談鋼筋混凝土構材之耐久性設計

一、前言

常有工程師提問：『若混凝土表面施作防腐蝕塗布時，是否仍須依現行「混凝土結構設計規範」第13.6節表13.6.1之規定，設計鋼筋保護層厚度？』。此問題可能渉及工程履約爭議、或節省工料成本之事宜。例如，若構材斷面尺寸為固定，保護層厚度加大，則將會減小構材可承受彎矩之有效深度；若構材斷面承受彎矩之有效深度為固定，則加大保護層厚度，將會増大構材斷面尺寸及靜載重。現行「混凝土結構設計規範」第13.6節之解説中敍明，「受風雨侵襲情況」，係指直接暴露於濕度變化及溫度變化處。因此據以認為，該規範表13.6.1中所稱「與海水或腐蝕性環境接觸者」，應係指「直接接觸海水或直接接觸腐蝕性環境」，並認為其用意應可由現行「公路橋梁設計規範第7.1.5節第3款及第12章之内容、ACI-318、ACI350相關章節與解説，及ACI350.2R、ACI357R等加以佐證：若『若混凝土表面施作防腐蝕塗布時』，即屬未直接接觸海水或未直接接觸腐蝕性環境，與規範要求之混凝土保護層厚度等效，可保護鋼筋避免氣候影響，因此應可減小鋼筋保護層厚度。筆者提出探討，供工程師參考，不當之處，亦請工程先進不吝指正。

二、鋼筋所需混凝土保護層厚度

所謂鋼筋保護層，係以混凝土或其他材料用來抵禦氣候與其他因子侵蝕鋼筋，其量測方法為從混凝土表面至鋼筋最外緣之距離。混凝土保護層厚度，依結構構材之類型而有不同規定，當橫向箍筋圍繞著主筋時，則量測混凝土保護層厚度至箍筋，或繫筋或螺箍筋之較外側邊緣。若無箍筋或繫筋，且不止一層主筋時，則量測至最外層主筋外緣之距離。對於後拉預力鋼腱而言，則量測至金屬端部配件或管路套管外緣之距離。對於擴頭鋼筋而言，則量測至頭部之最外緣。

「暴露於大氣或與地表接觸」之情形，係指直接暴露於溼氣改變及溫度改變之環境中。樓版的底面通常被認為不會直接暴露大氣，除非因冷凝作用、或從直接暴露大氣之樓版頂面經由裂縫直接滲漏、或類似作用所造成之乾溼交替。混凝土樓版的裝修及粉刷層，雖然非為結構目的，但若確定不會發生剝落而導致減少保護鋼筋厚度及功能者，應可視為具有如同鋼筋保護層或防火披覆之功能。惟鋼筋之混凝土保護層厚度，亦為計算鋼筋伸展長度之函數，屬結構安全之目的，因此為了符合計算伸展長度之需求，混凝土保護層最小厚度，仍應符合「混凝土結構設計規範」對於鋼筋保護層之混凝土最小厚度值之規定。

鋼筋之混凝土保護層厚度之規定，分為（1）場鑄無預力混凝土構材之鋼筋混凝土保護層厚度；（2）場鑄預力混凝土構材之鋼筋、套管及端部配件之混凝土保護層厚度；（3）於廠內生產之預鑄無預力或預力混凝土構材的規定混凝土保護層厚度；（4）深基礎構材之規定混凝土保護層厚度，等四種規定。其中有關場鑄非預力混凝土構材之鋼筋混凝土保護層厚度之規定如下：

1、貼地澆置及永久接觸地面之混凝土：保護層厚度為75mm。

2、暴露於大氣環境或接觸地面之混凝土：D19至D57鋼筋：50mm；D16以下者：40mm。

3、不暴露於大氣環境或不接觸地面之混凝土：樓版、小梁和牆D36鋼筋及以下號數者20mm；梁、柱、柱墩和拉力桿之主筋、肋筋、箍筋、螺箍筋及閉合箍筋：40mm。

4、與海水或腐蝕性環境接觸者：100mm。

5、永久接觸地面之混凝土，未受鋼管樁、預埋管模或穩定岩盤包覆者：75mm。

6、受鋼管樁、預埋管模或穩定岩盤包覆者：40mm。

註：束筋係以等效直徑決定混凝土保護層厚度。等效直徑，係指與成束鋼筋斷面積相等之單根鋼筋直徑。束筋之規定混凝土保護層厚度，應至少為束筋的等效直徑與50mm，取二者之較小値。且貼地澆置及永久接觸地面之混凝土，其規定混凝土保護層厚度須為75
mm。

三、腐蝕環境分類

腐蝕環境暴露分類，分為(1)暴露類別F；(2) 暴露類別S；(3) 暴露類別W；(4) 暴露類別C。分別説明如下：

(1) 暴露類別F：適用暴露於反復潮濕與凍融環境，不論有無使用除冰化學藥劑之混凝土。

暴露類別F之混凝土是否會受凍融循環損害，視混凝土凍結時空隙內之水量而定(Powers 1975)。此水量可用混凝土飽和度表示，若飽和度够高，混凝土孔隙中水量足以結凍膨脹，產生內張應力造成混凝土開裂，不需要整個構材全部飽和才會受損，例如，版之頂層10 mm或牆之外層6 mm呈飽和狀態，不論內部多乾燥，此版頂或牆外層部分易受凍融損害。對於任何需要抵抗凍融之部位，混凝土需有足夠輸氣量與強度，藉低w/cm以獲得適當強度，也減少孔隙體積與增加抵抗水進入之能力；輸氣可使混凝土較難逹到飽和，並容許水結凍時有膨脹空間。

暴露分級隨著暴露於水之程度而改變，因其影響凍融循環時混凝土飽和之可能性。長期或經常接觸水且無排水或乾燥機會，是增加混凝土飽和度潛勢之條件。構材中混凝土飽和之可能性，與工程地點、構材在結構中之位置、方位及氣候有關。既有結構中概略相同位置之類似構材性能紀錄，可提供暴露分級指引。

暴露類別F次分為四種分級：

(a) F0級暴露，為非暴露於反覆凍融之混凝土。

(b) F1級暴露，為受反覆凍融但受潮有限之混凝土。受潮有限係指混凝土與水有某些接觸與吸水，但不預期會吸收足夠之水而呈飽和狀態。設計者宜謹慎檢視冰凍前混凝土有無飽和之虞。即使在此分級之混凝土不預期會飽和，仍需要最低輸氣3.5至6，以降低萬一因部分混凝土構材飽和而受損之機會。

(c) F2級暴露，為受反復凍融且經常暴露於水之混凝土，其中「經常暴露於水」意指部分混凝土會在結冰前吸收足够水量而呈飽和狀態。若指定F1級與F2級有疑慮時，得選用較保守之F2級。F1級與F2級不預期會暴露於除冰化學藥劑之環境。

(d) F3級暴露，為混凝土受反復凍融，受潮條件與F2級暴露相同，但預期會暴露於除冰化學藥劑，該藥劑會增加吸水和留存水分(Spragg等人2011)，使混凝土較迅速飽和。

(2) 暴露類別S：適用於接觸含有害量水溶性硫酸根離子土壤或水之混凝土。

暴露類別S次分為四種分級：

(a)S0級暴露，適用於接觸低濃度水溶性硫酸鹽，不需考慮硫酸鹽侵蝕之條件。

(b)S1、S2與S3級暴露，適用於直接接觸到含水溶性硫酸鹽土壤或水之結構混凝土構材。暴露之嚴重程度由S1級遞增至S3級，以土壤中所量測之水溶性硫酸鹽濃度或水中溶解硫酸鹽濃度之臨界值為依據。土壤中硫酸鹽之質量百分比應依ASTM C1580測定。水中溶解硫酸鹽之濃度ppm應依CNS 1237測定。海水環境列為S1級暴露。

(3) 暴露類別W：適用於接觸水之混凝土。

暴露類別W次分為三種分級：

(a) W0級暴露，適用於乾燥環境。

(b) W1級暴露，可適用於連續接觸水、斷續水源或可由周圍土壤吸收水分之環境。指定W1之構材不需要具低滲透性的混凝土。

(c) W2級暴露，可適用於連續接觸水、斷續水源或可由周圍土壤吸收水分及水滲入混凝土可能降低構材之耐久性或服務性之環境。指定W2之構材需要具低滲透性的混凝土。

(4)暴露類別C：適用於需要額外防蝕保護之暴露條件，以抵抗鋼筋腐蝕之非預力與預力混凝土。

暴露類別C次分為三種分級：

(a) C0級暴露，適用於不需額外防蝕保護鋼筋之條件。

(b)C1與C2級暴露，適用於非預力和預力混凝土構材，依暴露於外界之濕度與氯離子濃度而定。暴露於外來氯離子之例子，包括混凝土直接接觸除冰化學藥劑、鹽、鹽水、微鹹水、海水，或此等之潑濺水。

四、特殊腐蝕環境

在腐蝕環境或暴露於其他極端條件下，規定混凝土保護層厚度則應適度提高。對混凝土部分，應滿足腐蝕環境暴露類別之規定，或採行其他有效之保護措施。對於腐蝕性環境內或嚴重暴露情況下，混凝土保護層厚度需適量增加，並注意其混凝土之密實度，或採取適當之保護措施。當混凝土結構在使用過程中可能暴露於外在氯鹽環境時，諸如：去冰鹽、鹽水、海水、或含這些氯鹽的霧氣環境，則混凝土宜經配比設計，以滿足適用暴露等級之要求，包括最大w/cm、普通混凝土及輕質混凝土之最低強度、及混凝土中最高的氯離子含量等規定。另外，為預防腐蝕，建議牆及樓版鋼筋之規定混凝土保護層厚度，不宜小於50 mm，而其它構材不宜小於65 mm。若為於廠內控制條件下所生產的預鑄混凝土構材，則牆及樓板的規定混凝土保護層厚度，不宜小於40 mm，其它構材不宜小於50 mm。

熱浸鍍鋅鋼筋(CNS 14771)、環氧樹脂塗布鋼筋(ASTM A775及A934) 和鍍鋅與環氧樹脂雙層塗布鋼筋(ASTM A1055)，常被應用於須特別考量鋼筋腐蝕防治之工程中，如停車場結構、橋梁結構和其他具高腐蝕環境下之工程。混凝土中添加腐蝕抑制劑，可減緩混凝土中鋼材腐蝕時間。腐蝕抑制劑之效能試驗，依照ASTM G129之規定辦理。混凝土添加腐蝕抑制劑後，不應影響混凝土基本性質，其抗壓、抗彎強度依AASHTO M194之規定，不得低於未添加者混凝土強度之90%。

混凝土構件若長期直接受到水分滲入之影響時，可於混凝土表面施作適當防護措施，以降低水分及氯離子之侵入。此種混凝土表面處理，包含防水膜、表面塗封劑或滲透型塗封劑。

五、鋼筋的耐久性設計考量

理論上鋼筋保護層厚度設計的考量，除了以混凝土或其他材料，用來抵禦氣候與其他因子侵蝕鋼筋，維持鋼筋的耐久性考量外，混凝土保護層厚度，亦須考量不同結構構材或不同類型而有不同。混凝土樓版的裝修及粉刷層，雖然非為結構目的，但若確定不會發生剝落而導致減少保護鋼筋厚度及功能者，仍可視為具有如同鋼筋保護層或防火披覆之功能。在化學工場亦常有使用耐酸磚(泥)，保護混凝土貯酸池抵抗酸液腐蝕；或煙囱亦有採用耐酸磚(泥)，保護混凝土煙囱壁，以防混凝土中性化或結晶水散失的作法。對基礎底面整平使用之約10cm厚墊底層，結構工程業界亦公認為有改變結構體所接觸環境的功效，而採用「不暴露於大氣環境或不接觸地面之混凝土」之規定，且行之有年。因此除了對鋼筋本身進行環氧樹脂塗布或熱侵鍍鋅等措施，對鋼筋抵禦氣候與其他腐蝕因子侵蝕有助益外，在混凝土表面進行表面塗布，就如同基礎底面整平墊底層混凝土一樣，亦可有效提升鋼筋耐久性。惟混凝土表面進行表面塗布材料，本身之耐久性及耐磨耗性也須加以考量。另外，較厚之混凝土保護層厚度，可能容易産生撓曲裂縫，而降低保護鋼筋的效果或耐久年限。混凝土的配比摻劑及拌合水用量（水膠比），也是影響耐久性所需考量的因素。惟鋼筋之混凝土保護層厚度，亦為計算鋼筋伸展長度之函數，屬結構安全之目的，因此為了符合計算伸展長度之需求，混凝土保護層厚度，仍應符合「混凝土結構設計規範」，對於鋼筋保護層之混凝土最小厚度值之規定。

六、結語

綜上探討，耐久性設計要求，為結構達到設計年限所需之最低要求，設計中可根據工程的特性、當地的環境條件與工程經驗，以及具體的施工條件等條件而適當調整。在腐蝕環境中，若採保護層基本需求厚度，再輔以鋼筋塗布或混凝土表面塗布，或添加阻銹劑、防裂纖維等，除可保護鋼筋抗腐蝕外，亦可抑制混凝土産生裂縫的機率減減小裂縫寛度；對受撓構件，尚可能因増厚保護層厚度，反而増大發生撓曲裂縫的機率，也會導致腐蝕因子更容易滲入内部。混凝土表面施作防腐蝕塗布，必然有助於鋼筋保護層厚度減小。但決定鋼筋保護層的厚度，除了以上因素外，尚須考慮結構物預期使用年限，結構物的重要性、結構物受力型態，結構材料及耐蝕特性、避免濕氣聚集及鹽份附著或排除之能力、腐蝕環境類別與作用等級、抗腐蝕材料隔絕性之最新發展及其驗證資料、多重保護分散風險，預期工址環境之施工品質，以及可修復性或維修檢査方式及可行性。因此鋼筋保護層的厚度的決定，除了設計規範的規定外，須頼設計工程師依據專業素養及工程專業判斷，考量權衡利弊得失作最佳的設計。

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