應用於土木結構之耐震材料研發(I)---子計畫八：地震後結構體修補材料之耐久性探討

附件：封面格式

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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計畫類別：□個別型計畫 v 整合型計畫 計畫編號：NSC 89-2218-E-011-046-

執行期間：2000 年 08 月 01 日至 2001 年 07 月 31 日 計畫主持人：黃兆龍

共同主持人：湛淵源

計畫參與人員：郭金祥、盧雪卿、劉益雄

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立台灣科技大學營建系

中 華 民 國 九十年 七 月 三十 日

地震後結構體修補材料之耐久性探討

黃兆龍、湛淵源*、郭金祥、盧雪卿 國立台灣科技大學營建工程系

*私立華夏工商專科學校建築科

摘 要：

本研究以三年的時間，針對目前主要結構體的修補材料，包含碳纖維、

鋼鈑及混凝土和接合母材間之耐久性能等進行系列的探討。分析修補材料、

粘結材料和接著母材間界面相容性、體積穩定性和化學安定性能。使用加速 試驗法建立修補材料與粘結材於模擬暴露環境的劣化速度，佐以數值分析法 預測修補材料的使用壽命及服務性能，建構修補材料使用環境相容性指標，

建立修補材料達到耐久性補強的設計參數，供工程界參考應用。本年度為第 一年的研究，初步已完成結構體修補材料基本性質資訊收集分析及修補材料 與黏著材料耐久性能測試。

The Dur ability Study of Str uctur al Repair ing Mater ials After Ear thquake Damage

C.L.HWNG,Y..Y.CHEN*,C.H.KUO,H.C.Lu

Dept. of Construction Engineering , National Taiwan University of Science and Technology.

Dept. of Architecture Engineering , Hwa Hsia College of Technology and. Commerce.*

ABSTRACT

Key word: repairing materials, carbon fiber, steel plate, concrete, durability

In this study, major structural repairing materials, such as carbon fiber, steel plate and concrete will be involved. A series durability evaluation of such materials will be constructed. The compatibility, volume stability and chemical stability among repairing materials, bonding materials and substrate materials are major concerned. The degradation rate under simulated environment will be tested by using available accelerate testing method. The service life and service performance prediction will be analyzed by numerical method and also the environment compatibility index of repairing materials will be set up. Finally, design criteria and durable repairing strategy will be suggested to the construction industry.

一、前言

在地體構造上，台灣位處於歐亞大陸板塊與菲律賓海洋板塊之聚合邊界 上，而花蓮與台東間之縱谷恰為菲律賓板塊與歐亞板塊的接觸線上。由於板 塊間的碰撞擠壓，能量向西傳遞的結果，使得台灣由東向西產生一系列近呈 南北走向與花東縱谷平行之褶皺與斷層，車籠埔斷層即為其中之一。近年的 研究結果顯示，菲律賓板塊仍以每年約 7∼8cm 之速率向西北方向擠壓，不 但造成了台灣東部的海岸山脈不斷地隆起抬昇，而台灣地區地震活動之頻 繁，亦是受到此擠壓運動之賜。

1999 年 9 月 21 日凌晨 1 時 47 分，發生規模達芮氏地震規模 7.3 的集集 大地震，震央在北緯 23.35 度，東經 120.81 度，地面位置約在日月潭西方 12.5 公里，震源深度約為 7 公里，強烈的震波振動全島，全省各地的地震強度均 在 3 級以上，南投、台中地區震度更達 6 級，其餘縣市則甚多達到 4 級、5 級。短短一分多鐘的主震加上連續發生的餘震，台灣地區造成 1935 年台中烈 震以來，再度的重創，造成建物結構扯裂、混凝土龜裂、樓房傾毀、橋梁斷 裂、水壩受損、邊坡崩坍落石等狀況，損失慘重[1]。

一般混凝土結構物設計服務性能，應能同時滿足服務環境的機械性

能，長期耐久性與體積穩定性的性能，不因環境與結構物的交互影響而有 劣化的情形。但自 921 大地震後，經調查及統計結果顯示，倒塌與受損的 建築物中，絕大部分均是 R.C 結構物，而屬於結構體損壞而需進行不同程 度修補（復）工作的結構物亦相當可觀。因此，除需拆除重建的結構物外，

結構體經診斷後，均須進行修復與補強工作，除需提昇或恢復建物的耐震 能力外，對於修補（復）後建築物，於服務環境中，必須能承受環境變化，

所引致的應力而無剝離的現象，此對於外植入型的修補材料更形重要。而 即使採用相似系列的混凝土材料，基於變形的諧合性，仍有界面產生分離 的疑慮，不得不慎，是以設計俱有同時符合長期機械性能、體積穩定性能 或諧合性能的修補系統，是修補工作首要考慮的要項。

修補系統內包含接合母材(R.C)、黏著材料和修補材料。接合母材係指因 外力（地震、載重）或環境作用，致使母材功能受損降低，無法滿足預期服 務性能，須依賴植入型材料（鋼鈑、碳纖維或混凝土） ，恢復及提昇設計及預 期的服務性能。而欲發揮修補材料的性能，須藉由黏著材料（例如：環氧樹 脂） ，將母材與修補的材料結合在一起，在受力或環境作用下，均能結合而無 分離的現象。本研究目的是針對目前國內外最重要的修補材料－鋼鈑、碳纖 維和混凝土，與最重要的界面黏著料－環氧樹脂等材料之工作性質與種類加 以收集分析和歸納，剖析修補材料和黏著材料在使用環境下的劣化行為，利 用加速環境劣化試驗，探討鋼鈑腐蝕速率、碳纖維老化行為、混凝土耐久性 性質與黏著材料的老化性質，分析修補材料劣化速度，同時引用數值模擬分 析技術，供評估修補系統的參考。

二、 地震後結構體修補材料種類與性能

結構體之設計即為提供舒適、安全耐久的良好服務性能，但常因設計不

當，或是外力的作用而造成損壞，尤其是在大自然的變化中，存有未知的破

壞力，其中以地震的破壞模式最為常見，而此種破壞模式對人民生命、財產 之威脅也遠大於其他破壞模式。對處於地震帶上之台灣而言，地震後 RC 結 構物倒塌或嚴重損壞的原因，其破壞模式大致有以下幾點：(1)梁破壞；(2)柱 破壞；(3)版破壞；(4)牆破壞；(5)基礎破壞及土壤液化等。而鋼筋混凝土橋樑 在震災後出現的損壞有：(1)橋面伸縮縫損壞；(2)橋面支座位移及損壞；(3) 橋面版損壞；(4)鋼筋混凝土樑跨度中央撓度和裂縫超過容許值；(5)鋼筋混凝 土樑樑端損壞；(6)鋼筋混凝土樑樑側開裂損壞；(7)鋼筋混凝土樑承載能力不 足等。[2]

震害後受損之柱構件如何修復補強(Repair)為一大課題外；再則因耐震設 計規範改變後許多以前依舊設計規範所設計興建之結構物之柱構件耐震能力 不足部份，迄需加以補強來使這些結構物之柱構件符合現行耐震規範之要 求，即是所謂之未破壞之補強(Rehabilitation)。一般而言，在選擇補強的方法 時通常要考慮以下因素：(1)拆修結構之初始成本；(2)結構使用年限（五十年 為新建結構常見的最低使用年限） ；(3)利率高低；(4)維修保養費用；(5)服務 水準因子：修與不修對於使用者服務水準之成本差異、方便性與安全性；(6) 新維修材料或技術之成本等，才能探討補強的成本效益。

2-1 RC 結構補強時機

結構物受損後，基本上有劣化修補(Repair)及強度補強(Rehabilitation)兩種

處理方式，劣化修復旨在維持結構物之現有強度並防止繼續劣化，強度補強

與加固則是將受損之結構構件，提升至未受損前之強度或超過原有構件之原

始設計強度。唯修復補強的材料與工法種類繁多，施工完成後大部份尚無確

切可靠的檢驗方法，可證實施工之有效性，故在選擇修復補強工法時，應考

量修補方法必須具備以下項目：(1)修補前的損傷評估。(2)對於擬修部位的前

處理。(3)修補材料的功能及性質的描述。(4)修補的過程。(5)修補後的檢驗。

[2]以確保結構補強的效果。表(1)為內政部營建署混凝土結構物劣化評等標準 [3]。

2-2 補強材料

以下針對目前工程界常用於 RC 構造物之修復補強材料的性能及規格作 一說明。

1、 填補用修補材料：

(1) 水泥砂漿

針對混凝保護層剝落之修復，要求具有低用水量、低乾縮值、良好施工 性及與既有混凝土可有效結合，故使用傳統的卜特蘭水泥砂漿為一經濟有效 的方法。

(2) 樹脂砂漿系修補材料

鋼筋混凝土構造發生混凝土保護層剝落時，除可使用上述的水泥砂漿來 修補外，尚可以樹脂砂漿系列之修補材料加以修補。樹脂砂漿一般可分為環 氧樹脂系砂漿(Epoxy-based mortar)及壓克力樹脂系砂漿(Acrylic-based mortar) 等兩類樹脂砂漿。市售產品中則因製程技術不同其成分也不盡相同。對工程 而言，若能滿足(1)與原混凝土基材充分粘結；(2)強度及耐久性高於原混凝土 基材等條件，均可作為大塊混凝土剝落的適宜修補材料。

環氧樹脂系砂漿大都為 A、B 劑型式產品，使用時將 A、B 劑依製造商提

供之比例混合即可直接使用。一般 A、B 劑混合使用時約在 1~2 小時內，故

真正大面積之修補應注意其時效。進行混凝土剝落面之修補時，先以底劑

(primer)塗抹於舊有混凝土表面，再將混合完成後之環氧樹脂砂漿填補抹平即

可。由於環氧樹脂須在乾燥環境中才能完全硬化並確保品質，故在潮濕環境

下不宜採用環氧樹脂系砂漿。一般而言，A、B 型之環氧樹脂砂漿其比重較一

般砂漿為輕（比重大都低於 1.2） ，故又稱輕質砂漿。

壓克力樹脂系砂漿係在一般砂漿拌和時添加添加適量的壓克力樹脂即 成。添加壓克力樹脂後之砂漿，其粘著性及水密性均可得到有效改良；因壓 克力樹脂系砂漿與傳統砂漿之施工方式大致相同，故可應用於大面積之混凝 土修補作業，惟其比重與一般砂漿相同（約 2.2~2.3） ，故無法達成減重的補 強效果。在潮濕環境下，應注意水量不影響水灰比(W/C)而導致砂漿強度降 低，壓克力樹脂系砂漿在潮濕環境下施工可得到滿意的結果。

綜合前述，環氧樹脂系砂漿與壓克力樹脂系砂漿各有其特性。一般而言，

環氧樹脂系砂漿成本較高，但重量輕、且粘結性能及本身強度均高於壓克力 樹脂系砂漿，惟環氧樹脂砂漿 A、B 劑混合後須在 1~2 小時內施工，且環氧 樹脂在潮濕條件下不易硬化等特性，採用時應特別注意。至於壓克力樹脂系 砂漿可視為添加摻料(admixture)之傳統砂漿，其成本較低，比重較重，可大 面積施工，惟應注意新舊混凝土界面之處理，以確保其修復補強效果。

(3)裂縫灌注修補材料

結構體裂縫形成因素繁多，但可確定的為裂縫產生後，必因增加水及空 氣的入侵途徑，而影響結構體的耐久性及安全性，是以各國皆對結構體裂縫 寬度有所規範（見表 2） ，對於裂縫的修補方式，一般採用外加壓力的方式將 修補材料灌入裂縫中，使用的灌注材料有水泥及樹脂類的裂縫灌注材。以下 針對常見的樹脂類灌注材料作一說明。

A、 環氧樹脂系列材料

在工程上的應用極廣，依 ASTM C881-99〔4 〕之規定，環氧樹脂在混凝

土工程上之應用，共可分為七類 (typeⅠ~ Ⅶ)，三級(grade 1~3)及六型(class

A~F)。其中七類 (type)主要係依用途不同而分，如表 3 所示。另在 CNS 10141

之建築灌注補修用環氧樹脂，見表 4，其將環氧樹脂依黏性分成低黏度（L） ，

中黏度（M）及高黏度（H）等三項，依施工季節再分成適用於 10℃~35℃之

一般用（R） ，及適用於 5 ℃~15 ℃之冬季用（W）等二類灌注用環氧樹脂。

由表中之要求性能比較 ASTM C881-99 之性能要求較低。

B、發泡聚胺基脂系裂縫灌注材料

此材料的特性為遇水發泡膨脹，在有滲水的裂縫處，能因無連通孔的發 泡體堵住水通路，而達到止水的目的，故其為裂縫止水的材料，不似環氧樹 脂具有高強度的補強效果。

2、強度補強修補材料

鋼筋混凝土構造物之修復補強工法中，常以外加貼片（鋼板、FRP…）或 植入鋼材（螺栓、鋼筋）等方法，以補強原有鋼筋混凝土構造。在既有鋼筋 混凝土構造物上，欲外加貼片或植入鋼材，常須採適當之粘結材料加以確實 粘結，以確保外加之貼片或植入之鋼材得以有效發揮其補強效果。

(1) 粘結材料：

目前在工程界常被採用的粘結用修復補強材料約有(1)粘著外加貼片的環 氧樹脂；(2)粘著植入鋼筋的化學膠結劑；(3)粘著植入螺栓專用的化學螺栓固 結劑等三類粘結材料。

在粘著外加貼片的環氧樹脂方面，基本上與裂縫灌注所採用之環氧樹脂 同類型（type Ⅳ，grade 1，class C） ，惟需注意一般工程用環氧樹脂之熱轉換 溫度(heat deflection temperature)約在 50℃，故應注意採用場合若可能發生高 溫時，應特別予以注意採用特殊改良型的環氧樹脂粘結劑，以確保粘著補強 效果。

在植入鋼材部份，一般均先以電鑽鑽孔至預定深度，並於孔中先置入固

結材料，再將鋼筋或螺栓插入以達到完全粘結的植入效果。植入的鋼材，主

要係為拉續外加的補強結構元件所設，若外加的補強結構元件為鋼構元件（型

鋼） ，則植入的鋼材須為螺栓型式，以使外加之補強鋼構元件得以錨碇於既有

鋼筋混凝土構造物上；若外加的補強結構元件為新灌鋼筋混凝土，則植入的

鋼材應為鋼筋，以使新灌的混凝土內鋼筋能有效的搭接，並藉植入的鋼筋使

新灌鋼筋混凝土與既有鋼筋混凝土能確實的粘結成一體。

目前市面上常見的植入鋼材固結劑，可分為化學藥管型及乳膠注入型等 兩類固結劑。化學藥管型固結劑，一般常用的固結植入螺栓，施工時，先將 化學藥管埋入預鑽的孔中，藉植入的螺栓將藥管鑽破使藥管內的藥劑與空氣 產生化學作用，填滿鑽孔與螺栓間之空隙，進而達成固結的效果。[5]

乳膠注入型固結劑使用時類似填縫用的填縫膠(silicon)，一般常用的植入 鋼筋狀況，施工時，將孔膠注入於預鑽的孔內後，再將鋼筋插入已填滿孔膠 固結劑的孔內即成。

不管化學藥管或孔膠固結劑，均有專業的生產廠商製造，其各家之配方 亦各有不同。一般廠家均會提供建議的植入深度與間距，供設計者採用，惟 採用時應注意既有構造物之混凝土強度是否堪用。

(2) 貼片補強材料：

貼片補強設計的基本要領就是要使補強後的複合結構達到其完全的「撓 曲強度」並保證其「韌性」存在，因此適當選取貼片尺寸，可避免混凝土發 生快速剪力破壞。Macdonald[6]建議貼片寬厚比 (b/t) 的最佳值約為 60，在此 比值下，結構除可達到其最高破壞強度且增加其勁度外，尚可保持韌性破壞 模態。隨後 Swamy 等人[7]持續對貼片尺寸效應進行探討，經過試驗分析後提 出兩項設計準則：

a. 寬厚比不可小於 50。

b. 中性軸深度不可超過有效深度的 0.4 倍

一個完整的貼片設計應是在考慮各類荷載及折減因子後，根據材料極限 強度及結構幾何和支撐特徵決定貼片的幾何形狀。此外，貼片使用層數、搭 接長度、粘接長度以及考慮應力集中現象而在貼片端點附近施加之錨碇或拴 接的固定方式等都是應納入分析及設計中的項目。

A、 鋼鈑材料

鋼鈑貼片補強之鋼材並無特殊規定，一般依設計選取所需之尺寸，並符 合 ASTM A183-98 [8] 規範即可。

B、纖維複合材料

纖維貼片補強是近年來美、日等先進國家所研發應用在土木工程的維修 補強方法，FRP 乃由高強度纖維（如碳纖維 Carbon Fiber，玻璃纖維 Glass Fiber 或 Kevlar 纖維）及樹脂（通常是環氧樹脂 Epoxy Resins）在常溫常壓下形成。

纖維的排列方式為單向或雙向編織，應用於柱之補強時，有時則採用纏繞的 方式；一般土木工程，於 RC 結構物補強作業時，FRP 往往以手積層或預浸 布積層的方式施作（但有時也使用預成形貼片） 。

在 FRP 中，纖維的主要功能是承受拉力，而樹脂基本的主要功能則是將 纖維材料束結在一起並將外部荷重均勻分佈到纖維上，同時也可保護纖維不 受外部環境的影響。通常樹脂的材質特性決定了整體複合材料的溫度極限及 抵抗外部環境的能力。目前主要的樹脂材料為「熱硬性塑膠」及「熱塑性塑 膠」兩種。此外在 FRP 中亦可加入填充材料或填加劑用以增加樹脂或複合材 料抵抗火焰、濕、紫外線、化學作用及氧化作用等能力。 （表 5 ~ 9 [9 ~ 16] 為 其相關之測試標準）

三、修補系統耐久性探討

混凝土結構物經診斷結果顯示有惡化損壞現象時，為避免混凝土加速受 到侵蝕或確保應有的耐久性，危及使用安全性時，必須儘早進行修補工作。

以技術觀點而言，早期正確的修補工作將有助於確保混凝土的整體性，節省 日後昂貴的修復費用。

正確的修補工作包括「先期觀察」 、 「劣化程度的調查」 、 「裂縫大小的量 測」 、 「可能原因之分析」 。然後「依據調查結果選擇所需修復材料的性質」及

「施作程序」 ，以達到耐久性修復為目標，如圖 1 所示為修復的簡要流程。修

補設計沒有對症處理，材料選擇及施工不恰當，將導致修復材料與混凝土底 層分離，不但沒有達到耐久性修補之效果，可能加速惡化。因此，考量混凝 土修補工作之生命週期成本而言，耐久性修補工作應依正確的材料選擇及妥 善施工而定。

1、選擇修補材料的基本原則

修補材料的選擇必須考慮與底材料是否不產生排斥作用而定，並非一定 是最強的材料；而是在一定時間內能承受因體積改變，化學及電化學影響所 產生應力改變，不致有力量鬆弛或劣化現象，才能保持原設計要求的物理性，

化學性，電化學性及體積穩定性等，才能獲致耐久性品質[17]，此乃修補作業 最主要的「材料相容性」問題。影響修補材料相容性因素相當多，其中以相 對體積變化所產生的問題為最重要。圖 2 表示可能影響耐久性修補的因素。

(1) 體積穩定性

修補材料和底層混凝土在溫度及濕度變化下，須能產生一致的體積變 化，否則會降低修補效果及耐久性；影響體積穩定性的因素包含收縮，膨脹，

彈性模數及潛變。許多材料，如硬固混凝土及粘性材料間，由於含水量及溫 度改變產生體積變化，在某一材料上產生拉應力，而相應材料上產生壓應力，

致使介面上產生剪應力；同樣地，差異熱收縮及彈性係數也將導致類似之結 果。選擇修補材料應以具類似底層材料之乾縮量為佳，且能掌握乾縮過程與 行為。乾縮一般只是水泥漿的特性，骨材與鋼筋則有束制體積變化的功能，

當乾縮發生時，相對的修補材料將產生張應力，而當應力大於修補材料的張 力強度時立即產生龜裂，這種現象肇因於修補介面的應力集中現象，是造成 修補工作失敗的區域。新修補材料的承載力，會因材料的乾縮特性而局部或 全部喪失，見圖 3 所示。對於小面積的修補工作，為能達到耐久性的目的，

修補材料與周遭鋼筋和混凝土變形一致性是相當重要的，其重要性高於修補

材料的承載能力。對於大面積或大型構件的修補工作，為了保持結構體勁度，

修補材料不僅能穩定的與構件結合，承載能力也應足夠分擔部分外加載重 [18]。

修補材料的熱膨脹係數與彈性模數較容易量化，選擇上較乾縮問題容 易。理想修補材料的乾縮值應為零，不過，修補材料之乾縮值應在何種範圍 內較適宜，1987 年依據美國 Alberta Transportation and Uilities [19] 針對常用 補綴材料以 ASTM C157 乾縮試驗，評估 46 種修補材料性質，其中乾縮試驗 結果如圖 4 所示，發現許多一般修補材料的乾縮值遠超過混凝土 30 天齡期乾 縮值 (0.05%) 甚多 [20] 。大部分修補材料之張力強度介於 200 至1000psi (1.4 至 6.9MPa)，乾縮所導致之張應力估計於 0.025%時，即可產生 1000psi 力量。

ASTM C928-91 對粘結性修補材料乾縮值限制在 0.15%以下，約為正常混凝土 乾縮值的 3 倍，這種限制似乎太寬鬆，可能產生修補效果上的嚴重缺失。雖 然，材料供應商宣稱修補材料具膨脹性，不收縮性，收縮補償性及高強度性，

然而在達到耐久性修補工作目標，應要具低乾縮性及適當強度為宜，因為高 強度修補材料如果採高用漿量，可能意味具高收縮性。修補材料縮值分類如 表 10，可供一般工程單位參考應用。

(2) 化學及電化學相容性

修補材料與底材的化學相容性甚重要，修補材料與水泥或混凝土底材性

質包含鹼離子含量，C

A 含量及氯離子含量等相容性宜重視之[21]。修補材料

與鋼筋，其它金屬埋設物，被覆保護膜及其它應用於表面修補材料之反應方

式也須考慮。具有中度 pH 值到低度 pH 值的修補材料無法對鋼筋提供太多保

護。含氯離子的修補材料，如果包覆於結構體內，應考慮在結構體內部氯離

子移動對鋼筋所造成的侵蝕作用。另外氣候環境的作用可能使舖面底部結

露，水份將挾帶著鹼離子及氯離子移動到舖面頂端，致使修補區域含有氯離

子而產生惡化作用。所以鋼筋混凝土修補材料產生腐蝕電池之潛能應謹慎評

估。在混凝土或水泥砂漿內鋼筋腐蝕過程中，可能因鋼筋表面的變化，致生

pH 值、氧濃度、氯離子濃度、濕度（氣）及溫度的差異，這些都足以造成腐 蝕。

修補材料的電阻係數也可能影響耐久性，具高電阻性材料有隔離修補區 域及未損壞區域之趨勢。另外，在修補區域及其餘混凝土間有大量滲漏或氯 離子集中時，腐蝕效應變成集中於一區域，以致加速腐蝕速率，引起修補材 料或底層混凝土過早剝離損壞。

(3) 滲透一致性

一般從事修復工作之工程人員期望使用低滲透性之修補材料，然而其決 定並非如此。因位於修補區域或失去鍵結部位之貫穿性裂縫，將大幅減低修 補材料的功能，且從修補面上以微裂縫連結較大裂縫情況下，將降低修補成 效及耐久性。囊狀混凝土(Encapsulation of Concrete)也是問題之一，在美國北 部，為數上千的橋柱使用低滲材料，發生囊帶的蒸氣遮障系統，當氣溫下降 時，產生結露致水滴在遮障內移動，混凝土內水溶性物質亦隨之擴散，造成 惡化及損壞。修補材料與混凝土衝突而有不諧和的現象是存在的事實，當二 者存在較大差異滲透性時，將影響修補工作的耐久性。

(4) 介面鍵結性

修補材料與底材的相容性主要考慮修補材料及混凝土底層介面間的諧和 性，介面的鍵結力是修復單元彼此相互依存的要因素，只要有益於發展介面 鍵結力，都能改善修補複合系統的結果[22]。修補介面上很有可能承受來自 體積改變、凍融、重力、衝擊及振動所產生的應力，這些力量將沿鍵結線上 發展，例如，橋面版上的修補材料會承受剪力及因乾縮或受熱影響產生的拉 應力及壓應力，承載重情況下同時產生壓力及剪力，如圖 5 示。

修補材料和底層混凝土介面間必須能達到強固的鍵結性，在受拉力情況

下，其值受到鍵結力強弱而定見，圖 6 所示，而受剪應力情況時，力量阻抗

大僅受鍵結機構(Bond)之影響，也受與骨材的互鎖機構影響，乾淨而粗糙的

介面足以發揮互鎖功能。使用兩相系統（即修補材料及底層）並無法充分表 現修補結構體的性質及耐久性，圖 7 顯示理想之三相修復系統模式，簡示表 面修補特性。為能達到耐久性修補，應同時考慮修復材料、混凝土底層及介 面接著特性。溫度，含水量及輻射熱等環境因素也會影響介面性質。接觸區 域的厚度則是在各種不同力量交互作用下，介面上產生圈附性及黏結性區域 之所有長度的總和。

介於修補材料和混凝土底層間的複合結構體之附著性，如同經凝結硬化 的半固體修補材料置於已硬固的混凝土面，則影響附著力大小因素包含底層 混凝土及表層，修復材料性質，吸水性，附著力及修補材料在養護及未養護 狀況下的附著適當性。為能採用一種適當的修復方法及材料，充分了解介面 上物理及化學反應程序顯得頗重要，當介面上黏著性減少時，修補材料和混 凝土底層間如同膠水聯接，在這種情況下，鍵結強度只是「互鎖力」 ， 「附著 性」 ， 「凝聚力」及「修補材料收縮因素」的總和，前 3 項因素可增鍵結強度，

第 4 項則降低強度。

修補介面上的機械互鎖力受到許多因素的影響，主要影響因素為混凝土 底層的粗糙度及孔隙多寡，而表面突出物的形式及尺寸也必須考慮。過度平 坦的表面要增加鍵結強度僅能從增加接觸區域面積著手。另其他影響鍵結強 度因素為修補材料的凝聚力，其大小受鍵結料及礦物成分而定，由此可見正 確使用修補材料的困難度。

(5) 環境諧和性

通常修補工作失敗的原因，起因於外力引發張應力大於材料或介面上所 能承受力量限度[23,24]。例如，陽光及雨水反覆作用下引起體積熱脹冷縮，

極易超過修補介面上的張力強度而產生龜裂，剝落，或斷裂，圖 8 顯示進行

修補工作前應蒐集環境及載重的有關資訊，只要環境性質經調查確定後，可

選擇數種可資應用的材料，促使修補材料，混凝土底層及介面之性能與環境

諧和，而不發生劣化現象。

修補面上所產生的應力可能肇因於體積變化及外加載重，無論新舊材料 應有足夠能抵抗力而不致發生損壞，然而想成功地施作承載的修補表面是十 分困難的工作。構件在壓力區域中如有大量材料損失，則受損部位將產生應 力重分配，為能重新原結構設計載重行為，外部載重可使用暫時支撐或千斤 頂反向支撐，隨即進行修補工作，將載重適當地分佈到修補後之結構上，如 圖 9 所示，則修補材料方能承載一部分預期載重。

2、修補材料的劣化速率 (1) 鋼鐵材料

鋼鐵在大氣環境下使用，其表面與水份及氧氣接觸時，就會產生化學或 電化學反應。在鋼鐵表面的電化學電位較活潑的部位會形成陽極，鐵被氧化 形成各種氧化離子態，此等離子並與環境所含活性物質結合而形成各種化合 腐蝕物，最常見的腐蝕物是氧化亞鐵及氧化鐵。一般常見的鐵鏽就是各種氧 化鐵和水所形成的化合物。其主要成份有 Fe(OH)

• Fe

O

• H

O，FeOH，Fe

O

• H

O 等。此外鋼鐵在熔煉過程因受到不完全高溫氧化的作用，在其表面也會 產生一種腐蝕生成物，一般稱為黑皮(Mill Scale)。其主要成份 FeO 約占 60%，

其餘由 Fe

O

和 Fe

O

等組成。其表面雖然看起來很結實，但和一般鐵鏽一樣，

在顯微狀態下觀察，實際上含有很多孔隙。因此大氣中的氧氣和水氣很容易 經由擴散進入鋼鐵表面，而產生電化學反應，使底層的 FeO 變為 Fe(OH)

。 由於其體積為 FeO 的 4 至 5 倍，因此黑皮易敏剝開，而使腐蝕更加速進行。

所以鋼鐵材料在油漆之前都必須噴砂以去除黑皮就是這個原因。

碳鋼在不同大氣環境中的腐蝕速率差異性很大，表 11 引用一些國外的研 究結果，此研究顯示碳鋼置於距海邊 25 公尺的海洋環境大氣中使用時，其腐 蝕速率可高達 0.53 毫米/年。但置於工業區使用時，其腐蝕速率為 0.84 毫米/

年，在鄉村地區為 0.012 毫米/年，而在沙漠地區則僅有 0.0045 毫米/年的腐蝕

速率。可見要讓碳鋼獲得經濟有效的防蝕效果，除了選用較好的材料及防蝕 處理外，也必須同時參考其使用環境，對不同環境採用不同的防蝕設計。鋼 鐵構件組合完成並暴露於使用環境中，應有適當的防蝕處理，而塗裝系統是 較為普遍使用的方法，根據文獻[25]之研究顯示，各種塗裝材料位於不同暴露 環境的使用壽命，此因素在修補材料的使用服務年限也應列入考慮，如表 12 所示。

(2)混凝土

混凝土使用壽命的預測方式

預測混凝土的使用壽命主要有以下幾種：

A.基於經驗的估計

B.由類似物質的性能進行推衍 C.應用可信賴或機率概念的方法

D.根據加速實驗所建立的化物或物理劣化過程的數學模式。以上這些 方法也可交錯混合使用。

以上方法 A.假設只要混凝土依照標準程序製作，均可使用一定年限。但 若所需的服務年限遠超過我們的經驗數據時，則預測便難以準確。方法 B.是 基於類似的結構應有類似的壽命的邏輯預測使用壽命。不過，由於混凝土材 質與幾何結構上的多變性，每一個混凝土有自己的獨特性；另外，經過長久 時間後，混凝土的特性也已改變，因此由古老的與新的試樣比較其耐久或並 不是很準確。

由於有太多因素影響，並且各因素的交互作用也不為人所瞭解，再加上

環境的多變與隨時性，使得使用壽命無法很精確的述，因此，乃有使用機率

性方法進行使用壽命預測的產生。機率性方法包括了可信賴理論方法，以及

決定論模式與統計模式的組合。其中可信賴理論方法融合了加速實驗與機率

性的觀念[26]。

很多混凝土的耐久或是用加速實驗獲得，將影響反應的因素，如濃度、

溫度、濕度等提高若干倍，以加速變質過程。使用此種方法必須具備一重要 的條件，即加速實驗的與正常使用的混凝土，其變質過程必須具有相同的反 應機制。當然反應速率可以不同，其差異若為線性相關時，可用一比例常數 予以描述；若非線性需尋求數學模式描述兩者間的關係。本研究只針對影響 混凝土材料用於修補系統時，可能遭受較為嚴重的耐久性問題，包含腐蝕和 中性化，進行深入探討。

A. 腐蝕問題

因腐蝕、硫酸鹽、瀝濾、霜害所引發的混凝土變質以及預測使用壽命的 數學模式，主要是考慮有害介質穿透混凝土的速率以及化學與物理反應的速 率。

至今已有不少腐蝕的模式被提出[26~29]，其中 Tuutti[29]發展出一個可 以預測強化混凝土使用壽命的模式，該模式區分為無腐蝕的起始期與腐蝕作 用的傳遞期。起始效應是因氯離子之擴散或碳酸化起之 pH 值降低，或是此 兩種反應之組合。以考慮氯離子引起的起始效應為例，起始期因氯離子的擴 散速率與此過程的臨界濃度而變。由於氯離子可能與卜特蘭水泥的鋁酸三鈣 反應，其濃度可區分為兩部份，即固定氯離子濃度（C

）與自由氯離子濃度 (C

)，兩者之關係式為：C

＝RC

；其一維的擴散方程如下式：

∂c_f /∂t ＝ [D / (R+1)] ∂² c _f / ∂x²

其中 D 為擴散係數，D/(R+1)＝D

為有效擴散係數。傳遞期間的腐蝕 速率由陰極的氧氣擴散、孔隙溶液的阻抗與溫度高低決定。氧氣的抗擴散阻 抗是由混凝土的水飽和度及未含水之孔隙面積決定，與混凝土的孔隙度、粒 徑分佈、孔隙連接性、相對濕度有關。對於氧氣通過未填滿水而與水飽和的 孔隙之綜合質量傳輸係數，K

，以下式表示：

K_t

＝ K

+ (

)/m＝(8• 10

/ X

) + 10

/ 4• 10

其中 m 為溫度相關的常數，X 為含水或空氣之孔隙內之距離。由於氧 氣在飽和混凝土之遷移為速率控制過程。在相對濕度 100%下，腐蝕可被忽 略。Tuutti 建議[29]使用此模式預測使用壽命時，應含以下的幾個步驟：

(a) 收集相關物質、結構與環境之資料。

(b) 根據腐蝕物質的實驗所得的擴散速率與聯界濃度計算起始時間。

(c) 計算傳輸階段的腐蝕速率。

(d) 決定會造成損壞之鋼鐵腐蝕量。

B. 中性化問題

混凝土中的碳酸化程度由古典之擴散模式可表示如下：

x ＝ [2Dc(c1 －c₂)t]^1/2

其中 x 為碳酸化的深度；Dc 為二氧化碳的擴散係數；c

－c

為二氧化 碳於空氣中與濃度鋒面的差值。

改變相對濕度，Dc 將跟著改變。對潮濕的混凝土，碳酸化的深度將被 下式所限制。

Xlim

＝B (tn)

其中 B＝[2Dc(c

)/b]

，而 c

為空氣與在蒸發深度的水含量差 值，b 為碳酸化深度所蒸發之水是。因此，與混凝土水份狀況有關的碳酸化 的速率，其有 t

的時間相關性。對乾燥混凝土之深度 n＝1/2，若為飽和者，

則 n＝0。假設在核能設施內的混凝土結構為非飽和的，則 t

－[(X

－1)/B]

＝0，其中 t

為第 m 次乾燥期的碳酸化深度。

(3) 碳纖維

碳纖維貼片已被廣泛應用於國外建築結構物的補強工作，對於材質機械 性質已累積相當多的數據 ，將在後續研究中提出。

四、混凝土耐久性問題與震害病變

混凝土若能適當設計、正確控制品質，則為一耐久性甚佳之材料。混凝 土耐久性可定義為『混凝土能抵抗由內在因素和外在條件所引起的品質劣化 變質之特性[30]』 ，簡單說，耐久性即為混凝土對劣化變質之特性，尤其是地 震作用時，可能使既存之耐久性問題更形嚴重。

4-1 混凝土耐久性問題

混凝土耐久性問題，依其外在環境，內在因素，可區分為物理性病變及 化學性侵蝕。這些原因所引發的病變，通常為表面的破裂(Fracture)、裂縫 (Crack)、爆開(Popout)、剝落(Spalling)、整片剝離(Delamination)及起鱗片 (Scaling)等現象。無論何種病變，造成混凝土惡化之材料，主要為骨材、水泥 漿及鋼筋等[30]。

4-1-1 影響混凝土耐久性之物理性因素

Young 以環境、體積改變為物理性病變敘述之依據[30]，Mehta 等人對混 凝土之物理性劣化之定義[31]，則依其病變型式來分類：

(1) 由磨耗、沖蝕、穴蝕所造成之質量損失或表面磨損。

(2) 溫、濕度之升降、孔中結晶壓力、結構載重、惡劣溫度之膨脹所引發之裂 縫或破裂。

茲歸納國內外之文獻[30~37]及目前國內發生率較高之個案進行分析說明 如下：

一、溫度變異

混凝土無論處於高溫或低溫之環境下，其病變之發生率與嚴重性均較常 溫時為高，現就各種惡劣溫度環境下，影響混凝土耐久性相關的因素說明如 下：

1. 凍融作用(Freezing and Thawing)

混凝土處在凍融條件下之抵抗能力，是決定其在寒冷氣候應用的關鍵因

素。因混凝土為一多孔性材料，內部含有水分，一旦受到重複凍融循環作用，

可能會加速惡化，凍融損害機理之推論有下列兩項[33]：

(1) 冰膨脹壓力(Hydraulic pressure)

水在水泥漿體之毛細孔內，受凍後孔隙水結冰會膨脹，且在束限情況 下產生凍膨脹壓力，若冰膨脹壓力超過漿體之抗拉強度即會使混凝土造成局 部龜裂。而當混凝土解凍時，有些融解水可能會流入裂縫中，易使外界有害 物質侵入，加速混凝土劣化及分解。

(2) 冰的堆積作用(Ice accretion)

冰的堆都作用為混凝土受凍後，若其破裂應力不是由冰膨脹壓力所引 起，而是由毛細管孔冰之堆積所造成。依 Condon 定義[37]：水在膠孔內之凍 結溫度為−78℃(180℉)。當一飽和混凝土被冷卻到 0℃時，其水泥漿體內之水 不會急速冷凍，但溫度降低後膠孔水會變得過冷，因較毛細管內的冰有較高 之自由能，因而膠孔水會流入毛細管內凍結，一般而言，水凝結成冰將增加 9%的固體體積量，在此情況下，冰堆積在毛細管內，使毛細管壁上受到壓力 而膨脹，造成初始應力和微裂縫，重複凍融作用將使微裂縫內之冰堆積而具 有膨脹性，更增加微裂縫之數量與寬度，導致混凝土破壞。

凍融作用對混凝土所造成之病變型式，會因水泥漿體之膨脹，而有龜裂 及剝落發生；此外混凝土版，若曝露在潮濕及使用去冰鹽等化學物之環境時，

會產生鱗片狀。混凝土版內如有粗骨材時，所造成之裂縫通常會平行接縫和 端邊，此結果造成形狀類似字母 D，該裂縫型式稱為 D 裂縫。

2. 火害(Fire Damage)

混凝土因環境因素或惡劣條件所致，會產生熱膨脹體積變化，一般而言 普通混凝土不是耐火材料，但因具不燃性及防火性，在遇火害時，不像木材、

塑膠會冒出有害的煙霧；也不像鋼鐵，可以維持到 700℃左右混凝土尚餘部

分強度，混凝土在高溫下之性質如表 13 所示，因此鋼筋混凝土較有利於搶救

工作及減少結構物倒塌之危險。

混凝土一旦遇到高溫作用，其組成成分各有不同變化發生，骨材會隨溫 度升高而持續膨脹；水泥漿體中因含有游離水、毛細孔水，在混凝土受到高 溫時，漿體首先在熱力作用下分解膨脹，而後繼續因失去水分以致產生收縮，

造成混凝土內各成分在高溫下之不諧合變形，導致裂縫產生及強度的衰減 [30,31]。此外，若溫度驟升而漿體透水性很差時，則混凝土表面會有剝落發 生，而危及其強度。

混凝土之受火害程度一般與組成材料之內部性質有關，如骨材之大小、

孔隙率、透水性、含水狀況及其內部之礦物性質；漿體之透水性、尺寸、厚 度、水化程度、含水情形等及混凝土本身曝露條件，諸如溫度上升速率、達 到最高溫度之程度、及其受高溫時間長短等[30]，皆為直接控制火害程度的因 素。

為解決因環境作用而發展之耐火混凝土，大致而言，必須能抵抗持續性 的高溫(1800℃)及突然的高熱衝擊(Thermal Shock)、穩定之隔熱性，以避免裂 縫及剝落的發生。

二、表面磨損

根據文獻[34]說明，在不同混凝土表面上，因不同作用力而產生不同磨損 率。一般而言，混凝土表面物質損失(Mass loss)，乃因磨耗(Abrasion)、沖蝕 (Erosion)及穴蝕(Cavitation)等作用所造成。

1.磨耗(Abrasion)

起因於行人及車輛對混凝土樓版與路面所造成磨損作用，是為一種乾式 磨損，硬固水泥漿體一般皆不具很高的磨損抵抗性，當混凝土具多孔性及低 強度或骨材本身堅硬度不足時在經過重複的磨損循環作用後，將會使該混凝 土之使用壽命嚴重縮短[34]。

2.沖蝕(Erosion)

一般水工結構物，如渠道、洩洪道和輸送水污水之管道，因含有固體顆 粒懸浮物的流動水所造成磨損作用為一種水力磨損，稱為沖蝕，當含有懸浮 固體之流動水接觸到混凝土時，會對混凝土表面產生衝擊、滑動或滾動等表 面磨損作用[31]。表面之磨損率和混凝土之孔隙率、強度及移動懸浮物之數 量、速度、尺寸、形狀、密度、硬度皆有關。

3.穴蝕(Cavitation)

若水工結構物中流體之流速在 12m/s 以上之開口式導管及流速為 7.5m/s 之封閉式導管，會有嚴重沖蝕以致產生孔洞，即為穴蝕，也是一種水力磨損。

因高速流之水壓維持在蒸氣壓之上，將形成蒸氣汽泡，該汽泡坍陷後，引為 起高速水流之方位究突然改變而產生很大衝擊力，造成表面損失[31,34]，一 孺高速流情況下，突然改變其流向及流速，所引起之穴蝕力約有 700Mpa，此 力足以浸透大量高品質之混凝土及滲透金屬板，因此若混凝土表面經歷多次 穴蝕，則會有嚴重孔洞發生。該穴蝕力有移動岩石顆粒之趨勢，因此在近表 面之骨材顆粒尺寸不可超過 20mm，其穴蝕用和接觸數量、形狀、尺寸及顆 粒硬度、水之流速、混凝土之品質皆有關[34]。

三、外在環境 1.外力作用

結構物受外力作用不外乎為張力、壓力、彎矩力、剪力及扭力等，產生 這些力的因素大致為靜載重、活載重、地震、風力、機械振動所引發之動態 載重。

(1)載重

鋼筋混凝土在一般靜、活載重作用下，產生細微龜裂寬度若為 0.1~0.2mm

以內，不致產生損害[38]。但若因材料或施工品質不良而使載重能力降低或不

當使用超過其載重負荷，所造成之超載問題，必須相當注意，混凝土受超載

作用，會在受撓曲之梁、版等彎曲處產生明顯變形，甚至產生大且不規則裂

縫，易使外界有害物質侵入混凝土內造成漏水、白華及鋼筋腐蝕等病變[39]。

(2)地震力及風力

地震力作用時，起初以垂直力不主，但作用時間極短，對結構物之危害 較輕，但隨後之水平力，係左右來回作用，因此所造成之危害大部分在構材 之反曲點或是發生 X 字型龜裂；當鋼筋混凝土結構物受地震作用時，最明顯 破壞處為柱、牆等垂直構材，關於地震力之機理及可能造成之混凝土病變，

將於本章中詳細探討。

風力與地震力不同處，係其作用僅單向，因此其龜裂型式為單邊斜向龜 裂，此破壞行為乃因水平剪力值大於鋼筋混凝土本身之龜裂抵抗強度所致 [38]。

(3)振動疲勞

混凝土結構物之疲勞破壞乃由於反覆振動所致。道路、橋樑因受超載、

超速之作用，使得其版面產生震動，張力區混凝土產生反覆開裂、閉合循環 作用，而發生疲勞破壞，導致有害物質侵入，降低其耐久性，一般而言，反 覆載重時，疲勞破壞只發生在混凝土之裂紋區[40]，裂縫在壓力作用下較張力 作用更為穩定。此外，如土木工程施工中對附近周遭所產生之人為振動，即 工程施工打樁、基礎開挖等會對鄰房基地產生振動及地盤解壓，導致鄰房結 構物龜裂、傾斜、不均勻沈陷及門窗框架變形、開啟困難等現象，反覆振動 亦是加速鋼筋腐蝕重要因素之一[40]。

2.溫、濕度變化

台灣地區因地居亞熱帶，溫、濕度皆很高，因而常發生白華(Efforescence)、

發霉(Moulds)及腐蝕(Corrosion)等現象[41]。整楝建築物受溫、濕度變化所產

生的結構行為，會因縮脹作用產生內應力，愈往下會應力愈大，因此在更往

下層處愈容易發生逆八字型龜裂；對樓版而言，易在端部產生斜向龜裂，以

抵消其收縮應力。此外，內外溫濕度差，也會產生膨脹內應力，其差異愈大

則外壁愈易有八字型龜裂產生[38]。溫、濕度變化除了會引起混凝土龜裂外，

也常使表面之裝修材變形、龜裂、甚至剝落[42]。

4-1-2 影響混凝土耐久性之化學性因素

混凝土化學侵蝕率與有害流體之 pH 值、混凝土透水性有關，因此化學性 惡化之混凝土，乃指在惡劣環境及水泥漿組成成分間之化學侵蝕行為。Metha 等人將此侵蝕行為以三類來說明：

(1)加入軟水形成水泥漿之分解。

(2)有害流體和水泥漿間之陽離子交換作用。

(3)溶解反應所造成之膨脹[31]。

其病變歸納如下[30,31,34,36]：

一、溶解及白華{Leaching and Efforescence}

混凝土表面經水流過後，不會有很嚴重的溶解產生，但在壓力作用下，

水滲入混凝土或流水中有懸浮固體造成物體磨損則易有溶解現象發生。溶解 速率和滲流水內之鹽的分解量有關，如雨水是軟水較易產生溶解，硬水因含 有大量之鈣離子則較不易產生；水溫亦是影響溶解要因之一，氫氧化鈣在冷 水中較溫水中更易分解。但與強度比較下，溶解所引起之外觀影響較大[30]。

當混凝土表面受到空氣中二氧化碳作用產生碳酸鈣沉澱，而遺留白色結 晶物之現象即為白華[31]。一般發生在水分得以連續或間歇滲透混凝土材料 處，或表面曝露在一個乾濕交替之環境時。白華存在則意味著混凝土中發生 顯著的溶解作用，而過度的溶解，將使混凝土孔隙增高，如此則易導致強度 降低、有害物質易於侵入。水泥漿體中若含有大殘的氫氧化鈣，易產生溶解 和白華現象，如再處於不利環境條件下，會導致更大鄉潛在惡化。

二、硫酸鹽侵蝕(Sulfate attack)

化學侵蝕中以硫酸鹽侵蝕最常見，硫酸鹽侵蝕常發生在化學工業廢水、

沼澤地、淺湖、礦區及下水管、地下水等地區，尤其是土壤中含有大量粘土 時或臨近工業廢料如礦渣、爐渣堆、碎石堆等之地下水中，可能含有局部性 高濃度之硫酸鹽，其亦為海水之主要成分[30,31]。混凝土受硫酸鹽侵蝕確實 之反應機理，目前尚有爭論，一般較被接受的反應機理，是由鈣釩石二度膨 脹和石膏腐蝕兩種反應組合而成。形成鈣釩石二度膨脹主要原因，乃是水泥 中鋁酸三鈣(C

A)的水化產物對硫酸鹽不穩定所造成。若溶解硫酸鹽濃度在土 壤中大於 0.1%（在水中之 150mg/liter SO

）將危及混凝土，超過 0.5%（在水 中超過 2000mg/liter SO

）將有嚴重影響。

水泥中之矽酸二鈣和矽酸三鈣在水化後，除生成具有膠結性之 C-S-H 膠 體外，亦生成氫氧化鈣，來外界硫酸鹽中常以陽離子型式存在(Na

,Mg

)，會 和氫氧化鈣進行化學反應生成石膏[2,3]，其化學反應如下式所示：

Na

SO

+Ca(OH)

+2H

O →CaSO

• 2H

O+2NaOH Mg

SO

+Ca(OH)+2H

O →CaSO

• 2H

O+Mg(OH)

3MgSO

+3CaO• 2SiO

• 3H

O+8H

O → 3(CaSO

• 2H

O)+3Mg(OH)

+2SiO• H

O

此反應為一膨脹性反應，亦稱石膏腐蝕(Gypsum corrosion)，其對混凝土 之影響程度，須視外界硫酸鹽的濃度而定，若在高濃度時，石膏腐蝕對混凝 土的影響就不可忽略。一般而言，在低濃度(0.5%)時，硫酸鎂對混凝土侵蝕 的情形比硫酸鈉嚴重，但高濃度(10%)時，則相反[42~44]。上式顯示混凝土 中具有膠結性之 C-S-H 膠體會不穩定而分解，導致強度降低，生成溶解性高 的氫氧化鈉，不會形成氫氧根離子的濃度梯度，亦不會降低 pH 值。

依照 BRE Digest[31]之建議，影響硫酸鹽侵蝕混凝土的因素有下列五個：

(1) 硫酸鹽類的性質種類及數量。

(2) 水位線的位置及其季節性之變化。

(3) 地下水流及土壤之多孔性。

(4) 構造物之型式。

(5) 混凝土的品質。

尤其以低透水性混凝土是最好保護硫酸鹽侵蝕之因子。若混凝土表面產生裂 縫增加透水性易使外界有害物質侵入，硫酸鹽侵蝕也會因水泥水化過程之凝 聚力惡化而產生強度降低、表面損失[45]。根據 ACI 201 說明，混凝土使用冷 卻水，會成為硫酸鹽侵蝕之潛在來源[31]。

三、酸及鹼之侵蝕(Acid and akali attack)

對混凝土而言，幾乎所有的酸皆會造成侵蝕作用，其差異僅在侵蝕程度 上之差別。因硫酸、鹽酸、硝酸皆為無機酸，對混凝土之侵蝕作用也較為嚴 重。而酸之濃度愈高或溫度愈高，則侵蝕性愈強烈，流動狀態之水亦較靜止 水具顯著之侵蝕現象。通常地下水內之化學成分會改變，乃由於注入位置、

週期性、滲流量的改變，或由特定之污染物及其流域所引起，如硫酸、碳酸 之作用下，褐煤、泥碳沼及沼澤水之 pH 值約低於 4.5 時，即形成酸水[34]。

水泥漿體水化後，為一鹼性物質，在一般情況下，不致遭遇由鹼性物質 所引起之侵蝕現象，但混凝土在處理過程中，若曾與高濃度之鹼性物質接觸 過，同樣會造成混凝土之劣化，使強度降低[30,32]。

四、鹼骨材反應(Alkali-aggregate reaction)

混凝土內之卜特蘭水泥含有鹼金屬離子(Na

O,K

O)和骨材內之氫氧根離 子、活性矽物質產生化學反應，會有膨脹及龜裂現象，如此將降低混凝土之 強度、彈性係數及耐久性，此現象即為鹼－矽反應[31]，而骨材內所含矽質不 同，則會有不同之反應，因其與結晶程度、內部孔隙、晶體大小及內部晶體 應變皆有關[30]。晶體應變產生之膨脹應力，會使混凝土中之骨材或骨材周圍 之水泥漿體產生膨脹性龜裂。一般較易發生鹼骨材反應之骨材尺寸約為 1~5mm，與砂大小相似。根據 ASTM C150 指出水泥中 Na

O

含量低於 0.6%

時稱為低鹼水泥，而高於 0.6%時，則稱為高鹼水泥[31]。由實驗證明水泥中

之 Na

O

含量低於 0.6%以下，不會產生具危害性之膨脹。但水分係鹼骨材 反應之必要條件，故混凝土外在環境之相對濕度必須>85%，鹼骨材反應方得 以進行[46]。

一般鹼骨材反應之病變，可就外觀現象與內部破壞二方面來探討：

1.外觀現象

(1)不規則裂縫 (map, partten cracking)

可能受結構之形狀，鋼筋排列及圍束情形影響，一般平行於結構物的長 方向、鋼筋排列方向、主應力方向。

(2)起泡爆裂(pop-out) (3)滲出反應產物

膠狀反應產物流出，或在混凝土表面產生濕點(wet spot)，與 CO

作用乾 燥後形成白色物質，可能受沖刷消失。

2.內部破壞

(1)微裂縫(microcrack)

膨脹所發生裂縫穿過骨材內部，連結周遭之孔隙而延伸至水泥漿或角狀 骨材邊緣。

(2)反應產物

可以在裂縫或孔隙中發現無色透明或白色半透明之反應產物。

(3)骨材周圍生成暗色反應圈(dark rim)

影響鹼骨材反應之重要因素，水泥中鹼含量、骨材之種類、尺寸及活性 材料含量、骨材周遭之溫度、孔隙溶液內之 pH 值、含水量及加入卜作嵐 (Pozzolanic)摻料等。

五、鹽害

近年來常見港灣結構物發生腐蝕劣化的實例，推究其原因有二：即使用

海砂所致之鹽害與含有鹽分侵蝕之環境，其中以澎湖跨海大橋及許多濱海之

橋樑，所引發之劣化問題最為引人注目[32]。

在海洋環境作用下，海風挾帶大量鹽分，因蒸發而滲入混凝土中，在孔 隙中結晶產生壓力，造成鹽分的沉澱而產生裂縫。一般在含鹽量較高的環境 下，容許其裂縫寬度約為 0.1~0.2mm。對處理鹽害之耐久性問題，結構物之 設計需能防止鋼筋間龜裂，保護層剝落及水分滲透等現象發生，因而使用密 實性混凝土是相當重要的。

六、海水侵蝕

海洋環境結構物之腐蝕型態與一般混凝土結構物腐蝕行為稍有差異，因 為除了一般腐蝕外，海水的溫、濕度、溶氧量、pH 值，受潮汐影響之乾濕作 用、海浪潑濺、沖刷程度、及海中之生物、其他具腐蝕性之有機物、潮流力、

靜水壓力等因素，皆會加速鋼筋之腐蝕之反應。另更因波浪反覆作用所引發 之疲炎為耐久性重大問題之一。

鋼筋混凝土也會因處在不同之海洋環境下，如大氣區(Atmosphere zone)、

潮汐區(Tidal zone)、或浸泡區(Submerged zone)[32]，而產生不同型式及不同 程度之侵蝕作用。

在海洋環下混凝土之劣化將使海水侵入混凝土結構體與其成分起化學反 應，形成膨脹性生成物使混凝土裂縫繼續擴大或使混凝土變軟，可溶性之氫 氧化鈣析出，及鈣釩石與侵入之硫酸鹽離子反應產生二度膨脹，導致混凝土 剝落，此外，因氫氧化鈣的析出使混凝土滲透性增大，海水中所含氯離子侵 入與鋼筋起電化學反應，而引發鋼筋腐蝕現象。

七、體積變化

混凝土變形乃由應力作用、含水量改變及溫度變化等不同因素所造成，

而產生收縮或膨脹現象，此類體積變化私導致破裂，影響混凝土強度，降低 其凡久性及有損外部之美觀性，而變形型式大致可分為：

(1) 由外力引起之瞬間變形。

(2) 因水分喪失所造成之收縮(Shrinkage)。

(3) 應延伸作用下所產生之潛變行為。

其中收縮則說明了體積穩定之主要現象[30]，收縮為新拌或硬固之混凝 土，其水分之喪失皆會導致體積的改變，但因發生時間不同，而有不同的現 象產生。

(1) 自生收縮(Autogenous shrinkage)

當水灰比小於 0.42 時，水泥水化會使內部的水消耗掉，此種自乾現象 (Self-desciccation)，即為自生收縮[30]。除巨積混凝土外 一般構材受此種變 形之影響甚小，可視為忽略之耐久性問題。

(2) 塑性收縮(Plastic shrinkage)

新拌混凝土因表面水的大量蒸發，尤其當蒸發速率大於 0.5kg/m

/hr 時，最 易產生塑性收縮[39]。因整個混凝土中之塑性收縮的分佈並不均勻，在張應力 之作用下，會產生不一致的體積改變，造成混凝土龜裂[30]，混凝土發生塑性 收縮時，其前兆即為表面會失去光澤現象，其裂縫多數與風向垂直，且大部 分的裂縫皆可能貫穿構材全深度；一般會發生龜裂之處，多在舖面及版等蒸 發作用較快之大表面積混凝土結構物，如此將造成完整表面的破壞並降低其 耐久性[30]。

(3)乾燥收縮(Drying shrinkage)

混凝土屬多孔性材料，乾燥時會有收縮產生，但若受到強行的束制，其表 面易產生破裂或翹曲變形。混凝土之乾縮量可達 1500×10

，但大部份結構 物，一般要求不得大於 800×10

，若將已乾縮之混凝土再行濕潤亦會再膨脹，

但即使長期浸在水中，其膨脹量也已無法完全恢復到原先之體積。故乾燥收 縮對混凝土耐久性而言影響相當大[46]。

(4)碳化收縮(Carbonation shrinkage)

硬固後之水泥漿體會與空氣中之 CO

(約 0.04%)產生化學反應，而造成水泥

漿收縮，稱之為碳化收縮[30]。碳化收縮一般皆隨 CO

之濃度和壓力而增加，

當相對濕度達 50%時會有最大收縮量發生，於混凝土表面之碳化過程，混凝 土之碳化速率或稱為鹼性界面進行之速率，侵入混凝土內部之碳化速率可依 據下列因素而定[46]：

(1) CO

之局部壓力。

(2) 混凝土之滲透性、水灰比、養護、濕度及骨材。

(3) 可被碳化物質之數量（水泥含量，水泥種類） 。

混凝土表面一旦碳化後，即會降低其 pH 值，而使有害物質易於侵入，而 導致鋼筋之鏽蝕，影響其耐久性[40]。混凝土於裂縫形成後將繼續碳化，其相 關性質與裂縫寬度、滲透性及鹼性物質析出量有關。影響混凝土碳化的原因 相當多，與水泥種類、水泥含量、CO

含量、相對濕度、CH 含量、含水量、

水灰比、暴露時間及養護環境等因素有關。

因碳化是一種擴散過程，空氣中 CO

之擴散速率比水中約大至 10

左右，

混凝土吸收水份的能力遠比釋出同量的水容易的多，因混凝土是微孔隙材 料，CO

的滲入速率決於孔隙結構及孔隙是否由水份填滿。濕氣為碳化反應 所必需，在相對濕度 50-75%情況下碳化發生最快，相對濕度低於 50%，水汽 膜不易在孔隙表面形成，而當相對濕度大於 75%則易受水阻塞，使 CO

侵入 速率減慢，使較不易碳化[46]。

八、透水性和吸水性(Permeability and absorption)

透水性的定義，乃流體進入多孔固體之流動速率的特性[31]。透水性為影

響混凝土抵抗化學物質侵蝕之耐久性的主因，而影響透水性之原因甚多，如

水灰比、齡期、養護條件、孔隙率、孔隙尺寸、分佈情形、孔隙連貫性、澆

置時夯實程度等，其中影響耐久性很重要的參數之一為水灰比，水灰比降低

則漿體之孔隙率會減少，如此混凝土更不具透水性。因混凝土之透水性可控

制水分通路之速及在加熱或受凍時，水之移動和化學侵蝕之情況，混凝土透

水性由漿體所控，並隨漿體和骨材界面之裂縫而改變。一般而言，水灰比高 且水化程度低，水泥漿體有很高之毛細孔率，因而透水性很高；相對地，混 凝土具低水灰比、高強度時，並可改變由其內應力所產生之裂縫[30]。

吸水性及指引水進入混凝土中之孔隙或毛細管的物理性質[34]。混凝土若 重複處鄉乾濕循環的環境下，表面因有吸收水可能因含有鈣或鈉等氯化物，

而造成侵蝕；而表面下之吸收水與混凝土之霜害作用或凍融循環之抵抗有 關。影響水密性之因素有下列幾點[30,34] ：

(1) 水灰比。

(2) 使用材料，如骨材之形狀及級配情形。

(3) 摻料，如火山灰、飛灰之材料。

(4) 施工、養護及水化程度。

(5) 表面處理，如塗封等。

(6) 良好之配秕設計與拌合設備。

Mehta 建議提高混凝土水密性之方法如下[47]：

(1)高強度(60MPa)通常具低透水性(<10

kg/MPa.ms)。

(2)高水泥含量(≧400kg/m

)。

(3)低水灰比(Max=0.40)。

(4)高品質之粗骨材，具較小之粒徑(Max 20mm)。

(5)使用減水劑（如強塑劑） 。

(6)使用礦物摻料（濃縮矽灰，高品質之飛灰或高爐水泥） 。 4-2 混凝土震害病變之特性與模式

一棟結構健全的建築物，於設計時既已考慮中度風壓，則必能抵抗輕微

之地震，不過部分對地震具高敏感性之結構物，如核子反應爐、化學工廠等

可能因震害而發生化學污染等二次危害者，得須較複雜，且周詳之考慮[48]。

4-2-1 病變之特性

震害之主要因素為地震與地震之規模、震度、延時（地表之總能量）

[49,50]。震害程度與結構物有極為密切的關係，就混凝土結構物而言，受地 震作用時，可能產生之病變型態，不外乎設計、施工技術及材料三個主要因 素[51]，依 Young[30]及 Matha[31]之觀點，將震害歸類為混凝土病變之物理性 病因之一，但因地震所造成之混凝土病變，並非僅源於該病因，依震害病變 發生時機之前因後果，可歸納為以下三類：

(1) 混凝土既有之病變已顯現於表面，地震之作用僅是使病變再加劇。

(2) 混凝土既有之病變僅潛在於內部，於震害發生後，始顯現出來，得以據此 判斷其原始之病因，甚至根本無法界定，僅能認定係由地震所造成。

(3) 混凝土病變純粹由地震所引起。

無論震害病變之前因後果為何，基本上可分為結構物自身所導致之直接因 素與其他因素，如鄰房碰撞、不均勻沈陷等所造成之間接因素。就這些因 素，可歸納如下之特性[49,52 ,53]：

1.結構物型式之特性

大部分結構物吸收地震能量之能力，皆有強軸(Strong axes)與弱軸(Weak axes)之分[50]，地震作用時，強軸可能吸收較高之地震能量而破壞，尤其以 不對稱、造型奇特之結構物為甚。結構物之平面設計及配置，若未考質量與 剛性之規則性，地震作用時，可能發生扭轉振動而破壞；如 L 型平面之結構 物，其角隅處較易因地震扭轉而發生病變，其病變型態與可能原因如表 14 [50,54,55]所示；對於細長型之結構物，在結構物－土壤界面處之水平加速度 可能抵銷部分的旋轉分量，但底層之位移將會增加，可能因此而產生病變[56]。

2.結構物之環境特性

如上節所述，地震作用時，若結構物之自然週期與地震之週期很相近時，

將會發生共振現象，此時結構物可能因此現象而導致過大之位移，引發病變；

若結構物之質量甚大或座落於軟弱地層或地質條件差異甚大時，可能因不均 勻沉陷，造成病變。若相臨之結構物未有適當之間距，且高度相差異甚大時，

因各自之自然週期亦不同，地震作用時，可能水平位移方向相反而發生碰撞，

造成破壞。此外結構平面扭轉，亦可能碰撞鄰房而產生不可預期之破壞，如 表 14 [50,54,55]所示。

4-2-2 病變之模式

混凝土震害病變模式，可分為 X 字型、八字型、逆八字型、水平、垂直 及不規則裂縫等型式，隨著各種條件，如材料性能施工良窳、環境因素等而 異，各種病變可能之原因及特徵如表 14 [50,54,55]所示。

五､試驗計畫 5-1. 試驗材料

所有試驗材料均符合中國國家標準，其中水泥採用台泥公司生產之第 I 型卜特蘭水泥，符合 CNS 61 第 I 型水泥之規定。細骨材係採用來自西螺之天 然河砂，粗骨材係採用大安溪所生產之機碎石，性質符合 CNS 1240 規定。

爐石採用中國鋼鐵公司所生產之水淬爐石粉。飛灰採用台電興達火力發電廠 之符合 CNS 3036F 類飛灰（燒失量小於 12%） ，強塑劑採用欣得公司所生產 之 HPC-1000 型之強塑劑，其性質介於 CNS 12283 所規定 F 型及 G 型之間。

5-2. 試驗試體及變數

(1)乾縮試體（長度變化及重量變化量測）

乾縮試體配比係以緻密配比設計之優生混凝土（以 EC 表示）為主[57]，

設計強度要求 56 天達到 41.2MPa，所以水膠比(W/B)=0.4，配比所採用水泥

漿量(Vp)係依據粒料間隙(Vv)，並放大按漿量比(Vp/Vv)為 1.1,1.3,1.5,1.7 而設

計，其中添加適量之飛灰與爐石粉，但傳統配比則不添加卜作嵐材料，控制

W/C=W/B=0.4，而獲 Vp/Vv=1.9，並以 ACI 表示。表 15 為各種配比資料表。

配比設計方式依據緻密配比法及 ACI 配比法[58]。

(2)抗壓強度、吸水率、超音波及電阻試驗

本試驗配比係以緻密配比設計之優生混凝土[58]，水膠比(W/B)=0.4,漿量 (Vp/Vv)=1.1,1.3,1.5，傳統混凝土如上以 W/C=W/B=0.4 之 Vp/Vv=1.9 配比，

所調製之混凝土均進行抗壓強度､吸水率､超音波及電阻試驗，以瞭解濕養 護時間對混凝土性質之影響。

5-3 結果分析 1.抗壓強度

圖 10 顯示 W/B=0.40 之混凝土在不同預養護齡期時，各齡期強度發展。

經過 120 天長時間持續水中養護（圖上標示 WCC）的混凝土抗壓強度無疑均 大於預養護時間較短的混凝土（WC－後之標示為養護天數） ，且隨養護時間 增加而強度增大，這是如同一般預期的。同時試體由濕養環境中移至乾燥環 境時，都會有強度突然增長的現象，甚至超越持續養護 56 天的試體（特指預 養護 28 天） ，此仍由於外圍乾燥的環境迫使試體表面的水份迅速向外擴散，

因而導致水泥漿體收縮產生的「擠壓效應」或「孔隙水壓降壓」等作用[30]，

圍束側壓力增加因而提高混凝土的承壓能力，所以高出持續養護試體的強 度，然而當 90 天後水份散失到不足以提供水化反應時，則強度成長減緩或停 滯。而無預養的試體（圖上標示 WC-0） ，係指試體拆模後直接暴露於溫度 23

℃及濕度 50%之環境，強度隨齡期成長而趨緩，且隨漿量愈高強度遲滯發展

更明顯，甚至在 120 天後仍未達設計強度，尤其漿量高過 1.5Vv 者，足以證

實養護對混凝土的重要性。而水中養護 7 天以上的各漿量試體於 56 天均可達

設計強度，顯示規範對於混凝土澆置後，應有 7 天以上連續溼養護的適宜性

及必要性，此對傳統及優生混凝土具有相同的意義。