第1370期- 增加水泥混凝土耐久性之策略觀

一、前言

然而,影響水泥混凝土使用績效及品質的重要致因,除了強度值之外,尤以耐久性最為重要。大部份的從業人員,均僅著重於強度值,而輕忽了耐久性之必要性。

水泥混凝土耐久性之定義,係指水泥混凝土構造體,能夠抵抗自身及自然環境多重因素之長期持續破壞作用的能力、及保證其經久耐用之能力,當使用壽命愈長,亦表示其耐久性愈佳。

因此,在許多的設計圖說總則篇與施工規範中之規定項目,均係針對水泥混凝土之耐久性問題而訂定標準值。因此若檢(試)驗結果,不合格時,該材料遂被拒絕採用,實乃顧慮水泥混凝土日後耐久性不足。至於強度值,則非首要考量之項目。

二、增加水泥混凝土耐久性之策略

有關增加水泥混凝土耐久性之策略,分述如下:

1.粒料級配

一般而言,施工規範皆規定水泥混凝土粒料級配之使用篩號、或僅規定最大篩號之粒徑尺寸,然而在選定級配時,應選擇優良級配,則其耐久性一定優於均勻級配及跳躍級配。

2.粒料粒徑

在選定優良級配之前提下,進一步選定較大粒徑之粒料。一般而言,大粒徑之粒料耐久性優於粒徑較小者。惟最大粒徑仍以2"(5cm)為限,並非允許無限制放寬最大粒徑之標準值。

3.粒料硬度

一般來說,粒料硬度越高,表示其可抵抗自然環境較嚴重之侵蝕作用,則構造體之耐久性愈佳。至於硬度的表示方式,一般係以洛杉磯磨損率試驗值為基準,其值愈低,則表示粒料之硬度愈高。

4.粒料健性

將粒料置入硫酸鈉或硫酸鎂水溶液中進行健性試驗,當其試驗值愈低,則表示粒料具備較佳之健性,致其耐久性亦較佳。

5.水灰比

水灰比定義,為拌和用水重量(W)與使用水泥重量(C))之比值(W/C),當水灰比值愈低,則表示水泥混凝土具備較佳之耐久性。亦即若使用過多的拌和用水量,並不利於耐久性。

6.水膠比

水膠比定義,為拌和用水重量(W)與(使用水泥及其他膠結材料)(C+P)之比值【W/(C+P)】,當水膠比值愈低,則表示水泥混凝土具備較佳之耐久性。亦即若使用過多的拌和用水量,亦不利於耐久性。

7.粒料級配用砂率

用砂率(S/A)定義,為水泥混凝土粒料級配中之細粒料重量(S)與粗粒料重量(A)的比值百分率【(細粒料重量/粗粒料重量)x100%】。至於粗、細粒料之分界,則以No.4(4.76mm)篩為分界篩號。一般而言,用砂率值越高,則表示其耐久性越佳。若以抗壓強度機制而言,其用砂率規定值為(32%±5%),以抗彎強度機制(限剛性鋪面)而言,其用砂率規定值為(40%±5%)或(42%±5%)。可見水泥混凝土若擬使用於剛性鋪面時,其用砂率之規定值,較諸其他抗壓強度機制之構造體者,高出許多且嚴格。

8.坍度

一般而言,在相同強度值之前提下,低坍度值之水泥混凝土的耐久性將優於高坍度值者。惟在實務上,施工單位為增加工作性,乃一味地增加坍度值,以遂行其澆置作業之順暢性,殊不知此一行徑,雖不至於損及強度值,但是卻嚴重戕害了構造體之耐久性。更何況由水泥混凝土坍度值的問題,更可以明白看出其強度值與耐久性之間的最大分野之處,即在於高坍度值不會因而降低強度值,然而卻一定會傷害到耐久性。

9.鋼筋保護層厚度

為防止鋼筋受侵蝕或是腐蝕損壞,應設計並施作鋼筋之最小保護層厚度值,以增加構造體之耐久性。

10.水泥混凝土與鋼筋之握裹力

採用適當的坍度、水泥用量、竹節鋼筋及必要的鋼筋保護層厚度值,乃為增加水泥混凝土與鋼筋之握裹力之必要條件,同時,也增加其整體之耐久性。

11.鋼筋做防腐或防蝕處理

鋼筋做防腐或防蝕處理,當然就會增加鋼筋本身的耐久性,進而增加構造體之耐久性。同時,此一鋼筋防腐或是防蝕之處理措施,應以不損及水泥混凝土與鋼筋間之握裹力為前提。

12.氯離子濃度

應依照CNS 3090【參考文獻(1)】之規定,檢驗水泥混凝土中之氯離子濃度不得超過上限值0.15kg/m3,藉以控制鋼筋腐蝕現象及保障結構體之耐久性。

13.空氣含量

水泥混凝土為維持良好的耐久性,在澆置完成後,應維持大約4%之空氣含量。一般須配合使用坍度值≦15cm及適當且充分的搗實作業,以完成此項目標【參考文獻(2)】。

14.水泥種類

配合水泥混凝土構造體位處於不同的大氣環境,宜個別選用不同的水泥種類,例如:靠近海邊或具侵蝕性環境下時,則應選用Ⅱ型低抗硫水泥,甚或是Ⅴ型高抗硫水泥。若使用於剛性鋪面時,依據設計準則規定,則一律皆須使用Ⅱ型低抗硫水泥。

15.適當水泥用量

水泥材料乃為水泥混凝土中重要且必要之黏結材料,一般施工規範皆會規定:每立方公尺水泥混凝土中之最大水泥使用量。表示水泥用量如果過少,將降低水泥混凝土之黏結性能以及其與鋼筋間之握裹力;如果使用水泥過多,則亦易於衍生裂縫之損壞狀況,而構造體表面一旦可見裂縫狀況,則水氣及侵蝕性氣體易由裂縫處滲入內部,將使鋼筋易於生鏽或拱漲,進而降低鋼筋與水泥混凝土間之握裹力,並損害到構造體之耐久性。

因此,設計工程師應在最大水泥用量內及最大水灰比或最大水膠比之間,透過配合設計準則試驗,進一步求得適當的水泥用量值及水灰比值或水膠比值。參考文獻(3)尚述及:『為顧及持(耐)久性,使用於水中之水泥混凝土,其水泥之最少使用量應為400kg/m3。』

16.充分搗實

水泥混凝土材料澆置於既定位置後,必須透過自流性或是攤平作業,將其平均佈設於各構造體模板內。同時尚必須利用充分搗實之作業,以避免混合料中產生結塊、孔洞及蜂窩現象,並力求角隅處免於衍生灌漿不實之情形,以及正常斷面切勿產生粒料析離之情事,進一步可提高構造體表面之緻密性及減少透水性。均有助於提升構造體之耐久性。

17.養護作業

水泥混凝土完成澆置及攤平及搗實作業以後,應立即進行養護作業。一般仍然以覆蓋麻布袋及配合灑水28天之措施為主,部分工程允許使用液膜養護劑予以養護,方能保障耐久性。現階段施工規範大部分皆規定:『灑水不得少於7天。』【參考文獻(4)】,因此施工單位依照規範辦理養護之時間,若未達到28天,使得完工後之結構體常見諸多裂縫。

18.剛性鋪面應符合最小厚度設計值之規定

使用於直升機停機坪者之最小厚度設計值應為13cm;其他機種及一般道路者之最小厚度值則應為15cm【參考文獻(5)】。若考量現場及環境因素之負面影響,筆者建議:一般皆以20cm做為剛性鋪面最小之設計厚度值,如此作為方能避免剛性鋪面衍生斷裂性損壞之情事,以維持其應有之耐久性。

19.防風措施

許多施工單位針對大面積曝露之水泥混凝土表面的養護作業,僅以灑水之方式予以養護,並未覆蓋麻布袋、稻草或其他適當之材料予以披覆,如此行徑,則水泥混凝土表面在強風吹拂之下,一定衍生嚴重裂縫之損壞狀況。因此水泥混凝土表面之防風措施應配合養護作業同時進行,兩者缺一不可。

20.避免泌水現象

水泥混凝土澆置完成後,在養護期程中應隨時檢視並避免產生表面泌水之現象
導致水泥混凝土降低其與鋼筋之握裹力及其表面耐久性、表面龜裂、抗風化及抗侵蝕之能力。

同時,水分的上浮,在構造體內形成泌水通道,亦即產生大量自底部向頂部發展之毛細管通道,此類通道,勢必增加了水泥混凝土的滲透性、水分和鹽溶液以及有害物質容易進入水泥混凝土之中,進而損及其耐久性。

若剛性鋪面產生泌水現象,則此類泌水,將使其表面之水灰比值大增,並出現表面浮漿,硬化後之表面強度極低。同時,亦不利於剛性鋪面之表面耐磨性能,故泌水現象勢必大幅戕害剛性鋪面之耐久性。故從業人員應極力避免水泥混凝土表面產生泌水現象。

21.避免粒料析離

當粒料級配之配比不當、水泥用量過少、坍度值過大、澆置落距過高、以及添加過多的輸氣劑等原因,皆為造成粒料析離之致因。

水泥混凝土一旦衍生析離現象,則其水密性能降低、強度及耐久性亦隨之降低。同時粗、細粒料之界面,亦不利於提供充分的抗震性能。

因此,選定優良級配、適當水泥用量、較低坍度值、適當的澆置落距(≦1.5m),以及添加適當的輸氣劑,乃為克服粒料析離之不二法門。

22.使用附加劑

參考文獻(3)述及:『冰凍地區剛性鋪面的水泥混凝土,一定要使用輸氣附加劑,以保障其持(耐)久性。』

23.強度

美國FAA【參考文獻(5)】規定:水泥混凝土28天材齡之抗彎強度值必須大於600psi,以免影響水泥混凝土剛性鋪面版塊之耐久性。
惟增加水泥混凝土強度值之舉措,並非增加其耐久性之策略。

三、結語

綜上所論,讀者們當知控制水泥混凝土耐久性的策略相當繁複且各項策略之間亦具相關性,不但相輔相成,又互為因果關係。因此,各從業人員均應詳細了解箇中梗概,並充分應用於工程實務中,以免貽害工程品質。

參考文獻

1.中華民國國家標準CNS 3090(2015)。〝預拌混凝土〞。

2.廖肇昌譯(1988)。〝混凝土配比與控制〞,民全書局有限公司。

3.吳學禮編著(1996),〝鋪面、材料工程實務〞,詹氏書局。

4.行政院公共工程委員會施工綱要規範(2019)。〝第03390章:混凝土養護〞,完整版第V6.0版。

5.Federal Aviation Administration AC 150/5320-6C(1978).〝Airport Pavement Design and Evaluation〞.

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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