混凝土中性化對鋼筋腐蝕行為之影響

Abstract

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。