臺灣博碩士論文加值系統

隨著時代進步與人口的發展，都市內可供建設的土地範圍愈來愈有限，中低樓高之傳統磚牆結構與較舊的結構設計系統，在寸土寸金的現在已不堪使用，新建築物的發展趨勢已朝高樓層、高耐久性方向前進，由於鋼筋混凝土具有價廉、耐久、施工容易，且在火災地震等天災人禍中具有保護及預警之效果，使其在現今土木工程界中廣泛地被使用。另一方面，經濟快速成長，都市集居，汽機車數量急遽增加，造成大量二氧化碳的排放，致使空氣中二氧化碳濃度偏高，使橋樑與建築物混凝土易受中性化影響而發生問題。中性化使混凝土酸鹼值降低，而在高鹼性之混凝土環境下，鋼筋鈍化層易遭破壞，再加上氯離子與水分藉由混凝土內之細小裂縫穿過保護層到達鋼筋表面，造成鋼筋腐蝕。
混凝土中性化是近年來常見的一個議題，尤其是對結構物耐久性要求很高的現在，減少結構物的破損與毀壞就可以避免花費更多的金錢在修補與建設上。但混凝土中性化與鋼筋腐蝕類似，都是一個緩慢且不可逆轉的過程，若混凝土中性化確實對其內部的鋼筋會造成腐蝕的可能，減少結構物的使用年限，應做適當的處理以避免此現象發生。
本研究主要探討混凝土中性化對鋼筋腐蝕之行為，故將實驗分成有無中性化部份進行試驗分析，透過添加不同的卜作嵐材料量，比較混凝土抗中性化的能力，利用高壓與高濃度二氧化碳，使混凝土中性化的過程縮短，。並將混凝土試體放置於複合式鹽霧耐久性試驗設備中，比較中性化的影響對抵抗外界氯離子入侵是否有直接的影響。判斷混凝土中鋼筋的狀況是使用美國James儀器公司製作的 Gecor 8 腐蝕電流儀進行試驗，量測出鋼筋的腐蝕電流密度、腐蝕電位與混凝土電阻係數，做為鋼筋腐蝕趨勢程度的一直接指標。並對混凝土試體進行強度試驗、快速氯離子試驗、氯離子滲透試驗及酸鹼滴定試驗，以做為混凝土對鋼筋保護程度之參考。
混凝土皆在養護28天之後才進行後續試驗。有經過中性化試驗處理之混凝土試體，劈裂後斷面噴灑酚鈦在表層至5mm平均深度為不變色，在本研究中才稱為中性化；一旦試體達到中性化後，所有試驗試體皆放入鹽霧室中，承受氯鹽入侵與惡劣環境之影響。實驗流程圖如下所示。

由於混凝土內部鋼筋的腐蝕趨勢很大部分取決於混凝土對鋼筋的保護程度，故了解混凝土中性化前後性質的改變，以及混凝土後續在鹽霧耐久性設備中行為的變化，對釐清內部鋼筋腐蝕趨勢提升或降低的原因是必不可少的。以下是混凝土經過各種試驗後所得到的結果：
（1） 混凝土抗壓強度：50%爐石粉取代率的組別在未受中性化影響時明顯有較高的抗壓強度外，混凝土添加25%爐石粉取代率的混凝土試體與純水泥混凝土抗壓強度是較相近的，也就是對本試驗中所添加的爐石粉性質而言，25%爐石粉取代率是一個較低的取代量。此現象也可從受中性化影響的混凝土抗壓強度成長趨勢佐證：50%爐石粉取代率之抗壓強度成長趨勢較為明顯，而在25%的取代量中則較緩。添加爐石粉確實對提高混凝土抗壓強度有正向的效果，但是添加率愈高，愈容易受中性化影響而使得早期強度降低。
（2） 快速氯離子試驗：未受中性化影響的混凝土試體，其累積電流通過量明顯的與爐石粉取代率有關，且混凝土電阻係數會隨著齡期成長提高；對中性化的混凝土試體而言，50%的爐石粉取代率反而會造成其累積電流通過量上升，降低其電阻係數，但其累積電流通過量仍然位於一個很低的範圍之內。可從本試驗的實驗數據中發現，經過加速中性化試驗的混凝土試體，其累積電流通過量會隨著放入鹽霧室中的時間而上升，其上升的速度與爐石粉取代率成正相關，由此可推論出混凝土受中性化影響後，爐石粉取代率愈高，則外界的氯鹽愈容易入侵至混凝土孔隙中。
（3） 混凝土酸鹼值滴定：部分組別混凝土有添加爐石粉，其酸鹼值會隨著爐石粉添加率下降之外，受中性化影響時也會與爐石粉添加率成正相關而被中性化影響的愈劇烈，可推論出其水化反應與卜作嵐反應會進行的愈不完全，混凝土在抵抗外界氯離子入侵的能力會愈低。
（4） 混凝土氯離子入侵：純水泥混凝土與25%爐石粉取代率之混凝土，在經中性化處理後對抗氯離子入侵的能力有提升效果；但在50%爐石粉取代率之混凝土時，在這種添加率之下中性化明顯在對混凝土抗氯離子入侵能力是有害的，且此現象會隨著在鹽霧室內的時間增加而更加明顯。也就是爐石粉取代率愈高，混凝土在受中性化影響後抗氯離子入侵的能力會隨爐石粉取代率的上升而下降；而未受中性化影響之混凝土，其抵抗氯離子入侵的能力會與緻密度成正相關，且緻密程度會著爐石粉添加率上升而上升。
根據以上各混凝土在鹽霧室內的行為結果，可以準確的判斷出混凝土內部鋼筋腐蝕之趨勢：
（1） 鋼筋要受到氯鹽影響而提高腐蝕趨勢需要一段不短的時間，在鋼筋真正開始腐蝕前，各種量測鋼筋腐蝕趨勢的數值變化皆不會出現明顯的改變。
（2） 混凝土未受中性化影響時，其保護內部鋼筋的能力明確的與爐石粉添加率成正相關；而當混凝土受中性化影響，且其中性化深度皆至5mm，也就是恰好達到混凝土內鋼筋的情況下，鋼筋的腐蝕趨勢明顯提高，且提高的量皆相近，並與混凝土爐石粉的取代率較無明確的關連。隨著放置鹽霧室的時間增加，腐蝕電流密度提升的速度非常的緩慢，甚至沒有上升。這解釋了鋼筋受酸鹼值的影響是非常迅速且明顯的，與混凝土所使用的材料性質無關，只與環境的酸鹼值有關。

誌謝 一
摘要 二
目錄 九
表目錄 一六
圖目錄 一八
照片目錄 二三
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究方法與內容 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 鋼筋腐蝕 4
2.1.1 鋼筋腐蝕之定義 4
2.1.2 鋼筋腐蝕之原因 4
2.1.3 電化學腐蝕 7
2.2 混凝土中鋼筋的腐蝕原因 7
2.2.1 混凝土中性化 8
2.2.1.1 混凝土中性化機理 8
2.2.1.2 混凝土中性化加速方法 9
2.2.1.3 混凝土中性化判斷方式 10
2.2.1.4 混凝土中性化對其性質的影響 11
2.2.2 混凝土中含有氯鹽 11
2.2.2.1 鋼筋受氯鹽腐蝕機理 11
2.2.2.2 混凝土中氯離子來源 13
2.2.2.3 混凝土中氯鹽含量相關規範 14
2.3 影響混凝土對鋼筋之保護程度原因 15
2.3.1卜作嵐材料的添加 15
2.3.1.1 孔隙結構 18
2.3.1.2 爐石混凝土之性質 20
2.3.1.3 爐石的成分性質 22
2.3.1.4 爐石主要水化反應機理 23
2.3.1.5 爐石對混凝土之影響 24
2.3.2 水灰比 29
2.3.3 骨材 29
2.3.4 養護溫度 30
2.4 混凝土內的鋼筋腐蝕檢測 31
2.4.1鋼筋腐蝕速率(Corrosion Rate) 31
2.4.2 腐蝕勢能(Corrosion Potential) 35
2.4.3 混凝土電阻係數(Electrical Resistance) 36
2.5 硬固混凝土酸鹼值量測 38
2.5.1 pH值基本原理 39
2.5.2 pH值量測方式 39
2.5.3 硬固混凝土酸鹼值量測方法 40
第三章 實驗計畫與試驗設備 42
3.1 實驗內容 42
3.2 基本試驗材料 43
3.3 基本試驗儀器 44
3.3.1 試體製作設備 44
3.3.2 性質試驗設備 45
3.4 混凝土拌合試驗流程 47
3.4.1 試驗材料與儀器 47
3.4.2 拌合流程 47
3.5 中性化試驗 48
3.5.1 試驗材料與設備 48
3.5.2 試驗方法 49
3.6 鹽霧加速試驗 49
3.6.1 試驗材料與設備 49
3.6.2 試驗方法 50
3.7 抗壓強度試驗 50
3.7.1 試驗材料與儀器 50
3.7.2 試驗方法 50
3.8 快速氯離子試驗 51
3.8.1 試驗材料與設備 51
3.8.2 試驗方法 52
3.9 氯離子含量滴定 53
3.9.1 試驗材料與設備 53
3.9.2 試驗方法 53
3.10 酸鹼滴定試驗 55
3.10.1 試驗材料與設備 55
3.10.2 試驗方法 55
3.11 腐蝕電流量測試驗 57
3.11.1 試驗材料與設備 57
3.11.2 試驗方法 57
第四章 結果與討論 59
4.1 混凝土抗壓強度 59
4.1.1 爐石取代量對強度之影響 59
4.1.2 中性化對混凝土抗壓強度之影響 61
4.1.3 抗壓強度小結 63
4.2 混凝土快速氯離子試驗之影響 64
4.2.1 爐石取代量對快速氯離子之影響 64
4.2.2 中性化對快速氯離子試驗之影響 65
4.2.3 快速氯離子試驗小結 66
4.3 混凝土之酸鹼值 67
4.3.1 卜作嵐材料對混凝土酸鹼值之影響 67
4.3.2 中性化對混凝土酸鹼值之影響 68
4.3.3 混凝土酸鹼值之小結 69
4.4 混凝土氯離子入侵之深度 70
4.4.1 卜作嵐材料對混凝土氯離子入侵之影響 70
4.4.2 中性化對混凝土氯鹽入侵之影響 71
4.4.3 混凝土氯離子入侵深度之小結 72
4.5 混凝土中鋼筋腐蝕趨勢 73
4.5.1 混凝土添加卜作嵐材料對鋼筋腐蝕之影響 74
4.5.2 中性化對混凝土內之鋼筋腐蝕之影響 75
4.5.3混凝土中鋼筋腐蝕趨勢之小結 76
第五章 結論與建議 77
5.1 結論 77
5.1.1 混凝土性質結論 77
5.1.2 混凝土中鋼筋腐蝕趨勢之結論 79
5.2 建議 79
參考文獻 82

表目錄
表2-1 各國對鋼筋混凝土構造物氯離子含量規定 88
表2-2 氯離子濃度相關規範 89
表2-3 卜作嵐材料之化學成分 90
表2-4 腐蝕電位對腐蝕機率的判定表 90
表2-5 腐蝕電流密度判斷表 91
表2-6 混凝土電阻係數判斷表 91
表3-1 台泥品牌第Ι型波特蘭水泥化學成份 92
表3-2 台泥品牌第Ι型波特蘭水泥物理性質 92
表3-3 粗骨材之篩分析與物理性質 93
表3-4 細骨材之篩分析與物理性質 94
表3-5 高爐石之物理與化學性質 95
表3-6 強塑劑性質表 96
表 3-7 鋼筋化學成分表 96
表3-8 拌合配比表 97
表3-9 鹽霧室循環設定 97
表4-1 試體參數編號方式 98
表4-2 抗壓強度發展 98
表4-3 累積電流通過量 99
表4-4 混凝土酸鹼值 99
表4-5 達到中性化深度所需時間 100
表4-6 0.62-0% 中性化後酸鹼值與深度關係 100
表4-7 0.62-25% 中性化後酸鹼值與深度關係 101
表4-8 0.62-50% 中性化後酸鹼值與深度關係 102
表4-9 0.62-0% 氯鹽濃度與深度 103
表4-10 0.62-25% 氯鹽深度與濃度 104
表4-11 0.62-50% 氯鹽濃度與深度關係 105
表4-12 0.62-0% 腐蝕趨勢 106
表4-13 0.62-25% 腐蝕趨勢 106
表4-14 0.62-50% 腐蝕趨勢 106



 
圖目錄
圖2-1 不同卜作嵐材料強度產生之齡期 107
圖2-2 矽灰混凝土之孔隙累積圖 107
圖2-3 混凝土添加矽灰與飛灰孔隙直徑與貫入體積圖 108
圖2-4 含矽灰與飛灰混凝土養護齡期與孔隙率關係圖 108
圖2-5 Metakaolin與爐石含量比例之最佳強度關係圖 109
圖2-6 天然卜作嵐材料與矽灰含量之強度關係圖 109
圖2-7 水泥漿體中孔隙分佈圖 110
圖2-8 水灰比對滲透性之影響 110
圖2-9 爐石之分類 111
圖2-10 高爐石生產流程示意圖 111
圖2-11 爐石粉及波特蘭高爐水泥生產流程 112
圖2-12 波特蘭水泥與爐石之三相圖 112
圖2-13 爐石粉水泥砂漿強度成長趨勢 113
圖2-14 爐石粉細度之抗壓強度成長關係圖 113
圖2-15 爐石粉細度與抗壓強度之關係圖 114
圖2-16 爐石粉取代與抗壓強度之關係圖 114
圖2-17 爐石粉取代與水泥砂漿強度之關係圖 115
圖2-18 爐石粉取代與水膠比之強度關係圖 116
圖2-19 爐石粉取代量與抗壓強度之關係 116
圖2-20 爐石粉取代對水化熱影響之關係圖 117
圖2-21 爐石粉取代對砂漿膨漲影響之關係圖 117
圖2-22 膠體數量孔隙比與強度之關係 118
圖2-23 不同水灰比新拌及硬固水泥漿體水化組成 118
圖2-24 溫度對抗壓強度的影響 119
圖2-25 單外部電極法示意圖 119
圖2-26 Wenner method 示意圖 120
圖3-1 實驗流程圖 121
圖4-1 試體在各齡期下之試驗情形 122
圖4-2 爐石取代量與強度關係 122
圖4-3 0.62-0% 抗壓強度比較 123
圖4-4 0.62-25% 抗壓強度比較 123
圖4-5 0.62-50% 抗壓強度比較 124
圖4-6 中性化抗壓強度比較 124
圖4-7 中性化抗壓強度比較 125
圖4-8 累積電流通過量與爐石粉取代率之關係 125
圖4-9 0.62-0% 累積電流通過量比較 126
圖4-10 0.62-25% 累積電流通過量比較 126
圖4-11 0.62-50% 累積電流通過量比較 127
圖4-12 累積電流通過量比較 127
圖4-13 爐石粉取代率與齡期酸鹼值之關係 128
圖4-14 0.62-0% 中性化後酸鹼值與齡期關係 128
圖4-15 0.62-25% 中性化後酸鹼值與齡期之關係 129
圖4-16 0.62-50% 中性化後酸鹼值與齡期之關係 129
圖4-17 0.62-0% 中性化達到目標時之酸鹼值比較 130
圖4-18 0.62-25%中性化達到目標時之酸鹼值比較 130
圖4-19 0.62-50%中性化達到目標時之酸鹼值比較 131
圖4-20 各組別混凝土在鹽霧室中10天氯鹽入侵情形 131
圖4-21 各組別混凝土在鹽霧室中20天氯鹽入侵情形 132
圖4-22 各組別混凝土在鹽霧室中40天氯鹽入侵情形 132
圖4-23 0.62-0% 10天與20天氯鹽入侵深度比較 133
圖4-24 0.62-25% 10天、20天與40天氯鹽入侵深度比較 132
圖4-25 0.62-50% 10天、20天與40天氯鹽入侵深度比較 134
圖4-26 混凝土中性化後鹽霧試驗10天氯鹽濃度與深度關係 134
圖4-27 混凝土中性化後鹽霧試驗20天氯鹽濃度與深度關係 135
圖4-28 混凝土中性化後鹽霧試驗40天氯鹽濃度與深度關係 135
圖4-29 0.62-0%中性化後10天與20天氯鹽入侵深度比較 136
圖4-30 0.62-25%中性化後10天、20天與40天氯鹽入侵比較 136
圖4-31 0.62-50%中性化後10天、20天與40天氯鹽入侵比較 137
圖4-32 放入鹽霧室10天0.62-0%氯鹽濃度比較 137
圖4-33 放入鹽霧室20天0.62-0%氯鹽濃度比較 138
圖4-34 放入鹽霧室10天0.62-25%氯鹽濃度比較 138
圖4-35 放入鹽霧室20天0.62-25%氯鹽濃度比較 139
圖4-36 放入鹽霧室40天0.62-25%氯鹽濃度比較 139
圖4-37 放入鹽霧室10天0.62-50%氯鹽濃度比較 140
圖4-38 放入鹽霧室20天0.62-50%氯鹽濃度比較 140
圖4-39 放入鹽霧室40天0.62-50%氯鹽濃度比較 141
圖4-40 不同爐石粉取代率混凝土腐蝕電流密度與時間關係 141
圖4-41 不同爐石粉取代率之混凝土其腐蝕勢能與時間關係 142
圖4-42 中性化混凝土腐蝕電流密度與時間關係 142
圖4-43 0.62-0% 鋼筋腐蝕電流密度比較 143
圖4-44 0.62-25% 鋼筋腐蝕電流密度比較 143
圖4-45 0.62-50% 鋼筋腐蝕電流密度比較 144
圖4-46 不同爐石粉取代率混凝土中性化後腐蝕勢能與時間關係 144
圖4-47 0.62-0% 中性化後鋼筋腐蝕勢能比較 145
圖4-48 0.62-25% 中性化後鋼筋腐蝕勢能比較 145
圖4-49 0.62-50% 中性化後鋼筋腐蝕勢能比較 146

照片目錄
照片3-1 水平雙軸式拌合機 147
照片3-2 恆溫恆濕室 147
照片3-3 MTS 萬能材料試驗機 148
照片3-4 圓柱試體端面研磨機 148
照片3-5 試體斷面切割機 149
照片3-6 自動電位滴定儀 149
照片3-7 pH測定儀 150
照片3-8 電源供應器 150
照片3-9 國際牌精密鑽床 151
照片3-10 複合式鹽霧耐久性試驗設備 151
照片3-11 鋼筋腐蝕電流儀 152
照片3-12 試體放置方式 152
照片3-13 中性化加速裝置 153
照片3-14 鹽霧室內試體擺放方式 153
照片3-15 混凝土試片周圍以環氧樹脂包覆 154
照片3-16 離子入侵試驗試體處理方式 154
照片3-17 混凝土粉末取樣鑽頭 155
照片3-18 矩形試體製作模具 155

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