金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗
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(2) 098301070000G2011. 金屬及混凝土 耐久耐候性評估之應用與探討 —戶外曝曬試驗. 研究人員：厲娓娓、曹源暉. 內政部建築研究所自行研究報告 中華民國 98 年 12 月.
(3) ARCHITECTRUE AND BUILDIG RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR. Application and Discussion of Durability and Weather Resistance of Metal and Concrete —Outdoor Exposure Test. BY WEI-WEI LEE YUAN-HUEI, TSAO December 31, 2009.
(4) 目次. 目. 次. 表次 ............................................................................................................ III 圖次 .............................................................................................................. V 摘要 ........................................................................................................... VII 第一章. 第二章. 第三章. 第四章. 第五章. 緒論............................................................................................... 1 第一節. 研究緣起與背景........................................................... 1. 第二節. 研究方法....................................................................... 2. 金屬............................................................................................... 5 第一節. 金屬之腐蝕機制........................................................... 5. 第二節. 文獻回顧....................................................................... 9. 混凝土......................................................................................... 29 第一節. 混凝土品質之影響因素 ............................................ 29. 第二節. 文獻回顧..................................................................... 33. 試驗規劃..................................................................................... 39 第一節. 金屬大氣曝曬試驗規劃 ............................................ 39. 第二節. 混凝土大氣曝曬試驗規劃 ........................................ 48. 結論與建議................................................................................. 53 第一節. 結論............................................................................. 53. 第二節. 建議............................................................................. 54. 附錄一. 歷次審查之會議紀錄................................................................. 57. 附錄二. 國家標準..................................................................................... 65. 參考書目 ..................................................................................................... 87. I.
(5) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. II.
(6) 表次. 表. 次. 表 2-1. 鋼鐵在各種土壤中之腐蝕率 ........................................................ 9. 表 2-2. 試驗用金屬之底材成分、鍍鋅量與鍍層厚度 .......................... 14. 表 2-3. 大氣腐蝕之機械強度變化 .......................................................... 16. 表 2-4. 大氣腐蝕線材腐蝕等級分類表 .................................................. 16. 表 2-5. 大氣腐蝕後金屬在 3%NaCl 溶液中之腐蝕特性值 ................. 17. 表 2-6. 大氣腐蝕曝露試驗後金屬表面主成分元素分析 ...................... 18. 表 2-7. 大氣腐蝕曝露試驗後金屬表面腐蝕生成物分析 ...................... 18. 表 2-8. 選用之鋼材成分表 ...................................................................... 19. 表 2-9. 季腐蝕速率與氯鹽沈降通量關係表 .......................................... 20. 表 2-10 A588 耐候鋼、SPHC 軟鋼與 SS400 碳鋼之腐蝕速率 .......... 22 表 2-11 試驗鋼材之化學成分(wt%)...................................................... 23 表 2-12 工業區鋼材腐蝕失重方程式之 A、B、t*值 .......................... 24 表 2-13 濱海區鋼材腐蝕失重方程式之 A、B、t*值 .......................... 25 表 2-14 鄉村區鋼材腐蝕失重方程式之 A、B、t*值 .......................... 26 表 3-1. 卜特蘭水泥之類型 ...................................................................... 29. 表 3-2. 卜特蘭水泥各類型之主要成分 .................................................. 30. 表 3-3. 水泥中化合物水化作用之特性 .................................................. 30. 表 4-1. 鋼鐵建材自然曝曬劣化試驗記錄表 .......................................... 40. 表 4-2. 大氣曝曬環境因子記錄規定 ...................................................... 42. 表 4-3. 溼潤時間分類 .............................................................................. 43. 表 4-4. 氯化物沈積率分類 ...................................................................... 43. 表 4-5. 二氧化硫(SO2)沈積率分類 ......................................................... 43. 表 4-6. 大氣腐蝕環境分類（以環境因子分類） .................................. 44. 表 4-7. 大氣腐蝕環境分類（以各種標準金屬最初第一年之腐蝕速 率區分）....................................................................................... 48. III.
(7) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. IV.
(8) 圖次. 圖. 次. 圖 1-1. 本研究之流程 ................................................................................ 3. 圖 2-1. 自由腐蝕試片平均腐蝕速率與置放水深的關係 ...................... 11. 圖 2-2. 陰極防蝕試片平均腐蝕速率與置放水深的關係 ...................... 11. 圖 2-3. 自由腐蝕試片平均腐蝕速率與浸漬時間的關係 ...................... 12. 圖 2-4. 陰極防蝕試片平均腐蝕速率與浸漬時間的關係 ...................... 13. 圖 2-5. 季腐蝕速率與氯鹽沈降通量關係圖 .......................................... 21. 圖 2-6. 不同材質鋼種於六輕廠區的腐蝕量變化圖 .............................. 22. 圖 2-7. 工業區裸露鋼材腐蝕失重對數與曝露時間對數之關係 .......... 25. 圖 2-8. 濱海區裸露鋼材腐蝕失重對數與曝露時間對數之關係 .......... 26. 圖 2-9. 鄉村區裸露鋼材腐蝕失重對數與曝露時間對數之關係 .......... 27. 圖 3-1. 抗壓強度與材齡之關係 .............................................................. 35. 圖 3-2. 劈裂強度與材齡之關係 .............................................................. 36. 圖 3-3. 中性化深度與材齡之關係 .......................................................... 37. 圖 3-4. 氯離子濃度與材齡之關係（距表面之深度 0~2.5cm）........... 38. 圖 4-1. 氯離子含量試驗之混凝土取樣 .................................................. 49. V.
(9) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. VI.
(10) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：耐久性、耐候性、戶外曝曬 一、研究緣起 本所致力推廣的綠建築標章中， 「二氧化碳減量」及「廢棄物 減量」是其中二項重要指標。 「二氧化碳減量指標」的訴求是指所 有建築物軀體構造的建材（暫不包括水電、機電設備、室內裝潢 以及室外工程的資材） ，在生產過程中要求減低所排放之二氧化碳 量，以減少溫室氣體效應，為地球的健康貢獻心力。我們都知道， 結構物的建材大多為金屬及混凝土，在金屬冶煉、混凝土燒製等 生產過程中，需耗費相當多的能源，亦會排放出大量二氧化碳。 若能延長結構體之使用年限，相對來說，也可算是二氧化碳的減 量作法。另外，台灣遍地林立的鋼筋混凝土建築，在施工及拆除 階段產生大量粉塵與廢棄物，如能採用耐久性較佳的建材，相對 來說，在一定期間內減少施工與拆除的次數，對於廢棄物減量有 一定的幫助，如此便能減緩建築開發對環境的衝擊，降低民眾對 建築開發的阻力，進而增進生活環境品質。 為了延長公共設施的服務年限，政府部門已擬定計畫，並採 取相關措施。行政院「永續公共工程－節能減碳政策白皮書」[1] 提出： 「而當設施壽命將屆，或是面臨服務效能降低的情況時，究 應投資經費延長服務年限並提高效能，亦或拆除重建，實需要完 整且詳實的評估機制，並就設施的重要性及必要性排定優先順 序，研擬延壽執行方案，並據以推動，方能將政府的投資作最有 利的分配與利用。」 ，一語道出建材耐久性研究之重要性。若無建 立相關大氣曝曬實驗結果之資料庫，執行上述的評估機制將困難 重重。. VII.
(11) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 二、研究方法及過程 有關於國內對於大氣曝曬實驗，其結果資料較為缺乏，且或 受限於支援經費，實驗期間以一、二年為多，實不足以呈現建築 材料之耐久性表現。本所材料實驗中心為一國家級的實驗中心， 其中耐久耐候實驗室建置設備有鹽霧複合耐候試驗機、壓汞孔隙 儀、離子層析儀、日光模擬加速劣化設備及其他分析設備等，可 進行建築材料的加速劣化等相關研究。對於大氣曝曬之實驗，本 所有相當合適之場地，如材料實驗中心及台南實驗中心，可進行 長時間曝曬實驗，並可分別代表都市區、鄉村區、台灣北部、台 灣南部等地區特性。又台灣四周環海，氯離子影響是濱海區結構 物耐久性之一大考驗，所以本案亦將臨海地點納入規劃，故曝曬 場之建置、試體之規劃製作等細節，皆須完整考量。本研究於今 年度以蒐集彙整國內外之鋼材與混凝土大氣曝曬相關實驗結果為 主，並從中吸取經驗，以作為後續之實驗規劃依據。 三、重要發現 （一）由文獻實驗結果顯示，不同環境的腐蝕量以濱海區最高、 工業區次之，再為多風都市區及鄉村區。至腐蝕因子為鹽 份影響大於二氧化硫影響。然而依國內實驗文獻指出，依 據腐蝕生成物分析，幾乎都含有硫的成分，不分其實驗環 境為何。據此推論，國內工業區多位於西部沿海，其二氧 化硫、氯離子成分皆高，對於該處之鋼筋混凝土建築物的 劣化現象，可說是雙重影響。 （二）本研究於今年度以蒐集彙整鋼材與混凝土大氣曝曬相關實 驗結果為主，以進行曝曬場建置規劃工作。 （三）據文獻實驗結果顯示，乾溼循環會加速鹽害及二氧化碳所. VIII.
(12) 摘要. 造成的混凝土劣化現象。由此可知，潮間帶之港灣構造物 受到海浪及每日的漲潮、退潮的影響，其劣化情形較一般 臨海構造物需更加注意。 四、主要建議事項 立即可行之建議—先進行小型前導試驗，以增強操作經驗。 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 因曝曬試驗需進行五年以上長期研究才有意義，而試驗初期 之試片尺寸設計、編號方法，以及曝曬架位置安排，對後續研究 成果深具影響。宜先進行小型前導試驗，除增強操作經驗外，並 可採其試驗經驗及結果修正相關作業程序。 中長期性建議—建立氯離子入侵混凝土時間與深度之關係。 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 建立氯離子入侵混凝土時間與深度之關係，對於未來評估氯 離子滲入混凝土抵達鋼筋表面之時間計算有所幫助。 中長期性建議—增加銲接、螺栓等接合部位為試驗對象。 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 對於實際環境中，銲接、螺栓等接合部位最易產生腐蝕情況， 但一般文獻多未進行相關之試驗。建議於納入後續研究中探討瞭 解，並與一般常用之平板試體試驗結果作一比較。 中長期性建議—將大氣曝曬之研究與試驗結果，與加速劣化實驗 作一比較。 IX.
(13) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 長期進行大氣曝曬之研究與試驗結果，其所蒐集資料可與加 速劣化實驗作一比較，以探究大氣曝曬劣化與加速劣化間之關 係，便於日後對大氣曝曬劣化之預測。. X.
(14) 摘要. Abstract Keyword: durability, weather resistance, outdoor exposure 1. Background The materials of structural buildings are mostly metal and concrete. The processes of metal smelting and concrete sintering consume a lot of energy and produce massive carbon dioxide emission. If the service life of structural buildings can be extended, the carbon dioxide emission will be relatively reduced.. By the way, if materials with longer. durability are used, the construction and dismantling frequency will be curtailed in a certain period, thus help waste reduction.. Therefore, the. environmental impact of constructional development can be lessened, the public resistance to constructional development will mitigate, and the quality of living environment will be enhanced. For extending the service life of public facilities, Executive Yuan proposes that “when a facility is reaching its service life or its service efficiency abates, a complete and accurate evaluation mechanism is required to decide whether it shall be dismantled and rebuilt or it shall be invested to extend its service life and enhance its efficiency.. The. priority of facilities shall be determined according to their importance and necessity. Life extension proposal shall be planed and executed. Therefore, the Government’s investment can be optimally allotted and applied.”. They point out the importance of construction material. durability research.. However, it will be difficult to execute the. evaluation mechanism above, if the relative atmosphere exposure test result database is not built. 2. Research Method and Procedure XI.
(15) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. In Taiwan, the atmosphere exposure test result data is relatively less, and also, the test periods are mostly only one or two years due to funding shortage; they are not enough to show the durability performance of construction materials.. For atmosphere exposure test, Material Test. Center and Tainan Test Center can do long term exposure tests and represent the local characteristics of urban area, rural area, Northern Taiwan and Southern Taiwan.. Besides, Taiwan is ocean-surrounded,. chlorine ion can generate large damage to structural buildings in coastal region.. Thus, coastal region is also included in this study.. 3. Important Discovery (1) The test result shows that, in different environment, coastal area generates the highest corrosion velocity, industrial area is the second, and windy urban area and rural area are the last.. Although, salt is. the greater corrosion factor than sulfur dioxide, Taiwanese test literatures indicate that almost all the corrosion products contain sulfur, no matter where the test environment is.. It is inferred that. the industrial areas are mostly locate in West coast in Taiwan, where sulfur dioxide and chlorine ion concentrations are both high, producing double degradation effect to reinforced concrete buildings. (2) The test result shows that wet/dry cycling would accelerate concrete degradation caused by carbon dioxide. Therefore, due to wave and rising and ebbing tide, the degradation of harbor structure buildings in tidal flat shall be more cautious than normal coastal structures. 4. Major Recommendations (1) The relationship between time and depth of chlorine ion invading concrete shall be stated, in order to help calculating and evaluating XII.
(16) 摘要. when chlorine ion penetrates concrete and reaches steel bar surface. (2) In practical situation, corrosion happens most often at joint area, such as welding and bolts.. However, most literature did not perform. relating tests. It is recommended to include the relating tests in subsequent studies and to compare with the test results on normal ordinary plate specimen. (3) The data collected in long-term atmosphere exposure test can be compared with accelerated degradation tests, to find out the relation between. atmosphere. exposure. degradation. and. accelerated. degradation.. XIII.
(17) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. XIV.
(18) 第一章 緒論. 第一章 第一節. 緒論. 研究緣起與背景. 以往業主或建築師對於建築材料的選擇，多著重於強度、成本， 其次考量美觀等附加價值。而現今在永續建築設計概念之推廣下，耐 久性亦列入設計考慮之一環。耐久性除了表現在結構體之安全性之 外，延長服務年限以節省成本也是當今環保意識高漲、經濟景氣不佳 的情況下，多數人選擇的出發點。 本所致力推廣的綠建築標章中， 「二氧化碳減量」及「廢棄物減量」 是其中二項重要指標。 「二氧化碳減量指標」的訴求是指所有建築物軀 體構造的建材（暫不包括水電、機電設備、室內裝潢以及室外工程的 資材） ，在生產過程中要求減低所排放之二氧化碳量，以減少溫室氣體 效應，為地球的健康貢獻心力。我們都知道，結構物的建材大多為金 屬及混凝土，在金屬冶煉、混凝土燒製等生產過程中，需耗費相當多 的能源，亦會排放出大量二氧化碳。若能延長結構體之使用年限，相 對來說，也可算是二氧化碳的減量作法。另外，台灣遍地林立的鋼筋 混凝土建築，在施工及拆除階段產生大量粉塵與廢棄物，如能採用耐 久性較佳的建材，相對來說，在一定期間內減少施工與拆除的次數， 對於廢棄物減量有一定的幫助，如此便能減緩建築開發對環境的衝 擊，降低民眾對建築開發的阻力，進而增進生活環境品質。 為了延長公共設施的服務年限，政府部門已擬定計畫，並採取相 關措施。行政院「永續公共工程－節能減碳政策白皮書」[1]提出： 「而 當設施壽命將屆，或是面臨服務效能降低的情況時，究應投資經費延 長服務年限並提高效能，亦或拆除重建，實需要完整且詳實的評估機 制，並就設施的重要性及必要性排定優先順序，研擬延壽執行方案， 並據以推動，方能將政府的投資作最有利的分配與利用。」 ，一語道出. 1.
(19) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 建材耐久性研究之重要性。若無建立相關大氣曝曬實驗結果之資料 庫，執行上述的評估機制將困難重重。 第二節. 研究方法. 有關於國內對於大氣曝曬實驗，其結果資料較為缺乏，且或受限 於支援經費，實驗期間以一、二年為多，實不足以呈現建築材料之耐 久性表現。本所材料實驗中心為一國家級的實驗中心，其中耐久耐候 實驗室建置設備有鹽霧複合耐候試驗機、壓汞孔隙儀、離子層析儀、 日光模擬加速劣化設備及其他分析設備等，可進行建築材料的加速劣 化等相關研究。對於大氣曝曬之實驗，本所有相當合適之場地，如材 料實驗中心及台南實驗中心，可進行長時間曝曬實驗，並可分別代表 都市區、鄉村區、台灣北部、台灣南部等地區特性。又台灣四周環海， 氯離子影響是濱海區結構物耐久性之一大考驗，所以本案亦將臨海地 點納入規劃，故曝曬場之建置、試體之規劃製作等細節，皆須完整考 量。本研究於今年度以蒐集彙整國內外之鋼材與混凝土大氣曝曬相關 實驗結果為主，並從中吸取經驗，以作為後續之實驗規劃依據。. 2.
(20) 第一章 緒論. 自然曝曬劣化資料蒐集與彙整. 曝曬實驗結果文獻蒐集與整理. 曝曬實驗規範文獻蒐集與整理. 統合資料與檢討試驗過程. 規劃未來曝曬場建置相關配合設施. 撰寫自然曝曬劣化試驗操作程序. 圖 1-1. 本研究之流程. （資料來源：本研究繪製）. 3.
(21) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 4.
(22) 第二章 金屬. 第二章 第一節. 金屬. 金屬之腐蝕機制. 鐵在大自然中，多以氧化物、硫化物的狀態存在，此時的鐵相當 穩定；一旦以人工方式冶煉還原後，則成為不穩定狀態，易與大氣中 之氧結合，即為鐵的腐蝕（生鏽）。 2.1.1. 金屬的腐蝕 金屬腐蝕的定義是金屬發生氧化反應，使其表面失去電子之. 過程。大氣環境中的水氣、雨、露、雪等水分在金屬表面形成水 膜時，便扮演著電解液的角色。此時的金屬成為電化學反應中的 陽極，失去電子，而水膜中的離子則成為陰極，得到電子。如此 氧化與還原的過程，以鐵為例，其化學反應式如下[2]： 陽極氧化反應： Fe → Fe 2+ + 2e − 陰極還原反應： O2 + 2 H 2O + 4e − → 4OH − 而二價鐵離子則進一步與氫氧根離子作用：. Fe 2+ + 2OH − → Fe(OH ) 2 二價鐵離子亦會與氧和水形成三價鐵：. 4 Fe(OH ) 2 + O2 + 2 H 2O → 4 Fe(OH )3 三價鐵離子會進一步與氫氧根離子作用：. 2 Fe(OH ) 3 → Fe2O3 ⋅ H 2O + 2 H 2O 由此可瞭解金屬（鐵）的腐蝕過程。 Fe(OH)2 是鐵鏽的最內層 組織；Fe 2 O3 ⋅H 2 O 是鐵鏽最外層的成分，常從鐵之表層脫落為碎片 狀態，於是鐵之腐蝕逐步由外而內至全部瓦解。. 5.
(23) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 2.2.2. 鋼鐵結構物之腐蝕形態類別 鋼鐵結構物之腐蝕形態類別有[3]：. 1.鋼鐵焊接或螺栓、鉚釘連接處之應力或異金屬及間隙腐蝕。 2.支承部位或彎角，受張應力部位之應力腐蝕。 3.時常乾溼、排水不良或漏水與積存水分、污物及水氣不易散發部 位之電位差腐蝕。. 4.鋼鐵受到火燒部位之熱應力腐蝕。 5.鋼材切斷、碰撞部位之應力腐蝕。 6.鋼材尖末端之濃淡氧電池腐蝕。 7.靠海邊側面之鋼梁、橋架易受海風吹襲部位之電位差腐蝕。 8.下部結構鋼材與水面接觸及受濺潑部位之電位差腐蝕。 9.土水中之鋼構材因電解質、溶氣量、溫度及 pH 值之差異而發生 之電位差腐蝕。. 10.鋼鐵表面塗裝不當或有針孔，劣化引起之電位差腐蝕。 11.鋼鐵表面以防蝕帶包覆或以異金屬被覆不當，有空隙或劣化而 發生之電位差或異金屬腐蝕。. 12.鋼鐵因土水中生存嫌氣性細菌或呼氣性細菌而發生細菌腐蝕。 13.土水中之鋼鐵因漏失電流(stray current)而發生漏失電流腐蝕。 以下針對幾種腐蝕形態作詳細介紹： 一、土水金屬腐蝕形態[3] （一）異種金屬接觸腐蝕 不同的金屬，其電位高低不同，如遇土壤或水中含 有電解質，則形成電池，電子由電位高者流向電位低者， 而產生陽極與陰極的狀態，發生腐蝕作用。 （二）稀濃電池(Differential Concentration cell)作用之腐蝕 當橋梁工程下部結構埋入土中，其為金屬者多為鋼 管樁或含有鋼筋之鋼筋混凝土樁、沈箱等，其為管線者 6.
(24) 第二章 金屬. 則為鋼管與其經過不同土壤時其鄰界附近常產生腐蝕。 蓋土壤性質及其組成一有差異，則其含鹽濃度、水分或 溶存瓦斯等即有所變化。因溶氣量之差異於金屬表面將 成稀濃電池，而濃度稀者成為陽極開始腐蝕。例如地表 下之土壤由黏土層進入砂礫層或砂層時，在其變換相鄰 處即因電位有差異而產生電氣化學反應，低電位處即產 生腐蝕。 （三）細菌腐蝕(Bacterium) 原則上在與氧氣隔絕之情況下，因無法氧化故不至 於產生腐蝕情形，惟有時在深水土中仍有嚴重腐蝕發 生，經研究結果發現由於生存在土壤中之某種細菌具有 復極劑所引起，此種細菌如硫酸鹽還原劑菌、硝酸還原 菌等嫌氣細菌(Anacrobic bacterium)及部分呼氣性細菌如 鐵細菌、硫氣化菌等。其中以硫酸鹽還原菌對土壤中鋼 鐵最具腐蝕作用，據調查此種細菌生存範圍最為廣泛， 如河、海、湖底等土壤均可存在，尤其在漁港、大都市 之河口附近為甚，惟與河床之土質有關，如為岩層、砂 礫等則甚少發現。如為黏土質且 pH 值在 5~8.6 之範圍內 尤以 pH 值為 6.5~7.2、溫度在 30°C~35°C、氯化納濃度. 3% 附近之情況，最為活躍，硫酸鹽還原菌對銅鐵之腐 蝕，多為孔蝕，如以化學反應式表示之則如下： 鋼之陽極溶解. 8H 2O ↔ 8H + + 8OH − 4 Fe + 8H + ↔ 4 Fe 2+ + 8H 復極. H 2 SO4 + 8H → H 2 S + 4 H 2O 腐蝕生成物. Fe 2+ + H 2 S → FeS + 2 H + 7.
(25) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 3Fe 2+ + 6OH − → 3Fe(OH ) 2 （四）漏失電流腐蝕(Stray Current Corrosion) 電車或電氣化鐵路以電為動力者，其電流有迴路電 流，其間可能有部分漏失於土壤中，此種電流稱為漏失 電流。當埋設於土壤中之管線，遇此電流，易受腐蝕， 因此對於鋼管樁、地下纜線、鋼管等之防蝕處理應加以 注意防範。 二、鋼鐵在土中之腐蝕程度 鋼鐵腐蝕程度受到周遭環境之影響甚鉅，如溫度、pH 值 等，而在不同的土壤中，其比電阻、通氣性等亦是影響地面 下鋼鐵腐蝕之條件。以美國國家標準局 (National Bureau of. Standards)之 12 年試驗紀錄可以看出（如表 2-1），於地面下 之鋼鐵在不同之土壤中，其腐蝕程度有不同的表現。一般而 言，通氣性良好、比電阻高、且 pH 值在 4.5~6.2 者，其腐蝕 程度較低。. 8.
(26) 第二章 金屬. 表 2-1 土壤種類. 鋼鐵在各種土壤中之腐蝕率. 比電阻 全面腐蝕率 最大腐蝕率 通氣性 pH 值 (Ω-cm) mm/年(V1) mm/年(V2). V2/V1. 17,800. 良. 4.8. 0.016. 0.62. 39.0. Hagerstown loam. 5,210. 良. 5.8. 0.019. 0.26. 13.7. Susquehonna clay. 6,920. 可. 4.5. 0.028. 0.16. 5.7. Chins silt loam. 148. 良. 8.0. 0.029. 0.20. 6.9. Mohave fine gravelly loam. 232. 可. 8.0. 0.083. 1.75. 21.0. Acadia clay. 190. 不良. 6.2. 0.031. 0.13. 4.2. Docus clay. 62. 可. 7.5. 0.070. 0.24. 3.4. Lake Charles clay. 406. 極差. 7.1. 0.114. 0.75. 6.6. Mercel silt loam. 278. 可. 9.4. 0.163. 0.66. 4.1. 1,666. 極差. 5.6. 0.045. 0.18. 4.0. 218. 不良. 2.6. 0.072. 0.25. 3.5. 84. 極差. 6.9. 0.086. 0.23. 2.7. Muck. 712. 不良. 4.8. 0.057. 0.25. 4.4. Sharkey clay. 943. 不良. 6.8. 0.100. 0.36. 3.6. 0.065. 0.43. 6.7. 1.000. 1.75. 1.8. Cecil clay loam. Carlisle muck Rifle Peat Tidal marsh. 平均 Cinder. 455. 極差. 7.6. （資料來源： 「鋼橋等結構物之腐蝕原因及類別與熱浸鍍鋅防蝕鋼橋之設計製造及 施工」，莊秋明，土木工程技術第六卷第三期，第 84 頁，91 年 9 月）. 第二節 2.2.1. 文獻回顧. 「高雄港港工結構材腐蝕與海生物附著研究」[4]. 實驗試體：SS41 碳鋼、SS41/CP（鋼材／陰極防蝕） 海水曝露地點：高雄港北港區 10 號碼頭(#10)、14 號碼頭(#14)、. 33 號碼頭(#33)與 51 號碼頭(#51)，各碼頭位置之 海面下 0m、3m 及 6m 共三層 9.
(27) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 期程：85.3.~89.10.（約四年半） 一、選用鋼材之成分 碳 鋼 材 料 SS41 之 化 學 組 成 (Wt%) 為 C 0.26max 、 P. 0.04max、S 0.05max，尺寸為 20cm×20cm×1cm。除用原材料 SS41(ASTM A36)以外，另以陰極防蝕工法（加裝鋁塊為犧牲 陽極）之 SS41/CP 碳鋼作對照。 二、實驗步驟 本研究於民國 85 年 1 月 10 日擺放試片，其後分別於民 國 85 年 3 月、5 月、8 月、11 月、民國 86 年 2 月、5 月、11 月、民國 87 年 5 月、11 月、民國 88 年 4 月、民國 89 年 3 月、民國 89 年 10 月各取出一批試片，浸泡時間分別為 2 個 月、4 個月、7 個月、10 個月、13 個月、16 個月、22 個月、. 28 個月、34 個月、40 個月、51 個月和 58 個月。 三、實驗結果 （一）腐蝕速率與放置水深之關係 圖 2-1 與圖 2-2 分別為自由腐蝕試片與陰極防蝕試 片平均腐蝕速率與放置水深之關係，其中各點分別為試 片在各碼頭相同深度十二次採樣的平均腐蝕速率，實線 是相同水深不同碼頭的平均值。結果發現，在浸漬 58 個月後，腐蝕速率與所處之水深位置無明顯關係。以實 線部分看出：自由腐蝕試片的腐蝕速率有隨浸漬水深的 增加而約略遞增的趨勢，而陰極防蝕試片的腐蝕速率有 隨浸漬水深的增加而稍減緩的趨勢。但不論增或減，其 變化均在 0.02mm/y 之內，差異極小。. 10.
(28) 第二章 金屬. 圖 2-1. 自由腐蝕試片平均腐蝕速率與置放水深的關係. （資料來源：「高雄港港工結構材腐蝕與海生物附著研究」，交通部運輸研究所港 灣技術研究中心，第 134 頁，89 年 12 月）. 圖 2-2. 陰極防蝕試片平均腐蝕速率與置放水深的關係. （資料來源：「高雄港港工結構材腐蝕與海生物附著研究」，交通部運輸研究所港 灣技術研究中心，第 134 頁，89 年 12 月）. 11.
(29) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. （二）腐蝕速率與浸漬時間之關係 圖 2-3 與圖 2-4 分別為自由腐蝕試片與陰極防蝕試 片平均腐蝕速率與浸漬時間的關係，其中各點分別為試 片在十二次採樣時相同深度於四座碼頭的個別腐蝕速 率，實線是相同浸漬時間內不同碼頭的平均值。顯然地， 不論是自由腐蝕試片或陰極防蝕試片（實線部分） ，試片 腐蝕速率在浸漬初期隨著曝露時間增加而遞增，於第 7 個月時到達最大（自由腐蝕試片=0.440mm/y，陰極防蝕 試片=0.189mm/y），隨後隨著曝露時間增加而遞減。浸 漬 58 個月後，自由腐蝕試片之腐蝕速率為 0.203mm/y， 陰極防蝕試片為 0.057mm/y。. 圖 2-3. 自由腐蝕試片平均腐蝕速率與浸漬時間的關係. （資料來源：「高雄港港工結構材腐蝕與海生物附著研究」，交通部運輸研究所港 灣技術研究中心，第 135 頁，89 年 12 月）. 12.
(30) 第二章 金屬. 圖 2-4. 陰極防蝕試片平均腐蝕速率與浸漬時間的關係. （資料來源：「高雄港港工結構材腐蝕與海生物附著研究」，交通部運輸研究所港 灣技術研究中心，第 135 頁，89 年 12 月）. 分析其原因，可能是因浸漬初期，腐蝕速率受到海 水溶氧所控制，且海生物附生緻密度較小，致使金屬表 面產生許多微小的氧差和濃度差異電池，造成腐蝕速率 隨海生物覆蓋面積增加而增加。而在浸漬 7 個月後，金 屬表面海生物附著縝密，加上腐蝕產物混合曝露環境中 的泥垢，阻止海中溶氧與氯離子等腐蝕因子進入金屬表 面，使得腐蝕減緩。 四、結論 （一）根據各碼頭 12 次採樣平均結果，SS41 碳鋼的腐蝕速率 在#51 最大(0.307mm/y)，#14 最小(0.218mm/y)，而#10 與#33 腐蝕速率相似。 （二）浸漬 58 個月後，試片的腐蝕速率與水深變化無明顯特 定關係。 （三）不論是自由腐蝕試片或陰極防蝕試片，試片的腐蝕速率 在浸漬初期隨著曝露時間的增加而遞增，於第 7 個月時 到達最大，隨後隨著曝露時間的增加而遞減再趨於穩. 13.
(31) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 定。 2.2.2 「鍍鋅鋼材、5%鍍鋁鋅鋼材及 304 不鏽鋼之海洋大氣腐蝕研究」[5] 實驗試體：A、B、C 級鍍鋅鋼、5%鍍鋁鋅鋼、304 不鏽鋼 曝曬地點：大甲及北港沿海 期程：七年 一、選用鋼材之成分 試驗用材料包括 A、B、C 級鍍鋅鋼絞線與鋼片、5%鍍 鋁鋅鋼絞線與鋼片、304 不鏽鋼線與鋼片，其相關成分如下 表。 表 2-2. 試驗用金屬之底材成分、鍍鋅量與鍍層厚度. 金屬 底材. C. Si. Mn. P. S. 鍍 鋅 量 (g/m2) 或鍍層厚度 (mm). A/Zn. 0.61. 0.22. 0.47. 0.019. 0.012. 230. B/Zn. 0.63. 0.22. 0.73. 0.023. 0.012. 488. C/Zn. 0.63. 0.22. 0.72. 0.023. 0.004. 732. 5%AZ. 0.61. 0.22. 0.47. 0.019. 0.012. 0.10. 304SS. 0.06. 0.59. 1.18. 0.035. 0.017. Cr(18.23) Ni(8.62). 化學成分. （資料來源： 「鍍鋅鋼材、5%鍍鋁鋅鋼材及 304 不鏽鋼之海洋大氣腐蝕研究」 ，洪 耀宗等，防蝕工程，第十五卷第三期第 112 頁，90 年 9 月）. 二、實驗步驟 （一）機械強度變化 金屬線材經 7 年之曝露試驗後，其表面鏽蝕程度不 一，依抗拉試驗取適當長度至少 250mm 上，中央標距. 200mm，以每分鐘約 100mm 之拉速試驗至拉斷，測其最 大張力（即拉斷力）。 14.
(32) 第二章 金屬. （二）電化學測試 試體經 7 年曝露後取回進行電化學測試。極化曲線. (polarization curve) 測試可得知試片之腐蝕速率及鈍態 (passive)現象。電化學測試皆在 3%NaCl 溶液中進行，使 用之儀器為電位儀與頻率分析儀，參考電極為飽和甘汞 電極。極化曲線測量之電位掃描速率為 1mV/sec；交流 阻抗測試之電位為自然腐蝕電位，測試頻率為. 100kHz~0.01Hz，電位振幅為 5mV。 （三）SEM 及 EDS 分析 利 用 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (Scanning Electron. Microscopy, SEM) 及能量分散能譜儀(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)，進行大氣腐蝕後金屬樣品表面結構 觀察，並分析表面化學組成。 （四）腐蝕生成物分析 利 用 化 學 分 析 電 子 儀 (Electron Spectroscopy for. Chemical Analysis, ESCA)進行 7 年大氣腐蝕試驗後之鋼 線樣品測試，長度取 1.0 公分。 三、實驗結果 （一）機械強度變化 經 7 年大氣腐蝕試驗之鋼線，其機械強度變化如下 表。. 15.
(33) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 表 2-3. 大氣腐蝕之機械強度變化. 平均值(kg) （試驗後）. 平均值(kg) （試驗前）. 拉斷力降低(%). A 級鍍鋅鋼線. 684. 986. 30.63. B 級鍍鋅鋼線. 797. 957. 16.72. C 級鍍鋅鋼線. 879. 929. 5.38. 5%鍍鋁鋅鋼線. 908. 1044. 13.03. 304 不鏽鋼線. 541. 544. 0.89. 樣品種類. （資料來源： 「鍍鋅鋼材、5%鍍鋁鋅鋼材及 304 不鏽鋼之海洋大氣腐蝕研究」 ，洪 耀宗等，防蝕工程，第十五卷第三期第 112 頁，90 年 9 月）. 由上表顯示，A 級鍍鋅鋼線之機械強度降低幅度最 大，其次為 B 級鍍鋅鋼線，而 5%鍍鋁鋅鋼線之機械強 度降低幅度介於 B、C 級鍍鋅鋼線之間。304 不鏽鋼線之 機械強度變化相當小。 另外，觀察表面腐蝕情形：B 級鍍鋅鋼材、C 級鍍 鋅鋼材、5%鍍鋁鋅合金鋼材之腐蝕程度均為 4 級；304 不鏽鋼材之腐蝕程度則介於 4~5 級之間；A 級鍍鋅鋼線 之腐蝕程度已達 5 級，機械強度亦已小於規格安全值。 因此由現場鋼材之腐蝕程度可判斷此鋼線材料更換之時 間，以避免因機械強度遽降導致安全性方面的顧慮。 表 2-4 腐蝕等級 腐蝕變化. 大氣腐蝕線材腐蝕等級分類表. 1級. 2級. 3級. 4級. 5級. 表 面 具 有 表 面 微 白 表 面 灰 白 開 始 產 生 完全鏽蝕 金屬光澤 部分光澤 沒有光澤 鏽蝕點. （資料來源： 「鍍鋅鋼材、5%鍍鋁鋅鋼材及 304 不鏽鋼之海洋大氣腐蝕研究」 ，洪 耀宗等，防蝕工程，第十五卷第三期第 112 頁，90 年 9 月）. （二）電化學測試 16.
(34) 第二章 金屬. 取回曝露後之不同金屬鍍層在 3%NaCl 中之腐蝕電 流，測得之腐蝕電位如表 2-5 所示。5%鍍鋁鋅之腐蝕電 流最高，C 級鍍鋅由於鍍層較厚，故產生較鋅白而有保 護底材之效果，腐蝕電流較低，腐蝕速率較低。不鏽鋼 表面由於形成鈍態膜，故其腐蝕電流最小，腐蝕速率最 低。 表 2-5. 大氣腐蝕後金屬在 3%NaCl 溶液中之腐蝕特性值. 金屬鍍層. 腐蝕速率 (mpy). 腐蝕電流密度 (μA/cm2). 腐蝕電位 Ecorr(mV) vs. SCE. 5%AZ. 3.096. 251.7. -614. C/Zn. 1.81×10-4. 2.32×10-2. -830. 304SS. 0.36×10-4. 0.58×10-2. -365. （資料來源： 「鍍鋅鋼材、5%鍍鋁鋅鋼材及 304 不鏽鋼之海洋大氣腐蝕研究」 ，洪 耀宗等，防蝕工程，第十五卷第三期第 112 頁，90 年 9 月）. （三）SEM 及 EDS 分析 經 7 年之大氣腐蝕試驗後，各試體腐蝕生成物主成 分如表 2-6，可推測由於鍍鋅層厚度之增加，所產生的表 面腐蝕生成物作為抗腐蝕層，使得含高鍍鋅量之 B 級與. C 級鍍鋅鋼材其耐蝕性增加，其機械強度仍在可使用之 範圍。. 17.
(35) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 表 2-6. 大氣腐蝕曝露試驗後金屬表面主成分元素分析 化學成分. 金屬 底材. Zn. Fe. Cl. Al. Na. S. A/Zn. --. 54.43. 0.27. 1.75. 41.25. 0.51. B/Zn. 57.76. 9.95. 1.80. 9.31. 0.15. 3.01. C/Zn. 67.32. 2.15. 5.02. 7.72. 2.90. 5.54. 5%AZ. 50.69. 4.57. 5.59. 10.28. 0.05. 7.58. （資料來源： 「鍍鋅鋼材、5%鍍鋁鋅鋼材及 304 不鏽鋼之海洋大氣腐蝕研究」 ，洪 耀宗等，防蝕工程，第十五卷第三期第 112 頁，90 年 9 月）. 每種金屬試片表面幾乎都含有硫的成分，可見即便 是在台灣的濱海大氣環境中，硫氛仍是大氣腐蝕的明顯 因子。若在遭受污染如氧化硫之濱海大氣環境中，熱浸 鍍鋅氧化層易含有大量之硫氧化物，因此影響其氧化層 之強度與保護鋼底材之耐蝕性。 （四）腐蝕生成物分析 各試體腐蝕生成物結果如表 2-7。A 級鍍鋅鋼材表面 已不含純鋅層，B 級與 C 級鍍鋅鋼材表面多為氧化鋅 層，5%鍍鋁鋅鋼材則為氧化鋅層與氫氧化鋁。 表 2-7. 大氣腐蝕曝露試驗後金屬表面腐蝕生成物分析. A 級熱浸鍍鋅. B 級熱浸鍍鋅. C 級熱浸鍍鋅. 5%級熱浸鍍鋁鋅. Zn ZnO ZnCl2 Fe2O3 FeOOH Sulfate. Zn ZnO ZnCl2 Sulfate. Zn ZnO ZnCl2 Sulfate. Zn Al ZnO Al(OH)3 Sulfate. （資料來源： 「鍍鋅鋼材、5%鍍鋁鋅鋼材及 304 不鏽鋼之海洋大氣腐蝕研究」 ，洪 耀宗等，防蝕工程，第十五卷第三期第 112 頁，90 年 9 月）. 2.2.3 18. 「室內加速腐蝕試驗與室外大氣腐蝕關聯性研究」[6].
(36) 第二章 金屬. 實驗試體：A588 耐候鋼、SPHC 軟鋼、SS400 碳鋼 曝曬地點：六輕工業區 A 棟宿舍四樓頂，距海約 2500~3000 公尺 期程：2001.8.24.~2005.8.14.（約一年） 一、選用鋼材之成分 於本實驗中所使用之鋼材，A588 為針對抗大氣腐蝕所開 發的耐候性低合金鋼，其 Cu 與 Cr 元素含量較一般碳鋼為 高；SPHC 和 SS400 皆為低碳鋼，其中 SS400 為一般結構性 用鋼，SPHC 的碳含量低，機械強度較差但延展性佳，一般 稱為軟鋼。 表 2-8 碳 C. 矽 Si. 錳 Mn. 選用之鋼材成分表. 磷 P. 硫 S. 銅 Cu. 鉻 Cr. 鎳 Ni. 釩 V. 鋁 Al. A588 0.15. 0.25. 1.50 0.022 0.015 0.28. 0.44. 0.18 0.035. SPHC 0.03. 0.02. 0.28 0.014 0.009 0.01. 0.02. 0.01. SS400 0.13. 0.02. 0.77 0.021 0.007 0.01. 0.02. 0.01 0.002 0.032. -. 0.042. （資料來源：「室內加速腐蝕試驗與室外大氣腐蝕關聯性研究」，王麒翔，國立雲 林科技大學工業化學與災害防治研究所碩士論文，第 15 頁，91 年 6 月）. 二、實驗步驟 （一）以一年為試驗期，每種鋼材各準備 7 片試片。 （二）將經前處理完之鋼材試片，置於受測地點的測試架上。 （三）與大氣腐蝕試驗同步進行氯鹽沈降通量之量測。 （四）每間隔一段時間各取回一片試片。 （五）以洗滌液清洗鋼材上的腐蝕生成物。 （六）以純水清洗乾淨。 （七）烘乾後稱重至小數點以下第四位，計算腐蝕重量損失。 （八）另準備數片乾淨試片，於每次取回試片，同時更換之， 19.
(37) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 以作為季腐蝕速率的量測。 三、實驗結果 腐蝕速率之計算方式如下： ∆m Rcorr . = A⋅t 其中， Δm：試片重量損失(g). A：試片表面積(cm2) t：曝曬時間(year) （一）初期腐蝕 以二至三個月為一季，量測腐蝕速率對照當季氯鹽 沈降通量的關係如下表： 表 2-9 期間. 季腐蝕速率與氯鹽沈降通量關係表. 氯離子沈降通量 A588 腐蝕速率 SPHC 腐蝕速率 SS400 腐蝕速率 (mgCl-/day．m2) (g/year．cm2) (g/year．cm2) (g/year．cm2). 2001/8/24 ~2001/10/26. 67.6175. 0.1749. 0.2590. 0.1940. 2001/10/26 ~2002/1/7. 85.2817. 0.1922. 0.2699. 0.2311. 2001/12/3 ~2002/2/28. 64.241. 0.1112. 0.1120. 0.1113. 2002/2/28 ~2002/6/5. 33.4307. 0.0984. 0.1302. 0.1327. 2002/6/5 ~2002/8/14. 40.2334. 0.1645. 0.2389. 0.1811. （資料來源：「室內加速腐蝕試驗與室外大氣腐蝕關聯性研究」，王麒翔，國立雲 林科技大學工業化學與災害防治研究所碩士論文，第 29 頁，91 年 6 月）. 20.
(38) 第二章 金屬. 上表結果以圖示之：. 腐蝕速率(g/year．cm2). 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0. 20. 40. 60. 80 -. 100 2. 氯離子沈降通量(mgCl /day．m ) A588. 圖 2-5. SPHC. SS400. 季腐蝕速率與氯鹽沈降通量關係圖. （資料來源：本研究繪製）. 由上圖可看出，氯鹽沈降量對腐蝕速率的確造成一 定程度之影響，但其明確之對應關係應需有更多因子配 合，也就是說，室外的腐蝕因子較為複雜，非僅氯離子 之影響而已。 （二）長時間腐蝕. SPHC 軟鋼之腐蝕速率一直偏高，為三種材質中腐 蝕最快的。而 A588 耐候鋼與 SS400 碳鋼在初期五個月 內，其腐蝕表現幾乎呈現相似的曲線。然而在 150 天後. A588 耐候鋼腐蝕速率明顯下降，或可歸因於耐候鋼在此 時已生成緻密鏽層，發生保護的作用；反觀 SS400 碳鋼 及 SPHC 軟鋼則在約 200 天後腐蝕速率才有較明顯的下 降趨勢。 21.
(39) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 圖 2-6. 不同材質鋼種於六輕廠區的腐蝕量變化圖. （資料來源：「室內加速腐蝕試驗與室外大氣腐蝕關聯性研究」，王麒翔，國立雲 林科技大學工業化學與災害防治研究所碩士論文，第 30 頁，91 年 6 月）. 表 2-10 A588 耐候鋼、SPHC 軟鋼與 SS400 碳鋼之腐蝕速率 曝曬時間. A588 腐蝕速率 SPHC 腐蝕速率 SS400 腐蝕速率 (g/year．cm2) (g/year．cm2) (g/year．cm2). 6 個月. 0.1239. 0.1876. 0.1624. 9.5 個月. 0.0842. 0.1362. 0.1168. 12 個月. 0.0673. 0.1154. 0.9752. （資料來源：「室內加速腐蝕試驗與室外大氣腐蝕關聯性研究」，王麒翔，國立 雲林科技大學工業化學與災害防治研究所碩士論文，第 28 頁，91 年 6 月）. 22.
(40) 第二章 金屬. 2.2.4 「碳鋼、耐候鋼與鍍鋅鋼在不同腐蝕環境近十年之大氣腐蝕行為研究」[7] 實驗試體：SS400（碳鋼） 、耐候鋼 AS1、AS2 及 SS400+Zn（弘儀 熱浸鍍鋅 SS400 鋼板）共四種 曝曬地點：工業區（中鋼公司） 、濱海區（中山大學） 、鄉村區（樹 林電力研究中心） 期程：約十年 一、選用鋼材之成分 本研究採用 SS400 （碳鋼） 、耐候鋼 AS1、AS2 及 SS400+Zn （熱浸鍍鋅 SS400 鋼板）等四種鋼材，其中底材之成分如下： 表 2-11 試驗鋼材之化學成分(wt%) 鋼材. C. Si. Mn. P. S. Cu. Cr. Ni. SS400 0.130 0.19 0.81 0.015 0.008 0.06 0.02 0.05. Ti. Al. Balance. -. 0.024. Fe. AS1. 0.005 0.30 1.23 0.069 0.011 0.28. -. 0.16 0.02 0.026. Fe. AS2. 0.012 0.30 1.24 0.110 0.010 0.29. -. 0.16 0.02 0.018. Fe. （資料來源：「碳鋼、耐候鋼與鍍鋅鋼在不同腐蝕環境近十年之大氣腐蝕行為研 究」，張耀南等，防蝕工程，第十九卷第一期第 26 頁，2005 年 3 月）. 二、實驗步驟 將鋼材加工成 150mm×100mm×厚度之大小，經研磨、去 脂、清洗、 （或加鍍鋅） 、稱重並量尺寸後，依 ASTM G50 規 定之方式，分別放置於工業區（中鋼公司） 、濱海區（中山大 學）及鄉村區（樹林電力研究中心）進行大氣曝露試驗。試 片與地面成 30°角，且面向南方。完成試驗後，將腐蝕生成 物洗淨後烘乾稱重，以計算腐蝕失重。 三、實驗結果 （一）工業區 23.
(41) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 1. 腐蝕失重 SS400>AS1>AS2>SS400+Zn 。因耐候鋼含 P、Cu、Ni 等合金，保護性更佳，故 AS1 之耐蝕性較 SS400 佳；而 AS2 耐蝕性比 AS1 好，應是 P 含量較 AS1 高之緣故。 2.依據 Townsend 和 Zoccola 之關係式： C=AtB. logC=logA+Blogt. 其中 C 為裸露鋼材腐蝕損失量、t 為曝露時間、A 與 B 為常數。 經實驗得出以下結果： 表 2-12 工業區鋼材腐蝕失重方程式之 A、B、t*值 鋼材. SS400. AS1. AS2. A 值(mg/cm2．yearB). 45.6. 32.0. 30.6. B 值（無單位）. 0.53. 0.49. 0.47. t*值(year). 15.8. 40.7. 52.4. 對 SS400 之 t*比值. 1. 2.6. 3.3. t*值代表 250μm 之腐蝕深度所需之曝露時間 （資料來源：「碳鋼、耐候鋼與鍍鋅鋼在不同腐蝕環境近十年之大氣腐蝕行為研 究」，張耀南等，防蝕工程，第十九卷第一期第 26 頁，2005 年 3 月）. 24.
(42) 第二章 金屬. 圖 2-7. 工業區裸露鋼材腐蝕失重對數與曝露時間對數之關係. （資料來源：「碳鋼、耐候鋼與鍍鋅鋼在不同腐蝕環境近十年之大氣腐蝕行為研 究」，張耀南等，防蝕工程，第十九卷第一期第 29 頁，2005 年 3 月）. （二）濱海區. 1.腐蝕失重 SS400>AS1>AS2>SS400+Zn。 2.經實驗得出鋼材腐蝕失重方程式之 A、B、t*值為 表 2-13 濱海區鋼材腐蝕失重方程式之 A、B、t*值 鋼材. SS400. AS1. AS2. A 值(mg/cm2．yearB). 38.6. 32.8. 30.4. B 值（無單位）. 0.66. 0.51. 0.40. t*值(year). 11.8. 33.5. 24160. 對 SS400 之 t*比值. 1. 2.8. &. &：因 AS2 之 t*值太高，不合常理，故其對 SS400 之比值未算出 （資料來源：「碳鋼、耐候鋼與鍍鋅鋼在不同腐蝕環境近十年之大氣腐蝕行為研 究」，張耀南等，防蝕工程，第十九卷第一期第 27 頁，2005 年 3 月）. 25.
(43) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 圖 2-8. 濱海區裸露鋼材腐蝕失重對數與曝露時間對數之關係. （資料來源：「碳鋼、耐候鋼與鍍鋅鋼在不同腐蝕環境近十年之大氣腐蝕行為研 究」，張耀南等，防蝕工程，第十九卷第一期第 34 頁，2005 年 3 月）. （三）鄉村區. 1.腐蝕失重 SS400>AS1>AS2>SS400+Zn。 2.經實驗得出鋼材腐蝕失重方程式之 A、B、t*值為 表 2-14 鄉村區鋼材腐蝕失重方程式之 A、B、t*值 鋼材. SS400. AS1. AS2. A 值(mg/cm2．yearB). 33.5. 33.1. 29.3. B 值（無單位）. 0.53. 0.43. 0.40. t*值(year). 28.2. 63.1. 116.8. 對 SS400 之 t*比值. 1. 2.2. 4.1. （資料來源：「碳鋼、耐候鋼與鍍鋅鋼在不同腐蝕環境近十年之大氣腐蝕行為研 究」，張耀南等，防蝕工程，第十九卷第一期第 28 頁，2005 年 3 月）. 26.
(44) 第二章 金屬. 圖 2-9. 鄉村區裸露鋼材腐蝕失重對數與曝露時間對數之關係. （資料來源：「碳鋼、耐候鋼與鍍鋅鋼在不同腐蝕環境近十年之大氣腐蝕行為研 究」，張耀南等，防蝕工程，第十九卷第一期第 37 頁，2005 年 3 月）. （四）不同環境比較及綜合結論. 1.由實驗研究結果顯示，裸露鋼材的腐蝕量為濱海區＞ 工業區＞鄉村區。而鍍鋅鋼因腐蝕量較低，量測誤差 較大，則無此現象。. 2.S 是一般大氣腐蝕鏽層常見之成分，碳鋼如此，耐候鋼 也很難避免；工業區與濱海區如此，多風都市區與鄉 村區也很難避免。. 3.不論在工業區、濱海區或鄉村區，裸露鋼材的大氣腐 蝕速率滿足 C=AtB 之定律，且耐候鋼不僅在未生成鏽 層以前反應性比 SS400 低，而且在生成鏽層後，其保 護性也較佳。. 4.AS1 的外層鏽皮在工業區有受到 Ca 的污染；在濱海區 有受到 Cl 的污染；在鄉村區則沒有 Ca 或 Cl 污染。. 27.
(45) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 28.
(46) 第三章 混凝土. 第三章 第一節. 混凝土. 混凝土品質之影響因素. 混凝土一般是由水、水泥、砂（細骨材） 、石（粗骨材）所組成， 另有為符合部分情況要求而額外添加摻料。然而，混凝土品質除與組 成的配比、摻料有密切關係外，其生產、運送、澆置、養護及環境亦 有相當大的關係。 3-1-1. 水泥 依國家標準 CNS 規定，卜特蘭水泥分為八型，其適用範圍如. 下： 表 3-1. 卜特蘭水泥之類型. 水泥類型. 適用範圍. 第I型. 適用於一般用途，而不需具備其他任一型水泥所具有之特 別性質者. 輸氣第 IA 型 第 II 型 輸氣第 IIA 型 第 III 型 輸氣第 IIIA 型. 其用途同卜特蘭水泥第 I 型，且需要輸氣者 特別用於需要抵抗中度硫酸鹽侵蝕或中度水合熱者 其用途同卜特蘭水泥第 II 型，且需要輸氣者 特別用於需要高度早期強度者 其用途同卜特蘭水泥第 III 型，且需要輸氣者. 第 IV 型. 特別用於需要低度水合熱者. 第V型. 特別用於需要抵抗高度硫酸鹽侵蝕者. （資料來源：國家標準 CNS 61）. 而卜特蘭水泥各類型之主要成分，以下表簡略示之：. 29.
(47) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 表 3-2. 卜特蘭水泥各類型之主要成分[9]. 水泥成分(%). C3S. C2S. C3A. C4AF. CSH 2. I. 50. 25. 12. 8. 5. II. 45. 30. 7. 12. 5. III. 60. 15. 10. 8. 5. IV. 25. 50. 5. 12. 4. V. 40. 40. 4. 10. 4. 水泥類型. 註：表內化學簡式符號所代表之化合物如下： C=CaO，S=SiO2，A=Al2O3，F=Fe2O3， CS =CaSO4，H=H2O 例如 C3A=3CaO．Al2O3 （資料來源：「鹽害對港灣構造物耐久性之評估」，黃仕慶，國立成功大學土木工 程研究所碩士論文，第 6 頁，87 年 6 月）. 上述水泥中各種化合物水化作用之特性，以下表表示之： 表 3-3 化合物. 水泥中化合物水化作用之特性. 水化反應速率 水化熱 對強度之貢獻 所佔比率(%). C 3S. 中等. 中等. 高. 50. C 2S. 慢. 低. 初低後高. 25. C3A+ CSH 2. 快. 非常高. 非常高. 15. C4AF+ CSH 2. 中等. 中等. 中等. 10. （資料來源：「鹽害對港灣構造物耐久性之評估」，黃仕慶，國立成功大學土木工 程研究所碩士論文，第 12 頁，87 年 6 月）. 由於各類型水泥中之 CSH 2 含量很少，故以下僅就 C3S、C2S、. C3A、C4AF 等成分之化學反應作介紹[9]： 一、矽酸三鈣 C3S（3CaO．SiO2）之化學反應 水泥中 C3S 佔最大部分，其遇水之化學反應為：. 2C3 S + 6 H → C3 S 2 H 3 + 3CH. 30.
(48) 第三章 混凝土. 反應所生成之 C3S2H3 是一非常小的膠體物質，以簡式. C-S-H 表示之；氫氧化鈣(CaO．H2O)為一結晶物質，以 CH 表示之。 在此反應最初幾分鐘內，鈣離子及氫佯根離子快速產 生，pH 值達 12 以上，顯示具有高鹼性。隨即水化作用之速 率很快減緩，當鈣離子及氫氧根離子達到臨界值，水化再度 開始，CH 及 C-H-S 開始從溶液中結晶且 C3S 再度快速反應。. C-H-S 在 C3S 表面形成包覆並成粒狀，CH 晶體從溶液中形成 其水化層，增厚後形成一道阻礙，阻止水分、離子進入未水 化之 C3S，最後水分、離子只能以擴散方式穿透 C-H-S 層， 此時水化反應以水之擴散控制為主，所以反應速率降低。 二、矽酸二鈣 C2S（2CaO．SiO2）之化學反應 水泥中矽酸二鈣之水化反應如下：. 2C2 S + 4 H → C3 S 2 H 3 + CH 其生成物與 C3S 之反應生成物相似。 三、鋁酸三鈣 C3A（3CaO．Al2O3）之化學反應. C3A 之化學反應與硫酸根離子含量（由石膏 CaSO4．2H2O 提供，以簡式 CSH 2 示之）高低有相當密切的關係。 （一）石膏供給充足之情況：. C3 A + 3C S H 2 + 26 H → C6 AS 3 H 32 或 C3 A ⋅ 3(C S ) ⋅ H 32 （二）石膏供應不足之情況：. 2C3 A + C6 AS 3 H 32 + 4 H → 3C4 AS H 12 其中 C 6 AS3 H 32 為鈣釩石， C 4 ASH12 為單硫型鋁酸鈣 水化物。 水泥中若添加過量石膏會導致急凝及因膨脹而產生的 裂，而石膏不足時，鋁酸三鈣 C3A 則會生成單硫型鋁酸鈣水. 31.
(49) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 化物，如遇有外來入侵之硫酸鹽時，單硫型鋁酸鈣水化物會 轉變成鈣釩石而發生體積膨脹導致. 裂。. C4 AS H 12 + 2C S H 2+16 H → C6 AS 3 H 32 石膏能控制 C3A 之反應速率。石膏含量太少，會縮短凝 結時間、降低工作性；含量太多，會造成大量鈣釩石產生， 使體積膨脹，導致. 裂。. 若在 C3A 含量過多之狀況，同時使用海砂等含 SO 24 − 之骨 材，亦會造成大量鈣釩石產生，使混凝土體積膨脹，導致裂 縫產生，進而影響混凝土品質。 四、鋁鐵酸四鈣 C4AF（4CaO．Al2O3．Fe2O3）之化學反應. C4AF 之水化反應式如下： C4 AF + 3C S H 2 + 21H → C6 ( A, F ) S 3 H + ( A, F ) H 3 32. C4 AF + C6 ( A, F ) S 3 H 32 + 7 H → 3C4 ( A, F ) S H 12 + ( A, F ) H 3 五、水泥水化產物之性質 氫氧化鈣 CH 可填充孔隙，但可溶性比 C-S-H 大，在混 凝土中為高鹼物質，可保護鋼筋免於生鏽、腐蝕，但應注意 鹼．骨材反應及酸之侵入。鈣釩石及單硫型鋁酸鈣水化物提 供強度，但會影響潛變及收縮，而水會使飽和混凝土試體比 乾燥試體少約 10%之抗壓強度，其原因如下： （一）從 C-S-H 中移走水，會使 C-S-H 相互之間更接近，使 得粒子與粒子間之結合力更強。 （二）在受應力的狀態下，水會破壞二氧化矽鍵。 （三）水會增加潤滑性，減少內部之機械互鎖力。. 32.
(50) 第三章 混凝土. 第二節 3.2.1. 文獻回顧. 「海水對混凝土影響之研究」[10]. 實驗試體：140kg/cm2、210kg/cm2、280kg/cm2 三種強度之混凝土 （第 I 型及第 II 型水泥） 置放地點：高雄港 81 號碼頭三個位置、試驗室養護池 期程：1996.8.12.~1997.4.1.（約 8 個月） 一、選用之混凝土試體 採用三種配比，其強度分別為 140kg/cm2、210kg/cm2、. 280kg/cm2，水灰比分別為 0.807、0.651、0.551，又各有使用 第一型水泥及第二型水泥，故共計六組。 二、實驗步驟 將試體分組，置於海面下、潮位帶、海面上，以及試驗 室中養護，而養護時間分別為 7 天、14 天、28 天、60 天、. 90 天及 180 天，試體數量合計 576 個，其實驗項目包括： （一）抗壓試驗 （二）混凝土 pH 值 （三）體積變化 （四）含氯量測量 三、實驗結果 （一）置於海面下、潮位帶之試體中，水灰比較高者其早期強 度在 28 天前有提高的趨向，但無助於最終強度之提 升；而水灰比 0551 之試體其第 180 天之抗壓強度平均 為室內養護試體之 0.9 倍，顯示海水有抑制弱化低水灰 比時抗壓強度的傾向。 （二）經本研究測知，混凝土於凝固後之 pH 值約在 13 以上。 33.
(51) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 然而隨著置於海水中之時間增加，混凝土 pH 值有降低 之趨勢。在 180 天內所測之結果，0~2.5 公分處平均降 為 13 以下，2.5~5 公分內仍有 13 以上。 （三）氯離子滲透量隨時間增長而增加，隨水灰比增大而增 加。在海面下試體之氯含量，經比較結果，使用第二型 水泥之試體較使用第一型水泥者為大之傾向，而在潮位 帶則有使用第一型水泥者較第二型水泥者氯含量稍高 的傾向。 （四）孔隙比較大之試體，有較高之氯含量。 3.2.2. 「鹽害對港灣構造物耐久性之評估」[9]. 實驗試體：混凝土圓柱試體 養護：分為海水養護、二氧化碳養護 期程：28 天、60 天、90 天、120 天、150 天及 180 天 一、選用之混凝土試體 製作直徑 15cm 高 30cm 的圓柱形混凝土試體計 80 個， 分成對照組（第一組）、海水養護組（第二組）、海水養護加 乾溼循環組（第三組）、二氧化碳養護組（第四組），及二氧 化碳加乾溼循環組（第五組）等五組，其齡期為 28 天、60 天、90 天、120 天、150 天及 180 天。 二、實驗方法 （一）混凝土抗壓實驗 （二）混凝土圓柱試體分裂抗張強度試驗 （三）中性化深度量測 （四）氯離子濃度測定 三、實驗結果. 34.
(52) 第三章 混凝土. （一）混凝土抗壓實驗. 圖 3-1. 抗壓強度與材齡之關係. （資料來源：「鹽害對港灣構造物耐久性之評估」，黃仕慶，國立成功大學土木工 程研究所碩士論文，第 48 頁，87 年 6 月）. 二、三、四、五組的抗壓強度在 90 天以後大多小於 第一組，顯然促進法對混凝土的劣化有加速作用。 三、五組於材齡 60 天以前之抗壓強度上升較快，過 了 60 天以後，抗壓強度則迅速下降，甚至比二、四組更 低，尤其是第三組。顯示潮間帶的混凝土由於遭受乾溼 循環作用，有加速鹽害及中性化反應的現象，所以品質 劣化較快。. 35.
(53) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. （二）混凝土圓柱試體分裂抗張強度試驗. 圖 3-2. 劈裂強度與材齡之關係. （資料來源：「鹽害對港灣構造物耐久性之評估」，黃仕慶，國立成功大學土木工 程研究所碩士論文，第 51 頁，87 年 6 月）. 分裂抗張強度變化趨勢大致與抗壓強度相似。三、 五組受乾溼循環作用，致使品質劣化較為快速，但 60 天前之強度仍上升較快。. 36.
(54) 第三章 混凝土. （三）中性化深度量測. 圖 3-3. 中性化深度與材齡之關係. （資料來源：「鹽害對港灣構造物耐久性之評估」，黃仕慶，國立成功大學土木工 程研究所碩士論文，第 54 頁，87 年 6 月）. 由上圖可看出，乾溼循環有促進中性化發展之趨勢。. 37.
(55) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. （四）氯離子濃度測定. 圖 3-4. 氯離子濃度與材齡之關係（距表面之深度 0~2.5cm）. （資料來源：「鹽害對港灣構造物耐久性之評估」，黃仕慶，國立成功大學土木工 程研究所碩士論文，第 56 頁，87 年 6 月）. 由第二、三組之表現得知，乾溼循環確有促進鹽害 之作用。. 38.
(56) 第四章 試驗規劃. 第四章 第一節 4.1.1. 試驗規劃. 金屬大氣曝曬試驗規劃. 試驗流程 金屬大氣曝曬試驗包括三階段，分別為試片製作、劣化、分. 析。 一、試片製作之工序：試片表面的清潔除鏽、試片標示編號、試 片基材秤重，完成後即可將試片置上曝曬架。如表面需經披 覆處理，則於秤重後予以披覆表面塗料，再將試片置上曝曬 架。 二、劣化過程之工序：將試片置上曝曬架，並擺放於指定之曝曬 場所，經自然曝曬後定時取樣。 三、分析工作之工序：到達預定取樣日期，即將試片下架，先以 目視觀察其腐蝕情況，並予以記錄，再將披覆材料去除（如 無披覆材料則可免除此步驟） ，之後利用化學藥品將腐蝕生成 物去除（化學酸洗） ，並以吹風機吹乾水痕，將試片秤重。重 覆化學酸洗、吹乾、秤重等步驟，直至試片為恆重後，始可 停止。記錄恆重結果，計算腐蝕速率。 4.1.2. 試驗記錄 有關試驗之進行，我們可利用「鋼鐵建材自然曝曬劣化試驗. 記錄表」來協助完成試驗期間之各步驟。. 39.
(57) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 表 4-1. 鋼鐵建材自然曝曬劣化試驗記錄表. 試片名稱. 曝曬地點（見 4.1.8）. 試片編號. 曝曬角度. 基材材質. 上架日期. 基材尺寸（見 4.1.3）. 預計下架日期. 前處理方式 （見 4.1.4）. 實際下架日期. 基材重量(g) （見 4.1.5）. 披覆材料. 披覆厚度. 披覆材料施作方 式（見 4.1.6） 上架位置（見 4.1.7） 劣化期間 狀況記錄 劣化後 試片表面觀察 腐蝕生成物 去除過程記錄 劣化後基材重量 (g). 重量損失(g). 劣化期程（年）. 腐蝕速率(g/m2/y). 其他附加記錄 （資料來源：參考「建材耐候耐久性曝曬試驗之建置研究」 ，內政部建築研究所委 託研究報告，第 121 頁，96 年 12 月。）. 4.1.3. 試片尺寸 試片多為平版型，其尺寸與曝曬架之規格相關。考量本研究. 使用之現有曝曬架，與一般常用之試片尺寸，本研究規劃採用 100mm×150mm×5mm 之試片。且每組變數條件為 3 個試片。. 40.
(58) 第四章 試驗規劃. 4.1.4. 前處理方式 經儲放、運搬等過程，試片表面多已沾有不潔物或鏽蝕生成. 物，此時需將該等不潔物或鏽蝕予以去除，通常是以噴砂方式或 化學方式處理，而一般多採用噴砂方式，較為簡單有效。處理後 之試片應立即進行編號標示。 為使編號標示能耐長期曝曬，亦即經過長時間腐蝕劣化後仍 能辨識，一般多以數字衝頭鋼印在試片上打印編號，或使用中心 衝錐刻記。 4.1.5. 基材秤重 試片在編號處理完成後，應即刻予以秤重。所秤重量須精確. 至 0.01g。秤重完畢需將試片置放於相對溼度 65%以下之環境中， 以避免鏽蝕作用再次進行。 4.1.6. 披覆材料施作方式 試片表面若需塗佈披覆材料，要注意的是，第 4.1.4 節中之表. 面清潔除鏽則須依照該披覆材料的施工規範來進行。 4.1.7. 上架位置 試片之上架位置，可以文字記載，或以簡圖、照片等表示。. 以能敍明試片所在位置即可。必要時於試片吊掛標示牌。應以絕 緣材料如 PP 材質或 Nylon 材質之螺栓將試片固定於曝曬架，以避 免因強風而有吹落甚至吹散等情況發生。另試片與曝曬架間需加 置絕緣墊片或夾板，以避免接觸處產生伽凡尼腐蝕，而影響試驗 結果。且置放方式應考慮避免試片因雨水相互污染情形。 4.1.8. 曝曬地點 對於大氣曝曬之實驗，本案預定利用本所現有之場地，即位 41.
(59) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 處台北市景美地區的材料實驗中心及台南歸仁的實驗中心，可進 行長時間曝曬實驗，並可分別代表都市區、鄉村區、台灣北部、 台灣南部等地區特性。至台灣四周環海，氯離子影響是濱海區結 構物耐久性之一大考驗，所以本案亦將臨海地點納入規劃（目前 暫定於國立台灣海洋大學） ，期藉與台灣海洋大學合作關係，觀察 金屬與混凝土之大氣曝曬耐久耐候情況。 另為建立實驗當地之大氣資訊，有關大氣曝曬環境因子之蒐 集如下表。 表 4-2. 大氣曝曬環境因子記錄規定. 環境因子. 單位. 測量方式與次數. 報告項目. 氣溫. °C. 連續測試，或一天至少 3 次. 月平均溫度 年平均溫度. 相對溼度. %. 連續測試，或一天至少 3 次. 月平均溼度 年平均溼度. 氣溫高於 0°C，且 相對溼度大於 80%之潤溼時間. hour. —. 月平均時數 年平均時數. 降雨量. mm/d. 每月一次. 月總降雨量 年總降雨量. 大氣中 SO2 濃度. mg/m3. 連續性--每月一次. 月平均濃度 年平均濃度. 大氣中 SO2 沈積率. mg/m2/day. 連續性--每月一次. 月平均沈積率 年平均沈積率. 氯化物沈積率. mg/m2/day. 連續性--每月一次. 月平均沈積率 年平均沈積率. （資料來源：國家標準 CNS 14123）. 依據上述記載之大氣曝曬環境因子，我們可以依據國家標準 CNS 13401 所述，經過連續一年以上之量測，取得溼潤時間、氯 化物沈積率與二氧化硫沈積率等數值，即可將大氣腐蝕環境分為 五等級：C1 表示腐蝕性非常低，C2 表示腐蝕性低，C3 表示腐蝕 42.
(60) 第四章 試驗規劃. 性中等，C4 表示腐蝕性高，C5 表示腐蝕非常高。 表 4-3. 溼潤時間分類. 溼潤時間. 類別. hour/year. %. τ≦10 10<τ≦250 250<τ≦2500 2500<τ≦5500 5500<τ. τ≦0.1 0.1<τ≦3 3<τ≦30 30<τ≦60 60<τ. τ1 τ2 τ3 τ4 τ5. （資料來源：國家標準 CNS 13401）. 表 4-4. 氯化物沈積率分類. 氯化物沈積率 mg/m2/day. 類別. S≦3 3<S≦60 60<S≦300 300<S≦1500. S0 S1 S2 S3. （資料來源：國家標準 CNS 13401）. 表 4-5. 二氧化硫(SO2)沈積率分類. 二氧化硫沈積率 mg/m2/day. 二氧化硫濃度 µg/m3. 類別. Pd≦10 10<Pd≦35 35<Pd≦80 80<Pd≦200. Pc≦12 12<Pc≦40 40<Pc≦90 90<Pc≦250. P0 P1 P2 P3. （資料來源：國家標準 CNS 13401）. 43.
(61) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. τ1. 大氣腐蝕環境分類（以環境因子分類）. τ2. τ3 碳. τ4. τ5. 鋼. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. P0-P1. 1. 1. 1 or 2. 1. 2. 3 or 4. 2 or 3. 3 or 4. 4. 3. 4. 5. 3 or 4. 5. 5. P2. 1. 1. 1 or 2. 1 or 2. 2 or 3. 3 or 4. 3 or 4. 3 or 4. 4 or 5. 4. 4. 5. 4 or 5. 5. 5. P3. 1 or 2. 1 or 2. 2. 2. 3. 4. 4. 4 or 5. 5. 5. 5. 5. 5. 5. 5. 鋅. 與. 銅. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. P0-P1. 1. 1. 1. 1. 1 or 2. 3. 3. 3. 3 or 4. 3. 4. 5. 3 or 4. 5. 5. P2. 1. 1. 1 or 2. 1 or 2. 2. 3. 3. 3 or 4. 4. 3 or 4. 4. 5. 4 or 5. 5. 5. P3. 1. 1 or 2. 2. 2. 3. 3 or 4. 3. 3 or 4. 4. 4 or 5. 5. 5. 5. 5. 5. 鋁 S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. S0-S1. S2. S3. P0-P1. 1. 2. 2. 1. 2 or 3. 4. 3. 3 or 4. 4. 3. 3 or 4. 5. 4. 5. 5. P2. 1. 2. 2 or 3. 1 or 2. 3 or 4. 4. 3. 4. 4 or 5. 3 or 4. 4. 5. 4 or 5. 5. 5. P3. 1. 2 or 3. 3. 3 or 4. 4. 4. 3 or 4. 4 or 5. 5. 4 or 5. 5. 5. 5. 5. 5. Note—Corrosivity is expressed as the numerical part of the corrosivity category code (for example: 1 instead of C1)。 （資料來源：國家標準 CNS 13401）. 44. 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 44. 表 4-6.
(62) 第四章 試驗規劃. 4.1.9. 劣化期間狀況 定期檢視試片情況，如有異常事項，可記載於上。. 4.1.10. 劣化後試片表面觀察 試片下架後，其表面外觀如有任何改變，皆需有所描述。如. 鏽蝕分布、深度等。可附照片加以輔助。 4.1.11. 去除腐蝕生成物. 一、表面無披覆鋼板試片 去除表面無披覆鋼板試片之腐蝕生成物，可採用國家標 準 CNS 附錄 A 之 C3.5 化學清洗法進行。因為此方法利用鹽 酸等強腐蝕性藥劑，建議選擇戶外空曠處或有良好抽氣設備 之地進行。人員應穿著具防護效果之衣著與面罩。 （一）設備 1.酸洗藥劑：將500mL鹽酸(HCl, ρ=1.19g/mL)與3.5g環 六 甲 基 四 銨 (hexamethylenetetramine) 加 蒸 餾 水 至 1000mL後製成。 2.磅秤：可精確量至0.001g。 3.定量瓶：容量1000mL（或以上） ，泡製酸洗藥劑之用。 4.玻璃燒杯：容量2000mL（或以上） ，放置酸洗藥劑並 浸泡鋼板之用。 5.紙巾、吹風機：擦乾試片上之酸洗藥劑。 （二）步驟 1.將500mL鹽酸入定量瓶中。 2.秤取3.5g環六甲基四銨，並小心倒入定量瓶。 3.將蒸餾水倒入定量瓶，直至到達1000mL刻度線（需 緩慢逐次加入，以免發生噴濺） 。 45.
(63) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 4.混合成為酸洗藥劑，置入玻璃燒杯中（需沿著燒杯壁 小心倒入，以免發生噴濺） 。 5.將試片浸入酸洗藥劑中5分鐘。 6.5分鐘後取出，觀察腐蝕生成物去除狀況。若還留有 大量腐蝕生成物，可再浸入酸洗藥劑中5分鐘。試片 取出隨即以清水將酸洗藥劑沖洗乾淨。 7.將試片以紙中擦乾，並以吹風機將水漬吹乾。 8.進行秤重。再重覆步驟5~7，直至試片恆重，表示腐 蝕生成物已完全除去。 二、塗裝鋼板試片 此類試片需有二程序：首先將基材外之披覆料去除，再 以一、（二）之各步驟之化學清洗法進行腐蝕生成物去除。 （一）設備 1.強力去漆劑：注意是否對基材為無腐蝕性。 2.刮刀：刮除試片表面塗料之用。 3.酸洗藥劑：同前述一、（一）1。 4.磅秤：同前述一、（一）2。 5.定量瓶：同前述一、 （一）3。 6.玻璃燒杯：同前述一、（一）4。 7.紙巾、吹風機：同前述一、（一）5。 （二）步驟 1.將試片浸於強力去漆劑30分鐘後，以刮刀刮除試片表 面塗料。 2.以清水將殘留去漆劑沖去。 3.將刮除塗料後之試片以一、（二）之各步驟之化學清 洗法進行腐蝕生成物去除。並記錄其基材之最終恆 重。 46.
(64) 第四章 試驗規劃. 三、鍍鋅鋼板試片 此類試片亦有二程序：首先採國家標準 CNS 14122 之 C9.5 化學法，將基材外之鍍鋅層去除，再以一、（二）之各 步驟之化學清洗法進行腐蝕生成物去除。 （一）設備 1.去鋅藥劑：100g過硫酸銨[(NH4)2S2O8]加蒸餾水至 1000mL所製成。 2.酸洗藥劑：同前述一、（一）1。 3.磅秤：同前述一、（一）2。 4.定量瓶：同前述一、 （一）3。 5.玻璃燒杯：同前述一、（一）4。 6.紙巾、吹風機：同前述一、（一）5。 （二）步驟 1.秤取100g過硫酸銨放入定量瓶，再加入蒸餾水至 1000mL刻度線，製成去鋅藥劑。需將過硫酸銨充分 溶解。 2.將試片浸入去鋅藥劑中5分鐘。 3.5分鐘後取出，觀察鍍鋅層去除狀況。若還留有大量 鍍鋅層，可再浸入去鋅藥劑中5分鐘。試片取出隨即 以清水將去鋅藥劑沖洗乾淨。 4.將除去鍍鋅層後之試片以一、（二）之各步驟之化學 清洗法進行腐蝕生成物去除。並記錄其基材之最終恆 重。 4.1.12. 結果計算 根據第 4.1.5 節之基材重量與第 4.1.11 節去除腐蝕生成物後之. 基材重，計算二者之重量差，即為試片經大氣曝曬產生的腐蝕生 成物重量。計算腐蝕速率如下二公式： 47.
(65) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. rcorr = ∆m / ( A ⋅ t ). （單位：g/m2/y）. rcorr = ∆m / ( A ⋅ ρ ⋅ t ). （單位：µm/y）. 其中. ∆m＝劣化前後重量損失（單位：g） A＝劣化接觸總表面積（單位：m2） t＝曝露時間（單位：年，y） ρ＝密度（單位：g/cm3） 而密度： 鋼＝7.86g/cm3，鋅＝7.14g/cm3，銅＝8.96g/cm3，鋁＝2.70g/cm3， 依據國家標準 CNS 13401，可用試驗而算得之金屬最初第一 年之腐蝕速率，將大氣腐蝕環境分類。 表 4-7 大氣腐蝕環境分類（以各種標準金屬最初第一年之腐蝕速率區分） 腐蝕性 分類. 腐蝕速率(rcorr) 單位. 碳鋼. 鋅. 銅. 鋁. C1. g/m2/y µm/y. rcorr≦10 rcorr≦1.3. rcorr≦0.7 rcorr≦0.1. rcorr≦0.9 rcorr≦0.1. 省略 —. C2. g/m2/y µm/y. 10＜rcorr≦200 1.3＜rcorr≦25. 0.7＜rcorr≦5 0.1＜rcorr≦0.7. 0.9＜rcorr≦5 0.1＜rcorr≦0.6. rcorr≦0.6 —. C3. g/m2/y µm/y. 200＜rcorr≦400 25＜rcorr≦50. 5＜rcorr≦15 0.7＜rcorr≦2.1. 5＜rcorr≦12 0.6＜rcorr≦1.3. 0.6＜rcorr≦2 —. C4. g/m2/y µm/y. 400＜rcorr≦650 50＜rcorr≦80. 15＜rcorr≦30 2.1＜rcorr≦4.2. 12＜rcorr≦25 1.3＜rcorr≦2.8. 2＜rcorr≦5 —. C5. g/m2/y µm/y. 650＜rcorr≦1500 80＜rcorr≦200. 30＜rcorr≦60 4.2＜rcorr≦8.4. 25＜rcorr≦50 2.8＜rcorr≦5.6. 5＜rcorr≦10 —. （資料來源：國家標準 CNS 13401）. 可將表 4-6 與表 4-7 所得之大氣腐蝕環境分類作一比對。 第二節. 混凝土大氣曝曬試驗規劃. 製作直徑 10cm 高 10cm 之圓柱試體，置於曝曬地點。需注意的是， 除曝曬面外，其餘需以不具滲透性之環氧樹脂封住，避免干擾實驗結 48.
(66) 第四章 試驗規劃. 果。每隔 6 個月鑽心取樣，並利用本所材料實驗中心之離子層析儀或 電位滴定法，測得混凝土內部不同深度之氯離子入侵含量。 4.2.1. 取樣 於混凝土試體中心位置之垂直面鑽出約 2cm 直徑之圓柱，並. 平行浸漬面或曝露面每間隔 0.5cm 切取試片，如圖 4-1。之後將試 片研磨粉碎，並將粉末通過 50 號篩後烘乾。取出粉末 3g 進行氯 離子溶液萃取。. 5cm. 直徑2cm 每片厚度0.5cm. 圖 4-1. 氯離子含量試驗之混凝土取樣. （資料來源：本研究繪製）. 4.2.2. 萃取 將 3g 粉末放入燒杯，加入 10mL 去離子水，並以加熱攪拌台. 進行加熱攪拌，使粉末均勻分散。再加入 3mL 濃硝酸持續攪拌， 接著加入 50mL 沸騰水稀釋攪拌。 如試樣含爐石或硫化物材料，必須加 3mL 的 3%過氧化氫溶 液，與 5 滴甲基澄指示劑，若溶液酸性不足時再加少量濃硝酸持 續攪拌至指示劑呈粉紅或紅色為止。燒杯蓋上，加熱 250~400°C 至沸騰 1 分鐘後即可移開加熱台。 49.
(67) 金屬及混凝土耐久耐候性評估之應用與探討－戶外曝曬試驗. 利用 Whatman 濾紙（#41 在上，#40 在下）進行雜質過濾。濾 後利用沸騰去離子水沖洗濾紙，將殘留在濾紙上的氯離子洗入燒 杯中。最萃取溶液保持約 125~150mL，蓋上錶玻璃置於室溫直至 冷卻。 4.2.3. 氯離子濃度量測（電位滴定） 樣本滴定前須經酸化處理，將次氯酸根還原成氯離子以供量. 測。參考 CNS 5858，主要利用 0.01N 標準硝酸銀溶液滴定含有氯 離子的溶液使其產生白色氯化銀沈澱。 藉由滴定終點所得之硝酸銀溶液滴定量與已知濃度，可計算 滴定溶液中氯離子含量。. N Cl =. N AgNO VAgNO VCl 3. 3. 其中. N Cl 是氯離子濃度(mole/L). N AgNO 為 0.01N 標準硝酸銀溶液 3. VAgNO 滴定終點硝酸銀溶液滴定量(mL) 3. VCl 為氯離子溶液滴定樣本數(mL) 4.2.4. 氯離子濃度量測（離子層析法，適用於氯離子濃度極低之情況） 依據國家標準 CNS 14918，其原理是使待測溶液通過充填樹. 脂之分離管，離子與樹脂產生交換作用而吸附於樹脂交換基上,此 時再加入流洗液沖提，使其脫離交換基，再度變成自由離子，再 不斷重複此一吸附與沖提之循環。由於溶液中離子電荷數，離子 半徑及質量等因素，對樹脂之親和力會產生差異，親和力越大越 容易吸附，且越難沖提，因此造成通過分離管所需時間不同，且 各自形成離子群，此時再測量其溶液總導電率，並藉由軟體繪製 時間與溶液總導電率之關係曲線，在藉由比對不同濃度標準溶液 50.
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