土釘之防蝕處理

為確保土釘在設計使用年限內，不會因鋼材的腐蝕破壞而降低 或喪失加勁之效能，在設計及施工時必須考量土釘的防蝕處理。除 了掌握現地腐蝕環境，選擇處理方式時也應以對土釘最不利的條件 來決定。

一、腐蝕形式

生鏽是一種電化學反應，表面的一處電子移至另一處，失去電 子之處成為陽極，得到電子之處成為陰極；陽極反應的鐵成為+2 價 之鐵離子，陰極則為水分子還原成氫氣與氫氧根離子。陽極的+2 價 離子與陰極之氫氧根離子接觸生成氫氧化鐵，再氧化變成水和氧化 鐵，而此生成物即為所謂的鏽，鏽剝落後下層之鐵還會繼續氧化。

鋼材之腐蝕形式分為下列三種：(廖洪鈞等人，1994) 1. 氫脆化(Hydrogen embrittlement)(如圖 3.1)

2. 痘痕式腐蝕(Pitting corrosion) (如圖 3.2) 3. 應力腐蝕(Stress corrosion)(如圖 3.3)

痘痕式腐蝕作用會減少鋼材的斷面積，降低張力強度，同時也 會因體積膨脹而使土釘鋼筋周圍漿體受到張力而破裂；氫脆化及應 力腐蝕作用將降低鋼材的延展性而成為脆性材料。在上述三種作用 中，痘痕式腐蝕作用是因氯離子而產生的，而氫脆化腐蝕作用則由 氫離子的作用造成，所以氯、氫離子的充足與否，對於鋼材的腐蝕 性有決定性的影響。因此，環境條件對於土釘的防蝕處理是相當重 要且必須瞭解。

圖 3.1 氫脆化示意圖（重繪自廖洪鈞等人，1994）

圖 3.2 痘痕式腐蝕示意圖（重繪自廖洪鈞等人，1994）

圖 3.3 應力腐蝕示意圖（重繪自廖洪鈞等人，1994）

二、腐蝕環境

造成鋼材鏽蝕與環境條件的關係如下：

1. pH 值

對於鋼材而言，酸性愈強，腐蝕速度愈快，尤其當 pH 值在 4 以 下時腐蝕甚速，單使用高鹼性水泥漿體的保護，易因裂隙或碳化或 氯離子存在而降低，因此仍須有其他保護措施如表 3.3

表 3.3 pH 值與防蝕處理之對策(FIP，1986)

pH 值 防蝕處理

5.5 以上 地下水滯留時，良好之水泥漿體不會受到侵蝕 5.5~3.5 使用水密性之漿體，如水泥加粉狀飛灰或高爐渣等 3.5 以下 使用一般波特蘭水泥系以外的灌漿材料(如抗硫水泥) 2. 視電阻值

地層之視電阻值與土壤的含水量及地層之透水性有關，FIP(1986) 建議之地層視電阻值與酸化還原勢能值及腐蝕度大小關係如表 3.4 所示。

表 3.4 地層的腐蝕標準(FIP，1986)

腐蝕度 視電阻值(ohm-cm) 酸化還原勢能值(mV) 大 700 以下 100 以下

中 700~2000 100~200

小 2000~5000 200~400

輕微或沒有 5000 以上 400 以上(若在黏性土中)

3. 細菌

依照美國國家標準局(National Bureau of Standard, NBS)鏽蝕試 驗結果，Elias(1997)建議以下公式(1)(2)作為土釘鏽蝕及使用年限參

中發現一般鋼筋在地下水之上的鏽蝕速率較在地下水面之下為高， 用的方式(Shiu 與 Cheung，2003)，根據現場情況預測鋼筋的鏽 蝕率，按照規定的使用年限，確定可能的最大鏽蝕深度，並將 其加到土釘鋼筋的直徑上。鏽蝕產物會形成一層保護膜介於鋼 筋及周遭環境之間，可藉此以降低腐蝕速率。

2. 使用水泥砂漿保護層。即採用一般灌漿方式之土釘，保護層厚 度不小於 30~40mm；由於土釘受拉會引起砂漿保護層開裂，所 以水泥砂漿在許多國家被視為不具防蝕保護功效，因此在計算 腐蝕速率時需將土釘視為無水泥砂漿保護之一般鋼筋(French National Research Project，1991；Mitchell 與 Villet ，1987)。

3. 在鋼筋表面上鍍鋅以增加抗鏽能力。這種方法一樣需要考慮鏽 蝕率並加大截面，而且這種塗層容易受碰撞損傷，在連接處也 較難處理；保護層之有效時間除大致與鍍鋅厚度成比例外，並 與土壤腐蝕性有關 (Murray，1993)，以目前最常見之鍍鋅厚度 85µm(610 g/m²)，在非腐蝕性的土壤中保護層可維持 21 年，但

則環氧樹脂即喪失防蝕效果。

美國土釘防蝕處理目前主要依據 Byrne 等人(1998)提出之方 式，除不適合使用土釘補強之地層(例如現地標準貫入試驗 N 值小於

至於土壤腐蝕性之定義，Byrne 等人(1998)也提出一分類法則如 表 3.6 所示。土壤只要符合表中任何一項即屬於具腐蝕性土壤。

表 3.6 土壤腐蝕性分類表(Byrne 等人，1998)

土壤性質 臨界值

視電阻值 2000 ohm-cm 以下

pH 值 5 以下

硫酸鹽含量 200 ppm 以上

氯離子含量 100 ppm 以上

„ 法國防蝕處理方式

French National Research Project(1991)為法國防蝕處理主要參考 依據，採用之處理方式以加大斷面積及配合塑料波紋套管為主，對 於鋼筋鍍鋅能產生的防蝕效用予以忽略。

法國將土釘結構的設計使用年限分為三類：短期(1.5 年以內)、

中期(1.5~30 年)、永久性(30~100 年)，防蝕保護處理方式則由土壤 腐蝕性及設計使用年限決定，如表 3.7，表中的數字為土釘截面半徑 需要加大的尺寸。

表 3.7 防蝕加大截面積(French National Research Project，1991) 臨時(≦1.5 年) 1.5~30 年 30~100 年

輕度腐蝕性 0 2mm 4mm

中度腐蝕性 0 4mm 8mm

中高度腐蝕性 2mm 8mm 加用塑料套管

高度腐蝕性 必須加用塑料套管

„ 英國防蝕處理方式

英國土釘結構防蝕處理參照 Murray(1993)所提出之建議方式。

表 3.8 為鍍鋅鋼筋於不同腐蝕性土壤中之腐蝕速率；圖 3.4 為鋼筋於 不同腐蝕程度之土壤中隨使用年限與損失厚度之關係。對於高度腐 蝕性土壤，Murray(1993)不建議於永久性結構中採用土釘。

除了鍍鋅與加大斷面之外，Murray(1993)也建議更進一步之防 蝕保護，即採用塑料波紋套管，但對於套管並無建議之適用條件或 使用方式。

表 3.8 鍍鋅鋼筋於不同腐蝕性土壤中之腐蝕速率 (Murray，1993) 土壤條件

(Eyre and Lewis，1987)

鍍鋅層腐蝕速率 式(Shiu 與 Cheung，2003)，另於極少部分需要高度防蝕保護地區可 使用塑料波紋套管。一般而言，通常以加大鋼筋半徑 2mm，並配合 鍍鋅厚度 85µm(610 g/m²)；若以土釘結構最常使用之＃8 鋼筋為例，

加大斷面半徑 2mm 之後，即等於採用＃10 鋼筋。

圖 3.4 不同腐蝕環境土釘所需犧牲之厚度(Murray，1993)

六、台灣地區防蝕處理建議方式

台灣過去對於土釘工法並無一套標準之施工方針或規範，針對 土釘之防蝕處理也缺乏相關研究成果可供參考依循；因此，本計畫 謹評估上述鏽蝕條件、計算及各國防蝕處理，可供國內實務界設計 及施工參考之依據。

在土壤腐蝕性的定義上，本計畫建議可採用美國土壤腐蝕性分 類(Byrne 等人，1998)，如表 3.6。在與各國之土壤腐蝕性分類評估 相較之下，此一分類方法實較為簡單且易於遵循。

依據土壤腐蝕性質，對於土釘鋼筋防蝕處理方式，建議在一般

Sacrificial Thickness per Exposed Surface (mm)

Elapsed Time (Year) 腐蝕性

非腐蝕性 輕度腐蝕性

較為簡單且國內鍍鋅技術已趨成熟。以香港經驗為例，＃8 鋼筋加 大斷面半徑 2mm 之後即等於直接採用＃10 鋼筋，此方式在大量採 用後並無因土釘鏽蝕造成斷裂而產生意外；而鋼筋鍍鋅防蝕早已是 一種普遍的防蝕方式，僅需注意塗料之完整並避免施工上的碰撞。

在具腐蝕性土壤中，建議採用外加塑料波紋套管之方式，需注 意套管與鑽孔間隙需大於 12mm，鋼筋與套管間隙需大於 5mm(Byrne 等人，1998)，在套管與鑽孔之間仍需以灌漿封填，即能達到較佳之