☆楊定良 ☆☆黃隆茂
|
一、前言 新澆置的混凝土常因種種因素而發生蜂窩、裂縫、麻面等可能損及結構強度/耐久性的瑕疵(見圖1-1)。老舊混凝土結構常因外力撞擊，空氣、雨水中之化學物侵入導致劣化/受損，而需將劣化/受損處加以打除，再作修補以增加其耐久性；對於老舊結構，一般會先進行結構現況鑑定，就其損壞/劣化情形作分類分級，日後再視其急迫性及經濟能力打除重做，或進行塗裝(Coating)、覆面層(Topping)、面層加鋪(Overlay)等修補工作，以延長結構使用年限。一般在進行混凝土瑕疵之修補時，我們希望修補結果能夠維持20年的壽命，但美國海軍【文獻 60】發現，他們在亞熱帶海洋潮間帶(Tidal Zone)進行之混凝土修補工作，壽命只有5至7年；對於因鋼筋鏽蝕而引起之裂縫所進行之修補工作，通常在修補完1至3年後，在修補區域旁出現新的混凝土剝離現象。新澆置混凝土上之瑕疵，應趁混凝土材齡小時儘速進行修補，以使修補材料能與原有材料間發展較佳接著力，如此修補材料才能耐久，同時也讓修補材料能與原有混凝土一起進行養護，達到省時省力之目的；另一原因是基於經濟考量，一旦施工架被拆除後，要再進行修補，則需重新搭架，將導致額外花費；故新澆置之混凝土結構上之瑕疵，多於拆模後24小時內完成修補(註：視使用之修補材料而定，例如Epoxy類修補材料通常要等混凝土澆置完7天後，足夠乾燥時才能使用)。 混凝土結構修補最大之問題，在於修補結果不斷的破壞，甚至因修補不當而損傷舊有的混凝土之完整性，以致需不斷的對修補工作進行再修補。 在整個修補作業中，可能導致修補失敗的作業階段分別有： 1.材料選擇 2.舊有混凝土面之清理 3.修補材料之澆置搗實及 4.修補後之養護。 一般工程雜誌上有關混凝土修補之文獻常對其使用之特殊材料多所著墨，但對前述知其他事項則常一筆帶過。過去經驗顯示，修補結果之耐久性，主要取決於施工品質；只要選用適當種類之修補材料，使用材料之價格高低，是否取得專利，對修補系統之耐久性並無太大關聯。美國墾務局混凝土修補規範【文獻 37】歸納墾務局對其所屬之混凝土結構自20世紀初期以來九十餘年之維修經驗指出，導致修補失敗之最主要原因為進行修補前，未能適當之處理舊有混凝土面，其次是修補後對修補區域未能進行適當之養護。 美軍工兵署於1980年代起，對美軍所使用過之混凝土材料，調查修補後材料之行為及使用效果，調查結果顯示，材料之優劣與其價格及是否取得專利無甚關係，亦即價格高者材料之表現未必較價格低者佳，取得專利之特殊材料，使用效果未必優於一般材料。 根據筆者之經驗，對相同之混凝土瑕疵，以相同之材料由不同之工班修補，所得結果相差甚大；有的工班完成的修補工作，失敗比例甚低；有的工班完成的工作，失敗率甚高，常在修補完後不到數月就發生乾縮、開裂、剝落等失敗現象，且失敗率甚高常達百分之八、九十以上而須打除重做。 混凝土修補前，須對舊有之混凝土表面加以處理，這項工作關係修補材料是否可以妥善的接著到舊有混凝土上，修補後的系統是否能具耐久性，及施作過程是否會損傷舊有的混凝土之完整性。不論使用何種修補方式、材料，修補的結果的優劣，取決於修補材料所依附舊有混凝土面所能提供的接著強度。過去經驗顯示、以相同之方式處理混凝土面而後作修補工作，修補結果之耐久性，與所用修補材料之品牌及價格之關係不大，真正之決定因素，在於進行修補前，對舊有混凝土面所作之整理及清潔工作。 在進行修補前需先將舊有之劣質材料清除，在清除的過程中，如果使用打擊式之機具，則在移除完後，留下之混凝土面，難免會在打除清理過程中受到某種程度之損壞，如果不將這些受損之混凝土繼續清除，則修補材料施作後極易發生脫落現象。 為確保混凝土修補作業得以用最經濟有效之方式完成，並使修補結果獲得最佳之耐久性。近年來、國外工程機構進行了相當多之研究及試驗，並訂定有關修補作業之作業要點，本文歸納整理相關規範、工程技術刊物及工程單位所採之混凝土修補技術資料，供讀者參考。 本文主要內容包括： 1.施工前舊有混凝土面處理方式 2.施工時修補材料之澆置搗實 3.施工後修補材料之養護 4.舊有混凝土面處理機具之使用，及機具可能對現有結構造成之傷害 5.舊有混凝土面之檢測方式 6.施工品保/品管要點 二、導致修補失敗(開裂、剝落及喪失承載功能)之主要因素 美國墾務局混凝土修補規範【文獻 36】歸納墾務局對其所屬之混凝土結構九十餘年之維修經驗指出，導致修補失敗之最主要原因，乃是進行修補前未能適當之處理舊有混凝土面，其次是修補後未能進行適當之養護。以下說明導致修補失敗(開裂、剝落及喪失承載功能)之主要因素。(一)應力 修補作業完成後，在修補材料與舊有混凝土之界面間，會因外加之工作載重、新舊材料間因材料彈性係數之差異、冷熱溫差變化引起之熱應力、收縮等因素而發生應力。當這些應力大到一定程度時，就會使修補系統發生裂縫、剝落等現象。當相鄰材料間之熱膨脹係數、彈性係數等相差甚大時，外界些許的應力或溫度變化，就能使相鄰材料間發生相當大之應力而破壞。 對修補區域之周邊，應先加以打鑿處理，將修補區域作整齊方正之切割，避免斷面突然發生變化，否則容易在斷面發生突然變化之處，產生應力集中現象，使修補材料易發生開裂。 (二)舊有混凝土面強度不佳，影響新舊材料間之接著 在強度不佳之舊有混凝土面上施作修補材料，會影響新舊材料間之接著力而導致失敗。導致舊有混凝土表面強度不佳之可能原因有：未能將舊有混凝土表面上鬆動、不堅實之材料徹底移除，或是在進行移除混凝土的過程中，可能因機具打擊混凝土，而在混凝土表面下造成所謂的近表層微細裂縫(見圖2-1)，這些裂縫會使混凝面下出現一層弱質層，減損修補材料與舊有混凝土面間的接著力。一般在清理混凝土面後，常用目視方式或用鐵鎚敲打(聲測)，對混凝土面進行檢測。但使用聲測方式並無法查覺接近表層微細裂縫，對於這種損傷必須使用顯微鏡進行檢視或利用抗拉拔力(接著力)試驗進行檢測。 (三)影響接著力之外來物 舊有混凝土面上之外來物，如油漬、白華、水泥乳末、灰塵、化學物、以往施作之表面被覆層、油漆等，會影響新舊混凝土間之接著力。當使用接著劑時，有些化學物會導致接著劑劣化。 (四)修補區域表面形狀不方正，修補材料厚度不均 混凝土面若過分凹凸不平，以致修補材料厚度過分不均皆會使修補材料容易發生裂縫。隨著修補材料各處之厚度變化，材料所發生之乾縮量及熱膨脹/收縮量皆會不同，以致在材料厚度變化處(特別是凹陷區之邊緣及凸出處之頂端)發生應力集中現象，而導致修補材料之開裂。在修補區域的外緣周圍，其深度會如羽毛一樣、愈靠外愈淺，呈現羽狀邊緣，如果修補前未於該處作切邊處理、將該處打深，則該處會因修補材料外緣較薄處與內側較厚處發生極大之相對收縮而發生剝離(見圖2-2，圖2-3)。實際上，許多工程單位視未將修補區域作整齊方正之切割，為導致修補失敗的最大因素。 (五)混凝土表面濕度 視所使用之修補材料種類，進行修補時舊有混凝土面需在一定之溫度及濕度範圍內。環氧樹脂(Epoxy)材料需在混凝土面極為乾燥之情形下施作，而乳膠(Latex)材料則需在混凝土面處於面乾內飽和的濕度下施作，才能與舊有混凝土面產生接著力。即使所使用之材料可在潮濕環境下施作，施作時亦應避免有水流動，或有來自混凝土後方的水壓之情形。在施作防潮層(Moisture Barrier)時，需確保在養護的過程中，濕氣不是往混凝土外移，而積聚在混凝土面與防潮層之間(見圖2-4，註：濕氣移動之方向視周圍之溫度及濕度而定)。如果在養護的過程中，濕氣積聚在混凝土面與防潮層之間，則會在防潮層下方產生氣泡而使防潮層剝離。 (六)鋼筋失敗 鋼筋間必須有足夠之間距，以使修補材料得以充分搗實，並使修補材料可以充分握裹，接著於鋼筋之上。另外，鋼筋表面必須潔淨，不可有能影響接著之物質。 三、舊有混凝土表面之處理 混凝土修補前，表面處理基本步驟如圖3-1，細部項目包括下列各項：1.步鑑定需進行修補之區域 2.初步移除品質不良之混凝土 3.切鋸修補區域混凝土之周邊 4.清理暴露之混凝土面及鋼筋 5.去除混凝土面之油污及化學污染 6.增加混凝土面之平整度 7.增加混凝土面之粗糙度 8.調整混凝土面之濕度/乾燥度 9.視需要施作接著劑 10.施作修補材料 一般言之，工程司只需在規範上訂出基本規定及成果要求(有時亦規定不得使用之工法、材料)，由施工單位自行選擇工法及使用工具(但須經工程司核准)即可。 (一)初步鑑定需進行修補之區域 進行修補前的第一項工作是，初步鑑定需進行修補之區域。鑑定之項目包括：混凝土之完整性、是否受化學品污染、是否有阻礙水氣蒸散之阻隔層(Moisture Vapor Emission Barrier)等。鑑定混凝土結構之完整性時，可採用聲測(Sounding)方式，用鐵鎚輕敲或以鐵鍊拖過混凝土面，如果發出的聲音空洞，表示下方的混凝土品質不良；如果發出之聲音清脆如金屬聲，則表示下方的混凝土品質大致良好。
混凝土表面清理後之最佳狀況，取決於所需之修補系統及材之狀況。一般言之，在移除的過程中因不易判斷混凝土受損/劣化之程度，故不易判定應移除之範圍，最好是繼續移除直到骨材被切斷，而非被剝離整顆掉落(如圖3-2)。 混凝土移除過程中產生之粉塵吸入後有害人體健康，施工人員應按勞工安全粉塵作業相關規定配帶呼吸防護具及護目鏡。 (三)切鋸修補區域混凝土之周邊 一般認為，如果混凝土面粗糙可增加新舊混凝土面之接著力，且增加修補系統之耐久性，因此在進行修補工作時，多未對修補區域之周邊進行處理，而在修補區域邊緣凹凸不齊之狀況下進行修補；混凝土面粗糙可增加新舊混凝土面之接著力，進而增加修補系統之耐久性，這個觀念在應用到修補區域下方，新舊混凝土界面時是正確的；但應用在修補區域之四周邊緣則是錯誤觀念。 混凝土修補區域之邊緣若凹凸不齊，則每一凹角處都可能因應力集中現象而易開裂，每一凸角處都可能因厚度不足，無法發揮強度而易損壞。正確之做法是在修補區域之周圍，以電鋸鋸出整齊方正之周邊。切鋸時應避免切出銳角，以免修補材料無法填滿尖角處，同時還要減少凹角數目(見圖3-5，C)。 許多工程單位視未將修補區域作整齊方正之切割，為導致修補失敗的最大因素。對修補區域之周邊進行切鋸有下列好處： 1.增加打除混凝土之效率，降低工作成本；做完切邊後，進行打除工作時，打除區域周邊的混凝土可輕易的被沿切鋸線打下，且打除區域也會因切鋸線圍繞四周，有如一圈控制縫，而被侷限在切鋸線內，使周邊不致發生不規則崩碎，可避免將打除區域越打越大。 2.使修補區域之周邊具足夠之厚度，讓修補材料得以發揮強度。 3.修補區域周邊整齊方正，厚度大致一致，以免在基材突起處，出現應力集中現象；或因施作後各處厚薄不一，以致收縮量不同，而產生內應力等現象，造成修補區域開裂損壞。 4.切鋸後之垂直外緣作用有如一圈擋土牆，可讓其中修補材料獲得良好之搗實，與舊有混凝土面緊密接觸，而獲得較佳之接著度。 5.修補材料凝固時會發生乾縮，故在修補部位周圍需鑿成適當之形狀與深度，可增加修補材料之側向錨定力，使修補材料硬固後，不致因收縮而開裂或脫落。 Baldwin and King【文獻 59】於2000至2003年間對英國境內之公路結構混凝土修補結果之成效進行調查，他們發經過切邊處裡之修補結果，因其四周與舊有混凝土面之接著度較高，而較未經切邊處裡之修補具有較長之耐久性。他們一發現有些經切邊處理之修補材料即使是底部已與舊有混凝土面分離，但因四周能與舊有混凝土面緊密接著，而發生未剝落。 切鋸之範圍應包含受損/瑕疵區域外圍數公分處之區域(ACI 503..6R【文獻 10】第3章規定需至少包含受損/瑕疵區域外圍10公分處之區域)，以便將品質可能不良之混凝土都包含在移除範圍內(見圖3-4)。 當鄰近區域同時有數個暇疵須要修補時，因為打除混凝土之過程中可能損及鄰近之混凝土，故一般都會將這些暇疵合併在同一區塊進行休補(見圖3-5)。 切鋸時要注意四周角落的處理，為使角落處有充分的空間以容納修補材料的骨材，有些文獻(美國墾務局-混凝土修補手冊【文獻 36】，ACI 546.1R【文獻 14】等)建議：如有可能，應將角落處理成圓角(見圖3-6，E)；但一般多以切鋸直接切割角落。在切割時應避免使角落處出現銳角，使角落處有充分的空間，以便容納修補材料的骨材(見圖3-5，C及圖3-6)。使用切鋸時因鋸盤為圓盤型，如果僅將混凝土切至角落處就停下，會造成角落處切割深度不足，出現羽狀邊緣的現象，導致修補材料日後因該處厚度(強度)不足而破壞；正確的做法是在該處繼續向外超鋸數公分(見圖3-7A及3-7B)，使角落處達到足夠的深度，在修補達除區域後，再以Epoxy砂漿填補超鋸出之溝槽。 圖3-5, B所示之修補區域雖較圖3-5, C所示為小，所需修補材料較少，似乎較經濟；但過去之修補經驗顯示，以圖3-5, B方式處理打除區域時，一則移除混凝土之過程較為費時，二則在凹角處會因應力集中現象修補完不久(數天內)即發生開裂，時常需打除重作；以致造成以圖3-5, B之方式處理修補區域周邊時，不但效果不佳，且成本通常高出以圖3-5, C方式施作。另圖3-5, C之凹角處可視需要作一控制縫，使裂縫發生在該處。此外，修補區域之厚度變化較大，時可視需要分區以不同方式施作(各區域間可視需要設置控制縫)。圖3-9所示混凝土分區打除之實例。圖3-10，所示為結構體(樑、版、柱)之切鋸打除範圍。 一般在進行切鋸時，多以垂直混凝土面為原則；但在進行部份斷面深度修補時，有些規範會要求將切鋸之下緣向外偏移大約2-3° (應避免超過2-3°以免舊有混凝土面上緣太薄而易受損)，使修補材料的下方較大、能被卡住，而不易剝落；但對樓板等進行全斷面深度修補時，這種做法易使修補材料整塊向下脫落(詳見圖3-11)，應予避免。在垂直面上(如牆面，柱面)上作打除工作時，應將打除區之上緣修成傾斜面，以便灌漿時空氣可以逸出，不致造成孔隙(見圖3-12)。 不同之修補方式對切鋸之深度亦有不同要求，一般之切鋸深度至少為1.2cm(1/2英吋)至2.5cm，為避免切鋸混凝土時鋸傷鋼筋，多在進行初步移除工作，曝露出下方之鋼筋後，才進行混凝土之切鋸工作(詳見圖3-8，圖3-13及圖3-14)。 在作表層修補工作時，因修補材料之厚度較薄，應考慮沿修補區域外圍切割一圈較深之溝槽，如此可使外緣較易受損處具有較大厚度(強度)，又因較深的溝槽可提供錨定力，而使該處修補材料不易剝落(見圖3-15)。在切鋸混凝土之過程中，會在切鋸面上產生粉塵，這些粉塵會妨礙新舊混凝土間之接著，須加以徹底清洗刷除。 檢查混凝土基材表面乾淨程度、是否有粉塵時，可用深色布塊擦拭混凝土表面，檢查布上是否沾有塵埃，或以膠帶沾黏混凝土表面，檢查膠帶是否沾黏塵埃或鬆動物，以檢查混凝土面是否有會阻礙接著之物。 有些材料製造商宣稱使用其修補材料時，無須對修補區域周邊進行切鋸，但美軍工兵署依其過去修補經驗，要求不論材料製造商的說法如何，均應對修補區域之周邊進行切鋸。 《未完待續》 |
