鋼筋混凝土維修簡介 李釗 國立中央大學土木系

目視症狀猜原因 實驗室輔助判定 檢測程度與範圍 填縫補洞面加鋪 選擇材料看緣份 妥定程序成一半 析晶 鹼質與粒料反應 鋼筋腐蝕

混 凝 土 結 構 物 修 補 流 程 破壞症狀 狀況評估 判斷原因 選定修補材料和方法 準備規範 執行修補工作

鋼筋混凝土 劣化型態、成因與改善方法

劣化型態、成因與改善方法 裂縫型態 形成原因 改 善 方 法 改變設計斷面 加強支撐 補強 限制載重 大而不規則或與邊成特定角度或貫穿結構物 結構性裂縫 支撐不良 超載 反覆荷重 改變設計斷面 加強支撐 補強 限制載重

剪力裂縫 撓曲裂縫

劣化型態、成因與改善方法 裂縫型態 大而有規則之間距 熱裂縫 形成原因 改 善 方 法 收縮裂縫 水分蒸發速率 配合設計 水化放熱 溫度上升與改變速率

收縮裂縫 垂直長邊 平行束制方向

乾燥收縮 混凝土在乾燥的環境會持續緩慢的失水乾燥，而產生乾燥收縮的現象。 水灰比高、水泥用量多、 骨材用量少、含水量高、 　水灰比高、水泥用量多、 　骨材用量少、含水量高、 　構件尺寸大、相對濕度低、 　 乾燥時間長→→收縮量大

劣化型態、成因與改善方法 裂縫型態 形成原因 改 善 方 法 細且稍有規則的平行版邊，或與風向垂直 塑性收縮 配合設計 表面防護 提早養護

塑性收縮

沉陷裂縫

塑性收縮 裂縫型態 新拌混凝土的失水速率大於泌水速率時，固體顆粒間會產生負的毛細壓力使體積收縮的現象。多發生在大面積的混凝土施工。 較細且不深的網狀裂縫 平行版邊、平行束制方向、或垂直風向的裂縫。

塑性收縮 預防方法 針對失水過快的原因進行防護 掌握適當的粉光時機 適當的時機提前進行養護

劣化型態、成因與改善方法 裂縫型態 改 善 方 法 形成原因 細且有規則之地圖狀裂縫，可能裂縫不深 過度泌水 泌水停止再抹光 避免過度抹光 塑性收縮 配合設計 表面防護 提早養護

過度泌水 網狀塑性收縮

劣化型態、成因與改善方法 裂縫型態 形成原因 改 善 方 法 鹼質與粒料反應 使用低鹼水泥 避免用活性骨材 使用波蜀蘭物質 做好防水 粗且有規則之地圖狀裂縫，有膠體流出 鹼質與粒料反應 使用低鹼水泥 避免用活性骨材 使用波蜀蘭物質 做好防水

鹼質與粒料反應

海外版 剛性鋪面之鹼質與粒料反應 本土版

劣化型態、成因與改善方法 裂縫型態 形成原因 改 善 方 法 平行版邊或控制縫邊緣(Ｄ─裂縫) 骨材吸水率 混凝土含氣量 骨材最大粒徑 使用多孔骨材、含水量過高、受凍融影響 骨材吸水率 混凝土含氣量 骨材最大粒徑

D-Cracking

劣化型態、成因與改善方法 裂縫型態 形成原因 改 善 方 法 鋼筋腐蝕 沿鋼筋位置之裂縫或有銹水流出 適當的保護層以減少氧和水分滲入 控制氯離子含量

劣化型態、成因與改善方法 裂縫型態 形成原因 改 善 方 法 混凝土表面剝蝕 硫酸鹽侵蝕 配合設計 水泥種類 使用礦物摻料

實驗室調查 岩相分析 化學分析 物理分析

非破壞性檢驗 反彈錘法 貫入探針法 斷裂試驗法 拉拔試驗法 直接拔出試驗法 共振頻率法 應力波法 　超音波波速檢測法 　敲擊回音法 短波雷達法

非破壞性檢驗 紅外線溫度感測法 射線法 磁電法 保護層量測儀 混凝土電阻係數量測 半電池電位量 腐蝕速率測量

選擇維修材料與黏結

維修材料 – 混凝土底材 緣份、默契、同步變化 相容性

維修材料與混凝土底材的相容性 乾燥收縮 尺寸變形相容 熱膨脹 化學性質相容 維修材料與混凝土底材之相容性 潛變 電化學特性相容 彈性模數 斷面形狀 維修材料與混凝土底材之相容性 尺寸變形相容 化學性質相容 電化學特性相容 滲透性相容

彈性模數 (E) ＥＲ ＥＣ ER＜EC ER＞EC 彈性模數高 → → 變形低 承重構件：維修材料≒混凝土底材

彈性模數 (E) 非結構性維修：選用較低彈性模數維修材料，有助於減低張應力，可降低修補材料開裂與脫層現象發生的機率。

熱膨脹係數 (T) TR＞TC TR＜TC 混凝土底材 (TC) 維修材料 (TR) 維修材料收縮→開裂，膨脹→屈曲或剝落

熱膨脹係數 (T) 聚合物 → 6~14倍混凝土底材 聚合物+粒料 → 1.5~5倍混凝土底材 僅適用於溫度變化不大處 變形宜同步

乾縮行為 (S) SC≒0，SR＞0 SR SC 混凝土底材不收縮

乾縮行為 控制維修材料的乾縮行為： (1) 降低水膠（灰）比； (2) 增加粗粒料粒徑及用量； (3) 添加減縮劑（無收縮劑）； (4) 採用降低收縮的施工程序，如乾填混 　　凝土和預置粒料混凝土； (5) 適當的養護方法。

潛變 (C) CC≒0，CR＝0 CＲ CＣ

潛變 結構性維修： 維修材料的潛變宜與混凝土底材相近。 非結構性維修： 維修材料的潛變高較有利，因張力潛變可產生應力鬆弛減少發生裂縫的機會。

滲透性 混凝土內水分往表面移動，若維修材料不透氣，水分或水氣封閉在維修面，易使秥著失效。在大多數的修補，低吸水性與高水氣傳遞特性之材料是需要的。 透氣不透水

化學性質 高鹼保護鋼筋。

維修材料結合機理 互鎖作用 抗剪結合 抗剪結合機理 互鎖作用及化學結合力 抗拉結合 抗拉結合機理

增加維修材料結合性 確實清潔維修面，避免粉塵附著。 形成粗糙的維修面，增加互鎖效果。 在維修面形成開放的孔隙結構。 足夠的漿體，吸附及進入孔隙系統。 施加足夠的壓力，以密切結合。

版塊部份深維修

版塊部份深維修

版塊部份深維修

析晶現象 水 蒸發 溶解 氫氧化鈣 碳酸鈣 混凝土 CO2＋Ca(OH)2→ CaCO3＋ H2O

析晶現象改善對策 降低混凝土滲透性，減少裂縫 防止水分滲入或滲出 稀鹽酸與清水清洗 CaCO3 + HCl→CaCl2 + CO2

(Alkali-Aggregate Reaction) 鹼質與粒料反應 (Alkali-Aggregate Reaction) 簡介及其檢測與維修

粒料中含有鹼反應活性的矽質成分，在混凝中受氫氧根離子侵蝕後，結合鈉、鉀鹼金屬離子，形成鹼矽膠體，在吸水膨脹後使混凝土生成地圖狀的裂縫。

症狀： Quebec City, QC, Canada

無筋或少筋混凝土：地圖狀裂縫

承重構件：平行主應力 (主鋼筋) 的裂縫

AAR 大陸版 平行主應力方向之裂縫

AAR內部症狀

鹼質與粒料反應之機理與過程

活性粒料之結晶構造示意圖 活性粒料 非活性粒料

鹼質與粒料反應的影響因素 AAR所需持續進行有三個要素： 孔隙溶液中有足夠之氫氧化鹼濃度 混凝土內部存在反應活性粒料 足夠的濕度

混凝土鹼質與粒料反應 的預防方法

發生鹼質與粒料反應的條件 活性粒料 (最重要) 高鹼水泥 水分

檢測活性粒料、高鹼水泥 檢測方法 相關規範 蒐集現地使用經驗 無 粒料岩相分析 粒料化學法活性檢測 水泥砂漿棒膨脹試驗 混凝土角柱試驗 ASTM C295或CNS 13617 粒料化學法活性檢測 ASTM C289或CNS 13618 水泥砂漿棒膨脹試驗 ASTM C227或CNS 13619 加速水泥砂漿棒膨脹試驗 ASTM C1260或CSA A23.2-25A 混凝土角柱試驗 ASTM C1293或CSA A23.2-14A 卜作嵐材料試驗 ASTM C311、C441及C618 水泥含鹼量試驗 ASTM C114或CNS 1078

控制混凝土中的含鹼量 水泥含鹼當量 Na2Oeq %＝ Na2O% ＋ 0.658 K2O% Na2O和K2O依ASTM C114檢測

英國BS 5328 混凝土含鹼量限制建議 粒料種類或組合 混凝土總含鹼量 (Na2Oeq ㎏/m3) 低鹼水泥 (Na2Oeq≦0.60﹪) 中鹼水泥 (Na2Oeq≦0.75﹪) 高鹼水泥 (Na2Oeq＞0.75﹪) 低反應活性粒料 無限制 ≦5.0 中反應活性粒料 ≦3.5 ≦3.0 高反應活性粒料 ≦2.5

使用卜作嵐材料 依據規範： 　　ASTM C311 　　ASTM C441 　　ASTM C618

水淬爐石粉抑制成效情形 膨脹量（﹪） 時間（天）

使用化學摻料 鋰化合物 鋰／鈉莫耳比＞0.6 添加不足會惡化 建議鋰化合物添加量，鋰/鈉莫耳比＞1 鋰化合物亦可與飛灰共同使用

維修策略 發生鹼質與粒料反應的條件 高鹼水泥 活性粒料 水分

維修策略 防止水分侵入 改變反應膠體產物性質 束制或補強 置換

改變反應膠體產物性質： 噴洒、灌注、浸泡鋰化合物 電化學技術 Li+離子送入試體，以改 變混凝土性質 加速移除混凝土試體內所 含之游離態Na+（K+）離子 去除AAR要因 Li+離子送入試體，以改 變混凝土性質 抑制AAR

(Accelerated Lithium Migration Technique, ALMT) 加速鋰離子傳輸技術 (Accelerated Lithium Migration Technique, ALMT) ＋ － 定電流 Power supply OH－ K+ Na+ Ca+2 SO4－２ Li+ 陽 陰

(Accelerated Lithium Migration Technique, ALMT) 加速鋰離子傳輸技術 (Accelerated Lithium Migration Technique, ALMT) 原理： Na＋ Li＋ Li＋ Na＋ K＋ Li＋ Li＋ Na＋ K＋ Li＋ Li＋ Ca2＋ Ca2＋ Na＋ 陽極槽溶液(1N LiOH) 降低含鹼量 提高Li/Na莫耳比 陰極槽溶液 (飽和 Ca(OH)2) 抑制 ASR 之原理

陰極槽陽離子濃度變化 穩定移出階段 移出完成階段 150 Na 過渡階段 穩態階段 K 120 非穩態階段 mole/L) Li 90 + 過渡階段 穩態階段 K + 120 非穩態階段 mole/L) Li + -3 90 (×10 60 陰極槽濃度 30 300 600 900 1200 1500 時間 (hours)

通電及未通電試體加速養護之膨脹增量 項 目 膨脹增加量（％） 養護齡期 (天) 28 90 180 通電試體 -0.252 -0.141 -0.074 未通電試體 0.289 0.238 0. 25

Specimens Cured at 38℃ and 100% RH for 1 Year RLMT Treated Sample Untreated Sample Cracks

2006 FHWA聯邦公路局 87

文獻回顧(實務上的應用) FHWA聯邦公路局 88

文獻回顧(實務上的應用) 通電8週，Li＋滲透深度32mm，濃度達203ppm，理論上足以減少ASR之膨脹。 纖維布 塑膠膜 鈦網 鋰溶液循環利用 89

鋼筋腐蝕

鋼筋腐蝕 易生腐蝕的部位 產生裂縫的張力區 水氣易聚集或積水的部位 其他原因產生裂縫或保護層厚度不足的區域

鋼筋腐蝕 在混凝土內之高鹼性環境(pH＝12～13)，鋼筋表面會生成鈍態之氧化鐵保護膜，不會腐蝕 鹼性來源：氫氧化鈣、鈉、鉀 γ-Fe2O3 : 鈍態、緊緊包裹在鋼筋表面

不同氧化程度鐵鏽的體積變化 體積，（cm3） Fe FeO 1 2 3 4 5 6 7 Fe3O4 Fe2O3 Fe(OH)2 Fe(OH)3‧3 H2O 1 2 3 4 5 6 7 體積，（cm3）

鋼筋的腐蝕過程-1 在鹼性環境下，鋼筋表面生成鈍態的氧化鐵保護膜，鋼筋受到保護不會腐蝕。

鋼筋的腐蝕過程-2 當混凝土鹼度降低或有氯離子存在時，鈍態氧化鐵保護膜會被破壞，鋼筋開始腐蝕。

鋼筋的腐蝕過程-3 Fe++ e- 自鋼筋放出鐵離子，同時產生電子在鋼筋內部游動，形成陽極反應： Fe→Fe++＋2e-

鋼筋的腐蝕過程-4 在有水和氧同時存在的部位，加上經鋼筋傳導過來的電子，反應生成氫氧根離子 ，形成陰極反應： O2 H2O Fe++ OH- e- H2O＋1/2O2＋2e-→2OH-

鋼筋的腐蝕過程-5 Fe++向陰極移動 ，OH-往陽極移動，二者在鋼筋表面結合生成氫氧化鐵，再繼續氧化形成鐵銹。 H2O Fe++ OH- Fe(OH)2 e- Fe＋H2O＋O2→Fe(OH)2

混凝土對鋼筋保護的有利因素 提供鹼性環境使鋼筋表面產生鈍態保護膜 低滲透性，阻隔氧或水

混凝土對鋼筋防蝕不利的因素 混凝土易產生裂縫 氯離子 (內在或外來) [Cl-]/[OH-]＞0.6會腐蝕 混凝土劣化 (耐久性問題) 混凝土中性化

鋼筋腐蝕的條件 混凝土產生裂縫、保護層不足，導致鋼筋表面之混凝土中性化，破壞γ-Fe2O3保護膜。→形成陽極 水和氧同時存在→形成陰極

氯離子腐蝕鋼筋

氯離子侵蝕鋼筋的機理和過程 Fe 鐵 Fe++ 鐵離子 2e- 傳導至陰極 ＋ 氯離子重覆侵蝕鋼筋 Cl- [FeCl]+ 氯化鐵錯合物 OH- Fe(OH)2＋Cl- O2、H2O Fe2O3．nH2O 鐵銹

氯離子濃度與pH值對混凝土中鋼筋腐蝕的影響 [Cl-]/[OH-]＞0.6 即使混凝土的pH值大於11.5， 鈍態的氧化鐵保護膜會受到破壞，使鋼筋易於腐蝕。

防止鋼筋腐蝕之對策 控制氯離子含量 　(細粒料、拌合水、新拌混凝土) 適當的混凝土配合設計 　(材料、水灰比等)

CNS 1240 細粒料中水溶性氯離子含量限制 細粒料使用對象 最大值(質量%)* (1)預力混凝土 (2)其它混凝土 0.012 0.024 新拌混凝土中之水溶性氯離子含量限制 構 件 型 式 水溶性氯離子含量最大值 (kg/m3) (1) 預力混凝土 (2) 鋼筋混凝土 0.15 0.3

CNS 12891對不同暴露環境條件混凝土最高水灰比之規定 暴露條件 常重混凝土 最大水灰比 輕質骨材混凝土最低設計強度(kg/cm2) 混凝土須考慮水密性 a.暴露於清水 b.暴露於海水或含鹽分之水   0.50 0.45 265 300 混凝土在潮溼環境下受凍融循環 a.緣石、護欄或薄構件 b.其他構件 c.使用去冰鹽 混凝土暴露於去冰鹽、海水、鹽水或其他濺沫中須防止鋼筋腐蝕 0.40 335

防止鋼筋腐蝕之對策 足夠的保護層

CNS 3035鋼筋混凝土建築設計規範對保護層厚度的要求 說 明 版 牆 梁 柱 基腳 厚度<22.5cm 厚度>22.5cm 不直接受風雨侵蝕之面 20 25 40 直接受風雨侵蝕之面 鋼筋標稱直徑<16mm 鋼筋標稱直徑>16mm   50 經常與水或土壤接觸之面 65 75 混凝土直接澆置於土壤岩石上或與腐蝕性液體接觸之面 與海水接觸之面 100 註：鋼筋之保護層厚度至少須等於鋼筋直徑，並不得小於粗粒料最大尺寸之1倍半。鋼筋混凝土版不在此限。(單位：mm)

保護層控制

防止鋼筋腐蝕之對策 良好的施工 (混凝土拌合均勻、控制運送和澆置時間、避免產生冷接縫、不可任意加水、確實搗實混凝土、避免產生析離的現象、注意表面排水、落實養護工作等)

結語 預防最重要 最好的維修就是不需要維修

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感恩