結構混凝土鑽心強度尺寸效應的問題 !

湛淵源 技師

技師報第714期第2版，陳正平技師的大作「談混凝土鑽心取樣試體直徑之最小容許值」一文，仔細拜讀之後，深有同感，想借技師報一個角落，抒發一些淺見，藉以分享諸位技師賢達讀者。

一般而言，結構混凝土要做鑽心取樣，不外乎對現場混凝土品質有疑慮時，或作為其他用途(如中性化試驗等)，而必須委託專業人員，到現場勘查、調閱相關文件、爾後擬定評估施作計畫、並至現場採樣及量測、送至試驗室進行試驗，最後作成綜合分析，綜整結論及建議，以作為後續處理或追蹤等程序之參考。這種工作是相當具專業性的，由專業技師團體，或具專門技術的單位或學術機構，才能從容應付自如。

文中提及，依據94年5月17日修訂之CNS 1238混凝土試體尺寸之規定；及土木402-94a第17.5節結混凝土鑽心試體尺寸規定，兩者對(1)承載構件之抗壓試驗最小尺直徑為94mm…；(2)非承載構件之……，抗壓試驗最小尺直徑為骨材最大粒徑的3倍，且應至少不低於粗粒料標稱最大粒徑的2倍，但不小於5公分…。以現行混凝土常使用的粒料，最大粒徑為2公分(3/4英吋)為例，可符合梁柱主筋最小間距的四分之三倍；換言之，以目前柱筋密集度設計來看，最小鑽心直徑2*3=6公分、不低於2*2=4公分、且不小於5公分的非承載構件之規定，3者綜合選擇為5公分，此直徑尺度在柱子頗難取到，更何況是柱承載構件94mm的直徑，實在是不易獲得!況且日後修補工作，更須小心謹慎處理；所以，同一處梁、柱、版、牆的澆置時間若是一致，則現場採樣時，可在選擇位置，採取全面性非破壞性試驗，諸如反彈錘(Test Hammer)及超音波(Ultrasonic Pulse Velocity)，以10~20公分的網格評估柱子的品質，加上仔細目測柱面所有缺陷，詳實紀錄，以建立柱面整體現狀的資料庫；而在梁及版的部分，也是使用網格(約10~20公分)，仍以試錘或超音波，進行全面非破壞性檢測，將結果以方格紙或以電腦適當軟體註記，畫出等反彈錘等高線，或等超音波速等高線，有了這兩種圖面，可供判斷現場結構混凝土的品質均勻性，或劣化的趨勢走向，並作為取樣位置的決定¹；至於牆的部分，也是用相同的方法取得。由非破壞性試驗值，選取中間值、約接近最高值、約接近最低值等，各取一處兩只進行鑽心試驗；同時，配合鋼筋偵測器(R-Meter)，精確標定鋼筋位置，這個動作特別的重要，因為，只有清楚標定主筋、箍筋、肋筋等的位置，才能避開鑽到鋼筋，而影響取樣的公正性及正確性，除避免有破壞結構體之虞，也可大幅提升試驗品質，並建立專業技師的專業性。

取樣時，無論是版、梁、柱、牆，工程人員咸信，由於混凝土澆置時，構件部位大部分為垂直向上，越底下的混凝土，基於壓(搗)實原理，下部較上層有重力壓密作用，強度會有較高的現象；Bungey(1989)²即指出，見圖1，顯示梁與牆不同部位，鑽心強度差異比較明顯，主要原因在於配筋密度，及構件寬度較狹窄，灌置搗實較為困難所致，這也代表著傳統混凝土，存在嚴重的粒料析離、浮(泌)水等問題，造成構件品質，上、下、前、後部位極不均勻，這也提醒技師朋友應正視此一問題，也就是說，不要只選擇構件下部，也不可只取比較好鑽的地方取樣，而是要依據混凝土品質統計學，以非破壞性為指標，隨機取樣，較具有代表性；現在，以高性能混凝土(HPC)設計、施工的案例越來越多，HPC所強調的是品質均勻性很高，而且沒有浮水、析離的現象，高雄東帝士85層大樓與台北101層金融大樓，即是兩個典範型的案例，要做鑽心的動作，任何一個部位的品質，都極為相近，鑽取時，仍依上述方法測試即可。

 圖1各種不同構件鑽心取樣位置相對強度值²

另文中提及，鑽心時，取得小試體(5cm)較大試體(10cm)，強度會較低，易受L/D的影響…；對於這一點筆者則有些看法；在混凝土施工時，假設取樣依照CNS 1230與CNS 1232的方法，但做不同尺寸的試體，包含15φ ҳ 30Η、12φ ҳ 24Η、10φ ҳ 20Η公分等試體，L/D都是2，隔天拆模，浸泡在石灰水養生，28之後進行抗壓實驗；按照工程材料的莫非定理(Murphy's Law)-失敗的途徑是無限多的及混凝土弱環原理(The Weak Link)，因混凝土為多相性材料，即存在很多的界面，而這些都是弱點，都有可能造成破壞，體積越大，所碰到弱環的機率會越大，材料強度則會越低，因此，抗壓強度以直徑10φ> 12φ> 15φ；以高性能混凝土為例，10φ強度比15φ高約為10-15%，而比12φ高約為5-8%；至於在鑽心強度方面，以表1為例，為高雄市某一個公共建築物實測的案例³，G與S各代表梁及版，在最上層(7F)混凝土澆置後56天，進行非破壞性及鑽心取樣，梁的部分，平均直徑為10公分，版為6.5公分，L/D都是介於1.9~2.0之間，一切依照CNS 1238規定辦理，抗壓試驗所得結果，見表1，比較2F-G與2F-S，顯示除2F的部分-版和梁的平均強度相似，平均為339.4與335.7 kgf/cm²；剩下的部分，都是版大於梁(以同一個樓層)，約大於6~13%，而且取樣位置，  

表1 結構混凝土梁、版鑽心強度試驗結果3

註:單位:kgf/cm²；梁:平均直徑=10.0公分；版:平均直徑=6.8公分； f'c=280 kgf/cm²。

在越高層時，則有越低的現象，只是都在設計強度之內。同一個樓層不同的構件強度有差異，推究原因為：(1)尺寸直徑不同；(2)構件位置也不同；(3)梁是水平取出，版則是垂直取出，見圖2，由於浮(泌)水路徑，鑽心方向和抗壓強度，對版較為有利，梁則較不利，鑽心部位與直徑的不同，對強度也會

(ㄧ)鑽心方向		(二)抗壓方向

               圖2不同構件取樣位置的鑽取方向、抗壓試驗和浮水路徑的關聯性

造成影響。綜合來講，對同一取樣位置、不同構件的強度仍有差異，鑽心取樣時，只要按照CNS及土木402規範執行即可；強度是RC結構物最重要的表徵，強度有疑慮或不足時，必須採取適當的措施。但鑽心取樣是一種如外科醫學的動刀手術般，非不得已，仍然是要以非破壞性檢驗為主，因此，再配合破壞性檢測，有其必要性，也能建立起如專科主治醫生般的權威。對混凝土工業而言，反彈錘試驗，可用於預鑄混凝土構件的品質均勻性評估及現場構件的品質均勻性測試作業，由於受到諸多因素影響，實際強度評估約指有30-50%的精度或更低，是一種非常不可靠的強度評估方法，但卻是一種簡易、快速、且能短期內累積大量有用數據的檢驗方法；至於，超音波法，因將音波輸入混凝土內，量測傳遞時間，可推算其波傳速度，藉以推測其品質的良窳，另外，還可以測出裂縫位置、長度和缺陷部位，是一種優良的品質檢測工具；然而，無論使用何種方法，都有遺珠之憾，建議吾輩技師或工程師們，可將非破性與破壞性檢測工具，作成必要的連結，以反彈錘-鑽心試驗、或超音波-鑽心試驗，統計作成迴歸分析，建立起完整混凝土現場評估的制式方法，兩者之間約可達到75%以上的精度⁴，對現場混凝土結構體的品質，都可掌握在手中，也可樹立起優質專業的鑑定單位的形象。

參考文獻

1.黃兆龍等人(1990)。鋼筋混凝土構造品質要求與管制之研究。內政部建築研究所籌備處專題研究計畫，A09-23，國立台灣工業技術學院(現為台科大)營建系。

2.Bungey,J.H.(1989).The Testing of Concrete in Structure. Surrey University Press.

3.林草英、沈進發(1987)。高雄市政府四維路市政大樓新建工程鑑定報告。技合建字第0337號，營建建字第0115號，國立台灣工業技術學院(現為台科大)研究報告書。

4.湛淵源、黃兆龍(1995)。混凝土構造物病變診斷及維修技術。鋼筋混凝土結構物維修補強技術講習會，國立台灣工業技術(現為台科大)學院營建系。