5-1 鋼筋在不同 pH 值及氯離子濃度下之腐蝕行為
鋼筋在混凝土中之腐蝕行為深受混凝土中 pH 值及氯離子的影 響，為了了解鋼筋的腐蝕行為，以不同 pH 值及氯離子濃度的水溶液來 模擬鋼筋在不同混凝土內的狀況，其中 pH 13 的水溶液代表正常的混 凝土，pH 8 的水溶液模擬混凝土中性化的情況，pH13 水溶液中加入二 種不同濃度之氯離子(3%及 0.3%重量百分比)則模擬混凝土中遭受不同 鹽害之情況。
圖 5-1 為在上述溶液中鋼筋之腐蝕電位與浸置時間之關係圖。
在 pH13 的水溶液中鋼筋的腐蝕電位由一開始約-200mV(vs.Ag/AgCl)迅 速往貴重(Passive)方向上升至 0 至-100 mV(vs.Ag/AgCl)並維持至 600 小時後往下降至約-220mV(vs.Ag/AgCl)，直至實驗結束。鋼筋在其他 溶液的腐蝕電位趨勢則與在 pH13 中的水溶液有顯著不同，腐蝕電位由 開始的-300 至-400 mV(vs.Ag/AgCl)往活性(Active)方向移動。
四種溶液在 1000 小時後穩定的腐蝕電位分別依序為-230 mV (vs.Ag/AgCl)( pH13 水溶液)，-450 mV(vs.Ag/AgCl)(pH13 低氯水溶 液)，-500 mV(vs.Ag/AgCl)( pH13 高氯水溶液)，以及-560 mV (vs.Ag/AgCl)(pH8 水溶液)。
圖 5-2 為鋼筋在不同水溶液下之腐蝕速率與時間關係圖。鋼筋在
pH13 的水溶液中的腐蝕速率遠低於在其他三種溶液中，而在其他三種 溶液中鋼筋的腐蝕速率隨時間變化有高低不規則變化，但平均而言其 腐蝕速率的傾向由高至低分別為 pH13 高氯水溶液>pH13 低氯水溶液
>pH8 水溶液。
實驗結束後觀察試片。鋼筋在 pH13 的水溶液中經過 1000 小時後 表面仍無腐蝕的現象（如圖 5-3），在 pH13 低氯水溶液則發現少量局部 腐蝕現象（如圖 5-5），在 pH13 高氯水溶液中局部腐蝕現象則較 pH13 低氯水溶液嚴重（如圖 5-4），鋼筋在 pH8 水溶液中顯示較均勻的腐蝕 現象（如圖 5-6）。
鋼鐵材料在高 pH 值環境下時，鋼鐵表面之鐵離子會與 OH-產生穩 定的鈍態膜，此時腐蝕電位會因為鈍態膜的存在而變得高貴(Noble)，
腐蝕速率也變得相當低。這些現象可以由圖 5-1 及圖 5-2 鋼鐵在 pH13 的水溶液下之腐蝕電位與腐蝕速率行為得知，鋼筋的腐蝕電位由開始 的 -200mV(vs.Ag/AgCl)迅速上升至 0 至-100 mV(vs.Ag/AgCl)，其腐 蝕速率則處於相當低範圍(小於 0.5μA/cm2)。
在高 pH 值且存有氯離子環境時，氯離子會吸附於鈍態膜並使局部 區域之 pH 值降低造成鈍態膜局部破壞，因而使鋼筋產生局部腐蝕現 象。這種局部腐蝕的現象會因氯離子的增加而愈明顯 (參考圖 5-1 及 圖 5-2)。此時腐蝕電位會因鋼筋的鈍態膜破壞而往活潑(Active)方向
移動，如圖 5-1 所示，低氯水溶液及高氯水溶液下穩定後的腐蝕電位 分別為-450 mV(vs.Ag/AgCl)與-500 mV(vs.Ag/AgCl)，顯示溶液中氯 離子含量愈高，鋼筋的鈍態膜破壞得愈嚴重，則腐蝕電位有愈活潑的 傾向。腐蝕速率的量測結果如圖 5-2 所示，也顯示隨氯離子含量愈高 腐蝕速率亦有愈高的傾向。
當鋼鐵處於 pH<10 的環境下，由於鹼性(OH-濃度)不夠，鋼鐵表面 無法保持穩定的鈍態膜，因此在 pH8 水溶液中鋼筋腐蝕較傾向於均勻 腐蝕 (參考圖 5-6)，穩定後的腐蝕電位也因鋼筋表面沒有穩定的鈍態 膜而相較於在其他三種溶液中其腐蝕電位最活潑-560mV(vs.Ag/AgCl)
（
如圖 5-1） 。
由上述的實驗顯示，鋼鐵的腐蝕電位可以表現出鋼鐵表面膜的電 化學行為，當表面有穩定的鈍態膜時，鋼鐵的腐蝕電位較貴(Noble)，
此時鋼鐵可以受到保護，腐蝕速率極低。反之當鈍態膜受到破壞(例如 環境中有氯離子時)或無法穩定形成(例如 pH 值過低時)，其腐蝕電位 會變得較活潑(Active)，此時腐蝕速率也會變大。因此可以以腐蝕電 位來偵測鋼鐵的腐蝕行為。
圖 5-7 為鋼筋在四種不同水溶液環境中腐蝕電位與腐蝕電流的關 係圖。腐蝕電位在-300 mV(vs.Ag/AgCl)以上時，鋼筋的腐蝕電流極小，
都在 1μA/cm2以下。腐蝕電位-400 mV(vs.Ag/AgCl)以下時則鋼筋的腐
蝕電流明顯增加，因此可以很容易的以測試鋼筋的腐蝕電位來區別鋼 筋在水溶液環境下是否處於腐蝕狀態。但當腐蝕電位-400 mV (vs.Ag/AgCl)以下時，腐蝕電位與腐蝕電流卻沒有一定的關係存在，
正如圖 5-7 所示腐蝕電位愈低不代表鋼筋的腐蝕愈嚴重。主要的原因 是腐蝕電位只可以準確的描述鋼筋表面鈍態膜的完整性，當鈍態膜不 能穩定存在或受到破壞時，腐蝕速率大小必須由動力學來決定，不能 僅以腐蝕電位來描述。
由於測試腐蝕電位的儀器及程序均較測試腐蝕電流簡單與容易，
因此以腐蝕偵測技術應用的觀點，可以先以測試鋼筋的腐蝕電位來了 解鋼筋是否在腐蝕狀態，如鋼筋處於腐蝕狀態，再測量腐蝕電流以了 解腐蝕的嚴重性。
5-2 鋼筋在混凝土中之腐蝕行為
圖 5-8 為鋼筋在混凝土澆注後置於水中養生及取出後之腐蝕電位 與腐蝕電流對時間之關係圖。鋼筋在混凝土澆完鏝平後之腐蝕電位大 約為-320 mV(vs.Ag/AgCl)。
拆模置入水中養生前腐蝕電位約-100 mV (vs.Ag/AgCl)，置入水 中養生後電位逐漸往活潑方向移動至-450 mV，混凝土起出水面後電位 迅速回升至 0 至-100 mV 間。在整個測試過程中，腐蝕電流都維持在 0.5μA/cm2以下。
圖 5-9 為凝固混凝土浸置水中再起出之腐蝕電位與腐蝕電流對時 間之關係圖。電位在置入水中前約在-50 mV (vs.Ag/AgCl)，置入水中 後電位迅速下降至-300 mV 並維持在此電位。試體離開水面後電位則上 升至-100 至-200 mV。腐蝕電流在整個測試過程中變化不大，約在 1μA/cm2左右。
圖 5-10 為長樑鋼筋混凝土試體(一)，圖 5-11 為在不同位置上鋼 筋之腐蝕電位與腐蝕電流對時間之關係圖。在各位置上電位均在-50 至-100 mV (vs.Ag/AgCl)間，腐蝕電流則在 4μA/cm2以下。
圖 5-12 為長樑鋼筋混凝土試體(二) ，圖 5-13 為在不同位置上鋼 筋之腐蝕電位與腐蝕電流對時間之關係圖。腐蝕電流大小在各位置上 差距極大，位 置 B 之 腐 蝕 電 流 接 近 100μA/cm2，位 置 A 次之約為 40 μA/cm2，。位置 C 至 D 則約在 5 至 10μA/cm2，。腐蝕電位在位置 A 及位 置 B 附近較負約為-330mV(vs.Ag/AgCl)，位置 C 至 D 則較正約在-290 至-250 mV(vs.Ag/AgCl)間。
圖 5-14 為長樑鋼筋混凝土試體(三)，圖 5-15 為在不同位置上鋼 筋之腐蝕電位與腐蝕電流對時間之關係圖。此試體之腐蝕電流在各位 置上亦不均勻但明顯的較上述二試體為大，約在 70 至 110μA/cm2，。 位置 ABC 之腐蝕電位在-400 mV(vs.Ag/AgCl)左右，位置 C 則約在-370 mV(vs.Ag/AgCl)。
長樑鋼筋混凝土試體(一) (二) (三)於測試完後將混凝土敲開觀 察鋼筋腐蝕狀況如圖 5-16 至 5-18 所示。
長樑鋼筋混凝土試體(一)之鋼筋沒有腐蝕現象，與圖 5-10 之測試 結果，腐蝕電流低於 4μA/cm2以下一致。
長樑鋼筋混凝土試體(三)整支鋼筋均已嚴重腐蝕，與圖 5-15 測試 結果鋼筋之腐蝕速率高達 70 至 110μA/cm2的結果相符，但由目視無法 得知鋼筋在位置 A 或 C 腐蝕較嚴重（如圖 5-18）。
在長樑鋼筋混凝土試體 (二)之鋼筋則發現在位置 B 附近腐蝕明顯 較 CDE 區域嚴重，符合圖 5-13 在 B 處其腐蝕速率遠高於 CDE 區域之結 果。由此結果顯示以 GPM 的腐蝕速率測試方法能有效區分腐蝕的嚴重 性。
圖 5-19 為扣除混凝土在水中之實驗數據，將本研究所有混凝土中之 鋼筋腐蝕電位對腐蝕電流所作之關係圖。腐蝕電位在-240 mV(vs.Ag/AgCl) 以上時鋼筋腐蝕速率極小，表示在此電位以上時鋼筋有良好之鈍態膜。
而電位在-240 mV (vs.Ag/AgCl)以下腐蝕電流明顯增加，亦即鋼筋在這 個電位區域無法保持穩定的鈍態膜。如同圖 5-7，此時腐蝕電位的高低 與腐蝕速率並無正比關係，亦即無法直接以腐蝕電位來評估鋼筋的腐蝕 嚴重性。圖 5-19 亦標示 ASTM C876 標準中腐蝕電位的評估標準，結果 顯示本研之數據與 ASTM C876 的評估標準相當穩合。由圖 5-8 及圖 5-9
得知混凝土在水中時雖然鋼筋的腐蝕電位在-300 至-400 mV
(vs.Ag/AgCl)，但鋼筋的腐蝕電流仍然很小亦即鋼筋的鈍態膜仍保持完 好。這種混凝土在水中鋼筋腐蝕電位較空氣為低的現象主要是由於水中 氧氣含量較低所導致。因此 ASTM C876 的評估標準無法應用於水下鋼筋 混凝土結構體，亦即於水中，雖然鋼筋腐蝕電位低於-240 mV (vs.Ag/AgCl)並不代表鋼筋之腐蝕傾向高。