第二章 文獻回顧
第三節 以腐蝕速率變化推估鋼筋腐蝕量
近年來，檢測鋼筋腐蝕除了用傳統的破壞性檢測方法來量測鋼筋重量或斷面損失 之外，非破壞檢測法（Non-destructive Inspection, NDT）已逐漸成為工程界所採用的新 技術。本章節先介紹腐蝕的基本原理，佐以電化學反應之觀念加以說明，最後再介紹 鋼筋腐蝕的量測方法及鋼筋腐蝕的計算。
壹、腐蝕的基本原理
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 and Revie 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2-14所示。以下將腐蝕基本的五種要素逐一說明
圖2-14 金屬腐蝕示意圖(陳 冠 霖 2007)
(1) 陽極（anode）
含腐蝕橫向鋼筋的梁構件 (3) 導電通路（external conducting path）
電化學的氧化還原反應需要有電子的轉移，所以必須有良好的導電通路腐蝕現象
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。在濕潤的環境下，若電解溶液來源十分充裕，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，量測電化學反應速率的快慢，可得知鋼筋的腐蝕速率，
本實驗僅針對所相關的開路電位法、直流極化法(Linear Polarization Method、DC法)、
交流阻抗法(Alternative Current Impedance Method、AC法) 及脈衝理論法來進行回顧。
(1) 開路電位法
開路電位法是在無外加電場作用下評估鋼筋與參考電極的電位差(ASTM 1999)。
腐蝕反應在鋼筋表面並不是很均勻地發生，亦即腐蝕是隨機的，只要陽極反應及陰極 反應分別在金屬表面不同之微小區域進行時，就會形成一對對的微小電池，即所謂的 腐蝕微電池，而開路電位法就是通常利用硫酸銅溶液所組成銅/硫酸銅電極(Cu/CuSO4)
第二章 文獻回顧 或甘汞電極（Hg/Hg2Cl2/KCl）為參考電極形成一個半電池，在未外加電流、電壓狀態 下量測鋼筋之電位，此時的電位量測值稱之為腐蝕電位，主要用於評估鋼筋的腐蝕機 率，但卻無法得知鋼筋的腐蝕速率。依據ASTM C876 之規定，可利用半電池電位法 來評估鋼筋腐蝕的機率，如表2-3 所示。
表2-3 開路電位對腐蝕機率之判定(ASTM 1999) 銅/硫酸銅電極(mV) 飽和乾汞電極(mV，SCE) 腐蝕機率
＞-200 ＞-126 小於10％
-200 ~ -350 之間 -126 ~ -276 之間 10~90％之間
＜-350 ＜-276 大於90％
＜-500 ＜-426 嚴重腐蝕
(2) 直流極化法(Linear Polarization Method、DC 法)
若平衡的金屬電極受到外在因素的影響，產生電流經過時便會破壞此電極的平衡，
而電流會由高電位的陰極流向低電位的陽極，電位改變的方向永遠與平衡之方向相反，
所以陽極電位會向陰極電位移動，陰極電位也會向陽極移動，最後使得兩極電位差變 小，這種電流進出造成電位的改變程度，就稱為極化(王鼎智 2002)。
直流線性極化法是由Stern 和 Geary 首先提出(Stern 1958)，利用金屬極化的現象 由外界供給微小電流來進行金屬腐蝕的量測，即在一個腐蝕的系統中，若在其自然的 腐蝕電位下給予一個很小的過電位，就會產生一微小的電流。此時外加的微小電位和 電流間將成一線性關係，而此線性關係的斜率稱為極化阻抗Rp（polarization resistance），
如圖2-15 所示。
含腐蝕橫向鋼筋的梁構件
式中Rp=極化阻抗值(ohm)；ΔE=電位差(volts)；ΔI=電流差(I) 再利用Stern-Geary 公式可得腐蝕電流密度(icorr) 公式如下：
第二章 文獻回顧
圖2-16 典型 Evans 圖
依照Faraday 定律及腐蝕電流密度的關係，可進而推算腐蝕速率，公式推導如下：
nF m Ita
A i I
nF ia tam
以金屬密度(ρ)表示，可得腐蝕速率(mpy) ，其公式如下：
nF rcorr 1290. ia 其中， I=電流 (A)
T=經過時間 (s)
icorr =腐蝕電流密度(μA/cm2) a=原子量 (g/mole)
ρ=金屬密度 (7.86 g/cm3)
n=電荷轉移的電子數目(n=2, Fe→Fe2+2e－) A=腐蝕區域面積 (cm2)
F=法拉第常數 (96500 coloumbs/mole)
含腐蝕橫向鋼筋的梁構件
2-22
解液的電阻過大時，大部份的電壓降會發生在電解液，其直流極化法所量測之阻 抗值將會低估鋼筋表面的腐蝕率，使量測的腐蝕電流將遠比實際小。交流阻抗法 利用頻率及電路的解析技巧，可以在雜訊中得到準確的金屬表層資訊，正確地分 析出鋼筋的阻抗值(McCarter and Brousseau 1990)。
交流阻抗法施加小振幅之正弦波電壓於待測水溶液中之電極上，電流會藉由 電解液中離子的移動經過整個水溶液到達電極上，隨著時間之變化便可量測該電 極之電流變化。在小振幅正弦交流電壓施加之條件下，有些較為複雜的關係可以 簡化為線性關係，因此電極電位的正弦波振幅與相角便可以和電流的正弦波振幅 與相角比較進而計算出整個阻抗值。根據電路學原理，電阻之阻抗值不隨頻率變 化而改變，但是電容之阻抗值並非如此。。也就是說，當頻率趨近無限大時，電 容可以近似為短路，因此其阻抗值相當小，而當頻率趨近於零時，電容近似於斷 路，因此其阻抗值相當大。由於這個原因，若施加於電極上之電壓為一固定振幅 但不固定頻率之電壓，根據前述之電容特性便可以得到整個電路所具有之電阻成 份與電容成份，通常電路是由電阻串聯電容或電阻與電容並聯所組成，亦經常把 電極的交流阻抗以實數和虛數部分來表示。再藉由適當之電路模型代入阻抗曲線 便可以利用數學計算得到整個電路之各個元件值大小。
利用交流阻抗法配合電化學試驗所衍生出的方法稱為電化學阻抗分析法
（Electrochemical Impedance Spectroscopy、EIS）(李 英 儒 2001)。進一步利用電 化學物質之氧化還原反應得失電子的特性可將交流阻抗分析法之量測精準度加以 提高。交流電阻抗分析法應用於電化學偵測時，可以下列電路模型推導出其應有 之電阻係數與電容係數，如圖2-17 所示。圖中 Rs 為溶液之等效阻抗，C 為電雙 層等效電容，Rp 為鋼筋之等效阻抗。
圖2-17 鋼筋之等效電路圖
第二章 文獻回顧 (4) 脈衝理論法
利用為非破壞極性靜電流脈衝式檢測儀器，決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，將短電流脈衝作在鋼筋上，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。此法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2-18 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，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 A/S 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2-4 所示。GalvaPulse 量測時的顯示畫面如圖 2-19 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2-4 GalvaPulse 一般試驗值(Germann Instruments A/S 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
含腐蝕橫向鋼筋的梁構件
2-24
圖2-18 GalvaPulse電位與時間關係(Germann Instruments A/S 2009)
圖2-19 GalvaPulse顯示畫面
參、鋼筋腐蝕量計算
再利用Faraday定律與腐蝕電流密度的關係可推出腐蝕速率：
nF
rcorr 1290. ia (mpy)
第二章 文獻回顧 腐蝕速率可進行單位轉換，當腐蝕速率單位以mm表示時，單位轉換關係為：1 mpy
=0.0254 mm/year，常數為0.00327，此時腐蝕速率的計算公式如下：
nF
rcorr 003270. ia (mm/year)
利用腐蝕速率(mm/year)及已腐蝕進行的時間求積分即可得折減的鋼筋斷面深度，
公式如下：
T A D
其中D=折減的鋼筋深度 (mm)A=積分的腐蝕速率面積(cm2) T=浸泡天數 (days)
再利用折減的鋼筋深度即可算出腐蝕的重量損失量，公式如下：
r D L m 2
其中π=圓周率 (3.1415926) r=鋼筋的半徑 (mm)
D=折減的鋼筋深度 (mm) L=鋼筋浸泡深度 (mm) ρ=金屬密度 (7.86 g/cm3)
第三章 腐蝕梁耐震性能試驗
第三章 腐蝕梁耐震性能試驗
本章首先將介紹主筋防腐蝕方式、腐蝕量、通電量三者關係之前置實驗，接著敘 述全尺寸梁設計、製作，以及加速腐蝕與反復載重試驗方法，最後討論兩組試體試驗 結果，包括鋼筋腐蝕型態、腐蝕裂縫型式，以及耐震性能。
第一節 前置實驗