1- 3 研究範圍

第一章 緒論

1-1 前言

隨著時代改變、科技進步，以及人們的需求，結構物演進由天然 石材、磚塊等材料組成簡單之結構物演化至今日的鋼筋混凝土結構物 及鋼骨結構物。鋼筋混凝土具有價廉、耐久、施工容易等優點，在營 建材料中扮演著極為重要的角色。從力學的觀點而言，因為混凝土具 有相當良好的抗壓強度，而鋼筋具有高韌性與高張力性，使鋼筋混凝 土受張力不致有立即之危險。以化學的觀點來看，鋼筋表面有一層鈍 化膜，在高鹼環境下，鋼筋不會受到腐蝕因子之威脅，而混凝土之高 鹼環境提供了鋼筋鈍化膜生存的空間，使鋼筋在混凝土中達到最佳之 防護。

鋼筋混凝土結構物在現今環境中大量被使用，然而由於台灣四面 環海，終年受海風侵襲，加上高溼度，導致鋼筋混凝土結構物飽受鹽 害威脅。另一方面，台灣地區經濟快速成長，都市集居，汽機車數量 急速增加，大量排放二氧化碳，致使空氣中二氧化碳濃度偏高，產生 橋樑與建築物混凝土中性化問題。混凝土中性化影響混凝土中高鹼性 環境，鋼筋之惰性保護膜易遭破壞，再加上氯離子與水分藉由細小裂 縫穿過保護層到達鋼筋表面，造成鋼筋腐蝕。

腐蝕初期對鋼筋混凝土之強度影響不大，但若腐蝕持續進行導致 鋼筋膨脹，會加速鋼筋之腐蝕速率，且鋼筋之腐蝕生成物會導致鋼筋 表面產生疏鬆依附物，導致鋼筋體積膨脹，約為原鋼筋體積的 2 倍以 上甚至達 7 倍體積之多，因而產生膨脹張應力(約 400kg/cm²) ，此膨 脹張應力遠大於混凝土所能抵抗之張應力，造成混凝土脹裂，甚至導 致混凝土塊剝落。所以腐蝕是造成鋼筋混凝土結構物失敗重要原因之 一。

腐蝕初期不易察覺，當發現結構物混凝土產生嚴重剝離而需進行 修復時，皆已成為腐蝕末期之結構物，往往該鋼筋混凝土結構物已不 堪使用，只有拆除一途，造成經濟損失。因此鋼筋混凝土結構物腐蝕 目前是一個全球性的問題，所以為有效解決鋼筋混凝土腐蝕的問題，

有必要對腐蝕的基本現象進行探討，以便在結構物設計階段或腐蝕初 期及早預防，減少損失。

本研究係以電化學觀點，在不同環境下檢測鋼筋腐蝕電位，鋼筋 腐蝕速率等變化探討鋼筋腐蝕現象。

1- 2 研究動機與目的

鋼筋混凝土具有價廉、耐久、施工容易等優點，在現今建築物環 境中被大量使用。台灣位處高溫、高溼度的亞熱帶海島型氣候且四面

環海，終年溼度高達 80％以上，導致台灣建築物處高腐蝕環境。在眾 多研究報告中指出，鋼筋混凝土構物遭受到外界腐蝕因子直接介入，

腐蝕造成鋼筋混凝土結構物失敗重要因素。因此利用 GPM 腐蝕量測儀 檢測鋼筋腐蝕電位檢測鋼筋腐蝕速率可推算出鋼筋腐蝕重量損失，進 而可推知使用年限，在設計、防蝕及使用上將有莫大的幫助。

1- 3 研究範圍

本研究係設計水灰比 0.6，保護層 6 ㎝鋼筋混凝土試體，探討澆 灌完成從養護到完全凝固期，及鋼筋在 pH13 氯離子濃度 0﹪、0.3﹪、

3﹪及 pH 值為 8 的水溶液中探討鋼筋腐蝕電位、腐蝕速率等之腐蝕行 為。本研究之流程如圖 1-1 所示。

第二章 文獻回顧

2-1 電位與腐蝕機理

1. 1973 年 Stratfull,R.L. 【1】提出對電位偵測技術之限制，特別 是單由電位值不能指出腐蝕速率或腐蝕嚴重程度。

2. 1978 年英國工業部【2】指出鐵的電位差在 30mV 以內則為穩定不 腐蝕狀態；電位差超過 100mV 則鐵出現腐蝕現象。

3. 1986 年 A.F.Baker 【3】使用氯化鈣加速水槽的混凝土惡化，利用 電位量測技術探討氯離子對腐蝕影響且發現上層鋼筋腐蝕電位從 -190mV 到-380mV。

4. 1993 年吳範卿 【4】使用半電池電位偵測裝置，偵測鋼筋可能發 生腐蝕之位置以及長度。研究結果發現對於導電性較差之試體，難 以應用 ASTM 標準中之臨界值-200~-350mV，實驗中利用尖峰電位與 最低電位之中間值來決定腐蝕位置及長度，並定義預測腐蝕位置之 正確率、預測腐蝕長度正確率來評估使用之預測法則，得知其成果 較實際保守。

5. 1995 年蘇柏仁【5】指出利用電化學方法量測鋼筋的腐蝕電位與腐 蝕速率，僅能針對鋼筋腐蝕狀況作一評估，而對混凝土破壞狀況並 無太多之貢獻

6. 2000 年陳主文【6】利用敲擊回音法，將結果在頻率域中分析，可

彌補電化學檢測技術對鋼筋混凝土之腐蝕位置及腐蝕多寡的不確 定因素。

2-2 保護層厚度與腐蝕關係

1. 1972 年 Houston,Atimay 和 Ferguson 【7】模擬海洋環境探討放置 兩年之試體保護層厚度與腐蝕之關係。指出若保護層和鋼筋直徑之 比值和鋼筋斷面腐蝕量之百分比成反比。

2. 1977 年 Bird 和 Callaghan 【8】推導鋼筋腐蝕減少重量之對數值 和保護層厚度之平方成正比。

3. 1983 年 Beeby 【9】研究許多學者的結果指出增加保護厚度會使腐 蝕量降低。

4. 1983 年 ASTM Corrosion of Metals In Association With Concrete

【10】探討防治鋼筋混凝土腐蝕方法，指出保護層在防治鋼筋腐蝕 中有兩種功能：一、防止有害物質進入而與鋼筋發生反應，二、可 抑制鋼筋生鏽後產生體積膨脹之作用力。

5. 1985 年 ACI Committee222 【11】探討混凝土環境因素對腐蝕之影 響，指出隨建築物之環境變動愈大，保護層厚度亦應愈大。

6. 1996 年 J.G.Cabrean 【12】研究指出鋼筋混凝土保護層厚度與腐 蝕程度將成反比關係

7. 1997 財團法人中興工程顧問社【13】 混凝土的保護層厚度的決定、

搗實的程度、養護的過程都對於現今的腐蝕有一定的影響。

8.

2000 年吳文斌【14】 應用氯離子擴散試驗、快速氯離子滲透試驗 及混凝土電阻係數三項試驗進行混凝土耐久性評估，研究中指出於 水灰比 0.4~0.65 中，混凝土最大電阻係數（水分損失量約在 60％）

約大於最小混凝土電阻係數（水分損失量 0％）4.8~5.3 倍，且保 護層越厚鋼筋極化電位越高、量測距離越大與混凝土水分損失量越 高鋼筋極化電阻越高。

2-3 混凝土強度與腐蝕關係

1. 1992，黃然、吳建國【15】 指出一般鋼筋混凝土結構物設計使用 年限皆長達數十年之久。但是因為使用上材料不同，混凝土品質不 佳，周遭環境影響等等，實際上有許許多多的鋼筋混凝土結構物尚 未達到預期使用年限就需進行補修甚至拆除重建。

2.

1997 財團法人中興工程顧問社【16】 骨材對於腐蝕的影響主要是 在於骨材的粒徑大小，骨材的粒徑愈小，在骨材周圍所能產生的縫 隙就愈少，混凝土就會較為緻密，所以滲透性就會較小，相反粒徑 愈大滲透性愈大，將來對於腐蝕發生的機率也愈大。

2-4 腐蝕機理

1. 1989 林維明【17】 鋼筋在高鹼性（pH 值 12~14 之間）的環境下，

其表面會形成一層鈍化膜，此鈍化膜對鋼筋具有保護作用。

2. 施漢章【18】材料原為礦石或是氧化物中冶鍊，再度變為化合物而 回歸穩定也是自然的趨勢，因此材料在某種適當的環境下，不論經 由化學或是電化學的反應方式而發生腐蝕，也是自然的現象腐蝕通 常是經由一段時間醞釀，當損害的現象較為顯著時，才會造成破壞。

3. 1994 施建志、林葆喜【19】 鋼筋之腐蝕生成物會導致鋼筋表面產 生疏鬆依附物，導致鋼筋體積膨脹，約為原鋼筋體積的 2 倍以上甚 至達 7 倍體積之多。造成混凝土脹裂，甚至導致混凝土塊剝落。

4. 1977 年 Baker,E.A.,Money,K.L.,and Sanborm,C.B. 【20】建議為 防止混凝中鋼筋發生腐蝕應以防蝕效果較佳之 ASTM 波特蘭第二型 水泥代替第一型。

2-5 氯離子對鋼筋腐蝕的影響

1. 1995 李釗 【21】氯離子造成鋼筋混凝土結構物腐蝕機理，主要是 氯離子會破壞鋼筋表面的鈍化保護膜，行成水溶性的氯化鐵錯合 物，並溶解離開鋼筋表面擴散到混凝土中，與氫氧根離子結合生成 氫氧化鐵釋放出氯離子，在與氧和水反應生成鐵銹。

2. 1998 蔡得時 【22】若骨材取自於海岸線或挖泥之堆積場，則可能 含有硫化物或氯化物，而有害鋼筋，甚至對混凝土可能會有損害。

3. 1999 年 洪乃丰【23】 指出在氯鹽環境中鋼筋混凝土結構物，使

用 15-20 年（或更短）就出現鋼筋腐蝕破壞需要修護，鋼筋腐蝕直 接影響結構使用壽命，已經成為世人關注的問題。

4. 2000 年江明鴻【24】使用三種不同配比之混凝土進行 RCPT-電流 法、RCPT-濃度法及混凝土電阻試驗。研究成果得知當添加氯離子 含量增加時，鋼筋腐蝕速率逐漸增加。

第三章 基本理論

3-1 腐蝕之基本定義

多數金屬礦物皆以氧化狀態之穩定化合物形式存在於自然界；混 凝土中之鋼筋是由鐵礦(即鐵鏽礦)經過加熱冶煉而成，因鐵礦冶煉成 金屬狀態需吸收大量能量，故暴露在大氣中鋼筋只要周遭的環境條件 充足，便會使鋼筋回歸到其原來的狀態即俗稱之生鏽（腐蝕），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狀態，由上述可 知腐蝕屬於自然反應。

腐蝕的過程是一種化學反應，造成鋼筋腐蝕原因很多，主要有自 然環境，如潮濕的空氣、含侵蝕性的材料、海洋環境等。鋼筋腐蝕的 機理，一般約略可分為化學腐蝕、電化學腐蝕，應力腐蝕等三種形式，

而鋼筋混凝土結構物中鋼筋腐蝕主要是電化學腐蝕。而電化學腐蝕基 本需具備：陽極、陰極、電導路通、電流、電解溶液（如圖 3-1）等要 件，缺一腐蝕行為無法進行。

3-1-1 電化學(Electrochemistry)

電化學是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程。 電解 質(Electrolyte)是其溶液具有電解性質之溶液 (Electrolytic

Solution)它含有部份之離子(Ions),經由此等離子之移動 (Movement) 而能導電。帶陰電荷朝向陽極(Anode)移動(Migrate)稱之為陰離子 (Anion),帶正電荷朝向陰極(Cathode)移動者稱之為陽離(Cations)。

這些帶電荷之粒子(Particles)稱之為離子(Ions)。放出電子產生氧化 反應之電極稱之為陽極,得到電子產生還元化應之電極稱之為陰極。整 個反應過程稱之為電解(Electrolysis)。

3-1-2 電化學腐蝕

電化學腐蝕是鋼筋腐蝕的主要形式，幾乎所有的鋼筋腐蝕皆與電 化學腐蝕有關。

電化學腐蝕必須具備兩個條件：

一、鋼筋表面形成電位差，即在鋼筋表面不同電區段形成陽極與陰 極。

二、陽極部位的鋼筋表面處於活化狀態，可以自由的釋放電子，陰 極部位的鋼筋表面存在足夠的水和氧。在潮濕的環境下，鋼筋 表面總是存在水膜和溶於水膜中的氧氣。

由於鋼筋材質和表面的非均勻性，鋼筋表面總有可能形成電位 差，因此在潮濕的環境下鋼筋就可以發生電化學反應。

3-1-3 電化學腐蝕過程

一、 在陽極的反應：

電化學反應中，電極板上進行著電荷轉移的現象，於陽極板上發 生氧化反應或稱陽極反應，陽極為化學性氧化反應的電極，鐵析出鐵 離子而釋放出電子，如金屬由原子狀態因放出電子而變成金屬離子。

Fe → Fe⁺⁺ + 2e

-

………（3-1）

二、在陰極的反應：

陰極為化學性還原反應的電極，即水與空氣中的氧吸收游離電子 而形成氫氧離子。

H²O +

1/2

O² + 2e^- →2OH^-………（3-2）

陽極、陰極的反應生成的鐵離子和氫氧根離子（OH^-）結合成氫氧 化鐵（沉澱作用）。

Fe²⁺ + 2（OH）^－ → Fe（OH）² ……… （3-3）

氫氧化鐵與水中的氧作用生成氫氧化鐵（氧化作用）

4Fe（OH）² + 2H²O ＋ O² → 4Fe（OH）³ ………… （3-4）

三、導電路通：

由上式（3-1）、（3-2）反應可得知，氧化或還原必須有電子轉移，

因此要有良好導電通路提供電子的活動，如此才有腐蝕的行為發生。

四、電流：

腐蝕行為的產生，必須要有足夠的電子數，方可使離子化反應進 行，換言之要驅動電子的流動，要有足夠的電動勢。

五、電解溶液：

電化腐蝕又稱為濕腐蝕，必須在潮濕，水氣足夠的環境下氧化還 原反應才會發生。在濕潤的環境下，若電解溶液來源十分充裕，離子 的移動速率比金屬氧化擴散作用快，則金屬腐蝕速率將會加快。

3-2 混凝土中鋼筋的腐蝕機理

由於混凝土中的水、水泥經水化作用後，產生 Ca(OH)²氫氧化鈣等 化合物，使混凝土中的空隙溶液形成一高鹼性環境，鋼筋在高鹼性(pH 值在 12~14 之間)的環境中，其表面會形成一種鈍化膜(Fe²O³)，此鈍化 膜對鋼筋具有保護作用，鋼筋不會產生腐蝕。鋼筋混凝土結構物常因 處在高鹽害環境，導致氯離子侵入鋼筋混凝土內，則鹼性環境對鋼筋 的保護作用會消失，使鋼筋鈍化保護膜受到破壞，鋼筋因而腐蝕。腐 蝕機理可用鐵的 E-pH 圖來表示(圖 3-1)。在一定電位以下，鐵是不會 腐蝕，這是鐵的免疫區。在一定電位以上鐵可能會腐蝕(酸性中)或鈍 化(鹼性中)。

在一般情形之下，鋼筋是處於鈍化狀態，受高 pH 值的混凝土保護

著。但隨時間及材料使用與混凝土本身改變或外在因素的影響，鋼筋 可能從鈍化區轉變到腐蝕區。

造成鋼筋腐蝕原因主要有下列二點：

一、中性化

因為混凝土中的 Ca(OH)²遇水後，會解離為 Ca 離子及 OH^-離子，所 以混凝土的酸鹼度一般為 12~14。在此酸鹼度下，鋼筋表面會形成一層 鈍化膜。當鈍化膜形成後，鋼筋即受到此鈍化膜保護而不再腐蝕。然 而混凝土的 Ca(OH)²會和空氣中的二氧化碳反應產生中性的 CaCO³(pH 值為 7)，使得混凝土的酸鹼度由 12~14 降至 7。此一反應稱為中性化 反應。

當混凝土材料暴露在大氣中，尤其是工業污染之環境下，含有二 氧化碳或三氧化硫等酸性氣體會使混凝土之 pH 值降低，由原先的 12~14 降到 9 左右，反應過程可用下列反應式表示：

3 2 2

2

O CO H CO

H + →

………（3-8）

( ) ^{OH CaCO H O}

Ca CO

H

_{2 3}

+

₂

→

₃

+

2 ₂ …………（3-9）

當 pH 值降低，鋼筋的表面狀態就會由鈍化區變為腐蝕區，因此鋼 筋腐蝕需要將鋼筋表層之鈍化膜分解，鋼筋一旦遇混凝土孔隙中之氧

氣和水份可釋放出鐵離子並反應而生成氧化鐵，此時所生成的氧化鐵 性質鬆脆多孔不具保護作用，鋼筋因此仍然接觸中性環境而繼續腐 蝕，鋼筋一般在中性化環境中的腐蝕反應過程可用下列反應是表示：

( )

3 3

2 2 3

2

2

FeO FeCO Fe OH

Fe  →

^O



^H

 →

^CO

 

^H

 →

^O



⁺



^O …（3-10）

當表面混凝土產生中性化反應後，二氧化碳接著由混凝土中的孔 隙滲入混凝土中，逐漸將較深的混凝土轉變為中性。假設混凝土中性 化反應進行到鋼筋表面，鋼筋表面的酸鹼度降至 7，鋼筋表面的鈍化膜 即變成不穩定，鋼筋即因混凝土中性化而開始腐蝕。

混凝土發生中性化時，是由最外層漸漸向內侵入，當中性化層到達 鋼筋時，腐蝕開始進行。所以，中性化的進行速度決定了鋼筋腐蝕發 生的時間。中性化速度和很多因素有關，但歸根究底，則和二氧化碳 (CO₂)在混凝土中反應及擴散的速度有關。任何促進 CO₂ 擴散及反應的 因素，會促進中性化的速度。中性化的速率可以簡化如下和時間的關 係式：

D＝K

t

………（3-11）

D：中性化深度 K：中性化係數

t：時間

由上式可以看出，當保護層愈厚，鋼筋表面混凝土中性化愈慢。

而且每當保護層增加一倍，中性化速率延緩四倍。K 值則和二氧化碳 滲透速度、混凝土中氫氣化鈣有關。綜合而言，影響混凝土中性化的 因素如后：(一)外在環境；(二)水泥的成份；(三)混凝土中的水泥含 量；(四)混凝土的滲透率；(五)混凝土的緻密度；(六)混凝土中的裂 縫；(七)保護層厚度。

二、鹽害

當混凝土中鋼筋表面的氯離子超過一臨界值時將會造成混凝表 面的鈍態膜分解，鋼筋表面的保護性鈍態膜開始破壞，接著鋼筋開始 腐蝕膨脹造成混凝土龜裂。鹽害各階段劣化定義如（表 3-5）

混凝土孔隙中的水與氧氣其反應式如下所示：

− +

→

+ Cl

⁻

FeCl

⁻

e

Fe

6 2 4

2 ₃

………（3－5）

−

− −

+

→

+ OH Fe OH Cl FeCl

4 2 ( ) 6

2 _{3 2}

………（3－6）

3 2

2

2

( )

4 1 2

) 1

( OH H O O Fe OH

Fe + + →

（鐵鏽）………（3－7）

由上述反應機制可知氯離子在反應過程中被釋放出來，進一步 再與鐵產生反應，造成鋼筋上的鐵不斷的釋出而形成鐵鏽，而氯離子 行為像催化劑一般再加速腐蝕。由於腐蝕的過程中不斷的消耗氫氧根 離子（OH^－），亦可能會降低混凝土中的 pH 值。

這邊我們指的氯離子含量是指游離態的氯離子。氯離子在混凝土

中會以兩種型態存在。一是游離態的，另一是固定態的。游離態的氯 離子存在於混凝土的毛細孔中，遇水會溶解於水。固定態的則和水泥 反應而形成以下化合物：

3CaO、Al₂O_３、CaCl₂、10H₂O (Friedels salt) 或 3CAO、Al₂O₃、3CaCl₂、 32H₂O

此時氯離子被水泥中的 C₃A（鋁酸三鈣）固定著而不溶於水。從鋼 筋腐蝕的角度而言，只有能溶解於毛細孔的水的氯離子才有危害性，

因此固定態氯離子是無害的。若氯離子是在混凝土生產時即加入時(例 如「海砂」)，則大部份(90%)的氯離子會形成上述的固定化合物，而 只有 10%的氯離子是以游離態氯離子存在，但是當混凝土中性化後，固 定態的氯離子會被放出而形成游離態氯離子，如果氯離子是混凝土硬 固後才由外界滲透進入時(如海風吹來的)則一半的氯離子會以游離態 存在。

氯離子進入混凝土中通常有兩個途徑，其中一個是”混入”，如 摻用含氯鹽外加劑、使用海砂、施工用水含氯鹽、在含鹽環境中拌制、

灌注混凝土等；其二是”滲入”，是環境中的氯鹽，通過混凝土的宏 觀、微觀缺陷，滲入到混凝土中並到達鋼筋表面。

（一）氯離子混入主要途徑有：水灰比、骨材、水泥成份及品質與摻 料的特性而有所不同。

1.水泥：製造水泥的材料石灰石和黏土中含有氯化物的機會不 大，所以在一般情形下水泥中的氯離子含量極低，但是若燒製 水泥時使用的燃料中含有氯化物，如廢輪胎等，則水泥中可能 含有氯化物。

2.水：拌合水一般為飲用水較無問題，但若使用地下水及工業廢 水或海水氯離子含量必然大增，則會引進大量的氯離子進入混 凝土，此刻水的危害將可能比未清理乾淨的海砂更為嚴重。目 前沿海很多地區發現因超抽地下水供水產養殖，致地盤下陷，

海水入侵，造成土質鹽化現象，以致該區域地下水所含氯離子 甚至超過 20000ppm，與海水成份（34000 ppm）相較已相當嚴重，

因此有必要加強控制。

3.粒料：因骨材的級配不良，造成混凝土產生泌水及析離的現象，

將會形成水、氯化物、氧氣和二氧化碳等有害物質侵入的通道，

進而促使腐蝕的進展。若骨材取自於沿海、海岸、河口開挖或 海岸線挖泥之堆積場，則可能含有硫化物或氯化物，而有害鋼 筋，甚至對混凝土可能會有損害。

4.摻料：若過量使用氯化鈣作為速凝劑或藉添加氯化鈣控制凝結 時間的減水劑和強塑劑作為混凝土摻料等易造成鋼筋腐蝕。

(二)外來環境的滲入：係指海洋或工業廢水中所含的氯離子。

各國對鋼筋混凝土構造物，混凝土最大水溶性氯離子含量規定為

（表 3-2）所示，當超過規定值時，鋼筋則需作防銹處理。氯離子濃度 相關規範如（表 3-3）。

當氯離子腐蝕及混凝土中性化同時進行時，如果氯離子是一開始 就加入，而且加入量不是很大，因為大部份的氯離子會被水泥中的 C₃A 固定著，使得游離態氯離子含量不高，鋼筋是不會腐蝕。但是混凝土 中性化後，Cl- OH-的比值提高，造成鋼筋嚴重腐蝕。例如混凝土的 pH 值由原先的 12 下降到 10 以下時，Cl- OH-會提高 100 倍，而且混 凝土中性化後，原來被固定的氯離子會被釋放出來，因此 Cl- OH-比 值更是提高。

這種問題尤其容易發生在混凝土品質及施工品質不佳的情況 下。混凝土品質不佳如水泥量不夠，水灰比太高時混凝土容易中性 化；混凝土強度不夠容易產裂縫，導致雖然混凝土本身沒有中性化，

但裂縫本身中性化，裂縫附近的混凝土也會受影響而中性化。又例如 施工品質不佳導致保護層不足，所以在很短的時間鋼筋內附近的混凝 土發生中性化而使得鋼筋附近的游離態氯離子濃度提高，Cl- OH- 比值提高，因此鋼筋開始鏽蝕。

腐蝕本身是一種電化學反應，其包含陽極反應及陰極反應，而反 應過程的電子及離子傳遞則需要介質。換言之鋼筋的腐蝕速度取決於

陽極、陰極反應及電子與離子傳遞的容易與否。

3-3 鋼筋腐蝕檢測

鋼筋的腐蝕性質或物理性質的檢測是判斷鋼筋腐蝕最直接的方 法。但是由於鋼筋混凝土是一極為複雜的材料，測量鋼筋腐蝕速度或 腐蝕量並不容易。以下介紹幾種常用的方法及其優缺點。

3-3-1 測量腐蝕電位

使用一個高輸入阻抗的電位計，一端接參考電極（如銅 / 硫酸 銅或銀/氯化銀），另一端接工作電極（鋼筋），就可以測量鋼筋的腐 蝕電位。依據 ASTMC876-85 標準，腐蝕電位在-350mV (Cu / CuSO⁴) 以 下時。鋼筋 90%可能腐蝕，腐蝕電位在-200mV (Cu / CuSO⁴) 以上時，

腐蝕發生的機率在 10%以下 (如表 3-4) 。

另外我們亦可在一個結構物上分成數個測試點，然後測量各測試 點的腐蝕電位，並製成一腐蝕電位分佈圖，再由此一分佈圖來判斷腐 蝕的區域，以利後續的維修規劃。雖然腐蝕電位在使用上相當簡便，

但是有以下的缺點：

一、 數據只能指出鋼筋是否有發生腐蝕的可能，卻無法告訴我們鋼 筋的腐蝕速度。

二、上述的判斷標準只是一個經驗法則，在若干情形並不適用。

3-3-2 測量瞬間腐蝕速率

直接測量鋼筋腐蝕速率可以了解結構的腐蝕原因，協助規劃最適 當的維修方法及評估防蝕措施的效果。由於鋼筋腐蝕是一種電化學反 應，測量其電化學反應速度就可以獲知鋼筋的腐蝕速度。在實驗室中，

以下幾種方法可以用來測量鋼筋的腐蝕速度 ，這些方法包含 LPR (Linear Polarization Resistance) ， AC Impedance ， GPM

（Galvanostatic Pulse Method）等電化學方法。

以下簡單介紹其原理：

一、LPR 線性極化法

直流極化法可分為塔佛(Tafle)斜率外推法與直線極化法，一般用 來量測金屬材料的腐蝕速率。假設在腐蝕系統中，電極反應是由電荷 所傳遞控制，如果對系統外加一微小的過電壓(Overpotential)，所得 的電流會與電壓成一線性關係，此線性的斜率稱之為極化阻抗 (Polarization Resistance)如(3-12)式:

I R

_P

E

∆

= ∆

………(3-12)

其中

R

_P＝極化電阻(ohm-cm²)

△ E＝電位變化； (V)

△ I＝電流；（A/ cm²）

將極化阻抗值代入 Stern-Geary 方程式，即可求得腐蝕速率如下(3-13) 式:

腐蝕速率＝

^{β β}

β β a c a c

I E

B Rp 2 3 . ( + ) × ∆ =

∆

………（3-13）

式中 βa＝陽極 Tafel Slope；

βc＝陰極 Tafel Slope；

B＝Stern-Gearey 常數；（一般為假設值或由實驗獲得）

根據 Stern 報告βa、βc 之值變化不大，假設陽極和陰極之值為 0.12，

則可簡化成：

Icoor＝0.026/Rp………（3-14）

所得之腐蝕速率（Icoor）可用（表 3-6）簡單判定腐蝕程度 DC 線性極化法的偵測必須利用三電極式(工作電極、參考電極和輔助電 極)才能求得極化圖之斜率（如圖 3-3），以追蹤腐蝕狀況。

由於混凝土為多孔性的材質因而所引起 IR Drop 而造成的偏差，

可經由儀器的 IR Compensation 電路輸入 IR 值；或改變參考電極位置 而獲得改善。

DC 線性極化法的優點，包括可以很快的求得腐蝕速率；甚至極輕 微的腐蝕狀況，都可以精確的測出。

二、AC 交流阻抗法

由於 LPR 線性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（Rs），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率，

而高估構造物的使用年限。故交流阻抗法便針對此點，利用頻率（高 頻與低頻）及電路的解析技巧加以克服。

AC 交流阻抗法可測得混凝土電阻或溶液電阻(Rs)、鋼筋表面鈍化 膜電阻(Rp)及電容值(C^dl)。測得結果以 Nyquist Plot 表示。Nyquist Plot 圖形可分析其等效電路，並得以了解鋼筋於混凝土內的腐蝕機 構。腐蝕速率可依據鈍化層電阻(Rp)來推斷。

（圖 3-4）為最簡單之鋼筋混凝土等效電路，其 Nyquist Plot 則 如(圖 3-5)所示。但基於各種實際情況所影響，往往會出現扭曲的圖 形，因此常須配合不同形態的圖，作合理的判斷。腐蝕速率再由公式 (3－13)求出。

三、GPM (Galvanostatic Pulse Method)腐蝕原理

GPM 的原理是在如（圖 3-4）之鋼筋混凝土等效電路中外施以一微 小之定電流(通常為數十至數百個毫安培)然後在一定的時間(通常為 數十秒)內觀察系統的電位對時間的暫態變化反應。這種暫態變化反應 可以用如(圖 3-6)來說明。在對系統未外加任何電流之前，可測得之一 電位 E^corr，即為系統的平衡電位 (鋼筋之腐蝕電位)，當對系統施一以

定電流(

I

_app)時首先電流流經一電阻 R^s(代表測試探頭與鋼筋之混凝土 電阻)，系統之電位上升至(

I

_app*R^s)。當電流流經 R^P(代表鋼筋的極化電 阻)與 C^dl (代表鋼筋表面上之界質電容特性)的並聯線路，系統的電位 會呈現一拋物線曲線增加，並在一定時間達至一平衡電位 U^MAX。

由電路學原理可以得知系統的電位時間關係式如(3-15 式)所示。

 

   +



 

  −

⋅

⋅

= I R e

^{− ⋅}

Rs

U

^{RPCd l}

t

P app

t

1

………(3-15)

其中

U

_t是代表在任何時間的電位值；

I

_app為所施加的電流；

R

_P

⋅ C

_dl為時 間單位。當時間等於零(t=0)時 U⁰=

I

_app* R^s，由於

I

_app為已知故可求得 R^s， 當時間大於

R

_P

⋅ C

_dl數十倍時

U

_t接近於

I

_app*(R^P+R^s)，因此可以再進一步求 得

R

_P值。再利用 Stern-Geary 公式可得腐蝕電流。

3-4 腐蝕的型態

絕大部分金屬的腐蝕過程均具電子的轉移行為，因此可視為一種 電化學反應。腐蝕分類方法有相當多種，依金屬外觀或物性改變來分 類，常見之腐蝕型態有八類，分述如下：

一、均勻腐蝕（Uniform Corrosion）

均勻腐蝕是最為常見、單純的一種腐蝕形式，腐蝕發生時金屬表 面出現一層均勻的腐蝕產物且金屬的某部分區域會比其他區域更為"

陽極"，而且這些區域的位置會不時移動，因此金屬表面受到均勻的腐

蝕而變薄，這樣的現象使得腐蝕現象在各處均勻發生，稱為均勻腐蝕。

二、伽凡尼腐蝕（Galvanic Corrosion）

這種腐蝕發生於兩種不同金屬或是合金接觸，而能產生伽凡尼電 池的情況，兩種不同金屬偶合接觸時，化學性質活潑的金屬會加速腐 蝕，惰性較大之金屬則會減緩腐蝕。如在一個電解液中，兩種不同金 屬或合金連結一起時，活性較大之金屬（還原電位較低），易發生氧化 作用而失去電子，致使金屬離子溶出而造成腐蝕；另一合金或金屬，

由於活性較低、還原電位較高高，因而獲得的電子受到保護。此種腐 蝕型態易發生於金屬間存在不同電位差之系統此種電位差稱為伽凡尼 電池，所形成的腐蝕稱為異種金屬腐蝕或伽凡尼腐蝕。。

三、間隙腐蝕（Crevice Corrosion）

間隙腐蝕特別容易發生在金屬構件接合微小空隙或金屬表面有污 物沉積處，也是屬於一種電池效應，但是隙縫一般需在特定程度大小 的範圍內才會發生，因隙縫所溶存氧氣比外部稀薄而造成陽極，外部 富氧區為陰極，形成了一種濃差電池，於是開始腐蝕。

四、孔穴腐蝕（Pitting Corrosion）

孔蝕只發生在具有鈍化膜之材料（不銹鋼或鋁合金），為一局部性 之侵蝕形式，它發生的起始位置就都是在含氧濃度不均或是材質不均 的位置，剛開始時其受蝕面積相當小，不易被偵測出，但當被察覺時，

其所造成的破壞往往很難加以補救，而造成安全上的問題。

孔蝕與間隙腐蝕有許多相似之處，但間隙腐蝕需要先有縫隙之存 在，而孔蝕則會自行產生間隙(孔穴)。

五、應力腐蝕（Stress Corrosion）

應力腐蝕是一種應力與腐蝕相互作用的結果，當應力和腐蝕環境 同時存在時，因為在材料受到局部應力或應力作用不平均時，受到高 應力作用的區域會形成陽極，而受較低應力作用的區域則形成陰極，

因此作用應力會使得腐蝕作用更為加速稱謂應力電池。如材料中之殘 餘應力（Residual Stress）、固定載重下之拉應力等，均易造成金屬 之應力腐蝕。

六、顆粒間腐蝕（Intergranular Corrosion）

又稱為粒間腐蝕，是在金屬晶界處發生局部腐蝕的現象，當金屬 顆粒晶界性質不一時，造成材料強度與延展性損失，即產生顆粒間腐 蝕。就電化學的觀點來看材料晶界面面積有限為陽極，晶粒則為陰極，

造成陽極面積小而陰極面積大的現象，顆粒間腐蝕的現象就會發生。

七、疲勞腐蝕（Fatigue Corrosion）

金屬材料受一週期性、反覆性（拉）應力作用時，有一疲勞應力 極限，當作用應力低於極限值時，無論週期為何，材料均不致破壞，

但若金屬在腐蝕環境中受到週期性的反覆應力，在腐蝕與疲勞雙重作

用下，則此一疲勞應力極限不復存在，金屬會發生破裂而產生腐蝕作 用，此種破裂腐蝕即謂疲勞腐蝕。

八、氫裂腐蝕（Hydrogen Damage Corrosion）

氫脆為氫原子侵入金屬中而成為分子狀氫氣脆化，致使材料失去 延展性，當外加應力大於臨界值以上之拉應力或殘留應力存在時，則 會產生氫氣破裂，此種破裂即謂氫氣破裂或氫裂腐蝕。

3-5 鋼筋混凝土結構物腐蝕劣化

^過程

鋼筋混凝土劣化過程大略可分為潛伏期、進展期、加速期、劣化 期等幾個階段如（圖 3－7）。

第一階段是所謂的誘發期亦稱潛伏期。在誘發期間，鋼筋表面尚 未生鏽，但混凝土品質在改變中。當鋼筋表面的混凝土品質因中性化 或氯離子侵入而使鋼筋進入進展期與加速期，潛伏期結束，而腐蝕開 始。

在加速期與劣化期中，鋼筋腐蝕速率決定鋼筋的有效截面積和腐 蝕生成物的量，因此決定了混凝土結構物的殘餘壽命。在腐蝕期間，

劣化現象可概分可分二個階段分別說明：

一、鋼筋腐蝕到混凝土龜裂

鋼筋腐蝕生成物的體積遠比鐵金屬體積要大（如圖 3-8），可達 3∼7 倍，因此會對混凝土產生張力，當腐蝕生成物累積到某一個程

度時，混凝土表面會產生裂縫。

二、混凝土龜裂到剝落

混凝土出現裂縫後，空氣和水份更容易接近鋼筋而可促進鋼筋 表面的腐蝕。由於生成的鐵鏽性質鬆脆而多孔，當腐蝕愈深入鋼筋 及愈大面積的鋼筋發生腐蝕，鋼筋和混凝土之間的握裹力逐漸消 失，最後混凝土剝落。

第四章 實驗內容

4-1 實驗計劃

設計水灰比 0.6 鋼筋混凝土，含氯離子濃度 1^{k g}_m³、0﹪（不含氯 離子），保護層 6 ㎝試體澆灌完成從養護到完全凝固期，及鋼筋直接放 入 pH8、pH13 氯離子濃度 0﹪、0.3﹪、3﹪的鹼性溶液中探討鋼筋腐蝕 電位、腐蝕速率等。

4-2 試驗材料

一、水泥:本研究採用市售之台灣水泥公司生產袋裝第Ι型波特蘭水 泥，其主要之化學成分與物理性質如表 4-1、4-2 所示。

二、粗骨材:本研究採用新竹頭前溪流域之碎石級配，將骨材洗淨以烘 盤置於烘箱中烘置 24 小時後，再以篩網逐一進行粒徑分類，分別 置於室內保存，如圖 4-1，基本之級配數據依據 CNS1240 規定。

三、細骨材:本研究採用新竹頭前溪流域之天然河砂，將骨材洗淨以烘 盤置於烘箱中烘置 24 小時後，於室內待細骨材降至室溫，直接進 行拌合，其篩分析資料如表 4-3 所示。

四、鋼筋:本研究採用符合 CNS560 之鋼筋混凝土用的＃10 竹節鋼筋，

其規格與化學成分詳見表 4-4、4-5。

五、拌合水：使用學校自來水拌合混凝土。

六、NaCl：工業用盬加入拌合水調配成 0.3﹪和 3%NaCl 濃度之水溶液。

七、NaOH：使用 NaOH 調成 pH 值為 8、13 的鹼性溶液，利用試紙顏色 變化判定溶液 pH 值為 8、13 的鹼性溶液。

4-3 實驗設備

一、GPM-5000 腐蝕量測儀

本 研 究 採 用 之 腐 蝕 量 測 儀 器 --- Galvanostatic Pulse Method，簡稱 GPM（圖 4-2）。儀器設計採用一台低電壓直流供應器(恆 電位電流儀)，以及一個輔助電極(白金電極)，首先測得鋼筋之腐蝕電 位(平衡電位)後，然後使用一固定電流從輔助電極流向鋼筋(工作電 極)，使整個系統構成一個迴路，進而求得待測鋼筋之腐蝕電位與腐蝕 速率以及電極與鋼筋間混凝土的電阻。

二、鼓式拌合機

本研究所使用之拌合器為圓錐形拌合鼓，每次拌合時間不得低於 1~1.5 分鐘，轉速不得低於每分鐘 15 轉，且於拌合過程中，需適度的 運用人工攪和，使骨材與砂漿能充分拌合，如（圖 4-3）所示。

三、試體模具

本研究根據 CNS 標準，製作符合 CNS11152 鋼筋混凝土試體之鋼材 方形模具，如圖 4-4 所示。

四、導線

長約 30 ㎝，直徑 0.2 ㎝市售一般銅材之導線。

五、其他用途耗材

高抗拉鋼筋、用以封住鋼筋表面使其不與外界接觸之矽膠、銲槍 使導線與試體緊密接觸以防檢測誤差、水容器。

4-4 試體

4-4-1 鋼筋混凝土試體

一、本研究中使用之鋼筋混凝土試體之材料級配與拌合程序如下：

（一）本研究將混凝土試體設計分成水灰比 0.6。

（二）級配之詳細設計如表 4-6 所示。

（三）拌合過程中，先將需用之拌合工具與拌合機內面潤濕，依序將 粗骨材、細骨材和水泥置入拌合鼓中，分次拌合，直到三種材 料混合在一起，再將拌合水分三次逐次加入，待拌合均勻，將 混凝土從鼓式拌合機中取出，進行澆置。

二、鋼筋混凝土試體澆置過程如下：

（一）將鋼筋裁切成適當長度，並將鋼筋表面鐵銹與模具上沾附的不 潔物清除，鋼筋一端鑽孔徑 3.5 ㎜孔鎖上螺絲釘固定導線。

（二）以矽膠封住鋼筋兩端表面使其不與外界接觸以防實驗誤差。

（三）於澆置前先將模具表面上一層礦物油，防止試體脫模不易。

（四）漿混凝土分成三層澆置，每層以直徑 16mm 之搗棒搗實 25 次。

當澆置於第二層時將固定好導線之鋼筋置入，再將剩料置入模

具直到完成混凝土之澆置，在以鏝刀將表面修至平整。

（五）於試體澆置完成後 24 小時拆模，並將試體浸至於水中養護 28 天。拆模時嚴禁鋼筋受力、碰擊、或其他干擾。

4-4-2 裸鋼筋試體

一、將鋼筋裁切成適當長度，並將鋼筋表面鐵銹與模具上沾附的不潔 物清除，鋼筋一端鑽孔徑 3.5 ㎜孔鎖上螺絲釘固定導線。

二、以矽膠封住鋼筋兩端表面使其不與外界接觸以防實驗誤差。

4-5 實驗步驟

4-5-1 裸鋼試體實驗

一、將一段長約 12 公分的鋼筋，其中一端以鏍絲釘鑽入，用來固定電 線。完成後兩端皆以矽膠封住。

二、將四支裸鋼試體分別放入調配好之四種水溶液中；四種水溶液分 別為 PH 值為 8，pH 值為 13 的水溶液以及 pH 值為 13 氯離子濃度 0.3﹪、3﹪之水溶液；放入該溶液中第一天時，每個小時以 GPM 儀器測試鋼筋腐蝕電位與電流，第二天改為每三個小時施測一 次，第三天則每五個小時施測一次，第四天之後，每天施測一次，

直至實驗結束。

4-5-2 鋼筋混凝土試體實驗

一、在長樑鋼筋混凝土試體表面上規畫成 4 至 5 個區域。

二、部份長樑鋼筋混凝土試體以外加電流方式如（圖 4-5）加速造成不 同程度之鋼筋腐蝕，嚴重腐蝕之長樑鋼筋混凝土試體可明顯看到 延鋼筋方向之裂縫。

三、將 GPM 腐蝕電位儀器一端接上鋼筋，探頭置於混凝土試體表面適 當位置上測試鋼筋之腐蝕電位與電流並做成紀錄。每次施測前混 凝土試體表面應充份潤濕。

4-5-3 實驗後觀察

上述實驗結束後，裸鋼試體直接由水中取出以目視觀察鋼筋腐蝕 狀況，並拍照記錄。混凝土試體則將混凝土層除去後取出鋼筋觀察並 照相記錄。

第五章 結果與討論

5-1 鋼筋在不同 pH 值及氯離子濃度下之腐蝕行為

鋼筋在混凝土中之腐蝕行為深受混凝土中 pH 值及氯離子的影 響，為了了解鋼筋的腐蝕行為，以不同 pH 值及氯離子濃度的水溶液來 模擬鋼筋在不同混凝土內的狀況，其中 pH 13 的水溶液代表正常的混 凝土，pH 8 的水溶液模擬混凝土中性化的情況，pH13 水溶液中加入二 種不同濃度之氯離子(3%及 0.3%重量百分比)則模擬混凝土中遭受不同 鹽害之情況。

圖 5-1 為在上述溶液中鋼筋之腐蝕電位與浸置時間之關係圖。

在 pH13 的水溶液中鋼筋的腐蝕電位由一開始約-200mV(vs.Ag/AgCl)迅 速往貴重(Passive)方向上升至 0 至-100 mV(vs.Ag/AgCl)並維持至 600 小時後往下降至約-220mV(vs.Ag/AgCl)，直至實驗結束。鋼筋在其他 溶液的腐蝕電位趨勢則與在 pH13 中的水溶液有顯著不同，腐蝕電位由 開始的-300 至-400 mV(vs.Ag/AgCl)往活性(Active)方向移動。

四種溶液在 1000 小時後穩定的腐蝕電位分別依序為-230 mV (vs.Ag/AgCl)( pH13 水溶液)，-450 mV(vs.Ag/AgCl)(pH13 低氯水溶 液)，-500 mV(vs.Ag/AgCl)( pH13 高氯水溶液)，以及-560 mV (vs.Ag/AgCl)(pH8 水溶液)。

圖 5-2 為鋼筋在不同水溶液下之腐蝕速率與時間關係圖。鋼筋在

pH13 的水溶液中的腐蝕速率遠低於在其他三種溶液中，而在其他三種 溶液中鋼筋的腐蝕速率隨時間變化有高低不規則變化，但平均而言其 腐蝕速率的傾向由高至低分別為 pH13 高氯水溶液>pH13 低氯水溶液

>pH8 水溶液。

實驗結束後觀察試片。鋼筋在 pH13 的水溶液中經過 1000 小時後 表面仍無腐蝕的現象（如圖 5-3），在 pH13 低氯水溶液則發現少量局部 腐蝕現象（如圖 5-5），在 pH13 高氯水溶液中局部腐蝕現象則較 pH13 低氯水溶液嚴重（如圖 5-4），鋼筋在 pH8 水溶液中顯示較均勻的腐蝕 現象（如圖 5-6）。

鋼鐵材料在高 pH 值環境下時，鋼鐵表面之鐵離子會與 OH^-產生穩 定的鈍態膜，此時腐蝕電位會因為鈍態膜的存在而變得高貴(Noble)，

腐蝕速率也變得相當低。這些現象可以由圖 5-1 及圖 5-2 鋼鐵在 pH13 的水溶液下之腐蝕電位與腐蝕速率行為得知，鋼筋的腐蝕電位由開始 的 -200mV(vs.Ag/AgCl)迅速上升至 0 至-100 mV(vs.Ag/AgCl)，其腐 蝕速率則處於相當低範圍(小於 0.5μA/cm²)。

在高 pH 值且存有氯離子環境時，氯離子會吸附於鈍態膜並使局部 區域之 pH 值降低造成鈍態膜局部破壞，因而使鋼筋產生局部腐蝕現 象。這種局部腐蝕的現象會因氯離子的增加而愈明顯 (參考圖 5-1 及 圖 5-2)。此時腐蝕電位會因鋼筋的鈍態膜破壞而往活潑(Active)方向

移動，如圖 5-1 所示，低氯水溶液及高氯水溶液下穩定後的腐蝕電位 分別為-450 mV(vs.Ag/AgCl)與-500 mV(vs.Ag/AgCl)，顯示溶液中氯 離子含量愈高，鋼筋的鈍態膜破壞得愈嚴重，則腐蝕電位有愈活潑的 傾向。腐蝕速率的量測結果如圖 5-2 所示，也顯示隨氯離子含量愈高 腐蝕速率亦有愈高的傾向。

當鋼鐵處於 pH<10 的環境下，由於鹼性(OH^-濃度)不夠，鋼鐵表面 無法保持穩定的鈍態膜，因此在 pH8 水溶液中鋼筋腐蝕較傾向於均勻 腐蝕 (參考圖 5-6)，穩定後的腐蝕電位也因鋼筋表面沒有穩定的鈍態 膜而相較於在其他三種溶液中其腐蝕電位最活潑-560mV(vs.Ag/AgCl)

（

如圖 5-1

） 。

由上述的實驗顯示，鋼鐵的腐蝕電位可以表現出鋼鐵表面膜的電 化學行為，當表面有穩定的鈍態膜時，鋼鐵的腐蝕電位較貴(Noble)，

此時鋼鐵可以受到保護，腐蝕速率極低。反之當鈍態膜受到破壞(例如 環境中有氯離子時)或無法穩定形成(例如 pH 值過低時)，其腐蝕電位 會變得較活潑(Active)，此時腐蝕速率也會變大。因此可以以腐蝕電 位來偵測鋼鐵的腐蝕行為。

圖 5-7 為鋼筋在四種不同水溶液環境中腐蝕電位與腐蝕電流的關 係圖。腐蝕電位在-300 mV(vs.Ag/AgCl)以上時，鋼筋的腐蝕電流極小，

都在 1μA/cm²以下。腐蝕電位-400 mV(vs.Ag/AgCl)以下時則鋼筋的腐

蝕電流明顯增加，因此可以很容易的以測試鋼筋的腐蝕電位來區別鋼 筋在水溶液環境下是否處於腐蝕狀態。但當腐蝕電位-400 mV (vs.Ag/AgCl)以下時，腐蝕電位與腐蝕電流卻沒有一定的關係存在，

正如圖 5-7 所示腐蝕電位愈低不代表鋼筋的腐蝕愈嚴重。主要的原因 是腐蝕電位只可以準確的描述鋼筋表面鈍態膜的完整性，當鈍態膜不 能穩定存在或受到破壞時，腐蝕速率大小必須由動力學來決定，不能 僅以腐蝕電位來描述。

由於測試腐蝕電位的儀器及程序均較測試腐蝕電流簡單與容易，

因此以腐蝕偵測技術應用的觀點，可以先以測試鋼筋的腐蝕電位來了 解鋼筋是否在腐蝕狀態，如鋼筋處於腐蝕狀態，再測量腐蝕電流以了 解腐蝕的嚴重性。

5-2 鋼筋在混凝土中之腐蝕行為

圖 5-8 為鋼筋在混凝土澆注後置於水中養生及取出後之腐蝕電位 與腐蝕電流對時間之關係圖。鋼筋在混凝土澆完鏝平後之腐蝕電位大 約為-320 mV(vs.Ag/AgCl)。

拆模置入水中養生前腐蝕電位約-100 mV (vs.Ag/AgCl)，置入水 中養生後電位逐漸往活潑方向移動至-450 mV，混凝土起出水面後電位 迅速回升至 0 至-100 mV 間。在整個測試過程中，腐蝕電流都維持在 0.5μA/cm²以下。

圖 5-9 為凝固混凝土浸置水中再起出之腐蝕電位與腐蝕電流對時 間之關係圖。電位在置入水中前約在-50 mV (vs.Ag/AgCl)，置入水中 後電位迅速下降至-300 mV 並維持在此電位。試體離開水面後電位則上 升至-100 至-200 mV。腐蝕電流在整個測試過程中變化不大，約在 1μA/cm²左右。

圖 5-10 為長樑鋼筋混凝土試體(一)，圖 5-11 為在不同位置上鋼 筋之腐蝕電位與腐蝕電流對時間之關係圖。在各位置上電位均在-50 至-100 mV (vs.Ag/AgCl)間，腐蝕電流則在 4μA/cm²以下。

圖 5-12 為長樑鋼筋混凝土試體(二) ，圖 5-13 為在不同位置上鋼 筋之腐蝕電位與腐蝕電流對時間之關係圖。腐蝕電流大小在各位置上 差距極大，位 置 B 之 腐 蝕 電 流 接 近 100μA/cm^2，位 置 A 次之約為 40 μA/cm^2，。位置 C 至 D 則約在 5 至 10μA/cm^2，。腐蝕電位在位置 A 及位 置 B 附近較負約為-330mV(vs.Ag/AgCl)，位置 C 至 D 則較正約在-290 至-250 mV(vs.Ag/AgCl)間。

圖 5-14 為長樑鋼筋混凝土試體(三)，圖 5-15 為在不同位置上鋼 筋之腐蝕電位與腐蝕電流對時間之關係圖。此試體之腐蝕電流在各位 置上亦不均勻但明顯的較上述二試體為大，約在 70 至 110μA/cm^2，。 位置 ABC 之腐蝕電位在-400 mV(vs.Ag/AgCl)左右，位置 C 則約在-370 mV(vs.Ag/AgCl)。

長樑鋼筋混凝土試體(一) (二) (三)於測試完後將混凝土敲開觀 察鋼筋腐蝕狀況如圖 5-16 至 5-18 所示。

長樑鋼筋混凝土試體(一)之鋼筋沒有腐蝕現象，與圖 5-10 之測試 結果，腐蝕電流低於 4μA/cm²以下一致。

長樑鋼筋混凝土試體(三)整支鋼筋均已嚴重腐蝕，與圖 5-15 測試 結果鋼筋之腐蝕速率高達 70 至 110μA/cm²的結果相符，但由目視無法 得知鋼筋在位置 A 或 C 腐蝕較嚴重（如圖 5-18）。

在長樑鋼筋混凝土試體 (二)之鋼筋則發現在位置 B 附近腐蝕明顯 較 CDE 區域嚴重，符合圖 5-13 在 B 處其腐蝕速率遠高於 CDE 區域之結 果。由此結果顯示以 GPM 的腐蝕速率測試方法能有效區分腐蝕的嚴重 性。

圖 5-19 為扣除混凝土在水中之實驗數據，將本研究所有混凝土中之 鋼筋腐蝕電位對腐蝕電流所作之關係圖。腐蝕電位在-240 mV(vs.Ag/AgCl) 以上時鋼筋腐蝕速率極小，表示在此電位以上時鋼筋有良好之鈍態膜。

而電位在-240 mV (vs.Ag/AgCl)以下腐蝕電流明顯增加，亦即鋼筋在這 個電位區域無法保持穩定的鈍態膜。如同圖 5-7，此時腐蝕電位的高低 與腐蝕速率並無正比關係，亦即無法直接以腐蝕電位來評估鋼筋的腐蝕 嚴重性。圖 5-19 亦標示 ASTM C876 標準中腐蝕電位的評估標準，結果 顯示本研之數據與 ASTM C876 的評估標準相當穩合。由圖 5-8 及圖 5-9

得知混凝土在水中時雖然鋼筋的腐蝕電位在-300 至-400 mV

(vs.Ag/AgCl)，但鋼筋的腐蝕電流仍然很小亦即鋼筋的鈍態膜仍保持完 好。這種混凝土在水中鋼筋腐蝕電位較空氣為低的現象主要是由於水中 氧氣含量較低所導致。因此 ASTM C876 的評估標準無法應用於水下鋼筋 混凝土結構體，亦即於水中，雖然鋼筋腐蝕電位低於-240 mV (vs.Ag/AgCl)並不代表鋼筋之腐蝕傾向高。

第六章 結論與建議

由以上實驗結果可以得到以下各項結論與建議：

一、鋼筋的腐蝕與否主要決定於鋼筋表面是否產生穩定的鈍態膜，而 鈍態膜能否穩定存在則與鋼筋所處的環境因子如 pH 值、氯離子、

氧、水等有密切的關係。

二、鋼筋在高 pH 的環境下表面能穩定的形成一鈍化膜保護鋼筋，此時 鋼筋的腐蝕速率極低，腐蝕電流小於 0.5μA/cm。腐蝕電位可維持 在-200mV (vs.Ag/AgCl)以上。當 pH 下降或氯離子存在時，鋼筋表 面的鈍化膜無法穩定存在或遭受破壞，造成鋼筋的嚴重腐蝕，腐蝕 電流可高達 100μA/cm 以上。在混凝土中之腐蝕電位則下降至-250 mV(vs.Ag/AgCl)以下。

三、利用偵測鋼筋的腐蝕電位可以相當準確的預估鋼筋鈍態膜是否穩 定存在，但無法預估鋼筋腐蝕的嚴重性，而利用腐蝕速率的檢測則 可獲得較精確及可靠的腐蝕情況。

四、由於在水中氧含量較低，造成鋼筋的腐蝕電位偏低，因此無法利 用 ASTM C876 的評估標準來預測水下鋼筋混凝土結構體的腐蝕傾 向。

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表 3-１、鹽害各階段過程的劣化定義

劣化過程 定 義 決 定 期 間 的 因 素 潛伏期 於鋼材上出現徵候位置的氯化物離子濃度

達到發生腐蝕界限濃度停止的期間

氯化物離子的擴散初期 所含氯化物離子濃度 進展期 鋼材開始腐蝕起進展至發生腐蝕龜裂的期

間

鋼材的腐蝕速度 加速期 因為發生腐蝕龜裂而腐蝕進行速度加快的

期間

劣化期 由於鋼材腐蝕量的增加而呈現耐負荷力顯 著下降的期間

有龜裂狀況下的鋼材腐 蝕速度

表3-2各國對鋼筋混凝土構造物氯離子含量規定【39】

國名 規 範 鹽分含量之規定

Cl^－重量

（kg/m³ 混凝土）

美國 ASC 318一89

．RC(鹽分影響下Cl^－含量為水泥重之0.15

﹪以下

．RC(一般影響下) Cl^－含量為水泥重之 0.3﹪以下

．Rc(乾燥影響下) Cl^－含量為水泥重之1

﹪以下

0.45 0.90 3.00

英國 BS 8110-85 Part I

．浚渫粒料中之Cl^－含量為水泥重之0.64

﹪以下

．混合劑時，應用CaCl²之場合：浚渫粒 料

Cl^－之總合為水泥重之0.95﹪

．對水泥重量而言，總鹽化物含量：一般 RC為0.35以下

0.6

法國 DTU 21.4

．無筋水泥、混凝土保護層厚度為4cm以 上之RC、Cl^－含量為水泥種之1.29﹪

．保護層厚度為2cm以上之RC、Cl^－含量為 水泥重之0.65﹪

．RC用水所含之Cl^－ 濃度為0.25g/l以下

3.87 1.94

日本建築學 會 JASS5,JASS

5-86

．細粒料(I級) Cl^－含量為0.04﹪以下

．細粒料(II、III級) Cl^－含量為0.01﹪

以下

．混凝土Cl^－含量為0．3kg/m³以下，超過 0．3kg/ m³至0.6kg/m³鋼筋須作防銹處 理

0.3 0.6

土木學會 RC協會

．一股RC之混擬土中之Cl^－含量水泥重之

0.16﹪以下 0.49

日本

混凝土協會

．一般RC之混凝土中Cl^－含量為0.16kg/

m³以下

．耐久性要求之RC混凝土中Cl^－含量為 0．3

kg/ m³以上

0.3

CNS12891

預力混凝土

鋼筋混凝土(須考慮耐久性) 鋼筋混凝土（一般）

0.15 0.3 中華 O.6

民國

CNS3090 同上 同上

表 3-3 氯離子濃度相關規範【38】

材料 檢測依據 氯離子標準

水泥 ASTM C114

水 JIS < 200 PPM

摻料 無

粗粒料 I級粒料 0.04﹪粒料重

組成材料

綑粒料 JASS 5 II及III級粒料0.1﹪粒料重

構材種類

混凝土申最大水溶性 氯

離子Cl"含量，水泥重 量

之百分率 預力混凝土 0.06 暴 露 於 含 氯

之環境 0.15 經 常 保 持 乾

燥 或 防 止 受 潮

1.00

鋼筋混凝土

其他狀況 0.30 混

凝 土

ACI 318一89

為防止混凝土內鋼材腐蝕，齡期在28天至 56天之硬固混凝土之成分，包括水、粒 料、膠結材料及摻料，其氯離子之含量應 低於表中所規定之最大含量

表 3-4 腐蝕電位對腐蝕速率的簡易判定表 (ASTM C876-87)

相對於 Cu / CuSO4 電位 (mV) 腐 蝕 機 率

大於 -200 小於 10%

-200 到 -350 之間 不 確 定

小於 -350 大於 90%

表 3-5 腐蝕電流對腐蝕速率簡單判定表【19】

腐蝕電流（μA/cm²） 腐蝕程度

Icoor＜0.1 不腐蝕

0. 1＜Icoor ＜0.5 低腐蝕

0.5＜ Icoor ＜1.0 中度腐蝕

Icoor＞1.0 嚴重腐蝕

表 4-1 水泥之化學成分表（台灣水泥公司提供）

表 4-2 水泥之物理性質表（台灣水泥公司提供）

標準與試 驗值

項 目

中國國家標準 CNS691-R2001

試驗值

（Test Results）

墁料空氣含量（﹪） Max. 12.0 7.2 細度（cm/g） Min. 2800 3310

健度（﹪） Max. 0.80 0.05﹪

抗壓強度 Kgf/cm（psi）

3 天 Min. 126（1800） 210（3000）

7 天 Min. 197（2800） 282（4020）

28 天 Min. 281（1800） 384（5480）

凝結時間

初凝（hr:min） Min. 0:45 2:30 終凝（hr:min） Min. 8:00 3:50

第一型水泥（TYPE1）

標準與試 驗值

項 目

中國國家標準 CNS691-R2001

試驗值

（Test Results）

二氧化矽（SiO2） - 20.7

氧化鋁（Al2O3） - 5.4

氧化鐵（Fe2O3） - 3.2

氧化鈣（CaO） - 63.9

氧化鎂（MgO） Max. 6.0 2.0 三氧化硫（SO3） Max. 3.5 2.4 燒失量（L.O.I.） Max. 3.0 1.0 不溶殘渣（Ins.Res） Max. 0.75 0.1

矽酸三鈣（C3S） - 51.0

矽酸二鈣（C2S） - 21.0

鋁酸三鈣（C3A） - 8.9

鋁鐵酸四鈣（C4AF） - 9.8

表 4-3 細骨材篩分析表

篩號 留篩量（g） 留篩百分比（﹪） 累積百分比（﹪）

＃4 10 1 1

＃8 104 10.4 11.4

＃16 139 13.9 25.3

＃30 125 12.5 37.8

＃50 328 38.2 76

＃100 185 18.5 94.5

底盤 55 5.5 100

總重 1000

細度模數 2.46

表 4-4 竹節鋼筋之規格

項目 量測與試驗數值

稱號 D32

單位稱重（Kg/m） 6.380

質量公差（﹪） -0.2

節距（mm） 20.1

節高（mm） 1.90

間隙寬度（mm） 5.3

降伏點（Kgf/mm²） 500.0 抗拉強度（Kgf/mm²） 645.0

伸長率（﹪） 24.0

彎曲試驗（90^o/ 180^O） OK

表 4-5 竹節鋼筋之化學成分表

化學成分 試驗值 化學成分 試驗值

C 0.28 Ni 0.04

Si 0.08 Cr 0.01

Mn 1.02 Mo 0.00

P 0.019 V 0.004

S 0.020 CE 0.442 Cu 0.01 輻射偵測（μ

SV/hr）

0.11

圖 1-1 實驗流程圖

試體材料、設備準備

試體配比設計

水溶液 pH8、13 加入 氯 離 子 濃 度 3 ﹪ 、 0.3﹪、 0﹪調配

RC 試體 製作

泡水養護

試體檢測

實驗後觀察

測值分析及檢討

試驗結果 裸鋼試體

製作

圖 3-1 金屬腐蝕示意圖【25】

圖 3-2 鋼鐵 E-pH 之關係圖【40】

電解溶液

OH-

Fe²⁺

陽極(金屬氧化) 陰極(水的還原)

電極之電勢

陽 極 化

電 位

陰 極 化

FeO

²

H

^-

-2 7 16

中性溶液

酸性程度 鹼性程度

混凝土 腐蝕區

Fe⁺⁺

Fe⁺⁺

H2/H⁺

電極之電勢

O2/OH^-

圖 3-3 DC 線性極化法

圖 3-4 簡單之鋼筋混凝土等效電路【19】

△E／△I

電流

E（電 位）

R_p

圖 3-5 等效電路的 Nyquist Plot【19】

圖 3-6 GPM 暫態變化反應圖

劣

化

性 使用期間 能

下 降

潛伏期 進展期 加速期 劣化期

圖 3-7 鋼筋混凝土劣化進行過程【42】

圖 3-8 鋼筋腐蝕後體積變化示意圖【19】

混凝土出現龜裂 鋼材腐蝕開始

圖 4-1 粗骨材放置區

圖 4-2 GPM-5000（Galvanostatic Pulse Method）腐蝕測量儀

圖 4-3 鼓式拌合機

圖 4-4 試體模具

圖 4-5 鋼筋外加電流加速腐蝕示意圖

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

時間(小時) 腐蝕電位 mV (vs.Ag/Agcl)

pH=8之水溶液 pH=13之水溶液 pH13低氯 pH13高氯

圖 5-1 不同水溶液中鋼筋腐蝕電位與時間關係圖