第三章 小尺寸試體試驗
第三節 試驗結果
先期試驗包括少部份的試體及試驗，目的在於熟悉儀器操作及探討後續試驗適用 的試驗參數及可能遇到的困難。本研究首先嘗試水灰比 0.6、保護層厚度 6 cm 的砂漿 試體，過程中將鋼筋通以 0.05 A 電流(固定腐蝕電流密度 1 μA/cm2)使其加速腐蝕且 在每天固定的時間內以 GalvaPulse 進行測量，試驗結果如表 3 - 6、圖 3 - 12 及圖 3 - 13 所示。試驗結果可發現計算腐蝕量約與重量損失成正比，故本研究所使用的量測及估 算腐蝕量方法應可行。此外，由實際的量測發現，每天的量測值都有所差異，說明腐 蝕是一個動態過程，若僅以某時間點的單次腐蝕速率來評估鋼筋的腐蝕速率與腐蝕量 並不可靠，需要長時間的觀測來瞭解其腐蝕變化。
加速 7 天後試體的腐蝕電流密度量測值開始不穩定也較不易量測，需要兩次以上 的施測，因此多數的試驗中，總通電時數設定至 9 天。此結果說明電化學量測法仍有 其限制，尤其當腐蝕嚴重時，高量的腐蝕生成物在鋼筋表面，相當大幅改變電化學性 質，與儀器適用的條件不符。
表 3 - 6 水灰比 0.6、6 cm 之鋼筋腐蝕電流密度 (單位：μA/cm
2)
通電時間 總通電時間
5 days 7 days 9 days 第 1 天 1.8123 12.4843 5.8026 第 2 天 11.4133 13.5280 19.3210 第 3 天 13.8470 11.9506 20.7266 第 4 天 15.5436 8.4573 36.0826 第 5 天 49.9596 23.8806 18.4553 第 6 天 20.9420 22.0213 第 7 天 19.5983 15.8483
第 8 天 26.7633
圖 3 - 12 計算腐蝕量與重量損失的關係(先期試驗) (資料來源：本研究試驗結果)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖 3 - 13 不同通電齡期下的試體與內埋鋼筋：(a) 5 天通電齡期試體；(b) 7 天通電齡期試體；(c) 9 天通電齡期試體；(d) 5 天試體取出之
鋼筋；(e) 7 天試體取出之鋼筋；(f) 9 天試體取出之鋼筋
(資料來源：本研究拍攝)
貳、保護層厚度
本研究中的試體固定水灰比為 0.6，改變保護層厚度 3 cm、6 cm、9 cm 後的試驗 結果如表 3 - 7、表 3 - 8 及圖 3 - 14 所示。就脈衝量測法而言，大致上計算腐蝕量與重 量損失間約成正比，如圖 3 - 14(a)所示。由趨勢線的斜率可發現脈衝量測法低估了重 量損失，兩者間的正比係數約在 9-19 間，如表 3 - 9 所示。此低估的原因可能是脈衝 法僅量測鋼筋單面而非整根鋼筋的腐蝕電流。即使如此，由於兩者間成正比，未來於 現地使用上仍可經由計算腐蝕量再乘以單一係數即可估算實際腐蝕量。此外，在保護 層 3 cm 及 6 cm 時，正比的趨勢較明顯，此結果亦說明了在此厚度下，量測值較不受 到保護層厚度所影響，若以趨勢線估算，此係數約在 15-18 之間。然而，在保護層厚 度 9 cm 時的試驗結果略顯不穩定，很可能因為此時保護層厚度大，保護層本身的阻抗 大，造成量測值不穩。換言之，脈衝法較不適用在保護層厚度較大的構件。
以直流極化法所量測的結果如圖 3 - 14(b)所示，計算腐蝕量約與重量損失成正比。
如同脈衝量測法，直流極化法低估了重量損失，兩者間相差最高可達係數 70，可能源 於除了量測面的問題外，電極面積亦太小，故有效量測長度短，更無法準確估算實際 重量損失。
到達預定通電時間後，試體破壞後取出鋼筋稱重，如圖 3 - 15 及圖 3 - 16 所示，
可發現鋼筋鏽蝕嚴重，接近均勻腐蝕，合乎本研究加速腐蝕試驗的假設。
表 3 - 7 水灰比 0.6、保護層厚度 3 cm 之鋼筋腐蝕電流密度 (單位：
μA/cm
2)
通電時間 總通電時間
5 days 7 days 9 days 第 1 天 21.0233 55.7867 65.6370 第 2 天 47.2866 52.8680 95.2193 第 3 天 31.3103 46.3970 51.5580 第 4 天 30.7223 28.2900 24.1500
表 3 - 8 水灰比 0.6、保護層厚度 9 cm 之鋼筋腐蝕電流密度 (μA/cm
2)
(a)
(b)
圖 3 - 14 不同保護層厚度下計算腐蝕量與重量損失間的關係((a)脈衝量 測法；(b)直流極化法，水灰比 0.6)
(資料來源：本研究試驗結果)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖 3 - 15 保護層厚度 3 cm 的試體與取出鋼筋過程：(a) 5 天通電齡期試 體；(b) 7 天通電齡期試體；(c) 9 天通電齡期試體；(d) 5 天試體 取出鋼筋過程；(e) 7 天試體取出鋼筋過程；(f) 9 天試體取出鋼
筋過程
(資料來源：本研究拍攝)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖 3 - 16 保護層厚度 9 cm 的試體與取出鋼筋過程: (a) 5 天通電齡期試體；
(b) 7 天通電齡期試體；(c) 9 天通電齡期試體；(d) 5 天試體取鋼
筋過程；(e) 7 天試體取鋼筋過程；(f) 9 天試體取鋼筋過程
(資料來源：本研究拍攝)
參、水灰比
表 3 - 10 水灰比 0.4、保護層厚度 6 cm 之鋼筋腐蝕電流密度 (單位：
表 3 - 13 不同水灰比下計算腐蝕量與重量損失之關係 (保護層厚度：6
(a) (b)
(c)
圖 3 - 17 不同水灰比下計算腐蝕量與重量損失間的關係((a)w/c=0.4；
(b)w/c=0.5；(c)w/c=0.6，保護層：6 cm)
(資料來源：本研究試驗結果)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖 3 - 19 水灰比 0.4 的試體與取出鋼筋過程: (a) 3 天通電齡期試體；(b) 5 天通電齡期試體；(c) 7 天通電齡期試體；(d) 3 天試體取出之鋼
筋；(e) 5 天試體取出之鋼筋；(f) 7 天試體取出之鋼筋
(資料來源：本研究拍攝)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖 3 - 20 水灰比 0.5 的試體與取出鋼筋過程: (a)3 天通電齡期試體；(b) 5 天通電齡期試體；(c) 7 天通電齡期試體；(d) 3 天試體取出之鋼
筋；(e) 5 天試體取出之鋼筋；(f) 7 天試體取出之鋼筋
(資料來源：本研究拍攝)
圖 3 - 21 不同保護層厚度下水灰比 0.4 試體之計算腐蝕量與重量損失間 的關係
(資料來源：本研究試驗結果)
肆、粗細粒料體積比
前述小試體試驗均使用砂漿，然而在混凝土構件中，保護層往往仍具有粗粒料，
而粗粒料的吸水率、電阻等性質明顯與砂漿不同，故預期量測結果明顯不同。本研究 使用的粗粒料的比重為 2.6，吸水率為 0.84，細粒料的比重為 2.68，吸水率為 1.3 %，
混凝土試驗的配比設計如表 3 - 15 所示。
試驗過程中固定水灰比 0.6 及保護層 6 cm 後，拌製混凝土試體並利用脈衝量測法 探討粗細粒比例對腐蝕量測的影響，結果如表 3 - 6、表 3 - 16 至表 3 - 19 及圖 3 - 22 所示。
就混凝土試體而言，其計算腐蝕量低於重量損失，兩者間的係數約 3-6，比砂漿試 體的量測結果更接近重量損失，可以說誤差減少，如表 3 - 19 所示。此結果並非預期，
似乎非均質的混凝土反而獲得較可靠的結果。造成此差異的原因不明，推測可能是因 添加粗粒料後，由於粒料與漿體界面的孔隙率較高，故量測電流較易經此通過，因此 量測結果較可靠。但另一方面，當部份粗粒料僅被細粒料取代 1/3 時，量測結果似乎 更接近重量損失，其係數更進一步下降至 3-4，原因為何有待後續研究。然而，當粗粒 料被細粒料大量取代(取代率：1/2)時，其計算腐蝕量與重量損失兩者間的係數約界於 11-20 間，更近似於砂漿試體。實務上，混凝土的配比並不會使用如此高比例的細粒料，
故根據本研究的成果，在水灰比 0.6 及保護層 6 cm 以下的條件下，即使是混凝土試體，
其腐蝕量測應可得到可靠的結果。
表 3 - 15 混凝土配比設計(SSD) (單位：kg/m
3)
粗粒料 細粒料 水泥 水
845 884 358 215
(資料來源：本研究整理)
表 3 - 16 水灰比 0.6、粗粒料被細粒料取代 1/2 之鋼筋腐蝕電流密度 (單
表 3 - 19 不同粗細粒料體積比下計算腐蝕量與重量損失之關係 (保護層
伍、含水率
自然狀態下，大多數鋼筋混凝土構件處於氣乾狀態，也就是混凝土本身的含水量 可能隨時改變。由於腐蝕量測基於電化學反應，因此可預期試驗結果受試體含水量的 影響，現地量測時宜先讓試體處於面乾內飽和態。然而，通常混凝土性質緻密，不易 短時間達到面乾內飽和狀態，若呈現部份氣乾，腐蝕量測值如何受到其影響值得探討。
本研究利用真空烘箱來降低混凝土中的含水量，在常溫下使用真空環境可較迅速 去除水份，為瞭解真空乾燥過程試體含水率的變化，於不同乾燥時間下利用水份計量 測含水率及稱重計算重量損失，試驗結果如圖 3 - 23 及圖 3 - 24 所示。隨著乾燥時間 越久，含水率減少，重量損失增加。不論試體有無含鋼筋，大約在乾燥時間 12 小時後 達到穩定。此時含水率的變化大約由飽和狀態變化 2-7 %，故本研究所使用的乾燥方 式，應可模擬現地大多數局部氣乾的狀態。
本研究使用水灰比 0.6、保護層 6 cm 的砂漿試體，經加速通電時間 5 天，量測在 不同乾燥時間下的腐蝕電流密度及含水率，試驗結果如圖 3 - 25 所示。隨著含水率越 低，所量測的腐蝕電流密度較低且較不穩定，可能原因在於脈衝電流隨著含水率越低 而更不穩定，而無法獲得準確的量測值。當含水率變化 5%時，腐蝕電流密度約降低 20 %，故含水率對腐蝕量測的影響甚大。此結果亦說明，於現地量測時，宜儘可能維 持保護層面乾內飽和狀態。
圖 3 - 23 含水率與乾燥時間的關係(水灰比 0.6、保護層 6 cm)
(資料來源：本研究試驗結果)
圖 3 - 24 重量損失率與乾燥時間的關係(水灰比 0.6、保護層 6 cm) (資料來源：本研究試驗結果)
圖 3 - 25 腐蝕電流密度與含水率的關係(水灰比 0.6、保護層 6 cm、加速 通電時間 5 天)
(資料來源：本研究試驗結果)
陸、鋼筋配置
本研究為探討箍筋對腐蝕量測的影響，試體設計如前述各節，水灰比固定在 0.6，
主筋中心到量測面為 6 cm，並加入 D10(#3)鋼筋做為橫向鋼筋，再僅通電主筋，結果 如表 3 - 20 及圖 3 - 26 所示。當箍筋存在時，其量測到的腐蝕電流密度都相當的低，
約在 4 μA/cm2以內。此外，其計算腐蝕量與重量損失間的正比關係明顯與無箍筋的試 體不同，量測值不穩定且係數變化大，約 78-134，如表 3 - 21 所示。比較箍筋的重量 損失可發現，箍筋本身鏽蝕的相當嚴重，至通電 7 天時的重量損失已經遠比主筋的重 量損失多，係數 7 達以上。此結果說明了通電時主要的腐蝕發生在外側箍筋，亦接近 現地的觀察結果。當外界有害離子侵入時，箍筋先鏽蝕。由於箍筋承擔了大部份鏽蝕，
加上位處主筋上側，故可能造成量測電路上的阻抗增加，主筋的腐蝕電流量測值偏低。
另一可能是，由於箍筋與主筋接觸，量測時有效量測面積增加，故腐蝕電流密度偏低。
總而言之，箍筋的存在會影響主筋腐蝕的量測，不僅量測值較低且不穩定。
試體破壞後並取出鋼筋，如圖 3 - 27 所示。主筋與箍筋經長時間通電後均會鏽蝕，
但似以箍筋較快達到均勻腐蝕。當主筋並非均勻腐蝕時，不完全符合儀器所假設之適 用條件，故量測值較不可靠。
表 3 - 20 水灰比 0.6、含橫向鋼筋配置之鋼筋腐蝕電流密度 (單位：
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖 3 - 27 水灰比 0.5 的含交錯鋼筋試體與取出鋼筋過程：(a) 3 天通電齡 期試體；(b) 5 天通電齡期試體；(c) 7 天通電齡期試體；(d) 3 天 試體鋼筋取出過程；(e) 5 天試體鋼筋取出過程；(f) 7 天試體鋼 筋取出過程；(g) 3 天試體取出之鋼筋；(h) 5 天試體取出之鋼筋；
(i) 7 天試體取出之鋼筋
(資料來源：本研究拍攝)
柒、脈衝電流與施加時間的影響
如圖 2 - 9 所示，脈衝腐蝕量測儀必須施加一微小脈衝電流於鋼筋，若能適度極化，
則可利用其回應的電位變化估算極化阻抗，進而利用 Stern-Geary 方程式(式 2-8)來估 算腐蝕電流密度。本研究參考儀器手冊說明，使用脈衝電流100 μA、施加時間 10 秒 鐘，此設定能普遍適用於量測鋼筋的活性區。然而，由於現地的鋼筋腐蝕狀態大多不 同，可能處於鈍態區或嚴重活性區，該設定下儀器或許不能有效極化鋼筋，獲致正確 的腐蝕電流密度。因此，本研究參考儀器手冊的說明及可設定範圍，嘗試瞭解脈衝電 流的大小與施加的時間對量測值的影響。
如同前述之試驗，鋼筋分別通電 1、3、5 天後再利用脈衝腐蝕量測儀量測其腐蝕 電流密度，過程中改變脈衝電流由25 μA 變化到 200 μA，脈衝時間由 5 s 變化到 20 s，
試驗結果如表 3 - 22 所示、圖 3 - 28 與圖 3 - 29 所示。當脈衝電流維持在 100 μA 時，
改變脈衝時間的確會改變所量測的腐蝕電流密度。當腐蝕不嚴重時(通電時間 1 天)，
量測值並沒有明顯改變。然而，當嚴重腐蝕時(通電時間 5 天)，較短或較長的脈衝時 間皆得較高的量測值。較短的脈衝時間造成極化不足，數據不穩定。較長的極化時間 反而加速鋼筋極化，故得較高的量測值。因此，由圖 3 - 28 的結果顯示，脈衝時間介 於 10-15 秒尚屬合理。
另一方面，為探討脈衝電流大小對量測值的影響，故於固定脈衝時間的條件下，
改變脈衝電流，結果如圖 3 - 29 所示。如同前述結果，當腐蝕不嚴重時(通電時間 1 天)，
量測值並沒有明顯改變。然而，當嚴重腐蝕時(通電時間 5 天)，較小的脈衝電流並不 能有效再極化鋼筋，因此所得的脈衝電流密度較低。隨著脈衝電流的增加，量測值也 隨之增加。換言之，若要比較不同鋼筋的腐蝕電流密度，則宜在相同的脈衝電流施加 下比較。由圖 3 - 29 的結果顯示，對於大多數混凝土中的鋼筋，其腐蝕狀態並非處於 嚴重腐蝕，故脈衝電流約在100 μA 應可得較穩定的量測值。
表 3 - 22 不同脈衝電流與施加時間下之鋼筋腐蝕電流密度
圖 3 - 28 不同通電時間下腐蝕電流密度與脈衝時間的關係(脈衝電流:100 μA，w/c=0.6，保護層 6 cm)
(資料來源：本研究試驗結果)
圖 3 - 29 不同通電時間下腐蝕電流密度與脈衝電流的關係(脈衝時間:10 s，w/c=0.6，保護層 6 cm)
(資料來源：本研究試驗結果)
捌、過電壓大小的影響
本研究除了使用脈衝極化法外，亦使用直流極化法量測小尺寸試體中鋼筋的腐蝕。
直流極化法中必須施加一微小過電壓，一般為±10 mV，在此過電壓下，電流密度與過 電壓約成線性關係(圖 2 - 5)，由斜率進而求得極化阻抗。然而，此過電壓的大小及兩 次量測間的等待時間並未明確規範，因此本研究探討不同過電壓範圍及量測間隔時間
直流極化法中必須施加一微小過電壓，一般為±10 mV，在此過電壓下，電流密度與過 電壓約成線性關係(圖 2 - 5)，由斜率進而求得極化阻抗。然而，此過電壓的大小及兩 次量測間的等待時間並未明確規範，因此本研究探討不同過電壓範圍及量測間隔時間