行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫七：地震後結構體修補材料之耐久性探討
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC91-2211-E-011-059-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學營建工程系
計畫主持人： 黃兆龍
報告類型： 精簡報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢
中 華 民 國 93 年 2 月 12 日
目 錄
一、前言... 1
二、研究目的... 1
三、文獻探討... 1
3-1 地震後結構體修復補強工法探討 ... 1
3-1.1 RC 結構補強考量... 1
3-1.2 修複補強工法之種類... 1
3-1.3 修復補強材料之種類... 2
3-2 修補系統耐久性探討... 3
3-3 選擇修補材料的基本原則... 3
3-4 修補材料的劣化速率... 4
3-4.1 鋼鐵材料 ... 4
3-4.2 混凝土 ... 5
四、粘著材料與混凝土介面之實驗... 5
4-1 試體規劃與施工 ... 5
4-1.1 試體規劃 ... 5
4-1.2 試體製作 ... 6
4-2 試驗設備 ... 6
4-2.1 拉拔機 ... 6
4-2.2 模擬風雨試驗機 ... 6
4-2.3 加速老化試驗機 ... 6
4-2.4 SEM... 6
4-3 試驗方法 ... 7
4-4.1 暴露時間 ... 7
4-4.2 拉拔試驗樣本... 7
4-4 試驗結果 ... 7
五、結 論... 7
參考文獻... 8
地 震 後 結 構 體 修 補 材 料 之 耐 久 性 探 討 期 末 報 告 黃兆龍
1、湛淵源
2、郭金祥
3張淳勛
41
國立台灣科技大學營建工程系教授
2
私立華夏工商專科學校建築科副教授
3,4
國立台灣科技大學營建工程研究所博士班研究生 關鍵詞：修補材料、碳纖維、鋼鈑、混凝土、耐久性。
摘 要
本研究針對目前主要結構體常用的修復補強方式及使用材料，進行耐久性能等系列的 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，建構修補材料使用環 境相容性指標，建立修補材料耐久性補強的設計參數，供工程界參考應用。
The Durability Study of Structural Repairing Materials After Earthquake Damage Final Report
C.L.HWNG
1,Y..Y.CHANG
2,C.H.CHANG
31.Professor , Dept. of Construction Engineering , National Taiwan University of Science and Technology.
2.Associate Professor , Dept. of Architecture Engineering , Hwa Hsia College of Technology and. Commerce.
3,4.Graduate Student, Dept. of Construction Engineering , National Taiwan University of Science and Technology
ABSTRACT
Key word: repairing materials, carbon fiber, steel plate, concrete, durability
In this study, major structural repairing method and materials,. 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 environment
compatibility index of repairing materials will be set up. Finally, design criteria and durable repairing
strategy will be suggested to the construction industry.
4
一、前言
傳統混凝土結構物設計服務性能著眼於，滿足服務環境的機械性能、長期耐久性 與結構安全性，未考慮環境與使用服務交互影響所致劣化情形。惟事實上常因設計、
施工及材料等等問題，而影響到結構物的耐久性及安全性，自 921 大地震後，倒塌與 受損的建築物是最好的證明。
修復補強系統內包含基材(R.C)、修補材料、黏著材料及外包覆補強材料。基材(原 結構)因外力（地震、載重）或環境作用，致使功能受損強度降低，服務性能未如預期，
需依賴外包覆型補強材料（如鋼鈑、碳纖維或混凝土等） ，恢復及提昇原設計服務性能。
而欲發揮修補材料性能，須藉由黏著材料（如：環氧樹脂、壓克力樹脂、不飽和聚脂
樹脂或無收縮砂漿等） ，將基材與修補材料結合在一起，在受力或使用環境作用下，均
能密合無分離。
二、研究目的
本研究針對目前國內外使用最多的修復補強材料－鋼鈑、碳纖維和混凝土，與界 面黏著料－環氧樹脂等材料之工作性質與種類加以蒐集並分析、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、碳纖維、
混凝土間介面耐久性與黏著材料的老化性質，分析修補材料劣化速度，俾供評估修補 系統的參考。
三、文獻探討 3-1 地震後結構體修復補強工法探討
結構體之設計即為提供安全耐久的良好服務性能，但常因設計不當，施工不良或 是外力作用造成損壞，尤其大自然的破壞力，其中又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。
震害後受損結構體如何修補為一大課題外；再因耐震設計規範改變後許多前依舊 規範所設計興建之結構物之柱構件耐震能力不足部份，迄需加以補強使這些結構物符 合現行耐震規範，即是所謂補強(Rehabilitation)。一般而言，在選擇補強的方法時通常 要考慮以下因素：(1)結構之安全性；(2)結構使用年限；(3) 拆修結構之成本；(4)維修 保養費用；(5)新維修材料或技術之成本等，才能探討補強的成本效益。
3-1.1 RC 結構補強考量
結構物受損後，基本上有(1)修復(Repair)：恢復結構物之原有設計強度，及(2)補強(Re- habilitation)：將受損構件提升至未受損前之強度甚或超過原設計強度，兩種處理方式，惟 修復補強的材料與工法種類繁多，故在選擇修復補強工法時，應考量：(1)目的：結構安全 性。(2)方式：修復或補強。(3)修補材料的性能及規格。(4)結果：結構物使用年限要求。
3-1.2 修複補強工法之種類
針對目前工程界常用於之修復補強工法作一簡單表列如下說明：
表 3.1 現行 RC 構造物修復補強工法
工 法 名 稱 施 工 流 程
裂縫環氧樹脂灌注工法 1. 裂縫表面處理
3.封塞灌注頭基座及裂縫 5.灌注修補材料
7.表面復原處理
2. 安置灌注頭基座 4.安裝持續加壓式灌注頭 6.敲除灌注頭及其基座
鋼鈑（樑）補強工法 1. 表面處理
3.鋼鈑（樑）安裝固定 5. 以膏狀封塞劑封塞鋼鈑(樑)
四周及螺絲固定孔四周使 之固定，以防灌漿時漏漿。
7.去除灌注頭及出氣頭
2.鋼鈑（樑）裁切及鑽孔 4.安裝灌注孔及出氣孔 6.高壓低速灌注膠結材
8.鋼鈑表面處理
碳纖維補強工法 1. 面層處理 3.不平整修正
5.單向性強化纖維的粘貼 7.完工後面層保護噴漆
2.斷面復舊 4.底漆塗佈 6.養護
混凝土表面破損修補工法 1. 混凝土破損處鑿除 3.破損處保護層修復補強
2. 鋼筋除鏽及防鏽 4.表面復原處理
3-1.3 修復補強材料之種類 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。對工程而言，若能滿足(i)與原混凝土基材充分粘結；(ii)強度及耐 久性高於原混凝土基材等條件，均可作為混凝土剝落的適宜修補材料，
(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 3.2） ，對於裂縫修補方式，一般採用外加壓力的方式將修補 材料灌入裂縫中，灌注材料有水泥及樹脂類的裂縫灌注材，依修補目的不同而採不 同之灌注材料。
表 3.2 內政部營建署混凝土結構物劣化評等標準
6
2.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：工程界常用的粘結修復補強材料有(i)粘著外加貼片的環氧樹脂；(ii)粘著 植入鋼筋的化學膠結劑；(iii)粘著植入螺栓專用的化學螺栓固結劑等三類。
(2) 貼片補強材料：貼片補強設計的基本要領在使補強後複合結構達到其完全的「撓曲 強度」並保證「韌性」存在，一般常用的材料有鋼鈑、碳纖維、玻璃纖維及克維拉 纖維，適當選取貼片種類，除可達到結構最高破壞強度且增加勁度外，尚可保持韌 性破壞模態。完整貼片設計應考慮各類荷重及折減因子後，根據材料極限強度及結 構型態決定貼片層數、搭接、粘接長度及端點附近施加之錨碇或拴接的固定方式。
(i) 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 [1] 規範即可。
(ii) 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 工程的修補方法，FRP 乃由高強度纖維（如碳纖維 Carbon Fiber，玻璃纖維 Glass Fiber 或克維拉纖維 Kevlar）及樹脂（通常是環氧樹脂 Epoxy Resins）在常溫常 壓下形成。纖維排列方式為單向或雙向編織；一般土木工程，於 RC 結構物補 強作業時，FRP 往往以手工積層或預浸布積層的方式施作。
3-2 修補系統耐久性探討
混凝土結構物經診斷顯示有劣化壞現象時，為避免混凝土加速受到侵蝕或確保應有耐 久性，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」 。後「依據調查結果選擇所需修復材料的性質」及「施作程序」 ，以達耐久性修復 為目標，如圖 3.1 所示為修復的簡要流程。
圖 3.1 混凝土結構物現況評估與耐久性修復流程 3-3 選擇修補材料的基本原則
修補材料的選擇須考慮材料相容性問題，而非最強的材料，而是最適當的材料；不受
體積不穩定、化學及電化學影響產生的應力所改變，而保持原設計要求的物、化特性，電
化學性及體積穩定性等，才能獲致耐久性品質[10]。影響修補材料相容性因素頗多，其中 以相對體積變化所致問題最為重要。圖 3.2 表示可能影響耐久性修補的因素。
圖 3.2 修補材料選擇的基本考量點 3-4 修補材料的劣化速率
3-4.1 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，會產生化學或電化學反應。
在其表面的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形成各種化合腐蝕物，其中又以氧化亞鐵及氧化鐵最為常見。
碳鋼在不同環境中腐蝕速率差異頗大，表 3.3 引用一些國外的研究結果，顯示碳鋼 置於距海邊 25 公尺的海洋環境大氣中使用時，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，也須同時參考其使用環境，不同環境採用不同防蝕設計。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[16]，各種塗裝材料位於不同暴露環境的使用壽命(如表 3.4)，此因 素在修補材料使用服務年限也應列入考慮。
表 3.3 國外已發表碳鋼腐蝕速率(暴露 2 年)
腐蝕環境 地點 腐蝕速率(µ
m / yr
)海洋 Point Reyes,CA. 500 海洋 25-m(80-ft)let, Kur Beach,NC. 530 工業 Brazos River, TX. 93 一般 250-m(800-ft)let, Kur Beach, NC. 146 鄉村 Esquimalt, BC, Canada 13 工業 East Chicago 0.84
海洋 Bayonne, NJ. 77
都市 Pittsburgh, PA. 30 郊外 Middletowe, OH. 29 鄉村 State College, PA. 23 海洋 Esgrimalt, BC, Canada 13
沙漠 Phoenix, AZ. 46
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表 3.4 塗裝系統在不同環境中之平均費用比較
海洋環境 工業環境 一般環境 環境區分
塗裝系統 壽命 (年)
平均費用 (元/年)
壽命 (年)
平均費用 (元/年)
壽命 (年)
平均費用 (元/年) 無機鋅系統 5.5 54 5.5 54 7 43
環氧富鋅 5 56 3 94 6 47
環氧樹脂紅丹 5 74 4 93 6 62 環氧樹脂氧化鐵 4 90 4 90 6 60
氯化膠紅丹 2 150 3 100 4.5 67
氯化橡膠氧化鐵 3 90 3 99 5.5 54 醇酸樹脂紅丹 2 133 4 67 5.5 49 醇酸樹脂氧化鐵 2 128 3 85 5.5 47
3-4.2 混凝土
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，加上環境的多變與 隨時性，使得使用壽命無法精確描述，因此，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 法必須具備的重要條件，即加速實驗與正常使用混凝土，其變質過程具相同的反應機制。
3-4.3 複合材料
碳纖維貼片於國外已被廣泛應用於補強工作，對於材質機械性質已累積相當多的數 據 ，有待日後蒐集、分析與歸類。耐久性的測試工作主要重於母材 (matrix) 耐久性，根 據文獻報告，碳纖維經實驗加速老化實驗，使用年限可長達 30 年以上 [17] 。本研究即針 對環氧樹脂之耐久性作一探討。
四、粘著材料與混凝土介面之實驗 4-1 試體規劃與施工
4-1.1 試體規劃：本試驗以碳纖維貼片為補強材 (25cm x 25cm) ，黏貼於混凝土平板上 (60cm
x 60cm) ，如圖 4.1 所示，採用材料參數如下 [17] ：
圖 4.1 試體尺寸示意圖
強化碳素纖維 纖維重量 (g/m2) 纖維比重 設計厚度 (mm) 抗張強度 (kg/cm 寬) 設計強度 (kg/cm2) 抗張彈性率 (kg/cm 寬) 設計彈性率 (kg/cm2) 伸長率 (%)
300±20 1.82 0.165 500 以上 35,000 以上 25,000 以上
2.35∗106 1.0 以上
碳纖維 25cm x 25cm
(TYP.)
環氧樹脂底漆(Primer) 可使用時間 (min) @20℃
乾燥時間 (hr) @20℃
粘度 (cps)@20℃
型式
40 以上 10 以下 2,000 以下 標準，無溶劑 環氧樹脂(Epoxy Resin)
可使用時間 (min) @20℃
硬化時間 (hr) @20℃
粘度 (cps)@20℃
型式
抗彎強度 (kg/cm2) 抗剪強度 (kg/cm2)
40 以上 10 以下 20,000 以上 標準，無溶劑
400 以上 80 以上 混凝土平板 60 ㎝ × 60 ㎝
4-1.2 試體製作：如圖 4.2 至圖 4.9
圖 4.2 試體製作 圖 4.3 混凝土版試體
圖 4.4 試體面層打磨 圖 4.5 環氧樹脂底漆塗佈
圖 4.6 環氧樹脂面漆塗怖 圖 4.7 碳纖維貼片黏貼
圖 4.8 脫泡 圖 4.9 面層塗佈環氧樹脂
4-2 試驗設備
4-2.1 拉拔機
4-2.2 模擬風雨試驗機
4-2.3 加速老化試驗機
4-2.4 SEM
10
4-3 試驗方法
本試驗係將混凝土板試體分別置於加速老化試驗機及模擬風雨試驗機內，模擬補 強材於自然環境中，其與混凝土介面間之變化，並於特定時間時，採用拉拔器將補強 材拉起，紀錄其破壞強度，並使用 SEM 觀察其介面之微觀結構變化情形。
4-4 試驗結果
4-4.1 暴露時間 : 0 ， 500 ， 1000 ， 1500 ， 2000 ， 3000 ， 4000 小時，加速老化試驗 2000
小時相當 7-10 年， 4000 小時相當 14-20 年。
4-4.2 拉拔試驗樣本
拉力
拉拔器探頭 碳纖維貼片
混凝土
40mm
圖 4.10 拉拔試驗示意圖
4-4.3 試驗結果：如表 4.1 及圖 4.10 所示
表 4.1 拉拔試驗結果 ( 單位 : kg/cm2)
測試點 0hr 500hr 1000hr 1500hr 2000hr 4000hr 1 26.5 27 25 21.8 22 21 2 24.3 23.2 25.3 22.3 21.5 20.8 3 25.1 24.1 26.1 19.2 21 18 平均值 25.3 24.77 25.47 21.1 21.5 19.93
0 5 10 15 20 25 30
0 1000 2000 3000 4000
加速老化時間(hr)
拉拔強度(㎏/c㎡)
