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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○四年四月十一日

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混凝土結構表面缺陷對策探討

 陳正平技師

前言

鋼筋混凝土結構,當施工稍有疏忽,施工品質就會出現缺陷或瑕疵,例如蜂窩、冷縫、裂縫或粒料析離等現象(見照片13),混凝土工程在拆模時就非常擔心會出現這些缺失現象,這些缺失或多或少會對混凝土的耐久性和強度造成程度不等的影響。其中,裂縫的產生大部分與受力有關,有些是施工不當(見照片3),有些是設計不當。至於混凝土的蜂窩現象則是混凝土澆置過程中在混凝土的表面粗粒料之間形成較大孔隙。一般說來,蜂窩現象的空隙較深又大,而且連成一片(見照片12)

混凝土澆置後產生瑕疵之原因,實際上並不完全是因為施工時對品質控管不確實所致,原因之一是所使用之混凝土強度提高斷面減小,以及拌合水減少之故。以往混凝土之強度較低結構尺寸較大,鋼筋比低,混凝土澆置容易,不易出現蜂窩等瑕疵。但是,隨著混凝土產製技術之提升,混凝土的強度日益提高,使結構體之斷面得以縮小;再加上耐震設計規範要求較以往嚴苛,結構構材內須放置更多圍束箍繫筋,澆置混凝土時較以往困難許多,致常出現瑕疵。使用鋼模時,也因不像木模具間隙可供混凝土中之氣體由模板間隙逸出,故使用鋼模時混凝土表面常出現氣孔。混凝土產出製造技術有所突破,混凝土強度得以提高,拌隨而來的就是混凝土越容易發生蜂窩、裂縫、麻面等可能損及結構強度及耐久性的瑕疵。這是因為能提高混凝土強度之方式及添加劑,多半會增加混凝土發生開裂的機率,且對混凝土的耐久性多半有負面影響。

 

照片施工冷縫及蜂窩現象

照片鋼筋過密產生蜂窩及粒料析離現象  
   
 
照片粒料析離及蜂窩現象    

混凝土出現瑕疵之原因

大部分的混凝土是在預拌廠先行拌合,再運送至工地現場澆置,其施工品質常受預拌廠商、工人施工水準及現場臨時狀況有關,因此應隨時注意施工細節,才能確保混凝土施工品質,避免產生缺陷或瑕疵。經濟部標準檢驗局在新頒布之CNS3090(預拌混凝土)中加入:「預拌混凝土製造商應負責至買方指定交貨地點之運輸設施(或預拌車)卸料處為止,其後之泵送、澆置、搗實、養護及保護等工作,不適用本標準」。新澆置混凝土出現瑕疵之原因大致有下列幾項主要原因如下。

1、 混凝土配比不當:配比設計可以定義為依工程之各種條件要求,對混凝土各種材料決定適當的配合比例,使能實現其經濟性和其他指定之品質性能,例如工作性、強度和耐久性等。優良之配比設計應能滿足適當的工作性、凝固後可達到設計之強度與耐久性、合理之經濟性。配比設計不當為形成蜂窩現象的主要原因之一,很多人會認為蜂窩現象僅與混凝土現場澆置之操作不當有關。其實不然,有時候混凝土的配比設計對蜂窩現象的產生也是很重要的影響因素。混凝土料粒的尺寸也會影響蜂窩現象的形成,如果使用了太大或太多的粒料,可能有些空間會沒有足夠之水泥漿體充分填滿孔隙,容易形成蜂窩現象。同樣,水及水泥含量不足,造成流動性不良,也會造成蜂窩現象。

2、 設計瑕疵:例如梁柱交接處、窗角斜向補強筋及鋼筋交會處等鋼筋綁紮較密的位置,或混凝土構材尺寸較小,受埋置物或鋼筋阻擋混凝土流動及搗實不易,容易導致混凝土澆置困難而產生蜂窩現象(見照片12)。若將斜向補強筋改為平行主筋方向,可騰出較大的空間澆灌混凝土。

3、 搗實不足,震動棒未深入並確實搗實混凝土,致混凝土中之氣泡仍存於混凝土內部及表面;大量氣泡集結則會形成蜂窩。

4、 混凝土坍度太小,不易流動。尤其水淬高爐石粉摻入過多時易生黏稠不易流動現象。

5、 混凝土洩料時高度太高造成粒料分離:不正確的混凝土澆置方式。在混凝土的澆置過程中,須避免混凝土產生析離現象。所謂析離就是混凝土的粒料與水泥砂漿的分離。它的直接後果就是導致混凝土硬化後出現內部空隙或者表面的蜂窩現象。美國混凝土協會提到混凝土的析離時認為:混凝土不產生析離的最大卸料高度與混凝土的組成成分的特性有關,一般可以把卸料高度限值定為90-120cm;在混凝土牆和柱的澆築施工時,讓混凝土自由下落的高度必須予以控制。高位卸料是最容易產生析離的,為了解決這個問題,可以在混凝土卸料過程中使用滑槽,並於滑槽末端使用擋板可避免析離。

6、 混凝土未達預定強度而提早拆模,或使用不當的拆模方法,粒料隨模板脫落或造成表層剝落。

7、 混凝土之保護層不足,鋼筋過於貼近模板,亦容易形成蜂窩現象。

8、 模板支撐發生變形漏漿等而形成蜂窩現象。

 

蜂窩現象對混凝土耐久性的影響

混凝土的耐久性係指混凝土在使用過程中抵抗老化、化學侵蝕及沖蝕的能力。換句話說,混凝土暴露在其使用環境中,須能夠保持耐久性、安全性和使用性。而蜂窩現象的存在,會從下列幾個方面對混凝土的耐久性造成損害。

1.對混凝土強度的影響:強度和耐久性是兩個不同層面,雖然它們對混凝土來說都是很重要的性能指標。混凝土的蜂窩現象,會引致混凝土強度降低,而且直接損害混凝土的耐久性。當拆下模板發現混凝土表面上有蜂窩時,我們不知道蜂窩到底伸進混凝土內部有多深,但很顯然混凝土的強度在這個區域會降低很多,因為該處混凝土不密實,也就意味著該處的構材斷面積有一定程度的減少。構材斷面積的減少就意味著構材抗剪和抗壓及抗彎等能力減小。如果蜂窩大到一定程度,就會導致構材的功能失效。從耐久性的角度來說,構件已經不易在耐用年限內達到其使用需求。

 2.鋼筋銹蝕:混凝土中的鋼筋在同時滿足以下三個條件時就會發生銹蝕。(1)在鋼筋表面存在電位差,不同電位的區段之間形成陽極和陰極。(2)陽極區段的鋼筋表面處於活化狀態,能夠發生陽極反應 (3)存在水分和溶解氧,在陰極區段就會發生陰極反應。

由於混凝土的鹼度差異,鋼筋中的碳及其它合金元素的偏析,加工引起的鋼材內部應力差異等都會引起鋼筋表面各處產生電位差。上述第一個條件總是存在的,如果外部混凝土表面有孔隙存在,則其他兩個條件也很容易產生,鋼筋就會發生銹蝕反應:水中的鐵離子和氫氧根離子結合生成氫氧化亞鐵,氫氧化亞鐵與水中氧進一步作用可以生成氫氧化鐵,部分氫氧化鐵又可以繼續氧化生銹。

另外,混凝土的強鹼性提供鋼筋表面鈍態膜,將鋼筋包裹住,隔斷水氣、氧和氯離子等直接接觸,可有效阻止銹蝕的發展。

蜂窩本身就意味著鋼筋與空氣的直接接觸,雖然鋼筋曝露在空氣中的面積可能會很少,但只要它與空氣直接接觸,銹蝕就很可能發生。因為它使得銹蝕發生的後兩個條件同時得到了滿足:蜂窩現象意味著沒有混凝土包裹住鋼筋,也就不可能產生鈍態保護膜,所以蜂窩現象常常意味著鋼筋的銹蝕。

 3.大氣有害離子容易進入:蜂窩會導致鋼筋保護層厚度的減小,使硫酸鹽、酸類、海水和氯離子等直接與鋼筋接觸。

混凝土的中性化(碳化):空氣可以經由孔隙滲入到混凝土內,空氣中的二氧化碳會和混凝土中的氫氧化鈣發生反應而生成碳酸鈣,這個過程就是混凝土的碳化。碳化的後果就是會降低混凝土的鹼性,pH值會從通常的12.5降到10或更低。如果混凝土保護層的碳化深度一直延伸到了鋼筋表面,鋼筋表面的鈍態膜就會被破壞,鋼筋就會很容易發生銹蝕現象。

氯離子本身並不對混凝土產生破壞,但它會破壞鋼筋表層的鈍態膜,從而導致鋼筋生銹。與混凝土的碳化現象類似,混凝土保護層越厚,則氯離子侵入的速度越慢,所以可以總結說,蜂窩現象可以通過幫助氯離子等有害元素的侵入而損害鋼筋混凝土結構的耐久性。

結語                                                                                        

混凝土表面瑕疵對結構體之耐久性有相當大的影響,在施工期間對新澆置混凝土之瑕疵妥善做好修補工作,將可有效延長結構的使用年限,並節省日後龐大的維修費用。混凝土施工過程應儘量避免蜂窩之發生,若拆模後混凝土表面有蜂窩,則需依程序來處理改善。鋼筋保護層厚度範圍之蜂窩,須先將表面凹凸或鬆動混凝土打除至堅實之結構面,並須將蜂窩外緣線打成接近直角之形狀,其深度至少有23公分,其邊應與表面成直角,並用高壓清水沖洗,及周圍150mm範圍內用水充份溼潤30分鐘以上,將表面之鬆動碎渣、粉塵等清洗乾淨,再用相同強度之無收縮水泥砂漿填補,以使終凝後不會有收縮裂縫發生。當修補面積及深度較大者須用無收縮混凝土修補。

  

參考資料

1.林正浚(2014)淺談混凝土蜂窩形成原因探討及改善對策。台北市土木技師公會電子報538

2.楊定良、王起平(2005)。台灣高鐵新建工程對新澆置混凝土瑕矯正/修補之相關品保/品管要求及承包商之作法。現代營建,第311

3.住宅及都市發展局(1985)施工手冊

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