本章節以 1GHz 透地雷達天線掃瞄不同混凝土保護層厚度的腐蝕鋼筋，配合 鋼筋加速腐蝕試驗擷取鋼筋與混凝土之間的界面反射電壓與波的特徵阻抗、對應特 徵電流變化，並同時以電化學半電位法量測腐蝕電位/電流，判定不同時間擷取輕微 腐蝕、中度腐蝕至嚴重腐蝕鋼筋之電磁波界面反射電壓與波特徵阻抗、對應特徵電 流值。以透地雷達量測鋼筋腐蝕方法，建立不需破壞混凝土結構體表面之非破壞性 鋼筋腐蝕檢測技術，並提高腐蝕鋼筋檢測靈敏度與效率。
7-1 不同保護層厚度腐蝕鋼筋試驗分析結果
本節實驗以透地雷達掃混凝土內含鋼筋(#6)/保護層厚度為 4cm、6cm、7cm、9cm之 鋼筋混凝土試體，並分別進行透地雷達掃瞄與腐蝕電位/電流密度量測，其實驗過程 與結果描述如下:
7-1-1 不同混凝土保護層厚度透地雷達掃瞄結果
本試驗以 1GHz 的透地雷達天線掃瞄鋼筋在不同保護層厚度/不同加速腐蝕時間 下之混凝土內含不同鋼筋腐蝕程度試體，如圖7.1~ 7.4 所示。
(a)未腐蝕鋼筋/0hrs (b)輕度腐蝕鋼筋/168hrs
(c)中度腐蝕鋼筋/288hrs (d) 嚴重腐蝕鋼筋/408hrs 圖7.1 保護層厚度 4cm/腐蝕鋼筋之透地雷達剖面圖
(a)未腐蝕鋼筋/0hrs (b)輕度腐蝕鋼筋/168hrs
(c)中度腐蝕鋼筋/288hrs (d)嚴重腐蝕鋼筋/408hrs 圖7.2 保護層厚度 6cm/腐蝕鋼筋之透地雷達剖面圖
(a)未腐蝕鋼筋/0hrs (b)輕度腐蝕鋼筋/168hrs
(c)中度腐蝕鋼筋/288hrs (d)嚴重腐蝕鋼筋/408hrs 圖7.3 保護層厚度 7cm/腐蝕鋼筋之透地雷達剖面圖
(a)未腐蝕鋼筋/0hrs (b)輕度腐蝕鋼筋/168hrs
(c)中度腐蝕鋼筋/288hrs (d)嚴重腐蝕鋼筋/408hrs 圖7.4 保護層厚度 9cm/腐蝕鋼筋之透地雷達剖面圖
以腐蝕電位量測不同加速腐蝕時間下，在輕度、中度及嚴重腐蝕程度的鋼筋，
所擷取透地雷達剖面圖像顯示，無法直接判定混凝土內部鋼筋在不同保護層厚度 (4cm、6cm、7cm、9cm)在不同加速腐蝕時間(0~408hrs)下的腐蝕狀態，如圖 7.1~7.4 所 示。
7-1-2 鋼筋腐蝕界面-反射電壓分析結果
本試驗以透地雷達電磁波反射訊號擷取各個不同保護層厚度(4cm、6cm、7cm、9cm) 及不同時間點鋼筋在輕度腐蝕、中度腐蝕至嚴重腐蝕階段之界面反射電壓，如圖 7.5 所示。在不同加速腐蝕時間(0~408hrs)點，每隔 24 小時擷取三筆鋼筋正上緣界面之 反射電壓，藉此了解不同保護層厚度下電磁波在鋼筋界面反射行為的分析結果，如 圖7.6 所示。
時間軸
振幅值
鋼筋界面反射電壓
(a)保護層厚度 4~6cm鋼筋界面反射電壓
鋼筋界面反射電壓 時間軸
振幅值
(b)保護層厚度 7~9cm鋼筋界面反射電壓
圖7.5 不同保護層厚度/不同鋼筋腐蝕界面之反射電壓
混凝土保護層
0 100 200 300 400 500 600
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408 加速腐蝕時間(hrs)
鋼筋腐蝕界面反射電壓(mV)
4cm 6cm 7cm 9cm
圖7.6 不同保護層厚度/鋼筋界面反射電壓變化
由圖 7.6 鋼筋界面反射電壓分析結果顯示，在不同保護層厚度下，鋼筋界面反 射電壓皆隨著加速腐蝕時間增加而增加。而鋼筋界面反射電壓由未腐蝕至嚴重腐蝕
的 累 積 成 長 量 依 保 護 層(4cm、6cm、7cm、9cm) 順 序 ， 分 別 為 160mV 、 201mV 、 215mV、174mV。其中保護層厚度 7cm 為加速腐蝕實驗試體之泡水面，因而鋼筋腐 蝕界面最為嚴重。
7-1-3 鋼筋腐蝕界面-材料阻抗分析結果
由電磁波入射混凝土與鋼筋界面所反應出來的特徵阻抗，可由不同腐蝕程度鋼 筋界面中的相對介電常數，如圖 7.7 所示，與材料導磁率的特徵參數進行分析，在 自 由 空 間 中 電 磁 波 的 特 徵 阻 抗 約 為 η0 = μrμ0/εrε0 ≈377(Ω) ， 其 中
)、 / ( 10
4 7
0 = π× − H m
μ μr =1與ε0 =8.85×10−12(F/m)、εr =1。
混凝土保護層
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408 加速腐蝕時間(hrs)
鋼筋腐蝕界面相對介電常數(εr)
4cm 6cm 7cm 9cm
圖7.7 鋼筋界面中的相對介電常數
由圖 7.7 結果顯示，鋼筋腐蝕界面中的相對介電常數，依混凝土保護層厚度，
依序相對介電常數大小為4cm>6cm>7cm>9cm。鋼筋界面隨著加速腐蝕時間增加，在腐 蝕界面之腐蝕生成物所造成特徵阻抗的變化，則需將材料相對導磁率代入波的特徵 阻抗公式進行分析，探討鋼筋腐蝕界面的特徵阻抗變化，電磁波特徵參數在鋼筋腐 蝕界面的特徵阻抗分析結果，如圖7.8 所示。
混凝土保護層
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408 加速腐蝕時間(hrs)
鋼筋腐蝕界面特徵阻抗(Ω)
4cm 6cm 7cm 9cm
圖7.8 不同保護層厚度/鋼筋界面波的特徵阻抗變化
由圖 7.8 鋼筋腐蝕界面的特徵阻抗分析結果顯示，混凝土保護層 4cm、6cm、 7cm、9cm 的鋼筋腐蝕界面的初期特徵阻抗隨混凝土保護層厚度增加，特徵阻抗為 (1194Ω、1385Ω、3088Ω、3808Ω)，隨著加速腐蝕時間增加，鋼筋界面特徵阻抗依 序下降至 235Ω、340Ω、1395Ω、3544Ω。此現象表示，當鋼筋腐蝕越嚴重時，其鋼 筋腐蝕界面特徵阻抗越小。
7-1-4 鋼筋腐蝕界面-對應特徵電流分析結果
由透地雷達電磁波於入射混凝土與鋼筋界面之反射訊號特徵參數擷取反射電 壓、波的特徵阻抗值，分析電磁波反射波的對應特徵電流在鋼筋界面腐蝕的現象，
而混凝土與鋼筋界面的波的對應特徵電流分析結果，如圖7.9 所示。
混凝土保護層
0 0.5 1 1.5 2 2.5
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408 加速腐蝕時間(hrs)
鋼筋腐蝕界面對應特徵電流(mA)
4cm 6cm 7cm 9cm
圖7.9 不同混凝土保護層厚度與鋼筋腐蝕界面的對應特徵電流
由圖 7.9 保護層厚度 4cm、6cm、7cm、9cm 的鋼筋界面對應特徵電流皆因鋼筋腐
蝕越嚴重，其對應特徵電流變化量呈曲線變化，相對於反射電壓與波的特徵阻抗更 能顯現鋼筋腐蝕程度的變化情形，此現象表示，當鋼筋腐蝕越嚴重時，其鋼筋保護 層厚度越深，則所能反應鋼筋界面對應特徵電流越小。
7-2 電化學半電位法於腐蝕電位與電流密度試驗分析結
果
本節試驗以腐蝕電位/電流密度量測混凝土內含鋼筋(#6)/保護層厚度為 4cm、 6cm、7cm、9cm之鋼筋混凝土試體，其實驗過程與結果描述如下:
7-2-1 腐蝕電位試驗結果
本試驗以直流電源供應器來對試體進行加速腐蝕，每通電 24 小時後，再斷電 24~48 小時，作為去極化的動作，使混凝土內材料電位趨於穩定後在進行不同保護 層厚度下之腐蝕電位量測，其量測結果如圖 7.10 所示。圖中紅色虛線範圍為相同混 凝土保護層厚度下，未通電之鋼筋腐蝕電位。
-420 -380 -340 -300 -260 -220 -180 -140 -100 -60
-200 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408
加速腐蝕時間(hrs)
腐蝕電位(mV)
未腐蝕鋼筋-腐蝕電位 腐蝕鋼筋-腐蝕電位
-420 -380 -340 -300 -260 -220 -180 -140 -100 -60
-200 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408
加速腐蝕時間(hrs)
腐蝕電位(mV)
未腐蝕鋼筋-腐蝕電位 腐蝕鋼筋-腐蝕電位
(a)保護層厚度 4cm腐蝕電位 (b)保護層厚度 6cm腐蝕電位
-420 -380 -340 -300 -260 -220 -180 -140 -100 -60
-200 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408
加速腐蝕時間(hrs)
腐蝕電位(mV)
未腐蝕鋼筋-腐蝕電位 腐蝕鋼筋-腐蝕電位
-420 -380 -340 -300 -260 -220 -180 -140 -100 -60
-200 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408
加速腐蝕時間(hrs)
腐蝕電位(mV)
未腐蝕鋼筋-腐蝕電位 腐蝕鋼筋-腐蝕電位
(c)保護層厚度 7cm腐蝕電位 (d)保護層厚度 9cm腐蝕電位 圖7.10 不同保護層厚度/鋼筋腐蝕電位變化
由圖 7.10 腐蝕電位的結果顯示，不同保護層厚度的初始腐蝕電位在-200mV，
依據 ASTM C876 之腐蝕電位對蝕機率參考標準判讀，其腐蝕機率低於 10%。此原 因可能是受鋼筋表面鍍層的影響，隨著加速腐蝕時間的增加鈍態模遭破壞後腐蝕電 位才開始明顯的往下降。依不同保護層厚度(4cm、6cm、7cm、9cm)深淺，以腐蝕電位 量測鋼筋開始腐蝕時間皆在 144~168 小時之後。在不同保護層厚度隨著加速腐蝕時 間288 小時後，鋼筋腐蝕程度皆達到嚴重腐蝕狀態。
7-2-2 腐蝕電流密度試驗結果
本試驗以量測不同保護層厚度下之腐蝕電流密度，其量測結果如圖7.11 所示。
圖中紅色虛線範圍為相同混凝土保護層厚度下，未通電之鋼筋腐蝕電流密度。
0 0.5 1 1.5 2
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408 加速腐蝕時間(hrs)
電流密度(μA/cm2)
未腐蝕鋼筋-腐蝕電流密度 腐蝕鋼筋-腐蝕電流密度
0 0.5 1 1.5 2
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408 加速腐蝕時間(hrs)
電流密度(μA/cm2)
未腐蝕鋼筋-腐蝕電流密度 腐蝕鋼筋-腐蝕電流密度
(a)保護層厚度 4cm腐蝕電流密度 (b)保護層厚度 6cm腐蝕電流密度
0 0.5 1 1.5 2
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408 加速腐蝕時間(hrs)
電流密度(μA/cm2)
未腐蝕鋼筋-腐蝕電流密度 腐蝕鋼筋-腐蝕電流密度
0 0.5 1 1.5 2
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 408 加速腐蝕時間(hrs)
電流密度(μA/cm2)
未腐蝕鋼筋-腐蝕電流密度 腐蝕鋼筋-腐蝕電流密度
(c)保護層厚度 7cm腐蝕電流密度 (d)保護層厚度 9cm腐蝕電流密度 圖7.11 不同保護層厚度/鋼筋腐蝕電流密度
由圖 7.11 腐蝕電流密度結果顯示，四組保護層厚度的初始電流密度都在 0.7μA/cm2，隨著加速腐蝕時間的增加而增加。而保護層厚度在 4cm、6cm、9cm在加 速腐蝕 168 小時後，其腐蝕電流密度有明顯上升的趨勢，而保護層厚度 7cm 則在通 電 144 小時後，其腐蝕電流密度開始明顯上升的趨勢。經由兩部電化學腐蝕量測儀 器的結果顯示，鋼筋在加速腐蝕時間 144~168 小時之間開始量測到鋼筋腐蝕程度的 變化狀態。
7-3 透地雷達於鋼筋腐蝕綜合結果討論
由透地雷達電磁波反射電壓、波的特徵阻抗/對應特徵電流擷取在不同加速腐 蝕時間下之鋼筋腐蝕狀態，同時以電化學腐蝕電位與腐蝕電流密度進行量測，以界 定電磁波材料參數在不同腐蝕程度下之輕度、中度及嚴重腐蝕程度的區別進行綜合 結果與討論，其詳細內容如下所述。
7-3-1 不同鋼筋腐蝕程度之界面反射電壓
在不同保護層厚度 4cm、6cm、7cm、9cm 與不同鋼筋腐蝕程度，如無腐蝕為 0 小 時、輕度腐蝕為168 小時、中度腐蝕為 312 小時、嚴重腐蝕為 408 小時)的鋼筋界面 反射電壓擷取結果，如圖7.12 所示。
加速腐蝕時間
-400 -200 0 200 400
0 16 32 48 64 80 96 112 128
取樣點
鋼筋腐蝕界面反射電壓(mV)
0hr 168hr 312hr 408hr
(a)保護層厚度 4cm/鋼筋界面反射電壓
加速腐蝕時間
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
0 16 32 48 64 80 96 112 128
取樣點
鋼筋腐蝕界面反射電壓(mV)
0hr 168hr 312hr 408hr
(b)保護層厚度 6cm/鋼筋界面反射電壓
加速腐蝕時間
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
0 16 32 48 64 80 96 112 128
取樣點
鋼筋腐蝕界面反射電壓(mV)
0hr 168hr 312hr 408hr
(c)保護層厚度 7cm/鋼筋界面反射電壓
加速腐蝕時間
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
0 16 32 48 64 80 96 112 128
取樣點
鋼筋腐蝕界面反射電壓(mV)
0hr 168hr 312hr 408hr
(d)保護層厚度 9cm/鋼筋界面反射電壓 圖7.12 不同腐蝕程度/鋼筋腐蝕界面之反射電壓
由圖 7.12 鋼筋腐蝕界面反射電壓結果顯示，鋼筋界面反射電壓在保護層厚度 4cm、6cm、7cm、9cm，皆隨著加速腐蝕時間增加而持續成長。
7-3-2 電磁波在不同腐蝕程度下之特徵參數
探討電磁波在鋼筋腐蝕界面中的特徵參數與物理現象，將實驗所得之電磁波入 射至不同混凝土保護層厚度之鋼筋腐蝕界面的特徵參數進行正規化探討與分析。分 析結果顯示，鋼筋腐蝕界面保護層越深阻抗越大，其反射電壓越大、對應特徵電流 越小，如圖7.13 所示;此現象表示，不同混凝土保護層厚度之鋼筋腐蝕界面物理現象 一致。