第二章 文獻回顧
第四節 腐蝕量測法
鋼筋腐蝕為一電化學反應，故欲量測鋼筋的腐蝕行為，一般均使用電化學量測法。
雖然重量損失法可直接量測鋼筋的腐蝕量，但曠日廢時且無法進行即時監測，故目前 仍以電化學量測法為主。傳統的電化學量測法包括腐蝕電位、直流極化與交流阻抗法。
腐蝕電位法只能告知腐蝕的趨勢而未能測得腐蝕速率，直流極化法在理論上和實際測 量方面，一般而言均可以滿足需求[7]。另有可以更準確量測出腐蝕電流的交流阻抗法，
但多運用於實驗室中，並未廣泛使用於現地。
金屬腐蝕為氧化還原反應，半電池電位量測法即是利用氧化還原過程中陽極與陰 極間所產生的電位差做為評估依據，量測過程中將鋼筋視為一個半電池組，再與合適 的參考電極連結構成一個完整的電池電位。參考電極通常為銀/氯化銀電極
(Ag/AgCl/KCl)、飽和甘汞電極(saturated calomel electrode, SCE)或銅/硫酸銅電極 (Cu/CuSO4)[2]。在無外加電流的作用下，此量測方法利用鋼筋與參考電極之電位差來 判斷腐蝕機率，判定標準可參照 ASTM C876-09，如表 2 - 1 所示[8]。然而，此方法僅 能判別腐蝕發生機率。由於未能測得腐蝕電流，故無法推算腐蝕速率。但也因其量測
表 2 - 1 腐蝕機率判斷表
(資料來源：ASTM C876-09, [8] )
貳、直流極化法直流極化法可分為 Tafel 斜率外推法與線性極化法，一般以待測金屬樣本如鋼筋為 工作電極(陽極)(working electrode)，陰極電流則藉由輔助電極(auxiliary electrode)(通常 為惰性金屬，如白金)提供定電流，再相對於參考電極量測電位差。未通電流時，參考 即為極化阻抗(polarization resistance, Rp)，如圖 2 - 5 所示[9]。該極化阻抗可藉由 Stern-Geary 方程式進一步推算腐蝕電流密度(icorr)[10]:
a c p
B：Stern-Geary 常數（a c 0.1，B0.0214 ）
Cathode Current Anode Current
-20 -15 -10 -5 5 10 15 20
Ecorr (Over Voltage)
icorr
參、電化學阻抗分析法
電化學阻抗分析法(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)是將交流阻抗法 配合上電化學分析所衍生出的方法，其利用物質氧化還原反應中得失電子的特性，將 交流阻抗分析法之量測精準度加以提高[12-13]。圖 2 - 6 為交流阻抗法的示意圖[14]，
由於電容之阻抗隨頻率改變，總阻抗成一半圓形之曲線[15]。待測金屬表面若有保護 層，則會增加另一個阻抗值，此為 Warburg 阻抗(W)，實驗證明 W 是屬於低頻率，即 圖形中轉折後的部分，如圖 2 - 7 所示[14]。交流阻抗法可量測出鋼筋與外層混凝土個 別阻抗值，再代入 Stern-Geary 方程式可求得腐蝕電流，再進而推算腐蝕速率。此方法 所求得之腐蝕速率較直流極化法精確，但多在實驗室中使用，較不適用於現地。
C
Rp RΩ
ω
RΩ Z’ Rp+RΩ
Z”
(a) (b)
圖 2 - 6 交流阻抗法之(a)等效電路圖；(b)總阻抗之複數平面圖(Z’為實部 軸，Z”為虛部軸)
(資料來源：Jones, D.A., [14] )
C
Rp RΩ
ω
ω 45˚
Z”
肆、恆電流脈衝法
傳統的鋼筋腐蝕量測方式多屬破壞檢測，必須破壞試樣將鋼筋取出後方可量測鋼 筋損失重量，費時費力，故不適於現地即時檢測，數量多時更不易進行。近年來，多 以非破壞檢測(Non-Destructive Testing, NDT)來取代傳統鋼筋腐蝕量測技術以進行腐蝕 速率量測。本方法係利用非破壞極性靜電流脈衝式檢測儀器來測定混凝土內鋼筋之腐 蝕速率，同時也量測保護層之半電池電位(half-cell potential)與電阻。此法利用混凝土 表面計數電流探測棒及參考電極探測棒，設置的方法如圖 2 - 8 所示[16]。其利用脈衝 原理來量測混凝土中鋼筋的腐蝕速率，同時亦可量測鋼筋之半電池電位與保護層電阻。
此法施加短電流脈衝於鋼筋上以適當地極化鋼筋，再藉由鋼筋電位改變量來推算鋼筋 腐蝕速率。通常電位變化如圖 2 - 9 所示[17]，鈍態區的初始斜率較低，活性區的斜率 較高。電位變化隨著時間遞增，若是下降則為錯誤，可能是因接觸不夠所造成的。若 是發生數據不穩定的情況，則可能是因為連接不當或者脈衝不足[17]。過程中，保護 層表面要保持濕潤，否則表面電阻值過大易阻斷電流通路無法量測。
本研究採用丹麥 Germann Instruments 所生產之現地量測腐蝕儀器 GalvaPulse GP-5000，其利用脈衝原理來量測混凝土中鋼筋的腐蝕速率，同時亦可量測鋼筋之半 電池電位與保護層電阻。如前所述，該儀器施加短電流脈衝於鋼筋上時，可由鋼筋電 位的改變量來推算鋼筋腐蝕速率。儀器施加 5 秒鐘 25 μA 的電流(預設值)，正常情況 下應可適當地極化鋼筋。量測值通常與試體的含水量、溫度等條件有關，一般的試驗 值如表 2 - 2 所示[17]。除了表面電阻值會影響量測值外，保護層厚度、鋼筋相互重疊 或電流通路長短皆可能影響量測值。量測時的顯示畫面如圖 2 - 10 及圖 2 - 11 所示，
螢幕上第一行所顯示的是為目前的座標及狀態，第二行所顯示的是相較於氯化銀電極 的腐蝕電位，儀器持續量測直到數據被讀取，第三行顯示的為其電流密度數值，第四 行所顯示的是電極與鋼筋間的電阻。
圖 2 - 8 脈衝腐蝕量測原理 (資料來源：Klinghoffer, O., [16] )
表 2 - 2 Galva Pulse 一般試驗值
鏽蝕鋼筋實際電位 (mV) -400 to -500 電流密度 (μA/cm2) 5 to 20 電阻值 (kOhm) 0.2 to 4
不鏽蝕鋼筋
實際電位 (mV) -50 to +50 電流密度 (μA/cm2) 0.1 to 0.6 電阻值 (kOhm) 0.2 to 4