金屬建築材料的劣化

金屬材料耐久性課題主要是由於暴露環境所造成的腐蝕。腐蝕的定義是 金屬表面與其所接觸介質（液體或是氣體）發生氧化還原反應，而氧化反應 使得表面金屬解離失去電子的過程便是腐蝕。由於大部分的金屬建材均暴露 在大氣環境中，因此當金屬表面因為雨、雪、露水、或濕氣導致表面附著水 膜時，腐蝕電化學的行為便開始逐漸產生。此時表面的水膜便是電解液，若 大氣中部份對金屬有高度活性的離子存在水膜中，將成為電化學反應中的陰 極，金屬則成為氧化反應的陽極，此即標準的電解電池。陰極的還原反應使 得水中離子與電子結合；陽極的氧化反應會使金屬表面產生金屬的離子化並 放出電子，其反應式如下所述 ⁵。

5 D.A.Jones,“Principlesand Prevention ofCorrosion”,PrenticeHall,2th Edition,1996.

陽極反應：

此為鐵銹最內層的組成。而二價鐵離子亦會與氧和水形成三價鐵，化學 反應式如下：

 

2 2 2 2 4

 

3

4

Fe OH



O



H O



Fe OH

(2-6)

三價鐵會進一步與氫氧根離子形成

Fe

₂

O

₃

H

₂

O

，此即鐵銹最外層的成 分。其反應式如下：

  ^{OH Fe O H O H O}

Fe

_{3 2 3 2} 2 ₂

2    (2-7)

一般常用的金屬建材原料為鋼筋、不銹鋼、鋁合金等，由於金屬跟很多 大氣中的離子具有很大的活性，容易產生氧化與還原反應，因此所面對的耐 久性問題主要為金屬建材所處的各種大氣環境下腐蝕情形。影響腐蝕速率快 慢的因素則可分為大氣中離子種類、濃度、溫濕度、應力、與金屬表面水膜 厚度等影響。

離子種類方面，會隨著建築物所處的地理環境而有所不同。一般而言大 氣中除了氧之外，氯離子與硫酸根離子均是加速金屬腐蝕的主要因素。原因 在於氯離子的離子半徑較小，很容易穿透金屬外層的鈍態保護膜，且氯離子 的水和能小，容易吸附於金屬表面，阻止金屬與氧化劑間的作用，所以氯離 子很容易造成金屬離子化，造成腐蝕速率加速 ⁷。因此當建築物若處於海域 環境中，金屬的腐蝕速率極高。相關研究指出建築物在海岸距離 25 公尺處的

腐蝕速率是 250 公尺距離的 12 倍 ⁶。硫酸根離子因為其在水中的溶解度比氧 大（是水的 1300 倍），且非常容易吸收電子而被還原，所以當建築物處在空 氣污染環境的區域，如大量燃煤的工業區、石化工業區、或埋在土壤內部，

會加速金屬的腐蝕^6,7。

濃度方面，電解液的 pH 值直接影響氫氧根離子的陰極過程。以金屬建 材使用較多的碳鋼為例，根據相關研究 ⁵，當 pH 大於 10 以上時，因未擴散 至表面的氧氣速率比金屬腐蝕速率大，促使金屬表面會形成三價的氧化鐵鈍 化層，使得腐蝕速率迅速下降，當 pH 介於 4~10 時，氧的擴散成為陰極反應 的控制步驟。但當 pH 小於 4 以下時，除了氧的擴散外，陰極的還原反應還 包含了氫的還原，所以腐蝕速率更為增加。但對另一種常見的金屬建材－鋁 金屬而言則有很大差異性。鋁金屬在 pH 為 3~10 的電解液中，幾乎不會產生 腐蝕，但當 pH 低於 3 和大於 10 以上時，因為氧化物會溶於強酸與強鹼中導 致失去鈍態保護膜，因此腐蝕速率迅速增加 ^5,6。對氯離子濃度而言，當氯離 子擴散至鋼筋鈍態保護膜表面，且氯離子濃度與氫氧根濃度（[Cl-]/[OH-]）

大於一定值時，便會開始破壞鈍態保護膜以及阻止其再形成。對硫酸根離子 而言，由於在水中溶解度比氧大 1300 倍。而空氣中氧的含量約為 20%，因 此當空氣中的硫酸根離子含量大於 0.0154%時，其腐蝕的效果便一定會大於 氧對金屬的還原反應。而若以碳鋼和鋁來比較，相關研究亦指出當碳鋼遇到 硫酸根離子時，其腐蝕速率會大於鋁類建材⁷。

溫濕度方面，金屬表面電解液溫度的升高，會造成電極反應加強，離子 的擴散交換機制更為增加，因此腐蝕速率會加快，但溫度超過 80℃以後，由 於電解液中氧的濃度與水膜面積的降低，其腐蝕速率或會下降。若考量濕度

屬的表面便很容易產生水膜的凝露現象。因此在晝夜溫差較大的季節或地區

（如鄉村或山區），當其溫差大於 6℃以上，且相對濕度在 70%以上時，也會 容易導致金屬的大氣腐蝕。

應力方面，當金屬建材暴露在腐蝕環境亦承受拉力同時，金屬會沿著晶 界或應力方向產生裂痕擴大至破壞，此即應力腐蝕破裂（stress corrosion cracking, SCC）。應力腐蝕破裂所承受的拉力雖然仍在線性極限範圍內，但應 為腐蝕因素導致有效面積縮小，雖然外部拉力未增加，但內部應力隨之增大，

導致金屬構件突然破裂。而單純的應力破壞，則是外部拉力增加超過線性極 限範圍導致破壞，因此會有一段明顯的塑性變形。而應力腐蝕破裂的發生必 須在特定的環境中才會產生，如碳鋼必須在強酸、強鹼、或海水中才會產生。

鋁合金則在氯化鈉溶液與大氣環境中誘發。不銹鋼則在氯化鈉與硫化氫溶液 中發生。由此可以發現常用的金屬建材在海水中均會誘發應力腐蝕破裂 ⁸。

金屬表面水膜厚度方面，由於水膜越薄代表氧的還原作用更容易進行，

且若含有氯或硫酸根離子時，因為水膜越薄，代表其濃度越高，其腐蝕速率 亦會增加。相關研究指出含有 0.5 N 氯化鈉濃度水膜在厚度 200 μm時，碳鋼 的腐蝕速率是在同樣氯化鈉濃度電解液的 3 倍。也有研究指出氧在 0.1N 氯化 鈉濃度電解液中的擴散係數，可以由下式說明其與水膜厚度之間的關係 ^5,6：

105

191 . 0 



D

O

（2-8）

8

式中

O

_D為氧的擴散係數，



為水膜的厚度。由式中亦可以發現氧的擴散 係數與水膜厚度呈現反比之關係。

若金屬建材處於乾濕交替的環境中（如潮汐帶上），則因為金屬表面吸收 氧的次數增加，導致腐蝕速率的加速。如將碳鋼在 1 小時內做 12 次的乾濕循 環，其腐蝕速率是浸漬在電解液中的 40 倍以上 ^5,6。

在文檔中 建材耐候耐久性曝曬試驗之建置研究 (頁 25-30)