Transcript 鋼筋混凝土維修

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
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
改善方法
改變設計斷面
加強支撐
補強
限制載重
撓曲裂縫
剪力裂縫
劣化型態、成因與改善方法
裂縫型態 形成原因
改善方法
水分蒸發速率
收縮裂縫
配合設計
大而有規
水化放熱
則之間距
熱裂縫 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、
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
細且稍有規
則的平行版
邊，或與風
向垂直
改善方法
配合設計
塑性收縮 表面防護
提早養護
塑性收縮
沉陷裂縫
塑性收縮
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。
裂縫型態
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 形成原因
改善方法
泌水停止再抹光
細且有規
過度泌水
避免過度抹光
則之地圖
狀裂縫，
配合設計
可能裂縫 塑性收縮 表面防護
不深
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
使用低鹼水泥
粗且有規則
之地圖狀裂 鹼質與粒 避免用活性骨材
縫，有膠體 料反應
使用波蜀蘭物質
流出
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
平行版邊
或控制縫
邊緣(Ｄ─
裂縫)
改善方法
使用多孔骨
骨材吸水率
材、含水量
混凝土含氣量
過高、受凍
骨材最大粒徑
融影響
D-Cracking
劣化型態、成因與改善方法
裂縫型態 形成原因
沿鋼筋位置
之裂縫或有
銹水流出
鋼筋腐蝕
改善方法
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
配合設計
混凝土表面
硫酸鹽侵蝕 水泥種類
剝蝕
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
共振頻率法
貫入探針法
應力波法
斷裂試驗法
超音波波速檢測法
拉拔試驗法
敲擊回音法
直接拔出試驗法
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
維修材料與混凝
土底材之相容性
化學性質相容
潛
變
電化學特性相容
彈性模數
滲 透 性 相 容
斷面形狀
彈性模數 (E)
ER＜EC
ER＞EC
Ｅ ＥＣ
Ｒ
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)
維修材料 (TR)
TR＞TC
TR＜TC
混凝土底材 (TC)
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
混凝土
水
溶解
氫氧化鈣
蒸
發
碳酸鈣
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
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
水泥水化溶出離子
鹼
金
屬
離
子
循
環
Ca2+ Na+
K+
結晶不完整的矽質活性粒料
OH-
氫氧根離子破壞活性粒料-Si-O-Si-之鍵結
鈉、鉀離子 -Si-O-Si- + OH- → Si-O- + - O-Si+ H O
2
平衡負電荷
鈣離子取代鈉、鉀離子
較乾硬之鹼矽膠體
吸水
可變形之鹼矽膠體
含鈣之鹼矽膠體
產生
膨脹壓力
吸水
產生較低之膨脹壓力
可流動之鹼矽膠體
貫入孔隙、裂縫
降低膨脹壓力
地圖狀裂縫
、起泡爆裂
活性粒料之結晶構造示意圖
非活性粒料
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：
混
凝
土
性內
粒部
料存
在
反
應
活
孔
隙
溶
氧液
化中
鹼有
濃足
度夠
之
氫
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
蒐集現地使用經驗
粒料岩相分析
粒料化學法活性檢測
水泥砂漿棒膨脹試驗
相關規範
無
ASTM C295或CNS 13617
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
卜作嵐材料試驗
水泥含鹼量試驗
ASTM C1293或CSA A23.2-14A
ASTM C289或CNS 13618
ASTM C227或CNS 13619
ASTM C311、C441及C618
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
ASTM C150規定含鹼當量＜0.6%
英國BS 5328 混凝土含鹼量限制建議
粒料種類
或組合
低反應活
性粒料
中反應活
性粒料
高反應活
性粒料
混凝土總含鹼量 (Na2Oeq ㎏/m3)
低鹼水泥
中鹼水泥
(Na2Oeq≦0. (Na2Oeq≦0.
60﹪)
75﹪)
高鹼水泥
(Na2Oeq＞
0.75﹪)
無限制
無限制
≦5.0
無限制
≦3.5
≦3.0
≦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
1.0
100% R.H
0.9
0% slag replacement cement
0.8
膨
脹
量
（
﹪
）
40% slag replacement cement
0.7
60% slag replacement cement
0.6
80% slag replacement cement
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
60 120 180 240 300 360 420
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
加速移除混凝土試體內所
含之游離態Na+（K+）離子
Li+離子送入試體，以改
變混凝土性質
去除AAR要因
抑制AAR
加速鋰離子傳輸技術
(Accelerated Lithium Migration Technique, ALMT)
定電流
Power supply
＋
陽
－
Li+
OH－
OH－
K+
Na+
Ca+2
SO4－２
Ca+2
OH－
陰
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＋
陽極槽溶液
(1N LiOH)
Na＋
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
-3
90
60
非穩態階段
(×10 mole/L)
120
陰極槽濃度
150
移出完成階段
過渡階段
Na +
穩態階段
K+
Li
30
0
0
300
600
時間
900
(hours)
1200
1500
+
通電及未通電試體加速養護之膨脹增量
項目
養護齡期 (天)
通電試體
未通電試體
膨脹增加量（％）
28
90
180
-0.252 -0.141 -0.074
0.289
0.238
0. 25
Specimens Cured at 38℃ and 100% RH for 1 Year
Untreated
Sample
Cracks
RLMT
Treated
Sample
• 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
＋滲透深度32mm，濃度達203ppm，
• 通電8週，Li
文獻回顧
(實務上的應用)
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
Fe
FeO
Fe3O4
Fe2O3
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Fe(OH)3‧3 H2O
0
1
2
3
4
5
體積，（cm3）
6
7
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
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++
e++
Fe→Fe ＋2e
鋼筋的腐蝕過程-4
在有水和氧同時
O
2
++
Fe
OH H O
2
存在的部位，加
e
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：
H2O＋1/2O2＋2e-→2OH-
鋼筋的腐蝕過程-5
Fe++向陰極移動
，OH 往陽極移 Fe++
OH- O2
H2O
Fe(OH)
2
動，二者在鋼筋
e
表面結合生成氫
氧化鐵，再繼續
氧化形成鐵銹。
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++ ＋
2e鐵離子
傳導至陰極
Cl[FeCl]+
氯化鐵錯合物
OH-
Fe(OH)2＋ClO2、H2O
Fe2O3．nH2O
鐵銹
氯
離
子
重
覆
侵
蝕
鋼
筋
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
水溶性氯離子含
構件型式
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
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
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
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)
0.50
0.45
265
300
0.45
0.50
0.45
300
265
300
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
基
牆 梁 柱 腳
厚度
厚度
<22.5cm
>22.5cm
不直接受風雨侵蝕之面
20
25
20
40
40
40
直接受風雨侵蝕之面
鋼筋標稱直徑<16mm
鋼筋標稱直徑>16mm
40
40
50
40
50
40
50
40
50
40
50
65
65
65
75
65
75
75
75
經常與水或土壤接觸之面
混凝土直接澆置於土壤岩石上
或與腐蝕性液體接觸之面
50
75
75
與海水接觸之面
75
100
100
100 100 100
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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