混凝土修補-材料性質選擇要點 (一)

□楊定良/Parsons Brinkerhoof International, Inc., 台灣分公司
台灣土木技師 加州土木技師 肯塔基州結構技師 佛羅里達州Threshold Building Inspector
□王起平/逢甲大學土木工程學系 副教授
□黃隆茂/惠宇營建機構 總經理特助 中興大學土木系博士候選人

一、前言

        混凝土結構若受損,應視狀況將之儘快修復,以避免結構繼續惡化,但經驗顯示,儘管在進行修補時,採用了優於舊有混凝土的材料,許多混凝土結構卻在修補後不久就發生修補失敗,而須重新進行修補(或稱”再修補”-詳見圖1)。另外還發現許多修補工作,不但容易發生失敗,而且可能擴大混凝土的損傷範圍,致使損傷處鄰近的原有良好混凝土也開始發生破壞。

        導致混凝土發生失敗而需修補的原因很多,修補的方式也很多;有效的修補有賴於妥善診斷混凝土發生破壞的原因,選擇適當的材料及修補方式,而後對症下藥。在對混凝土結構進行修補前,工程師要面臨的問題之一,是如何選擇適當的修補材料。混凝土修補材料包裝上都會列印出各種材料性質,通常我們會假設這些列印出的性質反映材料品質,但究竟哪些性質與日後修補系統的表現優劣有關?這些材料性質的數值大小要處於何種範圍才可接受? 面對材料供應商提供的各項技術資料及數據,往往令工程人員不知所措。材料供應商提供的規範常指出修補材料的性質須優於舊有混凝土,對於其所提供的材料,常標榜高強度;但一些工程單位,如美軍工兵署,或州運輸局的機場橋樑等混凝土結構修補規範,又常要求進行修補時,須使用與舊有混凝土具有相同強度及配比的混凝土進行修補。兩相矛盾,更是使人迷惑。
         正確選擇修補材料,可使結構體發揮應有的功能。若選擇不當,則不但不能發揮應有功能,還可能傷及原有結構。本文收集混凝土修補業界近十餘年來的研究成果,以圖表文字說明混凝土結構修補材料選擇的基本原則及應有的參數,以利工程人員於從事混凝土修補工作時有所依循。

二、導致混凝土損壞失敗需修補的原因

        選擇有效修補方式的第一個步驟,是診斷既有混凝土發生劣化/損壞的原因,如果修補結果無法抵抗原先導致混凝土發生劣化/損壞的原因,則修補結果也終將發生破壞,連帶的還可能擴大損壞範圍,使得修補區域鄰近原先完好的區域也開始發生破壞。
        需修補的混凝土有兩種,一種是既有混凝土使用後發生劣化/損壞而需進行的修補,另一種是修補完後,修補區域不久又發生損壞,而需重新進行的再修補。
(一) 導致既有混凝土劣化/損壞的原因
        導致現有混凝土發生劣化/損壞的原因可歸納如下。

        1. 結構缺失:設計或施工不良,或不當使用結構,導致結構受損,這種損壞通常發生於高應力區,同時可發現垂直於主筋方向的裂縫。另外在某些情形下,裂縫的位置及方向則與鋼筋走向及結構的斷面變化相關,如圖2所示為中空樓版工程,灌漿時因中空管上浮,且混凝土斷面各處厚薄不一,沉陷量不同,導致澆置後的混凝土在管頂上方及鋼筋上方出現裂縫。
        2. 混凝土配比及施工不當:混凝土配比不良、澆置及養護不當,使混凝土品質不良,易於損壞。圖3所示為施工不當,導致保護層厚度不足,鋼筋外露,進而生鏽。

        3. 鋼筋鏽蝕:埋設於混凝土中的鋼筋通常不致於生鏽,但如果保護層不足、混凝土搗實不佳、或混凝土中含有氯離子,則會導致鋼筋發生鏽蝕,由於鋼筋鏽蝕時體積會膨脹,故會將其外側的混凝土撐裂,在此情形下可見到混凝土保護層沿鋼筋上方,順著鋼筋的方向發生裂縫,隨著情況的惡化,鋼筋外側的混凝土保護層會逐漸崩落,而使鋼筋裸露(詳見圖4)。保護層是防止鋼筋鏽蝕的最佳利器,故設計及施工時要特別注意確保鋼筋有足夠的保護層。

        4. 化學侵蝕:油類及化學物質特別是鹽類,可導致混凝土或鋼筋的嚴重損壞,修補時應同時考慮使用填縫劑、表面封膜(Membrane)、及增設排水設施以減少化學材料與混凝土的接觸時間。當混凝土結構處在有侵蝕性介質作用的環境時,會引起混凝土發生一系列化學與物理變化,並逐步受到侵蝕,嚴重時會使混凝土強度降低,以至破壞。常見的化學侵蝕可分為淡水腐蝕、一般酸性水腐蝕、碳酸腐蝕、硫酸鹽腐蝕、鎂鹽腐蝕等五類。經過淡水的沖刷,會溶解混凝土中的組成成分,使混凝土孔隙增加,密實度降低,進一步造成對混凝土的破壞;當混凝土中的氧化鈣溶出5%時,強度下降7%,當溶出24%時,強度下降29%,因此,淡水沖刷會對水工建築有一定影響;而當水中溶有一些酸類時,混凝土就受到溶析和化學溶解雙重作用,腐蝕明顯加速,這類侵蝕常發生在化工廠;碳酸對混凝土的影響主要為:在溶析混凝土的同時,破壞混凝土內的鹼環境,降低水泥水化產物的穩定性,影響混凝土的緻密度,造成對混凝土的侵蝕;硫酸鹽的腐蝕則表現為SO42-離子深入混凝土內與水泥組成反應,生成物體積膨脹開裂造成損壞;海水中由於存在多種離子,侵蝕形式較為複雜,但主要是由於鎂鹽使硬化混凝土的結構組成分解,同時硫酸鹽作用會造成對混凝土的損壞,而氧化鎂沉澱會堵塞混凝土孔隙,會使海水侵蝕有所緩和。
        5. 因結構移動引起的損壞:因為結構體乾縮、潛變、基礎沉陷及冷熱膨脹收縮引起的損壞,可以加以修補以防損壞擴大,但如果不能消彌結構體的移動,則損壞還是會繼續發生。牆面上如出現斜向裂縫,很可能是因基礎沉陷而引起的損壞。由窗角或門角處延伸出去的斜向裂縫稱為角隅裂縫(Reentrant Cracks),這些裂縫是因為在窗角或門角處發生應力集中現象所致。
        6. 冰凍/溶解作用:冰凍/溶解作用會引起混凝土的損壞,如果損壞屬局部性,則可用傳統補塊(Patch Repair)的方式修補,如果屬廣泛型的損壞,則應考慮使用加舖一層面層(Overlay)的方式修補。當結構處於冰點以下環境時,部分混凝土內孔隙中的水將結冰,產生體積膨脹(體積膨脹約9%),過冷的水發生遷移,形成各種壓力,當壓力達到一定程度時,將導致混凝土發生破壞。混凝土發生凍融破壞的最顯著的特徵是表面剝落,嚴重時可以露出骨材。混凝土的抗凍性能與混凝土內部氣孔的結構和氣泡含量多少密切相關。氣孔越少越小,破壞作用越小;封閉氣泡越多,抗凍性越好。影響混凝土抗凍性的因素,除了氣孔結構和含氣量外,還包括:混凝土的飽和度、水灰比、混凝土的齡期、骨材的孔隙率及其間的含水率等。圖5所示為新澆置之混凝土受低溫作用水分結冰,造成混凝土遭凍傷。圖6所示為混凝土受冰凍溶解反覆作用造成混凝土面剝落。

        7. 機械化的損壞:對經車輛機械等作用或水流沖蝕所產生的損壞,應選擇較原有混凝土更具較高抗壓強度的材料進行修補。修補時應同時考慮擴大修補範圍,將修補區域附近受損程度較小,但承受相同機械作用的區域一併納入修補。
        8. 輔助材料發生失敗:輔助材料如填縫材或表面封膜發生生敗,使混凝土受水分或化學物的侵蝕,此時應針對輔助材料及混凝土發生受損的原因分別加以檢討,一併加以修補。
        9. 火災受損:火災產生的高溫會使混凝土受損而發生裂縫或崩裂。
        10. 混凝土的內部鹼骨材反應:混凝土中的鹼骨材反應,是指混凝土中的鹼與骨材中活性組分發生的化學反應,引起混凝土的膨脹、開裂、甚至破壞。因反應的因素在混凝土內部,其危害作用往往不能根冶,是混凝土工程中的一大隱患。鹼骨材反應需較長的時間,通常要施工完後經許多年才會出現徵兆。許多國家因鹼骨材反應不得不拆除大壩、橋樑、海堤和學校,造成巨大損失。混凝土鹼骨材反應需具備三個條件,即有相當數量的鹼,相應的活性骨材,水份。反應通常有三種類型:鹼-矽酸反應、鹼-碳酸鹽反應、慢膨脹型鹼-矽酸鹽反應,避免鹼骨材反應的方法可採用:一、儘量避免採用活性骨材;二、限制混凝土的鹼含量;三、摻用混合材。
        11. 受束制情況下的熱收縮/熱膨脹(Restrained Thermal Contraction and Expansion) :混凝土的熱膨脹/收縮係數約為 5.5 x 10-6 / °F,在夏日中午澆置的混凝土到夜間溫度會下降。溫度若下降40°F (21°C)足以使10英呎 (3m)長的混凝土收縮約0.03in (0.76mm),這足以讓混凝土發生裂縫。混凝土在溫度發生變化時會發生收縮或膨脹,如果所發生的收縮或膨脹受到束制,就會對混凝土造成損害。大體積澆置的混凝土由於水化所產生的熱量不易消散,會使混凝土的溫度上升,如果未能採取措施使混凝土內外溫差不致過高,則此內外溫差(當內部溫度大於表面溫度約20°C時)會造成混凝土發生開裂。即使是小體積的施作混凝土,混凝土水化產生的熱量亦會使其溫度升高,體積發生膨脹,如果外界溫度降低,使混凝土外部受涼冷卻收縮,但此收縮又受到內部體積膨脹的束制,則混凝土也會發生裂縫。常見的情形是在舊有版上澆置新牆體後,於新澆置的牆上出現垂直於版面之等間距均勻分布的平行裂縫。外在的熱源會使混凝土膨脹,如果膨脹受到束制,會使混凝土某些部位所受的壓應力升高,最後導致該處的混凝土發生崩裂。熱膨脹/收縮會使混凝土上的裂縫寬度隨著溫度的變化而變寬或變窄。
        12. 受束制的收縮(Restrained Shrinkage):當所澆置的混凝土凝固時,混凝土會發生些微收縮,隨著混凝土的逐漸乾燥,混凝土會繼續收縮(混凝土澆置後約75%的收縮量發生在澆置後3個月內,約90%的收縮量發生在澆置後1年內),如果收縮受到束制,混凝土就會發生開裂。由於修補材料都是施作在舊有混凝土上,這些舊有混凝土多半已完成大部分的收縮,而新施作的修補材料則正在開始收縮,因此修補材料是在黏著在舊有混凝土上,受束制的情況下發生收縮。受束制的收縮在很多方面與受束制下的熱收縮/熱膨脹的情況相類似,因此所造成的損壞也相類似。受束制的收縮所產生的裂縫常在混凝土澆置後不久就開始出現,隨著混凝土繼續逐漸乾燥收縮,新的裂縫也會逐漸增加。詳見圖7。
        13. 潛變(Creep):因不良的設計使得部份構件發生潛變(例如柱縮短或樑/版發生變形),會導致原來應由受力構件承受的載重轉移到非受力構件(如隔間牆),致使該非受力構件受損。潛變屬於長期效果,因此要經一段時間才會出現徵兆。
        14. 混凝土澆置初期水分快速蒸發:混凝土在澆置後及凝固前稱為「塑性階段」,此時因水份快速蒸發而產生如鱷魚皮上斑紋的裂縫稱為「塑性收縮裂縫(Plastic-shrinkage Cracks)」。經常發生在熱而多風的夏季,或水化作用過速,或高坍度混凝土產生乳皮時,或高強度低水灰比混凝土浮水過少,或混凝土表面水分蒸發速度比浮水速度要快以致無浮水產生時。塑性收縮裂縫通常在混凝土澆注後的2小時內發生。在風大時,施工人員可發現,一陣風吹來,裂縫在短短數分鐘內,即一條條的浮現在眼前。詳見圖8,圖9。

        15. 塑性沉陷(Plastic Settlement) :塑性沈陷裂縫屬於混凝土結構早期裂縫之一,通常發生在混凝土澆置數小時後,並且發生在有泌水現象的混凝土上。其發生原因如下:坍度為15~20cm 的混凝土有造成大量浮水的傾向,當粒料的下沈受到阻礙(例如鋼筋或其他埋設物)時,混凝土內部會產生張力及剪力。混凝土不足以抵抗這些應力時,裂縫便會在這些障礙物上面發生,此類裂縫通常稱為沈陷收縮裂縫。經常於澆置1~3小時後發生在梁、版的頂層鋼筋上面,尤其是鋼筋保護層小於5cm 時。混凝土澆置厚度與結構設計有所不同,厚度愈大則沈陷愈大,在澆置厚度不同處也會發生沈陷裂縫,梁、版邊界的裂縫通常均屬此類。混凝土從模版中漏失也會造成沈陷裂縫。圖10所示為鋼筋上方混凝土發生差異沉陷之示意圖。圖11所示為樑及版之厚度不同,混凝土在樑版交接處發生差異沉陷之示意圖。圖12所示為鋼筋上方混凝土發生差異沉陷之照片。



        16. 其他施工不良所造成的缺陷:施工不良所造成的缺陷例如混凝土保護層厚度不足、蜂窩、孔洞等現象,也會導致混凝土發生劣化。
(二) 導致混凝土修補失敗的原因
         混凝土的老化/劣化使得混凝土修補成為新興行業,但工程界發現,雖然我們使用了所謂比舊有更高強度的混凝土,性質更優良的材料,理論上修補的結果應比舊有混凝土更堅固耐久,但許多修補結果顯示,新的修補往往於工作完成後數天至數月間,即發生裂縫(如圖1);甚至有許多在修補完數年後,即已不堪使用而須打除重作,以致必須對修補的結果進行再修補,工程界甚至對此現象戲稱“Repairing Repairs”。有些修補作業,甚至使得修補區域外圍原本良好的區域加速破壞。美國海軍發現,他們在潮間帶(Tidal Zone),亞熱帶海洋環境(Semi-tropical Marine Environments)所進行的混凝土修補結果,約只有5至7年的壽命,許多的修補工作完成後1至3年之間,就可發現在修補區域週邊發生新的層狀剝落(Delaminations)現象。這與我們一般所預期的修補結果能耐用20年以上,有相當大的差異。圖1所示為補塊在修補完後不久就發生開裂破壞,而需再修補的情形。
        常見的修補失敗有3種形式:(1) .修補材料收縮開裂,(2) .修補材料剝落,(3) .鋼筋發生再度鏽蝕。圖13所示為,修補材料收縮開裂進而剝落。修補材料發生開裂的主因是因為修補材料雖然具有抗壓強度,但卻缺乏抗裂的伸張強度;材料在受束制的情況下發生收縮(Restrained Contraction),導致修補材料開裂或剝離;修補材料開裂後,水分及外來化學物進入混凝土引起鋼筋鏽蝕膨脹而加速修補材料的開裂。另外,修補材料與舊有混凝土間的電化性質不相容,更會引起修補區外圍原本未受損的區域發生鋼筋加速袘k之現象。為了防止修補材料開裂,修補材料應具備低乾縮量、低彈性係數、高張力強度及高張力應變等性質。

         雖然各式產品推陳出新,但許多產品並不如材料製造商聲稱的有效。估計約有50%左右的修補會失敗,其中一半可歸因於設計(規範)不當,另一半則來自施工不當。設計(規範)不當來自於對修補材料應具的性質選用不當;施工不當的主要原因有修補前對修補區域的周邊及表面處理不當,以及修補後的養護不當。根據各工程單位對修補失敗原因調查的結果發現,導致修補失敗的主因依其重要性分別為: (1) .修補前對修補區域的事前處理,包括打除品質不良的舊有混凝土、修補區域幾何形狀的處理、舊有混凝土面的清潔工作;(2) .修補後對修補區域的養護;及(3) .修補材料的選擇。
        當材料供應商在推銷其產品時,常以該產品具有某項專利,或是價格較高,暗示其產品的優越性。不過經驗卻顯示,具專利的產品或價格較高者,其功能未必比不具專利或價格低者為佳;採用具專利的產品進行修補工作未必能達到所要求的效果,甚至常出現不良效果。實際上,許多工程單位的規範要求在情況許可時,以使用與舊有混凝土具有相同配比的混凝土為最佳修補材料,例如高鐵的剛性混凝土路面規範要求,對混凝土進行鑽心試驗所造成的孔洞,應以與原配比相同的混凝土修補,此即說明了選擇材料時無須考慮材料是否具有某項專利。
        以材料選擇方面而言,所犯的最大錯誤是忽略了修補材料與舊有結構間,材料性質的相容性;例如修補材料與混凝土的熱膨脹係數及彈性係數相差過大,是導致修補失敗的主因之一,因為在此情形下,一旦修補系統承受外力作用或溫度變化,兩者間因其熱膨脹係數及彈性係數差異,所引起的差異變形量,即足以在兩者相接觸的介面上發生極大之應力,導致修補系統損壞;因此,若要使修補結果耐久,須讓修補材料與混凝土的各種性質相近。
        根據多年來累積的經驗得知,導致修補失敗的另一主要因素之一,是修補材料發生開裂所致,而修補材料發生開裂的原因,係修補材料與舊有混凝土所構成的基材間有尺度不相容 (Dimensional Imcompatibility) 的問題;亦即,新舊材料間因熱膨脹係數或彈性係數不同,導致在受力的作用時,或受溫度變化時,新舊材料的體積變化量不同,但因兩者黏結在一起,故在兩者間產生應力,使得其中之一發生破壞。
        修補材料發生收縮是導致混凝土修補發生裂縫失敗的另一主因,而修補材料施作後的養護,是避免修補材料發生早期收縮的及增進其長期耐久性的方式之一,故選用材料前須對材料的收縮性及養護方式作充分的調查瞭解。
        除水泥系修補材料 (如水泥砂漿或一般混凝土材料) 外,高分子材料 (Polymer) 也常被用來作為修補材料,高分子材料雖然有很多優點,但使用時若不慎也常導致失敗,高分子修補材料使用時常需要注意下列失敗的因素:
        1. 修補前舊有混凝土面表面處理不當。
        2. 材料拌合不當。
        3. 未依配比拌合。
        4. 未注意施作時的溫度,亦即未在規定的溫度範圍內施作材料。
        5. 未考量材料凝結硬固之後,因外界溫度變化,而在修補材料內產生的應力。
        6. 修補材料、補塊或加鋪層的厚度過厚。
         (二)1.節至(二)6.節說明使用水泥系材料及高分子材料作為修補材料時,常犯的錯誤及防範之道。
        1. 修補前舊有混凝土表面處理不當
        進行修補前對舊有混凝土表面進行處理的目的是將舊有混凝土面的水分/濕氣、塵埃、水泥乳沫、鬆軟不堅實的物質、油脂、或化學品等,影響修補材料與舊有混凝土間黏結強度的材料去除,以確保修補材料施作後不致脫落。
        即使是設計來使用在潮濕環境下的高分子材料,與乾燥面的黏結力也會比與潮濕面的黏結力高。水分的存在,會影響某些高分子材料的硬固,混凝土面上的水分也會影響妨礙高分子材料滲入混凝土。因此,除非材料製造商對其產品的使用方式有特別的指示,否則應將混凝土面上的多餘水分除去,待混凝土面由受潮的灰暗色變乾返白時,再予以施作。
        混凝土面上的塵埃會妨礙高分子材料浸滲入混凝土中,並降低高分子材料與混凝土彼此間的黏結力,故需將塵埃徹底清除。混凝土的表面上常出現一層由水泥及骨材細料所組成的物質,稱為水泥乳沫,水泥乳沫會妨礙修補材料與舊有混凝土的黏結,因此需將之去除。清除水泥乳沫時,須清除至骨材開始出現外露的狀況(圖14所示為,高鐵工程施工縫混凝土表面處理,以高壓清洗槍將混凝土面之水泥乳沫噴除,直至骨材露出為止),清除時可用噴砂或研磨方式,但不宜使用酸蝕浸洗方式(Acid Etching)。

        如果混凝土表面有一層油脂,由於油層的內聚強度較低,遠遠小於環氧樹脂配方體系的內聚力,所以在受力以後非常容易因油層的破壞而使膠粘修補失敗。如果要確定混凝土面上是否有油污時,可在該處滴上水滴測試。有油污之處,水滴會凝聚成顆粒狀;沒有油污處水滴會在混凝土面上散開,並將混凝土面弄濕,化學物會妨礙高分子聚合物發生作用,導致黏結失敗。如果混凝土面層暴露於化學物的作用下,可用石蕊試紙(Litmus Paper)測試混凝土表面,如果PH值小於6,可用氨水(阿摩尼亞,Ammonia)等鹼性液來中和混凝土面,再以水沖洗,然後施作高分子聚合物。
        不論使用何種方式清理混凝土面,最重要的是在清理完後,確認混凝土面已經過適當的處理,並具有適當的清潔度及堅實度。因為清潔及堅實的程度會影響修補材料與舊有混凝土面間的黏結力。檢驗混凝土面是否足夠清潔及堅實的最佳方式就是在清潔後的舊有混凝土面上進行拉拔試驗,常用的試驗方式有ACI 503R拉拔試驗(Pipe-cap Pulloff Test)或ASTM D 4541以手提式黏合試驗儀測定拉拔強度 (Test Method for Pull-off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers,詳見圖15,16,17,及18,對多數的加鋪層工程而言,拉拔強度應達200psi。圖18所示,修補材料因修補前舊有混凝土面處理不良,無法提供足夠的黏結力而整塊剝落,照片中已看不到殘留的修補材料,只能見到曝露的舊有混凝土面。

        2. 材料拌合不當
        現場工作人員未依規定的拌合時間長短來拌合材料,也是導致失敗的原因之一;拌合不當會導致高分子材料的化學鏈結數量減低,而影響材料的強度及黏結力;拌合時間的長短應依材料製造商的規定為之。
        拌合乳膠改質混凝土(Latex-modified Concrete)時,如果拌合時間過久,會拌入過多的空氣而減損其強度,詳見圖20,拌合後未能在規定時間內(20至30分鐘)施作也會導致失敗。環氧樹脂砂漿(Epoxy Mortar)中拌入太多的環氧樹脂亦會造成失敗。AB劑型的藥劑材料拌合時間不足(特別是天候冷時),或是將骨材拌入已經開始凝結的藥劑,以致樹脂(Resin)無法完全包裹骨材會在拌合後的材料中產生孔隙。

        天氣熱時有些樹脂會互相排斥而無法拌合,此時須設法降低藥劑的溫度(可將藥劑置於陰涼處,或將容器放入冷水、冰箱中)。環氧系列產品拌合時會發熱,混合時的容器應使用淺底廣口的容器,以便散熱,否則反應熱積聚,溫度升高,會縮短可使用的時間。
        拌合時前須以容器正確的量取藥劑量,配比有誤或拌合不良時無法拌合成具正確性質的產品。手工拌合的產品品質通常不良,故須使用機械攪拌器。進行攪拌時須上下左右移動拌合器,以使靠近容器底部或邊緣的材料都獲得充分的拌合。對黏滯性(Viscous)高或具觸變性、搖溶現象(Thixotropic)的藥劑更應沿容器週邊刮拌,以便使容器中各部分的藥劑都受到充分的攪拌。
        材料拌合不良會有一些徵兆出現,如果拌合後的材料有些地方較稀,或有些地方較稠,或有些地方較軟,或有些地方較硬,表示拌合不良。如果拌合時配比不對則拌出的成品在硬固後可能較以正確配比拌合出的成品為柔軟或堅硬,或在表面呈未乾透且發黏的情形。
        3. 未依配比拌合
        修補材料(尤其是高分子材料)須依規定的配比拌合,否則產品的性質會與其原設計性質有所差異,導致材料過軟或過硬。工地常見的現像是施工時為加快或延緩反應時間,而未依製造商指示的配比拌合樹脂及硬化劑。使用拌合過環氧樹脂的容器拌合聚酯 (Polyester) 或聚乙烯樹脂(Vinyl Ester),如果未將容器中的環氧樹脂徹底清除,則殘餘的環氧樹脂會妨礙聚酯或聚乙烯樹脂發生硬固。
        4. 未注意施作時的溫度,而未在規定的溫度範圍內施作材料
        高分子材料的性質隨施作時的溫度變化而異,對施作時的溫度相當敏感。溫度過低時無法凝結硬固,一旦受力,容易破壞;溫度過高則凝結過快,使藥劑無法有效滲入混凝土面下的孔隙,同時因作業時間縮短亦會影響施工品質,故使用時須在材料製造商指示的溫度範圍內施作。
        環氧樹脂在5℃以下其硬化速度即顯著遲緩,故使用時溫度須維持在5℃以上。所謂的施作時的溫度,係指結構體混凝土的溫度,而不是當時的氣溫。混凝土在受熱時溫度變化的速度較周圍的空氣溫度變化速率不同,結構體的溫度與四周空氣的溫度一般相差甚大,且因熱容量的關係,在黎明太陽初昇時氣溫較混凝土溫度為高,但在陽光的曝曬後,混凝土溫度則會較氣溫高出甚多。一旦修補材料施作後,因其厚度及體積與其所接觸的原有結構體相較之下甚小,很快地修補材料的溫度將變得和其所接觸的結構混凝土的溫度一樣,所以應量測的施作溫度係指修補材料所接觸的結構混凝土的溫度而非氣溫。
        5. 未考量材料凝結硬固之後,因外界溫度變化,而在修補材料內產生的應力
        當溫度升高時不要施作高分子塗裝(Coating) 或加鋪層。當溫度升高時,混凝土中的水氣會發生蒸發膨脹,此時混凝土表面如果沒有塗裝或加鋪層等不透水/不透氣的面層阻隔遮蓋,則所蒸發膨脹的水氣會散逸至空氣中;但如果混凝土被塗裝或加鋪層所遮蓋,則蒸發的水氣會被留在混凝土面與表面塗裝間,形成氣泡並產生壓力,推擠塗裝層;如果塗裝層未能妥善養護硬固,則塗裝層與混凝土面間的黏結力將被破壞。倘若溫度升高發生在在塗裝材料硬固的初期,且塗裝材料還未形成膠狀體前,則水氣將會穿透塗裝材料,但隨著塗裝材料的硬固,塗裝材料的黏滯性將提高,水氣會陷在塗裝材料中形成氣泡,導致塗裝材料的滲透性增加及強度減弱,使塗裝材料易於失敗。
        在選擇使用高分子材料時要注意,硬固後的高分子材料在溫度發生變化時可能發生的應力變化。由於高分子材料的熱膨脹係數較混凝土高(約為混凝土的7至15倍,雖然有時會在高分子材料中添入骨材或細砂來降低拌合後材料的熱膨脹係數,但拌合後的材料其膨脹係數仍為混凝土的1.5至5倍),當溫度發生變化時高分子材料所發生的收縮量較混凝土高,因此在高分子材料與舊有混凝土間的黏結處產生拉扯應力,由於高分子材料的強度較混凝土高,所以拉扯的結果,會使破壞面沿混凝土面下方破壞;因此,在冷天溫度下降時,高分子材料面層可能整片剝落,如果檢視剝落的面層還可發現底面上黏著一層混凝土。這種破壞模式主要係因材料選用不當所致,因此在選用高分子材料作為面層修補材料,且使用場所會曝露於較大的溫度變化作用時,要特別注意其與舊有混凝土間的熱膨脹係數的相容性。高分子材料的性質受溫度變化的影響很大,在20℃時堅實強固的高分子材料當溫度降至0℃時可能變硬變脆而容易碎裂,當溫度升至50℃時則軟化而強度減弱。
        6. 修補材料、補塊(Patch)或加鋪層(Overlay)的厚度過厚
        使用高分子材料於大體積或較厚修補材的應用是常見的錯誤用法,高分子材料的應用應限於一般的水泥類產品無法發揮適當功能之處,例如:高強度黏結層、厚度小於3cm的加舖層、抵抗化學物侵蝕或磨損、結構物須迅速恢復使用、表面須光滑不透水(例如衛生場所)的情況。
        當溫度發生變化時,較厚補塊或加鋪層內部所受的應力比較薄者所受的應力為大,所以使用高分子材料時,高分子水泥砂漿(Polymer morta)的厚度應儘量的薄。
        除非表面處理不良,否則較薄的補塊或加鋪層很少導致混凝土發生破壞,但較厚的加鋪面層在溫度發生變化時則較易發生破壞。
        環氧樹脂砂漿施作厚度太大亦會造成失敗,環氧樹脂砂漿的厚度若超過3cm時,可能會由被覆蓋的舊有混凝土上發生剝離。
(三) 常用維修材料的種類及特性
        一般混凝土結構物使用維修材料,依其成份可區分為兩大類:(1) 水泥系維修材料及(2) 高分子聚合物系維修材料,分述如下。
        1. 水泥系維修材料
        含有卜特蘭水泥、高鋁水泥或矽酸類水泥的水泥漿、水泥砂漿或混凝土,均可用來維修產生裂縫及劣化的混凝土結構,其使用範圍廣、安全且容易處理,一般而言,可與原混凝土相容。主要的缺點為高乾縮量、易產生龜裂、凝結及強度發展速率較慢。
        以水泥為基礎的維修材料其物化性與混凝土相似,因此與混凝土的相容性較佳。為使修補材料與被修補的混凝土性質相近,以水泥系的材料對混凝土進行修補,自然是最佳選擇。
        常用的水泥系材料有:傳統混凝土(Conventional Concrete)、傳統砂漿(Conventional Mortar)、半乾砂漿(Dry Pack Mortar)、鋼絲網水泥(Ferrocement)、纖維混凝土(Fiber-reinforced Concrete)、漿液(Grouts-水泥漿,Cement Grouts)、低坍度密實混凝土(Low Slump Dense Concrete)、磷酸鎂混凝土及砂漿(Magnesium Phosphate Concretes and Mortars)、預填骨料灌漿混凝土(Preplaced Aggregate Concrete)、快硬水泥(Rapid Setting Cement)、噴凝土(Shotcrete)、收縮補償混凝土(Shrinkage-compensating Concrete)、矽灰混凝土(Silica Fume Concrete)、黏結劑(Bonding Materials)等。

《未完待續》