鋼筋混凝土腐蝕機理

2.1 電化學反應和腐蝕機理 2.1.1 電化學反應

電化學反應包含陽極、陰極、提供離子的電解液及傳導電子的 通路，如此才能產生一個完整的電路。在電化學反應中，電極扮演著 電荷轉移的角色，陽極產生氧化反應(陽極反應)，釋放電子透過導線 傳到陰極，陽極上的金屬被氧化成離子，與電解液產生化學反應物，

而陽極所進行的氧化反應，即是腐蝕的行為。另一方面陰極吸收陽極 透過導線傳來的電子，產生還原反應(陰極反應)，而電解液在電化學 的反應過程中係提供離子使電流流通。圖 2.1 為一電化學反應示意 圖，e^-表示為電子，i 表示為電流。而提供兩極的電位差所產生的反 應驅動力主要有三種型式：分別為(1)不同金屬電極產生電池效應(異 金屬電池)，(2)濃度相差產生電池效應(濃度差電池)及(3)不同溫度 差所產生的電池效應(溫度差電池)等三類。

圖 2.1 電化學反應示意圖

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異金屬電池(dissimilar electrode cells)

一般最常見的不同金屬電極產生電化學反應是銅與鋅如圖 2.2 所示，其陽極化學反應如下：

Zn → Zn²⁺+2e-

[2.1]

其陰極化學反應式為：

Cu^2- +2e^-→Cu [2.2]

整個電化學反應式為：

Cu^2- +Zn → Cu+Zn2+

[2.3]

由[2.1]式中得知 Zn 為氧化反應，即是腐蝕的行為，因為鋅比銅 活性大所以鋅產生腐蝕，在日常生活中不同的金屬相互接觸，且所處 環境提供良好的電解液，此時發生腐蝕的機率提高，一般稱之為異金 屬腐蝕。

ZnSO4

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CuSO4

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圖 2.2 銅、鋅異金屬電池

濃度差電池(concentration cells)

一般產生濃度差電池有兩種，其一是相同電解液因濃度不同所 產的電池效應如圖 2.3 所示，其二為含氧濃度差所產生的電池效應如 圖 2.4 所示。由圖 2.3 及圖 2.4 得知在低濃度的電解液(或氧濃度低者) 的金屬是產生氧化反應(陽極)即是腐蝕現象，陰極(還原反應)是濃度 高的電解液(或富氧區)所在的金屬。圖 2.4 中常顯示的腐蝕現象稱之 為局部腐蝕或孔蝕：鋼筋混凝土中因存在的孔隙不均勻分布，如有孔 隙存在於鋼筋表面，易造成富氧區與缺氧區而產生腐蝕現象。

圖 2.3 電解液濃度差產生電池效應

圖 2.4 鐵在鏽與水(或泥土覆蓋)的覆蓋產氧的濃度差

¿@ CuSO4

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²H CuSO4

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O O₂

2

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溫度差電池(differential temperature cells)

在相同濃度且溫度不同的電解液中，放置同性質的金屬電極，

則此時會產生電位差，處在低溫的電極會產生氧化反應(陽極)，即是 發生腐蝕。處在高溫的電極會產生還原反應(陰極)，如圖 2.5 所示 。

圖 2.5 因電解液溫度不同產生溫度差電池

2.1.2 金屬腐蝕機理

由上一節所述得知金屬有良好的外在環境(如圖 2.4 所示)，及可 自行在同一局部區域產生氧化(腐蝕)及還原反應，如鐵在鹽酸溶液中 產生的化學反應式如下：

Fe+2HCl→FeCl2+H2

[2.4]

在 2.4 式中 Cl^─並未參與電極上的氧化反應及還原反應，它只有 參與電極以外的化學反應，故它有增加離子流通更順暢的功能。所以 氧化反應(陽極)可寫成下列的型式：

2+ -

§C ·A

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¢q ¢w

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»E

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[2.5]

當鋼筋表面的鈍態膜(passive film)被破壞立即產生鐵鏽，此種化 學反應與氯離子的侵蝕和碳酸的作用是相同的。當鋼筋發生腐蝕與混 凝土中的孔隙水產生化學反應，鋼筋釋放電子，所以陽極反應為：

Fe → Fe²⁺+2e-

[2.8]

被釋出來的兩個電子必須保持電位的中立，所以要向別處移 動，所以陰極必須耗盡陽極所產生的電子，所以在陰極地方的水與氧 要與帶負電荷的電子產生反應，此種消耗水與氧的反應為：

2e^-+H2Ｏ+¹/²Ｏ²→2HＯ^─ [2.9]

如圖 2.7 所示為鋼筋陽極與陰極的反應，在此圖例中我們得知，

整個腐蝕系統包含兩個半電池，一個是外部離子電流所產生的電位 差，另一個是內部電子電流所造成的電位差，如上一節所述(圖 2.6) 一樣，為何常常強調半電池電位，原因是往後所需測量腐蝕程度的儀 器原理，大部份運用一個半電池電位的原理，或兩個半電池電位形成 一個電池電位的原理測量腐蝕的狀況。

在陰極上反應產物為氫氧根離子，所以氫氧根離子增加了陰極局 部的鹼性，因此加強了鈍態膜之穩定性，所以在陰極局部地方可以抵 抗氯離子與碳酸作用，陰極防腐原理即此。要避開腐蝕的發生最重的 因素是去除陰極上的氧氣與水份。

發生在鋼筋上的陽極反應，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：

Fe²⁺+2OH ^─ → Fe(OH)2

[2.10]

4Fe(OH)2+O2+2H2O → 4Fe(OH)3

[2.11]

2Fe(OH)3→Fe2O3^．H2O+2H2O [2.12]

圖 2.7 鋼筋在混凝土中的腐蝕行為(陰陽極反應)

三氧化二鐵(Fe₂O3)未水化前體積非常的緻密且很緊密的與鋼筋 表面接觸，當三氧化二鐵產生水化反應(Fe₂O3^．H2O)時，會增加內部 的孔隙，這意味著鐵鏽的體積膨脹(Fe₂O3^．H2O)，增加鋼筋與混凝土 的交界區體積膨脹 2∼10 倍^[1]，影響混凝土而產生裂縫(cracking)和脹 裂(spalling)，發生腐蝕的混凝土結構物一般會看到紅棕色的弱面，這 是在鋼筋表面的鐵鏽污染了我們看到的裂縫。

2.2 影響鋼筋混凝土腐蝕因素

Fe Fe²⁺

+

^2e

-2e^-

+

H₂¢Ý

+

^1/2¢Ý2 2H¢Ý

¶§ ·¥

3± ·¥

electronic current

Ions current

鋼筋混凝土系統在力學行為中，各自擔負抗拉及抗壓的角色，

但因鋼筋對於外在環境非常敏感(容易發生腐蝕)，而混凝土可以保護 鋼筋免受到外在環境的侵蝕，所以混凝土品質會影響到鋼筋腐蝕的程 度。混凝土發生水化反應後最主要的化學成份為 Ca(OH)2、NaOH 及

KOH 等鹼性的產物，促使孔隙水的 pH 值介於 12.5~13.6 之間，鋼筋 在高鹼性環境下可維持穩定的鈍態。鋼筋受到一層非常薄的鈍態膜保 護，但當外部有害因子侵入到鋼筋表面破壞這一層保護層，鋼筋將迅 速產生鏽蝕。本章節分為兩部份來說明影響鋼筋腐蝕的因素，第一部 份是混凝土劣化及產生裂縫因素，第二部份是混凝土劣化後或產生裂 縫通路致使有害物質快速達到鋼筋表面。

2.2.1 混凝土劣化及裂縫之影響

混凝土中性化(混凝土碳酸化)

硬固混凝土主要成份氫氧化鈣，若與外部滲入之二氧化碳接觸 會產生化學反應生成碳酸鈣，反應式為：

CO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2O [2.13]

產生碳酸鈣後混凝土中之孔隙水 pH 值降至 9 以下，由於 CO2入侵作 用使混凝土呈中性，故此現象稱之為中性化或碳酸化現象。此時空氣 中的氧滲入混凝土內與混凝土孔隙水結合造成濃度差電池，致使鋼筋 表面的鈍態膜破壞鋼筋產生腐蝕，圖 2.8 為中性化與鋼筋腐蝕示意圖。

圖 2.8 中性化與鋼筋腐蝕示意圖 混凝土乾縮潛變之影響

硬固混凝土水化完成，因拌合孔隙水部份散失產生體積變化，

導致混凝土內部形成微裂縫，裂縫寬度大約 50μm 至 200μm，普通 混凝土發生微裂縫的材齡約在 3 天至 10 天產生^[2]。氣溫與濕度會導 致混凝土熱脹冷縮產生裂縫，這些裂縫將加速有害物質與鋼筋表面接 觸。

力學作用

混凝土結構物受到機械作用(如車輛)、海浪衝擊等反覆載重作 用，會產生疲勞及微裂縫加速混凝土破壞及鋼筋腐蝕。

2.2.2 鋼筋混凝土有害物質的侵入影響

氯離子的侵害

混凝土中性化程度，達到 pH 值 9 以下時，即使無氯離子的侵

pH>12.5 pH=7.9-10

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蝕反應，其腐蝕速率是緩慢的進行。當混凝土有氯離子的侵入時，氯 離子在腐蝕的行為中，扮演的角色是提供離子加速腐蝕反應，與電化 學電池反應中的電解液擔任相同的功能。所以如何杜絕氯離子的侵害 是非常重要的課題。所以存有裂縫的混凝土將使氯離子更容易入侵。

酸類的侵害

混凝土在一般使用的狀態下經常受到鹽酸、硫酸及硝酸等侵蝕

。在酸的侵蝕下與混凝土主要成份氫氧化鈣生成化學反應，其主要化 學式為：

Ca(OH)2+H2SO4 → CaSO4+2H2O [2.14]

因為酸先與氫氧化鈣起反應，最後再與水化矽酸鈣起反應，而形成硫 酸鈣，當反應物的可溶性越高被侵蝕性溶液帶走的數量越多，混凝土 破壞的速度越快。

當空氣中含有二氧化硫、三氧化硫及硫化氫等氣體時，易生成 低溶性的鹽類，這些鹽類中含有或多或少的結晶水，引起混凝土的體 積膨脹，例如，二氧化硫與混凝土中的氫氧化鈣起反應，生成石膏，

其體積大於氫氧化鈣 1.2 倍^[3]，由於體積膨脹產生內應力，將引起混 凝土逐漸破壞。

上述所提的酸類是低溶性的鹽類，所以這些鹽類向混凝土內部 擴散受到限制，因此混凝土內部的鋼筋將不受這些酸類的侵害。但是

氯化氫、氯氣、二氧化氯以及溴等這些氣體，所形成的鹽類，即使是 濃度非常低的情況下，也能造成加速混凝土內部鋼筋的腐蝕。

2.3 腐蝕行為對混凝土之影響

混凝土與鋼筋的結合，兩者之間須有良好的握裹力才能發揮作 用，提供混凝土與鋼筋之間握裹力來源大致上有三種：(1) 鋼筋與混 凝土間摩擦力。(2)鋼筋竹節與混凝土所形成的作用力。(3)水泥水化 所產生的膠結物。當腐蝕的媒介抵達鋼筋表面時，由於碳酸的作用或 氯離子的侵害對鋼筋與混凝土之間的影響有：

─由於鋼筋斷面積的減少，影響了鋼筋的力學性質。

─由於腐蝕生成物的膨脹，對於混凝土的保護層產生 裂縫，影響混凝土的力學性質。

上述兩種因素，使混凝土與鋼筋之間兩者的握裹力退化，如此 將影響到結構物的安全性與使用年限，如圖 2.9 所示。

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在文檔中 混凝土中鋼筋腐蝕檢測手冊之研擬 (頁 4-15)