第二章 文獻回顧
第一節 氯離子對鋼筋混凝土主要的危害
第二章 文獻回顧
第一節 氯離子對鋼筋混凝土主要的危害
混凝土在鋼筋混凝土或預力混凝土中除了承受壓應力外，對結構物內部之鋼 筋或鋼鍵也提供了一鹼性保護層，以延緩暴露環境中有害離子侵入，進而造成鋼 筋或鋼鍵腐蝕。然而隨著結構物使用年限增加或是暴露的環境因素，可能導致混 凝土劣化進而失去原有保護功能，甚且造成整體結構的毀壞。混凝土品質評估標 準除抗壓強度外，耐久性亦是不可或缺之項目。影響混凝土耐久性的因素主要可 以分為內部與外部的因素。內部的因素主要包括混凝土組成材料、配比設計、搗 實過程、及養護等。而外部因素包括暴露環境及所承受的應力狀態等。對暴露環 境中的有害離子而言，會造成鋼筋或鋼鍵腐蝕的主要因素即氯離子對鐵的親合力。
由於氯對鐵及不銹鋼有很大的親和力，因此易在金屬表面上有助於在較低的相對 濕度形成液膜，其在腐蝕過程中會阻止氧化膜(oxide films)的形成，進而有助於 陰極上氧的還原反應，然而當金屬表面已有氧化膜或鈍態膜存在時，氯離子會破 壞鈍態膜，造成孔蝕（pitting corrosion）。Cl-與鐵的作用較特別，由於 FeCl2 不 是緊密結合之化合物，所以 Cl-很容易從氯化亞鐵中釋放出來，再與其他金屬作 用，進而加速腐蝕反應3。
對氯離子進入混凝土的機制而言，氯離子必須藉由濃度差機制進行擴散運動。
當水氣會由吸附與毛隙吸收現象進入混凝土孔隙中，並因蕊絲現象(wick action) 逐漸讓孔隙充滿水分。當連通孔隙呈現水飽和狀態後，外界氯離子會利用與孔隙 水中氯離子濃度上的差異進行傳輸，此即擴散現象。當氯離子擴散至鋼筋鈍態保 護膜表面時，若此時混凝土內部孔隙水的 pH 值並未低於一定狀態（即中性化），
則鋼筋並不會腐蝕。但當孔隙水中氯離子濃度與氫氧根濃度（[Cl-]/[OH-]）大於 一定值時，便會開始破壞鈍態保護膜以及阻止其再形成。下列方程式為其氧化反 應方程式。鋼筋腐蝕導致體積積膨脹，致使混凝土受擠壓應力，造成龜裂，進而 保護層剝落，危害結構物安全。
2Fe + 6Cl- → 2FeCl3- + 4e- （ 2-1 ）
FeCl3- + 2OH- → Fe(OH)2 + 3Cl- （ 2-2 ）
4Fe(OH)2 + 2H20 + O2 → 4Fe(OH)3 （ 2-3 ）
而在混凝土內氯離子濃度造成鋼筋腐蝕門檻值得研究方面，過去有許多學者 進行相關研究與調查。亦有如 Ann 和 Song15、與 Angst16等將文獻進行整理分析。
圖 2-1 為 Angst 整理各學者針對造成鋼筋腐蝕的混凝土氯離子濃度門檻值。其中 若以實際戶外曝曬量測的試驗結果，則總氯離子量介於 0.1%至 1.96%，而在實 驗室內研究情形則以 0.04%至 8.34%，雖然其範圍甚大，但扣除極端試驗結果，
大部分最低門檻值以 0.4%最多。目前各國對硬固混凝土總氯離子含量限制，如 歐洲相關國家均以總氯離子含量 0.4%為限制標準17，故有其參考性，而 Ann 和 Song 整理的結果為 0.2%至 1.5%，大部分最低門檻為 0.5%。
圖 2-2 亦為 Angst 整理的各學者 Cl-/OH-門檻文獻研究資料，其值介於 0.01 至 45，扣除極端試驗結果，則 Cl-/OH-最低門檻為 0.3 至 0.6 之間。若以孔隙水 pH 值 11~13 的混凝土而言，氯離子要超過水泥重的 0.2 到 0.4%，Cl-/OH-才會大 於 0.6。所以混凝土中性化程度也是影響鋼筋是否腐蝕的重要因素。
15 Ann, K. Y., and Song, K. Y., “Chloride threshold level for corrosion of steel in concrete”, Corrosion Science, Vol.49, pp.4113-4133, 2007.
16 Angst, U., Elsener, B., Larsen, K. C., Vennesland, O., “Critical chloride content in reinforced concrete- A review”, Cement and Concrete Research, Vol.39, pp.1122-1138, 2009.
17 BS EN 206-1 “Eurocode 2. Design of concrete structures. General rules and rules for buildings “, British-Adopted European Standard, 2004.
第二章文獻回顧
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圖 2-1 造成鋼筋腐蝕的混凝土氯離子濃度門檻文獻整理圖
（資料來源：文獻 16）
圖 2-2 造成鋼筋腐蝕的混凝土 Cl-/OH-門檻文獻整理圖
（資料來源：文獻 16）