第二章 文獻回顧
第四節 陰極防蝕技術
ㄧ 、 陰 極 防 蝕 的 發 展 與 應 用
陰極防蝕應用在土壤或海水環境中的鋼結構物已是一種普遍接受的技術；國外對 於輸送天然氣的地下管路、石化設備及離岸(offshore)石油開採設施多利用此法來保護 結構物[44]。陰極防蝕法係起源於 1824 年，Davy 發現以鐵或鋅做為犧牲陽極與銅殼 船體表面藕合，可有效地阻止船體在海水中的腐蝕[45]；1890 年 Edison 嘗試利用外 加電流對海水中的船舶進行防蝕試驗，但在當時所使用的電源及陽極材料還不夠完善 [46]。直到三十年代，這種方法在工業上才開始被應用；因此，嚴格說來它並不是一 種新的技術。但是應用於鋼筋混凝土結構物上，卻是近半世紀以來才開始全面發展；
自從1950 年開始，陰極防蝕即被應用於鋼筋混凝土製成之輸送水管上，主要目的是為 了降低由地下水滲入混凝土中的氯離子或其他侵蝕性離子對結構物造成的傷害[47]。
在1970~1980 年間[44，48]，美國及北歐各國瞭解到長期使用去冰鹽(deicing salts)來增 加道路的抗凍能力會加速結構物產生腐蝕破壞，其中包括公路路面、橋樑及立體停車 場等，因此多採用此法加以驅離氯離子防止腐蝕狀況惡化，以延長結構物的壽命。
國內在陰極防蝕方面的研究與應用正方興未艾[49]，主要目的在於發展適合於台 灣地區的陰極防蝕設計施工等相關技術，同時也在台二線二十八號橋進行一實體陰極 防蝕工程測試。基隆港務局與港研所合作於港區西岸鋼管樁碼頭採用犧牲陽極防蝕措 施[50]。此外，海洋大學亦使用鋁鋅銦合金作為海洋用犧牲陽極[51]，利用試驗法評估 其在人造海水中之開路電位、電流容量及電流效率，並應用邊界元素法估算鋼板之電 位分佈，研究結果顯示當鋼材外施電位在於 -0.78V(SCE)時可免於生鏽，而以數值解 與實驗值比較尚稱吻合；當將鋼片與鋁合金耦合，面積比例為4000 時仍能充分防蝕。
依照介質環境的不同，目前陰極防蝕之應用如下：(1)用於淡水及海水中，防止碼 頭、船舶、平台、閘門及冷卻設備的腐蝕；(2)用於鹼及鹽類溶液中，抑制儲存槽的腐 蝕；(3)用於土壤及海底中，防止管線、電纜及隧道的腐蝕等。
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二 、 基 本 原 理
陰極防蝕法係利用外界提供電子，爰使欲受保護之金屬成為陰極，而達到防蝕之 目的。提供電子的媒介有兩種：其一是將比欲保護之鋼材更為活性之金屬連結在系統 之腐蝕電化學電池上充當陽極，則由所形成的電池電動勢來驅動保護電流，在這種情 況下，保護電流是靠該活性金屬的溶解提供，故稱為犧牲陽極法(sacrificial anode system)。常用之犧牲陽極材料有鋁、鎂及鋅合金三種，鋁合金具有其可靠性、電流及 重量特性均優於鋅合金，鎂合金因電流效率低並不適於海洋結構物。另一方法是以直 流電源提供保護電流，靠電源電壓來驅動電流，輔助陽極做為導體只起傳輸電流作用，
此法稱為外加電流陰極防蝕法(impressed current system)，其基本原理見圖 2-1 之說明 [52]。
金屬置於電解質溶液中，因形成腐蝕電池會發生如下的電化學反應：
M→Mn+ +ne− (2-28) 如圖 2-9(a) 所示的腐蝕電池中，在金屬部份係由電子導電，而於溶液中是由離子 導電，從而形成通路，由於金屬做為腐蝕電池的陽極而失去電子，所以金屬發生腐蝕。
但如果在腐蝕電池上連接輔助陽極，使電子流入金屬，那麼上述的反應將向左面進行，
於是金屬的腐蝕溶解就不再進行，即得到完全保護。圖 2-9(b) 為陰極保護時的情形，
此時，所施加電流的方向使被保護的工程結構成為陰極，而進行陰極極化。利用Evans 腐蝕極化圖（如圖 2-9(c)），可更清楚和定量地說明此原理，未加陰極保護時，金屬的 陽極極化曲線與陰極極化曲線相交於 S 點，其中 Es 和 Is 分別表腐蝕電位及腐蝕電 流；進行陰極保護時，這時的電位從 Es 向更負的方向沿 SCD 移動，當金屬電位極 化到 E1 時，所相對應的電流 I1，實際上包括了外加電流(BC 線段)及腐蝕電流(AB 線 段)，此時金屬的腐蝕雖未停止，但由於腐蝕電流之下降，因而金屬腐蝕的速率相對應 地降低，如果使金屬陰極極化到與陽極的初始電位相等時(例如達到 Ea)，由於兩電極 保持相同電位，以致不再有局部電流流動，亦即腐蝕電流為零，此時金屬係受到完全 的保護。由此可見，陰極極化的大小可視為維持金屬表面受到保護的指標，美國防蝕
既有RC 結構物鋼筋腐蝕量測技術及評估準則之研究
學會訂定300mV 電位極化量為一般鋼鐵材料陰極防蝕保護標準。
三 、 鋼 筋 混 凝 土 陰 極 防 蝕 技 術
鋼筋混凝土由於混凝土提供高鹼性環境，能在鋼筋表面形成鈍態膜保護鋼筋免於 腐蝕。但若混凝土受到碳化作用使其 pH 值降低，或當鋼筋表面氯離子累積量達到相 當程度時，鈍態膜會遭受破壞；此時倘若鋼筋周遭存在足夠之水及氧氣，將會發生腐 蝕而使結構物破壞。因此在海洋環境下之鋼筋混凝土結構物，如濱海橋樑或碼頭等需 重視其腐蝕問題及考量適當防蝕之措施。陰極防蝕系統為有效的防蝕方法之一，型式 有犧牲陽極法和外加電流法。雖然犧牲陽極裝置較外加電流法簡單，但應用於鋼筋混 凝土防蝕方面，主要由於混凝土屬於高電阻環境，而犧牲陽極與鋼筋間的驅動電壓相 當低，所輸出的電流有限，造成無法均勻的提供充足的電流至鋼筋表面，於是可能需 要相當大量的犧牲陽極才足以達防蝕效果[53]。 基於受到電流分佈、生成物體積膨脹 及犧牲陽極更換不易等限制，目前國外除極少數的橋面正在採用鋅合金進行犧牲陽極 防蝕外[54]，多半利用外加電流陰極防蝕法進行鋼筋混凝土結構物的保護，例如美國 聯邦公路管理局(FHWA)便指出外加電流法為解決公路橋樑受鹽份腐蝕唯一有效之防 蝕方法[55,56]。有關外加電流法之系統裝置及保護電位選擇分別敘述如后。
外加電流陰極防蝕系統
鋼筋混凝土外加電流陰極防蝕法的裝置，如圖2-10 所示。基本上，係利用外加電 流或外加電位強制使鋼筋形成陰極，鋼筋原處在活性腐蝕位置，因電化學反應失去電 子，但若經由陰極防蝕提供電子，使鋼筋表面上的鐵沒有機會釋出電子產生電化學反 應，而受到保護。其系統主要包括輔助陽極、電源供應器、陰極(鋼筋)、導電介質(混 凝土層)及其它附件(如覆蓋層、參考電極、絕緣裝置等)。
在外加電源陰極保護中，輔助陽極的作用是使電流從陽極經過介質到被保護鋼材 的表面上，因而理想的陽極材料應具有導電性良好、陽極與電解質溶液之間的電阻率 低及耐腐蝕等特性。目前正在使用及發展中之陽極材料包括導電覆蓋層系統、線狀陽
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(coke breeze)混合製成導電性砂漿覆蓋層，配合改良之線型陽極，經過戶外現地 3 年之 測試，證明此陽極系統之組合具有高效率、高經濟性及適合於混凝土結構物的側邊及 底層施工。
在外加電源陰極保護中，電源供應器的作用是提供保護電流。一般傳統之交流電 源除非經整流(rectified)作用後，否則不適做陰極防蝕之電源系統，因為交流電源所輸 出之電位為正弦波的時間函數，在某個方向的半週期處將會消耗鋼筋表面的電子且加 速腐蝕，換言之，唯有透過完全整流(rectified and fully filtered)作用方能得到穩定之輸 出電壓值，是故陰極防蝕必須採用直流電源。目前可用來作為直流電源的有恆電位儀、
直流發電機、直流電源供應器及太陽能電池等。而參考電極是用來測量被保護結構的 電位並向控制系統傳輸訊號，以便調整保護電流的大小，使結構的電位處於給定的範 圍內。
利用外加電流法保護時，鋼筋所接觸的環境介質必須是連續且導電。如果鋼筋混 凝土曝露於大氣環境中時，輔助陽極必需與混凝土直接接觸，以維持其導電通路。除 此之外，由於需電解液來傳送保護電流，因此，陰極防蝕並不適合應用於後拉法的預 力混凝土構件上。
保護電位或電流密度之選擇
電位或電流密度之選擇對陰極防蝕是否達到預期的保護效果來說，具有決定性。
若施加電位或電流密度偏低將使結構物不能得到完全的保護，而過高時往往會發生過 保護(over protection)現象。
為確保陰極防蝕能有效且安全地應用於鋼結構物、鋼筋或預力混凝土構造物上，
外加電位不宜過高以避免產生過保護而浪費電力及伴隨造成的氫脆問題。理想之保護 電位之選擇如圖2-11 所示[58]，約位於 Tafel 線性區域之起始處，因此輸出電位只要 在鋼筋的自然電位以下範圍內變動，即可有效地保護鋼筋，一般所使用保護電位大約 是在 -0.72V~-1.02V(SCE)[59]。
美國腐蝕工程學會(National Association of Corrosion Engineers, NACE )[60]
指出鋼結構物曝露於土壤或水溶液中需與電解質環境保持 -0.77V(SCE)之電位差才能
既有RC 結構物鋼筋腐蝕量測技術及評估準則之研究
有效達到防蝕目的。從過去的研究亦發現[47]，碳鋼在混凝土環境中當其極化電位 (polarized potential)到達-0.69V (SCE)時，鋼材可受到完全保護，如果當電位超過了 -1.09V(SCE)以下時，鋼材表面將有氫的出現且可能對握裏能力帶來不利影響。Hope 及 Poland[59]則指出鋼筋混凝土之陰極防蝕，如使用完全整流後的直流電源，鋼筋的 極化電位在-1.02V ~ -1.12V(SCE)時，就會產生氫氣，而當外加交流電源整流不完全 時，鋼筋的極化電位在低於-0.86V (SCE)時，便會產生氫氣。
完全保護電流的大小主要與被保護金屬的種類、腐蝕介質的成份、溫度、系統中
完全保護電流的大小主要與被保護金屬的種類、腐蝕介質的成份、溫度、系統中