113 年 國立中央大學土木工程學系碩士班丁：材料組一般生《工程材料》

此題考驗瀝青混凝土（Asphalt Concrete, AC）的命名規則及其黏滯度（Viscosity）的意義。瀝青膠泥的命名通常包含其黏滯度等級。

此題考驗瀝青膠泥（Asphalt Concrete, AC）的命名規則，特別是 AR 系列，及其黏滯度（Viscosity）的意義。

此題考驗台灣地區因氣候特性（多雨）而容易發生的鋪面破壞類型。

台灣屬於海島型氣候，夏季多雨，且常有颱風侵襲，降雨量大且集中。在這種情況下，水分滲入路面結構是常見的問題。
(1) 車轍（Rutting）：主要由交通載重及高溫引起，水分滲入會降低瀝青料的勁度，加劇車轍。
(2) 裂縫（Cracking）：溫度變化（熱脹冷縮）、重複載重、老化等都會引起裂縫。
(3) 坑洞（Pothole）：通常是裂縫擴大後，水分滲入結冰膨脹，或路基被水掏空，在車輛輾壓下形成。

此題考驗台灣地區道路鋪面的種類及其使用普及度。

台灣的道路系統，從高速公路、省道到市區道路，絕大多數採用瀝青混凝土鋪面。
(1) 瀝青混凝土路面（Asphalt Concrete Pavement）：具有施工快速、維修方便、平整舒適等優點，是目前全球最廣泛使用的道路類型，在台灣更是主流。

此題考驗早期鋼鐵（鐵）材料的脆性原因，與材料中的雜質成分有關。

早期煉鐵技術不夠先進，容易在鐵中殘留一些雜質元素，這些雜質會顯著影響鋼鐵的力學性能。
(1) 鈣 (Calcium)：通常不是導致鋼鐵脆性的主要雜質。
(2) 鎂 (Magnesium)：在某些合金中是重要的元素，但不是導致早期鐵脆性的主要原因。

此題考驗在台灣進行道路設計時需要考慮的環境與使用因素。

台灣的地理和氣候條件，以及交通運輸需求，都需要在道路設計中加以考量。
(1) 高溫：台灣夏季氣溫高，瀝青混凝土路面在高溫下容易軟化，產生車轍變形，因此需要選擇合適的瀝青等級和骨材級配，或採用改質瀝青。

此題考驗不同交通工具對道路鋪面的載重影響。

道路鋪面的損壞，尤其是瀝青混凝土鋪面，很大程度上取決於交通載重。載重越大，對鋪面的破壞力越強。
(1) 聯結車（Tractor-trailer）：通常具有非常大的總重，且其載重集中在少數輪胎上，對路面的應力集中效應最大，是造成鋪面損壞的主要原因之一。
(2) 腳踏車（Bicycle）：重量極輕，對路面幾乎沒有傷害。

此題考驗不同路面破壞類型在台灣地區的發生頻率。

台灣位於亞熱帶及熱帶氣候區，冬季氣溫相對溫和，很少出現極端的低溫。
(1) 車轍（Rutting）：常見於台灣高溫、高交通量地區。
(2) 坑洞（Pothole）：常見於台灣多雨、排水不良的地區。

此題考驗瀝青混凝土（Asphalt Concrete）的基本組成成分。

瀝青混凝土是一種由瀝青（作為黏結劑）和骨材（粗骨材、細骨材、填充料）混合而成的複合材料，用於鋪設道路。
(1) 瀝青膠泥（Asphalt Binder）：是主要的黏結劑，將骨材黏結在一起。
(2) 粗骨材（Coarse Aggregate）：提供路面的強度和穩定性。

此題考驗馬歇爾試驗（Marshall Test）中用於評估瀝青混凝土試體穩定性（強度）的指標。

馬歇爾試驗是一種常用的瀝青混凝土配合設計方法，透過對試體進行壓實和載荷試驗，來評估其力學性能。
(1) 穩定值（Stability）：這是馬歇爾試驗中最直接代表試體抵抗變形（強度）的指標。它量測的是試體在最大載重下的最大抗壓強度。
(2) 流度值（Flow）：代表試體在達到最大載重前，其變形量的大小。

此題考驗卜特蘭水泥（Portland Cement）水化反應後，對水泥強度貢獻最大的主要化合物。

卜特蘭水泥的主要礦物成分及其簡稱和水化產物對強度的貢獻如下：

• 三鈣鋁酸鹽 (Tricalcium Aluminate, C₃A)：水化速度最快，早期放熱量大，對早期強度有一定貢獻，但對長期強度貢獻不大，且易引起混凝土「閃凝」（False Set）。
• 三鈣矽酸鹽 (Tricalcium Silicate, C₃S)：水化速度較快，是水泥早期強度（1-7天）的主要貢獻者，也是水泥總強度（特別是早期強度）的主要來源。

此題考驗費開氏針（Fineness Modulus，通常是篩分析，但題目提到 "費開氏針儀器"，需注意是否為筆誤，通常指「針儀器」是指細度試驗，例如比表面積法或篩分析法。然而，題目選項中出現「流度試驗」與「凝結時間」，這兩者是水泥的關鍵性能指標，而「費開氏針」這個說法比較模糊。

假設題目中的「費開氏針儀器」是指與水泥細度或某些物理性質相關的測試儀器。

• 健性試驗（Soundness Test）：用於檢測水泥水化後體積穩定性，如 Le Chatelier 試驗。
• 比重試驗（Specific Gravity Test）：測定水泥的真實比重，常用來計算水泥的體積。
• 流度試驗（Flow Test）：通常是指水泥漿的流動性測試，與水泥的細度、水化速度有關。

此題考驗混凝土在塑性階段（硬化前）可能出現的問題。

混凝土在塑性階段是指剛拌合完成、尚未硬化，但已經具有一定形狀保持能力的狀態。
(1) 蜂窩（Honeycombing）：是指混凝土內部有未填充的空隙，通常是因為骨材離析、搗實不足或水泥漿量不足所致。這是塑性階段或硬化後都可能出現的問題，但與塑性階段的均勻性有關。
(2) 泌水（Bleeding）：是指混凝土中的水分（拌合水）從水泥漿中析出，浮到混凝土表面。這是塑性階段混凝土常見的現象，特別是當水泥漿量較大、水灰比較高時。
(3) 坍損（Slump Loss）：是指混凝土在塑性階段，其流動性隨時間或溫度升高而逐漸喪失的現象。這是一個在塑性階段常見的性質變化。

此題考驗水泥水化產物及其性質的敘述是否正確。

水泥水化是指水泥與水反應生成一系列水化產物，這些產物賦予混凝土強度和耐久性。
(1) 矽酸鹽類（C₃S 和 C₂S）水化後主要生成水化矽酸鈣凝膠 (Calcium Silicate Hydrate, C-S-H gel) 和氫氧化鈣 (Calcium Hydroxide, CH)。C-S-H 凝膠是水泥強度的主要來源。此敘述正確。

此題考驗在特定混凝土施工條件下，為改善工作性或避免特定問題而添加的摻料（Admixtures）。

題幹描述了兩種情況：

1. 熱天混凝土施工 (Hot Weather Concreting)：高溫會加速水泥水化，導致混凝土過早失去工作性（坍損快），並可能產生冷縫（Cold Joints）或熱致裂縫。
2. 避免混凝土澆置時產生冷縫 (Cold Joints)：冷縫是指兩次連續澆置的混凝土之間未完全結合而形成的界面。這通常發生在後續混凝土澆置延遲，導致先澆置的混凝土已開始初凝。

為了在熱天施工時維持混凝土的工作性，延長其可操作時間，需要減緩水泥的水化速度。

此題考驗混凝土術語的縮寫含義。

HPC 是 High Performance Concrete 的縮寫。
(1) 高強度混凝土 (High Strength Concrete, HSC)：指具有高抗壓強度的混凝土。

此題考驗篩分析（Sieve Analysis）試驗所能獲得的粒料（骨材）性質。

篩分析是通過一系列標準篩網，將不同粒徑範圍的骨材分離，從而確定骨材的粒徑分佈。
(1) 細度 (Fineness)：一般用於細骨材，是指細骨材的平均粒徑大小，可由篩分析結果計算得出。
(2) 細度模數 (Fineness Modulus, FM)：是細骨材的一項重要指標，通過將特定篩網上累積通過百分比的總和除以 100 計算得出。這是篩分析的直接結果。
(3) 級配 (Gradation)：指骨材各粒徑範圍的比例分佈，是篩分析試驗最主要的目的和結果。
(4) 粗粒料最大粒徑 (Maximum Aggregate Size)：通常是指在篩分析過程中，最大一個篩網上，剩餘骨材中最大的顆粒尺寸，或者是指通過某個較大篩網（如 4.75mm 或 9.5mm）後，被定義為粗骨材的骨材中最大的顆粒尺寸。

此題考驗不同類型卜特蘭水泥的適用性，特別是在海水侵蝕環境下的耐久性。

不同類型的卜特蘭水泥具有不同的特性，適用於不同的工程需求：

• 第一型 (Type I)：普通卜特蘭水泥，適用於一般建築工程。
• 第二型 (Type II)：耐硫酸鹽侵蝕卜特蘭水泥 (Sulfate-Resisting Portland Cement)，其 C₃A 含量較低，水化放熱較慢，能抵抗中等程度的硫酸鹽侵蝕。
• 第三型 (Type III)：高早期強度卜特蘭水泥，水化速度快，早期強度高，適用於需要快速施工或早期受力的情況。

此題考驗預拌混凝土（Ready-mixed Concrete）的運輸時間限制，根據 CNS 3090 標準。

CNS 3090 是台灣關於預拌混凝土的國家標準。該標準規定了預拌混凝土的生產、運輸和施工要求。

此題考驗 CNS 3090 標準中，關於新拌混凝土氯離子含量在 2015 年（民國 104 年）修訂後的規定。

氯離子是引起鋼筋鏽蝕的主要誘因之一，因此對混凝土中的氯離子含量有嚴格的限制，尤其是在靠近海邊或有氯化物污染的環境。

根據 CNS 3090（預拌混凝土）於民國 104 年（2015 年）的修訂，對於新拌混凝土中總氯離子含量的規定，通常是基於單位體積的質量，例如 kg/m³。

此題考驗對瀝青混凝土（Asphalt Concrete）關鍵設計參數的理解。這些參數是評估瀝青混合料力學性能和耐久性的重要指標，常用於馬歇爾試驗（Marshall Test）或動態模數試驗（Dynamic Modulus Test）等。

核心觀念：這些參數是評估瀝青混合料抵抗變形、穩定性、耐久性以及材料之間比例關係的關鍵指標。

詳解：

瀝青混凝土的設計旨在確保其在交通載重和環境條件下具有足夠的穩定性、耐久性和工作性。以下是各參數的意義：

1. 穩定值 (Stability)：

   • 意義：穩定值是馬歇爾試驗中最直接代表瀝青混合料抵抗永久變形（即強度）的指標。它量測的是試體在達到最大載重時所承受的最大載荷（以磅或公斤力為單位）。
   • 重要性：較高的穩定值表示混合料抵抗車轍變形的能力較強。它主要取決於骨材的級配、骨材之間的嵌鎖作用（interlocking）以及瀝青黏結劑的用量和黏滯度。

2. 流度值 (Flow)：

   • 意義：流度值代表瀝青混合料試體在達到最大載重之前，其變形量的大小（通常以 0.01 英吋或 0.25 毫米為單位）。它反映了混合料的延展性或韌性。
   • 重要性：流度值過低可能表示混合料脆性較大，容易開裂；流度值過高則可能表示混合料太軟，容易產生車轍。理想的流度值應介於一個範圍內，以平衡抗車轍和抗裂性能。

3. 孔隙率 (Voids)：

   • 意義：孔隙率是指瀝青混凝土試體中，骨材、瀝青和空氣所佔的體積百分比。通常又細分為：
     • 總孔隙率 (Total Voids, Vv)：試體中所有空隙（包括空氣和瀝青）佔總體積的百分比。
     • 礦物骨材間的空隙 (Voids in Mineral Aggregate, VMA)：見下文。
     • 瀝青填充空隙 (Voids Filled with Asphalt, VFA)：見下文。
   • 重要性：孔隙率的控制是瀝青混凝土設計的關鍵。足夠的孔隙率（VMA）是容納瀝青黏結劑的空間，而適當的瀝青填充空隙率（VFA）則能確保瀝青的黏結和覆蓋。過高的總孔隙率（空氣含量）會降低耐久性，使水和空氣滲入，加速老化和劣化；過低的總孔隙率則可能導致瀝青擠出，產生車轍。

此題考驗對水泥混凝土（Cement Concrete）與瀝青混凝土（Asphalt Concrete）兩種主要鋪面材料在組成上的差異。

核心觀念：兩種混凝土都是由黏結劑和骨材組成，但其黏結劑、骨材選擇、作用機理和使用環境有顯著不同。

詳解：

水泥混凝土與瀝青混凝土同為重要的鋪面材料，但其基本材料組成和工作原理存在明顯差異。

此題考驗對混凝土設計目標的全面理解，以及如何在材料選擇和配合設計階段實現這些目標。這是一個綜合性的問題，需要從多個面向進行闡述。

核心觀念：混凝土設計是一個多目標的優化過程，需要在工作性、安全性、耐久性、生態性和經濟性之間取得平衡。這些目標的達成，需要從原材料的選擇、配合比的設計、施工方法的控制等多方面入手。

詳解：

在混凝土的材料選擇和配合設計階段，為了全面達成「工作性、安全性、耐久性、生態性、經濟性」這五個關鍵目標，需要採取系統性的策略：

I. 工作性 (Workability)

• 定義：指新鮮混凝土易於生產、運輸、澆置、搗實及抹面等操作的性能。
• 材料選擇與配合設計策略：
  • 骨材：
    • 級配：選擇良好級配的骨材，能減少單位體積所需的漿體量，提高密實性，從而改善工作性。
    • 形狀與表面紋理：圓形、光滑的骨材比棱角、粗糙的骨材需要更少的漿體來潤滑，有助於提高工作性。
    • 最大粒徑：根據結構尺寸和鋼筋間距選擇適當的最大粒徑，過大的粒徑可能導致施工困難。
  • 水泥漿體：
    • 水灰比 (w/c ratio)：降低水灰比通常會降低工作性，但能提高強度和耐久性。可透過使用高效減水劑來在降低水灰比的同時保持或提高工作性。
    • 水泥含量：適當增加水泥含量（在經濟和生態允許範圍內）有助於提高漿體的潤滑性。
  • 摻料 (Admixtures)：
    • 減水劑 (Water Reducers)：特別是高效減水劑（Superplasticizers），可以在不增加用水量或減少用水量的同時，顯著提高混凝土的流動性，使其達到高工作性（如自充填混凝土）。
    • 緩凝劑 (Retarders)：在熱天施工或長距離運輸時，可延長混凝土的凝結時間，保持工作性。
    • 塑化劑 (Plasticizers)：類似減水劑，用於改善工作性。
  • 氣泡穩定劑 (Air-entraining agents)：引入微小且均勻分佈的氣泡，能顯著改善混凝土的和易性。
• 施工考量：確保足夠的搗實（如振動），但避免過度搗實導致的骨材離析和泌水。

II. 安全性 (Safety)

• 定義：指混凝土結構在設計使用年限內，能抵抗預期的載荷、環境作用及其他危險因素，確保人員和財產的安全。
• 材料選擇與配合設計策略：
  • 強度：
    • 水灰比：選擇足夠低的水灰比，以達到設計所需的抗壓強度。
    • 水泥種類：根據結構需求選擇合適的水泥類型（如普通水泥、高強度水泥）。
    • 骨材：選用堅固、耐久、潔淨且級配良好的骨材。
  • 耐久性：安全性與耐久性密切相關，耐久性差的結構最終會影響其承載能力。
  • 抗滲性：低水灰比、密實的混凝土具有良好的抗滲性，能防止有害物質滲入。
  • 抗凍融性：對於寒冷地區，需採用輸氣混凝土，確保良好的抗凍融性能。
  • 鋼筋保護：確保足夠的混凝土保護層厚度，並控制氯離子和鹼含量，防止鋼筋鏽蝕。
• 施工考量：嚴格控制混凝土的澆置、搗實、養護過程，確保混凝土密實均勻，無蜂窩、裂縫等缺陷。

III. 耐久性 (Durability)

• 定義：指混凝土結構在預期環境條件下，抵抗風化、化學侵蝕、物理磨損等不利因素的能力，並在整個使用壽命中保持其性能。
• 材料選擇與配合設計策略：
  • 低水灰比：這是提高耐久性的最重要手段，能降低滲透性，減少有害物質進入，提高抗壓強度和抗化學侵蝕性。
  • 骨材：
    • 惰性：避免使用易與水泥發生鹼骨材反應 (ASR) 的骨材。
    • 堅固、耐磨：選擇抗壓強度高、耐磨的骨材。
  • 水泥種類：
    • 抗硫酸鹽水泥 (Type II)：用於抵抗硫酸鹽侵蝕。
    • 低水化熱水泥 (Type IV)：用於大體積混凝土，防止溫度裂縫。
  • 摻料：
    • 飛灰 (Fly Ash) / 爐渣 (Slag)：作為水泥的部分替代品，能細化孔隙結構，提高抗滲性、抗化學侵蝕性，並降低水化熱。
    • 輸氣劑 (Air-entraining Agents)：提高抗凍融性。
    • 減水劑：在保持工作性的前提下降低水灰比。
  • 抗氯離子滲透：控制水泥中的 C₃A 含量，使用飛灰或爐渣，以及足夠的保護層厚度。
• 施工考量：確保混凝土的密實性，避免產生貫通裂縫；妥善進行養護，確保水化反應充分進行，形成緻密的結構。

IV. 生態性 (Sustainability/Ecology)

• 定義：指混凝土的生產、使用和廢棄過程中，對環境的影響最小化，並盡可能利用可再生或回收材料。
• 材料選擇與配合設計策略：

此題考驗對混凝土常見耐久性劣化問題的理解，包括其成因機理和預防措施。題目要求從給出的例子中選擇一個進行詳細闡述。

核心觀念：混凝土的耐久性是其長期服役能力，但會受到環境因素和材料內部反應的影響而劣化。理解這些機理有助於預防和控制。

詳解：

我將選擇「鋼筋腐蝕 (Reinforcement Corrosion)」作為例子進行詳細說明。

劣化問題：鋼筋腐蝕 (Reinforcement Corrosion)

鋼筋腐蝕是導致鋼筋混凝土結構劣化最常見且最嚴重的問題之一，它會導致鋼筋截面積減小、鋼筋與混凝土之間黏結力下降，並產生膨脹應力，最終引起混凝土開裂、剝落，結構承載力下降。

1. 發生原因 (反應機理)

鋼筋腐蝕的發生需要三個基本條件同時存在：

• 陽極區 (Anode)：鋼筋表面發生氧化反應，失去電子，生成亞鐵離子 ($Fe^{2+}$)。
  $Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$
• 陰極區 (Cathode)：電子在鋼筋表面的另一區域（陰極區）與氧氣和水反應，生成氫氧根離子 ($OH^-$)。
  $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$
• 電解質 (Electrolyte)：鋼筋與水及溶解在水中的離子（如氯離子 $Cl^-$ 或碳酸根離子 $CO_3^{2-}$）形成導電的電解質溶液。

在純淨的混凝土中，由於混凝土本身的高鹼度（pH 值約 12.5-13.5），鋼筋表面會形成一層鈍化保護膜（passivation layer），主要是氧化亞鐵或氧化鐵，這層膜能有效阻止鋼筋進一步氧化。

然而，當環境中的有害物質（主要是氯離子）滲透到鋼筋保護層，或當混凝土中的碳酸鹽被二氧化碳侵蝕（碳化）導致鹼度降低時，鋼筋的鈍化保護膜就會被破壞。

• 氯離子侵蝕：當氯離子濃度超過臨界值（通常約 0.4% - 0.6% 的水泥質量，或 0.04% - 0.06% 的混凝土質量，取決於環境和材料）時，氯離子會破壞鈍化膜，並與鋼筋形成可溶性的氯化物絡合物，即使在鹼性環境下也難以再生保護膜。
  $Fe + 2Cl^- + 2OH^- \rightarrow [FeCl_2]^- + H_2O + e^-$ (簡化示意)
  或者 $Fe + 2Cl^- \rightarrow FeCl_2$
  隨後，$FeCl_2$ 在水中水解生成 $Fe(OH)_2$ 和 $H^+$，進一步破壞鈍化。
• 碳化 (Carbonation)：空氣中的二氧化碳 ($CO_2$) 滲入混凝土，與混凝土中的氫氧化鈣 (CH) 和水化矽酸鈣 (C-S-H) 反應，生成碳酸鈣 ($CaCO_3$) 和水。
  $Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$
  這個過程會降低混凝土的 pH 值，當 pH 值降至約 9 以下時，鋼筋的鈍化保護膜就會被破壞。

一旦鈍化膜被破壞，鋼筋就會開始腐蝕，生成體積膨脹的鏽蝕產物（如 $Fe(OH)_2$, $Fe(OH)_3$, $Fe_2O_3$ 等）。這些鏽蝕產物的體積約為原有鋼筋體積的 2-6 倍，巨大的膨脹應力會導致混凝土開裂、剝落，嚴重損壞結構。

2. 預防策略 (Prevention Strategies)

預防鋼筋腐蝕的策略主要從三個方面入手：

• 阻止腐蝕物滲入 (Barrier Protection)：
  • 提高混凝土密實性：採用低水灰比、優良的骨材級配，並確保充分搗實。這樣可以減小混凝土的孔隙率和滲透性，延緩氯離子和二氧化碳的滲入速度。
  • 使用摻料：飛灰 (Fly Ash)、爐渣 (Slag) 等二次膠凝材料可以細化混凝土的孔隙結構，降低滲透性，並能與氯離子反應，降低其有效濃度。
  • 足夠的保護層厚度：增加鋼筋與混凝土表面的距離，為腐蝕物滲入提供更長的擴散路徑。規範通常規定了不同環境條件下的最小保護層厚度。