可用之評估方法與指標。此外，期望配合既有之材料劣化模型，以機率方式探討鋼筋腐蝕對於混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響。. 貮、本研究之重要性臺灣近幾十年來，隨著經濟成長，混凝土與鋼筋使用量與日俱增，過去評定混凝土品質常常以強度為依據，但強度高並不一定代表耐久性佳。隨環境變遷、工業污染、以及材料使用不當等因素增加，使得混凝土結構物耐久性受到考驗。以美國為例，1975 年美國國家標準局(NBS)曾指出，混凝土中鋼筋腐蝕占全年材料腐蝕的 40%，財產損失或修補費用達 280 億美元。英國環保部門亦曾估計全年鋼筋混凝土結構物因腐蝕破壞，所需維修費用高達 5.5 億英鎊。儘管國內目前尚. 3.

(21) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 未有較完整的統計資料，但由國外的經驗可以瞭解，鋼筋混凝土腐蝕的維修補強會耗費極大的社會資源。有鑒於此，評估建築構件於鋼筋腐蝕後之力學性能或耐震能力折減是一重要的研究課題，不僅對於鋼筋混凝土構件設計與補強具重要意義，也是處於地震帶並具海島型氣候之台灣所不容忽視的問題。. 第三節. 研究方法與步驟. 壹、研究方法本研究主要針對鋼筋混凝土構件受中性化及塩害等材料劣化因子影響而造成力學行為及生命週期改變等課題進行研究。因此，研究方法可大致分為劣化環境模擬與控制、縮尺與足尺實驗與統計分析等三大部份，如下所述：. (1)劣化環境模擬與控制必須考慮如何控制中性化及塩害程度。就中性化而言，此過程於自然條件下非常緩慢而無法利用室外曝曬方式進行劣化，因此本研究擬採用加速劣化試驗模擬中性化現象。加速中性化試驗方式有二：(1)增加二氧化碳濃度；(2)同時增加二氧化碳濃度與壓力。本研究擬採用上述二方式製作 RC 縮尺試體，並藉由腐蝕量測技術(腐蝕電位量測法、直流極化法及交流阻抗法)來評估內部鋼筋腐蝕機率、速率及鋼筋之重量減少率等。就塩害而言，本研究擬參考相關規範中之混凝土氯離子含量限制，於拌合水中添加適量之氯化鈉，然而氯離子實際分佈預測非常困難，必須藉由微觀分析試驗來更精準掌握。此外，本研究亦擬採用貴所之塩霧複合耐候試驗機進行受塩害之 RC 縮尺試體製作，並利用上述之腐蝕量測技術進行內部鋼筋腐蝕評估。然而因塩分或裂縫所造成之腐蝕形態易形成孔蝕(Pitting Corrosion)且具有高度之局部性。因此，一般而言孔蝕之最大深度(Pmax)遠越過平均腐蝕深度(Pav)，根據文獻可知 R 值(Pmax/ Pav)之範圍為 4~8。本研究除利用重量減少率來表示腐. 4.

(22) 第一章緒論. 蝕程度之指標外，將利用 3D 表面形狀量測儀器以測定各鋼筋斷面之實際腐蝕程度，並藉由統計方法以了解孔蝕之空間分佈及與均佈腐蝕或平均腐蝕電流之關係。 (2)足尺實驗方法(足尺梁實驗) 試驗時以螺桿將試體固定端鎖固至強力地板，並以油壓千斤頂對自由端施以反覆載重，測試梁的勁度、強度、延性與消能能力，預計的試驗架構如圖 2 所示。試體於反覆載重測試前，將施以電流加速鋼筋腐蝕，以獲得含不同腐蝕程度鋼筋的試體，預計加速腐蝕的方法如圖 1.3-1 所示。. 圖 1.3-1 測試架構. (3)統計與分析藉由縮尺模型實驗除利用統計分析了解各劣化環境下之鋼筋腐蝕形態及腐蝕鋼筋之力學行為外，配合足尺寸梁實驗結果以建立鋼筋腐蝕建築構件之耐震性能評估方法與指標。此外，採用既有之中性化與塩害等機率劣化模型，結合上述耐震性能評估模型並根據文獻導入合理之統計持性，以了解鋼筋腐蝕對於 RC 建. 5.

(23) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 築構件生命週期之影響。以上研究方法已廣泛於文獻中探討，因此具理論背景及實際可行性，本研究試驗結果亦可與前人研究等比較。此外，部份試驗方法如腐蝕電位及速率等皆有規範可資參考，因此試驗參數可適當地決定。本研究進行過程中預期遇到的困難及解決方式分述如下： (1)量測與實驗設備目前營建系材料實驗室已採購腐蝕量測儀器可進行腐蝕電位、直流極化法與交流阻抗法的腐蝕量測，然仍有部份試驗設備擬向貴所借或租用相關儀器(表 1.3-1)。足尺寸梁試體之鋼筋腐蝕產生，由於缺乏大型之環境模擬機或加速腐蝕機，本研究擬採用外加電流強迫腐蝕方式進行，所得結果雖與實際劣化環境不同，但配合環境控制下之縮尺模型試驗結果，所得之分析模型仍具實用價值。. 6.

(24) 第一章緒論. 表 1.3-1 擬於建築研究所使用儀器. 1. 機型：SUGA, CTP-96 2. 功能：模擬材料於不同氣候環境下加速劣化。 3. 試驗槽：96(長)×61(寬)×86(高)cm 鹽霧複合耐 4. 試驗項目：候試驗機 ▲鹽水噴霧：濃度 5%鹽水、噴霧量 1~2ml/80cm2/h、溫度 35ºC或 50ºC ▲乾燥：溫度 20~70ºC、濕度 25%RH ▲濕潤：溫度 50~70ºC、濕度 60~98%RH ▲浸漬：濃度 5%鹽水、溫度 10~60ºC 1. 機型：Metrohm, 809 Titrando 2. 功能：氯離子滴定滴定儀. (2)數據分析根據以往的經驗，鋼筋混凝土腐蝕量測的結果具有相當地不確定性，亦即在相似環境條件下，不同試體所量測之鋼筋腐蝕電位與腐蝕速率等皆有所差異，原因可能在於混凝土本身的材料組成變異及量測技術本身的誤差。為解決此問題，本研究擬增加試體數目，嘗試以統計方式解釋其差異性。另一方面，本研究擬增加施加環境條件的差異性，以更能準確掌握各變因影響。. 7.

(25) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 貮、研究步驟本計畫之研究步驟如圖 1.3-2 所示。. 圖 1.3-2 研究步驟. 8.

(26) 第二章文獻收集與分析. 第二章文獻收集與分析第一節. 中性化與鋼筋腐蝕. 壹、中性化與腐蝕當外在環境中(空氣、土壤、地下水)的酸性氣體或液體侵入混凝土中，與水泥中的鹼性物質發生反應，使混凝土中pH 值下降的現象稱為混凝土中性化 (Neutralization)。其中，由一般大氣環境中的CO 2 引起的中性化過程稱為混凝土的「碳化(Carbonation)」。混凝土能保護鋼筋不銹蝕的最主要原因在於其內部孔隙水溶液維持著一個高鹼性(pH＝12～13)的環境。然而，混凝土中性化將使鋼筋表面的鈍態膜(Passive Film)趨向不穩定，若加以適當之環境(如氧氣及水)的存在，鋼筋即會發生銹蝕。因此，研究混凝土中性化深度為瞭解鋼筋銹蝕時機的重要課題，亦是衡量鋼筋混凝土結構物耐久性的必要指標之一。. 貮、混凝土中性化之機理普通混凝土的水泥熟料經水化反應生成的Ca(OH) 2 (簡稱CH)和水化矽酸鈣 3CaO.2SiO 2．3H 2 O(簡稱C–S–H)，兩者是可被碳化。通常普通波特蘭水泥(Ordinary Portland Cement)所產生之CH 為水泥量的 1/3，其pH 值高達 12～13，呈強鹼特性。環境中若含有 0.03%弱酸性的CO 2 ，當其通過混凝土未完全充滿水的毛細孔道並向內部氣態擴散並溶解在孔隙水中時，CH 和C–S–H 會與其發生碳化反應，生成碳酸鈣： CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 Ca (OH) 2 + H 2 CO 3 →CaCO 3 + 2H 2 O 3CaO‧2SiO 2 ‧3H 2 O + 3H 2 CO 3 → 3CaCO 3 + 2SiO 2 + 6H 2 O. 9.

(27) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 混凝土碳化反應產生的CaCO 3 ，其pH 值約在 8.5～10 之間，遠低於CH 之pH 值，此即稱為中性化。CaCO 3 屬於非溶解性鈣鹽，比原來水化反應物的體積膨脹約 17％，能使混凝土的孔隙率降低以充實混凝土的緻密性，進而減緩CO 2 的擴散速率。但是，其亦會引發鋼筋脫鈍，在有足夠水和氧氣的條件下即産生自然電化學銹蝕。鋼筋銹蝕會使本身有效斷面積縮減，其銹蝕産物會引致體積膨脹造成混凝土保護層脹裂甚至脫落，鋼筋與混凝土的握裹作用因而下降甚至喪失，進而嚴重影響混凝土結構物的安全性和正常使用性能。由於中性化使混凝土本身的物理性質會產生變化，因此鋼筋混凝土構件的力學特性會產生某種程度上地改變。中性化使混凝土的抗壓強度、劈裂強度及彈性模數皆有所提高，抗壓應力–應變曲線上升段和下降段斜率變大，混凝土的脆性增加，極限應力提高，極限應變改變不顯著(如圖 2.1-1 所示)【唐岱新、李興民， 89】。另外，朱伯龍等人【朱伯龍、肖建庄，民 87】以鋼筋未腐蝕為前提，對已中性化與未中性化混凝土梁進行載重試驗，並將研究結果繪製如圖 2.1-2 所示。由圖可知，混凝土中性化後，梁的極限承載力雖有所提升，但極限變位與構件韌性卻相對地降低。但是，部份學者【紀茂傑，民 91，黃然，民 87，張譽等，民 92】亦指出，水泥的水化產物Ca(OH) 2 若和大量CO 2 反應，會産生溶解性較高的碳酸氫鈣(Ca(HCO 3 ) 2 )，反而會增加混凝土的孔隙率，造成更多有害物質入侵混凝土內部的機會，使混凝土抗壓強度不升反降。所以，一般大氣環境下導致的混凝土中性化效應，對鋼筋混凝土結構物的負面影響，主要還是來自於其引起的鋼筋銹蝕問題。. 10.

(28) 第二章文獻收集與分析. 圖 2.1-1 中性化前後混凝土抗壓應力–應變曲線比較圖【唐岱新、李興，民 89】. 圖 2.1-2 中性化前後混凝土梁的載重–變位曲線比較圖【朱伯龍、肖建庄等，民 87】. 11.

(29) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 參、影響混凝土中性化的重要因素影響混凝土中性化的因素很多，包括二氧化碳濃度、溫度、溼度、混凝土的材料特性如滲透性、強度及養護條件等。但主要的因素是混凝土的密實度(孔隙率)，即抗擴散性能。混凝土愈密實，即抗擴散性能愈高，則外界的氣體只能作用於混凝土表面，向內部擴散比較困難。從碳化機理可知，影響混凝土中性化的因素有：屬於材料本身的因素，如水灰比、水泥種類、水泥用量、骨材種類與粒徑、摻和劑、養護條件與齡期、混凝土強度等；屬於環境條件的因素，如相對濕度、CO 2 濃度、溫度；以及混凝土保護層厚度、混凝土的應力狀態、施工品質等。兹就各影響因素分別概述如下：. (1) 材料因素： i. 水灰比(W/C)：混凝土孔隙率(Porosity)的大小與水灰比密切相關，其中游離水的量更直接影響孔隙飽和度(孔隙水體積與孔隙總體積之比)的大小【Hakan Nuri Atahan ， 2009】。因此，水灰比是決定CO 2 有效擴散係數及混凝土中性化速度的主要因素之一。水灰比變大，則混凝土的孔隙率和CO 2 有效擴散係數齊增，混凝土的中性化速度也隨之加快。反之，降低水灰比能提高混凝土密實度而改善不透水性，使混凝土的中性化速度減慢。基於水灰比的特性，各國規範對暴露於腐蝕環境下的混凝土水灰比均有一定之限制，如ACI 318M 將最大水灰比限制值定為 0.40，但若最小保護層厚度提高 1 cm時，則最大水灰比可增為 0.45。圖 2.1-3 為中性化深度與水灰比關係的試驗結果。Kijolsvold利用加速試驗得到中性化深度與水灰比的關係，如圖 2.1-4 所示。日本建築學會的相關研究亦透過加速試驗得到水灰比對中性化速度比的影響，如圖 2.1-5 所示。. 12.

(30) 第二章文獻收集與分析. 圖 2.1-3 水灰比對中性化深度的影響【張譽等，民 92】. 圖 2.1-4 水灰比對中性化深度的影響【牛荻濤民 92】. 13.

(31) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 圖 2.1-5 水灰比對中性化速度比的影響【日本建築學會 1997】. ii. 水泥種類與用量：當不同種類的水泥和不同摻和料的混合使用時，水化產物中的鹼性物質量會有所差別，故對混凝土的中性化速度有直接影響。水泥種類決定著各種礦物成分在水泥中的百分比，而水泥用量則是決定單位體積混凝土中水泥熟料的含量，兩者皆是水泥水化反應後，單位體積混凝土中可碳化物質含量的主要決定因素。水泥用量越大，則單位體積混凝土中可碳化物質的含量越多，中性化必須供給的 CO 2 也越多，使中性化速度越慢。對於相同級配的混凝土(水泥用量相同)，採用矽酸鹽水泥時中性化速度最小，採用粉煤灰水泥、火山灰質矽酸鹽水泥和礦渣矽酸鹽水泥混凝土者則最大。若是同一種類的水泥，則中性化速度隨混合材摻量的多寡成正比。者岸谷、白山及中國大陸學者張譽、蔣利學、張偉平及屈文俊都研究了水泥種類對中性化的影響，其成果如表 2-1.1、表 2-1.2 及圖 2.1-6 所示。中國大陸學者牛荻濤指出，Meyer 等人通過試驗，得到不同水泥用量所對應的中性化深度比值，如表 2-1.3 所示。. 14.

(32) 第二章文獻收集與分析. 表 2-1.1 混凝土使用各種不同水泥之中性化速度比【王櫻茂，民 89】(一). 表 2-1.2 混凝土使用各種不同水泥之中性化速度比【曾子彥，民 91】(二). 15.

(33) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 圖 2.1-6 水泥用量對混凝土中性化深度的影響【張譽等，民 92】. 表 2-1.3 水泥用量對混凝土中性化深度的影響【王櫻茂，民 99】. iii. 骨材種類與粒徑：人造或天然的輕粒料所含火山灰在加熱養護過程中會與Ca(OH) 2 結合。粗粒料與水泥漿黏結性較差，CO 2 易從粒料與水泥漿的界面擴散。以上這些因素都會使中性化速度加快。混凝土中粒料的體積約佔全部體積 60～70％，因此粒料強度、粒徑大小對混凝土性質有很大的影響。適當選擇級配良好的粒料，不僅可 16.

(34) 第二章文獻收集與分析. 以增加混凝土的強度，亦可以提高混凝土的水密性，增加CO 2 入侵的難度。Mehta 【P.K. Mehta，1990】指出水灰比不變時，由於混凝土在拌和時會沿粗粒料周圍形成水膜，在粒徑較大的粒料周圍，其水灰比相對較高，所形成的孔隙要比漿體本身的孔隙多，使得混凝土之滲透性會隨著增加。. iv. 摻和劑：混凝土中摻加輸氣劑(Air Entraining Agent, 簡稱AE 劑)，能形成很多封閉的氣泡，切斷毛細管的通路，而減水劑能直接減少用水量，兩者皆可使CO 2 有效擴散係數顯著減小，進而大大降低混凝土的中性化速度，如表 2-1.4 與表 2-1.5 所示。. 表 2-1.4 混凝土使用材料與中性化速度比之關係【王櫻茂，民 89】 (一). 17.

(35) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 表 2-1.5 混凝土使用材料與中性化速度比之關係【曾子彥，民 91】(二). v. 養護條件與齡期：混凝土早期養護不良，表層水分失去較快，將使混凝土滲透性增大，抗中性化能力降低，進而加快混凝土中性化速度。甚至同一種類混凝土完成的不同構件或同一構件的不同位置，其中性化速度亦有顯著差別。Bassat 等人把相同的試體分別放在水中及相對濕度維持在 65％的大氣中進行養護，並暴露在相同的中性化環境下長達兩年，結果發現水中試體的中性化深度比大氣中試體約低 20％～ 50％。Mattews 亦指出水中養護時間由一天增至三天，可降低中性化深度達 40 ％。岸谷孝一則探討各種不同水泥種類在不同養護條件下之中性化速度比，如圖 2.1-7 所示。. 18.

(36) 第二章文獻收集與分析. 圖 2.1-7 各種不同水泥種類在不同養護條件下之中性化速度比【日本建築學會．1997】. 圖 2.1-8 抗壓強度與中性化速度比之關係【魚本健人，1992】. 19.

(37) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. vi. 混凝土抗壓強度：混凝土抗壓強度能反映其孔隙率、密實度，其值越大表示混凝土孔隙結構越緻密，因此能宏觀地作為抗中性化能力的指標。一般而言，混凝土抗壓強度愈高，中性化速度愈慢，但混凝土抗壓強度難以反映水泥用量等因素對中性化速度的影響，故試驗結果離散性較大。圖 2.1-8 所示為以水泥種類、水灰比及養護條件等為參數而以定量檢討抗壓強度與中性化速度之關係【魚本健人，1992】. 圖 2.1-9 CO 2 濃度對中性化速度之影響【日本建築學會．1997】. (2) 外在環境因素： i. 二氧化碳濃度：環境溫濕度大略相同時，若大氣的CO 2 含量越高，混凝土內外CO 2 濃度梯度就越大，也越易擴散進入孔隙，同時使中性化速度加快。因此，CO 2 濃度是決定中性化速度的主要環境因素之一。一般而言，中性化速度與CO 2 濃度的平方根近似成正比，混凝土快速試驗正是根據這一原理設計的。快速試驗顯示，CO 2 的濃度越高，且壓力越大，CO 2 氣體能較快地向混凝土內部擴散，使中性化反應迅速進行。圖 2.1-9 為日本建築學會研究CO 2 濃度對中性化速度之影響的試驗結果。 ii. 環境相對濕度： 20.

(38) 第二章文獻收集與分析. 由碳化機理可知，當環境相對濕度較高時，才能使混凝土中性化反應充分進行。相關文獻指出環境相對濕度約在 55%以上時，中性化速度可達最大值。若環境相對濕度過高至混凝土接近飽水狀態，則CO 2 的擴散速度反而緩慢，使中性化發展也很慢。當環境相對濕度較低(約在 55%以下)時，孔隙水不充分，CO 2 與水化產物不會產生化學作用，亦即濕度過小會使中性化反應受到限制，混凝土的部分中性化現象較明顯。若相對濕度過低至混凝土處於乾燥狀態，雖然CO 2 的擴散速度很快，但缺少液相環境促進中性化反應，中性化難以發展。溫度在 20～40℃間，環境相對濕度比溫度對中性化速度的影響會較為明顯，當環境相對濕度大於 50％時，其與中性化速度約呈線性關係【Y.H. Loo et al， 1994】。牛荻濤指出，蔣清野等人曾針對 1981 年至 1996 年的中性化檢測資料分析後提出中性化速度與環境相對濕度的關係呈拋物線狀，如圖 2.1-10 所示。圖 2.1-11 為日本建築學會研究環境相對濕度對中性化速度之影響的試驗結果。. 圖 2.1-10 環境相對濕度對中性化速度的影響【張譽等，民 92】. 21.

(39) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 圖 2.1-11 環境相對濕度對中性化速度的影響【日本建築學會，1997】. 圖 2.1-12 溫度對中性化速度之影響【日本建築學會，1997】. iii. 溫度：當相對濕度不變時，CO 2 的擴散速度隨著溫度的升高而加快，可促進碳化反應速度，溫度的交替變化也有利於CO 2 的擴散。混凝土在炎熱的氣候下的中性化速度比在溫和氣候下快，並與變化的幅度、頻率、結構幾何尺寸和形狀以及混凝 22.

(40) 第二章文獻收集與分析. 土的孔隙率有關。Nagataki研究結果顯示，當試體在 50℃的環境下烘乾時，由於水氣被蒸發，因此氣體滲透性會增加；當試體在 100℃或 150℃的環境下烘乾時，由於試體內微裂縫的的形成會造成氣體滲透性增加。圖 2.1-12 為日本建築學會研究溫度對中性化速度之影響的試驗結果。. iv. 應力狀態：鋼筋混凝土結構中，由於不同結構位置的混凝土會承受不同的應力，在拉應力的作用下，加速混凝土微裂縫的擴張與延伸，並擴展微裂縫間的連接貫通，增大混凝土的空隙縫，降低混凝土的抗滲性，進而削弱混凝土的抗中性化能力。劉亞芹研究過單軸拉壓狀態下混凝土的中性化現象。試驗結果顯示，當壓應力 fc 不超過 0.7fc'(fc'為混凝土的抗壓強度)時，壓應力對中性化起延緩作用。壓應力為 0.7fc'時的碳化深度與無壓應力時相當。當壓應力超過 0.7fc'時，由於微裂縫的開展加劇，會使中性化速度加快，如圖 2.1-13 所示。在拉應力 ft 不超過 0.3 ft(ft 為混凝土的抗拉強度)時，應力作用不明顯，當拉應力為 0.7ft 時，碳化深度增大近 30%，如圖 2.1-14 所示。可見，不管是拉應力還是壓應力，在高應力水平時必須考慮應力對中性化的不利影響。由橋樑調查中發現，鋼筋鏽蝕引起的混凝土崩裂大多發生在拉力區，而壓力區則損壞較少，此應與前述因素有關。. 圖 2.1-13 壓應力對中性化深度的影響【劉亞芹，民 86】 23.

(41) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. 圖 2.1-14 拉應力對中性化深度的影響【劉亞芹，民 86】. v. 施工品質：實際工程中，在相同材料、相同環境條件下，因混凝土密實性差及存在蜂窩、漏漿及裂縫等缺陷因素，使中性化深度的離散性比試驗室大得多。可見實際工程的施工品質對中性化的影響之大。. 24.

(42) 第二章文獻收集與分析. 第二節. 鹽害與腐蝕. 壹、鹽害與腐蝕鋼筋混凝土鹽害主要來自於氯離子滲透造成鋼筋表面鈍態膜的破壞，進而造成鋼筋腐蝕。氯離子來源主要有：(1)含氯化鈣之速凝劑；(2)去冰鹽；(3)拌合水； (4)高鹽氣候環境等。目前臺灣地區建築物受鹽害之原因主要為後二者。目前國內規範對於新拌混凝土及拌合水已有氯離子含量的限制，因此新建建築物鹽害發生主要源自所處之環境條件，如沿海地區，而既有建築物發生鹽害之部份原因為當初使用材料含鹽量過高，如以海水當拌和水、使用海砂等，隨著齡期增加，孔隙水中游離氯離子持續破壞鋼筋鈍態膜所致。造成鋼筋鈍態模消失所需的氯離子量往往又與孔隙水溶液中之鹼量有關，大致可歸納為pH值越高則越不容易受氯離子影響。根據既有研究可知，影響鋼筋鈍態模消失之原因更可細分為：1.鋼筋周圍孔隙水溶液中所含自由氯離子(Cl-)與氫氧根離子(OH-)之濃度比、2.鋼筋與混凝土之密合度、3.氧之供給量、4.鋼筋電位等，若將鋼筋放入含有氯離子之鹼性溶液中時，則[Cl-]/ [OH-]=0.6 時為鋼筋鈍態模消失之臨界值。然而，材料劣化往往不僅限於單一因素，誠如上一節所言，混凝土亦會受二氧化碳影響而中性化，進而加速氯離子對鋼筋的破壞。文獻對於單一因子的影響已有相當的研究，然而對於其複合影響則卻沒有令人滿意的答案。實際現地環境下，建築物同時往往承受多重破壞因子，如果僅依單一因子來類推實際建築物的劣化模式通常誤差極大。鋼筋腐蝕發生之氯離子臨界量並不容易藉由目前試驗設備或程序獲得，而必須由現地結構物之調查結果歸納根據日本建築學會資料可知，依鋼筋表面所含之氯離子量可將劣化潛能分為：. ▲ 劣化潛能低：0.3 kg/m3~0.6 kg/m3 ▲ 劣化潛能中：0.6 kg/m3~1.2 kg/m3. 25.

(43) 鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響. ▲ 劣化潛能高：1.2 kg/m3 以上. 一般而言，若缺法實際資料則其鋼筋腐蝕發生之氯離子臨界量可定於 0.6 kg/m3。. 貮、氯離子擴散之機理氣離子移動主要包含毛細管現象、濃度差擴散、電荷運動及與水泥水化物之吸附·解離等，若電荷驅動力或乾濕輸送等作用不明顯時，則可用濃度差之擴散現象來表示外部氯離子入侵混凝土之過程。近年來所發展之氯離子擴散方程式除能考慮混凝土表面之氯離子濃度變化外，各類不同環境影響下所造成之擴散係數變化亦有所研究成果，但實際分析上仍以 Fick 擴散原理為基礎之單純氯離子擴散方程式(式 2.2-1)為主，亦可利用式 (2.2-2)及式(2.2-3)進行推估。.   x  Cl  ( C0  C init )1  erf     C init  2 Dt   . (2.2-1). 2. Cl  ( C0  C init.  x  )1    C init  2 3 Dt . Cl  ( C0  C init.  x2 )1  1  exp(  Dt . (2.2-2) 2.  )   C init . 其中，Cl：鋼筋位置之氯離子量(kg/m3)； C 0 ：混凝土表面之氯離子量(kg/m3)； C init ：混凝土內部之初期氯離子量(kg/m3)； x：混凝土保護層厚度(cm)； D：混凝土中之氯離子擴散係數(mm2/年)； t：材齡(年)。. 26. (2.2-3).