電化學腐蝕訊號

ㄧ 、 腐 蝕 的 基 本 原 理

金屬腐蝕是受到化學性或電化學性的侵蝕所造成，而化學腐蝕是金屬與氣體或液 體介質發生化學作用，所生成的化合物，使金屬表面受腐蝕而破壞。電化學腐蝕是金 屬在腐蝕的過程，有電子轉移的行為，所以大多數的金屬腐蝕均可視為一種電化學反 應。因為金屬腐蝕是氧化及還原反應，其中包含陽極發生氧化反應，進行還原反應的 陰極，且還要電解質及電流的存在，並在陽極及陰極之間還需要有通路才能發生電化 學腐蝕反應。

以腐蝕之熱力學觀點來看化學反應是否自發性發生，若反應之自由能變化ΔG 為 負，則反應後系統自由能降低，則反應可以自然發生。若ΔG 為正，則反應則無法自 然發生。電化學反應之自由能變化可以下式表達：

△G＝－nFE (2-18)

其中：

n=反應中轉移的電子數 F=法拉第常數(96500 c/mol) E=平衡電位

電化學半電池電位之平衡電位E，由 Nernst 公式計算：

E＝E0＋2.3 nF RTlog

red oxid

a

a

(2-19)

其中：

E=半電池電位

E0=標準狀態下（25℃，1atm，單位活度(activity)）之平衡電位 R＝氣體常數

既有RC 結構物鋼筋腐蝕量測技術及評估準則之研究

T＝絕對溫度

aoxid＝氧化物質之活度 ared＝還原物質之活度

各種金屬相對於氫電極之半電池電位之標準電位可由表2-1 查得。ΔG 能簡單預 測腐蝕反應是否會發生，且能用正負來預測反應的方向，但不能用ΔG 的大小來預測 電化學反應的速率[24]。

二 、 腐 蝕 的 形 態

金屬腐蝕的形態可概分為八大類[25]：

(1) 均勻腐蝕(uniform corrosion)

金屬表面上形成一均勻的腐蝕產物，例如鋼鐵生銹皆屬於均勻腐蝕，均勻腐蝕為 最不複雜的一種腐蝕。

(2) 伽凡尼腐蝕(galvanic corrosion)

伽凡尼腐蝕為二種不同金屬偶合連接時，性質比較活潑的金屬會加速腐蝕，反之 化學性質惰性的金屬會減慢腐蝕。在陰極防蝕法中的犧牲陽極法就是利用伽凡尼偶 合，使欲保護的金屬活性變成惰性而減慢腐蝕，而偶合的另一種比較活潑的金屬就成 為陽極加速腐蝕。

(3) 間隙腐蝕(crevice corrosion)

金屬的間隙處因滯流不通，缺少氧氣，形成濃差電池，特別容易發生腐蝕。

(4)孔穴腐蝕(pitting corrosion)

發生在鈍化金屬中，如不銹鋼等，在氯離子溶液中會發生極度的腐蝕情形，在金 屬表面形成四處散佈的孔穴。孔穴腐蝕為一種局部腐蝕的形式。

(5)晶界腐蝕(intergranular corrosion)

第二章 文獻回顧

金屬晶界附近的化學活性比較強，易發生腐蝕，晶界腐蝕易在短時間和深入金屬 內部產生腐蝕。如不銹鋼銲道附近的晶界處，因銲接加熱使不銹鋼失去特性發生腐蝕。

(6)選擇性侵蝕(selective leaching)

選擇性腐蝕是指合金內某一特定金屬被優先去除的腐蝕過程，通常是化學性質活 潑的成份被淬取出。此類型腐蝕最常見的例子是黃銅內之脫鋅作用。

(7) 沖磨腐蝕(erosion corrosion)

沖蝕腐蝕是腐蝕性流體與金屬表面相對運動而導致金屬腐蝕速率加速的現象。當 腐蝕性流體的相對運動速率相當快時，機械磨擦效應將會相當嚴重。沖蝕腐蝕的特徵 為金屬表面具有與腐蝕性流體流動方向相同的凹槽、蝕孔與圓孔等。

(8) 應力腐蝕( stress corrosion)

金屬的應力腐蝕破裂是指應力及腐蝕環境結合效應所導致的破裂。又稱環境誘導 破裂。

三 、 鋼 筋 腐 蝕 機 理

在自然環境中的金屬都會以氧化及穩定的形態存在，鋼筋是經過高溫煉鋼而成，

在熱力學的觀點，鋼筋處於高能量的狀態很容易被氧化，而鋼筋被氧化的過程就是鋼 筋腐蝕。

基本上鋼筋腐蝕均需具有陽極(anode)、陰極(cathode)、電解液(electrolyte)、導電 通路(external conducting path)、電流(current)，如缺少一項，腐蝕將無法進行[26]。

(a) 陽極(anode)

鋼筋混凝土內的鋼筋發生腐蝕，在陽極發生氧化反應，腐蝕產物與混凝土中的孔 隙水溶液產生反應，使鐵(Fe)被氧化成鐵離子(Fe²⁺)，並釋放兩個電子。

Fe→Fe

²⁺

+2e

^- (2-20)

(b) 陰極(cathode)

陰極產生還原反應，在鹼性溶中，還原反應使水與空氣中的氧氣(O2)吸收游離電

既有RC 結構物鋼筋腐蝕量測技術及評估準則之研究

子，形成氫氧根離子(OH^-)

O

₂

+2H

₂

O+4e

^-

→4OH

^- (2-21) 氫氧根離子產生後，與金屬離子結合形成氫氧化亞鐵沉澱物(Fe(OH)2)，而氧化作 用生成氫氧化鐵(Fe(OH)3)，即為鐵銹。

沉澱作用：

Fe

²⁺

+2OH

^-

→Fe(OH)

₂ (2-22) 氧化作用：

4Fe(OH)

₂

+2H

₂

O+O

₂

→4Fe(OH)

₃ (2-23) 腐蝕產物：

2Fe(OH)

₃

→Fe

₂

O

₃

．3H

₂

O

(2-24) (c) 電解液(electrolyte)

電化學腐蝕又稱濕腐蝕(Wet Corrosion)，必須在潮濕或有水氣的環境下，氧化還原 反應才會產生。在潮濕環境中，離子移動速率比金屬氧化擴散作用快，所以金屬腐蝕 的速率會變快。若在無濕氣的環境中，離子移動將會停止。

(d) 導電通路(external conducting path)

氧化還原作用均需有電子的轉移，因此必須要有良好的導電路徑，腐蝕才能進行。

(e) 電流(current)

腐蝕發生時，要有足夠的電動勢才能進行，要有足夠的驅動力才會驅動電子的流 動，所以要有足夠電子數的數量才能使離子化學反應進行發生腐蝕反應。

四 、 鋼 筋 腐 蝕 對 鋼 筋 混 凝 土 之 影 響

鋼筋在混凝土的高鹼環環境(pH=12.5~13.6)的保護下，鋼筋表面會形成鈍態保護膜 (Passive Film)，使鋼筋與外界環境隔離，保護鋼筋不受到腐蝕[27,28]。

當有害物質進入混凝土內破壞鋼筋表面的鈍態膜，使氧化物變成 Fe(OH)2造成鋼 筋腐蝕，鋼筋受腐蝕時表面會生成鐵鏽且使鋼筋的體積膨脹，膨脹的體積可達原本未 腐蝕前的2~6 倍，如圖 2-4 所示。鋼筋受腐蝕膨脹後，使混凝土內受到張力，最後會

第二章 文獻回顧

既有RC 結構物鋼筋腐蝕量測技術及評估準則之研究

圖2-4 鋼筋腐蝕體積膨脹圖

Fe(OH)

3

•3H

2

O

Fe(OH)

2

Fe(OH)

3

1 2 3 4 5 6 7 FeO

Fe

2

O

3

Fe

3

O

4

Fe

Volume,cm³

(資料來源：文獻[30])

第二章 文獻回顧

在文檔中 既有RC 結構物鋼筋腐蝕量測技術及評估準則之研究 (頁 43-49)