113 年 國立中央大學土木工程學系碩士班丁：材料組在職生《工程材料》

此題考驗對瀝青混凝土標示符號的理解。AC-20 中的 "AC" 代表 Asphalt Concrete (瀝青混凝土)，而 "20" 則代表該

此題考驗對瀝青膠泥標示符號 AR-4000 的理解。

此題考驗對台灣地區常見鋪面病害的認識。台灣氣候多雨，尤其在連續降雨後，路面承受車輛載重與水分滲入，容易導致基層或底層材料強度降低，進而產生車轍、裂縫或坑洞

此題考驗對台灣道路鋪面類型的了解。台灣地區因為氣候、交通量以及經濟考量，最廣泛使用的道路類型是瀝青混凝土路面（Asphalt Concrete Pavement），也就是俗稱的「軟性鋪面」。

此題考驗對早期鐵材（特別是生鐵）脆性原因的認識。生鐵中常含有較高的碳、矽，以及雜質硫（S）和磷（P）。

此題考驗對影響道路設計因素的認識，特別是針對台灣的地理與氣候條件。台灣屬於亞熱帶與熱帶氣候，夏季高溫炎熱，冬季濕冷，且全年多雨，尤其北部地區。

此題考驗對不同交通工具對路面載重壓力的理解。路面所承受的傷害主要來自於車輛的載重及其輪胎壓力。

此題考驗對台灣地區常見及不常見鋪面病害的區別。車轍、坑洞、裂縫（如網裂、塊裂）都是台灣地區因氣候（高溫、多雨）、交通載重、材料老化等因素常見的鋪面破壞。

此題考驗對瀝青混凝土基本組成成分的認識。瀝青混凝土（Asphalt Concrete）主要由四種成分組成：瀝青（Asphalt Binder）、粗骨材（Coarse Aggregate）、細骨材（Fine Aggregate）以及填充料

此題考驗對馬歇爾試驗（Marshall Test）中各參數意義的理解。馬歇爾試驗是瀝青混凝土配合設計的常用方法，其主要評估指標包括：
(1) 穩定值（Stability）：代表瀝青混合料抵抗變形的能力，即強度。
(2) 流度值（Flow）：代表瀝青混合料在達到最大穩定值前所產生的變形量，與延展性有關。

此題考驗對卜特蘭水泥水化產物與強度發展的關係。卜特蘭水泥的四種主要礦物成分及其水化產物對強度的貢獻如下：

• C₃S (Tricalcium Silicate, 3CaO·SiO₂): 水化速度最快，早期強度（1-7天）的主要貢獻者。
• C₂S (Dicalcium Silicate, 2CaO·SiO₂): 水化速度慢，後期強度（7天後）的主要貢獻者。

此題考驗對 CNS 786 標準及費開氏針（Le Chatelier apparatus）的應用。費開氏針儀器（Le Chatelier Flask）是專門用於測定水泥的體積密度（或稱比重）的儀器。CNS 786 是台灣關於水泥檢驗的國家標準之一，其中包含了水泥比重試驗的規定。

此題考驗對混凝土在塑性階段（未硬化前）常見問題的認識。

• 泌水（Bleeding）是混凝土拌合後，水分從骨材和水泥漿之間析出的現象。
• 坍損（Slump）是混凝土坍落度試驗中，混凝土坍塌的高度，用於衡量混凝土的流動性，坍損過大表示混凝土過於稀軟，但坍損本身不是混凝土的「問題」，而是其性質的量測。這裡的選項「坍損」可能是指「坍損過大」導致的流動性問題。
• 析離（Segregation）是指混凝土中的粗骨材、細骨材與水泥漿分離的現象。
• 蜂窩（Honeycomb）是混凝土硬化後，因骨材間無法填滿水泥漿而形成的空隙，通常發生在澆置不良或搗實不足時。

此題考驗對水泥水化產物的正確認知。
(1) 矽酸鹽類（C₂S 和 C₃S）水化後主要生成水化矽酸鈣凝膠（C-S-H gel）和氫氧化鈣（CH，即 Ca(OH)₂）。此敘述正確。
(2) 鋁酸鹽類（C₃A）水化後，在有硫酸根離子存在時，會生成鈣礬石（ettringite, 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O），在硫酸根離子不足時，可能生成單硫型鋁酸鈣（monosulfate, 3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O）。此敘述正確。

此題考驗對混凝土外加劑功能的理解，特別是在高溫施工或避免冷縫的應用。

• 早強劑：用於加速水泥水化，提高早期強度，通常在高溫下會加速水化，使凝結時間縮短，不利於長時間澆置。
• 輸氣劑：用於在混凝土中引入微小氣泡，提高抗凍融性與工作性，與高溫施工或避免冷縫無直接關聯。

此題考驗對混凝土簡稱的認識。HPC 是 High Performance Concrete 的縮寫，意為「高性能混凝土」。

核心觀念

粒料（骨材）篩分析試驗，是利用一組孔徑不同的標準篩，將骨材依粒徑分級，藉由各篩上之留置量與通過量，建立粒料的粒徑分布。其主要成果包括：

• 級配
• 細度模數
• 粗粒料最大粒徑

篩分析的基本計算為：

細度模數則為各標準篩累積留置百分率的總和除以 $100$：

細度模數越大，代表骨材平均粒徑越粗；細度模數越小，代表骨材平均粒徑越細。

解題方法

判斷各選項是否為「粒料篩分析試驗所得」的結果即可。篩分析直接反映的是粒徑分布與篩分級結果，因此凡是可由各篩留置量、通過量及累積留置量計算或判定的性質，均屬篩分析所得。

其中，「細度」與「細度模數」必須區分：

此題考驗對不同類型卜特蘭水泥適用性的了解。港灣工程與海水接觸，海水中的硫酸鹽（Sulfate）和氯離子（Chloride）對混凝土具有腐蝕性。

• 第一型（Type I）卜特蘭水泥：通用型水泥，適用於一般建築。
• 第二型（Type II）卜特蘭水泥：中抗硫酸鹽水泥，具有中等抗硫酸鹽侵蝕能力，水化熱較低。
• 第三型（Type III）卜特蘭水泥：高早期強度水泥，水化熱高。
• 第四型（Type IV）卜特蘭水泥：低水化熱水泥，適用於大體積混凝土，水化熱最低。

此題考驗對 CNS 3090「預拌混凝土」國家標準中關於混凝土運輸時間的規定。

此題考驗對 CNS 3090 國家標準中關於預拌混凝土氯離子含量的規定。根據 CNS 3090 的規定，為防止鋼筋鏽蝕，新拌混凝土中的氯離子含量應有上限。

此題要求解釋瀝青混凝土配合設計中的幾個重要參數。這些參數是評估瀝青混合料性能和密實度的關鍵指標。

1. 穩定值 (Stability):
穩定值是指瀝青混合料抵抗車輛載重所引起的變形的能力。在馬歇爾試驗中，穩定值是試驗時施加在試體上的最大載荷，單位通常為磅 (lbs) 或牛頓 (N)。較高的穩定值表示瀝青混合料具有較好的抗車轍能力，不易產生永久變形。它直接代表了瀝青混合料的強度。

2. 流度值 (Flow):
流度值是指在馬歇爾試驗中，從施加載荷到試體達到最大穩定值（即破壞點）所需的變形量。單位通常為公釐 (mm) 或英寸 (in)。流度值反映了瀝青混合料的延展性。較高的流度值表示混合料在破壞前能夠承受較大的變形，這對於防止脆性破壞（如裂縫）有一定好處。然而，流度值過高也可能表示混合料太軟，穩定性不足。

3. 孔隙率 (Air Voids, V_a):
孔隙率是指瀝青混合料中，由空氣填充的體積佔總體積的百分比。它通常在試驗後或根據理論密度計算得出。適當的空氣孔隙率對於瀝青混合料的耐久性非常重要。孔隙率太低（密實度太高）容易導致瀝青老化、車轍，並可能使水分滲入。

此題要求比較水泥混凝土（Cement Concrete，或稱混凝土）與瀝青混凝土（Asphalt Concrete，或稱瀝青路面）在材料組成上的差異。兩者都是常見的鋪面材料，但在成分、黏結劑、強度來源及耐久性等方面有顯著不同。

1. 主要黏結劑 (Binder):

• 水泥混凝土: 主要黏結劑是卜特蘭水泥（Portland Cement）。水泥與水反應（水化作用）後形成水泥石，包裹並黏結骨材。
• 瀝青混凝土: 主要黏結劑是瀝青（Asphalt Binder），也稱為柏油或膠泥。瀝青是石油的副產品，在常溫下呈黏稠狀或固體狀，加熱後黏度降低，可用於拌合骨材。

2. 骨材 (Aggregates):
兩者都使用骨材作為主要結構材料，提供強度與穩定性。

• 水泥混凝土: 使用粗骨材（如碎石、卵石）和細骨材（如砂）。骨材的選擇需要考慮其強度、耐久性、級配、形狀等，以確保混凝土的整體強度和工作性。
• 瀝青混凝土: 同樣使用粗骨材（如碎石、級配碎石）和細骨材（如砂）。骨材的級配設計是關鍵，需要與瀝青膠泥相互配合，形成緊密堆積的結構。

3. 水泥漿與瀝青漿:

• 水泥混凝土: 水泥與水混合形成水泥漿（cement paste），再與骨材混合形成混凝土。水化作用是關鍵。
• 瀝青混凝土: 瀝青膠泥作為黏結劑，包裹骨材，形成瀝青混合料。

此題要求詳述如何在材料選擇和混凝土配合設計階段，透過各種策略來達成混凝土的五大性能目標：工作性、安全性、耐久性、生態性、經濟性。

一、材料選擇階段的策略

1. 工作性 (Workability):

• 骨材選擇:
  • 粒徑分佈與級配: 選擇具有良好級配的粗、細骨材，能使骨材顆粒緊密堆積，減少水泥漿用量，提高流動性。
  • 粒形與表面紋理: 選擇圓滑、低表面積的骨材，可減少水泥漿的摩擦阻力，增加流動性。
  • 最大粒徑: 根據結構物尺寸和鋼筋間距選擇適當的最大粒徑，過大的骨材可能不易澆築密實。
• 水泥選擇: 選擇水化速度適中、細度合適的水泥。
• 外加劑使用: 選擇合適的減水劑（或高效減水劑）可大幅提高工作性，或在相同工作性下減少用水量。輸氣劑也能改善工作性。

2. 安全性 (Safety):

• 骨材選擇:
  • 強度與堅固性: 選擇高強度、堅固、無害雜質的骨材，確保混凝土能夠承受設計荷載。
  • 潔淨度: 骨材應潔淨，無黏土、有機物等影響水泥水化的雜質。
• 水泥選擇:
  • 強度等級: 根據設計要求選擇足夠強度等級的水泥。
  • 穩定性: 選擇安定性好的水泥，避免因水泥自身膨脹導致混凝土開裂。
• 水質: 使用符合標準的拌合用水，避免含有影響水泥水化或產生腐蝕性物質的雜質。
• 外加劑使用: 選擇能提高混凝土早期強度（如早強劑）或提升整體強度的外加劑。

3. 耐久性 (Durability):

• 骨材選擇:
  • 抗壓強度與吸水率: 選擇堅固、低吸水率的骨材，抵抗風化、凍融等。
  • 抗化學侵蝕: 根據環境選擇對硫酸鹽、氯化物等侵蝕有抵抗力的骨材。
• 水泥選擇:
  • 低 C₃A 含量: 對於海水、土壤硫酸鹽侵蝕環境，選擇低 C₃A 含量（如第二型或第五型水泥）的水泥。
  • 低水化熱: 對於大體積混凝土，選擇低水化熱水泥（如第四型），減少溫度裂縫。
• 外加劑使用:
  • 減水劑: 降低水灰比，提高密實度，減少滲透性。
  • 輸氣劑: 在混凝土中引入微小均勻氣泡，提高抗凍融性。
  • 抗硫酸鹽外加劑: 輔助抵抗硫酸鹽侵蝕。

4. 生態性 (Sustainability):

• 骨材選擇:
  • 再生骨材: 使用建築廢料再生骨材，減少天然骨材開採。
  • 在地骨材: 優先使用在地生產的骨材，減少運輸碳排放。
• 水泥選擇:
  • 摻料水泥: 使用含有飛灰（fly ash）、爐渣（slag）等工業副產品的摻料水泥，可減少水泥用量，降低碳排放。
• 水資源: 採用減水劑，減少拌合用水量。
• 回收材料: 考慮使用回收的混凝土廢料。

此題要求選擇一種混凝土劣化問題，詳細說明其發生原因（反應機理）及預防策略。這裡選擇「鋼筋腐蝕」進行闡述，因為它是結構混凝土中最常見也最嚴重的耐久性問題之一。

混凝土劣化問題：鋼筋腐蝕 (Corrosion of Reinforcing Steel)

1. 發生原因 (反應機理):

鋼筋腐蝕是指鋼筋在混凝土環境中發生電化學反應，生成鐵鏽（氧化鐵或氫氧化鐵），導致鋼筋截面積減小、體積膨脹，進而引起混凝土開裂、剝落，嚴重影響結構安全。

鋼筋在混凝土中受到保護，主要是由於混凝土本身的高鹼性環境 (pH 值通常在 12.5-13.5)。在這個高鹼性環境下，鋼筋表面會形成一層鈍化膜 (passive film)，這層鈍化膜是鋼筋免於腐蝕的關鍵。

鋼筋腐蝕的發生需要以下三個條件：

• 陽極區 (Anode): 鋼筋表面的某個區域發生氧化反應，失去電子，形成鐵離子 ($Fe^{2+}$)。
  $Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$
• 陰極區 (Cathode): 鋼筋表面的另一個區域（或混凝土中的其他導電體）發生還原反應，消耗電子。在有氧氣和水分存在的情況下，常見的陰極反應是氧還原：
  $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$
• 電解質 (Electrolyte): 混凝土中的水分和溶解的離子（如氯離子、氫氧化物離子）構成導電的電解質溶液，使電子和離子得以傳輸。

腐蝕的啟動因素：
鋼筋鈍化膜的破壞是腐蝕啟動的關鍵。在混凝土結構中，主要有兩種因素會破壞鈍化膜：

• 氯離子侵蝕 (Chloride Attack): 當氯離子 ($Cl^-$) 滲透到鋼筋表面，並達到一定濃度時，會與鋼筋表面的鈍化膜發生反應，破壞其穩定性，形成局部電化學電池，加速腐蝕。氯離子是鋼筋腐蝕最主要的誘因。
  $Fe + 2H_2O \rightarrow Fe(OH)_2 + H_2$
  $Fe(OH)_2 + O_2 \rightarrow Fe_2O_3 \cdot nH_2O$ (鐵鏽)
  氯離子還會與鋼筋表面的鐵離子形成可溶性絡合物，進一步破壞鈍化層。

• 碳酸化 (Carbonation): 混凝土暴露於空氣中時，空氣中的二氧化碳 ($CO_2$) 會滲入混凝土，與混凝土中的氫氧化鈣 ($Ca(OH)_2$) 反應，生成碳酸鈣 ($CaCO_3$) 和水，這個過程稱為碳酸化。
  $Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$
  碳酸化會降低混凝土的 pH 值。當碳酸化深度達到鋼筋表面時，pH 值會降至 9 以下，不足以維持鋼筋的鈍化狀態，從而使鋼筋開始腐蝕。