鋼材表面處理

因為鋼材易受腐蝕影響其性質與構件壽命，鋼材防蝕處理為一 重要工程，而表面處理為目前廣泛應用之方式。本節針對鋼材電化 學腐蝕機理、氯離子去鈍化機理、表面防蝕處理技術與表面防蝕塗 層材料特性進行歸納分析。

電化學腐蝕機理

RC 結構之鋼筋於正常狀況下，係在高鹼性環境中不易腐蝕，

此因暴露於高鹼性環境中的鋼筋處於鈍化狀態(passive state)，因此 鋼筋鈍化膜的破壞為鋼筋腐蝕的先決條件。鋼筋鈍化膜破壞後，假 若混凝土在一定的濕度及氧氣環境下，即使無有害物質的侵入，混 凝土中的鋼筋也會腐蝕。

鋼材腐蝕是一種電化學反應，在陽極與陰極間形成一電池效應 如圖2-1 所示¹，鋼材的電化學腐蝕反應式為：

陽極反應

Fe

→

Fe

²⁺ +2

e

⁻ (2-1) 陰極反應2

H

₂

O

+

O

₂ +4

e

⁻ →4

OH

⁻ (2-2) 發生在鋼材上的陽極反應，不只產生鐵離子而已，其二價鐵離 子會進一步氧化成三價鐵離子，所以鐵離子在陽極的化學反應為：

2

1 A. Beeby.,"Corrosion of reinforcement steel in concrete and its relation to cracking," The Structural Engineer, No.3, Vol.56A, March, 1978.

2 P. K. Mehta, and M. Paulo, "Concrete: Structure, Properties, and

2Fe(OH)

2

Anodic region

(at root of crack) Cathodic region

4e

土強度時，混凝土就會產生裂縫(cracking)和剝裂(spalling)現象。

由上述發生腐蝕化學反應式中說明鋼筋腐蝕條件如下：(1)鋼 筋金相組織具不均勻性，且混凝土為一多孔隙，不均質、非等向性 材料，因此環境介質(如水分、氧氣、二氧化碳)皆有可能透過混凝 土保護層達到鋼筋/混凝土的界面，然而環境介質到達界面時濃度 難達到一致性，致使一根鋼筋上，會同時具備電位較低(陽極)及電 位較高(陰極)兩區域；(2)陰極要有足夠的氧化劑(通常為 H₂O、O₂) 與陽極的自由電子生成

OH

⁻，換言之，在混凝土為乾燥的狀態即電 阻係數(resistivity)大於 20000 Ω-cm 時或相對濕度小於 60%的乾燥 室內，鋼筋是不會產生腐蝕現象³。

圖2- 2 鐵氧化體積膨脹倍率示意圖 ²

3 A. M. Neville, Properties of Concrete, 4th ed., Longman, New York, 1996.

氯離子去鈍化機理

4 K. K. Creatsil, F. P. Glasser, " Analysis of the steel: concrete interface, "Proc. of Conf. On Corrosion on Reinforcement in

coating)、電鍍(elctroplating)、擴散(diffusion)、熱噴(thermal spray)、

物理汽相沉積(physical vapor deposition)、化學汽相沉積(chemical vapor deposition)、機械塗層(mechanical coating)七大類型⁵，而鋼材 應用於建築與土木工程上，其防蝕塗層處理技術主要為熱浸塗層、

電鍍與擴散等三類，各處理方式之特性敘述如下：

一、熱浸塗層

以熱浸方式進行表面處理為鋼材防蝕最受廣泛應用之方式，熱 浸過程乃將欲處理之鋼材表面清潔後置入熔融爐浴沉浸處理。熱浸 方法包括：a.連續處理(continuous process)，將欲使用之塗層材料用 量置入爐浴以控制塗層重量，再以50psi 低壓拭焊方式(low pressure wiping system)固化，其熱浸塗層厚度約為 6~50µm；b.批次處理 (batch mode)，熱浸塗層厚度約為 50~130µm。

熱浸金屬之熔點最大限制為 732℃(1350℉)。一般常使用之熱 膜厚約為2~10µm。電鍍浴成分、電解質速率(electrolyte velocity)、

電流密度與溫度等控制因素將決定金屬或合金鍍層之化學特性。電 鍍浴成分含有水溶性塩類(aqueous salts)提供之離子以進行電化學

5 T.C. Simpson and H.E. Townsend, “Metallic Coatings,” Corrosion Tests and Standards Application and Interpretation, pp513-524, 1995.

反應；進行負電性(electronegative)金屬電鍍時，例如欲電鍍鋁金 屬，需使用熔化塩類或與非質子性溶劑(aprotic solvent) 同時使 用 。 一 般 以 電 鍍 方 式 進 行 表 面 處 理 之 金 屬 鍍 層 包 括 鋅 、 鎳 鋅 於 370℃旋轉高溫爐形成鐵鋅合金層，合金層厚度為 50~100µm，

其中鐵含量占 8~10%。另外，鋁和鉻金屬亦以擴散方式應用於鋼 (metallic coating)與非金屬塗層(nonmetallic coating)兩大類型，分別 敘述如下：

1.鋅 利，並命名為 Galvanizing，使用至今已經超過 100 年歷史。美國 於1936 年首用熱浸鍍鋅鋼筋(zinc-coated galvanized steel)，在 1985 年已約有6.5×105 公噸的年產量⁶。

6 ASM Handbook "Heat Treating," tenth edition, 1990.

7 S. R. Yeomens, "Galvanized steel reinforcement in concrete, Proceedings of the 1st Asian-Pacific General Galvanizing Conference," SEP15-18, pp.201-207, 1992.

8 S. R. Yeomens, and M. B. Hadley, "Galvanized Reinforcement Current Practice and Developing Trends," Australasian Corrosion Association, Conference 26, Adelaide, November, pp.17, 1986.

熱浸鍍鋅鋼材是將已除鏽的鋼材熱浸於含有熔融鋅(450℃)的

熱浸鐵鋅塗層稱為galvanneal 迦凡尼，鐵金屬佔 8~12%，厚度 為6~11µm(40~80g/m2)，鐵鋅塗層含有多相微結構，包括表層的富 鑭(cerium and lanthanum)等微量金屬，以增加於熔融浴之可濕性 (wettability)與降低塗層裸露斑點；另外亦可添加 0.1%鎂金屬 (magnesium)，以減緩鉛與錫金屬雜質產生不利於塗層附著與造成

延晶腐蝕 (intergranular corrosion) 之效應。鋁鋅塗層應用於海岸環 5~11%之矽(silicon)元素，其塗層較 Type2 薄且成形性亦較佳，厚 度一般為10~20µm。成品廣泛使用於高溫環境，耐溫可達 675℃， (interdendritic)區，厚度通常為 20~25µm(150g/m²)。鋅鋁塗層普遍 應用於金屬建築廠房，塗層耐溫高達675℃，可應用於機動工業之 熱屏障(shields)、氣體儲槽屏障與隔焰設備。

二、非金屬塗層：

非金屬塗層材料又可分為有機(organic)與無機(inorganic)塗層

9，有機塗層包括使用於分散無機或金屬材料之配方材料，例如透 明塗層(clear coatings)、一般油漆(typical paints)、金屬片層(metal

9 R.D. Granata, “Nonmetallic Coatings,” Corrosion Tests and Standards Application and Interpretation, pp525-530, 1995.

flake coatings) 與 有 機 基 底 迦 凡 尼 塗 層 (organic-based galvanic coating)；無機塗層則如磷酸鹽 (phosphates)、陽極塗膜(anodic coatings)、氧化物(oxides)、碳化物(carbides)、氮化物(nitrides)、硼 化 物 (borides) 、 矽 化 物 (silicides) 、 無 機 基 底 迦 凡 尼 塗 層 (inorganic-based galvanic coatings)。

本研究針對海島型國家如日本地區與國內經常於 RC 結構工 程上使用之鋼材有機材料防蝕處理-環氧樹脂塗層之特性與製程進 行整理與回顧。環氧樹脂鋼筋(epoxy-coated reinforcing bars)，其針 對防治腐蝕的策略已約有30 年的歷史了，早在 1970 年代美國聯邦 公路管理局(Federal Highway Administration, FHWA)根據委託美國 國家標準局研究指出，在不同聚合物塗層鋼筋中，利用靜電噴塗環

10 J. R. Clifton, H. F. Beeghly, R. G. Mathy, "Nonmetallic coatings for concrete reinforcing bars," Report No FHWA – RD-74-18, Federal Highways Administration, Washington D.C., USA, Vol.37, pp185~197, 1973.

11 A. R. Cusens, Z. Yu, "Pullout tests of epoxy-coated reinforcement in concrete," Cement & Concrete Composites, vol.14, pp.269~276, 1992.

環氧樹脂鋼筋製程，主要參照 ASTM A775-90¹³相關規定說 明。製作程序簡述如下：

1.淨化處理

鋼筋在噴塗環氧樹脂粉末前，表面必須先加以淨化處理至鐵白 (near-white metal)程度，包括除去表面氧化物、鐵鏽、粉塵、油污 等，並且表面必須有起伏，ASTM A775-90 規定表面平整度為 40~60µm，以提高塗層與鋼筋之間的結合能力。

2.預熱

鋼筋淨化處理後應立即加熱，鋼筋預熱至230℃，過程中需注 意鋼筋加熱是否均勻，以利塗層充分固化。ASTM A775-90 規定除 非買方允許，否則應在清潔後8 小時內使用。

3.噴塗

將預熱鋼筋在懸空狀態下，以等速度滾送通過噴粉室，以一組 100kV 靜電高壓噴槍噴塗平均粒徑為 40µm 之帶電之環氧樹脂粉 末，ASTM 775-90 規定薄膜厚度應介於 130~300µm 間，ASTM G12 規定塗層厚度檢驗必須在鋼筋每一側面均勻的量測15 點，量測值 至少90%需在指定範圍之內。

4.噴水冷卻

ASTM 775-90 並無明確規定環氧樹脂鋼筋冷卻方式，一般以 噴水方式將鋼筋溫度降低，環氧樹脂鋼筋冷卻後，可利用67.5V 直 流檢測裝置隨機檢測塗層中肉眼無法察覺之針孔，加以品管，

13 ASTM A775-81, Standard Specification for Epoxy-coated Reinforcing Bar, 1981.

ASTM 775-90 規定每一公尺長鋼筋塗層針孔數不得超過六孔。

在文檔中 「鋼筋與混凝土表面處理效能之實驗研究」 (頁 20-31)