鋼筋腐蝕潛勢量測方法

鋼筋混凝土是一複雜的材料，因此要準確測量出鋼筋的腐蝕位置、銹蝕速度 或銹蝕量並不容易。目前，檢測鋼筋銹蝕狀態的方法除了傳統的破壞檢測方法 外，非破壞檢測法(Non-destructive Inspection, NDT)已成為近年來工程界採用的新 技術。

鋼筋混凝土結構物的非破壞檢測法有經驗法、物理法及電化學法等三大類，

而電化學法具測試速度快、靈敏度高、可持續追踨和原位量測等優點，故為最常 被採用的檢測技術之一。，電化學法又細分有自然電位法、線性極化阻抗法(Linear Polarization Resistance, LPRM)、交流阻抗法(AC Impedance Method)、等電量法、

電化學噪音法、混凝土電阻法和調和分析法等七種。表 4-1.1 為前述幾種方法在 應用情況、檢測速度、數據特性、測量參數、適用性及對鋼筋銹蝕系統的干擾程 度等方面的優劣比較。

表 4-1.1 常用電化學檢測方法的優劣比較

壹、自然電位法

混凝土中的鋼筋界面與周圍介質相互作用形成雙電層，並於界面兩側産生電 位差，最終建立一穩定電位(亦稱自然電位)，此電位值的大小可以反應出鋼筋銹 蝕與否的可能性，故自然電位法順應而生。本法是使用一台高輸入阻抗的電位計 (High Impedance Voltmeter)，一端接一參考電極(如銅/硫酸銅)，另一端接鋼筋，

就可以測得鋼筋的銹蝕電位，如圖 4.1-1~圖 4.1-14 及表 4-1.2 所示。

圖 4.1-1 自然電位法單電極裝置示意圖 [ASTM-C976.91]

表 4-1.2 鋼筋銹蝕狀態之自然電位判別準則 [ASTM-C976.91]

圖 4.1-2 實驗室所使用 CANIN 腐蝕電位儀器

圖 4.1-3 銅/硫酸銅電極

圖 4.1-4 鋼筋端導線

圖 4.1-5 儀器連接圖

圖 4.1-6 硫酸銅電極量測腐蝕電位

圖 4.1-7 鋼筋端電極連接

圖 4.1-9 Point 1-1 ~ 1-7 腐蝕電位量測結果

圖 4.1-10 Point 2-1 ~ 2-7 腐蝕電位量測結果

圖 4.1-11 鋼筋腐蝕情況

自然電位法量測結論

總通電歷時 8 天,每層中各點的電位無太大差異(不超過 5 mV)，第 0 天各層 腐蝕電位為-200~-350 mV,(不確定腐蝕區間) ，第 8 天各層的腐蝕電位已掉至-650 mV 以下(腐蝕機率已大於 90%)，並經劈裂混凝土觀察實際腐蝕情形為部份腐蝕。

貮、線性極化阻抗法

A. 線性極化法(Linear Polarization Resistance，LPR) 線性極化法可分為塔弗斜率外插法與直線極化法：

(1)塔弗外插法(Tafel Extrapolation)：

直流線性極化法的偵測必須利用三個電極(工作電極、參考電極和輔助電極)才能 求得極化圖的斜率。試驗時以腐蝕鋼筋做為工作電極，陰極的電流藉由輔助電極 的控制提供電流，電位的量測相對於參考電極。當未通電流時，參考電極所顯示 的是鋼筋的腐蝕電位。如圖 4.1-12，圖中E H+/ H2 為還原電極之平衡電位，i 0.H2

則為其交換電流密度，H+ → H2 為陰極之還原反應；E M/M+ 為腐蝕電極之平 衡電位，i 0.M 為腐蝕物M 之交換電流，M → M+ 即為陽極之腐蝕反應【柯賢

文，民國 84】。氧化反應與還原反應直線之交點，交點相對之電位Ecorr 即是腐 蝕電位，相對之icorr 即為腐蝕電流密度。外加一iappl 通電時，每一陰極電流可 測得一電位，以電位相對於電流的對數繪圖，電流很低時，曲線並非直線。當電 流大到一定程度時，兩者關係成半對數直線(電位約在 50 mV 以上)，即為塔弗 公式(Tafel Formula)。直線的延長和腐蝕電位的平行線交點即為腐蝕電流，也就 是金屬的腐蝕速率。此線延長至和氫平衡電位的交點，則可獲得氫在該金屬表面 的交換電流。上述腐蝕電流量測法稱之為塔弗外插法(Tafel Extrapolation)，迅速 準確，而且可以測得很低的腐蝕電流。測定時，必須注意選定為一直線區段，而 且不可受到其他還原反應的干擾；此為該法量測腐蝕電流最大的困擾。

(2)極化電阻法：在低電流時，過電壓和電流的對數有塔弗公式的直線關係。但 在電流更低時，電位和電流成為一簡單的直線關係(數學式簡化的結果，腐蝕電 位約在10 mV 範圍內)。其關係為【柯賢文，民國 84】：

圖 4.1-12 外加陰極電流之極化曲線圖



E

i

 



 



 

i

參、交流阻抗法

由於 LPR 線性極化法所量測之極化阻抗值，當電解液的電阻過大時，電流 很小，且大部份的電壓降(IR drop)發生在電解液，亦即測得的腐蝕電流將遠比實 際小。交流阻抗分析法便針對此點，藉由微小的交流訊息輸入(一般為 10 mV 的 正弦波訊)，如此可以在雜訊中得到準確的金屬表層資訊，其中複雜之電化學原 理可參考文獻【柯賢文，民國84】。由交流阻抗分析，可得混凝土電阻或電解液 之電阻 Rs、鋼筋表面鈍化膜電阻或電荷轉移的阻抗 Rp、和質傳有關的阻抗 Zw 和電容值Cp 等數據。將測得結果以 Nyquist 圖表示，如圖 4.1-14 所示。由 Nyquist 圖可分析其等效電路，並得以瞭解鋼筋混凝土內的腐蝕機理。直流方法的電阻R 值須由ΔE / Δi 量測，此 R 值包含電解液的電阻 Rs。如遇到導電性不良的水溶 液或薄膜，則測得的腐蝕電流誤差很大。交流阻抗法可以由Nyquist 圖的解析，

直接得知電荷轉移的Rp 值。此值不包含電解液的 Rs 值，故不受其低導電性造 成誤差的限制，為實際腐蝕反應的電阻。如果金屬表面附有保護物，則反應的等 效電路較複雜，其Nyquist 圖會顯出扭曲的部份，所以常須配合不同形態的解析 圖，用來判斷腐蝕反應機構，腐蝕速率再由式4.1-2 求出。

圖 4.1-14 鋼筋銹蝕系統之 Nyquist 圖【紀茂傑，民國 91】