第二章 蒐集之資料、文獻分析
第二節 鋼筋腐蝕試驗
壹、前言
鋼筋腐蝕往往是鋼筋混凝土構造物較嚴重且常見的損害原因之一，但目前 解決的方法往往耗費許多自然資源[20, 21]。若能早期預防、使用中監測及掌握 修補的時機，就整個構件的生命周期而言，能夠節省許多不必要的浪費。
102 年內政部建築研究所的委託研究「以電化學法量測混凝土中鋼筋腐蝕劣 化之研究」報告指出，脈衝電流法可有效判別鋼筋腐蝕的區域。藉由腐蝕速率對 時間的積分可估算腐蝕量，與重量損失成正比關係，但兩者關係受保護層性質的 影響。保護層越小、水灰比越高及面乾飽和下可得穩定且較精確的量測值。
貳、腐蝕機理
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5.電解溶液：
電化學腐蝕又稱為濕腐蝕，必須要在潮濕的環境下或是水氣足夠的環境 下氧化還原才會順利進行。在潮濕的環境下，離子的移動速率遠比金屬氧化 擴散作用來的快，故腐蝕的速率將會變快，在無濕氣的環境下，則離子將會 停止移動。
上述五種條件構成一個系統，可定義為電化學電池，又稱為「半電池」，
陽極與陰極兩者間藉著導電通路及電解溶液連接成電流迴路。兩種金屬中較 活潑的一個作為陽極，腐蝕的速度加快，而較不活潑的金屬作為陰極，腐蝕 的速度減緩。兩種金屬可以通過導線連接在一起，也可以直接相互接觸。如 果僅僅將這兩種金屬浸泡在電解液中，但是並不將它們連接起來，這兩種金 屬的腐蝕速度並不會加快。鋼筋本身為一導電良好的材料，所以成為此電化 學腐蝕系統中的導電通路，加上混凝土孔隙溶液中所提供的游離離子，即形 成相當於電化學腐蝕系統中的電解溶液，進而造成電極間腐蝕電流，導致鋼 筋腐蝕生鏽，如圖 2-4 與圖 2-5 所示。
圖 2-4 鋼筋之腐蝕反應示意圖
(資料來源：R.R. Hussain and T. Ishida, [25])
圖 2-5 金屬腐蝕示意圖 (資料來源：陳冠霖，[26])
參、以腐蝕速率變化推估鋼筋腐蝕量
鋼筋腐蝕量可利用重量損失法或腐蝕速率估算，前者須將鋼筋以化學(浸泡 於檸檬酸鈉溶液中)或物理方式清除腐蝕之生成物並測量其重量變化，視為實際 腐蝕量。
另外一種方法為利用腐蝕速率推求腐蝕量，儀器所量測出的腐蝕電流密度可 繼而算出腐蝕速率，再推求腐蝕深度，最後再以腐蝕深度計算其腐蝕量。
腐蝕速率(r)的計算可利用 Faraday’s Law 而得：
r = 0.129a𝑖nρ𝑐𝑜𝑟𝑟(mpy) = 0.00327a𝑖nρ𝑐𝑜𝑟𝑟(mm/year) (2-18)
式中， icorr＝腐蝕電流密度 (μA/cm2) a＝原子量 (g/mole) n＝電子數
ρ＝鐵金屬密度(7.874 g/cm3)
計算腐蝕速率後，將其對通電時間積分可求得腐蝕深度，如圖 2-6 所示。鋼 筋腐蝕量可由腐蝕深度乘以表面積及鐵的密度求得。
圖 2-6 計算腐蝕深度示意圖
(資料來源：林建宏等，[26]) 肆、腐蝕電位法
傳統的電化學量測法有腐蝕電位法、直流極化與交流阻抗法。腐蝕電位法只 能告知腐蝕的趨勢而未能測得腐蝕速率，直流極化法在理論上和實際測量方面一 般而言均可以滿足需求[27]。另有可以更準確量測出腐蝕電流的交流阻抗法，但 多運用於實驗室中，並未廣泛使用於現地。
金屬腐蝕是一種氧化還原反應，半電池電位量測便利用陽極與陰極間所產 生的電位差做為評估依據。量測過程中將鋼筋視為一個半電池組，再與合適的參 考 電 極 連 結 構 成 一 個 完 整 的 電 池 電 路 。 參 考 電 極 通 常 為 銀 / 氯 化 銀 電 極 (Ag/AgCl/KCl)、飽和甘汞電極(saturated calomel electrode, SCE)或銅/硫酸銅電極 (Cu/CuSO4) [21]。依照 ASTMC876-09[29]，在無外加電流的作用下，此量測方法 利用鋼筋與參考電極之電位差來判斷腐蝕機率。然而，此方法僅能判別腐蝕發生 機率，未能測得腐蝕電流，故無法推算腐蝕速率。一般而言，現地大範圍的量測 多使用量測半電池電位之儀器，因其量測方式較為簡易，設備方便攜帶。
伍、脈衝電流法
目前一般現地為推斷鋼筋是否腐蝕，多半進行腐蝕電位的量測，但由於該 技術並未有效地推估腐蝕速率，故也無法長期監測鋼筋的鏽蝕。相較之下，恆電 流脈衝法是一種快速且非破壞性的量測技術，目前逐漸於現地使用，設置的方法 如圖 2-7 所示。其利用脈衝原理來量測混凝土中鋼筋的腐蝕速率，亦可量測鋼筋 之半電池電位(half-cell)與保護層電阻。此法施加短電流脈衝於鋼筋上以適當地極 化鋼筋後，再藉由鋼筋電位改變量來推算鋼筋腐蝕速率。鈍態區的初始斜率較低，
活性區的斜率較高，通常電位變化如圖 2-8 所示。電位變化隨著時間遞增，若是 下降則為錯誤，可能是因為接觸不足所造成的。連接不當或者脈衝不足的情況，
都可能會導致數據不穩定的情況[29]。過程中，保護層表面要保持濕潤，否則表 面電阻值過大容易阻斷電流通路無法量測。除了表面電阻值會影響量測值以外，
保護層厚度、鋼筋相互重疊或電流通路長短皆可能對量測值造成影響。
本研究利用現地量測用的脈衝腐蝕量測儀器(GalvaPulse GP-5000,Germann Inc.)，其原理是利用脈衝電流來量測混凝土中鋼筋的腐蝕速率，同時亦可量測鋼 筋之保護層電阻與半電池電位。上述提到，該儀器施加短電流脈衝於鋼筋上時，
可由鋼筋之電位改變量來推算鋼筋的腐蝕速率。儀器施加 5 秒鐘 25μA 的電流(預 設值)，正常情況下應可適當地極化鋼筋。其量測值的改變通常與試體的含水量、
溫度等條件有關，一般的試驗值如表 2-2 所示[29]。除了表面電阻值會影響量測 值外，保護層厚度、鋼筋相互重疊或電流通路長短皆可能影響量測值。量測時的 顯示畫面如圖 2-9 至圖 2-10 所示，螢幕上第一行所代表的是目前座標及狀態，
第二行所代表的是相較於氯化銀電極的腐蝕電位，儀器持續量測直到數據被讀取，
第三行代表的是其電流密度數值，第四行所代表的是電極與鋼筋間的電阻。
Constant current generator
Reinforcrment
Datalogger
Counter electrode
Reference electrode
Guardring Sponge
圖 2-7 脈衝腐蝕量測原理
(資料來源：Klinghoffer, O., [30])
mV
Second Measure time
圖 2-8 脈衝電位與量測時間的關係
(資料來源：Germann Instruments, A/S, [29])
表 2-2 GalvaPulse 一般試驗值
鏽蝕鋼筋實際電位 (mV) -400 to -500 電流密度 (μA/cm2) 5 to 20 電阻值 (kOhm) 0.2 to 4
不鏽蝕鋼筋
實際電位 (mV) -50 to +50 電流密度 (μA/cm2) 0.1 to 0.6 電阻值 (kOhm) 0.2 to 4