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研究生: 沈仁宗
Jen-Tsung Shen
論文名稱: 混凝土中性化環境下鋼筋腐蝕電流預測模式探討
Discussion on prediction model of corrosion current for steel bars in neutralization of concrete
指導教授: 邱建國
Chien-Kuo Chiu
口試委員: 許鎧麟
Kai-Lin Hsu
王韡蒨
Wei-Chien Wang
鄭敏元
Min-Yuan Cheng
邱建國
Chien-Kuo,Chiu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 132
中文關鍵詞: 二氧化碳擴散中性化水分擴散氧氣擴散鋼筋腐蝕速率
外文關鍵詞: Carbon dioxide diffusion, Neutralization, Water diffusion, Oxygen diffusion, Steel bar corrosion rate
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  • 鋼筋混凝土建築物在其生命週期中,會因天然因素或人為因素造成混凝土及鋼筋產生劣化及腐蝕,使安全性下降及使用年限降低。而對於使用一段時間的鋼筋混凝土建築物須評估其使用性及其安全性能,因此須利用初步評估來評判該鋼筋混凝土建築物是否產生劣化或是安全性能有無下降等。本研究針對預測二氧化碳擴散造成的混凝土中性化深度及中性化、水分擴散及氧氣擴散造成之鋼筋腐蝕速率推估。首先考慮鋼筋混凝土結構物所在地的環境條件及使用時間,使用預測模型計算出混凝土內部剩餘的氫氧化鈣濃度進而計算其中性化深度。接著,考慮混凝土劣化因素及結構物所在地的環境條件,計算混凝土內部含水量,再利用此含水量計算氧氣擴散及混凝土電阻率,進而計算於該劣化現象下之鋼筋腐蝕速率,搭配現地實測值建議由何種劣化所得之腐蝕速率主控。將上述整合成一評估系統,可不需由破壞檢測得到鋼筋混凝土內部之腐蝕概況,可讓工程師在初步評估前能了解當時鋼筋混凝土結構物內部腐蝕速率,進而判斷是否須進入更加詳細之評估或補強。


    In the life cycle of reinforced concrete buildings, concrete and steel bars may be deteriorated and corroded due to natural or human factor, resulting in reduced safety and service life. For reinforced concrete buildings that have been used for a period of time, their usability and safety performance must be evaluated. Therefore, preliminary assessments should be used to judge whether the reinforced concrete buildings are deteriorated or whether safety performance is deteriorated. This study is aimed at predicting the depth of neutralization of concrete caused by carbon dioxide diffusion and the estimation of the corrosion rate of steel bars caused by neutralization, water diffusion and oxygen diffusion. Firstly, considering the environmental conditions and time of use of the reinforced concrete structure, the prediction model is used to calculate the residual calcium hydroxide concentration inside the concrete and the neutralization depth. Furthermore, by considering the concrete deterioration factor and the environmental conditions of the structure, the internal water content of the concrete can be calculated which can be used to determine the oxygen diffusion and the concrete resistivity. and then calculate the corrosion rate of the steel bar under the deterioration phenomenon, with the real measured value suggestion the corrosion rate obtained by which deterioration controlled. By integrating the above parameters into an evaluation system, the corrosion state inside the reinforced concrete can be obtained without destruction detection, which allows the engineers to understand the internal steel bar corrosion rate of the reinforced concrete structure at the time before the initial evaluation, and then to determine whether it is necessary to enter a more detailed evaluation or reinforcement.

    摘要 I ABSTRACT II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 IX 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究架構 4 第二章 文獻回顧 5 2.1 中性化預測模型 5 2.1.1 腐蝕因素 5 2.1.2 國內外之中性化預測模型 6 2.2 鋼筋腐蝕速率 16 第三章 鋼筋混凝土建築物中性化預測模型 18 3.1中性化預測模型 19 3.1.1 二氧化碳氣體擴散 20 3.1.2 有限差分法 25 3.1.3 參數影響比較 27 3.2氯離子含量造成的鋼筋腐蝕 42 3.3 中性化環境資料蒐集 46 3.4 台灣地區之二氧化碳擴散係數 51 3.4.1 台灣地區中性化資料蒐集 51 3.4.2 中性化資料迴歸分析 53 3.4.3 二氧化碳擴散係數D值 65 第四章 鋼筋混凝土中之鋼筋腐蝕速率 73 4.1 混凝土內部的水分擴散 73 4.1.1 孔隙容積分布函數 73 4.1.2 水之擴散方程式 77 4.1.3 鋼筋混凝土內部含水量 81 4.2 混凝土內部的氧氣擴散 87 4.3 鋼筋腐蝕電流密度計算 93 4.4 鋼筋腐蝕速率 99 第五章 RC建物耐久性評估流程與案例 100 5.1 RC建物耐久性評估流程 100 5.2 RC建物耐久性評估案例 102 第六章 結論與建議 114 6.1 結論 114 6.2 建議 115 參考文獻 116 表目錄 表2-1混凝土種類(骨材種類)係數α1 8 表2-2水泥種類影響係數α2 8 表2-3 溫度相關係數關係 9 表2-4 濕度相關係數關係 10 表2-5 二氧化碳濃度相關係數關係 10 表2-6 中性化預測式所需之參數 13 表2-7 台灣橋梁下部結構中性化速度係數之平均值、標準差、COV 14 表2-8 台灣各縣市中性化速度平均值、COV 15 表3-1 數值分析初始值 27 表3-2臨海氯鹽量(2009-2014年平均) 45 表3-3分區正規化之飛來鹽衰減預測式 45 表3-4 月平均溫度℃ (1989-2010) 46 表3-5 月平均濕度% (1989-2010) 47 表3-6 台北地區中性化預測式之參數 62 表3-7 台中地區中性化預測式之參數 62 表3-8 高屏地區中性化預測式之參數 62 表3-9 花東地區中性化預測式之參數 62 表3-10 實測值與預測值之關係 62 表3-11 計算各地區二氧化碳濃度之參數 66 表3-9 Ca(OH)2濃度推定值 67 表3-10 各種混凝土規格 67 表3-11 各地區建議之二氧化碳擴散係數 72 表4-1 水分擴散係數計算所需參數 80 表4-2 Antoine方程式參數 81 表4-3 材料相關參數 82 表4-4 水灰比0.48之相關材料參數 83 表4-5 (4.3)式所用之參數 83 表4-6 各地區溫度變化相關參數 84 表4-7 各地區水分擴散計算之邊界條件 84 表4-8計算各地區大氣含氧量所需之參數值 89 表4-9為各地區之大氣含氧量 89 表4-10 各地區之相對含水量及氧氣擴散係數 90 表5-1 RC建物所在地的二氧化碳濃度 103 表5-2 RC建物所在地的氣象資料 103 表5-3 中性化預測深度分析之初始值 103 表5-4 中性化分析之結果 103 表5-5 含水量分析使用參數 105 表5-6 含水量分析結果 105 表5-7 混凝土表面氧氣含量計算結果 105 表5-8 氧氣擴散分析結果 106 表5-9 鋼筋電阻率計算及結果 106 表5- 10 RC建物柱構件之中性化深度 109 表5- 11 RC建物B5柱之腐蝕電流密度量測值 109 表5-12 RC建物C5柱之腐蝕電流密度量測值 110 表5-13 RC建物B11柱之腐蝕電流密度量測值 110 表5-14 RC建物柱構件鑽心試體氯離子含量 111 表5-15 分析所得之鋼筋腐蝕電流密度 111 表5-16 不同保護層分析所得之鋼筋腐蝕電流密度 111 表5-17 計算鋼筋表面氯離子含量使用之參數及計算式 113 表5-18 RC建物各時間下Cl-/OH-分析值 113 圖目錄 圖1.1模擬流程(總體) 3 圖1.2 研究架構圖 4 圖2.1 台灣北部區域之中性化係數回歸結果 13 圖2.2 台灣區域劃分圖 15 圖2.3 氣溫與腐蝕速度之關係 17 圖2.4 濕度與腐蝕速度之關係(1) 17 圖2.5 濕度與腐蝕速度之關係(2) 17 圖3.1 二氧化碳氣體擴散示意圖 19 圖3.2二氧化碳擴散模式 21 圖3.3 前向差分法網格示意圖 27 圖3.4 D=0.0001之二氧化碳濃度分布 30 圖3.5 D=0.001之二氧化碳濃度分布 31 圖3.6 D=0.006之二氧化碳濃度分布 32 圖3.7 D=0.01之二氧化碳濃度分布 33 圖3.8 D=0.0001之氫氧化鈣濃度分布 34 圖3.9 D=0.001之氫氧化鈣濃度分布 35 圖3.10 D=0.006之氫氧化鈣濃度分布 36 圖3.11 D=0.01之氫氧化鈣濃度分布 37 圖3.12 D=0.0001之中性化預測深度 38 圖3.13 D=0.001之中性化預測深度 39 圖3.14 D=0.006之中性化預測深度 40 圖3.15 D=0.01之中性化預測深度 41 圖3.16 造成鋼筋腐蝕Cl-/OH-門檻值文獻整理圖 43 圖3.17 鹽害腐蝕預測模型架構圖 44 圖3.18 台灣地區二氧化碳濃度測站 48 圖3.19 台北松山測站之二氧化碳濃度值 49 圖3.20 宜蘭測站之二氧化碳濃度值 49 圖3.21 台中大里測站之二氧化碳濃度值 50 圖3.22 台南善化測站之二氧化碳濃度值 50 圖3.23 台北地區中性化資料(3593筆) 51 圖3.24 台中地區中性化資料(3025筆) 52 圖3.25 高屏地區中性化資料(2238筆) 52 圖3.26 花東地區中性化資料(246筆) 53 圖3.27 AIJ預測式與實測值比較 55 圖3.27 AIJ預測式與實測值比較(續) 56 圖3.28 預測式與實測值比較 57 圖3.28 預測式與實測值比較(續) 58 圖3.29 預測式與實測值比較 59 圖3.29 預測式與實測值比較(續) 60 圖3.30 不同相對溼度對應之β2 61 圖3.31 台北地區中性化回歸預測曲線 63 圖3.32 台中地區中性化回歸預測曲線 63 圖3.33 高屏地區中性化回歸預測曲線 64 圖3.34 花東地區中性化回歸預測曲線 64 圖3.35 台北地區中性化預測曲線 68 圖3.36 台中地區中性化預測曲線 69 圖3.37 高屏地區中性化預測曲線 70 圖3.38 花東地區中性化預測曲線 71 圖4.1 V(r)與r之關係 75 圖4.2 水蒸氣與液態水在孔隙結構內分布 76 圖4.4 (4.18)式含水量與擴散係數之關係示意圖 80 圖4.5 台北地區之混凝土內部含水量 85 圖4.6 台中地區之混凝土內部含水量 85 圖4.7 高屏地區之混凝土內部含水量 86 圖4.8 花東地區之混凝土內部含水量 86 圖4.9 氧氣擴散方向示意圖 87 圖4.10 台北地區之混凝土內部氧氣含量 91 圖4.11 台中地區之混凝土內部氧氣含量 91 圖4.12 高屏地區之混凝土內部氧氣含量 92 圖4.13 花東地區之混凝土內部氧氣含量 92 圖4.14 Fe-H2O Pourbaix圖 93 圖4.15 腐蝕電流與中性化殘餘深度關係 95 圖4.16 鋼筋自然電位變化的時間過程 98 圖4.17 含水率與混凝土電阻率之關係 98 圖5.1 混凝土內部氧氣含量 105 圖5.2 不同保護層厚度下對應之鋼筋自然電位 107 圖5.3 量測鋼筋腐蝕電流之網格建置示意圖 107

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