對金屬與混凝土這兩種常用的結構建材而言，金屬建材主要面對的耐久 性問題在於氧化與還原反應所產生的腐蝕問題。所以金屬建材相關耐久性規範 與試驗方法，均與量測金屬在各種環境下的腐蝕速率與劣化後的改變有關。
鋼筋混凝土結構中，混凝土對鋼筋提供保護的環境。但混凝土屬非均質的 複合材料，其本身具有許多連通的小毛細孔隙或組成材料間的界面孔隙。因此 當外部的水氣藉由毛細現象進入混凝土內時，會使得內部孔隙的濕度增加，而 外部環境中會造成金屬腐蝕的有害離子，也會藉由孔隙通路擴散至金屬表面。
所以混凝土無法完全隔離有害離子於混凝土外。對混凝土材料而言，其主要的 耐久性問題在於其內部連通孔隙的孔徑與長度對有害離子傳輸能力的影響。所 以混凝土耐久性規範或試驗大部分以混凝土內部孔隙率或抗有害離子傳輸的能 力為評估指標。因此本章將就金屬與混凝土建材主要面對的耐久性問題與相關 研究進行整理。
2-1 金屬大氣腐蝕機制
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 [1]。
三價鐵會進一步與氫氧根離子形成Fe2O3 H2O，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 [3]。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 [2]。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 [2,3]。
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 [1]，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 [1,2]。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[3]。
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。若考量濕度時，當 空氣溫度在 5~50℃範圍劇烈變化時，當相對濕度達到 65%以上時，金屬的表面 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 [5]。
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 [2,3]：
105
191 . 0
D
O （2-8）
式中OD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 [2,3]。
2-2 混凝土劣化原因
混凝土在鋼筋混凝土或預力混凝土中除了承受壓應力外，對結構物內部之 鋼筋或鋼鍵也提供了一鹼性的保護層，以延緩暴露環境中有害離子的侵入，進 而造成鋼筋或鋼鍵腐蝕。然而隨著結構物使用年限增加或是暴露的環境因素，
可能導致混凝土劣化進而失去原有保護功能，甚且造成整體結構的毀壞。混凝 土品質評估標準除抗壓強度外，耐久性亦是不可或缺之項目。影響混凝土耐久 性的因素主要可以分為內部與外部的因素。內部的因素主要包括混凝土組成材 料、配比設計、搗實過程、及養護等。而外部因素包括暴露環境及所承受的應 力狀態等 [6]。對暴露環境中的有害離子而言，會造成鋼筋或鋼鍵腐蝕的主要因 素即氯離子對鐵的親合力。由於氯對鐵及不銹鋼有很大的親和力，易使鐵金屬 離子化，進而造成孔蝕（pitting corrosion），並促使部分鋼材因電位不同產生伽 凡尼電偶（Galvanic couple），造成鋼材電動勢（electromotive force）提昇，因 而腐蝕產生紅棕色鐵銹。因此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-
-止其再形成 [7]。鋼筋腐蝕導致體積積膨脹，致使混凝土受擠壓應力，造成龜裂，
進而保護層剝落，危害結構物安全。因此混凝土孔隙結構所構築的路徑是影響 氯離子入侵速率的主要因素。若排除內部配比因素所造成的改變，則暴露環境 中的二氧化碳與硫酸根離子會造成混凝土孔隙結構的改變。而這兩者均與水泥 漿體中氫氧化鈣（CaOH2, CH）水化生成物的化學反應有關。
二氧化碳改變孔隙結構的方式有兩種。分別為降低混凝土內孔隙水的 pH 值 與將水泥水化生成物析出。在改變 pH 值方面，空氣中若含大量的二氧化碳，當 滲透入混凝土內部時，會與孔隙水形成酸性的碳酸鹽類，導致避免鋼筋鏽蝕的 混凝土鹼性環境喪失。因此部分文獻亦將此現象稱為中性化或碳化（carbonation）
[8]。另一方面水泥水化生成物中的氫氧化鈣，極易溶於水，且會析出混凝土表 面與空氣中的二氧化碳形成白色的碳酸鈣（CaCO3），並附著於混凝土表面上，
相關文獻亦將此稱為白華（efflorescence） [9]。若白華現象持續發生時，會使 混凝土局部裂縫產生。
硫酸根離子改變孔隙結構的方式亦有兩種方式，第一種係因硫酸根離子與水化 生成物中的鈣礬石（C3ASH12,ettringite）形成單鋁硫酸鹽化合物（C6AS3H12, monosulfoaluminate），並會增加 55﹪的體積，所膨脹的體積會導致漿體內部產 生擠壓應力而導致裂縫產生或孔隙加大。另一種方式則與水化生成物中的氫氧
硫酸根離子改變孔隙結構的方式亦有兩種方式，第一種係因硫酸根離子與水化 生成物中的鈣礬石（C3ASH12,ettringite）形成單鋁硫酸鹽化合物（C6AS3H12, monosulfoaluminate），並會增加 55﹪的體積，所膨脹的體積會導致漿體內部產 生擠壓應力而導致裂縫產生或孔隙加大。另一種方式則與水化生成物中的氫氧