1-3 研究內容與方法

第一章 緒 論

1-1 前言

鋼筋混凝土材料較之其他建材堅固、經濟、耐久，因此長期以來，一 直是營建業最主要建材，大量應用於公共工程及民間住宅與商業建築工 程，由於鋼筋混凝土工程大多於工址現場施作，其品質深受施工條件影響，

加上臺灣本島特殊之地理環境，四面環海，高溫、高濕，使得鋼筋材料易 生腐蝕，而混凝土，由其本身係一多孔隙材料，在臺灣高污染的工業環境 下，有害因子可輕易入侵內部，再分別以物理性及化學性的作用，造成混 凝土及內部之鋼筋產生破壞，故從新建完成到使用一段時間後，結構難免 會產生劣化甚至損傷，使得結構物無法維持原有的功能，縮短了預期的服 役年限；故對於使用中之鋼筋混凝土結構，有必要進行檢測並作安全評估，

以維整體結構的安全性。

1-2 研究動機與目的

鋼筋混凝土結構物，無論係由政府斥資亦或由民間出資興建，所耗費 之成本均是十分龐大的金額，常見尚未達設計年限即敗壞無法正常使用的 情形，造成經濟上的重大損失，除了施工品質有瑕疵之人為因素及無法抗

拒的外力作用因素外，主要是疏於管理維護，就管理維護而言，首重檢測 及評估其安全性，因此，本研究針對鋼筋混凝土結構物損傷劣化部分，提 出各種適用的非破壞性檢測技術，另鋼筋混凝土結構物由於裂縫之存在與 成長擴展，常在未達降伏應力或極限強度前即已發生破壞，故應評估裂縫 的成長，避免造成危害。

1-3 研究內容與方法

鋼筋混凝土結構物，無論是製程中即已存在瑕疵缺陷或歷經一段使用 時間後所產生之各種損傷劣化現象，最主要均會造成結構物生成裂縫及鋼 筋腐蝕，並使水泥漿體鬆脫、混凝土剝離、混凝土滲漏及鋼筋腐蝕等損傷 現象加劇惡化，最終使得結構物崩壞。由於鋼筋混凝土破壞性檢測技術，

會破壞部分結構體構件，事後又必須予以修護，較不具時效性及經濟性，

因此，本研究針對結構物各種損傷模式，分別利用適合的非破壞性檢測技 術，來偵測其損傷情形，並結合損傷鋼筋混凝土結構破裂強度分析理論，

利用破壞力學理論及應力強度因子與破裂韌性等參數，來評估有裂縫結構 物的安全性，最後並提出一套完整的損傷劣化鋼筋混凝土結構物安全評估 流程，供作相關工程人員參考。

第二章 文獻回顧

2-1 鋼筋混凝土結構物之損傷劣化

1. McGraw-Hill,Ind.，Dictionary of Scientific and Technical Terms, 5th Ed., 1982，對於裂縫之定義為超過材料本身之應力，造成材料分子間連結的 破壞【1】。

2. Mehta,P.K. and Monteiro,J.M. (1993)提出混凝土裂縫的形成，是混凝土 構件承受拉力變形超過其延伸極限值，即拉應力超過抗拉強度，通常裂 縫的形成是由構件內部細微裂縫開始生長，並逐漸連成帶狀，最後貫穿 混凝土構件【2】。

3. S. Ziegeldorf (1983)提出混凝土在未受外力時，其內部即可能存在有裂 縫，就混凝土裂縫之微觀定義而言(micro-cracking)，可能出現之裂縫有 以下兩種情形：

1.黏著裂縫(界面裂縫)─發生在骨材與水泥漿體界面處，沿著骨材周圍出 現。

2.基材裂縫(水泥砂漿裂縫)─發生在骨材與骨材之間的水泥砂漿中【3】。

4. Sidney MINDESS(1983)提出混凝土承受外力作用下，應力 < 0.3σ ，應_u 力-應變曲線是直線，0.3σ 之應力稱為局部開裂起始應力，此階段為彈u

性極限。

達極限載重30%~50%，應力-應變曲線偏離直線，黏著裂縫以穩定方式 成長，基材( matrix 水泥漿體)中只有輕微的開裂。

達極限載重50%~70%，應力-應變曲線之曲率逐漸增加，黏著裂縫繼續 擴展並延伸至基材中，隨著基材開裂，黏著裂縫搭接貫穿，保持應力為 0.75σ 不變，所有裂縫會繼續成長，最終導至混凝土結構破壞，0.75u σ 之u

應力稱為不穩定斷裂起始應力或臨界應力。

應力 > 0.75σ ，應力-應變曲線之曲率明顯增加，基材裂縫更迅速成長，u

進而發生破壞【4】。

5. 王炤烈(1994)，廖肇昌(2000)就鋼筋防蝕問題，舉出國內外規範關於裂縫 寬度容許最大值之規定【5】【6】。

6. 鋼筋混凝土結構的損傷劣化模式，包括裂縫、鋼筋腐蝕、氯離子侵害、

混凝土中性化、鹽害、混凝土鹼骨材反應等，肇因於材身特性、環境中 有害因子、施工不當及外力，導至鋼筋腐蝕、裂縫產生，各個因素之間 且會交叉反應、互相影響，使得劣化加劇【7】【8】【9】。

7. 針對混凝土耐久性考量，廖肇昌(2000)，詹潁雯(2000)舉出國內外規範規 定相關設計參數容許之最大/小值，包括鋼筋保護層、氯離子含量等【10】

【11】。

8. Wen-Hsiung CHEN(1998)針對混凝土構件開裂，鋼筋腐蝕問題，以108個 高強度混凝土及108個普通強度混凝土試體作實驗，所得研究結果中，最 重要的是，雖然鋼筋保護層之增加，會加大鋼筋暴露腐蝕性物質之機率，

可是，由於混凝土可以阻絕有害物質的入侵，故增加鋼筋保護層厚度，

對於鋼筋的保護是有利的【12】。

9. 田 永 銘 (2000)混凝土鹼骨材反應共有三種模式 ，即 鹼-氧 化 矽 反 應 (ASR)、鹼-碳酸鹽反應(ACR)及鹼-矽酸鹽反應【14】。

10. 徐耀賜、茍昌煥、吳東昇(1999)提出混凝土結構物常見之損傷種類，歸 納有裂縫、剝落、鋼筋腐蝕、剝離、蜂窩、滲漏等約略二十種，並針對 裂縫、鋼筋銹蝕、中性化、鹽害及氯離子侵害等結構損傷模式作系統化 之整理與敘述，供作設計與檢測人員參考【15】。

2-2 鋼筋混凝土結構非破壞性檢測技術

1. 對於損傷劣化鋼筋混凝土結構物，有多項非破壞性檢測技術：場製圓柱 試體抗壓試驗、反彈鎚試驗法、超音波波速法、透地雷達試驗法、鋼筋 腐蝕檢測法、敲擊回音法、輻射線照相法、反射式光彈法等，有的僅能 作定性上的檢測，有的則可作定量上的量測，各有其適用範圍，也各有 優缺點【13】【16】【17】。

2. 反彈鎚試驗法是檢測混凝土強度最簡便的方法，係以混凝土表面硬度來 推估混凝土強度，依文獻統計資料顯示，以ASTM C805或CNS 10732規 定進行的反彈鎚試驗，與利用鑽心取樣抗壓強度試驗比較，約有20%的 誤差，黃逸萍、王嘉聖(2002)藉由錄製反彈鎚聲音，並分析音域波形來 作反彈數修正，以提高反彈鎚試驗的準確性【18】。

3. 在非破壞性檢測技術中，有以導入應力波至測試體，藉量測波傳時距求 得之波速來偵測試體內部瑕疵的位置，林宜清(1995,1997,1998)提出藉由 敲擊源導入低頻暫態應力波的方式，即敲擊回音法，來檢測混凝土內部 裂縫深度，經驗證結果，顯示出低頻應力波在檢測裂縫深度方面具有相 當程度的精確性【17】【23】【24】。

4. 吳政忠(1999)等人完成之研究指出，將超音波之發射波源與接收器置於 試體同一側，則量測R波波速，並配合量測P波波速，可準確測定現場混

凝土結構之彈性模數E與剪力模數G(或卜松比ν)，基本上Cp² ? E ? fc ，( Cp：P波波速，E：彈性模數，fc：混凝土抗壓強度)， 以此 來推估混凝土強度，應屬可行；惟實際試驗數據顯示，fc並不與Cp成四 次方正比的關係【20】

5. 楊潔豪(1997)透地雷達試驗法係以高頻之電磁波取代應力波，利用不同 的介質，介電常數會有差異的特性來檢測試體內不同介質的深度，尤其 是金屬與非金屬的介面差異，故適合檢測混凝土內部鋼筋之位置，楊潔 豪、鄧景龍(2000)更利用透地雷達透照與斷層掃描結合，對鋼筋混凝土 構件作斷面掃描，可準確的描繪出鋼筋的正確位置【21】【22】。

6. 混凝土中性化的深度、混凝土中氯離子含量及鋼筋保護層等，均會鋼筋 腐蝕的進行，混凝土中性化的偵測，可從構件鑽心取樣混凝土圓柱試體，

用酚? 指示劑噴灑在試體表面，由試體表面的顏色[鹼性(^紅) → 酸性₍無色)] 來判定混凝土中性化深度，氯離子含量的檢測，依CNS 13407規定試驗 是以硝酸銀滴定取樣混凝土粉末，由出現紅磚色之鉻酸銀沉澱來測定氯 離子含量，另依AASHTO T260試驗法，將混凝土取樣品中之氯離子以水 溶法或酸溶法萃取出來，以硝酸銀滴定氯離子，氯離子含量的判定，則 採用電位滴定法【13】【25】。

7. 鋼筋保護層的檢測，大多利用電磁波法，在鋼筋排列間距夠大時，電磁 波法有不錯的精確度，惟鋼筋排列緊密，間距很小時，電磁波受相鄰鋼 筋彼此的干擾互制作用，造成檢測訊號解讀困難，故電磁波法不適合鋼 筋排列緊密的構件，一般簡易的鋼筋探測儀亦如此，林宜清(2003)等人 以點敲擊之方式，導入應力波來檢測緊密排筋區，束筋的排列並未影響 應力波法在保護層厚度檢測的精確度，反而因為束筋可以提供較大面積 的折射範圍，使得經由鋼筋傳導的應力波更加明顯，所能量測的保護層 厚度更深【26】。

8. 光測力學應力量測是一項已發展多年的技術，構件的應力分佈，應力集 中的位置與大小，皆是非常迫切需要加以了解的，而採用光測方法不但 可以於現場作實際應力量測，更進一步，可將因形狀複雜與荷載條件繁 雜的構件致電腦無法使用有限元素法或邊界元素法來模擬解決的問題，

利用光測技術來進行比較與驗證；張奇偉、謝家木(2000)利用反射式光 彈法加以應用數位影像處理技術，量測出構件表面的應力分佈，再利用 應力數值分離理論，完整的分離出三個主應力(σ_x、σ_y、τ_xy)【27】【28】。

2-3 鋼筋混凝土結構物破裂強度分析理論

1. 張奇偉、林維群(1998)應用線彈性破壞力學理論，計算因壓力鋼管勁度

產生之彈性基礎效應所引起的應力，並計算實際之應力強度因子及鋼管 軸向與環向之破裂韌性【29】。

2. Higgins and Bailey(1976)對材料之破裂韌性值進行研究量測，提出水泥膠 體之水灰比及試體大小，均會影響其破裂韌性值(K_IC)，發現試體尺寸愈 大，水灰比(W/C)愈小，則破裂韌性值均會增大【30】。

3. 昝世蓉(1990)、楊丁文(1992)，一般構件在破壞之前會有明顯的變形，有 些構件則不然，這些構件的破壞，大部分都是因為裂縫快速成長，穿透 構件而造成，當構件出現裂縫時，裂縫尖端會產生應力集中且不斷累積 能量，不斷累積之能量，復使裂縫成長，此即破壞力學主要討論的內容，

破壞力學的分析方法，就材料性質而言，可分為兩大部分，即線彈性破 壞力學與彈塑性破壞力學，線彈性破壞力學，一般用在脆性破壞的材料，

而彈塑性破壞力學則涵蓋了線彈性破壞力學，通常用在延性較好的材料 及塑性變形較為嚴重的材料【31】【32】。

4. 町田進 (2000)提出構件內裂縫的破壞型態，可分為三種不同的受力模 式 ： 第 Ⅰ 型 是 由 拉 應 力 所 造 成 的 “ 張 裂 型 (opening mode， tensile mode) ”，在破壞中為最重要的變形，大部分結構的破壞型態，都屬於 這一型；第Ⅱ型是平面內受均勻剪斷應力τ作用所產生的“滑裂型

(sliding mode，shearing mode) ”，即是面內剪斷型(in-plane shear mode)；

第 Ⅲ型是 龜裂面受到垂直均勻的剪斷應力 S作 用所產生的“ 撕裂型 (tearing mode， torsion mode) ”，即是面外剪斷型(out of plane shear mode，antiplane shear mode) 【33】。

5. 在相同裂縫和載重條件下，平面應變的厚壁板，KIC值幾乎為一定值，即 為平面應變破裂韌性，為確保破裂韌性為平面應變破裂韌性，則平面應 變狀態的破壞須滿足下列條件：1.平版厚度必須夠厚，2.破壞之際，裂縫 前端塑性區遠小於裂縫長度及構件尺寸，ASTM E399規定平版尺寸條 件：

)2

( 5 . 2 ,

y

KIC

a

B > σ ( B ：平版厚度， a：裂縫長度， K_IC：平面應變破裂 韌性，σy：降伏強度 )【29】【33】。

6. 陳宏志(1998)建立裂縫缺陷模式，利用破壞力學探討裂縫對構件破裂強 度之影響：裂縫尺寸對破裂強度的影響、相似構件破裂強度的尺寸效應、

表面裂縫的破裂強度及破壞停止等，提出破壞力學的效應【34】。

7. T.J.Bear and B.Barr(1977)利用環狀裂縫偏心載重試驗方法(CNRBEL)，發 表CNRBEL測試公式，求出破裂韌性值(KIC)【35】。

8. 張奇偉、周師文(1995)對鑽心取樣不同水灰比之混凝土試體，利用環狀 裂縫偏心載重試驗方法(CNRBEL)，並以Benn Barr and Terence Bear(1977) 發表之CNRBEL測試公式，求出破裂韌性值(KIC)，再與由ASTM E399規 範之矩形梁三點彎矩試驗法求出之K_IC值作比較分析後，提出以CNRBEL 試驗法所求得之K_IC值，乘以一修正因子即可等於三點彎矩試驗法求出之

KIC值【36】。

2-4 鋼筋混凝土結構安全評估

1. 張奇偉、林維群(1998)為評估壓力鋼管結構的安全性並預測壓力鋼管的 殘餘使用年限，應用超音波非破壞檢測技術，測得壓力鋼管現有的管壁 厚度，並利用線彈性破壞力學計算壓力鋼管實際之應力強度因子及鋼管 軸向與環向之破裂韌性，再比較破裂韌性與應力強度因子之值，可得壓 力鋼管之臨界容許厚度，並以超音波檢測所得之管壁厚度及應力分佈狀 況與應力強度因子來評估壓力鋼管結構的安全性並預測壓力鋼管的殘餘 使用年限【29】。

2. 張奇偉、李俊欣(2002)為評估表面已有裂縫之混凝土橋墩柱之安全性與 殘餘壽命，鑽心取樣橋墩柱混凝土試體，利用環狀裂縫受偏心載重試驗 法(CNRBEL)，並以Benn Barr and Terence Bear(1977)之CNRBEL測試公式

求出破裂韌性K_IC值，再以修正因子進行修正【36張奇偉、周師文，1995】， 計算出ASTM E399規定之三點彎矩試驗所對應之破裂韌性值，並由原始 橋梁結構計算書得到橋墩柱裂縫附近之應力值，利用應力強度因子公式

a

K_I =σ π (a：橋墩柱表面裂縫長度)，求得裂縫附近之應力強度因子^K_I， 並利用應力強度因子公式K_IC =σ πa_c ，求得破壞臨界裂縫長度a_c，最後 以所得資料，比較分析K_I值與K_IC值及a值與a_c，來評估橋梁結構安全性 及殘餘壽命【37】。

3. 王國昌、李有豐(1997)提出橋梁的評估為就承載能力方面及耐震能力方 面來予以評估，並建立評估準則，對有缺陷的構件，作D ( Degree )、E ( Extent )、R ( Relevancy )等級評估，D為缺陷劣化的嚴重程度，E為缺陷 劣化的分佈範圍，R為此一缺陷相對於整體橋梁結構安全及繼續提供服務 之影響大小，D項的等級由嚴重損壞、差、尚可到良好，E的等級以百分 比(%)來表示，R項的等級由大、中、小到微【38】。

第三章 鋼筋混凝土結構物損傷劣化模式

鋼筋混凝土材料由於其本身的材料特性(水泥健性不良、水泥水化反應 熱過高、混凝土乾縮等)、施工疏失(鹼骨材反應、配比不佳、拌合不妥、配 筋不良、模板缺失、澆置搗實不當等)及所處環境惡劣(鹽害、氯離子侵害、

混凝土中性化、硫酸鹽侵蝕等)與使用狀況不良(超荷重、不均勻沉陷等)、

疏於維護等因素，在使用一段時間後，各種損傷劣化(Damage, Deterioration) 的情形便陸陸續續的產生，包括裂縫(Crack)、鋼筋腐蝕(Corrosion)、混凝土 剝落(Scaling)、混凝土剝離(Spelling)、混凝土爆開(Pop-out)、滲漏(Leaking) 等，各種損傷劣化現象之間，彼此又互相牽引，在惡性循環、互為因果的 影響下，加劇了損傷劣化的程度，使得其服務性、安全性、耐久性大幅降 低，終至敗壞無法使用；因此對於鋼筋混凝土結構物各種損傷劣化現象，

必須有所瞭解。

3-1 裂縫(Cracks)

裂縫是鋼筋混凝土最常見的損傷劣化現象，亦是最難避免的，鋼筋混 凝土結構的安全與否與裂縫的寬度、深度及其所形成的原因有極大的關 係，裂縫為藉著熱量、接觸反應、氫裂解作用的方式，造成分子間握裹之 破壞，減低分子間氫碳化力量的過程，裂縫通常為一超過材料本身之應力，

而發生延昇至結構內部擴大之現象，造成材料分子間連結之破壞，我們可 視「裂縫」為混凝土中分子與分子中之間的連結力遭到破壞，致產生不連 續(Discrete)變形之現象，即鋼筋混凝土材料所受外力或其內部應力超過材 料本身之抵抗力，致發生應變之行為【1】。

混凝土係由粗骨材、細骨材與水泥漿體組合而成的多孔隙材料，混凝 土構件裂縫的形成，是混凝土構件受拉產生應變，當拉應力超過其極限抗 拉強度時就會產生裂縫【2】；混凝土在未受外力時，其內部即可能存在有 裂縫，就混凝土裂縫之微觀定義而言(micro-cracking)，可能出現之裂縫有以 下三種情形，示如圖3-1-1。

1.黏著裂縫(界面裂縫)─發生在骨材與水泥漿體界面處，沿著骨材周圍出 現。

2.基材裂縫(水泥砂漿裂縫)─發生在骨材與骨材之間的水泥砂漿中【3】。 3.骨材裂縫─骨材本身之裂縫，例如高強度之混凝土，受外力作用時，骨材

被劈裂。

混凝土為多孔隙脆性材料，其損傷係屬脆性損傷，混凝土損傷的基本 特性是材料內部微裂縫(microcrack)產生與成長，並逐漸連成帶狀，最後貫 穿混凝土構件，一般而言，混凝土中骨材的強度比水泥漿體高，骨材與水 泥漿體界面的孔隙率較水泥漿體的孔隙率大，此界面是混凝土結構變形過 程中最容易損傷的部位，也就是最大骨材粒徑與水泥漿體界面處，故混凝 土最弱的部位在最大骨材的附近，骨材粒徑愈大，損傷愈大。

混凝土損傷在界面產生，環繞骨材以張裂型(Ⅰ)和滑裂型(Ⅱ)混合模式 發生微觀裂縫，而在水泥漿體內，則以張裂型(Ⅰ)模式發生微觀裂縫，導致 與外力垂直之宏觀裂縫，此處損傷呈不穩定之成長並導致破裂，如圖3-1-2 混凝土損傷現象圖(1)所示。

混凝土損傷初始，以滑裂型(Ⅱ)模式發生微觀裂縫，損傷繼續穩定成 長，一個方向壓縮引起垂直方向的伸長變形，環繞骨材以張裂型(Ⅰ) 模式 發生裂縫，在水泥漿體內則以張裂型(Ⅰ)模式和滑裂型(Ⅱ)混合模式發生微 觀裂縫，導致與外力大致平行之宏觀裂縫，此處損傷呈不穩定之成長並導 致破裂，如圖3-1-3混凝土損傷現象圖(2)所示。

混凝土承受外力作用下，應力 < 0.3σ ，應力-應變曲線是直線，0.3u σu

之應力稱為局部開裂起始應力，此階段為彈性極限。

達極限載重30%~50%，應力-應變曲線偏離直線，黏著裂縫以穩定方 式成長，基材( matrix 水泥漿體)中只有輕微的開裂。

達極限載重50%~70%，應力-應變曲線之曲率逐漸增加，黏著裂縫繼 續擴展並延伸至基材中，隨著基材開裂，黏著裂縫搭接貫穿，保持應力為 0.75σ 不變，所有裂縫會繼續成長，最終導至混凝土結構破壞，0.75u σ 之u

應力稱為不穩定斷裂起始應力或臨界應力。

應力 > 0.75σ ，應力-應變曲線之曲率明顯增加，基材裂縫更迅速成u

長，進而發生破壞，如圖3-1-4所示【4】。

不同強度混凝土之應力-應變曲線相類似，其最大容許應變量皆在

0.2%，惟不同強度混凝土之應力-應變曲線下降坡度則不同，高強度混凝土 應力-應變曲線下降較陡，表現出較脆性的行為，不同強度混凝土之應力- 應變曲線圖，如圖3-1-5所示。

混凝土與金屬材料在裂縫尖端之應力分佈不同，金屬材料裂縫尖端形 成特異(singularity)之應力場，尖端塑性區，材料係連續的，而混凝土裂縫 尖端，由於微裂縫帶，形成鬆弛應力場，非連續性、非均勻之介質，混凝 土與金屬材料在裂縫尖端之應力分佈圖，如圖3-1-6所示。

初始外力作用於構件時，混凝土尚未產生裂縫，外力增加，則開始產 生細微裂縫，外力再繼續增加，細微裂縫成長並貫穿構件，當外力超過極 限載重後，即造成破壞，混凝土裂縫破壞的發展過程，如圖3-1-7所示，故 若構件外觀有明顯及相當程度的裂縫時，構件內部損傷可能已相當嚴重，

混凝土或砂漿或水泥漿體，其真實裂縫數都遠比表面所見裂縫數多，如表 3-1-1所示。

混凝土若有裂縫，則有害因子可藉由毛細作用侵入混凝土內，裂縫縮 短了有害因子入侵混凝土的路徑，增加入侵路徑的斷面積，提高了有害因 子與鋼筋接觸機會，加速鋼筋之腐蝕，此外鋼筋混凝土裂縫由於受到混凝 土物性變化與不規則細微裂縫之影響，會造成應力集中、應力重新分配等 應力行為改變現象，故在美、歐、日等國之規範均有容許裂縫寬度之規定，

如ACI224R-80規範規定，混凝土在乾濕作用環境下，最大容許裂縫寬度為 0.15mm，FIP規定保護層5公分之主鋼筋附近，最大容許裂縫寬度為0.3mm，

JSCE規定大氣帶及飛沫帶之最大容許裂縫寬度為 0.15mm， 水 中 帶 為 0.2mm，BS8110規範規定海岸結構物之最大容許裂縫寬度為0.3mm，BS6235 建議最大容許裂縫寬度，不得超過0.3mm或0.004×C mm(C為保護厚度)，Aus 則建議為0.004×C mm，如表3-1-2【5】【6】。

就裂縫對結構體的危害程度，可分為結構性裂縫(structural crack)與非 結構性裂縫(nonstructural crack)，結構性裂縫係應力行為所造成之裂縫，雖 不致於對結構體有立即性的危險，惟在其他有利裂縫生長因素之助長下，

裂縫是有成長及擴展(propagation)的可能性，故應加以重視，至於非結構性 裂縫，若有應力集中或有害因子入侵等不利因素，仍有可能演變成結構性 裂縫，裂縫的成長及擴展有可能導至結構的破壞與崩塌，故常見於次結構 故意存在裂縫，以保護主結構(如伸縮縫之設置)。

3-2 鋼筋腐蝕(Rebar Corrosion)

一般所謂腐蝕(Corrosion)係指金屬受環境因素影響，所產生之化學性反 應或電化學性反應而形成銹蝕，腐蝕反應在自然界中是一種屬於電化學的 反應，其反應可區分為陽極(Anode)反應(氧化)與陰極(Cathode)反應(還原)，

基本原理為，於電解質(Electrolyte)溶液中(如HCL)，在陽極端，金屬原子釋 出電子，產生金屬離子，在陰極端表面，則接受由陽極釋出之電子還原成 氫氣。

正常情況下，鋼筋在品質良好、高鹼性混凝土(pH=12~13)中是不容易 生銹的，主要原因為鋼筋在高鹼性混凝土材料的包裹下，其表面會生成一 層具有保護作用之鈍態氧化鐵膜(γ-Fe2O₃)，但若因混凝土材料有裂縫或孔 隙多、滲透性大，則由於混凝土中性化及氧或水份與鹽類或氯離子等有害 因子的入侵，使鈍態氧化鐵膜遭到破壞所致。

鋼筋腐蝕的電化學反應機理及過程為當鈍態氧化鐵膜遭到破壞時，鋼 筋放出鐵離子(Fe⁺⁺)存在混統孔隙溶液中及電子(e^-)，形成陽極反應，電子在 鋼筋內部藉由導電通路與氧分子及水分反應生成氫氧根離子(OH^-)，形成陰 極反應，陽極反應與陰極反應同時進行即產生腐蝕電流，鐵離子與氫氧根 離子反應生成氫氧化鐵(Fe(OH)2)，此氫氧化鐵不同於鈍態氧化鐵膜，無法 與鋼筋緊密結合，僅是沉積在鋼筋表面上，而且愈積愈厚，再經過氧化即 生成帶結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵，即鐵銹(Fe2O3•nH2O)，以致鋼筋體積 膨脹到原體積的2~6倍，使混凝土開裂甚或剝離；另鋼筋有效斷面積減少，

抗拉強度降低，鋼筋與混凝土間之握裹喪失，此外在已腐蝕鋼筋部位與未 腐蝕鋼筋部位之間，由於電位不同，產生伽凡尼電偶效應，同時混凝土提 供充分之水氣作為電解溶液並與入侵之氧氣在陰極反應，使鋼筋腐蝕情形 更加嚴重【7】【8】【9】。

鋼筋腐蝕之過程可由以下電化學反應式表示：

Fe Fe⁺⁺ + 2e^– 陽極反應(氧化反應) O + 2H O + 4e^– 4(OH)–

陰極反應(還原反應)

Fe⁺⁺ + 2(OH)^– Fe (OH)2

O₂ , H₂O

2Fe (OH)₂ 2Fe (OH)₃ Fe₂O₃•nH2O (3-1) 鐵銹

對於鋼筋腐蝕的防治，針對場? 混凝土、預? 混凝土與預力混凝土，國 內外均分別有規範鋼筋最小保護層為設計要項之一，例如ACI 318、AASHTO 規範及我國土木水利工程學會與交通部部頒公路工程施工規範等，表3-2-1為 我國土木水利工程學會規定現場澆置混凝土(非預力)鋼筋之最小混凝土保護 層厚度，表3-2-2為ACI 318規定場? 混凝土最小鋼筋保護層厚度，表3-2-3為 AASHTO規範鋼筋混凝土之最小保護層厚度【10】【11】。

雖然鋼筋保護層之增加，會使混凝土裂縫長度增長，致使加大鋼筋暴 露腐蝕性物質之機率，可是，由於混凝土可以阻絕有害物質的入侵，故增 加鋼筋保護層厚度，對於鋼筋的保護是有利的【12】。

鋼筋保護層厚度除會影響結構物的耐久性之外，亦會影響鋼筋的握裹 強度與決定裂縫的走向與寬度。

3-3 混凝土中性化(碳化) (Carbonation)

混凝土中性化係指空氣中之二氧化碳入侵混凝土內部，與混凝土中水 泥水化後產生之氫氧化鈣反應，生成中性之低溶解性碳酸鈣，此中性之碳 酸鈣再繼續受碳化作用生成高溶解性之碳酸氫鈣，此碳酸氫鈣易由混凝土

中析出，使混凝土孔隙增多，更增加二氧化碳與氫氧化鈣反應的速率，此 外混凝土中性化的結果，使混凝土由高鹼性逐漸變為中性，pH值由原來之 12~13降至9以下，則受高鹼性鈍態氧化鐵膜保護之鋼筋遭到破壞，此時若 混凝土不夠緻密或鋼筋保護層不夠厚，鋼筋即很容易腐蝕【7】【9】。

混凝土中性化之過程可由以下反應式表示：

CO₂ + H₂O H₂CO₃

H₂CO₃ + Ca(OH)₂ CaCO₃ + 2H₂O

CaCO3 + H2O + CO2 Ca (HCO3)2 (3-2) 混凝土中性化係由混凝土外層往內發展，當中性化到達鋼筋層時，鋼 筋即開始腐蝕，所以中性化的快慢可決定鋼筋何時開始腐蝕，而中性化進 行的速率則與CO₂在混凝土中與Ca(OH)₂的反應量及速率有關，可以下式表 示：

t K

D = (3-3) 其中：

D ：中性化深度

t

K

3-4 氯離子侵害(Chloride Attack)

經由水泥漿體之試驗，氯離子會將水泥漿體中之小孔串連成大孔，主 要係氯離子會破壞水泥水化產物C-S-H膠體，形成高溶解性的氯化鈣，並析 出水泥漿體，在混凝土方面，氯離子破壞水泥水化產物膠體後，增大了混 凝土孔隙，混凝土滲透性增大，各種混凝土損傷劣化的機率因而增加。

氯離子對鋼筋混凝土結構物之侵害，主要係導至鋼筋之孔蝕(Pitting)，

氯離子 (Cl^–)濃度達到某一程度時，會破壞鋼筋表面之鈍化氧化鐵膜 (γ -Fe₂O₃)，而與鐵離子(Fe⁺⁺)反應生成水溶性之氯化鐵錯合物(FeCl) ⁺，此氯化 鐵錯合物會離開鋼筋表面，溶解於混凝土孔隙溶液中，並與氫氧根離子 (OH)^–反應生成氫氧化鐵(Fe(OH)₂)， 再 與氧及水反應產生鐵銹 (Fe₂O₃• nH2O)，其反應過程如下式：

Fe⁺⁺ + Cl^– (FeCl) ⁺

(FeCl) ⁺ + 2(OH)^– Fe (OH)₂+ Cl^– O2 , H2O

2Fe (OH)₂ 2Fe (OH)3 Fe₂O₃•nH2O (3-4) 鐵銹

由於氯化鐵錯合物與氫氧根離子的反應，消耗了氫氧根離子，使混凝土的 PH值降低，鈍化氧化鐵膜不易形成，加速鋼筋的腐蝕反應，而消耗氫氧根 離子的同時，並釋放出氯離子，該氯離子再與鐵離子繼續反應，故氯離子 的存在，鋼筋腐蝕的反應將持續不斷的進行，直到鋼筋腐蝕貫穿，氯離子

是鋼筋腐蝕的主要原因，其對於鋼筋混凝土結構物的影響，主要在耐久性 方面【7】【9】。

氯離子之來源，有來自混凝土材料本身及外界環境兩部分，混凝土材 料本身部分所含之氯離子，包括水泥、骨材、拌合水及? 料等，外界環境 部分，則由於海水、地下水或工業排放之廢水等，其中所含之氯化鹽或琉 酸鹽，易使混凝土受鹽害及硫酸鹽侵蝕，尤其在乾、濕環境作用下，氯離 子會藉由擴散作用，滲流至混凝土孔隙溶液中，若混凝土有裂縫存在時，

氯離子則會藉由毛細管之虹吸作用快速侵入混凝土內部【8】。

鋼筋混凝土結構物之耐久性，主要取決於氯離子的存在濃度，在高鹼 性、緻密性佳、滲透性低之混凝土內，微量的氯離子尚不至於侵害鋼筋，

惟若混凝土鹼性降低、緻密性差、滲透性高，則雖僅有微量氯離子存在，

亦會侵害鋼筋，對鋼筋造成腐蝕，故世界各國均有規範鋼筋混凝土結構物 氯離子含量之最高濃度，如表3-4-1【5】，而氯離子含量與鋼筋腐蝕之關係，

如表3-4-2【9】。

3-5 混凝土鹼骨材反應(Alkali-Aggregate Reaction，AAR)

鹼骨材反應，最早由美國Stanton所發現，混凝土中骨材若含有SiO2或 Al2O3等活性成分，會與水泥漿體中之鹼金屬離子反應生成一種膠凝體，此 膠凝體遇水易吸水膨脹，使混凝土產生龜裂，進而使混凝土崩毀；依骨材

成份、性質之不同，Gillott(1975)將鹼骨材反應分為三類，即鹼-氧化矽反應 (Alkali-Silica Reaction，ASR)、鹼-碳酸鹽反應(Alkali-Carbonate Reaction，

ACR)及鹼-矽酸鹽反應(Alkali-Silicate Reaction) 【14】。

鹼-氧化矽反應(ASR),係Stanton於1940年所提，是最常發生的鹼骨材反 應，其反應機理係混凝土中骨材若含有活性矽，其矽-氧鍵結，被水泥漿體 孔隙溶液中之氫氧根離子(OH^-)破壞，所分解出來之矽，再與水泥漿體中之 鹼金屬離子反應(Na⁺，K⁺)生成鹼矽膠體，此鹼矽膠體遇水會吸水而膨脹，

在混凝土內部造成膨脹內應力，至混凝土無法承受此內應力時則使混凝土 脹裂【14】，其反應式如下：

SiO₂ + 2NaOH + H₂O Na₂SiO₃•2H2O (3-5) 鹼矽膠體

SiO₂ + 2KOH + H₂O K₂SiO₃•2H2O (3-6) 鹼矽膠體

鹼-碳酸鹽反應(ACR)，係Swenson於1957年所提，對混凝土所產生之 膠凝體膨賬反應與鹼-氧化矽反應(ASR)一樣，但比鹼-氧化矽反應緩慢、持 久，惟其真正的反應機制，目前尚位完全瞭解，而鹼-矽酸鹽反應(Gillott，

1975)所產生之膠凝體膨賬反應速率非常緩慢且生成之膠凝體數量亦很微 量，對混凝土影響不大，故一般探討鹼骨材反應均以鹼-氧化矽反應為主

【14】。

經由許多實際案例之探討，我們發現鹼骨材反應確實造成混凝土膨漲 開裂，除大幅降低混凝土強度外，裂縫亦使氧與水及外界有害因子容易侵

入混凝土內部，加速混凝土鹽害、中性化、鋼筋腐蝕等反應之進形，即鹼 骨材反應的進行，會使鋼筋混凝土結構物的損傷劣化達到相乘的效應。

3-6 其他損傷狀況

3-6-1 水泥漿鬆脫(Scaling)

水泥漿鬆脫係混凝土表面水泥漿體脫落、粗骨材外露，一般係由於混 凝土表面處理不當或養生不善所致，通常發生在新澆置之混凝土，水泥漿 鬆脫情形通常不會很深，可利用修補回復原狀，惟若不加以補修，時間一 久，有害因子會入侵結構物，造成混凝土剝離脫落損傷。

3-6-2 混凝土剝離(Spalling)

剝離係混凝土呈片塊狀的脫落，脫落面積及體積比鬆脫大，主要係由 於鋼筋銹蝕或超過混凝土抗拉極限所造成，一般發生在比較老舊的混凝土 結 構 物 ， 在 發 展 成 完 全 剝 離 之 前 ， 混 凝 土 內 部 可 能 已 發 生 層 隙 現 象 (Delamination)致受到巨大外力時，混凝土呈片塊狀的脫落【15】。

3-6-3 蜂窩(Honeycombing)

蜂窩是我國早期鋼筋混凝土結構物極常見的情形，係混凝土中粗骨材 顆粒間未填滿水泥漿體，粗骨材與水泥漿體間失去連結力，主要係由於澆 置混凝土作業時漏漿或搗實不良所造成，蜂窩情形會影響混凝土強度，應 以加強修補方式補救。

3-6-4 白華或析晶(Efflorescence)

白華係因溼氣聚集在構件表面或滲透進構件內部而造成，是一般老舊 結構物老化的現象，析晶係混凝土構件出現裂縫，混凝土中氫氧化鈣溶液 滲出到構件表面【15】；通常出現白華或析晶情形時，伴隨的即是鋼筋腐蝕 的問題。

3-6-5 層隙(Delamination)

混凝土內部，可能存在有些裂紋，這些裂紋寬度及深度發展至相當程 度時，即形成層狀之不連續情形，此即層隙，另如鋼筋腐蝕，體積膨脹後 推擠混凝土，亦會在鋼筋混凝土內部造成層隙，層隙情形會使混凝土在受 到外力作用下呈片塊狀剝離【15】。

3-6-6 滲漏(Leaking)

混凝土構件表面及底面或側面出現裂縫時，若混凝土內部水密性差，即 容易提供水分路徑造成滲漏，滲漏結果，亦引起鋼筋銹蝕，使得滲漏情況更加 嚴重。

3-6-7 表面裂痕(Crazing)

表面裂痕係混凝土表面極微細的裂紋，係由於混凝土材料乾縮所造 成，通常發生在混凝土表層含水量過高，此種裂痕對混凝土結構物的安全 不會有立即的危害，僅是外觀不漂亮【15】，不過就長期而言，容易由於有 害因子的入侵造成損傷，影響鋼筋混凝土結構物的耐久性。

鋼筋混凝土結構的損傷劣化，無論係何種原因造成，其最後造成之危 害是導至鋼筋的腐蝕及裂縫的成長、擴展，因此探討鋼筋混凝土結構的損 傷劣化，主要即是針對鋼筋腐蝕及混凝土裂縫來加以檢測、分析、評估；

鋼筋腐蝕可利用量測鋼筋腐蝕電位、腐蝕電流及混凝土電阻來得知鋼筋腐 蝕情形，而混凝土裂縫問題，除檢測裂縫外，必須結合混凝土結構破裂強 度分析理論，應用混凝土破壞力學理論與應力強度因子及破裂韌性等參 數，來評估裂縫的成長及危害。

第四章 損傷鋼筋混凝土結構非破壞性檢測技術

鋼筋混凝土結構物可能由於材料自身特性或建造施工作業品質不良或 所在位址環境影響或使用不當或座落地層下陷等因素，在經過一段時間之 使用後，難免會有損傷劣化產生，這些損傷劣化現象或可能存在結構體內 部，或可能出現在結構體表面，以致結構物無法維持正常的服務功能，甚 至影響整體結構之安全性，縮短了使用年限，因此有必要對結構物進行定 期或不定期的檢測，檢測作業可經由目視或藉由儀器設備為之，儀器設備 的檢測技術有許多種，一般可分為破壞性檢測(Destructive Testing，DT)與 非破壞性檢測(Nondestructive Testing，NDT)，破壞性檢測會破壞結構元件，

事後並須予以適當之修補復原，而非破壞性檢測則除了無損結構構件外，

又可以很方便、迅速的移動來檢測結構物各測點。非破壞檢測一詞，除了 NDT，亦有稱為NDI，NDC，NDE者，雖然名稱有異，大抵來說均為非破 壞檢測的技術。

結構物混凝土之抗壓強度，一般均以場製圓柱試體在試驗室壓測求 得，惟圓柱試體與實際結構物混凝土，由於施工製程、環境(溫度、濕度) 及養護等條件皆有差異，故無法真正代表實際結構物之強度，而應用非破 壞檢測，可以對結構物作實體之偵測，從而測知混凝土之品質並藉由取得 之相關資料以推估抗壓強度【16】。

非破壞檢測技術應用在金屬材料的監控與鑑定方面，已有五十年之歷

史，無論就技術或精確度，均已相當成熟，可信度亦很高，然應用在鋼筋 混凝土結構的探傷研究，在最近十幾年才比較有進展，由於鋼筋混凝土結 構係由鋼筋、骨材、水泥、水及孔隙等所組成，在材料性質上已不若金屬 材料具均質性(Homogeneous)及等方向性(Isotropic)，且其複雜的結構幾何形 狀及波傳性質(如頻散、能量衰減等)，均使得檢測結果有極大的誤差；最近 幾年，檢測儀器在靈敏度及精密度方面大幅提昇，此鋼筋混凝土結構的無 損探傷技術方漸漸應用在新建或老舊結構物的監控與鑑定【17】。

各種非破壞檢測技術各有其適用範圍，詳如表4【13】，在對鋼筋混凝 土結構進行檢測，我們較在意的是結構物的強度評估及結構物的瑕疵(裂 縫、孔隙)與完整性偵測，評估結構物強度的非破壞性檢測方法有場製圓柱 試體壓測抗壓強度、反彈鎚試驗法(Rebound Hammer Testing)、應力波波速 量測法(Stress Wave Measurement Method)(敲擊回音法、超音波波速法)、雷 達試驗法( Radar Testing Method)(透地雷達試驗法)、鋼筋腐蝕檢測法、應力 量測法 (Stress Mesurement)(反射式光彈法 )、 輻射線照相法 (Radiography Method)、 紅外線熱感應法 (Infrared Thermographic techniques)、 聲 射 法 (Acoustic Emission Method)等，本研究僅就較常用的反彈鎚試驗法、超音波 波 速 法 (Ultrasonic Pulse Velocity Method) 、 透 地 雷 達 試 驗 法 (Ground Penetrating Radar Testing Method)、鋼筋腐蝕檢測法、敲擊回音法(Impact Echo Method)、 輻 射 線 照 相 法 (Radiography Method) 及 反 射 式 光 彈 法 (Reflection Photoelasticity)作介紹。

4-1 反彈鎚試驗法(Rebound Hammer Testing)

反彈鎚試驗法又稱為施密特鎚試驗法(Schmidt Hammer)，係由瑞士工 程師Ernst Schmidt於1948年所研發，主要是利用反彈鎚衝擊混凝土表面得到 之反彈數得知混凝土表面硬度，並進而估算混凝土強度。

反彈鎚以固定的動能衝擊混凝土表面，大部分能量在衝擊混凝土表面 時被吸收並使混凝土產生變形，少部分能量則轉變為反彈鎚反彈動能，並 在反彈儀上顯示出反彈值，反彈值即為反彈鎚衝擊過程中能量損失之反應 值。

由於混凝土的抗壓強度與其表面硬度存在有一定的關係，利用反彈鎚 多次試驗所得之線性反彈值來反應混凝土表面硬度，再利用混凝土的抗壓 強度與其表面硬度存在之函數關係，應可估算混凝土強度。

惟由於混凝土是水泥、水、粗細骨材及附加? 料所組成複雜且非均質 之彈塑性材料，受限於混凝土材料表面情況、粗骨材軟硬度、混凝土配比、

混凝土齡期及反彈鎚衝擊角度等影響，且反彈鎚法有效之反應混凝土表面 深度，約只有30mm，無法反應混凝土內部較深之部分，因此應用簡單的施 密特鎚來量測其表面硬度或估算其強度，難免會有誤差，依據ASTM C805 或CNS 10732規範進行的反彈鎚試驗，所測得的抗壓強度與鑽心抗壓強度比 較，約有20%之誤差【18】，因此反彈鎚試驗，一般均僅作混凝土強度參考 用，惟由於反彈鎚試驗係非破壞性試驗，且操作簡單、快速、花費便宜並

可對同一結構物位置反復施測，故一般工程單位均用來對品質有疑慮之結 構物作初步之檢驗；若能搭配下一節所介紹的超音波波速法來作檢測，應 可提高精準度。

4-2 超音波波速法(Ultrasonic Pulse Velocity Method)

超音波波速法係利用發射器發出電能，藉由轉換器(Transducer)轉換成 機械能，使壓電探頭產生壓縮振盪發出超音波脈衝(Pulse)傳入檢測體，若檢 測體密度不同，超音波脈衝通過時會產生不同之訊號，由波傳之歷時及振 幅大小的變化，來測定P波通過檢測體的波速及檢測體內部瑕疵的位置

【13】。

一般而言，超音波所傳送之應力波波頻較高(約0.5MHz~25MHz，常用 者為1MHz~5MHz)，只要音波能量能完全穿透檢測體厚度，則不論待檢物 體是金屬或非金屬皆可檢測，此項特點，使得超音波檢測在非破壞檢測方 法中之應用更為廣泛，對於各種不同材料，超音波波頻之適用範圍，如表 4-2所示。

由於混凝土材料的異質性(Heterogeneous)，在檢測上，高頻波雖然可獲 得較高的解析度，但是高頻波波頻容易散射、能量衰減大，波傳距離短，

使得可偵測的深度受限，近來雖然有使用較低頻探頭超音波，惟低頻則造 成解析度不足，使得超音波檢測技術在對混凝土材料作檢測方面，無法獲

得令人較滿意之測試結果【17】。

若混凝土的骨材配比及水灰比等特性控制在一定條件下，其產生之P 波波速與混凝土強度間則存有一定的關係，其關係乃基於高密度混凝土具 有高強度，密度降低的結果，P波波速與混凝土強度均降低【12】，基本上Cp²

? E ? fc ，( Cp：P波波速，E：彈性模數，fc：混凝土抗壓強度) ， 故由波速來推估混凝土強度，應屬可行。依據吳政忠教授與方金壽先生等 人所完成之研究，將發射波源與接收器均置於檢測體同一側，則量測R波波 速，並配合量測P波波速，可準確測定現場混凝土結構之彈性模數E與剪力 模數G(或卜松比ν)【20】。其可應用之相關方程式如下：

ρ

λ G

Cp = + 2

ρ ν ν

ν ) 2 1 )(

1 (

) 1 (

− +

= E −

(4-1)

ρ Cs = G

ρ ν ) 1

(

2 +

= E

(4-2)

ν ν

+

= +

1

) 12 . 1 87 . 0 (

CR (4-3)

ν ν 2 1

) 1

( 2

−

= − Cs

Cp (4-4)

式中：

Cp：P波波速(P-wave Velocity)

：S波波速(S-wave Velocity)

CR：R波波速(R-wave Velocity)

λ = (1 ν )(1 2ν ) ν

− +

E λ：拉梅常數(Lame

′

G =

) 1

(

2 + ν

E G：剪力模數(Shearing Modulus) (4-6)

ρ：密度，單位體積質量(Mass Density) ν：卜松比(Poissn′s Ratio)

ex. ν(concrete) = 0.25

⇒

Cp

目前常用之超音波檢測技術有1.脈波反射法(Pulse-Echo)， 2.穿透法 (Transmission)，3.共振法(Resonance)【13】。

1.脈 波 反 射 法 (Pulse-Echo)

由探頭向檢測體發射超音波，音波到達檢測體底面後反射回來，再由接收 探頭接收，顯示於陰極射線管上(CRT)，藉波傳歷時及銀幕上的回波影像 來判定瑕疵位置、大小。

2.穿 射 法 (Transmission)

由探頭向檢測體發射超音波，依據波速之變化及由瑕疵面散射所發生之變 化來偵測瑕疵的位置，依探頭設置位置不同，又分為(1)直接穿射法，(2) 半直接穿射法，(3)表面檢查法。

(1)直 接 穿 射 法

係將發射探頭和接收探頭設置在檢測體相對兩表面，此法靈敏度高，

適用於厚度較大，且兩表面皆易放置探頭的檢測體，如圖4-2-1。

(2)半 直 接 穿 射 法

無法在檢測體相對兩表面設置發射探頭和接收探頭時，可將發射探頭 和接收探頭分別設置在檢測體兩垂直面，惟此法僅能測得檢測體表面 強度，無法測得太深層的強度，兩探頭位置不得相距太遠，如圖4-2-2。

(3)表 面 檢 查 法

僅能在檢測體一側安放探頭的情形，由探頭發射之P波以一角度入射，

並轉換成表面波(R波)，R波僅能在檢測體表面傳播，其能量會隨著深 度的增加而衰減，故受檢測體的深度不得大於一個波長，如圖4-2-3。

3.共 振 法 (Resonance)

係利用可調頻率之超音波探頭作用檢測體，使檢測體受激盪而產生振動，

當檢測體之振動頻率等於發射探頭之頻率時會產生共振現象，振動使探頭 能量增加，並由儀器顯示出來，藉此偵測檢測體性質及瑕疵，由量測共振 頻率可測定檢測體厚度，檢測體厚度為半波長的整數倍。

4-3 透地雷達試驗法(Ground Penetrating Radar Testing Method)

透地雷達(Ground Penetrating Radar)簡稱GPR，係利用發射天線將高 頻、歷時為幾十億分之一秒(ns)之雷達波(10~2000MHz)入射結構體內部，此 高頻雷達波以一定速度穿透結構體內部，遇上不同介質時，會產生反射波，

以接收天線來接收反射訊號，經紀錄、資料處理後，即可由接收天線接收 到雷達波到達的時間來推算結構體內部不同介質之位置，並可藉由移動發 射及接收天線，來偵測結構體內部不同介質之平面位置【21】。

透地雷達試驗法與超音波波速法及敲擊回音法相似，主要的不同，在 於係以電磁波取代應力波，雷達波為一短歷時的電磁波，故可快速的對大 面積構件(如橋面版)作內部檢測，其電磁波之反射，係利用不同的介質，則 介電常數會有差異的特性，利用介電常數的差異來偵測異介質之深度，尤 其是金屬與非金屬的介面差【17】，因此適合利用來檢測混凝土內鋼筋的位 置。

混凝土內部雷達波波速 ，可以下式表示：

k

V = C (4-7)

式中：

C：真空中雷達波波速 (3×10⁸m/s)

k：混凝土之介電常數 (6~11)

混凝土內部不同介質反射之距離D，可由接收天線接收到雷達波到達的時 間T 來推算：

VT D 2

=1 (4-8)

透地雷達試驗法，可分發射天線與接收天線間距為固定式之反射法及 可移動式之同深點法，如圖4-3示意圖所示，其儀器特性及價格各不相同，

但現場施測基本方式大致相同【21】【22】。

4-4 鋼筋腐蝕檢測法

鋼筋腐蝕檢測可藉由鋼筋腐蝕電位的量測、腐蝕電流或混凝土電阻的 測量來進行偵測，ASTM C876-91規定量測鋼筋腐蝕電位之方法為使用一個 高輸入阻抗的電位計，一端接一參考電極(如Cu/CuSO4)，另一端接鋼筋，即 可測量鋼筋之腐蝕電位，依據 ASTM C876建議，當鋼筋之腐蝕電位低於 -350mv(Cu/CuSO4)時，發生腐蝕之機率為 90%，當鋼筋之腐蝕電位高於 -200mv(Cu/CuSO₄)時，發生腐蝕之機率為5%，若腐蝕電位介於兩者之間，

腐蝕電位的量測，受到混凝土品質及混凝土中氯離子含量變化的影 響，量測結果會有所誤差，且僅可得知鋼筋發生腐蝕的可能性，並不能知 道鋼筋的腐蝕速率，可以再測量鋼筋腐蝕電流及混凝土電阻予以補充。

測量混凝土電阻可以輔助腐蝕電位來判斷腐蝕速率，當鋼筋之腐蝕電 位低於-350mv(Cu/CuSO₄)時，若混凝土電阻大於12kΩ/cm，則腐蝕速率很 小，若混凝土電阻小於5kΩ/cm，則腐蝕速率會很大【25】。

測量混凝土電阻為使用兩個硫酸銅參考電極及兩個金屬電極，電流由 兩端金屬電極流至中間兩個硫酸銅參考電極，藉由量測通過兩端金屬電極 之電流及中間兩個硫酸銅電極之電壓降，以下面理論公式可推算電阻係數

ρ，由電阻係數ρ可判斷與腐蝕速率的關係：

i E a /

2 ∆

= π

ρ

式中：

ρ：電阻係數

a：中間兩極間的距離

∆E：中間兩極的電位差

i：通過兩端金屬電極之電流

測量混凝土電阻時，易受混凝土乾濕影響，所測得之電阻變異性較大，

準確度較差。

量測鋼筋腐蝕電流，即是量測鋼筋腐蝕電化學反應速度，有以下兩種 方式，直流線性極化法、交流阻抗法。

直流線性極化法係利用活性極化原理來量測腐蝕電流，利用三個電極 (工作電極、參考電極和輔助電極)來求得極化圖之斜率；對系統外加一微小 過電壓(小於10mv)，所得電流與電壓則成一線性關係，此線性斜率，稱之 為極化阻抗，即是塔佛斜率(Tafle Slope)，如下式：

i R_P E

∆

= ∆ (4-10)

式中：

RP：極化阻抗

∆E：過電壓

∆i：電流

將極化阻抗值代入Stern-Geary方程式，可求腐蝕電流密度 icorr 【25】，

P b

a b a

corr R

B i

i E =

∆

×∆

= +

) (

3 .

2 β β β

β (4-11)

式中：

icorr ：腐蝕電流密度

βa：陽極塔佛斜率

βb：陰極塔佛斜率

∆E：電位變化

∆i：電流

B：Stern-Geary常數(依文獻資料建議B值為26 mv)

RP：極化阻抗

D wt at nF

R_corr =i^corr × × (4-12)

式中：

Rcorr：腐蝕速率

icorr ：腐蝕電流密度

n：電荷 e⁻ 移轉數

F：法拉第常數(96500 coulomb/mole)

wt

at× ：鐵原子重(55.85 g/mole)

D：鐵密度(7.86 g/cm³)

若混凝土電阻很大時，利用直流線性極化法所求得之極化阻抗會低估 鋼筋之腐蝕速率，可利用交流阻抗法來克服，交流阻抗法係利用高頻來分 析混凝土的水化過程，而利用低頻來分析鋼筋的極化阻抗。

交流阻抗法係利用等效電路的觀念，藉由輸入一微小的交流訊號，從 複雜的反應過程中得到金屬表面的阻抗值，由交流阻抗法可測得混凝土電 阻比、電解液的電阻(Rs)、電荷轉移的電阻(R_p)和電容值(C_p)，再以Nyquist Plot圖解析，直接得知電荷轉移的電阻(R_p)，即鋼筋表面鈍化層電阻(R_p)

【13】，如下式：

R

i_corr = B (4-13)

式中：

B值約為26 mv，而以Nyquist Plot圖解析得到之R_p ，並不包含電解液的電

鋼筋腐蝕情況嚴重者，對結構物的安全性及耐久性影響極大，而鋼筋 腐蝕的可能性及腐蝕速率，可藉由量測鋼筋腐蝕電位、混凝土電阻及鋼筋 腐蝕電流，以得知鋼筋腐蝕機率及腐蝕速率，而目前鋼筋的腐蝕程度，亦 是迫切須了解的，可利用透地雷達試驗法或超音波波速法等非破壞性檢測 技術來量測鋼筋有效截面積，另有關鋼筋保護層方面，由於混凝土中性化 的快慢，可決定鋼筋何時開始腐蝕，保護層厚度愈厚，中性化的時間愈長，

中性化的檢測，可以利用酚? 試劑在酸鹼環境中顏色不同[鹼性₍^紅₎ → 酸性

(^無色)]之特性，對取樣試體表面噴灑酚? 指示劑作測試，來判定中性化深度 是否已達鋼筋層【25】；而鋼筋保護層厚度的檢測，則可利用簡單的鋼筋位 置探測儀或超音波波速法、輻射線照相法、敲擊回音法或透地雷達試驗法 來偵測鋼筋埋置深度。

4-5 敲擊回音法(Impact Echo Method )

敲擊回音法起源於1980年中期，主要是依據一維應力波傳遞理論，係 在檢測體表面以機械式擊打方式，將低頻暫態應力波導入檢測體內部，此 應力波遇到檢測體內部之瑕疵或邊界時，將會被反射回到檢測體表面，造 成位移擾動訊號，即位移波形(Waveforms) ，由接收器接收到的位移波形，

利用快速傅利葉轉換(FFT)的處理，可得頻譜並在頻率領域作訊號分析；此 應力波有三種型式，即壓力波(P波)、剪力波(S波)、表面波(R波)，P波及S

波以球狀波形向檢測體內部前進，R波則沿著檢測體表面擴散出去，P波波 速最快，約為R波波速的1.79倍，S波次之，約為R波波速的1.09倍，P波到 達所引起物體質點運動的方向乃平行於波動方向，S波到達所引起物體質點 運動的方向則垂直於波動方向，而R波到達將引起物體表面質點作橢圓形運 動。P波會先到達檢測體的瑕疵部位，由位移波形可得知P波在敲擊面及反 射面間來回一趟所需要的時間【23】。

由公式：

f L= Cp

2 (4-14)

式中：

Cp：P波波速

f ：位移波波形之頻率

L：入射面或反射面之深度

有關P波波速部分，可以利用一已知深度且無瑕疵之混凝土檢測體作敲擊回 音測試求得，波速已知，則可由上式推算檢測體內部瑕疵部位深度或檢測 體厚度，反之，若檢測體內部瑕疵部位深度已知，則可以推算P波波速；至 於位移波波形之頻率大小，會受敲擊面接觸時間影響，一般來說，敲擊面 接觸時間越短，所傳送之波頻越高(波長較短)，能偵測到較小的瑕疵，較薄 的檢測體亦適用較高之波頻，而若要敲擊面接觸時間短，則敲擊面須平整；

敲擊回音法與超音波波速法，均屬藉由導入應力波至檢測體內部之波動檢 測技術，對於混凝土瑕疵位置及深度的偵測，敲擊回音法是目前最方便可

行且相當準確的非破壞檢測方式；對於緊密排筋區，束筋的排列可以提供 較大面積的折射範圍，使得經由鋼筋傳導的應力波更加明顯，因此，敲擊 回音法所能量測的鋼筋保護層厚度更深【26】。圖4-5所示為接收器所接收紀 錄到之位移波形圖例，圖例中 t 為R波在檢測體表面擴散，先到達接收器 致產生一向下位移的波形【24】。

4-6 輻射線照相法(Radiography Method)

輻射線照相法係利用放射線χ射線照射結構體，將結構體置於放射源 與底片間，則結構體內部鋼筋及缺陷或裂縫，在底片感光後會有深淺不同 的影像，藉判讀底片深淺不同影像感光程度來判定結構體內部鋼筋及缺陷 或裂縫位置，並可量測結構體厚度及鋼筋保護層。

χ射線照射結構體時，χ射線之光量子流會與結構體的原子作用，部 分χ射線會被結構體吸收，部分會散射或穿透結構體，若結構體的密度愈 高，則χ射線與結構體原子間作用愈激烈，穿透結構體部分之χ射線，會 使其後方之底片感光，藉由底片感光程度深淺影像，即可瞭解結構體內部 情形【13】。

4-7 反射式光彈法(Reflection Photoelasticity)

反射式光彈法是Mesnager氏於 1930年提出，以薄膜作為光彈貼片材 料，來進行光彈量測，利用薄膜的雙折射特性量測構件表面的應力應變。

反射式光彈法整個試驗設備，包含有光源、反射式光彈儀(圓偏光鏡、

第一片1/4波片、NBC補償器、第二片1/4波片、圓檢光鏡)、光彈貼片等，

其基本架構圖，示如圖4-7【27】。

反射式光彈法可將構件因受荷載所產生之應變，真實的反應到光彈貼 片上；將光彈貼片材料貼在構件上，構件表面可以塗上? 有金屬粉末的漆，

光源入射到雙折射材料時，可以分解為三個相互垂直分量的折射率，光彈 材料的雙折射軸在主應變方向上，也就是主應力的方向，而折射率與所承 受之應力或應變呈線性關係，即應力-光學定律【28】。

光的兩個分量之間的光程差_δ 和光所透過的材料厚度成正比，由於光 彈法中所應用的為相對折射率差，其折射率與所承受之應力關係，即對於 主應力差和主應變差，有如下式關係：

) (σ₁ σ₂

δ =Ct −

) (ε₁ ε₂

δ = Kt − (4-15)

= Nf

− ₂

1 ε

ε (4-16) 式中：

C、K：材料特性常數

t：材料厚度

σ1、σ₂：表面主應力

ε1、_ε2：表面主應變

N ：等色線條紋級次

f ：條紋常數

由公式(4-16)可得知最大剪應變γ₁₂

=Nf

γ12 (4-17) 再由虎克定律：

) 1 ² ( ^{1 2}

1 ε νε

σ ν +

= −E

(4-18a)

) 1 ² ( ^{2 1}

2 ε νε

σ ν +

= −E

(4-18b) 由(4-18a)、(4-18b)式得知：

)

1 ( ^{1 2}

2

1 ε ε

σ ν

σ −

= +

− E

(4-19a)

E Nf σ ν

σ − = +

2 1

1 (4-19b) 式中：

E：彈性楊式係數

ν：卜松比(Poissn′s ratio)

因此當荷載固定不變狀態下，凡是主應變差為零或等於f 值的整數倍數，便 會形成光強度為零之等色線條紋，即滿足ε1−ε2 = Nf (N 為整數)之點的軌 跡，會形成黑色條紋【28】。

光源進入圓偏光鏡、第一片1/4波片，以及受荷載之物體，再經由NBC 補償器、第二片1/4波片、圓檢光鏡而出，只有與圓偏光鏡軸平行的光通過，

而與圓偏光鏡軸垂直的光則會被吸收，且只有與圓檢光鏡軸平行的光可通 過，即圓偏光鏡與圓檢光鏡的軸，分別與主應力方向平行，此時，光之強 度為零，利用此一性質，可以確定在光彈貼片構件上任一點的主方向，與 主應力方向平行或垂直於指定方向之點的軌跡，可觀察到黑色條紋，稱之 為等傾線，此可提供主應力的方向【27】。

反射式光彈法所量測到之等色線與等傾線各帶狀條紋，應用數位影像 處理技術加以處理(包括分離各級次條紋及細線化後再合成)，可得等色線與 等傾線條紋全域分佈圖，由等色線條紋分佈圖，可得到最大剪應力或主應 力差分佈圖，由等傾線條紋分佈圖，可得到主應力傾角分佈圖；將所得到 之等色線與等傾線條紋全域分佈圖，利用應力數值分離理論，包括以雙變 數多項式迴歸分析預測各點之條紋級次及主應力傾角，以張奇偉與曾德雄 (1999)提出之Pascal多項式應力函數建立分析區域之Airy應力函數，再以Airy 應力函數分離出三個主應力σ_x、σ_y與τ_xy【27】。

反射式光彈法可對構件作全域的應力與應變量測，近年來數位相機與 數位影像處理技術及電腦軟體的不斷進步，使得反射式光彈法可更快速且 準確的量測出構件表面的應力分佈，配合應力分離理論，更可完整的分離 出三個主應力(σx、σ_y、τ_xy)，對於損傷結構物的應力分佈與應力集中及應 力量測方面，可提供具體而實在的影像，則在損傷結構物的鑑定與維修補 強等課題方面，應可減少爭議性並提供時效性。

第五章 損傷鋼筋混凝土結構物破裂強度分析理 論

混凝土材料之抗壓強度、降伏應力及疲勞強度等都是其強度之特性，

其雖屬高強度之材料，惟由於其材料之特性及施工製造過程中，可能存在 若干瑕疵，加上使用期間之不當荷重，都極易使其產生損傷(裂縫)等缺陷，

此損傷缺陷又易再引起環境中有害因子的入侵，使得損傷的劣化程度加 劇，並引發鋼筋腐蝕、中性化(碳化)、氯離子入侵、鹽害、鹼骨材反應等各 種劣化現象，且各種劣化現象，彼此之間互相影響、交叉反應、惡性循環，

因而降低了強度，甚至發生貫穿破壞(斷裂)，經應力分析，發現斷裂處之最 大工作應力遠低於混凝土之設計承載力，卻發生破壞，即混凝土在低應力 狀態下發生破壞，此低應力破壞即是裂縫貫穿構件。

設計混凝土結構物，除了需符合功能性需求外，最重要的應是安全性 的要求；傳統的混凝土強度理論和設計分析，均係在假設混凝土材料完好 無缺陷的狀況下作應力分析，惟材料在製造、加工、施工期間，可能存在 氣泡、孔隙、雜物或細微裂縫等瑕疵，加上使用期間之超荷重，因而產生 裂縫缺陷，致發生低應力破壞(即貫穿裂縫)是可以理解的，傳統的強度理 論與設計方法無法就此作分析，破壞力學( Fracture Machanics)乃因此應運而 生【29】，應用破壞力學來進行分析，可得到較合理及準確的解釋，而應用 破壞力學所作分析，係針對結構受力現況來作應力分析，並非針對結構原 始設計作分析。

5-1 破裂強度

傳統設計上，混凝土結構設計，一般均以達到材料的降伏應力(Yielding Stress)或極限強度(Ultimate Strength)為破壞準則(Failure Criterion)，且考慮使 用期間所產生的應力，都不致於超過材料的降伏應力或極限強度，而對於 製造、施工品質、載重及環境影響等不良因素，則以安全係數來承擔，惟 混凝土結構，若存在有裂縫缺陷，其破裂強度會隨著裂縫尺寸之加大而降 低，其破裂強度的大小，不僅與應力強度有關，而是受應力強度、結構幾 何形狀及裂縫缺陷情形的組合所影響，工程實務上之結構安全判別標準是 由裂縫所控制，因此有必要應用破壞力學的觀念作為破壞準則。

5-2 破壞力學理論

工程材料就力學性質而言，可分為兩大類，即脆性材料(Brittle Material) 與延展性材料(Ductile Material)，以破壞力學(Fracture Machanics)作應力分 析，就脆性材料與延展性材料，分別適用線彈性破壞力學(Linear Elastic Fracture Machanics ， LEFM) 與 彈 塑 性 破 壞 力 學 (Elastic Plastic Fracture Machanics，EPFM)，其中脆性材料適用線彈性破壞力學作分析，線彈性破 壞力學係假設材料在理想狀況下，僅產生線性小應變(Small Linear Strain)，

即彈性變形(Elastic Deformation)，部分有限的塑性變形在通過塑性區修正

後，仍可適用，彈塑性破壞力學則適用延展性及塑性變形(Plastic Deformation) 較大的材料【31】【32】。

混凝土材料的破壞，無明顯可目視的降伏狀況，並不會產生大的塑性 變形，鋼筋混凝土材料裂縫由於受到混凝土物性變化與不規則之細微裂縫 之影響而造成應力集中、應力重新分配等應力行為改變現象，其裂縫的擴 展受各種孔洞、骨材、鋼筋之抗拉影響，係由於其構件局部區域(Localized) 承受拉應力，且持續承受外力之故，所造成之損傷係屬於累積性之損傷 (Accumulated Damage)，即所謂疲勞性之破壞(Fatigue Failure)。

5-2-1 應力集中

有缺陷之材料，其劣化之所以加劇，多半是由於缺陷處應力集中所致，

應力集中現象會發生在1.集中載重作用點，2.構材斷面突然改變處，3.不同 材料介面處，4.材料開口處。

破壞力學基本理論係基於假定裂縫的發展行為乃由裂縫尖端附近的彈 性應力場所控制；有裂縫缺陷之構件承受外力時，應力會重新分配，在裂 縫尖端處會產生非常高之應力集中(Stress Concentration)，且超過材料的降 伏應力，使裂縫得以成長，在低應力的情形下貫穿結構體發生破壞，裂縫 尖端處之應力集中結果，在裂縫尖端處形成一小塑性區，而在尖端小塑性 區外則屬彈性區，如圖5-2-1所示，裂縫尖端所形成的小塑性區，相較於構