相關品保/品管要求及承包商之作法
| □楊定良／大成 大陸 中鼎 東元聯合承攬體／台灣高速鐵路工程s250標 品保經理 □王起平／逢甲大學土木工程學系 副教授 |
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一、前言 鄭進南技師在「淺談高鐵土建工程之品質保證/品質管制(QA/QC)(三)」及「再談高鐵土建工程的稽查」文中兩次分別概略談及高鐵對新澆置混凝土瑕疵修補之要求，由於橋樑結構不像建築結構有外部裝修材(如粉刷、瓷磚)等之保護，混凝土表面直接曝露於外，故混凝土表面瑕疵對結構體之耐久性有相當大的影響，對於新建工程，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。在整個高鐵建設過程中，與其他工程建設最大的不同處，大概要算對新澆置混凝土瑕疵所做的矯正/修補工作；整個作業由事先規劃、人員訓練、工程施做、至事後追蹤、都有詳盡的規定。本文內容詳述高鐵工程中，有關新澆置混凝土瑕疵修補之品保/品管細節(包括業主之要求及承包商之作法)，以供其他公共工程施工之參考。二、新澆置混凝土出現瑕疵之原因 新澆置之混凝土常因各種原因發生瑕疵，本省早期水利建設之溝渠等，自興建迄今，多半有半世紀以上，但外觀迄今相當良好，鮮少有表面瑕疵，常讓人覺得現代人的施工時對品質之要求，似乎較前人相差甚多。但現代混凝土澆置產生之瑕疵較以往為多，實際上並不是因為現代人施工時對品質之要求不如前人所致，原因之一是因混凝土強度增大之故。以往混凝土之強度較低，故結構尺寸較龐大，鋼筋比低，混凝土澆置容易，不易出現蜂窩等瑕疵。但是，隨著科學的進步，混凝土製造技術之提升，混凝土的強度日益增高，使結構體之斷面日益縮小；加上人們對結構設計要求較以往嚴苛，結構內需放置更多各式的鋼筋及補強筋等，使得構件中之鋼筋比較早年為高，澆置混凝土時較以往困難許多，而常出現瑕疵。現代常用的鋼模，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(Bug Holes)。另外，土木工程師在20世紀學到一件十分慘痛的經驗，那就是每次混凝土製造技術有所突破，混凝土強度得以提升時，相隨而來的就是混凝土越容易發生裂縫，耐久性越差。這是因為，大凡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。 圖1 新澆置混凝土之瑕疵(資料來源-加州運輸局) 三、混凝土保護層之重要性 鋼筋混凝土是現代建築中的主要材料，被大量使用於土木工程，尤其是交通建設方面，諸如橋樑、港灣… 等重要設施。鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料，混凝土為鋼筋提供一種鹼性環境，可以防止鋼筋腐蝕，因此，工程建造完工起用後，甚少需要維護；我們在學校學習混凝土設計時，常假設結構使用年限為50年至100年，就是認為混凝土在此期間，本身不致發生劣化及損壞。但自1960年代末期，美國發現眾多之結構在啟用後不久，即開始發生劣化剝落現象，許多橋樑在啟用5年後就需要開始維修。這類之混凝土劣化情況，首先出現於海事工程結構，化學工廠及冬天使用鹽類化冰之混凝土結構上。在1970年代中期，研究發現導致劣化剝落之原因係因氯化物/除冰鹽等侵入混凝土，導致鋼筋銹蝕所致。根據美國1997年之調查顯示，在581，862 座橋樑中，有101,518有結構上之缺陷，這些缺陷雖不致導致橋樑崩塌，但亦使橋樑所能承受之載重減損，而需採限制載重之措施，這無形中增加交通運輸成本，減損國家競爭力。估計需花費780至1120億美金，對該等橋樑進行維修。在英國，英格蘭島中部環形線的21km 快車道，11 座混凝土高架橋的建設費是2800 萬英鎊（1972 年），因冷天撒鹽化冰雪，兩年後就發現鋼筋銹蝕使混凝土沿鋼筋方向發生順筋脹裂，到1989 年的15 年間，修補費高達4500 萬英鎊（即為造價的1.6 倍）；估計以後的15 年間（到2004 年），還要耗費1.2 億英鎊（累計接近造價的6 倍）；換句話說，自使用起30年內，每5年所花的維修費足以重新建設該結構一次。 台灣雖然沒有使用除冰鹽的問題，但由於台灣屬海島型氣候，亞熱帶氣溫高及高濕度再加上高度工業化，使空氣中充滿易使金屬發生銹蝕之二氧化碳及硫化物等有害化學物，所形成之酸雨對結構物提供了大量的腐蝕誘因，故所完成結構體中的金屬容易生銹與腐蝕。以鋼結構為例，台東三仙台大橋完工後六年即嚴重腐蝕，十八王公橋及重陽大橋完工不到三年即發生腐蝕急待維修。在鋼筋混凝土結構方面，由相關檢測結果顯示，木柵線部分墩柱之混凝土材料已有劣化現象(如裂縫及中性化)，並有鋼筋保護層不足問題，因此在墩柱鋼筋保護層較薄之區域，已有鋼筋腐蝕之跡象。近年來，台灣許多土建工程與港灣設施之劣化、損壞、崩陷等案例層出不窮，除了外力不可抗拒因素外，探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕。台灣常年高溫多濕加上酸雨鹽雨及維護困難工作繁重，更使已發生劣化的混凝土，無法徹底實行補救設施，而在修補後一再發生破壞，而需不斷進行再修補。 在第二次國際混凝土耐久性會議上，混凝土耐久性大師梅塔(Mehta)教授曾指出，在當今世界混凝土破壞原因中，鋼筋腐蝕已排在影響混凝土耐久性因素的首位。混凝土含鹼性，對鋼筋有相當之保護作用，但氯化物、大氣中二氧化碳和酸雨等的作用，會改變混凝土的鹼性環境，使鋼筋產生腐蝕。鋼筋銹蝕時，隨其銹蝕之程度，在不同之階段會形成不同的化合物，而體積會逐漸膨脹至原有體積之6~7倍(見圖2，鋼筋銹蝕過程中之體積變化量)，而使包覆於鋼筋外側的混凝土保護層被推擠，而沿鋼筋方向發生順筋裂縫，最後整片保護層崩落，導致鋼筋外露。鋼筋裸露於大氣後，與空氣中的水份及氧氣直接接觸，加速腐蝕。在此惡性循環下引起全面性損壞，造成結構物安全性降低、使用功能減退、勁度減低、撓度增加，不但影響美觀亦折損其耐久性而縮短使用年限。對於鋼筋腐蝕的事前防治，是工程進行前的主要項目之一，也是影響結構使用年限的主要因素。 
混凝土保護層的完好性（是否開裂、有無蜂窩、孔洞等）對鋼筋的腐蝕有明顯影響，特別是處於潮濕環境或腐蝕介質中的鋼筋混凝土結構影響更大。例如，保護層存在裂縫和蜂窩孔洞等缺陷時，會增加混凝土的滲透性，有關資料顯示，氧在順筋裂縫中直接氣相擴散到鋼筋表面，比通過混凝土毛細孔要快1000 倍，相應地，鋼筋銹蝕速度要快10 倍。當氯離子入侵或碳化作用直接發生於縫隙孔洞處時，銹蝕性介質可直接通過捷徑作用於鋼筋表面，使鋼筋很快銹蝕，大大縮短鋼筋混凝土結構的使用壽命。導致外圍混凝土開裂所需之鋼筋銹蝕百分比與下列因素有關：(a).混凝土張力強度﹔(b).鋼筋與周圍混凝土介面之接著狀況﹔(c).鋼筋直徑﹔(d).保護層厚度。當保護層厚度與鋼筋直徑比值為2.5~3.0以上時，對鋼筋腐蝕之預防有相當效果；保護層厚度和混凝土品質為影響腐蝕之重要因素，增加保護層厚度會使腐蝕量降低，在具有更惡劣的侵蝕環境中，有酌量增加的必要。隨著建築物之環境變動愈大，保護層厚度應愈大愈好。Al-Sulaimani(1990)等人之研究指出當保護層厚度為鋼筋直徑之7倍時，鋼筋銹蝕量需達到4%才會導致混凝土開裂，當保護層厚度為鋼筋直徑之3倍時，導致開裂所需之鋼筋銹蝕量則降為1%(見表1， 保護層厚度及鋼筋直徑與發生保護層開裂及鋼筋銹蝕之關係)。Al-Sulaimani等人指出，在撓曲構件中當鋼筋銹蝕百分比達到1.5%時，其極限載重能力開始折減，當鋼筋銹蝕百分比達到4.5%時，其極限載重能力折減12%。 鋼筋銹蝕到一定程度時鋼筋與混凝土之間的握裹力會開始下降，主要是因為：鋼筋的銹蝕產物是一層結構疏鬆的氧化物，在鋼筋與混凝土之間形成了一層疏鬆隔離層，改變了鋼筋與混凝土間的接觸面，從而降低了鋼筋與混凝土之間的結合作用。鋼筋的銹蝕產物比原有鋼體佔據更大的體積，從而對包圍在鋼筋周圍的混凝土產生徑向膨脹力。當徑向膨脹力達到一定程度時，會引起混凝土沿著鋼筋的方向產生順筋裂縫，從而減弱混凝土對鋼筋的握裹力。竹節鋼筋銹蝕以後，竹節部分將逐漸退化。在銹蝕較嚴重的情況下，竹節與混凝土之間的機械咬合力作用完全消失。Almusallam等人(1996)就鋼筋銹蝕程度對握裹力之影響進行研究，他們發現在混凝土保護層開裂前，當鋼筋銹蝕程度在0~4%間時，混凝土對鋼筋之握裹力實際上會因鋼筋體積之膨脹而增大，而於銹蝕程度在約4%時握裹力達到最高。隨鋼筋銹蝕程度之增大，嵌在鋼筋竹節旁之混凝土逐漸被壓碎，使混凝土對鋼筋之握裹力在鋼筋銹蝕程度達4~6%時開始發生破壞而突然降低。 
在澆置混凝土的過程中，常因各種原因，導致鋼筋偏移，使得保護層發生不足或過厚。就混凝土保護層厚度而言，在其他條件相同的情況下，若保護層厚度愈大，則因混凝土表面離鋼筋較遠，使其收縮時所受的鋼筋拘束較小，使得裂縫無法分散，反而集中，變成較寬之裂縫；故保護層厚度愈大，表面的裂縫寬度會愈大；但因鋼筋被較厚之混凝土包覆，使外來物質需要較久的時間才能滲透達到鋼筋，故保護層較厚時，雖然混凝土表面之裂縫較寬，但經驗顯示鋼筋反而較不易發生銹蝕。不過鋼筋發生偏移，以致保護層過厚時，會相對的使得鋼筋之有效深度d’值減小，而導致構件之彎矩強度變低，故需就構件之結構強度進行檢核。當保護層不足時，保護層對鋼筋可能無法發揮應有之握裹力(特別是鋼筋搭接處)，故須對握裹力加以檢核。保護層較薄時，保護層容易沿鋼筋之方向，發生順筋裂縫。雖然各式防止鋼筋銹蝕之工法及材料不斷推陳出新，但工程界對這些新工法及材料之可靠性仍存質疑，以美國聯邦高速公路管理局出版之橋樑防蝕手冊為例，該手冊指出，近年來新發展出之之低滲透性混凝土(Low Permeability Concrete) 或高性能混凝土(High - Performance Concrete-以Silica Fume 或飛灰-Fly Ash 取代部分波特然水泥-Portland Cement 者)，甚至比較傳統混凝土還更易開裂，而使得氯離子更易滲入混凝土。另外，甚至含止銹劑(Corrosion-Inhibiting Admixture)的混凝土，在混凝土發生開裂時，亦無法發生功能。 鋼筋混凝土結構之鋼筋防銹、防蝕方法雖多，但根據美國的幾個大工程機構如：工兵師團(US Army Corps of Engineers)、海軍工程署(NAVFAC)、墾務局(Bureau of Reclamation)及聯邦高速公路管理局(Federal Highway Administration)等機構多年來的混凝土結構維修經驗及研究結果顯示，鋼筋混凝土結構最經濟有效之鋼筋防銹、防蝕方法及延長結構使用年限之方法，莫過於提供結構體品質良好之保護層。故美國海軍工程署在其「海事混凝土結構修補指導方針及規範」指出：”The quality and minimum thickness of the Concrete cover is the major durability factor”，意即混凝土保護層之品質及厚度是影響混凝土耐久性之主要因素”。美國聯邦高速公路管理局出版之Corrosion Protection： Concrete Bridges(FHWA-RD-98-088， September 1998)中則將混凝土保護層及混凝土品質分別列為防止鋼筋銹蝕之第一及第二項重要因素。 鋼筋保護層一般設計上均由規範加以規定，然而事實上，常因設計時鋼筋/箍筋過密導致混凝土澆置不易、施工者未按圖施工、鋼筋籠吊裝時鋼筋發生變位等因素，導致保護層厚度發生變化或出現其他瑕疵，為確保鋼筋保護層有足夠之厚度，一般皆用混凝土墊塊，但混凝土墊塊本身周圍也易因混凝土搗實不易，而出現混凝土表面瑕疵(見圖3，混凝土墊塊導致之混凝土表面瑕疵)。即使使用墊塊，在鋼筋籠吊裝或灌漿過程中，兩混凝土墊塊間之鋼筋仍有可能發生位移以致鋼筋保護層不足或過厚。 
高鐵公司為確保其結構之安全性、維持其使用年限並有效降低日後維修成本，對混凝土結構之耐久性及品質有嚴格的要求。對於特定構件之設計服務年限，高鐵公司規定﹕結構，如隧道及高架橋之最小服務年限為100年；建築物，如通信、號誌及電力機房之最小服務年限為50年﹕排水設施之最小服務年限為100年，並規定本工程之興建應使高速鐵路可於不良之自然氣候條件下，包括大雨、颱風、地震及雷電均仍能全時營運。高鐵公司瞭解混凝土表面瑕疵對結構體耐久性之衝擊，故於2002年至2004年間，對已完成之結構進行調查，對於混凝土之表面瑕庛及保護層之品質要求，作成3份調查報告及建議如下：(a). THSRC - Guideline Construction Specification – 03500 - Concrete Repairs (混凝土修補綱要規範，2002 / 09)﹔ (b). IREG - Technical Report - Inspection of Cast - in Place Viaduct Units and Production of Project Guidelines for the Specification of Construction and Repair (現場澆置高架橋檢驗及施工和修補指導方針之制定，2003 / 03)﹔ (c). THSRC - Concrete Cover Evaluation and Guideline(混凝土保護層評估及指導方針，2004/03)。高鐵公司要求除在灌漿前嚴格的檢查結構體各處之保護層是否足夠外，在灌漿後亦要對結構體進行詳細之檢查，以查明各項混凝土澆置缺失，並用混凝土保護層厚度偵測器(Concrete Covermeter)檢查混凝土厚度，是否不足或過厚，再對其進行修補；修補完後還要佐以鑽心、拉拔等破壞性試驗及其他非破壞性試驗，檢查修補之品質及效果。以下各章說明高鐵公司對新澆置混凝土缺陷瑕疵修補之要求，及高鐵某標承包商在進行修補工作時之各項品質要求。 四、高鐵公司對新澆置混凝土瑕疵修補之作法 (一) 混凝土保護層厚度高鐵公司對各種結構體之各個部位，均考慮施工時可能發生之誤差而訂定保護層之最小厚度及最大厚度相關規定，圖4A，4B，4C分別為高鐵公司對橋樑、隧道、及機房所訂定之保護層最小及最大厚度。如果灌漿後調查發現實際保護層過薄或厚時，均需對其進行調查，並採取必要之改正措施。  圖4A 橋樑保護層最小及最大厚度(考慮施工誤差) Ref: THSRC， Concrete Cover Evaluation and Repair Guideline， March 2004  圖4B 隧道保護層最小及最大厚度(考慮施工誤差) Ref: THSRC， Concrete Cover Evaluation and Repair Guideline， March 2004  圖4C 機房保護層最小及最大厚度(考慮施工誤差) Ref: THSRC， Concrete Cover Evaluation and Repair Guideline， March 2004  對於調查評估結果，依規定應作成報告，說明對結構強度、工作性及耐久性，以及對日後維修保養工作之影響；並提出改正/修補方式。對於某些瑕疵，承包商常會要求業主依現況接受，再加以觀測，如果日後有不良變化，再做補救措施；但因為﹕(a).混凝土會隨時間而發生劣化及裂縫；(b).鋼筋會銹蝕，導致外層混凝土剝落，及更多更寬、更深之裂縫；(c).日後會對結構造成更多之損害且需要更大規模之修補工作；(d).混凝土碳化之速度會增快，導致保護層硬化而降低保護層之韌性，以致減損混凝土保護層之有效性；因此，高鐵公司不接受承包商對於保護層瑕疵，以接受現況，不作改正，而對結構體進行監測之解決方式。 對於保護層瑕疵，高鐵公司要求可用保護塗裝(Protective Coating)及補塊(Patching) 兩種方式進行修補。保護塗裝以特殊塗料塗於混凝土表面上，這種材料只需數公釐(mm)厚即可發揮十餘公分厚之混凝土保護功能，這種塗料可用來保護混凝土不受天候作用之影響(但不適用於與土壤或水體接觸之部位)；當使用塗料時，因為保護層之厚度較設計值為小，故對位於該處之鋼筋搭接，應檢核搭接強度是否足夠；高鐵公司建議，塗料應使用透氣型(Breathable -可容許水氣穿透)之高分子改質水泥塗料(Polymer-Modified Cement Coating)；高鐵公司並要求塗裝後，應對塗裝層進行拉拔試驗，或以其他非破壞試驗檢測塗裝層與其下方混凝土面間之接著力，以確保塗裝層不致剝落。對無法使用保護塗裝之位置，可使用補塊增厚之方式，或以補塊增厚再加上保護塗裝之方式，補足該處之保護層；在施作補塊前應先將舊有混凝土面及外露之鋼筋塗以環氧樹脂改質塗料，以增進補塊與舊有混凝土面間之接著力；高鐵公司建議【文獻2】，如果補塊厚度小於13mm可用波特蘭高分子改質水泥漿(Portland Cement Polymer-Modified Mortar)作為補塊材料，如果補塊厚度介於13mm至50mm則可用環氧樹脂改質混凝土(Epoxy-Modified Concrete)作為補塊材料。 (二) 修補之目的及其分類 混凝土結構進行修補時，會依修補之目的而有不同之作法，一般言之，修補之目的有：(a).回復構件因混凝土瑕疵而減損之結構功能﹔(b).對構件進行修補，以增進構件因混凝土瑕疵而減損之耐久性，並將之維持在可接受之範圍內﹔(c).回復構件因混凝土瑕疵而損傷之外觀，並增進構件因混凝土瑕疵而減損之耐久性，以抵抗雨水、二氧化碳、酸性氣體(硫化物SOx 或 Nitrogen NOx)等之侵蝕。 結構瑕疵經矯正修補後，未必能回復原設計應有之功能，因此高鐵公司為確保其結構之安全性及維持結構使用年限，於2002年9月對新澆置混凝土缺陷瑕疵修補，提出「混凝土結構修補指導方針及規範(THSRP Guide- line Construction Specification – 03500 - Concrete Repairs.)」，規範中將新澆置混凝土缺陷瑕疵修補工作分為「矯正工作」及「修補工作」等二類。其中，如果瑕疵在經過重做後，結構能符合原設計、施工圖說及規範要求的功能，則稱之為「矯正工作(Remedial Work) 」； (2)如果瑕疵在經修補後，仍不符原設計要求之功能，則稱之為「修補工作(Repair Work) 」。對於屬於修補之工作，高鐵公司要求需有原設計單位參與修補工作之規劃設計。 (三) 高鐵公司對混凝土瑕疵矯正/修補工作，施工送審檔案紀錄之要求 過去經驗顯示，許多修補工作完成後，在短短數月至數年內，就會劣化損壞，而須重新修補，工程界對此現象常戲稱為”Repair of Repairs(對修補進行修補)”，為維持修補工作之品質，及方便日後對結構進行維護及各項必要之再修補，高鐵公司規定在進行修補工作之前後，需繳交下列文件紀錄。(A). 送審資料包括：(1). 混凝土缺失原因調查以及用以鑑定混凝土缺失的方法；(2). 試驗方式；(3). 修補程序、使用材料及配比設計；(4). 使用材料之技術資料及修補結果之測試報告；(5). 修補工作之人力、物料資源及工作之監督；(6). 修補工作完成後之後續工作的監督(含養護及測試)程序。(B). 檔案紀錄包括：(1). 證明永久性工程中使用之材料符合所指定之規範或其他同等級規範要求之簽證；(2). 試驗報告；(3). 施工說明，內容包含修補方法及類型，承包商建議混凝土及其他材料之拌合﹝含種類、拌合廠地點及工具﹞；(4).製造商資料，含專利產品之技術資料及測試報告。高鐵公司收集這些資料的目的是在日後有新損壞，或修補區域又發生損壞而須進行再修補時，可比對以往所用之工法及材料，檢查使用成效，而篩選出最有效之修補方式。 (四) 高鐵公司對使用之修補材料及品質保證之程序上之一般要求 高鐵公司對使用之修補材料要求﹕具專利權之修補材料及接著劑，規定應依材料製造商之建議方式施作並測試。另外，承包商應將恢復原有設計之結構完整性納入考慮慎選材料，並依此選擇修補材料之物理性質及施作方式，使修補後之結構的強度及耐久性符合原設計要求。 在品質保證之程序上規定：修補工作使用之材料及工法需由設計單位(Designer)及獨立驗證單位(CICE)批准，並將修補結果標示於竣工圖上。在對永久性工程進行修補前，承包商需證明所用材料與原結構具相容性及合適性。任何產品、材料及各類混凝土經核准使用後，非另經核准，不可變更其品質及配比。對於混凝土修補專業工作人員要求，承包商應指定具混凝土知識及經驗之人員組成專職團隊，負責修補工作。各團隊在進行修補工作前，需展示其修補工作及使用材料之專業技巧。工作人員需有5年以上，於合格之公司從事混凝土修補之經驗。《未完待續》 |
