耐久性指標與腐蝕訊號量測方法

ㄧ 、 鋼 筋 腐 蝕 量 測

鋼筋腐蝕為一電化學反應，量測電化學反應速率的快慢，可得知鋼筋的腐蝕速率，

一般量測鋼筋腐蝕的方法有下列幾種：半電池電位(Half-Cell Potential、HCP)、開路電 位法、直流極化法(Linear Polarization Method、DC法)、交流阻抗法(Alternative Current Impedance Method、AC法)、脈衝法(Galvanostatic Pulse Method、GPM)以下。僅對本 研究所相關的半電路電位法以及脈衝法原理進行回顧如下:

A 半電池電位

半電池電位根據ASTM C876 [31]利用半電池電位計來量測鋼筋的腐蝕電位，一連 接參考電極，另一工作電極為鋼筋，其中半電池電位所用的參考電極為銅/硫酸銅 (Cu/CuSO4)或銀/氯化銀(Ag/AgCl)，依照 ASTM 之建議使用半電池電位法之電位評估 與腐蝕機率關係如表2-2。

ASTM 規定半電池電位在電極接觸混凝土試體表面時，電位的變化量在五分鐘內 不能超過±20mV，如果超過 20mV 則混凝土表面須預濕。並且 ASTM 規範中說明半電 池電位法對於混凝土表面有保護面層者不適用(此時應先將面層去除)。

B 脈衝法

脈衝法(GPM)是利用在鋼筋混凝土之等效電路(圖 2-5)中施以一微小定電流，接著 再一固定時間內量測系統之電位對時間的暫態變化反應。通常定電流為 5~400μA 之 間，時間持續約為5~10 秒。

在待測系統未外加任何電流前，可以量測到一腐蝕電位 Ecorr如圖 2-6，再對系統 施以定電流I 的時候，電流先經過一電阻 Rohm，Rohm表示儀器探頭與鋼筋中間之混凝 土電阻，系統的電位會上升至I×Rohm，當定電流I 流經 Rp及 Cdl，Rp是鋼筋的極化電

既有RC 結構物鋼筋腐蝕量測技術及評估準則之研究 求出極化電阻Rp值，再帶入Stern-Geary 公式可得鋼筋的腐蝕電流。其中 Stern-Geary 公式內的 Stern-Geary 常數 B 值，活性高的鋼筋 B 值使用 25mV、在鈍態中的鋼筋 B 值用50mV。

對於量測出來的腐蝕速率，如何判定它所代表的腐蝕狀態，學者Broomfield [33]

等人曾經針對有使用護環(guard ring)控制的探頭提出如表 2-3 所示之標準。對於沒有

第二章 文獻回顧

A. 混凝土電阻係數

混凝土電阻的數值是水泥含量、水灰比、添加物及養護等因素所控制且混凝土的 電阻值也受到混凝土的溼度及含水量所影響。一個品質良好的混凝土，混凝土的孔隙 就會越小，導電通路變長所以電阻值就會越大。混凝土的孔隙水含量高或有較大的孔 隙會導致混凝土的電阻係數降低。混凝土的水灰比低及養護時間長則會提高混凝土電 阻係數[35]，混凝土產生中性化過後的電阻係數也會提高[36]。

電阻係數原理是必須在均質材中量測[37]，但是混凝土為一非均質材料，而且量 測試體的形狀及尺寸大小皆會影響電阻係數的數值。所以混凝土電阻係數需要經過修 正才能得到比較接近真實的數值。Morris 等發表混凝土圓柱試體電阻係數修正常數 k 值[38]。Gowers 等也表方塊試體的電阻係數修正常數[39]。修正常數 k 值如方程式(3) 所示

k

ρ= ρ^app (2-27)

其中：ρapp ：電阻係數量測值 ρ：修正後之電阻係數 k：電阻係數修正常數

量測方塊試體的電阻係數時因為幾何外形及其他因素影響，所以在測量方塊試體 時需要依據如圖 2-8 的方式來降低其他因素而影響電阻係數。影響因素有以下八點 [39]：

(1)幾何因素影響：4a≦h，a 為電極間距 (2)電極直徑大小影響

(3)電極間距(a)與粗骨材大最粒徑關係影響：a≧1.5 倍最大粗骨材粒徑 (4)鋼筋之影響：電極間距 a≦ 2/3c

(5)a≧8t，t 為弱面層 (6)中性化之影響

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(7)溫度之影響：0.33 k-ohms-cm/℃

(8)X≧2a Y 則沒限制

電阻係數表明混凝土之品質，學者建議以表2-5 之判定標準[40]。

B. 氯離子含量

氯離子含量測試一般使用酸溶性法或是水溶性法。其中酸溶性法所測得之氯離子 含量較為接近整體氯離子含量，而水溶性法則比較接近自由氯離子含量。因此，如果 考量到鋼筋腐蝕的問題，則使用水溶性法較為常見。水溶性試驗法係根據ASTM C114 中之相關規定對混凝土進行取樣，然後以滴定法測之。

有關於氯離子含量的限制，見文獻[41]所示。由文獻中可以發現，對於氯離子的 規定都是針對整體含量而言。因此，常常見到國內的相關檢驗，都是將鑽心試樣破碎，

然後取樣做出試樣中的氯離子平均濃度，再與規範所規定的比較。然而，鋼筋腐蝕受 到氯離子的影響只是局部的，也就是說只有鋼筋附近的自由氯離子含量才是影響的主 因。故，針對一鑽心試樣，理論上應該分層檢驗，瞭解氯離子分布才算合理。如此，

是否能夠引用表中所訂立之標準，是值得探討的問題。

C. 中性化深度量測

中性化深度的量測，目前比較被接受的量測方法是基於RILEM CPC-18 的方法，

使用酚酞指示劑噴灑在切開的混凝土斷面上，然後看顏色的變化來決定混凝土內的碳 化前緣(carbonation front)。酚酞指示劑的辨別值為 pH=9.2 附近，也就是說在碳化過程 中，只有當混凝土內的酸鹼值已經在 9.2 以下時才能夠以此方法檢驗出來。然而，在 前人[42]研究中顯示，此方法有可能會低估碳化的影響。意即在酚酞指示劑所顯示的 碳化前緣尚未抵達鋼筋表面前，鋼筋附近的酸鹼值已經無法使鈍態保護膜穩定存在，

而有腐蝕的情況發生。因此，除了酚酞指示劑以外，可以考慮使用可標定多重酸鹼值 範圍的彩虹指示劑[43]作為檢定使用。如此則可以把 pH=11 作為是否已經碳化的標準 (鈍態保護膜可以穩定存在的 pH 值為 10.5)，以保守地來評斷中性化對於混凝土內鋼筋 腐蝕的影響。

第二章 文獻回顧

表2-2 腐蝕電位對腐蝕機率評估表 銅/硫酸銅

(Cu/CuSO4)mV

銀/氯化銀 (Ag/AgCl)mV

腐蝕機率%

E>-200 E>-106 小於10%

-200>E>-350 -106>E>-256 介於 10~90%

E<-350 E<-256 大於90%

既有RC 結構物鋼筋腐蝕量測技術及評估準則之研究

C

R

R

圖2-5 鋼筋混凝土等效電路

圖2-6 GPM 極化反應示意圖 (資料來源：文獻[32])

(資料來源：本研究製作)

第二章 文獻回顧

圖2-7 ln (Iapp Rp)與 1/(Rp Cdl)換算示意圖.

圖2-8 影響混凝土試體電阻係數的因素 (資料來源：本研究製作)

(資料來源：文獻[39])

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