淺談混凝土耐久性影響與因應對策

葉韋呈／土木 結構及大地技師

一、前言

         台灣身處副熱帶季風區、西太平洋颱風區及環太平洋地震板塊帶，時常遭受颱風、豪雨或是海島型氣候之季節變化以及地震作用，外部環境劣化因子已嚴重威脅我們平常所居住的混凝土建築結構安全、使用及耐久性，混凝土品質劣化實屬不可避免，而一般工程實務上說到混凝土品質常常以抗壓強度是否滿足設計需求作為好壞判定的依據，無論是公共工程或私人建案均是如此，然在工程實務層面對於混凝土耐久性影響程度卻時常忽略，其隨著天氣變化、時間推移與劣化因子不斷侵蝕下，將使得建築結構受到嚴重損害並降低結構極限承載力，近年可以在新聞媒體上看到因混凝土耐久性不佳進而影響結構或民眾安全的例子，除了人身安全遭受威脅以外，民眾還必須經常性進行整修、翻修、抓漏甚至於補強建築物，大幅降低居住品質與舒適性，也造成社會經濟的浪費。
         混凝土的耐久性是身為土木工程師所必須注意且重視的，目前政府部門已針對耐久性要求納入相關規範中，為使國內工程人員可以更加瞭解耐久性重點，藉以提升大家對其的重視，筆者收集相關資料與彙整現場施工經驗後，進行較為粗淺的說明與探討。

二、混凝土耐久性基本概念

         (一) 依據中國土木水利工程學會公布的混凝土結構設計規範與解說401-110草案[1]所稱:「混凝土耐久性為混凝土抵抗氣候作用、化學侵蝕及磨損之能力」，依美國ACI 201.2R-16[2]對於耐久性所下的定義為:「混凝土耐久性在不同暴露的環境下仍能保持其原來的狀態、品質與服務性」。目前我國混凝土耐久性的設計使用年限一般以50年為基準，除非是重要建築物或橋梁則以設定50年以上(如淡江大橋設計使用年限120年)，而所謂良好耐久性即建築物在設計使用年限中，經自然環境劣化因子或材料劣化作用下，仍可確保主要結構在無需大幅度整修前提下，確保建築物結構安全及基本使用性不致發生不良影響。
         (二) 建築結構設計的安全性必須保證結構在規定的設計使用年限內可抵抗可能出現的外力作用，並在局部結構破壞時仍能保持必要的整體構架完整性且不致產生結構崩塌，這是目前國內工程界對於建築物結構安全性的基本認知。而對於耐久性來說，其和單純的外力作用下結構安全性相比，耐久性的不確定因素更為複雜且難以量化，其中影響因素包含環境劣化因子和材料劣化機理以及使用者維護狀況等因素，欲對其精準預測難度極高，僅以概估方式進行評估，又目前國內設計規範於考量結構安全性能時，基本上不考慮材料性能在長期使用中的劣化對於結構物的影響，以及因耐久性不足所帶來對極限承載力的影響，這長期忽視的問題，直接導致耐久性問題屬於次要地位，而目前混凝土結構設計規範中對於耐久性章節主要仍採定性為主，對於結構耐久性實際考量缺少定量且精確的控制或檢視方法。為了讓社會大眾有更好的建築品質(安全及耐久性)，現階段各工程於規劃設計上更應注重此因素對混凝土結構所帶來的不良影響。
         (三) 影響耐久性最大的直接原因以混凝土保護層厚度與品質、表面裂縫、內部孔隙和微裂縫連通性以及環境作用因子為主，倘混凝土品質劣化程度受前述原因加劇將使其緻密性變差，致使外部劣化因子及水分易侵入混凝土內部並與之產生化學反應，亦使鋼筋生銹體積膨脹進而造成混凝土開裂進而剝落，除了減少耐久性以外甚至連帶影響安全性。
         (四) 另外目前仍常有部分工程人員對於設計使用年限及設計回歸期到底有何差別存有困惑，在此特別說明設計使用年限和設計回歸期為兩個不同定義的名詞:設計使用年限是指在特定的期間內，建築物僅需進行正常維護無須進行大整修就可依預期目的持續正常使用，滿足安全、使用及耐久性需求；而設計回歸期(地震重現期)則為載重(外力)和時間發生的機率進行統計分析並選擇適當的數值(外力)作為結構設計使用，確保建築結構於使用期間達到該有的安全性能，所以兩者在本質上是不相同的，即使建築物達到設計使用年限時，若平時維護良好結構本身無重大瑕疵仍可維持建築物基本功能而繼續使用。

三、影響結構混凝土耐久性因子

         筆者彙整及結合眾多前輩專家學者資料[3、4]大致上將影響耐久性因素分為材料因子、環境因子以及施工因子進行探討:
(一)材料因子
         1.混凝土
         (1)混凝土為多孔隙複合型材料，內部與表面充滿眾多孔隙及微裂縫，混凝土本身的緻密性將直接影響耐久性，其主要由水膠比、含水量、粒料級配品質及卜作嵐材料添加量等因素控制，若混凝土緻密性差則環境劣化因子易侵入。
         (2)混凝土中的水泥水化後主要形成C-S-H與Ca(OH)2 兩大物質，其中提供主要強度的物質為C-S-H，該物質於高鹼性環境將穩定存在，若當混凝土受中性化影響使得鹼性降低，連帶C-S-H遭受分解並降低混凝土膠結性能與強度。另Ca(OH)2的存在使得混凝土為鹼性環境，其強度低且穩定性差易和水及劣化因子[酸性物質]產生反應，造成孔隙使內部孔隙率增加，進而降低緻密性及密度，加速劣化速度。
         2.鋼筋
         當環境劣化因子由混凝土表面入侵至內部鋼筋時，將破壞鋼筋表面的鈍態保護膜[具有隔絕氧氣與水分和鋼筋接觸的功能]，因鋼筋具大量鐵物質，加上鐵的活性大所以在潮濕環境易氧化成鐵離子並與水結合成Fe(OH)2，最後與氧結合形成Fe(OH)3致使鋼筋體積膨脹數倍，倘氧氣及水分持續侵入混凝土時，將使鋼筋銹蝕面積逐步增多並使影響範圍擴散，最終造成大片銹蝕及混凝土開裂甚至保護層剝落，一般又以乾溼循環交替的環境最易發生銹蝕現象。
(二)環境影響因子
         1.硫酸鹽侵蝕:當結構體所處的環境和具有硫酸鹽物質的地面水、地下水或者是土壤緊密接觸時，將造成混凝土內部成分產生反應使體積膨脹開裂，特別是在具流動性地下水的環境影響最高，主要產生兩種化學作用如下:
         (1)硫酸鹽和Ca(OH)2形成硫酸鈣(石膏)
         (2)石膏和C3A+水形成鈣礬石
         兩種化學反應均使混凝土體積膨脹開裂，後者更為混凝土破碎主因(土中硫酸鹽濃度若大於0.1%時，將影響混凝土品質，當大於0.5%以上時，將有嚴重損害)，限制C3A含量(6-10%)對抑制及抗硫酸鹽侵蝕可大幅提高，另外混凝土膠結材料添加卜作嵐材料亦可防止前述破壞。
         2.中性化影響:
         (1)混凝土內部Ca(OH)2和空氣中的CO2產生反應形成CaCO3並被帶到混凝土表面，使混凝土表面孔隙減少，表面層的抗壓強度及緻密性和電阻率雖有增加，惟將造成混凝土內部PH值大幅降低且孔隙率增加，雖然中性化後混凝土表面層力學性質資料均顯示有所提升，但是當混凝土持續受到環境乾溼循環交替作用、潛變及乾縮效應等，極易使內部裂縫與孔隙擴大並貫通，促使有害因子加速侵入破壞。
         (2)中性化造成混凝土內的鈍態保護膜消失並失去鹼性，鋼筋極易釋出鐵離子並和混凝土中的水與氧依序結合形成Fe(OH)2和Fe(OH)3，產生鋼筋銹蝕體積膨脹混凝土開裂。
         (3)一般混凝土若較緻密或孔隙率較低，則二氧化碳不易侵入混凝土內部，降低中性化影響，若當建築結構身處環境二氧化碳濃度越高[如停車場]的場所，則中性化深度越深。
         3.氯離子入侵:
         (1)當混凝土內的氯離子濃度累積到能使鋼筋脫鈍即稱為臨界濃度，一般而言乾燥環境的臨界濃度比潮濕或乾溼交替的環境來的高，而中性化也將造成氯離子臨界濃度下降，使得鋼筋更易產生銹蝕。
         (2)氯離子半徑小穿透性強，若混凝土中氯離子含量過多將迅速破壞鋼筋表面鈍態膜並形成陽極區，促使鋼筋中的鐵釋出鐵離子，並和氯離子產生反應成FeCl2，最終和混凝土中的水和氧氣結合成Fe(OH)2，並進一步形成體積膨脹數倍的Fe(OH)3，使混凝土開裂保護層剝落。
         (3)氯離子和混凝土中的C-S-H膠體反應形成高溶解性的CaCL2，使該膠體變成多孔性的網狀結構將增加毛細孔，因C-S-H膠體為混凝土主要強度來源，當膠體消失將使混凝土強度降低且緻密性變差。
         (4)氯離子產生的鋼筋銹蝕遠比中性化造成的銹蝕還要嚴重，因為氯離子在鋼筋銹蝕的電化學反應並不會被消耗，故將持續反應造成嚴重的鋼筋銹蝕。
(三)施工因子
         1.混凝土澆置過程中斷形成冷縫或施工縫處理不佳，造成新舊混凝土交界面粘結不良之脆弱面、應力傳遞不佳，以及結構體滲漏水情形。
         2.鋼筋保護層控制不佳:保護層厚度具有高度變異性，於混凝土澆置時不慎擾動鋼筋或是鋼筋綁紮模板組立過程中忽略施工細節等，致使鋼筋保護層不足將使外部劣化因子易侵入混凝土並使鋼筋產生銹蝕，而且一般鋼筋使用年限與保護層厚度平方成正比，當鋼筋保護層若有偏差0.5-1公分，雖對結構極限承載力影響不大，但是對於混凝土耐久性而言影響甚劇；而保護層過多也將造成混凝土易開裂形成劣化因子入侵路徑。
         3.混凝土未確實養護:混凝土本身即為多孔隙材料，倘若未進行適當養護將造成混凝土表面裂縫加深加多，使劣化因子容易侵蝕，故混凝土是否充足養護攸關混凝土品質甚劇。
         4.混凝土裂縫影響:筆者於516期特別針對混凝土裂縫影響已有粗略敘明，裂縫將佔影響耐久性非常大的因素，所以必須特別因應及預防，方才確保耐久性能，依相關資料得知[3]正常極限狀態下允許裂縫寬度在0.3mm以下，若裂縫擴展至1mm將使鋼筋與混凝土間的握裹力喪失，使得結構承載力大幅下降，且相關研究指出當混凝土產生順鋼筋方向脹裂時影響程度更高於垂直鋼筋方向的橫向裂縫，故必須特別注意混凝土塑性沉陷裂縫、順筋及乾縮裂縫等所造成的影響。
         5.混凝土澆置時加水:現在混凝土偷加水最常發生的原因係為了確保混凝土的流動性並使泵浦車泵送順利，惟這將造成混凝土強度大幅降低及嚴重泌水，且在混凝土表面形成薄弱的無強度乳沫，更易產生裂縫使劣化因子入侵。
         6.外牆裝修材劣化損壞:如外牆磁磚材掉落傷人事件，研判原因可能為施工不確實、材料黏著性差或是受到地震、日曬雨淋、材料熱脹冷縮等多重原因，使得外牆磁磚產生剝落，增加劣化因子侵入管道。
         7.防水工程品質影響:目前常發生屋頂防水失效造成建築物屋頂漏水情形，因建築物屋頂或外牆長期受到日曬雨淋，強烈的膨脹與收縮效應造成無論是防水材料或是混凝土本身所遭受的的影響就比其他結構單元來的多，若施工細節未注意或疏忽就會發生防水失效進而使建物滲漏情形。

四、耐久性預防及因應對策

         為確保結構耐久性能，使建築物於設計使用年限內維持基本性能，相關的事前準備或因應對策經筆者蒐集資料[5]及結合現場經驗後提供如下說明:
(一)規劃設計階段
         1.良好且耐震的結構設計:確保承受預期的地震力作用時，建築物仍保持應有的狀態不致有所損傷。
         (1)材料強度選用:結構混凝土與鋼筋材料強度配合發揮效用，達到最大工程效益，儘量控制兩者差異不小於1/15。
         (2)結構構件細部配置與檢討:鋼筋配置方式、搭接位置與錯開距離、接頭區錨定與續接器配置規定、結構尺寸退縮鋼筋檢討等，門窗或開口與角隅處設置補強鋼筋，最後檢討施工可行性及衝突，確保現場易於施作，如此才可確保品質有所保障。
         (3)結構系統合理性:結構平立面規則與否、結構配置是否均勻對稱、高寬比、長寬比、軟弱層檢核、強柱弱梁落實並檢核短柱與短梁等，避免應力集中導致混凝土損壞。
         2.建築配置部分應避免環境劣化因子容易堆積(如屋頂洩水波度不佳造成積水或窗台洩水坡度不順)最終侵入混凝土結構內；另外結構體層間縫處理方式或伸縮縫設置位置易造成滲漏水情形，除了基本的留供建築變形空間以外，亦注意所採用材料的耐久性能與防水、導水作業。
         3.依據結構混凝土設計規範中針對不同暴露等級(凍融、硫酸鹽、與水接觸、鋼筋腐蝕)選擇不同水膠比、抗壓強度、附加要求(水泥類型、添加卜作嵐或氯離子等)進行耐久性設計，設計流程如下:
         (1)確定設計使用年限、環境影響因素及等級
         (2)選擇減輕環境作用的結構配置和構造
         (3)混凝土和鋼筋等材料強度與耐久性要求(如保護層厚度、鋼筋則視混凝土結構暴露環境進行要求與限制)
         (4)裂縫控制方式(詳拙著516期剖析近年混凝土裂縫情形以及預防對策供參)
         (5)合理防水措施與防腐蝕方式
         (6)使用階段維護及檢查
         4.良好的級配粒料:在混凝土配比設計上選擇優良級配將可提高混凝土強度及水密性並減少孔隙率，降低有害因子侵入，另相關研究指出應避免選擇粒徑過大的粒料(1英吋以上)，將造成粒料與水泥漿體過渡界面間的微裂縫增加，使滲透性增大。
         5.落實配比設計檢討機制:選擇最符合工程特性所需的配比條件，如坍度、水膠比、用水量及卜作嵐材料取代率等，以作為配比設計的依據，而非採用混凝土抗壓強度最高的配比方式。另外對於材料的品質亦不能馬虎，應要求廠商檢具相關試驗資料佐證材料品質無虞，施工過程中依混凝土施工規範定期進行混凝土配比設計檢討及調整，以30組混凝土強度計算標準差與平均抗壓強度後，審慎評估是否須重新進行配比設計調整，應力求混凝土抗壓強度更趨近於合理數值，避免抗壓強度大幅偏離設計強度而產生不預期性裂縫及結構脆性破壞，確保建築結構更安全耐久與保障。
         6.混凝土適時添加卜作嵐材料，依眾多研究明確表示將可有效提升混凝土緻密性及耐久性，讓外部劣化因子不易入侵混凝土，惟取代率仍必須有所控制避免造成反效果，依工程實務經驗一般建築工程建議控制取代率30%以內，主要係考量取代過多將造成早期強度過低，除易造成早期裂縫產生以外亦影響拆模時間，經試驗得知替代率約20-30%時，對強度、彈性模數、電阻性、緻密性、抗腐蝕性最佳；因應建築結構身處的自然環境選擇適當的水泥種類，依施工規範02391章中的卜特蘭水泥種類及用途參考表內容，選擇適當種類進行使用。

         7.建築修飾材料或塗料應採用耐候型，避免因日曬雨淋或氣候因素導致材料劣化。
         8.鋼筋防腐蝕方式可採鍍鋅、樹脂鋼筋及不銹鋼，使鋼筋表面多一層保護避免遭腐蝕，或採用陰極防護方式亦可。
         9.依建築工程特性以及建築物身處自然環境選擇適當的防水工法(含導排水)，並於施工作業時確實依規範要求執行並落實抽查驗作業。
         10.訂定建築物定期維修或使用計畫，切勿有建築物興建完畢後就能高枕無憂不做任何維護作業且一勞永逸的想法。參考內政部營建署頒布「社會住宅規劃設計興建及營運管理作業參考手冊」中第八章節針對不同耗損程度建築或是建築裝修分項均有不同需檢查或維護年限，並以全生命週期概念將相關維護費用編入總工程經費裡供後續維管單位使用。

(二)施工階段:
         1.施工前落實設計圖說衝突檢討(土建及機電)並依規定提出可供現場施作的施工圖，檢討現場施工可行性與介面問題。
         2.落實混凝土澆置計畫，確保施工過程人員、機具調度順利，避免產生泵送不及產生冷縫，且於施工過程派專員進行檢查鋼筋及保護層墊塊是否偏移或漏掉，嚴禁澆置過程中偷加水情形。
         3.施工階段應連續澆置不可隨意中斷，澆置前須將澆置之分層、分段或分區詳列於澆置計畫中，以及臨時性施工縫處理措施等，均應詳加準備。
         4.施工中以多次並分段加強澆置前與澆置中鋼筋位置檢查，可減少施工改善耗費的程度。並於拆模前確保混凝土達到一定強度後才同意拆模，避免混凝土強度不足產生裂縫。(現實施工環境混凝土於各構件中不論水膠比或抗壓強度、保護層厚度都有高度隨機離散性)
         5.混凝土澆置後若發現保護層厚度不足時，必須研擬處置方式，是否增加外裝修材料或是相關防水塗層等，尤其是戶外結構構件，藉以確保混凝土耐久性；另外保護層過厚除導致結構承載力受影響外，將使混凝土表面易有裂縫產生。
         6.防腐蝕鋼筋施工細節更為重要，若鋼筋表面塗層一有損壞或脫落則必須進行修補。
         7.混凝土材料要求:
         (1)對需具備中度抗硫環境時水泥中C3A含量≦8%，水泥細度一般≦3,500cm2/g，另水泥的含鹼量亦不宜超過水泥質量的0.6%。
         (2)避免使用過高的水膠比以及用水量，易有泌水及表面收縮裂縫產生。
         (3)粒料儘量以吸水率及孔隙率低為主，粗粒料則不大於1%，用於腐蝕環境時最大粒徑≦2.5公分；細粒料含泥量≦3%，粗粒料含泥量≦1%。
         (4)若有使用外加摻料必須提供額外試驗資料、產品佐證文件供審查無誤後使用，確保材料來源品質無虞。
         8.混凝土現場澆置前檢核混凝土出貨單是否符合要求以及澆置時必須充分搗實，於豎向構件澆置時應採分層澆置間隔約30~50公分，以間歇式連續進行，讓混凝土更密緻並填充至各角落。
         9.混凝土澆置後於初凝及終凝前分別進行整平修飾與整體粉光，確保混凝土表面品質，最後確實執行養護作業，務必確保養護期足夠，若有添加卜作嵐材料則必須適當延長養護期間，可參考工程會頒布公共工程使用飛灰混凝土作業要點，並避免提早拆除模板。
         10.結構柱、牆混凝土抗壓強度不同於梁與板時，應在交界區採分隔方式，分隔位置應設在低強度構件中並距高強度構件邊緣至少50公分以上，澆置時應優先澆置高強度構件再低強度構件。
         11.開口補強鋼筋位置控制距開口處5公分內、施工原則採一次性澆置[特別是具防水需求部分，如頂樓板與女兒牆泛水一併澆置確保整體性]、門窗框洩水坡度並確實填縫、層間縫防滲處理及滴水線要求等。

五、結論

         (一)建築物是民眾重要的財產也是安身立命的處所，結構耐久性的重要性已不可言喻，近年國內設計規範也逐漸編制專章並由各工程單位所採用，耐久性影響層面有時甚至將超過安全性的要求，對於混凝土結構材料本身的耐久行為及影響必須予以重視，目前規範採定性的要求耐久性能，後續亦可依工程重要性訂定定量標準，如表面電阻率及氯離子擴散係數等規定更能真實體現混凝土耐久性能，確保結構物在腐蝕環境中仍可保有其該有的使用年限。
         (二)政府於2022年宣示2050淨零排放總體目標，除致力減碳，亦將淨零視為國家未來經濟的新成長動能，在目前我國轉型策略中的產業轉型的建築營造業項目，其中就有特別設定減碳工法需達成循環經濟與建築延壽的目標。因營建產業所佔的碳排比例甚高，無論是在源頭材料選擇及生產或是施工階段的工法，以及最後的使用階段，均有大量的碳排放，所以對於營造業來說提高建築物耐久性恰與淨零排放的目標相符，良好的耐久性能意味著可延長建築物使用年限並減少較大規模的修繕作業，降低資源浪費，並強化營造產業對於減碳的重視與要求。
         (三)近年普遍工程所遭遇到的混凝土強度趨強性(現場施工階段)，將連帶增加混凝土水化溫度，提高裂縫生成機率，這也是目前現場常見不可預期事項，而有時為了追求施工進度、壓縮工期，再加上養護期不足等影響下，耐久性變差已是可預期的，使得建築結構剛性與強度降低、建築撓度增加、加速混凝土中性化、硫酸鹽反應和鋼筋銹蝕等不良影響，為安全性帶來嚴重隱患，身為土木工程師本就應以自身專業確保業主權益，重視混凝土耐久性能才能確保社會大眾有安全且耐久的避風港。
         (四)以往一般工程常注重興建而疏於維護，當處於嚴重腐蝕環境時的建築物更必須重視，避免產生不必要的資源浪費，為了使建築物在設計年限間有良好的使用狀況，必須有認知，於使用期間仍需進行相關定期維護或保養的措施，目的就是為了確保主體建築結構的壽命可達到應有的水準，不應該有建築物興建完畢後就無須進行相關為護措施就可永久使用一勞永逸的想法，所以為落實建築全生命週期的概念，除了所需經費應自規劃、設計、施工以及使用階段的維管費用均需一併納入考量。

參考文獻

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2.美國混凝土學會，耐久性混凝土指南，2016年11月23日
3.邢峰，混凝土結構耐久性設計與應用，2011年8月1日
4.劉賢淋，混凝土結構耐久性問題之探討，2021年9月
5.陳肇元，混凝土結構安全性耐久性及裂縫控制，2013年4月