以電化學法量測混凝土中鋼筋腐蝕劣化之研究

以電化學法量測混凝土中鋼筋腐蝕劣化

之研究

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 102 年 12 月

PG10201-0540

以電化學法量測混凝土中鋼筋腐蝕劣化

之研究

受 委 託 者

：國立臺灣科技大學

研 究 主 持 人 ： 陳 君 弢

研 究 員

： 李 宏 仁

研 究 助 理

： 吳 靖 賢

研 究 助 理

： 韋 昀 孜

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 102 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目次

表次 ... III

圖次 ... IX

摘要 ... XV

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 研究目的與重要性 ... 3

第三節 研究方法與步驟 ... 4

第二章 文獻回顧 ... 7

第一節 前言 ... 7

第二節 腐蝕機理 ... 7

第三節 以腐蝕速率變化推估鋼筋腐蝕量 ... 10

第四節 腐蝕量測法 ... 11

第五節 足尺寸構件試體試驗 ... 18

第三章 小尺寸試體試驗 ... 25

第一節 前置作業 ... 25

第二節 研究方法 ... 31

第三節 試驗結果 ... 38

第四章 足尺寸構件試體試驗 ... 69

第一節 柱設計方法及檢核 ... 69

第二節 腐蝕鋼筋柱構件試體製作 ... 75

第三節 試驗結果 ... 78

第四節 足尺寸貼磚試體試驗 ... 96

第五節 計算腐蝕量與重量損失比較 ... 111

第五章 現地鋼筋腐蝕量測步驟 ... 113

第一節 前言 ... 113

第二節 以脈衝電流法測定鋼筋腐蝕速率 ... 113

第三節 以腐蝕速率推算腐蝕量 ... 115

第六章 結論與建議 ... 117

第一節 結論 ... 117

第二節 建議 ... 119

附錄一 專家座談會議紀錄與意見回覆 ... 123

表次

表 2 - 1 腐蝕機率判斷表 ... 12

表 2 - 2 Galva Pulse 一般試驗值 ... 16

表 3 - 1 鋼筋機械性質 ... 25

表 3 - 2 鋼筋化學成分 ... 26

表 3 - 3 直流電源供應器詳細規格 ... 28

表 3 - 4 GalvaPulse 腐蝕量測儀規格概要 ... 29

表 3 - 5 VersaSTAT 恆電位恆電流儀規格概要 ... 30

表 3 - 6 水灰比 0.6、6 cm 之鋼筋腐蝕電流密度 (單位：

μA/cm

2

_{) ... 38}

表 3 - 7 水灰比 0.6、保護層厚度 3 cm 之鋼筋腐蝕電流

密度 (單位：μA/cm

2

_{) ... 40}

表 3 - 8 水灰比 0.6、保護層厚度 9 cm 之鋼筋腐蝕電流

密度 (μA/cm

2

_{) ... 41}

表 3 - 9 不同保護層厚度下計算腐蝕量與重量損失之關

係 (水灰比：0.6) ... 41

表 3 - 10 水灰比 0.4、保護層厚度 6 cm 之鋼筋腐蝕電流

密度 (單位：μA/cm

2

_{) ... 46}

表 3 - 11 水灰比 0.5、保護層厚度 6 cm 之鋼筋腐蝕電流

密度 (單位：μA/cm

2

_{) ... 46}

表 3 - 12 水灰比 0.4、保護層厚度 3 cm 之鋼筋腐蝕電流

密度 (單位：μA/cm

2

_{) ... 46}

表 3 - 13 不同水灰比下計算腐蝕量與重量損失之關係

(保護層厚度：6 cm) ... 47

表 3 - 14 水灰比 0.4 下計算腐蝕量與重量損失之關係 ... 47

表 3 - 15 混凝土配比設計(SSD) (單位：kg/m

3

_{) ... 52}

表 3 - 16 水灰比 0.6、粗粒料被細粒料取代 1/2 之鋼筋

腐蝕電流密度 (單位：μA/cm

2

表 3 - 17 水灰比 0.6、粗粒料被細粒料取代 1/3 之鋼筋

腐蝕電流密度 (單位：μA/cm

2

_{) ... 53}

表 3 - 18 水灰比 0.6、混凝土之鋼筋腐蝕電流密度 (單

位：

μA/cm

2

_{) ... 53}

表 3 - 19 不同粗細粒料體積比下計算腐蝕量與重量損

失之關係 (保護層厚度：6 cm) ... 54

表 3 - 20 水灰比 0.6、含橫向鋼筋配置之鋼筋腐蝕電流

密度 (單位：μA/cm

2

_{) ... 58}

表 3 - 21 橫向鋼筋存在下計算腐蝕量與重量損失之關

係 (保護層厚度：6 cm) ... 58

表 3 - 22 不同脈衝電流與施加時間下之鋼筋腐蝕電流

密度 ... 61

表 3 - 23 不同過電壓與量測間隔時間下之鋼筋腐蝕電

流密度 ... 64

表 4 - 1 試體參數設計 ... 69

表 4 - 2 混凝土抗壓試驗結果 ... 74

表 4 - 3 足尺寸 І 柱 A 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

_{) ... 79}

表 4 - 4 足尺寸 І 柱 B 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

_{) ... 79}

表 4 - 5 足尺寸 І 柱 C 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

_{) ... 80}

表 4 - 6 足尺寸 І 柱 D 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

_{) ... 80}

表 4 - 7 足尺寸 І 柱 E 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

_{) ... 81}

表 4 - 8 足尺寸 І 柱 F 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

_{) ... 81}

表 4 - 9 足尺寸 І 柱 G 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

_{) ... 82}

表 4 - 14 足尺寸 ІІ 柱 C 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 85

表 4 - 15 足尺寸 ІІ 柱 D 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 86

表 4 - 16 足尺寸 ІІ 柱 E 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 86

表 4 - 17 足尺寸 ІІ 柱 F 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 86

表 4 - 18 足尺寸 ІІ 柱 G 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 87

表 4 - 19 足尺寸 ІІ 柱 H 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 87

表 4 - 20 足尺寸 ІІ 柱計算腐蝕量與重量損失之關係 ... 87

表 4 - 21 足尺寸 ІІІ 柱 A 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 89

表 4 - 22 足尺寸 ІІІ 柱 B 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 90

表 4 - 23 足尺寸 ІІІ 柱 C 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 90

表 4 - 24 足尺寸 ІІІ 柱 D 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 91

表 4 - 25 足尺寸 ІІІ 柱 E 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 91

表 4 - 26 足尺寸 ІІІ 柱 F 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 92

表 4 - 27 足尺寸 ІІІ 柱 G 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

... 92

表 4 - 28 足尺寸 ІІІ 柱 H 鋼筋之腐蝕電流密度 (μA/cm

2

₎

表 4 - 29 足尺寸 ІІІ 柱計算腐蝕量與重量損失之關

係 ... 93

表 4 - 30 足尺寸箍筋的重量損失 ... 95

表 4 - 31 混凝土配比設計表 ... 96

表 4 - 32 貼磚足尺寸 І 柱 A 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 98}

表 4 - 33 貼磚足尺寸 І 柱 B 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 99}

表 4 - 34 貼磚足尺寸 І 柱 C 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 99}

表 4 - 35 貼磚足尺寸 І 柱 D 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 100}

表 4 - 36 貼磚足尺寸 І 柱 E 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 100}

表 4 - 37 貼磚足尺寸 І 柱 F 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 101}

表 4 - 38 貼磚足尺寸 І 柱 G 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 101}

表 4 - 39 貼磚足尺寸 І 柱 H 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 102}

表 4 - 40 貼磚足尺寸 І 柱與重量損失之關係 ... 102

表 4 - 41 貼磚足尺寸 ІІ 柱 A 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 104}

表 4 - 45 貼磚足尺寸 ІІ 柱 E 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 105}

表 4 - 46 貼磚足尺寸 ІІ 柱 F 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 105}

表 4 - 47 貼磚足尺寸 ІІ 柱 G 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 106}

表 4 - 48 貼磚足尺寸 ІІ 柱 H 鋼筋之腐蝕電流密度

(μA/cm

2

_{)... 106}

表 4 - 49 貼磚足尺寸 ІІ 柱與重量損失之關係 ... 106

表 4 - 50 貼磚足尺寸箍筋與真實重量損失之關係 ... 107

表 4 - 51 小尺寸砂漿試體中鋼筋的計算腐蝕量與重

量損失比較 ... 111

表 4 - 52 小尺寸混凝土試體中鋼筋的計算腐蝕量與

重量損失比較 ... 112

表 4 - 53 足尺寸貼覆磁磚混凝土試體中鋼筋的計算

腐蝕量與重量損失比較 ... 112

圖次

圖 1 - 1 老舊校舍腐蝕構件照片 ... 1

圖 1 - 2 研究方法與相互關係 ... 5

圖 2 - 1 鋼筋之腐蝕反應示意圖 ... 9

圖 2 - 2 金屬腐蝕示意圖 ... 10

圖 2 - 3 計算腐蝕深度示意圖 ... 11

圖 2 - 4 Tafel 斜率的決定 ... 13

圖 2 - 5 直流極化法 ... 13

圖 2 - 6 交流阻抗法之(a)等效電路圖；(b)總阻抗之複

數平面圖(Z’為實部軸，Z”為虛部軸) ... 14

圖 2 - 7 金屬表面帶有保護層之交流阻抗示意圖 ... 14

圖 2 - 8 脈衝腐蝕量測原理 ... 16

圖 2 - 9 Galva Pulse 電位與時間關係 ... 17

圖 2 - 10 GalvaPulse 顯示畫面 ... 17

圖 2 - 11 GalvaPulse 顯示畫面 ... 17

圖 2 - 12 主筋與箍筋腐蝕情形 ... 19

圖 2 - 13 箍筋腐蝕情形(腐蝕率 35 %) ... 19

圖 2 - 14 試體箍筋腐蝕裂縫發展 ... 19

圖 2 - 15 試體主筋腐蝕狀況 ... 20

圖 2 - 16 單側試體主筋腐蝕裂縫發展 ... 20

圖 2 - 17 鋼筋與腐蝕生成物的體積比 ... 21

圖 2 - 18 鋼筋腐蝕膨脹應力作用示意圖 ... 21

圖 2 - 19 RC 結構物之裂縫-鋼筋腐蝕-裂縫循環示意圖 ... 22

圖 2 - 20 試體加速腐蝕圖：(a)腐蝕示意圖；(b)實際腐蝕 ... 23

圖 3 - 1 主要試驗用材料：(a) 台鹽高級精鹽；(b) 飽和

氯化鉀溶液及浸泡在 KCl 之電極；(c)紅銅網；

(d)白金鈦網 ... 27

圖 3 - 2 數位直流電源供應器 ... 28

圖 3 - 4 VersaSTAT 恆電位恆電流儀 ... 30

圖 3 - 5 小尺寸試體設計(保護層厚度的影響) ... 31

圖 3 - 6 小尺寸試體設計(鋼筋配置的影響) ... 32

圖 3 - 7 試體模具 ... 32

圖 3 - 8 試體通電過程 ... 36

圖 3 - 9 利用 Galvapulse 進行量測 ... 36

圖 3 - 10 試體中的腐蝕鋼筋 ... 37

圖 3 - 11 含交疊鋼筋試體 ... 37

圖 3 - 12 計算腐蝕量與重量損失的關係(先期試驗) ... 39

圖 3 - 13 不同通電齡期下的試體與內埋鋼筋：(a) 5 天

通電齡期試體；(b) 7 天通電齡期試體；(c) 9

天通電齡期試體；(d) 5 天試體取出之鋼筋；(e)

7 天試體取出之鋼筋；(f) 9 天試體取出之鋼筋

... 39

圖 3 - 14 不同保護層厚度下計算腐蝕量與重量損失間

的關係((a)脈衝量測法；(b)直流極化法，水灰

比 0.6) ... 42

圖 3 - 15 保護層厚度 3 cm 的試體與取出鋼筋過程：(a)

5 天通電齡期試體；(b) 7 天通電齡期試體；(c)

9 天通電齡期試體；(d) 5 天試體取出鋼筋過程；

(e) 7 天試體取出鋼筋過程；(f) 9 天試體取出鋼

筋過程 ... 43

圖 3 - 16 保護層厚度 9 cm 的試體與取出鋼筋過程: (a)

圖 3 - 17 不同水灰比下計算腐蝕量與重量損失間的關

係((a)w/c=0.4；(b)w/c=0.5；(c)w/c=0.6，保護

層：6 cm) ... 48

圖 3 - 18 不同水灰比下計算腐蝕量與重量損失間的關

係(脈衝腐蝕量測法，保護層厚度：6 cm) ... 48

圖 3 - 19 水灰比 0.4 的試體與取出鋼筋過程: (a) 3 天通

電齡期試體；(b) 5 天通電齡期試體；(c) 7 天

通電齡期試體；(d) 3 天試體取出之鋼筋；(e) 5

天試體取出之鋼筋；(f) 7 天試體取出之鋼筋 ... 49

圖 3 - 20 水灰比 0.5 的試體與取出鋼筋過程: (a)3 天通

電齡期試體；(b) 5 天通電齡期試體；(c) 7 天

通電齡期試體；(d) 3 天試體取出之鋼筋；(e) 5

天試體取出之鋼筋；(f) 7 天試體取出之鋼筋 ... 50

圖 3 - 21 不同保護層厚度下水灰比 0.4 試體之計算腐蝕

量與重量損失間的關係 ... 51

圖 3 - 22 不同粗細粒料體積下計算腐蝕量與重量損失

間的關係(w/c=0.6，保護層：6 cm) ... 54

圖 3 - 23 含水率與乾燥時間的關係(水灰比 0.6、保護層

6 cm) ... 55

圖 3 - 24 重量損失率與乾燥時間的關係(水灰比 0.6、保

護層 6 cm) ... 56

圖 3 - 25 腐蝕電流密度與含水率的關係(水灰比 0.6、保

護層 6 cm、加速通電時間 5 天) ... 56

圖 3 - 26 橫向鋼筋存在下計算腐蝕量與重量損失間的

關係(水灰比：0.6、主筋保護層厚度：6 cm) ... 58

圖 3 - 27 水灰比 0.5 的含交錯鋼筋試體與取出鋼筋過

程：(a) 3 天通電齡期試體；(b) 5 天通電齡期

試體；(c) 7 天通電齡期試體；(d) 3 天試體鋼

天試體鋼筋取出過程；(g) 3 天試體取出之鋼筋；

(h) 5 天試體取出之鋼筋；(i) 7 天試體取出之鋼

筋 ... 59

圖 3 - 28 不同通電時間下腐蝕電流密度與脈衝時間的

關係(脈衝電流:100 μA，w/c=0.6，保護層 6 cm)

... 62

圖 3 - 29 不同通電時間下腐蝕電流密度與脈衝電流的

關係(脈衝時間:10 s，w/c=0.6，保護層 6 cm) ... 62

圖 3 - 30 不同通電時間下腐蝕電流密度與過電位的關

係(量測間隔時間：30 s，w/c=0.6，保護層 6 cm)

... 65

圖 3 - 31 不同通電時間下腐蝕電流密度與量測間隔時

間的關係(過電壓: ±10 mV，w/c=0.6，保護層

6 cm) ... 65

圖 3 - 32 不同保護層厚度、箍筋存在、粗細粒料體積比

下砂漿中氯離子含量與鋼筋腐蝕量間的關係

(w/c=0.6) ... 67

圖 4 - 1 腐蝕足尺寸梁試體設計圖 ... 70

圖 4 - 2 腐蝕用儀器工具：(a) 台鹽高級精鹽；(b)飽和

氯化鉀溶液；(c) 銅板；(d)電源供應器 ... 74

圖 4 - 3 試體製作過程：(a)綁紮情況與模板設置；(b)

混凝土流度試驗；(c)試體灌漿；(d)振動棒搗實；

(e)試體灌漿完成；(f)圓柱抗壓試體灌漿完成；

圖 4 - 8 І 柱 B 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 83

圖 4 - 9 І 柱 C 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 83

圖 4 - 10 І 柱 D 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 83

圖 4 - 11 І 柱 E 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 84

圖 4 - 12 І 柱 F 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 84

圖 4 - 13 І 柱 G 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 84

圖 4 - 14 І 柱 H 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 84

圖 4 - 15 ІІ 柱 A 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 88

圖 4 - 16 ІІ 柱 B 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 88

圖 4 - 17 ІІ 柱 C 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 88

圖 4 - 18 ІІ 柱 D 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 88

圖 4 - 19 ІІ 柱 E 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 88

圖 4 - 20 ІІ 柱 F 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 88

圖 4 - 21 ІІ 柱 G 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 89

圖 4 - 22 ІІ 柱 H 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 89

圖 4 - 23 ІІІ 柱 A 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 93

圖 4 - 24 ІІІ 柱 B 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 93

圖 4 - 25 ІІІ 柱 C 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 94

圖 4 - 26 ІІІ 柱 D 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 94

圖 4 - 27 ІІІ 柱 E 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 94

圖 4 - 28 ІІІ 柱 F 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 94

圖 4 - 29 ІІІ 柱 G 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 94

圖 4 - 30 ІІІ 柱 H 鋼筋的腐蝕速率變化 ... 94

圖 4 - 31 貼磚試體製作：(a)量尺寸現場放樣；(b)磚表

面清潔；(c)貼覆磁磚情形；(d)磁磚貼覆完成

示意 ... 97

圖 4 - 32 貼磚足尺寸試體計算腐蝕量及重量損失之關

係 ... 103

圖 4 - 33 貼磚足尺寸試體計算腐蝕量及重量損失之關

係 ... 107

圖 4 - 34 通電七天後之貼磚足尺寸試體 ... 108

圖 4 - 35 貼磚足尺寸試體敲除混凝土後的腐蝕形態 ... 109

圖 4 - 36 均勻腐蝕 ... 109

圖 4 - 37 將鏽蝕刷除後之鋼筋：(a) І 柱主筋；(b) ІI 柱

主筋；

(c) І 柱箍筋；(d) ІI 柱箍筋 ... 110

圖 5 - 1 腐蝕量測點位說明 ... 116

圖 5 - 2 脈衝腐蝕量測儀的架設 ... 116

圖 5 - 3 脈衝電位與時間關係 ... 116

摘要

關鍵詞：混凝土、鋼筋腐蝕、量測技術 一、研究緣起 目前土木工程的營建材料中，以鋼筋混凝土最為廣泛使用，然而裂縫的產生普遍 存在於鋼筋混凝土結構物，加上環境的有害因子，如二氧化碳及鹽分，直接或間接促 成鋼筋鏽蝕，進而降低結構物的性能。文獻研究發現，不僅是鋼筋的腐蝕程度，腐蝕 的位置、長度、主筋或箍筋鏽蝕等因子皆影響鋼筋混凝土的韌性行為。然而，現地常 用的 ASTM C876 腐蝕電位量測法並不能準確反應鋼筋腐蝕的位置與程度，既有的非 破壞性腐蝕電流量測法與重量損失量測的結果間亦存在相當的差異，國內文獻卻對此 問題並無深入探討亦無相關量測規範。 本研究探討影響鋼筋腐蝕量測的因子、量測值可靠度分析、提升量測值準確度之 方式，亦期望在現地量測上能更加方便使用，有助於未來相關量測規範之制訂，與新 建/既有建築物的生命週期評估之發展。 二、研究方法及過程 本研究同時製作小尺寸試體以及腐蝕鋼筋柱構件設計之腐蝕觀察試體，兩種試體 承受相同的加速腐蝕條件，前者改變材料因子以及量測因子後進行測試，以觀察腐蝕 劣化行為，各因子包括水灰比、鋼筋配置、保護層厚度等，後者用以觀察實際鋼筋混 凝土中鋼筋之腐蝕型態，例如主鋼筋及箍筋重量損失率、局部鏽蝕等探討等。因構件 腐蝕位置為本研究之變數，故變化不同的試體尺寸設計，包括主、箍筋交錯或非交錯 兩者行為討論。腐蝕的方式採鋼筋通電加速腐蝕。過程中，利用恆電位恆電流儀、脈 衝腐蝕量測儀等量測鋼筋的腐蝕電位、腐蝕電流密度，再進一步將腐蝕電流密度換算 得腐蝕速率。最後利用腐蝕速率與經過的時間的關係，經積分後可得計算鋼筋腐蝕， 再與實際重量損失相較。

三、重要發現 本研究探討以電化學法量測鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的技術及其影響因子，根據試 驗結果，重要的發現整理如下： (1) 鋼筋腐蝕量可由腐蝕速率對時間積分估算，然而此估算值低於實際重量損失。 其中，脈衝電流量測法的試驗結果比直流極化法較接近實際重量損失。 (2) 腐蝕量測值受保護層的性質所影響，尤其以水灰比的影響最大。當保護層 6 cm 以內且水灰比 0.5 以上時，計算腐蝕量與重量損失量兩者間約成正比，可利用 計算腐蝕量乘上一係數合理估算重量損失。 (3) 計算腐蝕量與重量損失量間的正比關係亦受到保護層粒料體積比的影響。當保 護層為混凝土時的係數較小，亦即其計算腐蝕量較砂漿保護層更接近真實重量 損失。 (4) 就足尺寸試體而言，運用脈衝腐蝕量測法可有效量測鋼筋混凝土內隨時間變化 的鋼筋腐蝕速率，其係數約在 10 以內，箍筋的存在並不明顯影響最後的腐蝕 量估算。 四、主要建議事項 根據研究成果提出以下具體建議，分別以立即可行建議及長期性建議加以列舉。 建議一 立即可行之建議－研擬鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕速率量測標準 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署、經濟部標準檢驗局、中華民國土 木技師公會全國聯合會 目前應用於混凝土中鋼筋腐蝕量測的方法主要依照 ASTM C876 量測腐蝕電位，

建議二 長期性建議－進行腐蝕速率推估腐蝕量的研究 主辦機關：行政院公共工程委員會 協辦機關：內政部建築研究所、中華民國土木技師公會全國聯合會 本研究的結果雖然說明腐蝕速率能夠推估腐蝕量，但亦發現其間仍有許多不確定 性。為更切合實務需求，宜再進行現地試驗、蒐集資料，更進一步建立合理的分析方 式。可藉由表面未披覆的公共工程結構物的量測開始，研擬改善的量測方法及推估模 式，再嘗試運用於一般建築。 建議三 長期性建議－特殊鋼筋混凝土構造物中的鋼筋腐蝕量測研究 主辦機關：交通部運輸研究所 協辦機關：內政部建築研究所、中華民國土木技師公會全國聯合會、中華民國大地工 程技師公會 本研究中所使用之量測技術適用於量測混凝土中鋼筋的腐蝕，除了運用於一般建 築結構物外，未來應可嘗試使用於其它特殊鋼筋混凝土構造物，如擋土牆、岩錨等大 地工程中鋼筋混凝土結構物的量測。此外，根據儀器原理與說明，該技術亦可適用於 量測水中鋼筋混凝土的腐蝕，故未來可用於港灣鋼筋混凝土結構物的腐蝕監測。然而， 前述各項應用目前文獻闕如，亦少見現地量測範例，雖具實務應用的潛力，但仍需後 續大量研究以驗證。

ABSTRACT

Keywords: concrete, reinforcement corrosion, measurement technique

The reinforced concrete is one of the most popular construction materials nowadays. Due to the presence of cracks, detrimental environmental factors, such as carbonation and salt attack, directly or indirectly induced the reinforcement corrosion and reduced the performance of the structure. The ductility of the reinforced concrete was found to be related with the amount, location, and length of corrosion, etc. However, ASTM C876, the standard commonly used on-site, only measures the corrosion potentials, which cannot accurately indicate the locations and the amounts of corrosion. In addition, the existing nondestructive measurement methods for the corrosion currents always show great

discrepancies from the weight loss. Such issues are not well discussed in literature and there is no other standard for measuring the reinforcement corrosion in concrete.

The factors influencing the reinforcement corrosion measurements, reliabilities of the measurements, and the ways to improve the accuracy of the measurements will be discussed in this project. It is hoped that the results of this study are helpful for future on-site

application, revision of current measuring standards, and evaluation for the life cycle of new or existing reinforced concrete structures.

In this study, both the reduced-sized and full-scaled specimens are prepared. Both specimens are subjected to the similar corrosion conditions. The reduced-sized one is used to explore the effects of the materials and measuring factors, including the w/c,

reinforcement allocations, cover thickness, and etc. The full-scaled ones are intended to explore the features of the onsite corrosion, including the weight losses and corrosion

The results of this study are summarized as follows:

1. The amount of reinforcement corrosion can be evaluated through the integration of the corrosion rate by time. However, the calculated corrosion underestimates the actual weight loss. In addition, the galvanopulse method provides results more reliable than the linear polarization.

2. The calculated corrosion is influenced by the cover properties, of which the w/c influences the most. The calculated corrosion is linearly proportional to the weight loss as the cover depth is less than 6 cm and the w/c is higher than 0.5, meaning that the actual weight loss can be reasonably estimated by the calculated corrosion.

3. The ratio between the weight loss and the calculated corrosion is also influenced by the aggregates ratio. Such ratio is small for concrete cover, suggesting that the corrosion estimation in concrete is more accurate than in mortar.

4. In full-scaled reinforced concrete specimens, the galvanopulse method effectively measures the corrosion rate varying with time. The ratio between the weight loss and the calculated corrosion is within 10. It appears that the presence of the stirrups do not greatly influence the calculated corrosion.

The strategies on improving the measurement techniques of the reinforcement corrosion are proposed.

In the short term, it is necessary to propose a new standard to regulate the

measurements on the reinforcement corrosion rates. The ASTM C876 only provides a way to measure the corrosion potential, which is always not consistent with the corrosion observations. On the other hand, the results in this study have shown that the galvanopulse method is applicable to determine the corrosion rates of the reinforcements. Moreover, theoretical backgrounds of the technique have been developed for years, more and more instrument companies produce the associated measuring devices, and onsite measurements using such technique are now popular. Therefore, it is the time to draft a measuring standard based on the galvanopulse technique.

Results in this study showed that the amount of corrosion can be evaluated by the corrosion rates. However, such calculated corrosion is not consistent with weight loss. The influencing factors are to be further studied. In addition, onsite measurements are encouraged so that the relationship model can be better revised.

Another possible direction of future study is the reinforcement corrosion in special reinforced concrete structures, such as retaining walls and rock anchor in geotechnical engineering. In addition, according to the theoretical background and the manual of the device, the galvanopulse technique can be applied to the reinforcement corrosion measurement of the underwater structures. Therefore, it is possible to monitor the

reinforcement corrosion of the harbor structures using such technique in the future. However, even though it has great potentials for on-site applications, there is so far little examples documented in literature. Further researches are required.

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

壹、研究緣起 目前土木工程界所使用的營建材料中，以鋼筋混凝土最為廣泛，然而裂縫普遍存 在於鋼筋混凝土結構物，加上週遭環境的有害因子，如二氧化碳及鹽分，往往直接或 間接促成鋼筋鏽蝕(如圖 1 - 1 所示)，進而降低結構物的性能。文獻研究發現，不僅鋼 筋的腐蝕程度，其它包括腐蝕位置、長度、主筋或箍筋鏽蝕等因子皆影響鋼筋混凝土 的韌性行為，但現地所常用的 ASTM C876 腐蝕電位量測法卻不能準確反應鋼筋腐蝕 的位置與程度，僅能大約提供鋼筋腐蝕的機率。此外，既有的非破壞性腐蝕電流量測 法與重量損失法所量測的結果間亦存在相當的差異，國內文獻卻對此問題並無深入探 討亦無制定完整的相關量測規範。 本研究探討影響鋼筋腐蝕量測的因子、量測值可靠度分析、提升量測值準確度之 方式，亦期望在現地量測上能更加方便使用，有助於未來相關量測規範之制訂與新建/ 既有建築物的生命週期評估之發展。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)

圖 1 - 1 老舊校舍腐蝕構件照片

貳、研究背景 鋼筋混凝土為當今土木工程不可或缺的材料，然而隨著環境變遷、工業污染、施 工不良、使用不當等因素，鋼筋混凝土構件的耐久性逐漸為吾人所重視，尤其當混凝 土發生劣化現象時，往往伴隨著內部鋼筋的腐蝕，進而影響結構物的安全，減少使用 壽命。然而，鋼筋混凝土因鋼筋腐蝕所造成的劣化往往必須耗費大量的社會資源維修 補強。有鑑於此，如何發展量測構件中鋼筋腐蝕位置及腐蝕量的技術刻不容緩，有助 於進一步評估鋼筋腐蝕後的力學或耐震性能折減，擬定適當的維修補強策略。 本研究團隊近年從事混凝土耐久性能與鋼筋腐蝕量測相關研究，經驗顯示，混凝 土劣化與鋼筋腐蝕不全然具正相關性，亦即藉由表面混凝土的劣化不可完全推估鋼筋 的腐蝕速率，尤其當混凝土裂縫產生時，有害離子藉此進入，往往鋼筋腐蝕程度較預 期高。因此，如何正確直接且正確量測鋼筋腐蝕為重要課題。另一方面，目前現地的 腐蝕量測法多為腐蝕電位與腐蝕電流量測，前者僅能推估腐蝕的機率，後者可推算鋼 筋腐蝕的速率。然而，腐蝕機率不代表腐蝕必然發生及腐蝕的速率且隨時變化。此外， 鋼筋混凝土構件性能評估中，鋼筋斷面的折減是重要的參數，如何以腐蝕速率推算腐 蝕量亦是重要課題。過去本研究團隊的研究發現，利用不同時間下所測得之腐蝕速率 對時間積分可得計算腐蝕量，雖然該計算腐蝕量與實際重量損失成正比，但其係數關 係似受到許多因素所影響，如箍筋或主筋、保護層厚度等，故實務應用上仍不足以推 算正確的腐蝕量。另一方面，實務上發現箍筋與主筋交錯地方的腐蝕程度常較周邊高， 而腐蝕量測於此區域往往無法進行，量測數值不穩定。另一常見的問題為鋼筋混凝土 建築物的表面披覆以磁磚或塗漆居多，但目前的電化學量測法必須與鋼筋間形成通路， 故尚無有效的量測法。以上問題於本研究中探討，未來可根據本研究的成果找出有效 的量測技術及分析方法。 此外，內政部建築研究所自 98 年度起陸續進行鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕對其耐

參、預期目標 1. 探討腐蝕量測值與保護層厚度、保護層含水量、保護層配比間的關係及評估各因 子的影響性。腐蝕量測包括腐蝕電位、腐蝕電流密度及重量損失量等。 2. 探討腐蝕量測參數對於腐蝕量測的影響，包括外加電位及時間等。 3. 探討鋼筋混凝土表面磁磚披覆下鋼筋的腐蝕行為及其量測方法等。 4. 提出提高腐蝕量測精確度之建議方法。 5. 研擬現地腐蝕量測的標準步驟。

第二節 研究目的與重要性

壹、研究目的 本研究鑑於以上鋼筋腐蝕量測等問題，期能藉由多項小尺寸與全尺寸試體試驗， 達到以下目標: (1). 探討影響鋼筋腐蝕量測的因子。其中，材料因子包括保護層厚度、保護層含水量、 與保護層配比、磁磚披覆等。量測因子包括外加電位及時間等。 (2). 比較不同的電化學量測法，包括以直流極化、交流阻抗法、脈衝電流法量測腐蝕 電流密度等。 (3). 建立預測腐蝕量的方式。利用腐蝕電流密度，計算腐蝕速率，進而推算腐蝕量。 (4). 提出鋼筋腐蝕量測的步驟。基於探討影響因子的成果，建立適合現地量測的步驟， 期能獲得具重覆性與穩定性的量測值。 貳、本研究之重要性 隨著環境變遷、工業污染，以及材料使用不當等因素，使得混凝土結構物的耐久 性倍受考驗。由國外的經驗可以瞭解，鋼筋混凝土因鋼筋腐蝕造成的劣化往往耗費極 大的社會資源維修補強。國內經過近幾十年來的經濟發展，不少重要建設及建築均於 上世紀完成，時至今日，不少建築物的老劣化問題逐漸浮現。有鑒於此，如何有效量 測建築構件中鋼筋的腐蝕位置與腐蝕量，進而評估鋼筋腐蝕後之改善方法，不僅對於 鋼筋混凝土構件設計與補強具重要意義，也是處於地震帶並具島型氣候之台灣所不容 忽視的問題。本研究就短期而言，成果將有助於提升量測技術與精確度，長期而言，

第三節 研究方法與步驟

本研究製作小尺寸試體，以及腐蝕鋼筋柱構件設計之腐蝕觀察試體，兩種試體受 相同的加速腐蝕條件，前者設計材料因子以及量測因子進行測試，以觀察腐蝕劣化行 為，各因子例如水灰比、鋼筋配置、保護層厚度等；後者用以觀察實際鋼筋混凝土中 鋼筋之腐蝕型態，例如主鋼筋及箍筋重量損失率、局部鏽蝕等探討。腐蝕的方式採鋼 筋通電加速腐蝕，因構件腐蝕位置為本研究之變數，故變化不同的試體尺寸設計，包 括主、箍筋交錯或非交錯兩者行為討論，詳細試驗方式及腐蝕位置於第三章詳述。 小尺寸試體製作中，依試驗參數調整配比及模具後拌合，於水中養護 28 天，取出 後以環氧樹脂塗封，最後再浸置於含鹽水的水槽通電加速腐蝕。試體通電後，每隔一 天自水槽取出。之後，利用恆電位恆電流儀、脈衝腐蝕量測儀等量測鋼筋的腐蝕電位、 腐蝕電流密度，再進一步將腐蝕電流密度換算得腐蝕速率。以上過程重覆直至試體鏽 水逸出，此時再將試體破壞，取出鋼筋稱重即可得真正的鋼筋腐蝕量。就交疊鋼筋試 體而言，以通電腐蝕模擬主筋與箍筋同時腐蝕，以求更接近現地狀況，亦即主筋與箍 筋皆腐蝕但腐蝕程度不同。對於該試體，本研究嘗試量測主筋的腐蝕電流密度，最後 再與重量損失法的結果相較。 如同小尺寸試體試驗，足尺寸試體試驗中，於試體表面繪製網格以標示鋼筋位置 後，浸置於含鹽水水槽中通電加速腐蝕，之後每通電一天後利用脈衝腐蝕量測儀量測 各網格之腐蝕速率，直到鏽水逸出後停止量測。此時，破壞試體並取出腐蝕鋼筋稱重， 即可求得鋼筋腐蝕量。另一方面，利用腐蝕速率與經過的時間的關係，經積分後可得 計算鋼筋腐蝕量，該計算腐蝕量與重量損失法所得之腐蝕量約成正比，兩者間的相關 性應可由小試體試驗的結果推得。 本研究報告就小尺寸試體試驗與足尺寸構件試體試驗兩大項目，分別進行文獻回

圖 1 - 2 研究方法與相互關係

(資料來源：本研究繪製)

研究目的 文獻回顧 試體設計 小尺寸試體 機理探討 腐蝕量測 模式建立 直流極化法 交流阻抗法 脈衝電流法 重量損失法 氯離子滴定 X光繞射 SEM觀測 腐蝕速率 腐蝕量 綜合討論 構件試體 加速腐蝕試驗 _{構件加速腐蝕試驗} 其它 腐蝕量測 脈衝電流法 重量損失法 模式建立 腐蝕速率 腐蝕量 量測法比較 腐蝕量與腐蝕 速率的關係 量測法比較 計算腐蝕量與真 實腐蝕量的關係 腐蝕量與腐蝕 速率的關係 計算腐蝕量與真實 腐蝕量的關係

第二章 文獻回顧

第一節 前言

近年來，越來越多的研究探討鋼筋腐蝕所引起的結構性能損害，鋼筋腐蝕往往是 鋼筋混凝土構造物較嚴重且常見的損害的原因之一，牽涉到技術、經濟甚至社會問題， 但目前解決的方法往往耗費許多自然資源[1-2]。有鑑於此，鋼筋腐蝕的預防、監測及 修補應為吾人所重視。就整個構件的生命周期而言，若能早期預防、使用中監測、掌 握修補的時機則可節省許多不必要的浪費。

第二節 腐蝕機理

混凝土內埋鋼筋主要因兩種機制而達到保護鋼筋避免腐蝕，包括物理性與化學性 [3-4]。就物理性機制而言，混凝土阻擋外界有害離子的進入。就化學性機制而言，混 凝土中的孔隙水溶液呈高鹼性環境(pH =12-14)，有助於鋼筋表面形成鈍態膜，保護鋼 筋不受有害因子的侵入，進而提供結構物的耐久性，避免鋼筋進一步腐蝕。如同多數 金屬，鐵會以氧化後之穩定形態存在於自然界之中，為了要達到穩定的平衡狀態，此 時會釋放出電子並與其它元素形成能量較低且穩定的化合物，如此才能存在於自然界 之中，所以腐蝕是金屬與周圍環境產生電化學反應而造成破壞的一種情況。此外，腐 蝕作用是否會進行，還需要下列五大條件，陽極、陰極、導電通路、電流及電解溶液 等，缺一不可： (1) 陽極 電化學反應中，電極板上進行著電荷轉移的現象，其中陽極是氧化反應的地 方，金屬放出電子而形成離子的狀態，其化學反應式為： 2 ₍ FeFe  液體_{)+2e (2-1)} -(2) 陰極 陰極則是發生水的還原反應，在基性溶液中水吸收游離電子而形成氫氧根離

2 2 1 2 2 2 H O O  e OH (2-2) 陽極、陰極反應中所生成的鐵離子和氫氧根離子(OH-_{)可結合成氫氧化亞鐵(沉澱} 作用)： 2 2 2( ) ( ) Fe  OH Fe OH (2-3) 此時氫氧化亞鐵可與水中的氧作用生成氫氧化鐵 (氧化作用)： 2 2 2 3 4Fe OH( ) 2H O O 4Fe OH( ) (2-4) 3 2 ( ) ( ) Fe OH FeO OH H O (2-5) 上式中的產物FeO OH 即為紅鏽，若於鹼性溶液中，則可形成另一種氧化物： ( ) 3 4 2 3Fe8OH Fe O 8e4H O (2-6) 上式中的產物Fe O_{3 4}即為黑鏽。 3.導電通路： 電化學反應中的氧化或還原反應均需要有電子轉移，所以必須有良好的導電 通路腐蝕反應才能順利的發生。在導電性不佳的通路中，其腐蝕反應將隨之減緩

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 - 1 與圖 2 - 2 所 示。

圖 2 - 1 鋼筋之腐蝕反應示意圖

圖 2 - 2 金屬腐蝕示意圖

(資料來源：陳冠霖, [6] )

第三節 以腐蝕速率變化推估鋼筋腐蝕量

鋼筋腐蝕量可直接用重量損失法或腐蝕速率來推求，其中重量損失法必須先破壞 試體結構，將鋼筋取出後，再以化學(浸泡於強酸中)或物理性方式清除腐蝕反應之生 成物並測量其重量變化，即為實際腐蝕量。 腐蝕速率推求腐蝕量的方式則是利用儀器所量測出的腐蝕電流密度計算出腐蝕速 率後再推求腐蝕深度，最後再以腐蝕深度計算腐蝕量。 腐蝕速率(r)的計算可利用 Faraday’s Law 而得： r = 0.129aicorr nρ (mpy) = 0.00327 aicorr nρ (mm/year) (2-7) 式中， icorr＝腐蝕電流密度 (μA/cm2) a＝原子量 (g/mole) n＝電子數

圖 2 - 3 計算腐蝕深度示意圖

(資料來源：林建宏等, [21] )

第四節 腐蝕量測法

壹、腐蝕電位 鋼筋腐蝕為一電化學反應，故欲量測鋼筋的腐蝕行為，一般均使用電化學量測法。 雖然重量損失法可直接量測鋼筋的腐蝕量，但曠日廢時且無法進行即時監測，故目前 仍以電化學量測法為主。傳統的電化學量測法包括腐蝕電位、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[7]。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。 金屬腐蝕為氧化還原反應，半電池電位量測法即是利用氧化還原過程中陽極與陰 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位。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)[2]。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，判定標準可參照 ASTM C876-09，如表 2 - 1 所示[8]。然而，此方法僅 能判別腐蝕發生機率。由於未能測得腐蝕電流，故無法推算腐蝕速率。但也因其量測

表 2 - 1 腐蝕機率判斷表

(資料來源：ASTM C876-09, [8] )

貳、直流極化法

直流極化法可分為 Tafel 斜率外推法與線性極化法，一般以待測金屬樣本如鋼筋為 工作電極(陽極)(working electrode)，陰極電流則藉由輔助電極(auxiliary electrode)(通常 為惰性金屬，如白金)提供定電流，再相對於參考電極量測電位差。未通電流時，參考 電極顯示的是金屬的腐蝕電位。通電時，改變陰極電流可測得電位變化，再以電位相 對於電流的對數繪圖。當電流很低時，圖形呈現曲線非直線，但當電流較大時，則兩 者的關係成半對數直線(電位約在 50 mV 以上)，此即為 Tafel 斜線，直線延長和腐蝕電 位的平行線交點即為腐蝕電流，如圖 2 - 4 所示。線性極化法則是在上述系統中外加一 微小的過電壓(overpotential)，其所得的電流會與電壓成一線性關係，此時直線的斜率 即為極化阻抗(polarization resistance, Rp)，如圖 2 - 5 所示[9]。該極化阻抗可藉由 Stern-Geary 方程式進一步推算腐蝕電流密度(icorr)[10]:

a c p c a corr R B E I i             ) ( 303 . 2     （2-8）

B：Stern-Geary 常數（a  c 0.1，B0.0214 ） 由腐蝕電流密度即可再推算鋼筋腐蝕速率(r): n ai r_0.129 corr _（ mpy）  n ai_corr 00327 . 0  （mm year） （2-9）

圖 2 - 4 Tafel 斜率的決定

(資料來源：葉桎銘, [25] )

η (mV)

Cathode Current Anode Current

-20 -15 -10 -5 5 10 15 20 -20 -10 10 20 0 Slope=ΔE/ΔI=Rp

圖 2 - 5 直流極化法

(資料來源：ASTM G59-97, [9] )

量測時，一般使用小於 10 mV 之微小外加電壓擾動極化，以確保其與所量測之微 小電流密度成一線性關係。使用此法進行量測時，腐蝕系統必須達到穩定態，否則將 會造成量測值的誤差與影響線性極化法的時效性。另外，由於直流極化法所量測之極 化阻抗值包括混凝土本身、水溶液與鋼筋表面的阻抗值，故當混凝土的阻抗值很大時， 其線性直流極化法所量測之阻抗值將會低估鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕速率，進而高估 構造物的使用年限[7, 11]。 Eco rr (O v er V o lt ag e) icorr (Current Density) (Log Scale) 極化曲線 βa βc

參、電化學阻抗分析法

電化學阻抗分析法(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)是將交流阻抗法 配合上電化學分析所衍生出的方法，其利用物質氧化還原反應中得失電子的特性，將 交流阻抗分析法之量測精準度加以提高[12-13]。圖 2 - 6 為交流阻抗法的示意圖[14]， 由於電容之阻抗隨頻率改變，總阻抗成一半圓形之曲線[15]。待測金屬表面若有保護 層，則會增加另一個阻抗值，此為 Warburg 阻抗(W)，實驗證明 W 是屬於低頻率，即 圖形中轉折後的部分，如圖 2 - 7 所示[14]。交流阻抗法可量測出鋼筋與外層混凝土個 別阻抗值，再代入 Stern-Geary 方程式可求得腐蝕電流，再進而推算腐蝕速率。此方法 所求得之腐蝕速率較直流極化法精確，但多在實驗室中使用，較不適用於現地。 C Rp RΩ ω RΩ _Z’ Rp+RΩ Z ” (a) (b)

圖 2 - 6 交流阻抗法之(a)等效電路圖；(b)總阻抗之複數平面圖(Z’為實部

軸，Z”為虛部軸)

(資料來源：Jones, D.A., [14] )

C Rp RΩ ω ω _45˚ Z”

肆、恆電流脈衝法 傳統的鋼筋腐蝕量測方式多屬破壞檢測，必須破壞試樣將鋼筋取出後方可量測鋼 筋損失重量，費時費力，故不適於現地即時檢測，數量多時更不易進行。近年來，多 以非破壞檢測(Non-Destructive Testing, NDT)來取代傳統鋼筋腐蝕量測技術以進行腐蝕 速率量測。本方法係利用非破壞極性靜電流脈衝式檢測儀器來測定混凝土內鋼筋之腐 蝕速率，同時也量測保護層之半電池電位(half-cell potential)與電阻。此法利用混凝土 表面計數電流探測棒及參考電極探測棒，設置的方法如圖 2 - 8 所示[16]。其利用脈衝 原理來量測混凝土中鋼筋的腐蝕速率，同時亦可量測鋼筋之半電池電位與保護層電阻。 此法施加短電流脈衝於鋼筋上以適當地極化鋼筋，再藉由鋼筋電位改變量來推算鋼筋 腐蝕速率。通常電位變化如圖 2 - 9 所示[17]，鈍態區的初始斜率較低，活性區的斜率 較高。電位變化隨著時間遞增，若是下降則為錯誤，可能是因接觸不夠所造成的。若 是發生數據不穩定的情況，則可能是因為連接不當或者脈衝不足[17]。過程中，保護 層表面要保持濕潤，否則表面電阻值過大易阻斷電流通路無法量測。

本研究採用丹麥 Germann Instruments 所生產之現地量測腐蝕儀器 GalvaPulse GP-5000，其利用脈衝原理來量測混凝土中鋼筋的腐蝕速率，同時亦可量測鋼筋之半 電池電位與保護層電阻。如前所述，該儀器施加短電流脈衝於鋼筋上時，可由鋼筋電 位的改變量來推算鋼筋腐蝕速率。儀器施加 5 秒鐘 25 μA 的電流(預設值)，正常情況 下應可適當地極化鋼筋。量測值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[17]。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 - 10 及圖 2 - 11 所示， 螢幕上第一行所顯示的是為目前的座標及狀態，第二行所顯示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，第三行顯示的為其電流密度數值，第四 行所顯示的是電極與鋼筋間的電阻。

圖 2 - 8 脈衝腐蝕量測原理

(資料來源：Klinghoffer, O., [16] )

表 2 - 2 Galva Pulse 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

(資料來源：Germann Instruments A/S, [17] )

圖 2 - 9 Galva Pulse 電位與時間關係

(資料來源：Germann Instruments A/S, [17] )

圖 2 - 10 GalvaPulse 顯示畫面

(資料來源：Germann Instruments A/S, [17] )

圖 2 - 11 GalvaPulse 顯示畫面

第五節 足尺寸構件試體試驗

壹、前言 內政部建築研究所自 98 年度起陸續進行鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕對其耐震性 能與生命週期影響之相關研究。結果顯示，不論箍筋或主筋腐蝕皆會降低鋼筋混凝土 的耐震性能。鋼筋混凝土構件性能評估中，鋼筋斷面的折減是重要的參數。過去本研 究團隊的經驗顯示，實務應用上仍不足以推算實尺寸正確的腐蝕量。無論在實驗室小 試體進行多麼仔細的評估，推估鋼筋混凝土的腐蝕行為還是需要以結構設計為主體的 試體進行，以達到最佳的評估方式。 貳、近年發展 過去數年，內政部建築研究所已針對足尺寸試體試驗提出數個研究案，進行了關 於全尺寸鋼筋混凝土構件之腐蝕試驗，累積許多腐蝕試驗方法與鋼筋腐蝕型態觀察之 經驗[18-21]。民國 98 年內政部建築研究所報告「鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐 震性能與生命週期之影響」指出，主筋與箍筋在相同腐蝕條件下，箍筋腐蝕程度較為 嚴重且同時伴隨孔蝕之現象，如圖 2 - 12 所示[18]。民國 100 年內政部建築研究所報告 「鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與生命週期之影響–含腐蝕橫向鋼筋的梁構件」 則指出，橫向鋼筋之腐蝕分布十分不均勻（縱向鋼筋有防蝕保護），常集中腐蝕於一兩 處，此與現地腐蝕常只集中於一兩處類似[19]。當橫向鋼筋腐蝕率達 35 %時，於彎折 處有斷裂的情形發生，並伴隨顯著裂縫的發展，如圖 2 - 13 與圖 2 - 14 所示[19]。卓奕 杉[20]於「RC 梁鋼筋腐蝕之剪力行為評估與縱向鋼筋腐蝕之耐震行為」研究中發現， 一旦混凝土因腐蝕產生孔洞，將造成鋼筋局部嚴重腐蝕，產生顯著的孔蝕現象，又因 其研究之試體底部並無設計保護層，故通電時縱向鋼筋底部亦有嚴重之局部腐蝕，如 圖 2 - 15 所示[20]。民國 101 年內政部建築研究所「梁主筋腐蝕位置對桿件韌性行為的影

圖 2 - 12 主筋與箍筋腐蝕情形

(資料來源：何明錦等, [18] )

圖 2 - 13 箍筋腐蝕情形(腐蝕率 35 %)

(資料來源：何明錦等, [19] )

圖 2 - 14 試體箍筋腐蝕裂縫發展

(資料來源：何明錦等, [19] )

圖 2 - 15 試體主筋腐蝕狀況

(資料來源：卓弈杉, [20] )

圖 2 - 16 單側試體主筋腐蝕裂縫發展

(資料來源：林建宏等, [21] )

參、裂縫與鋼筋腐蝕之循環關係 鋼筋混凝土腐蝕至一定程度後就會生成一層鬆動且易剝落的氧化物(Fe(OH)3)且 該氧化物的體積膨脹至原體積的 2 至 6 倍[22]，如圖 2 - 17 所示。當鋼筋腐蝕生成物累 積時則產生膨脹應力，使鋼筋周圍的混凝土受到拉張應力而產生張力裂縫，進而造成 鋼筋與混凝土間的握裹力損失，此時由於混凝土之抗拉強度很低，故開始破裂，如圖 2 - 18 所示。混凝土一開始出現細微的裂縫時，強度減低，出現裂縫亦代表鋼筋更容易

Volume (cm

3

)

(b)

圖 2 - 17 鋼筋與腐蝕生成物的體積比

(資料來源：Mehta, P.K. and Monteiro, [22] )

圖 2 - 18 鋼筋腐蝕膨脹應力作用示意圖

(資料來源：中國土木水利工程學會, [23] )

Fe

FeO

Fe

3

O

4

Fe(OH)

2

Fe(OH)

3

Fe(OH)

2

‧3H

2

O

Fe

2

O

3

圖 2 - 19 RC 結構物之裂縫-鋼筋腐蝕-裂縫循環示意圖

(資料來源：黃然等, [24] )

鋼筋混凝土結構物於澆置後因為泌水、水份蒸發與溫度變化等因素，於澆置後容 易出現細微的裂縫，若再受到物理性或化學性的侵害，即會發生鋼筋腐蝕與混凝土開 裂的循環。當鋼筋混凝土結構物已有裂縫產生時，即使是低水灰比設計或增加保護層 設計厚度的條件下，混凝土皆會因裂縫的產生而降低耐久性。唯有早期且適當地在裂 縫處進行修補、避免有害物質快速進入、降低混凝土的中性化速度等方式可延遲鋼筋 腐蝕的發生進而滿足鋼筋混凝土結構物初始設計年限之要求。 肆、通電腐蝕方法與腐蝕量預測 民國 98 年內政部建築研究所報告「鋼筋腐蝕對於鋼筋混凝土建築構件耐震性能與 生命週期之影響」[18]的腐蝕梁試驗研究採用外加電流強迫腐蝕。加速腐蝕方法係於 含微裂縫 的混凝土 高滲透性 的混凝土 裂縫 成長 鋼筋 腐蝕 1.溫度、溼度變化 2.浮游物質衝擊 3.化學物質侵蝕、水 泥漿體溶解 4.凍融侵蝕、載重過 大或其它可影響 混凝土滲透性之 因素

圖 2 - 20 試體加速腐蝕圖：(a)腐蝕示意圖；(b)實際腐蝕

(資料來源：何明錦等, [18] )

實驗結束後將鋼筋由試體取出，再利用重量損失估計鋼筋之平均腐蝕深度X_AVER： 3 10 G AVER e W X F L          (2-10) 其中， AVER X 的單位為 mm； G W  =重量的損失，單位為 g =鋼筋直徑，單位為 mm L=受腐蝕的長度，單位為 mm ρs=鋼筋密度(7.86 g/cm3) 利用Faraday’s Law 預估重量損失的方法如式(2-11)所示：





F W COR W A nF I dt  



 (2-11) 其中， F W  =理論質量損失 W A =鐵的原子量(55.8g mol) n=亞鐵離子電荷數=2( 2 2 FeFe  e)

第三章 小尺寸試體試驗

第一節 前置作業

壹、通電加速腐蝕 在自然環境下，鋼筋混凝土構件中的鋼筋受到混凝土的保護故腐蝕速率通常緩慢。 因此，本研究利用通電方式來加速鋼筋腐蝕，再於不同加速時間後量測鋼筋腐蝕速率， 希望藉由不同試體條件下的非破壞性檢測所得之腐蝕速率來探求影響量測值的因子。 除此之外，本研究比較所計算之鋼筋腐蝕量與實際重量損失量，以評估該腐蝕量測法 的適用性。 前期試驗中主要以小尺寸之方柱試體進行試驗，後期試驗再進行足尺寸試體量測， 探討兩者量測值的差異及建議現地量測的步驟。 貳、試驗材料 本試驗所使用之材料包括竹節鋼筋、氯化鈉及氯化鉀，各組成材料之來源及基本 性質如下： (1) 竹節鋼筋 本研究所使用之鋼筋為東和鋼鐵所提供之竹節鋼筋，主要機械性質與化學成分如 表 3 - 1 及表 3 - 2 所示。配合試體尺寸，本研究中小尺寸試體使用#5 鋼筋，部份 探討鋼筋疊置影響的試體則使用#3 箍筋。

表 3 - 1 鋼筋機械性質

鋼筋 種類 降伏強度 (N/mm2₎ 抗拉強度 (N/mm2₎ 實際抗拉強度/ 實際降伏強度 伸長率(%) 彎曲角度 彎曲直徑 SD420W 420-540 550 以上 1.25 以上 12 以上 13 以上 180° 標稱直徑之 3 倍 (D10-D16) 標稱直徑之 4 倍 (D19-D25) 標稱直徑之 6 倍 (D29 以上)

(資料來源：東和鋼鐵)

表 3 - 2 鋼筋化學成分

名稱 C max(%) Mn max(%) P max(%) S max(%) Si max(%) C.E. max(%) SD420W 0.3 1.5 0.04 0.04 0.5 0.55

(資料來源：東和鋼鐵)

(2) 氯化鈉(NaCl) 本研究使用之氯化鈉為臺鹽實業股份有限公司所生產的高級精鹽，氯化鈉含量達 99.5 ％以上，碘酸鉀 20-35 ppm，主成分為氯化鈉(NaCl)，無特殊成分，用於鋼筋 通電時之電解液，如圖 3 - 1(a)所示， (3) 氯化鉀(KCl) 本研究使用 Nacalai Tesque 公司所生產試藥級的氯化鉀，用於電極之保存液，使 用狀況如圖 3 - 1(b)所示。 (4) 銅網 本研究使用永昇鐵網有限公司所生產之紅銅網，其規格為 1.2×4 目(內孔 5 mm)， 如圖 3 - 1(c)所示。因銅擁有良好的導電性，故使用此材料作為加速通電時整體通 路的負極。 (5) 白金鈦網 本試驗使用廣銥電化學設備有限公司所生產之白金鈦網，其規格為 250 mmx150 mm (網目 6.5 mm x 12 mm，線徑 1.0 mm x 1.0 mm)，如圖 3 - 1(d)所示。白金鈦網 具有優良的耐蝕性、導電性及電催化活性，故使用此材料作為恆電位恆電流儀 VersaSTAT 量測時整體通路的負極。

(a) (b) (c) (d)

圖 3 - 1 主要試驗用材料：(a) 台鹽高級精鹽；(b) 飽和氯化鉀溶液及浸

泡在 KCl 之電極；(c)紅銅網；(d)白金鈦網

(資料來源：本研究拍攝)

參、試驗設備 (1) 電源供應器 本研究所使用之數位直流電源供應器為托福電子公司所生產之 3601D 數位顯示型 直流電源供應器(圖 3 - 2)，詳細規格如表 3 - 3 所示。

表 3 - 3 直流電源供應器詳細規格

輸出電壓 0-30 V×1 組可調輸出 輸出電流 0-3 A×1 組可調輸出 負載穩定度 ±0.01%+2 mV 輸入穩定度 ±0.01+2 mV 脈動與噪音(≦200 W) ≦0.5 mVrms 脈動與噪音(≧200 W) ≦1 mVrms 負載穩定度(≦100 W) ≦10 mA 負載穩定度(≧100 W) ≦15 mA 輸入穩定度 ±0.01+2 mV 脈動與噪音(≦200 W) ≦2 mArms 脈動與噪音(≧200 W) ≦3 mArms 數字顯示(D) ≦0.1%+2 d 上升時間(不設負載） ≧100 mS 上升時間(設負載) ≦200 mS(＜6 A) ≦500 mS(＜10 A) ≦1 S(≧10 A) 下降時間(不設負載) ≦2.5 S 下降時間(設負載) ≧250 mS 輸出阻抗 ＜2 mΩ+2 uH 回復時間 ≦100 µS 至設定電壓 0.1 %內 (50 % - 100 %負載變換) 串聯連接 可串聯不同型號(≦240 V) 並聯連接 可並聯相同型號(≦24 A) 電源 ACV 100 V/120 V/220 V/240 V±10% 60 Hz/50Hz，(ACV230 V，50 Hz)

(資料來源：托福電子)

(2) GalvaPulse 腐蝕量測儀

本研究所使用之儀器 GalvaPulse GP-5000 為丹麥 Germann Instruments 所生產之現 地量測腐蝕儀器，如圖 3 - 3 所示，規格如表 3 - 4 所示。其利用脈衝原理來量測 混凝土中鋼筋的腐蝕速率，同時亦可量測鋼筋之半電池電位與保護層電阻。此法 中，儀器施加短電流脈衝於鋼筋上，由鋼筋電位的改變量來推算鋼筋腐蝕速率[16]。 該儀器適用於現地量測，可用於濕潤或半乾燥的混凝土表面，甚至該表面可為粗 糙或曲面[17]。人員於使用該儀器前，必須詳閱使用說明書，瞭解儀器操作及腐 蝕電流密度換算為腐蝕速率的方式，其它現地的量測步驟細節可參見第五章所 述。

圖 3 - 3 GalvaPulse 腐蝕量測儀

(資料來源：本研究拍攝)

表 3 - 4 GalvaPulse 腐蝕量測儀規格概要

脈衝電流 5 − 400 μA 脈衝時間 1 − 20 s 量測鋼筋直徑 2 − 100 mm 半電池電位量測 Ag/AgCl 電極量測電位，±5 mV 電阻量測 ±5% 資料儲存 20000 筆資料上限於手持電腦

(資料來源：Germann Instruments)

(3) VersaSTAT4 恆電位恆電流儀 本研究亦使用恆電位恆電流儀量測小尺寸試體的腐蝕，該儀器可進行直流極化法

項，可進行優異的信號/雜訊測量，如圖 3 - 4 所示，規格如表 3 - 5 所示。由於此 儀器精度高、搬運較不易，一般用於實驗室內進行各項電化學試驗，不適用於現 地量測。使用人員宜先修習相關電化學課程，以瞭解各項方法的量測原理。操作 前除了閱讀手冊外，必須根據需求適當設定量測參數，最後再合理分析數據。

圖 3 - 4 VersaSTAT 恆電位恆電流儀

(資料來源：本研究拍攝)

表 3 - 5 VersaSTAT 恆電位恆電流儀規格概要

輸出電壓 ± 12V 輸出電流 ± 1A 電壓控制 施加範圍： ± 10 V max. 解析度： ± 10 mV = 300 nV 精確度： ± 0.2% of value, ± 2 mV 電壓量測 範圍： ±10 V max. 解析度：±6 µV min. 精確度：±0.2% reading, + 2 mV 電流控制

施加範圍：±full scale per range

解析度： 1/32000 x full scale

第二節 研究方法

壹、試體設計 本研究中，試體主要分為兩類，包括用於探討保護層厚度影響及鋼筋疊置影響的 試體。就前者而言，試體的頂面、底面及三側面塗封，以控制腐蝕位置，如圖 3 - 5 及 圖 3 - 6 所示。另為配合量測電極的大小(直徑 10 cm)，量測面的寬度設定為 12 cm。然 而，本研究中為方便標示鋼筋位置，設定試體量測面到鋼筋中心的位置為 3 cm、6 cm、 9 cm，此亦為本研究中所謂之「保護層厚度」。由於小試體使用#5 鋼筋，故若以通用 的保護層定義，則保護層厚度分別為 2.21 cm、5.21 cm、8.21 cm。 為了模擬現地實務所使用的箍筋與主筋，故交疊的鋼筋尺寸不同，採用#3 鋼筋， 試體形式如圖 3 - 6(a)所示，量測面為頂面，實際使用模具如圖 3 - 7 所示。此外，為了 探討磁磚披覆混凝土影響腐蝕量測的影響，於後期執行階段時，此兩類試體的量測面 將嘗試貼覆磁磚。然而，由於磁磚種類很多，參考專家座談會的建議，配合試體尺寸 及現地常用的種類選定用二丁掛磚及馬克磚。 12 6 12 12 12 18 20 12 10 5 10 5 #5

圖 3 - 5 小尺寸試體設計(保護層厚度的影響)

(資料來源：本研究繪製)

15 cm 7.5 cm 7.5 cm 2 cm 2 cm vary (a) (b) 25 cm 15 cm 7 cm # 3 # 5 7 cm 塗封 15 cm # 5 #5鋼筋直徑:16 mm #3鋼筋直徑:10 mm Vary (c)

圖 3 - 6 小尺寸試體設計(鋼筋配置的影響)

((a)3D 模擬圖；(b)側視圖；(c)上視圖與前視圖)

(資料來源：本研究繪製)

貳、試驗變數 小尺寸試體的試驗變數主要包括三大類： (1) 材料因子 (a) 水灰比 由於水灰比關係到試體的孔隙率甚至於電阻，有可能影響量測電流的大小 與傳遞，故本研究採用三種水灰比包括 0.4、0.5、0.6，涵蓋常用之水灰比。 (b) 粗細粒料體積比 粒料本身的導電率與漿體不同，預期會改變量測電流的傳遞路徑，當粗粒 料比例過高時，很可能進一步改變電流大小，故本研究先以 ACI 配比設計法 製作一組混凝土試體，再以細粒料取代部份粗粒料，探討不同粗細粒料比對量 測值的影響。 (c) 含水量 含水量影響混凝土的導電率甚巨，亦影響鋼筋的瞬時腐蝕速率，故本研究 使用真空烘箱，藉由控制烘乾時間來精確達到目標的含水量。 (d) 氯離子含量 本研究將試體浸泡鹽水中以加速腐蝕，所滲入的氯離子將造成鋼筋的孔蝕。 當鋼筋腐蝕不均勻時，能否適當地探測出位置，量測值是否合理，有待進一步 探討。 (e) 鋼筋配置 目前文獻上多僅探測表面鋼筋，然而隨著新規範的修訂及構件耐震能力的 要求，主筋數量增加，間距降低，甚至使用更多的箍筋，傳統的量測方式或許 不適宜量測主筋腐蝕。本研究首度嘗試多根鋼筋，以疊置方式模擬現地箍筋與 主筋交接處的腐蝕行為，探討量測技術的改善方式。 (f) 保護層厚度 保護層厚度關係到量測電流的傳遞路徑及有效施載電壓電流的大小。過去 的經驗顯示，當保護層厚度較大時，量測值較不穩定且較低。因此，本研究參 考規範及實務上的應用，探討現行常用保護層厚度下，腐蝕量測可能的變化。

(2) 使用因子 (a) 表面處理 實務上多數的建築構件並非完全裸露，往往貼覆磁磚。即使如此，混凝 土內埋鋼筋依然可能因內部存在氯離子或裂縫而造成外界水份入侵而腐蝕。 文獻及規範對此類構件的腐蝕量測法闕如，因此本研究透過加速腐蝕，一方 面瞭解腐蝕型態的差異，一方面發展可能的量測技術。 (3) 量測因子 (a) 量測電壓/電流 電化學量測鋼筋腐蝕的基本原理係施以系統一微小擾動，再視反應來判 斷腐蝕電流大小，該擾動可為一微小電壓或電流。過小的擾動造成反應訊號 不足，量測值不穩定且不精確，若過大的擾動則加速鋼筋的腐蝕。然而，有 效電壓或電流的決定應視試體條件而異，本研究使用目前常用的兩種電化學 腐蝕量測法，配合上述試體條件，探討量測電壓對腐蝕量測的影響。以直流 極化法而言，係調整原施加的電壓範圍(±10 mV)，而脈衝量測法則調整原脈 衝電流大小(25 μA)。 (b) 量測時間 如前所述，不僅施加的電壓電流影響量測結果，量測時間亦為關鍵，與 系統受擾動後回復穩定的能力有關，亦即與試體的條件相關。若時間太短， 量測值不穩定，若時間太長，則可能進一步極化鋼筋。因此，就直流極化法 而言，本研究將改變每一施載電壓的停留時間。就脈衝電流法而言，則調整 施載脈衝電流的時間。