第二章 文獻回顧
第三節 以腐蝕速率變化推估鋼筋腐蝕量
傳統的鋼筋腐蝕量測方式多屬破壞性檢測，必須破壞試樣將鋼筋取出後方可量測 鋼筋損失重量，費時費力，不適於現地即時檢測，數量多時更不易進行。故近年來，
多以非破壞檢測(Non-Destructive Testing, NDT)進行腐蝕速率量測來取代傳統鋼筋腐蝕 量測技術。本章節將再次簡介鋼筋腐蝕原理，輔以電化學反應之觀念逐步說明腐蝕速 率量測機理，最後介紹本研究中量測鋼筋腐蝕速率之方法及腐蝕量計算。
壹、鋼筋腐蝕原理
腐蝕是金屬與周圍環境發生電化學作用的一種自然反應。大多數的金屬礦物在自 然條件下以氧化物狀態存在(穩定化合物)，當暴露在自然環境下時，從礦物冶煉出來 之金屬逐漸由不穩定之狀態轉變回原來穩定之氧化物，這種材料性質改變的過程即為 腐蝕。鋼筋的腐蝕屬於自然反應，例如，鋼筋是由鐵礦經過加熱冶鍊而成，但是鐵礦 冶鍊需吸收大量能量，故曝露在自然環境中之鋼筋只要環境條件充足，便會使鋼筋回 歸到原來的狀態，即俗稱之生鏽(腐蝕)(林賢正，2003)。
腐蝕是一種電化學反應，當電位差存在時才有機會發生腐蝕。因此腐蝕作用是否 進行需同時具備：陽極、陰極、電導通路、電流、電解溶液五要件，缺任一要件則腐 蝕無法進行(Uhlig，1985)。上述五種要素連接成的系統稱為電化學電池（electrochemical corrosion cell），如圖 2-18 所示。以下將腐蝕基本的五種要素再次逐一說明。
圖2-18 金屬腐蝕示意圖(陳冠霖，2007)
(1) 陽極 (anode)
陽極為發生氧化反應(oxidation)之電極，若以鐵為例，鐵在此處氧化，釋放兩顆電
子並生成鐵離子。其反應式如式 2-42 所示：
2e－
+
→Fe
Fe 2 (2-42)
(2) 陰極 (cathode)
陰極為發生還原反應(reduction)之電極，同樣以鐵為例，在還原過程中，水與空氣 中的氧氣吸收陽極所釋放之游離電子反應生成氫氧根離子(OH－)。其反應式如式 2-43 所示：
－
－→4OH
4e + O + O
2H2 2 (2-43)
兩極間的反應可由圖 2-19 表示。
圖 2-19 鋼筋腐蝕原理示意圖(Hansson，2006)
陽極反應中所生成之鐵離子會與陰極生成物氫氧根離子持續反應生成氫氧化鐵，
然後再與水及氧氣進一步氧化為三價鐵離子(Fe3+)。反應式如式 2-44~2-45 所示 (Mindness，1981)。
Fe2++ 2(OH−) → Fe(OH)2 (2-44) 2Fe(OH)2𝑂→ 2Fe(OH)2 , 𝐻2𝑂 3 → Fe2O3∙ 𝑛𝐻2𝑂 (2-45)
(3) 導電通路 (external conducting path)
電化學的氧化還原是透過電子的轉移進行反應，具有良好的導電通路腐蝕現象才
腐蝕的進行需要有足夠的電子數反應才會順利進行，也就是說需要有足夠的電動 勢( electromotive )才能驅動電子形成電流。
(5) 電解液 (electrolyte)
電化學腐蝕又稱為濕腐蝕（wet corrosion），必須在潮濕或有水氣的情況下氧化還 原才能順利進行。在電解溶液來源十分充裕時，離子的移動速率將比金屬氧化擴散作 用快，則金屬腐蝕速率將會加快。若於無濕氣的環境中，離子的移動將會停止。
貳、鋼筋腐蝕速率量測
鋼筋腐蝕為一電化學反應，量測反應速率的快慢可得知鋼筋腐蝕速率，本研究運 用脈衝理論法進行量測評估，故針對此方法進行文獻回顧。
(1) 脈衝電流法
本方法係利用非破壞極性靜電流脈衝式檢測儀器來測定混凝土內鋼筋之腐蝕速率，
同時也量測保護層之半電池電位 (half-cell)與電阻。此法利用混凝土表面計數電流探測 棒及參考電極探測棒，將短電流脈衝施加在鋼筋上，鋼筋上所作用之電流會改變鋼筋 電位，由此改變量來計算鋼筋腐蝕速率。
本研究採用 GalvaPulse GP-500 為丹麥 Germann Instruments 所生產之現地量測腐 蝕儀器，其利用脈衝原理來量測混凝土中鋼筋的腐蝕速率，同時亦可量測鋼筋之半電 池電位(half-cell)與保護層電阻。如前所述，該儀器施加短電流脈衝於鋼筋上，由鋼筋 電位改變量來推算鋼筋腐蝕速率。儀器內定施加五秒鐘25 μA 的電流，正常情況下應 可適當地極化鋼筋，通常電位變化如圖 2-20 所示。就原理而言，鈍態區的初始斜率較 低，活性區的斜率較高。電位變化應該都要隨著時間遞增，若是下降則為錯誤，很可 能是因接觸不夠所造成的。若是發生數據不穩定的情況，則可能是因為連接不當或者 脈衝不足(Germann Instruments， 2009)。量測值通常與試體的含水量、溫度等條件有 關，一般的試驗值如表 2-8 所示。GalvaPulse 量測時的顯示畫面如圖 2-21 所示，螢幕 上第一行所顯示的是為目前的座標及狀態；第二行所顯示的是相較於氯化銀電極的腐 蝕電位，儀器持續量測直到數據被讀取；第三行顯示的為其電流密度數值；第四行所 顯示的是電極與鋼筋間的電阻。
表 2-8 Galva Pulse 一般試驗值(Germann Instruments， 2009) 鏽蝕鋼筋
實際電位 (mV) -400 to -500 電流密度 (μA/cm2) 5 to 20 電阻值 (kOhm) 0.2 to 4
不鏽蝕鋼筋
實際電位 (mV) -50 to +50 電流密度 (μA/cm2) 0.1 to 0.6 電阻值 (kOhm) 0.2 to 4
圖 2-20 Galva Pulse 電位與時間關係(Germann Instruments， 2009)
參、鋼筋腐蝕量計算
r corr corr
(2-46)
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