以超音波檢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

（

₁₀

3

年

度

）

以

超

音

波

檢

測

混

凝

土

中

鋼

筋

腐

蝕

劣

化

之

研

究

以超音波檢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103年12月

PG10301-0440

以超音波檢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

協同主持人

：張大鵬

研究助理

：顏永霖

研究助理

：林家逸

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國103年12月

（本研究內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目次

表次 ... III

圖次 ... V

摘要 ... IX

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

蒐集之資料、文獻分析 ... 9

第一節 超音波檢測 ... 9

第二節 鋼筋腐蝕試驗 ... 17

第三章

超音波檢測鋼筋試驗 ... 27

第一節 前置作業 ... 27

第二節 試驗變數 ... 34

第三節 試驗配比 ... 40

第四節 試驗方法 ... 40

第四章

結果與討論 ... 59

第一節 裸露鋼筋 ... 59

第二節 內埋鋼筋 ... 77

第三節 研究發現 ... 87

第五章

現地利用超音波進行鋼筋腐蝕量測之試驗方法... 89

第一節 前言 ... 89

第二節 現地量測鋼筋腐蝕 ... 89

第六章

結論與建議 ... 97

第一節 結論 ... 97

第二節 建議 ... 98

附錄一 專家座談會會議紀錄與意見回覆 ... 101

附錄二 期中審查會議紀錄與意見回覆 ... 109

附錄三 期末審查會議紀錄與意見回覆 ... 119

參考書目 ... 131

表次

表 2-1 常見營建材料的彈性係數與各種波速 ... 11

表 2-2 GalvaPulse 一般試驗值 ... 25

表 3-1 鋼筋機械性質 ... 27

表 3-2 鋼筋化學成分 ... 28

表 3-3 電源供應器詳細規格 ... 30

表 3-4 TDS2024 數位儲存示波器 ... 31

表 3-5 試驗變數代號表 ... 39

表 3-6 水泥砂漿配比設計 ... 40

表 3-7 混凝土配比設計表(水灰比:0.6) ... 40

圖次

圖 1-1 研究流程圖 ... 7

圖 2-1 半無限域固體承受集中載重後三種應力波 ... 10

圖 2-2 不同物體介質介面入射壓力波、反射壓力波及 ... 12

圖 2-3 入射 P 波傳遞到不同固體介面時同時反射與折

射 ... 13

圖 2-4 鋼筋之腐蝕反應示意圖 ... 20

圖 2-5 金屬腐蝕示意圖 ... 21

圖 2-6 計算腐蝕深度示意圖 ... 22

圖 2-7 脈衝腐蝕量測原理 ... 24

圖 2-8 脈衝電位與量測時間的關係 ... 24

圖 2-9 GalvaPulse 顯示畫面 ... 25

圖 2-10 GalvaPulse 實際顯示畫面 ... 26

圖 3-1 試驗使用之材料： (a) 氯化鈉；(b) 海綿；(c) 紅

銅線網 ... 29

圖 3-2 直流雙輸出電源供應器 ... 30

圖 3-3 TDS2024 示波器 ... 32

圖 3-4 5072PR 脈衝產生器 ... 32

圖 3-5 超音波探頭 ... 33

圖 3-6 超音波縱波耦合劑 ... 33

圖 3-7 壓克力三角柱 ... 34

圖 3-8 方形刻痕/腐蝕位置示意圖 ... 36

圖 3-9 方形刻痕/腐蝕長度與深度示意圖 ... 36

圖 3-10 圓形刻痕長度示意圖 ... 36

圖 3-11 內埋鋼筋於砂漿或混凝土試體之示意圖 ... 38

圖 3-12 刻痕位置示意圖 ... 41

圖 3-13 超音波波傳示意圖 ... 41

圖 3-14 鋼筋局部加速腐蝕示意圖 ... 42

圖 3-15 通電腐蝕架設 ... 42

圖 3-16 鋼筋通電腐蝕後照片 ... 44

圖 3-17 腐蝕損失重量與通電時間關係圖 ... 45

圖 3-18 腐蝕深度與通電時間關係圖 ... 45

圖 3-19 內埋鋼筋之砂漿/混凝土試體澆注模具 ... 46

圖 3-20 鋼筋放入模具實際照片 ... 46

圖 3-21 內埋鋼筋之砂漿/混凝土試體水中養護照片 ... 47

圖 3-22 內埋鋼筋之砂漿/混凝土試體 ... 47

圖 3-23 試體保護層表示 ... 48

圖 3-24 混凝土水份計 ... 49

圖 3-25 超音波試驗流程圖 ... 50

圖 3-26 超音波訊號分析流程圖 ... 51

圖 3-27 超音波訊號擷取示意圖 ... 52

圖 3-28 刻痕位置 30 公分、深度 10%、長度 5 公分之

試體((a) S R L300 D10 W5; (b) T R L300 D10

W5) ... 53

圖 3-29 刻痕位置 30 公分、深度 10%、長度 10 公分之

試體((a) S R L300 D10 W10; (b) T R L300 D10

W10) ... 53

圖 3-30 刻痕位置 30 公分、深度 10%、長度 30 公分之

試體((a) S R L300 D10 W30; (b) R L300 D10

W30) ... 54

圖 3-31 刻痕位置 30 公分、深度 10%、長度 10 公分之

試體((a) S R L300 D10 W100; (b) T R L300

D10 W100) ... 54

圖 3-32 刻痕位置 30 公分、深度 20%之試體((a) T R

L300 D20 W5 W100; (b) T R L300 D20 W10;

(c) T R L300 D20 W30; (d) T R L300 D20 W50)

... 55

圖 3-33 刻痕位置 30 公分、深度 40%、長度 5 公分之

試體((a) S R L300 D40 W5; (b)T R L300 D40

W5) ... 56

圖 3-34 刻痕位置 30 公分、深度 40%、長度 3 公分之

試體((a) S R L300 D40 W30; (b) T R L300 D40

W30) ... 56

圖 3-35 刻痕位置 30 公分、深度 40%、長度 10 公分之

試體((a) S R L300 D40 W100; (b) T R L300

D40 W100) ... 57

圖 3-36 刻痕位置 30 公分、長度 30 公分之腐蝕鋼筋試

體((a) C T L300 D10 W30; (b) C T L300 D20

W30) ... 57

圖 4-1 竹節鋼筋控制組時間域 ... 60

圖 4-2 光面鋼棒控制組時間域 ... 60

圖 4-3 刻痕位置與頻域振幅關係圖(裸露鋼筋與鋼棒，

深度 40%，長度 3 公分) ... 70

圖 4-4 腐蝕位置與頻域振幅關係圖(裸露鋼筋與鋼棒，

長度 3 公分) ... 70

圖 4-5 刻痕長度與頻域振幅關係圖((a)光面鋼棒;(b)竹

節鋼筋，距離 30 公分) ... 72

圖 4-6 腐蝕長度與頻域振幅關係圖(裸露鋼筋，距離 30

公分) ... 72

圖 4-7 刻痕深度與頻域振幅關係圖((a)光面鋼棒;(b)竹

節鋼筋，距離 30 公分) ... 73

圖 4-8 腐蝕深度與頻域振幅關係圖(裸露鋼筋) ... 74

圖 4-9 刻痕形狀與頻域振幅關係圖((a)光面鋼棒;(b)竹

節鋼筋，距離 30 公分，長度 3 公分) ... 76

圖 4-10 缺陷形狀與頻域振幅關係圖(缺陷深度 40%)... 76

圖 4-11 不同保護層粗細粒料體積比下含水量與頻域振

幅關係圖(刻痕深度 40%，水灰比 0.6，粗細粒

料體積比：(a)RC1; (b)RC2; (c)RC3) ... 78

圖 4-12 不同養護時間下保護層粗細粒料體積比與頻域

振幅關係圖(刻痕深度 40%，水灰比 0.6，養護

時間：(a)7 天; (b)14 天; (c)28 天) ... 79

圖 4-13 水泥砂漿保護層厚度與頻域振幅關係圖(刻痕

深度 40%，養護時間：(a)7 天; (b)14 天; (c)28

天) ... 81

圖 4-14 水泥砂漿保護層水灰比與頻域振幅關係圖(腐

蝕深度 40%，保護層厚度：(a)3 公分; (b)5 公

分) ... 82

圖 4-15 保護層含水量與頻域振幅關係圖(刻痕/腐蝕深

度 40%，養護時間：(a)7 天; (b)14 天; (c)28 天)

... 84

圖 4-16 不同保護層粒料比含水量與頻域振幅關係圖

(刻痕/腐蝕深度 40%，養護時間：(a)7 天; (b)14

天; (b)28 天) ... 85

圖 4-17 保護層含水量與頻域振幅關係圖(腐蝕深度

40%，水灰比 0.4，保護層厚度：(a)3 公分; (b)5

公分) ... 86

圖 4-18 保護層含水量與頻域振幅關係圖(腐蝕深度

40%，水灰比 0.6，保護層厚度：(a)3 公分; (b)5

公分) ... 86

摘要

關鍵詞：超音波、混凝土、鋼筋腐蝕、量測技術

一、研究緣起

目前土木工程常見的營建材料中，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。依文獻研究發現，不僅是鋼 筋腐蝕程度，腐蝕位置、長度、主筋或箍筋鏽蝕等因子皆對鋼筋混凝土韌性行為 產生影響，其中以最大斷面折減為關鍵。然而，現地常用 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，故內政部建築研究所曾進行「以 電化學法量測混凝土中鋼筋腐蝕劣化之研究」。結果顯示，利用脈衝電流法可量 測鋼筋腐蝕速率，有效判別腐蝕嚴重的區域，雖可估算腐蝕量，但仍無法準確計 算最大斷面折減。有鑑於此，本研究使用超音波技術，搭配電化學法的試驗結果， 進一步探討銹蝕鋼筋的孔蝕深度、腐蝕量及位置等相關議題。

二、研究方法及過程

本研究探討影響超音波技術檢測鋼筋腐蝕的因子，首先利用裸露鋼筋，製作 刻痕或腐蝕後，瞭解超音波與刻痕或腐蝕之位置、長度、深度及形狀間的關係。 其中，鋼筋的腐蝕係利用通電加速腐蝕，施加固定電流密度及時間後，達到預定 腐蝕深度再進行各項超音波量測。建立裸露鋼筋腐蝕的分析模式後，再進一步探 討內埋鋼筋的腐蝕，以求更符合現地應用，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。

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，重要發現整理如下： (1) 腐蝕位置可藉由回波的時間乘以波傳時間估算，誤差約在 10%以內。 (2) 回波振幅與腐蝕位置間的關係不具一致性，故並不適合用以判斷刻痕或 腐蝕位置。

(3) 回波振幅來判斷鋼筋中的腐蝕長度仍具相當的不確定性，易受邊界條件 及深度的影響。 (4) 當腐蝕位置在 30 公分以內時，回波振幅與位置略呈反比關係，距離端部 越遠，回波振幅越小，可望藉用振幅的大小反推可能的腐蝕深度。 (5) 改變混凝土保護層的粗細粒料比可得最小回波振幅，大約發生在 1:2 時。 就養護 28 天的試體而言，回波振幅大約為養護 7 天振幅的 77.5%與 80.2% 之間，不同混凝土配比間，估計回波振幅約差異 30%。 (6) 水灰比 0.6 的試體受保護層厚度的影響最大，於齡期 7 天時下降 70%， 於 14 天時下降 78%，但於齡期 28 天時，僅下降 9.8%。 (7) 水灰比是影響回波振幅最重要的因素，大於保護層的粒料比例差異，以 保護層 3 公分、養護時間 28 天而言，水灰比 0.4 的回波振幅較水灰比 0.6 的振幅低約 62%。 (8) 不論混凝土或是砂漿保護層，大致上回波振幅隨著含水量的降低而減少， 然而量測值相當不穩定，故量測時試體宜處於面乾內飽和狀態。

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 運用超音波檢測住宅老劣化之鋼筋腐蝕情形：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：無 目前超音波廣泛運用於各領域，但應用於鋼筋腐蝕的研究仍顯不足。 然而本研究發現超音波用於探測腐蝕位置與深度是可行的，有必要進行後 續現地試驗驗證。另一方面，目前建築物老劣化的問題為社會各界所重視， 其中一般住宅的老劣化更關係到大眾的居住品質與社區安全，為當前重要 的研究主題之一。因此，主辦機關(內政部建築研究所)可參考本研究的成果， 應用相關檢測技術於相關研究案，將鋼筋腐蝕列為住宅老劣化重要的評估 指標之一。

建議二 混凝土中鋼筋腐蝕量測法整合研究：中長期建議 主辦機關：社團法人臺灣混凝土學會 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、中華 民國防蝕工程學會 本研究雖然整合了脈衝電流法與超音波法，但使用以上兩方法時，因 鋼筋必須具露頭而不便使用。此外，目前的試驗結果僅適用於主筋。實務 上箍筋多先於主筋腐蝕，如何量測箍筋的腐蝕仍有待進一步探討。文獻亦 曾指出以其它非破壞性方式評估鋼筋腐蝕，如 X 光法、斷層掃描法、熱感 應法、電阻法等，各有優缺點，適用條件不同。其中不少技術雖然目前僅 處於研究階段，但隨著科技進步，儀器設備的精度上升，未來可望廣泛應 用於各領域。建議主辦機關(社團法人台灣混凝土學會)可邀請中華民國土木 技師公會全國聯合會及相關技師提出應用需求，由內政部建築研究所提供 相關研究報告，中華民國防蝕工程學會提供新技術的應用建議，最後由主 辦機關統整規劃後續跨領域整合研究。 建議三 現地鋼筋腐蝕與建築物耐震性能評估技術整合應用：中長期建議 主辦機關：中華民國結構工程技師公會全國聯合會 協辦機關：內政部建築研究所、內政部營建署、中華民國土木技師公會全 國聯合會、中華民國全國建築師公會 內政部建築研究所歷年來一系列的研究包括結構性能評估與檢測技術， 其成果有必要於實務上驗證。本研究的成果提供了檢測主筋腐蝕量與腐蝕 位置的技術，可回饋於過去已建立的性能評估模式。建議未來可由主辦機 關(中華民國結構工程技師公會全國聯合會)邀集協辦機關(內政部建築研究 所、內政部營建署、中華民國土木技師公會全國聯合會、中華民國全國建 築師公會)討論整合需求性，應用方式及可協助事項等並規劃現地實尺寸試 驗，根據歷年研究已建立的模型推演性能折減，再與實尺寸的試驗結果比 對，以改善量測技術及預測模型，最後訂定評估建築物的耐久性與生命週 期的準則。

ABSTRACT

Keywords: ultrasonic wave, concrete, reinforcement corrosion, measurement technique

This study deals with the estimation of reinforcement corrosion in concrete using the ultrasonic wave. The purpose of this study is to explore the analyzing techniques and the influencing factors of the reinforcement corrosion measurements by the ultrasonic waves. The results of this study in combination with the outcomes from the past research projects are expected to establish an integrated approach to evaluate the deterioration in reinforced concrete.

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 of corrosion, location of corrosion, length of corrosion, etc. The reduced cross-sectional area was the most influencing factor. However, the corrosion potentials are mostly conducted on-site in accordance to ASTM C876, which cannot accurately indicate the location and the amount of corrosion. Therefore, a related research project, ‘Study on Corrosion of Reinforcement in Concrete Using Electro-Chemical Methods’, was conducted by the Architecture and Building Research Institute, Ministry of the Interior in 2013. Results showed that the galvano-pulse techniques measured the corrosion rates of the reinforcements, effectively identifying the corroded areas. Although the amount of corrosion was estimated, the maximum reduced cross-sectional area was not able to be accurately determined. In view of this issue, this study explores the maximum reinforcement corrosion depth using the ultrasound in conjunction with the electro-chemical methods.

embedded reinforcements with indentation or corrosion in mortar or concrete. An accelerated current with controlled time and current density is applied to the reinforcement to produce desired corrosion. The relationship between the ultrasonic waves and the location, length, depth, and shapes of the corrosion for the uncoated reinforcement is established. The associated relationship for the embedded reinforcement in mortar or concrete is then proposed to meet the onsite requirements. The results of this study helps to propose measuring standards and the evaluations for the life cycle of the new or existing building structures in the future.

The major findings of this study are summarized as follows:

1. The location of the corrosion can be estimated by the time of wave reflection multiplied by the transferring time in the reinforcement. The error is within 10%.

2. The amplitude of the reflection is not related with the location of the corrosion. Therefore, the amplitude of the reflection is not good for determining the location of the indentation or corrosion.

3. The amplitude of the reflection is easily influenced by the boundary conditions of the reinforcements so that it is not proper to determine the length of corrosion.

4. The amplitude of the reflection is inversely proportional to the location of the corrosion when the distance between the corrosion and the end of the reinforcement is within 30 cm. The amplitude of the reflection is decreased by the distance and can be used to estimate the possible corrosion depth. 5. The smallest amplitude of the reflection can be obtained by changing the

ratio of the coarse to fine aggregates in cover and the ratio was around 1:2. For the specimen with water curing for 28 days, its amplitude of the reflection is around 77.5%-80.2% of the ones with water curing for 7 days. The difference between the amplitude of the reflection is estimated 30% in different concrete mixes.

by the cover thickness the most. The amplitude is reduced by 70% at age of 7 days, 78% at age of 14 days, but 9.8% at age of 28 days.

7. The water-cement ratio is the most important factors influencing the amplitude of reflection, more than the differences between the aggregate ratios in cover. Take the specimens with cover thickness of 3 cm and curing in water for 28 days for example, the amplitude of reflection in specimens with w/c of 0.4 is lower than those with w/c of 0.6 by 62%.

8. The amplitude of the reflection is decreased by the water content in specimens with concrete or mortar cover although the measuring values are not stable. As a result, the specimens must be in saturated-surface-dry state during the measurements.

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

壹、研究緣起

目前土木工程常見的營建材料中，以鋼筋混凝土最為廣泛使用，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。文獻發現，不僅鋼筋腐蝕程度， 腐蝕位置、長度、主筋或箍筋鏽蝕等因子皆對鋼筋混凝土韌性行為產生影響，其 中以最大斷面折減為關鍵。然而，現地常用 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，故內政部建築研究所曾進行「以電化學法量測 混凝土中鋼筋腐蝕劣化之研究」。結果顯示，利用脈衝電流法可量測鋼筋腐蝕速 率，有效判別腐蝕嚴重的區域，雖可估算腐蝕量，但仍無法準確計算最大斷面折 減。有鑑於此，本研究擬使用超音波技術，搭配電化學法的試驗結果，進一步探 討銹蝕鋼筋的孔蝕深度、腐蝕量及位置等相關議題。 本年度探討影響超音波技術檢測鋼筋腐蝕的因子，首先利用裸露鋼筋，製作 刻痕後，瞭解超音波與刻痕位置、長度、深度及形狀間的關係。建立分析模式後， 再進一步探討內埋鋼筋的腐蝕，以求更符合現地應用，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。

貳、研究背景

鋼筋混凝土為當今土木工程不可或缺的材料之一，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能逐漸為吾人所 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，必須耗費大量的社會資源維修補強。有鑑於此，為

求精確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，如何 發展量測構件中鋼筋腐蝕的位置及腐蝕量的技術刻不容緩。 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， 腐蝕速率隨時變化。本研究團隊過去的研究發現，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，但另一方面，鋼筋斷面的折減才是鋼筋混凝土 構件性能評估中重要的參數。目前文獻中並無探討如何以腐蝕速率、腐蝕量推估 鋼筋斷面折減，甚至亦無有效的量測法直接量測，因此本研究探討以上問題，期 能找出有效的量測技術及分析方法。 此外，內政部建築研究所(以下簡稱建研所)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。基於試驗結果，目前已建立剩餘 剪力與韌性評估法，亦已建立有限元素分析模型。然而，於實務應用上時，亦將 遇到前述之問題，如何求其鋼筋斷面折減是主要課題。另一方面，建研所於 102 年度進行「以電化學法量測混凝土中鋼筋腐蝕劣化之研究」，結果發現，脈衝電 流法可有效判別構件不同腐蝕程度的區域，長時間量測更可估算腐蝕量，腐蝕速 率長期越高處，累積腐蝕量也越高。換言之，鋼筋的最大斷面折減處很可能就發 生在嚴重腐蝕區。因此，若能針對該區域再佐以其它檢測法，應可更準確地判斷 最大斷面折減。 超音波檢測技術目前已廣泛運用於各領域，亦早已用於探測混凝土內部的 瑕疵與裂縫，卻幾少用於探測鋼筋腐蝕。原因很多，其一為透過混凝土保護層時

層本身的裂縫。有鑑於此，本研究參考文獻及過去經驗，擬直接運用超音波傳遞 於鋼筋本身。由於脈衝電流法可判別腐蝕嚴重區域，因此腐蝕位置可視為已知， 進而簡化波傳頻譜分析，建立腐蝕深度與波傳頻譜的關係。另因腐蝕量測時，鋼 筋必須具備露頭以便接線形成迴路，故超音波可由此露頭導入。 若能釐清鋼筋腐蝕量測與超音波檢測技術的相關問題，則可結合前述計畫的 成果，建立完整的鋼筋混凝土構件評估系統。預期未來於現地使用時，可利用電 化學法快速判別嚴重腐蝕區域，再佐以超音波檢測該處之鋼筋最大折減斷面，則 可導入理論預測模型，進而評估鋼筋混凝土構件的耐震性能折減。

參、預期目標

1. 建立超音波波速、振幅衰減值、頻譜變化與鋼筋腐蝕量、腐蝕位置間關係。 2. 建立上述關係之影響因子，包括保護層厚度、含水量及強度等。 3. 建立超音波應用於含腐蝕鋼筋混凝土之頻譜分析法。 4. 研提現地利用超音波進行鋼筋腐蝕量測之試驗方法或標準，以供做為建築物 延壽手段之先期工作步驟之一。

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，期能藉由裸露鋼筋與內埋鋼筋之腐蝕 及超音波檢測，達到以下目標： 1. 建立裸露鋼筋下，超音波波傳行為與表面刻痕性質間的關係。波傳行為包括 波速變化、振幅變化與頻譜變化。刻痕性質包括位置、長度、深度與形狀。 2. 建立砂漿內埋鋼筋下，超音波波傳行為與保護層性質間的關係。保護層性質 包括厚度、水灰比與含水量。

3. 建立超音波波傳行為與鋼筋腐蝕性質間的關係。鋼筋腐蝕性質包括腐蝕位置、 長度與腐蝕量。 4. 建立超音波應用於含腐蝕鋼筋混凝土之頻譜分析法。 5. 研提現地利用超音波進行鋼筋腐蝕量測之試驗方法或標準。

貳、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、腐蝕量與斷面折減，進而評估 鋼筋混凝土劣化後之改善方法，對於鋼筋混凝土構件的設計與補強具重要意義， 亦是處於地震帶及海島型氣候之台灣所不應忽視的問題。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，藉由性能評估則可掌握結構物的 生命週期各階段。

第三節 研究方法與步驟

本研究主要分為兩大類試體，包括裸露鋼筋與內埋鋼筋試體，再分別就不同 變數進行超音波檢測及加速鋼筋腐蝕試驗，後者主要透過加速腐蝕方式來製作符 合預定試驗參數之試體，再以超音波檢測之。

壹、超音波試驗

本研究以 1 公尺長的 8 號竹節鋼筋為主要研究對象，並佐以光面鋼棒模擬超 音波於鋼筋內除去竹節部分干擾後之波形探討。試驗變數包含刻痕距離、刻痕長 度以及刻痕深度。其中刻痕距離設計為 300 mm、600 mm 與 900 mm 三種類型，

刻痕長度為 5 mm、10 mm、30 mm、50 mm 以及 100 mm，刻痕深度則設計為 8 號竹節鋼筋之直徑的 10%、20% 與 40%，模擬腐蝕的型態包括透過法拉第定律 之電化學法計算之實際腐蝕(如前一節所述)與機械加工廠的車床型態兩種，在機 械車床之刻痕方面則包括方形與圓弧兩種外觀。 本研究能從實地所量得之波形中快速計算出腐蝕的位置、瞭解腐蝕寬度與深 度，並建立超音波波速、振幅衰減值、頻譜變化與鋼筋腐蝕量、腐蝕位置間關的 係。本研究亦探討上述關係之影響因子，包括保護層厚度、含水量及強度等，進 而建立超音波應用於含腐蝕鋼筋混凝土之頻譜分析法，研提現地利用超音波進行 鋼筋腐蝕量測之試驗方法或標準，以做為建築物延壽手段之先期工作步驟之一。

貳、鋼筋加速腐蝕試驗

本研究中，裸露鋼筋的試體依變數製作，後續再製作砂漿以及混凝土內埋鋼 筋試體，接著由單邊導入超音波後分析反射波的波傳行為，因此除可探討在內埋 條件下超音波波傳與腐蝕性質間的關係外，亦可探討超音波波傳與保護層性質間 的關係。有別於裸露鋼筋，砂漿試體可藉用脈衝電流法監測腐蝕電流的變化，來 評估鋼筋腐蝕狀況，每通電 1 天，即量測腐蝕電流，再比對超音波頻譜的變化。 根據文獻，腐蝕量的推估可藉由腐蝕速率對時間的積分再乘以一係數估算。因此， 可嘗試建立腐蝕變化與超音波頻譜間的關係，有利於現地長期監測。此外，為了 解釋腐蝕造成的波傳性質變化，嘗試針對腐蝕進行微觀分析，包括斷面形狀、成 分、密度等。 1. 裸露鋼筋 本研究參考目前常用之鋼筋混凝土構件設計及考量超音波探頭之尺寸後，採 用#8 鋼筋，長度預定為 1 m，視研究成果再增加部份試體的長度為 2 m。此外， 鋼筋表面將予以刻痕，以模擬腐蝕情況。由於超音波遇到不同介面時發生反射， 故預期該反射波的波傳行為應與刻痕/腐蝕性質相關。然而，超音波的反射並非

僅在刻痕/腐蝕介面，而是沿著鋼筋表面與空氣的介面皆可發生，尤其當內埋時， 反射波的頻譜更為複雜。但另一方面，如前述，藉由電化學方法可判別出嚴重腐 蝕區域，故可據此結果限定腐蝕位置。換言之，若已知刻痕或腐蝕位置，則可簡 化頻譜分析，進而推估超音波傳導行為與刻痕或腐蝕深度間的關係。 2. 砂漿內埋鋼筋 如同前述，本研究採用#8 鋼筋，長度為 1 m，再澆注砂漿。根據裸露鋼筋 的試驗成果，選定其中幾組試體預先製作刻痕/腐蝕鋼筋後，再澆注砂漿。由於 此時鋼筋與砂漿握裹處形成另一介面，故反射波行為較裸露鋼筋複雜。然而，基 於裸露鋼筋的試驗成果，再加以刻痕/腐蝕位置已知，故仍可藉由頻譜分析判斷 出刻痕/深度。 3. 混凝土內埋鋼筋 如同砂漿內埋鋼筋試體，本研究採用#8 鋼筋，長度為 1 m，再澆注混凝土。 依照砂漿內埋試體的試驗結果選定試驗參數後，預先製作刻痕/腐蝕鋼筋後，再 澆注混凝土。由於保護層含粗粒料，故反射波行為更較砂漿內埋鋼筋複雜。另外， 由於現地施工搗實震動，加上鋼筋間距小，很可能造成保護層析離，實際粒料分 布與配比不同，故本研究除了以砂漿內埋試驗為主外，並改變粗細粒料比例，探 討波傳性質。

圖 1-1 研究流程圖

(資料來源：本研究繪製)

研究目的 文獻回顧 試體設計 裸露鋼筋 砂漿 內埋鋼筋 模式建立 超音波量測 刻痕長度 刻痕深度 刻痕形狀 刻痕位置 超音波與刻痕 性質的關係 腐蝕量測 腐蝕速率 腐蝕電位 超音波與腐蝕 變化的關係 超音波量測 機理探討 模式建立 腐蝕位置 頻譜分析 腐蝕長度 腐蝕深度 保護層厚度 保護層 水灰比 保護層 含水量 超音波與保護 層性質的關係 超音波與腐蝕 性質的關係 綜合討論 頻譜分析 混凝土 內埋鋼筋 超音波量測 機理探討 保護層 粗細粒料比 保護層 養護時間 保護層 含水量

第二章 蒐集之資料、文獻分析

第一節 超音波檢測

壹、簡介

人耳所能接收的範圍，普遍認為介於 20 Hz 至 20 kHz 之間，超音波係物理 上頻率高於 20000 Hz 之聲波，利用此種高頻振動之音波傳進待測材料，藉遇到 缺陷或者介面轉換處超音波會反射之特性，以檢測材料缺陷與厚度。更進一步還 可利用波在不同材料之速度與穿透性差異，輔助分析材料之物理性質、晶粒尺寸 以及微觀組織。不論檢測物性質，只要超音波之能量足夠穿透材料厚度皆可檢測 [1]。 超音波檢測技術目前已廣泛運用於各領域，亦早已用於探測混凝土內部的瑕 疵與裂縫，若腐蝕位置未知，則不易辨別出腐蝕所造成或混凝土保護層本身的裂 縫。有鑑於此，本研究參考文獻及過去經驗，擬直接運用超音波傳遞於鋼筋本身。 由於脈衝電流法可判別腐蝕嚴重區域，因此腐蝕位置可視為已知，進而簡化波傳 頻譜分析，建立腐蝕深度與波傳頻譜的關係。另因腐蝕量測時，鋼筋必須具備露 頭以便接線形成迴路，故超音波可由此露頭導入。

貳、超音波檢測原理

當外力衝擊物體表面後，將產生彈性波(elastic wave)，依固體內質點運動方 向與彈性波本身前進方向之相對關係、不同固體邊界條件，可分為下列三種主要 的應力波：壓力波(compressive wave)或縱波(longitudinal wave)(簡稱為 P 波)、剪 力波(shear wave)或橫波(transverse wave)(簡稱為 S 波)及表面波(surface wave)或雷 利波(Rayleigh wave)(簡稱為 R 波)[2-4]，如圖 2-1 所示。

圖 2-1 半無限域固體承受集中載重後三種應力波

傳遞示意圖

(資料來源：Achenbach, J.D.,[2])

縱波質點的振動方向與波傳方向平行，當質點運動方向與彈性波前進方向相 同時，將對物體材料形成一種壓力波，反之，如質點運動方向與彈性波方向相反 時，則對物體材料形成一種張力波；橫波質點的振動方向與波傳方向垂直；雷利 波僅於表面傳播，係沿著一表面橢圓的路徑前後、上下擺動，振幅隨著物表深度 增加而遞減。縱波會對物體體積造成變化，改變物體的局部密度；橫波不會對物 體造成壓縮或擴張，不改變物體的密度；再者，橫波無法在水中傳遞，此一特性 可用以檢測水泥基系材料，由新拌流體狀態至硬固狀態轉換過程的材料性質變化。 雷利波產生的固體表面震動較為明顯，且相對地巨大，所帶能量為三波中之最大 者[5]。 基本上，縱波波速為三種波中之最快者，橫波波速次於縱波，雷利波速度為 三種波中最慢者，約為橫波波速的 85%至 95%。縱波波速(CP)、橫波波速(CS) 與雷利波速度(CR)間之關係，如下式所示：











1 1 1 2 P E C         (2-1)

2(1 ) S E C     (2-2) 0.87 1.12 1 R S C  C     _{ }    (2-3)

式中 E 為材料彈性模數(elastic modulus)，ρ 為材料密度(density)，ν 為材料卜 松比(Poisson’s ratio)，鋼鐵材料約 0.30 左右。常用營建材料之縱波波速、橫波波 速與雷利波速度如表 2-1 所示，金屬材料之縱波波速約在 6000m/sec 上下，橫波 波速約 3000 m/sec，混凝土之縱波波速約在 3400 至 4100 m/sec 之間，橫波波速 約 2000 至 2600 m/sec 之間。

表 2-1 常見營建材料的彈性係數與各種波速

常見材料 物理參數 波速 (m/sec)  (kg/m3) E (GPa)  G (GPa) CP CS CR 鐵 7850 211.4 0.293 115.7 5963.9 3227.0 2985.0 鋁 2700 70.3 0.345 58.2 6395.5 3111.1 2903.7 混凝土(1) 2400 25.0 0.20 6.94 3402.1 2083.3 1892.4 混凝土(2) 2450 36.6 0.18 8.72 4027.5 2516.0 2275.4 註：G = 剪力模數







 1 2 E 。混凝土(1)與(2)分別代表不同的配比。

(資料來源：陳永增，[1])

圖 2-2 不同物體介質介面入射壓力波、反射壓力波及

折射壓力波示意圖

(資料來源：Achenbach, J.D.,[2])

當應力波在物體內部傳遞時，入射壓力波遇到不同材料所形成的介面時，如 圖 2-2 所示，入射應力波有一部份應力波被反射(reflection) 回到原來入射介質， 剩餘部份以折射(refraction)方式穿過底層的介質繼續傳遞，入射角 及折射角 的關係如下列 Snell’s law 所示： 1 1 2 2 sin sin C C    _(2-4) 式中 C1及 C2分別為介質 1 及 2 之壓力波速。當折射角(θ2)等於 90 度時，則 產生全折射現象，此時的入射角(θ1)為臨界角(critical angle)： 1 1 1 1 2 2 2 2 sin C sin 90o C C C C C      (2-5) 此時折射壓力波將沿著兩個界質之相接介面傳遞；當入射壓力波 P 傳遞到兩 個不同固體材料性質之介面時，P 波將同時反射及折射 P 波和 S 波，如圖 2-3

所示，由於 S 波波速小於 P 波，在通過介面後，P 波和 S 波將以不同的路徑傳遞， 在進行非破壞性檢測(nondestructive testing，NDT)時，一般僅對 P 波到達物體表 面所引起之初始擾動訊號進行訊號分析工作，各折射角、反射角與材料性質間之 關係如下式所示： 1 2 1 2 1 2 1 2

sin sin sin sin

P P S S C C C C  _  _  _  (2-6) 式中 CP1，CP2分別為固體 1 與固體 2 之 P 波波速，CS1、CS2分別為固體 1 與固體 2 之 S 波波速。

圖 2-3 入射 P 波傳遞到不同固體介面時同時反射與折射

壓力波 P 及剪力波 S 示意圖

(資料來源：Achenbach, J.D.,[2])

入 射 應 力 波 傳 遞 到 不 同 固 體 介 面 時 ， 所 產 生 反 射 波 及 折 射 波 之 振 幅 (amplitude)與材料之聲阻係數(acoustic impedance)Z 有關，Z 與材料波速 C 及容積 密度ρ 之關係如下：

Z  C (2-7) 當應力波係正向傳遞至介面時(θ1=90o)，入射振幅(Ai)，反射振幅(Ar)折射振 幅(At )(亦稱透射振幅)及反射率(R)之關係如下列公式所示： 1 2 1 2 A Z Z Z Z Ai r    (2-8) 1 2 2 2 A Z Z Z Ai t   (2-9) 1 2 1 2 i r A A R Z Z Z Z     (2-10) 式中 Ar為反射振幅，Ai為入射振幅，Z1為介質 1 之聲阻係數，Z2為介質 2 之音阻係數，At為透射振幅，R 為反射率，由公式 2-8 及 2-9 可以看出，若 Z2 = Z1， 則 Ar = 0，At = 1 即完全透射，當 Z2遠小於 Z1時，Ar趨近於-1(例如波經鋼筋傳 遞碰到空氣)，表示波幾乎完全反射，但是波的像為和原來相反，當 Z2遠大於 Z1 時(例如波經過空氣傳到鋼筋上)，Ar趨近於 1，表示波幾乎完全反射，並且和原 本波形相同。 在材料傳遞的應力波或音波波速僅與材料特性有關，相同材料的應力波速或 音波波速為定值，波速 C，波長 λ，與振動頻率 f 之間的關係，如下式所示： C f  (2-11) 例如：音波的波速約為 344 m/sec，人耳可聽到音波動的頻率範圍約在 20Hz 至 20kHz 之間，由公式 2-11 所求得的相對應波長約在 0.0172m 至 17.2m 之間。 一 般 而 言 ， 將 波 動 頻 率 超 過 人 耳 能 聽 到 波 動 頻 率 的 聲 音 定 義 為 超 音 波 (Ultrasound)，其頻率指超過 20kHz 波動頻率的聲音，在非破壞檢測應用上，常 用的超音波頻率約在 20kHz 至 150kHz 之間[6]，一般應用於混凝土非破壞檢測的

頻率約在 25kHz 至 100kHz 之間[7]。 公式 2-11 物理涵義為：不同的振動頻率會對應不同的波長，頻率愈高則相 對應的波長愈短，波長愈短，則能檢測出材料特性的解析度愈高，然而，波長短 則穿透較淺，衰減較快，適用於厚度薄及如金屬般均質性高之材料，但一般混凝 土含有大粒徑的粗粒料異質物、粒料與水泥膠結體間之微細縫、孔隙等之不連續 性質，當高頻波的波長小於上述所提之不連續性質時，波傳容易產生介面反射 (Reflection)、材料散射(Scattering)(或稱材料阻尼，Material Damping)，降低應力 波的傳動能力。以典型的高性能混凝土(High Performance Concrete, HPC)為例， 假設高性能混凝土的單位重為 2450 kg/m3_{，彈性模數為 36.6GPa，卜松比為 0.18，} 對應之縱波波速(CP)、橫波波速(CS)與雷利波速度(CR)分別為 CP= 4027.5 m/s，CS = 2516.0 m/s，CR= 2275.4 m/s，若所使用的超音波頻率為 25kHz 至 100kHz，由 公式 2-11 中可求得對應縱波波長 λL= 161 至 40 mm，雷利波波長 λR = 91 至 22.7mm， 相對於混凝土材料特性，頻率範圍內所造成的振動波，均屬於波長較長的振動波， 較不易有反射及散射情況發生，此時可將混凝土視為一均質材質。然而，若需要 量測小型缺陷或介面變化，勢必需提高超音波頻率，使其傳入之超音波波長小於 缺陷或介面變化尺寸，藉由介面反射及材料散射所產生之訊號衰減或位相(Phase) 改變，辨識出缺陷位置與尺寸。

參、常見檢測法

目前較常見的超音波檢測方法有兩種：(1)直接傳遞技術(Direct Transmission Technique)之超音波速法(Ultrasonic Pulse Velocity Method, UPV)；(2)表面反射技 術(Surface Reflection Technique)之暫態彈性波法(Transient Elastic Wave Method)， 均屬非破壞性的試驗技術[8, 9]，此兩種方法為最常見的混凝土性質的測定方法， 均已在工程界使用多年，可適用於室內實驗與現地量測。

直接傳遞技術之超音波速法發展於 1930 年代，主要用以量測材料動態彈性 模數，至 1960 年代推廣至現地材料性質量測，並發展出表面反射技術。超音波

速法藉由直接量測縱波波速，以辨識材料性質與新舊材料介面特徵，其衍生的方 法很多，例如：脈波法(Pulse Method)、脈波回波法(Pulse Echo Method)、脈波傳 遞法(Pulse Transmission Method)(又稱陰影法，Shadow Method)、脈波共振法(Pulse Resonant Method)、傳送時間繞射法(Time-of-Flight Diffraction Method)、振幅法 (Amplitude Method)等[7, 10, 11]。 超音波速法原理為透過已知波傳路徑距離之混凝土試體或構件，量測一個脈 衝(Pulse)通過所需要的時間，由已知波傳路徑距離、脈衝的花費時間(Δt)，即可 計算出混凝土的縱波波速 CP。一般而言，進行超音波量測的主要設備包括：(1) 脈 衝 產 生 器 (Pulse Generator) ； (2) 與 混 凝 土 相 接 觸 的 傳 感 器 ( 音 波 轉 換 器)(Transducer)，具有壓電效應(Piezoelectric Effect)，可將電壓脈衝轉換為應力脈 衝後，撞擊到混凝土表面(即發射器，Transmitter)，或將應力脈衝轉換為電壓脈 衝(即接收器，Receiver)，以電壓值顯示；(3)量測時間的電路，用以顯示壓力波 脈衝通兩個音波轉換器所需的時間。 表面反射技術之發展於 1960 年代，藉由量測反射縱波訊號，以辨識材料介 面特徵，其衍生的方法很多，例如：脈波回波法(Pulse Echo Method)、發射擷取 法(Pitch Catch Method)、敲擊反應法(Impulse Response Method)、敲擊回音法 (Impact Echo Method)、表面波譜分析法(Spectral Analysis of Surface Waves Method, SASW) 等[8]，前兩者脫胎於超音波速法，採用時域訊號分析 (Time Domain Analysis)，原理與超音波速法相同，後三者屬暫態彈性波法，採用頻譜分析 (Spectrum Analysis)。 就混凝土的檢測而言，以上各試驗法各有限制條件，必須視缺陷的大小及位 置、試體尺寸等而言。對於內部缺陷，直接傳遞技術較適宜，再針對不同的缺陷 尺寸選用適當的量測方式，如較小的缺陷可採傳遞法，較大的缺陷可採用回波法。 相對而言，若缺陷接近表面，則選用表面反射技術為佳，但文獻上並沒有明確指 出缺陷的尺寸與各量測方式的適用性。

肆、近年發展

有關超音速檢測材料之研究，許多學者分析超音波縱波與混凝土抗壓強度、 水泥砂漿強度、水泥漿強度、水灰比、水泥量、養護溫度、齡期之關係[12-15]， 國內外使用超音波檢測鋼筋腐蝕相關研究不多[16-19]，超音波能量會在傳遞當中 因吸收、散射等因素而產生衰減，根據路徑、介質的不同，會有不同的衰減效果， 當鋼筋置於水中及空氣中時，其衰減效果有明顯的變化，依據其衰減的程度推測 超音波在混凝土中的傳遞距離藉此求得裂縫位置，不同材料其衰減的情形也會有 所不同，一般狀態下，鋼筋的衰減率<10dB/m，混凝土則約為 40dB/m；目前有 相關研究指出若是混凝土傳遞時有通過受腐蝕鋼筋，由於腐蝕生成物會使其波傳 的不易所以訊號會有衰減之情形，若是反之是由鋼筋中傳遞之波，則會因腐蝕生 成物之阻隔而使能量不易逸散造成回彈接收到的訊號增強，因此若是能夠直接量 測鋼筋部位的波傳行為，應可對量測產生相當的幫助[17, 18]。

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

混凝土內埋鋼筋主要因物理性與化學性兩種機制，達到保護鋼筋的目的，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 前實務上仍以電化學量測法為主。混凝土內埋鋼筋主要因物理性與化學性兩種機 制，以達到保護鋼筋的目的，避免腐蝕[22, 23]。就物理機制而言，混凝土可阻 擋外界有害離子的進入。但就化學機制而言，混凝土中的孔隙水溶液呈高鹼性， 使鋼筋表面形成鈍態膜，可避免鋼筋進一步腐蝕。鋼筋腐蝕是一種電化學反應， 故欲量測鋼筋的腐蝕行為，一般均使用電化學量測法。跟大多數金屬一樣，鐵氧 化後之會以穩定形態存在於自然界之中。為了要達到穩定的平衡狀態，此時鐵會 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，所以腐蝕情況就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。 另外，決定腐蝕是否會發生，取決於下列五大條件，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 2 e F Fe  液體  e (2-12) (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 根離子，其化學反應式為： 2 2 1 2 2 2 H O O  e OH (2-13) 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 (2-14) 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( ) (2-15) 3 2 ( ) ( ) Fe OH FeO OH H O (2-16) 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 (2-17) 上式中的產物Fe O3 4即為黑鏽。 3.導電通路： 電化學反應中的電子轉移會造成氧化或還原反應，所以必須有良好的導 電通路腐蝕反應才能順利的發生。若處於導電性不佳的通路中，其腐蝕反應 將隨之減緩且不易進行。 4.電流： 腐蝕行為的發生必須要有足夠數量的電子才能使離子化反應順利的進 行，也就是要有足夠的電動勢才能驅動電子間的流動形成電流，氧化或還原 反應才會順利進行。

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

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 = 0.129a𝑖𝑐𝑜𝑟𝑟 nρ (mpy) = 0.00327 a𝑖𝑐𝑜𝑟𝑟 nρ (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

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

(資料來源：Germann Instruments A/S, [29])

圖 2-9 GalvaPulse 顯示畫面

圖 2-10 GalvaPulse 實際顯示畫面

第三章 超音波檢測鋼筋試驗

第一節 前置作業

壹、前言

本研究中的試驗主要分為裸露鋼筋與內埋鋼筋試驗兩大部分。試體型式主要 包括具刻痕的鋼筋與腐蝕鋼筋，分別以超音波檢測，試驗結果見第四章敘述。其 中，鋼筋的腐蝕係藉由通電方式來加速製作，過程中比較鋼筋腐蝕之重量損失與 最大斷面折減深度。

貳、試驗材料

本試驗所使用之材料主要包含竹節鋼筋、氯化鈉(NaCl)、海綿、紅銅線網 (1) 竹節鋼筋 本研究使用國內鋼鐵業者所生產之#8 號且長度為 1 公尺之竹節鋼筋，機 械性質與化學成分如表 3-1 與表 3-2 所示。

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(%) SD420W 420-540 550 以上 1.25 以上 12 以上 13 以上

(資料來源：東和鋼鐵廠商)

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：東和鋼鐵廠商)

(2) 氯化鈉(NaCl) 本研究所使用之氯化鈉即為一般市售的精鹽，係由台鹽實業股份有限公 司所生產的特級精鹽。主要成分為氯化鈉，無其他特殊成分，用於配置 鋼筋通電所需之電解液，如圖 3-1(a)所示。 (3) 海綿 本研究使用市售海綿作為鋼筋加速通電所需的介質，如圖 3-1(b)所示。 (4) 紅銅線網 本研究使用永生鐵網有限公司所製造之紅銅網，其規格為內孔 5 mm×5 mm。因紅銅具有良好的導電性，在加速通電的電路中使用銅線網於負極， 如圖 3-1(c)所示。

(a)

(b)

(c)

圖 3-1 試驗使用之材料： (a) 氯化鈉；(b) 海綿；(c) 紅銅線網

(資料來源：本研究拍攝)

參、試驗設備

(1) 電源供應器(Power Supply) 本研究所使用之電源供應器為雙儀科技儀器股份有限公司所出產之 TP 系列 直流雙輸出電源供應器，規格及外觀如表 3-3 及圖 3-2 所示。

表 3-3 電源供應器詳細規格

Voltmeter display range 30V 60V Display resolution 100 mV

Display accuracy ±0.5%+2d

Current Meter Display Range 10A 5A Display resolution 10 mA

Display accuracy ±0.1%+2d

Display mode 3 1/2 Digit LED display Power source AC110V/220V, 60/50Hz OPERATION TEMP.&HUMIDITY 1˚C to 40˚C,<80% STORAGE TEMP.&HUMIDITY -10˚C to 70˚C,<70% Dimensions 420(W) x 250(H) x 150(D) mm Weight 12.5kg

(資料來源：雙儀科技儀器)

圖 3-2 直流雙輸出電源供應器

(資料來源：本研究拍攝)

(2) 示波器(Oscilloscope) 本研究使用之示波器為 Tectronic 公司所生產之 TDS2024 數位儲存示波器(如 圖 3-3），規格如表 3-4 所示。

表 3-4 TDS2024 數位儲存示波器

顯示器(QVGA LCD) TFT 頻寬 200MHz 通道 4 外部觸發輸入 含 每個通道的獨立取樣率 2.0GS/s 記憶體長度 2.5K 取樣點 垂直解析度 8 位元 垂直靈敏度 2mV 至 5V/div 直流垂直準確度 3% 垂直縮放 垂直擴展或壓縮顯示中或停止的波形 最大輸入電壓 300VRMSCATII; 在 20dB/decade 下 降 超 過 100kHz 至 3MHz 時為 13VP-PAC 位置範圍 2mV 至 200mV/div+2V > 200mV 至 5V/div+50V 頻寬限制 20MHz 輸入耦合 AC、DC、GND 輸入阻抗 1M並聯 20pF 時基範圍 2.5ns 至 50sec/div 時基準確度 50ppm 水平縮放 水平擴展或壓縮顯示中或停止的波形

(資料來源：Tectronic 公司提供)

圖 3-3 TDS2024 示波器

(資料來源：本研究拍攝)

(3) 脈衝產生器(Pulser-Receiver) 本研究使用 Olympus 公司所生產之 5072PR 脈衝產生器，如圖 3-4 所示。

圖 3-4 5072PR 脈衝產生器

(資料來源：本研究拍攝)

(3) 超音波探頭(Ultrasonic Receiver) 本研究使用愛光科技股份有限公司生產之縱波探頭，探頭頻率為 2.25 MHz， 探頭的尺寸係配合本研究所使用之#8 鋼筋，尺寸約 1.5 公分，如圖 3-5 所示。

圖 3-5 超音波探頭

(資料來源：本研究拍攝)

(4) 耦合劑 本研究使用愛光科技股份有限公司生產之縱波耦合劑，如圖 3-6 所示。

圖 3-6 超音波縱波耦合劑

(資料來源：本研究拍攝)

(5) 壓克力三角柱 本研究使用 2 個三角柱體用以架高鋼筋，如圖 3-7 所示，以避免鋼筋與桌面 接觸，干擾超音波探測。

圖 3-7 壓克力三角柱

(資料來源：本研究拍攝)

第二節 試驗變數

本研究主要著重於裸露具刻痕的鋼筋試驗，再根據試驗結果，選擇適當的變 數後續進行裸露腐蝕鋼筋及內埋鋼筋試體試驗。

壹、裸露鋼筋

本研究的試驗變數係參考研究目的而訂定，包括以下四大項目： (1) 刻痕/腐蝕位置 刻痕/腐蝕與超音波入射端的相對位置決定了反射波的波傳時間與振幅 衰減。預期隨著兩者距離的增加，波傳時間增加，振幅減少。本研究主要採 取的刻痕位置分別位於距入射端 300 mm、600 mm 及 900 mm 處(如圖 3-8 所

示)，探討藉由頻譜分析能否辨別不同腐蝕位置所造成的反射波。 (2) 刻痕/腐蝕長度 本研究亦改變刻痕長度，探討刻痕面積大小是否會影響超音波頻譜的判 別，如圖 3-9 所示。在單一腐蝕深度下，預期長度的不同僅造成更多的強度 較小的反射波，不會影響腐蝕深度的判別。本研究製作的腐蝕長度為 5 mm 或鋸片最小寬度、10 mm、30 mm、50 mm、100 mm，其中 100 mm 為電化 學量測法所使用的網格大小，亦即有效量測的最大長度。 (3) 刻痕/腐蝕深度 刻痕深度與斷面折減率相關，為本研究探討的重點，如圖 3-9 所示。因 此，本研究改變刻痕深度，以探討如何以反射波的頻譜分析判別出斷面折減， 預期隨著刻痕深度越大，反射波的振幅越大。本研究首先製作的刻痕深度為 10%與 40%的鋼筋直徑。當製作腐蝕鋼筋時，本研究因鋼筋的腐蝕深度不易 控制，故參考法拉第定律(Faraday’s Law)利用通電時間及控制加速電流密度 來產生預定腐蝕量及估算腐蝕深度。 (4) 刻痕形狀 本研究將圓形刻痕深度距離 300mm、深度 10%、20%以及 40%，分別與 對應的方形刻痕之試體做比對，方形刻痕具有垂直鋼筋表面方向的斷面，如 圖 3-9 所示，而圓形刻痕則如圖 3-10 所示。

圖 3-8 方形刻痕/腐蝕位置示意圖

(資料來源：本研究繪製)

圖 3-9 方形刻痕/腐蝕長度與深度示意圖

(資料來源：本研究繪製)

圖 3-10 圓形刻痕長度示意圖

(資料來源：本研究繪製)

欲探求鋼筋腐蝕與超音波波傳性質的關係時，必須預先局部加速腐蝕，控制 腐蝕的長度與深度。最終的總腐蝕量可藉用法拉第定律估算，亦即在單一腐蝕電 流下，控制通電時間即可藉由兩者乘積獲得腐蝕量。實際腐蝕形狀及深度可待超 音波檢測後，再去除腐蝕物觀察之。 L W(刻痕長度) D L(刻痕距離) D 超音波 入射方向 D(刻痕深度)

貳、內埋鋼筋

就內埋鋼筋而言，本研究採用#8 鋼筋，長度為 1 m，固定於模中後再澆注 砂漿或混凝土，如圖 3-11 所示。根據裸露鋼筋的試驗成果，選定其中幾組試體 預先製作刻痕/腐蝕後，再進行澆注。由於此時鋼筋與砂漿/混凝土握裹處形成另 一介面，故預期反射波行為遠較裸露鋼筋複雜。然而，基於裸露鋼筋的試驗成果， 再加上已知刻痕/腐蝕位置，故仍可藉由頻譜分析判斷出刻痕/深度。 試驗變數不僅包括刻痕/腐蝕位置、長度、深度、形狀等四大項目亦包括以 下保護層性質： (1) 保護層厚度 保護厚度為 3 cm 與 5 cm，由於超音波多藉由鋼筋握裹介面處反射，幾 少傳遞到保護層再次反射，故預期保護層厚度對於試驗結果的影響不大。 (2) 保護層水灰比 一般而言，保護層的強度相關於水灰比，亦即其與緻密性相關，因此預 期保護層的水灰比會關係到反射波的波傳行為。當水灰比越高時，緻密性越 低，故反射波的強度越高。本研究採用的砂漿水灰比為 0.4 與 0.6，混凝土水 灰比為 0.6。 (3) 保護層含水量 保護層中的水份會影響波傳行為，很可能降低反射波的振幅。本研究量 測面乾飽和及氣乾狀態下的內埋試體。 (4) 保護層粗細粒料體積比 如同前述，由於現地施工搗實震動，加上鋼筋間距小，很可能造成保護 層析離，實際粒料分布與配比不同，因此本研究改變粗細比例對波傳性質的 影響。

圖 3-11 內埋鋼筋於砂漿或混凝土試體之示意圖

(資料來源：本研究繪製)

參、試驗變數代號

本研究所使用之各項試驗變數及對應代號，詳如表 3-5 所示。 (1) 裸露鋼筋試驗 編號順序為： 車床 光棒 方形刻痕 _{刻痕距離 刻痕寬度 刻痕深度} 腐蝕 鋼筋 圓形刻痕 因為實際腐蝕無法控制刻痕為方形或圓形，故對於實際腐蝕的試體編 號略過此形狀變數。 (2) 內埋鋼筋試驗 編號順序為： 控制組 _{水灰比 保護層厚度} 實驗組

表 3-5 試驗變數代號表

試驗變數

代號

備註

試驗變數

代號

備註

裸露試體 ── 不標註 圓形刻痕 O 取形狀 內埋鋼筋試體 內埋 ── 刻痕距離 L Length 車床 ── 不標註 刻痕長度 W Width 腐蝕 C Corrosion 刻痕深度 D Depth 光面鋼棒 S Smooth bar 水灰比 W/C ─ 竹節鋼筋 T Transform bar 保護層厚度 P Protective layer 方形刻痕 R Rectangular

(資料來源：本研究設計)

因為內埋鋼筋試體的變數多為竹節鋼筋，刻痕距離為 300mm，刻痕深度為 40%，刻痕長度為 30mm，刻痕形狀為方形。因此編號上僅標註試體屬性(控制組 與否)、水灰比與保護層厚度，實驗組不標註。 例 1： 以竹節鋼筋進行裸露鋼筋試驗，腐蝕距離為 300 mm，腐蝕深度為 40%，腐 蝕寬度為 30 mm 時，此試體編號：C T L300 D40 W30。 例 2： 以內埋竹節鋼筋進行的控制組試驗，砂漿的水灰比為 0.4，保護層厚度為 5 cm 時，此試體編號為：內埋鋼筋控制組 W/C0.4 P5。

第三節 試驗配比

為更符合現地使用情況，本研究除以砂漿內埋鋼筋外，更製作混凝土內埋鋼 筋試體。過程中，首先使用 ACI 配比設計法製作混凝土後，再以細粒料取代粗 粒料體積後，即得砂漿保護層的配比，如表 3-6 所示。就混凝土配比而言，此時 粗細粒料體積比約 1:1，再據此配比改變粗細粒料體積比，以模擬現地保護層可 能發生粒料分布不均的問題，所使用的配比設計如表 3-7 所示。

表 3-6 水泥砂漿配比設計

面乾內飽和，單位: kg/m3 W/C 水泥 水 細粒料 0.6 358 215 722 0.4 538 215 470

(資料來源：本研究設計)

表 3-7 混凝土配比設計表(水灰比:0.6)

面乾內飽和，單位: kg/m3 代號 粗粒料/細粒料 (體積比) 水泥 拌合水 粗粒料 細粒料 RC1 1:1 358 215 845 892 RC2 2:1 358 215 845 587 RC3 3:1 358 215 845 440

(資料來源：本研究設計)

第四節 試驗方法

壹、裸露具刻痕鋼筋

本研究參考目前常用之鋼筋混凝土構件設計及考量超音波探頭之尺寸後，採

與棒之間的差異。鋼筋表面將加以刻痕，以模擬腐蝕情況，如圖 3-12 所示。由 於超音波遇到不同介面時發生反射，如圖 3-13 所示，故預期該反射波的波傳行 為應與刻痕/腐蝕性質相關。然而，超音波的反射並非僅在刻痕/腐蝕介面，而是 沿著鋼筋表面與空氣的介面皆可發生。在裸露鋼筋試驗下，已知刻痕或腐蝕位置， 則預期可簡化頻譜分析，進而推估超音波傳導行為與刻痕或腐蝕深度間的關係。

圖 3-12 刻痕位置示意圖

(資料來源：本研究繪製)

圖 3-13 超音波波傳示意圖

(資料來源：本研究繪製)

貳、裸露腐蝕鋼筋

本研究以通電來加速腐蝕鋼筋，控制電流密度與時間以達到預定的腐蝕位置、 長度及深度。圖 3-14 為模擬鋼筋通電腐蝕情形的示意圖，其中將裁剪好的紅銅 線網置入壓克力模內，接著放上海綿，再倒入電解液(氯化鈉)。圖 3-15 為鋼筋通 電加速腐蝕時的照片，其中(c)多支鋼筋架設，只需要將(b)以串聯形式通電即可。 L 超音波入射方向 超音波探頭