第 一 節 混 凝 土 中 鋼 筋 腐 蝕 之 機 制 及 影 響
壹 、 混 凝 土 中 鋼 筋 腐 蝕 機 制
眾 所 周 知 ， 鐵 礦 石 作 為 鐵 的 氧 化 物 ， 長 期 穩 定 地 存 在 於 自 然 界 中，而 鋼 是 經 過 高 溫 熔 煉，從 鐵 礦 石 中 奪 走 其 中 的 氧、硫 等 才 形 成 的。
所 以 ， 從 熱 力 學 上 看 ， 鋼 處 於 高 能 量 的 狀 態 ， 是 一 種 不 穩 定 的 物 質 。 因 此 它 在 環 境 介 質（ 氧 化 劑 ）的 作 用 下，急 欲 恢 復 為 較 穩 定 的 氧 化 物 狀 態；則 此 鋼 被 氧 化 的 過 程 就 是 鋼 的 腐 蝕，是 為 一 種 自 發 過 程。但 是，
在 常 溫 下，環 境 介 質 中 的 氧 化 劑 與 鋼 是 難 以 直 接 進 行 氧 化 反 應 的；不 過，許 多 環 境 介 質（ 水、土 壤 和 混 凝 土 ）都 含 有 電 解 質 溶 液，而 鋼 在 這 些 電 解 質 溶 液 和 常 溫 下，便 易 以 電 化 學 反 應 的 形 式 進 行 腐 蝕。綜 合 而 言，在 鋼 表 面 上 進 行 任 何 一 種 電 化 學 腐 蝕，都 必 須 具 備 下 列 四 個 條 件 ：
(1)鋼表面具有電化學不均勻性，即可區分為電位較負的陽極區Ａ 和 電 位 較 正 的 陰 極 區 Ｋ ， 它 們 之 間 具 有 電 位 差 △Ｖ ；
(2)在陽極與陰極區之間，電解質溶液的電阻Ｒ較小；
(3)在陽極區，鋼表面處於活化狀態，鋼易進行氧化反應，即鐵離 子 化 為 Fe2+，同 時 放 出 自 由 電 子 ｅ，也 就 是 陽 極 極 化 ＰＡ較 小；
(4)在陰極區，鋼表面上的電解質具有足夠的氧化劑（通常是水與 氧 ） ， 它 們 可 與 來 自 陽 極 區 的 自 由 電 子 ｅ 反 應 生 成 Ｏ Ｈ－， 即 氧 的 還 原 反 應 ， 也 就 是 陰 極 極 化 ＰＫ較 小 。
上 述 鋼 的 電 化 學 腐 蝕 的 反 應 式 可 表 示 如 下
陽 極 區 ：2Fe→2Fe2+ +4e （鐵的溶解和放出電子）
圖 3- 1 Fe-H2O 系統的 PH 值-電位圖 (資料來源：[39])
基 於 以 上 認 識，最 後 將 混 凝 土 中 鋼 筋 腐 蝕 過 程 區 分 為 下 列 兩 個 階 段 ：
1.預 備 階 段 （ 又 稱 為 孕 育 期 或 前 期 ） －從澆築混凝土時到混凝土 中 性 化 層 深 達 鋼 筋 ， 或 氯 化 物 侵 入 混 凝 土 而 使 鋼 筋 活 性 提 昇 ， 即 鋼 筋 開 始 腐 蝕 時 止 。 這 段 時 間 以 ｔ0表 示 。
2.發 現 階 段 － 從 鋼 筋 開 始 腐 蝕 發 展 到 嚴重腐蝕，以致結構破壞到 不 能 再 安 全 使 用 時 止 。 在 發 展 階 段 ， 環 境 侵 蝕 介 質 入 侵 加 速 ， 所 以 腐 蝕 是 不 斷 加 劇 的 。 這 一 階 段 又 可 細 分 為 下 列 三 個 時 期 ： (1) 中 期 － 從 鋼 筋 開 始 腐 蝕 發 展 到 混 凝 土 表 面 因 鋼 筋 腐 蝕 膨
脹 而 顯 示 破 壞 現 象（ 如 延 鋼 筋 脹 裂、層 狀 開 裂1或 剝 落 ）。
這 段 時 間 以 ｔ1表 示 。
(2) 後 期 － 從 混 凝 土 表 面 因 鋼 筋 腐 蝕 膨 脹 開 始 破 壞 發 展 到 混
1混 凝 土 發 生 順 鋼 筋 網 面 的 層 狀 開 裂 時 ， 從 混 凝 土 表 面 上 看 雖 無 明 顯 破 壞 跡 象 ， 但 敲 擊 混 凝 土 表 面 時 會 有 空 洞 聲 。
凝 土 普 遍 顯 示 嚴 重 脹 裂 、 剝 落 破 壞 ， 即 已 達 到 不 可 容 忍 程 度 ， 必 須 全 面 補 修 時 止 。 這 段 時 間 以 ｔ2表 示 。
(3) 晚期－鋼筋腐蝕已擴大到使結構區域性破壞，致使結構不 能 安 全 使 用 。 這 段 時 間 以 ｔ3表 示 （ 圖 3-2）。
一 般 地 ， ｔ0＞ ｔ1＞ ｔ2＞ ｔ3。
圖 3- 2 混凝土中鋼筋腐蝕過程示意圖
(資料來源：[39])
對 於 預 應 力 混 凝 土 結 構 ， 一 般 設 計 使 用 壽 命 T 取ｔ0＋ ｔ1。 最 好 在 ｔ0 期 間 加 強 檢 查 ， 一 旦 發 現 預 力 鋼 筋 有 腐 蝕 破 壞 跡 象 ， 應 及 時 處 理 。 這 是 因 為 預 力 筋 之 應 力 高 ， 質 脆 ， 特 別 是 高 拉 力 鋼 絲 ， 斷 面 小 ， 即 使 腐 蝕 輕 微，斷 面 損 失 率 已 較 大，而 且 對 應 力 腐 蝕 和 應 力 腐 蝕 疲 勞 敏 感 ， 所 以 儘 管 預 力 混 凝 土 的 ｔ0 比 一 般 鋼 筋 混 凝 土 （ 在 同 一 環 境 條 件 下 ）的 ｔ0大，但 如 果 發 生 腐 蝕，則 腐 蝕 破 壞 危 險 將 更 高，即 ｔ0>>
ｔ1>>ｔ2>>ｔ3。
對 於 一 般 鋼 筋 混 凝 土 結 構，其 設 計 使 用 壽 命 T 取ｔ0＋ ｔ1＋ ｔ2。 最 好 在 ｔ0時 間，最 晚 也 應 在 ｔ1時 間 內 儘 早 有 效 修 補，方 可 達 事 半 功 倍 之 效 。
因 此 如 何 利 用 合 適 的 檢 測 機 制 及 週 期 性 之 檢 測 時 程 以 了 解 鋼 筋 的 腐 蝕 狀 態 ， 當 是 建 築 維 護 第 一 應 努 力 的 方 向 。
貮 、 鋼 筋 劣 化 對 混 凝 土 結 構 功 能 的 影 響
混 凝 土 中 鋼 筋 如 果 腐 蝕，一 方 面 會 減 少 鋼 筋 的 斷 面 積，一 方 面 會 使 混 凝 土 保 護 層 脹 裂 、 剝 落 。
通 常，混 凝 土 中 性 化 在 二、三 十 年 間 才 達 到 30mm 的深度，是一 個 緩 慢 的 發 展 過 程，而 且 它 引 發 的 鋼 筋 腐 蝕 一 般 是 全 面 性 腐 蝕，斷 面 積 損 失 率 低 ， 混 凝 土 脹 裂 範 圍 離 鋼 筋 最 多 也 只 是 10mm。但氯化物引 起 的 鋼 筋 腐 蝕 則 不 然，通 常 是 局 部 腐 蝕，集 中 在 小 面 積 上，使 鋼 筋 局 部 斷 面 積 有 相 當 大 的 減 少 ， 甚 至 高 達 100%。以相關資料顯示，氯化 物 滲 入 的 深 度 在 一 般 常 用 水 泥 混 凝 土 中 常 可 深 達 200mm，因此其對結 構 功 能 的 影 響 要 嚴 重 得 多 。
鋼 筋 斷 面 積 的 減 少，使 構 件 承 載 力 近 似 線 性 關 係 地 降 低，而 構 件 的 延 展 性 能、韌 性 和 疲 勞 强 度 等 性 能 的 降 低 則 更 為 敏 感。由 鐵 銹 膨 脹
使 鋼 筋/混凝土黏結性能和混凝土對鋼筋的拘束作用大大削弱，在鋼筋
斷 面 積 減 少 得 還 不 多 時，這 些 性 能 就 已 經 明 顯 下 降。即 使 鋼 筋 周 圍 的 混 凝 土 還 完 全 是 塑 性 狀 態，也 會 發 生 鋼 筋 從 混 凝 土 中 拔 出 的 破 壞。如 果 銹 脹 順 筋 開 裂 發 生 於 鋼 筋 錨 定 區 ， 則 構 件 有 可 能 突 然 破 壞 。
因 此，採 用 高 拉 力 鋼 絲 或 對 應 力 腐 蝕 敏 感 的 高 強 熱 處 理 鋼 筋 的 預 力 混 凝 土 結 構 ， 雖 然 預 力 使 結 構 使 用 時 混 凝 土 無 裂 縫 ， 可 以 延 長 t0
值，但 是 一 旦 顯 示 了 初 始 腐 蝕 現 象，則 在 局 部 腐 蝕 破 壞 處 就 已 經 喪 失 了 剩 餘 的 結 構 承 載 能 力 （ 只 是 從 整 個 結 構 看 ， 還 剩 餘 大 部 分 承 載 能 力 ），常 常 會 在 沒 有 任 何 預 兆 下 突 然 破 壞。所 以，應 當 將 初 始 腐 蝕 破 壞 現 象 看 作 嚴 重 破 壞 訊 號 應 當 將 t0、t1視 為 使 用 壽 命 ， 根 本 不 能 考 慮 t2。 非 預 力 的 鋼 筋 混 凝 土 結 構 ， 包 括 採 用 對 應 力 腐 蝕 並 不 特 別 敏 感 的 預 力 粗 鋼 筋 的 混 凝 土 結 構 ， 一 般 在 鋼 筋 腐 蝕 引 起 混 凝 土 保 護 層 破 壞 時 ， 剝 落 露 筋 的 稜 角 上 ， 主 筋 損 失 量 的 典 型 值 為 0.1~0.5mm，絶對不 大 於 2mm。就粗鋼筋而言，斷面積損失率並不大（約 10%），而且常 常 是 間 斷 發 生 的，要 發 展 到 嚴 重 程 度 還 需 要 相 當 長 的 時 間。如 Buslov
等(1988)所 介 紹 的 ， 以 色 列 海 法 港 雜 貨 碼頭 鋼 筋 混 凝 土 版 梁 結 構 ， 使 用 40 年後，混凝土剝落露筋面積分別為 9%和 3%，鋼筋腐蝕破壞要 發 展 到 區 域 性 結 構 損 壞 至 少 還 需 要 10~15 年。可見，t2值 還 不 是 短 到 可 忽 略 不 計 程 度 。 所 以 ， 結 構 的 使 用 壽 命 可 取 （t0＋t1＋t2） 。 當 然 ， 為 了 以 最 小 代 價 盡 量 延 長 使 用 壽 命，應 趕 在 大 部 分 混 凝 土 尚 未 因 鋼 筋 銹 脹 開 裂 前 採 取 有 效 措 施， 制 止 鋼 筋 腐 蝕 發 展 ，以 盡 量 延 長 t1，推 進 t2。
最 後 將 英 國、義 大 利、沙 烏 地 阿 拉 伯、日 本 等 國 外 的 試 驗 研 究 資 料 整 理 如 下 ：
(1)對於表面只有浮銹的鋼筋，當其斷面損失小於 1%時，鋼筋的 應 力 － 應 變 曲 線 以 及 鋼 筋 抗 拉 強 度 、 降 伏 強 度 與 母 材 相 同 。 這 種 鋼 筋 對 結 構 性 能 基 本 沒 有 影 響 ， 但 是 鋼 筋 順 筋 脹 裂 時 ， 開 始 發 生 急 劇 影 響。如 日 本 Uomoto 等認為，鋼筋腐蝕引起混 凝 土 順 筋 脹 裂 是 構 件 抗 彎 能 力 降 低 的 關 鍵 點 。 另 外 ， 鋼 筋 質 量 損 失 1%時，鋼筋混凝土版的承載能力損失 4%，最大荷載 下 的 吸 收 能 減 少 17%，破壞形式主要是有預兆的塑性彎曲破 壞 。
(2)對於斷面積損失小於 5%且均勻銹蝕的低腐蝕鋼筋，熱軋鋼筋 的 應 力 － 應 變 曲 線 仍 具 有 明 顯 的 降 伏 點 。 依 文 獻 所 述 ， 鋼 筋 腐 蝕 損 失 1.2%、2.4%和 5%時，版的承載能力分別為 8%、17%
和 25%；鋼筋腐蝕損失為 1.2%、2.4%時，最大荷載下吸收能 分 別 為 34%和 46%。鋼筋伸長率基本上大於規範的最小允許 值 ， 鋼 筋 的 抗 拉 強 度 與 降 伏 強 度 仍 可 考 慮 與 母 材 相 同 ， 承 載 能 力 計 算 則 需 考 慮 斷 面 的 折 減 。 它 對 結 構 計 算 影 響 不 大 ， 破 壞 形 式 已 轉 變 為 鋼 筋 與 混 凝 土 黏 結 面 的 剪 切 脆 性 破 壞 。 (3)對於斷面積損失 5%~10%的鋼筋，由於腐蝕不均勻，鋼筋降伏
強 度、抗 拉 強 度 及 伸 長 率 均 開 始 降 低(Almsallam 等,1996)，建 議 按 下 列 三 式 計 算 ：
δ =(0.85−ρa)2δ0 (式 3- 2)
筋 的 腐 蝕 狀 況。儘 管 混 凝 土 表 面 出 現 銹 跡、混 凝 土 保 護 層 順 筋 脹 裂 和 局 部 剝 落，以 及 敲 擊 混 凝 土 表 面 時 發 出 空 鼓 聲，表 示 混 凝 土 ／ 鋼 筋 界 面 已 發 生 層 裂，這 些 都 表 明 結 構 中 鋼 筋 已 開 始 腐 蝕 破 壞（ 一 般 也 是 結 構 將 廣 泛 加 劇 破 壞 的 前 兆 ）。但 是 這 些 跡 象 並 不 一 定 表 示 鋼 筋 腐 蝕 就 是 該 結 構 破 壞 的 主 要 原 因 。 它 也 可 能 是 混 凝 土 先 受 到 凍 融 、 化 學 腐 蝕、鹼 骨 材 反 應、含 硫 化 鐵 骨 材 有 氧 化 反 應、機 械 磨 損 以 至 溫 差 應 力 等 破 壞 作 用，先 使 混 凝 土 對 鋼 筋 的 保 護 功 能 減 弱，然 後 再 產 生 鋼 筋 腐 蝕 之 劣 化 現 象 。 因 此 如 果 不 進 行 全 面 系 統 性 的 結 構 腐 蝕 破 壞 調 查 分 析，單 憑 上 述 跡 象 就 採 取 防 止 鋼 筋 腐 蝕 對 策，常 無 法 有 效 防 護，甚 有 可 能 降 低 保 護 效 果，而 傷 害 結 構 體 本 質。另 一 方 面，有 些 混 凝 土 結 構，
特 別 是 混 凝 土 保 護 層 內 局 部 存 在 嚴 重 損 傷（ 如“蜂窩、孔洞”）時，往 往 鋼 筋 腐 蝕 發 展 異 常 迅 速。尤 其 是 高 拉 力 鋼 筋 的 預 力 結 構，往 往 可 以 在 混 凝 土 表 面 完 全 沒 有 顯 示 任 何 銹 蝕 破 壞 跡 象（ 前 兆 ）的 情 況 下 突 然 斷 裂 、 崩 塌 ！
另 外，一 般 早 在 混 凝 土 結 構 顯 示 上 述 銹 蝕 破 跡 象 前，鋼 筋 和 預 力 高 拉 力 鋼 筋 就 可 能 已 經 發 生 輕 微 腐 蝕。等 到 顯 露 這 些 破 壞 跡 象 時，鋼 筋 腐 蝕 已 不 可 逆 地 加 速 發 展 到 維 修 很 難 奏 效 的 程 度 了。因 此，如 果 有 一 套 簡 便、快 速、靈 敏、可 靠、無 損、經 濟 的 現 場 檢 測 技 術，就 能 早 在 尚 未 顯 露 銹 蝕 破 壞 跡 象 前 ， 對 隱 藏 的 輕 微 腐 蝕 破 壞 及 時 加 以 診 斷 ， 就 可 以“防微杜漸，未雨綢繆”，收到事半功倍的奇效。
貮 、 混 凝 土 中 鋼 筋 腐 蝕 檢 測 技 術
表 3-1 滙整了十六種可用於檢測混凝土中鋼筋腐蝕的技術，並將
各 技 術 之 優 缺 點 依 信 息 可 否 定 量、對 鋼 筋 腐 蝕 過 程 有 無 干 擾、對 結 構 有 無 破 壞（ 通 常 有 干 擾、有 破 壞 損 傷 時，就 不 能 重 複 檢 測、連 續 檢 測 ）、
對 鋼 筋 腐 蝕 是 否 敏 感、檢 測 是 否 簡 捷 可 靠、檢 測 設 備 是 否 複 雜、昂 貴，
最 後 加 以 綜 合 比 較，就 目 前 是 否 適 合 應 用 於 試 驗 室 內 和 工 程 現 場 作 出 整 理 建 議 。
表 3- 1 鋼筋腐蝕檢測技術