第二章 文獻回顧
第二節 水泥質基材表面處理
混凝土構造物在設計上主要係考慮其強度及服務性，亦即希望 結構物在使用上能兼具有耐久性，而要維持混凝土耐久性主要在控 制混凝土材料的傳輸特性。這些傳輸性質的控制主要是視混凝土中 的孔隙結構而定，因此探討混凝土的傳輸特性即在探討混凝土內的 孔隙尺寸、孔隙分佈、孔隙體積及孔隙連續性。
混凝土孔隙結構
混凝土是一種複合性的材料由水、水泥與粒料所組成，水泥經 水化反應後其水化物可分為 C-S-H 膠體(鈣-矽-水化物)、CH(氫氧 化鈣)，硫鋁酸鈣水化物及毛細孔隙等14，而控制混凝土特性相當重 要的是水化過程中所產生之孔隙結構，Powers15是最早提出漿體孔 隙的人，根據其理論可將孔隙分成兩種形式：膠體孔隙(gel pore) 及毛細孔隙(capillary pore)，如表 2-1 所示。
14黃然, 鄭安, 水淬高爐爐碴(石)粉應用於鋼筋混凝土構造物之耐 久性, 台灣營建研究院, pp.85-96, 2000.
15 J.F.Young, and S.Mindness, “The Science and Technology of Civil
表 2- 1 混凝土孔隙結構之形式
孔隙結構 尺寸大小 影響範圍
膠體孔隙 0.5nm~ 10nm 乾縮、潛變 毛細孔隙 10nm~ 10µm 強度、滲透性
膠體孔隙為C-S-H 膠體的一部份，約佔整體孔隙 40%~50%，
佔 水 泥 砂 漿 體 積 的 28% 左 右 ， 孔 徑 約 介 於 0.0005µm~0.01µm (0.5nm~10nm)之間14，因孔隙太小以至於無法被水泥水化產物所填 滿，而且膠體孔隙並不是漿體孔隙中影響水流動的主要因素，其對 強度表現亦沒有明顯之影響，膠體孔隙中的水為混凝土中的吸附 水，一般認為膠體孔隙對水泥漿體之潛變與乾縮有直接的影響 15; 毛細孔隙部份是由未參與水化之拌和水所造成，約佔水泥砂漿體積 的15%~40%之間，孔徑約介於 0.01µm~10µm(10 nm ~10000nm)之 間，其中大部份介於0.02µm~0.03µm 之間如圖 2-315所示。毛細孔 隙會隨者水灰比不同及水化程度不同而改變，因此毛細孔隙會隨時 間增加而減少。水灰比大於0.5 時，會產生較多由多餘水分所造成 的毛細孔隙。飽和的毛細孔隙水對混凝土抵抗凍融能力有相當不利 之影響16。
16 J.F.Young, and S.Mindness, “Concrete”,Second edition, Prentice Hall,pp.86~101,2003.
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 圖2- 3 混凝土內部孔隙示意圖15
根據 Powers 模式所計算之結果，顯示出水灰比是控制硬固水 泥漿體孔隙之最主要的因素，而毛細孔隙則控制著硬固水泥漿體之 強度和滲透性，若於配比中採用較低的水灰比，則可產生高強度、
低滲透性之混凝土(需確實均勻拌合及有適當之養護)，並可於配比 中使用強塑劑和卜作嵐材料(飛灰和爐石)，便可形成高性能之混凝 土，其抗壓強度可達 50~130MPa。其中，水灰比和齡期對水泥漿 體孔隙大小分佈之影響，如圖2-415所示。
Compaction Pores Entrained Air
Capillary Pores
Gel Pores
圖2- 4 水灰比和齡期對水泥漿體孔隙大小分佈之影響 15
混凝土表面防護材料之反應機理
就改善混凝土孔隙組織而言，除利用改變混凝土組成材料(如 添加卜作嵐材料)來改變孔隙尺寸與增長連通孔隙路徑(tortuous) 外，另一個可行的方式就是阻止外在的水氣被混凝土的毛細孔隙所 吸附。由於此種方式可用於改善舊有建築物的耐久性且具有成本低 廉施工容易的優點，因此近年來便發展出許多種在混凝土表面進行 塗封的保護材料，用以阻隔外在水氣的侵入。依照對毛細孔隙處理 方式的不同，常用的混凝土表面塗封保護劑主要可分為下列三種機 制17：
ㄧ、滲透式塗封劑(penetrating sealer)
滲透式塗封劑主要會利用本身所帶的有機化合物群互相鍵
17 I.J.Vries, and R.B.Polder, “Hydrophobic Treatment of Concrete Construction and Building Materials 11(4), pp.259-265, 1997.
結，並沿著毛細孔隙內部表面形成疏水(hydrophobic)的緻密組織。
而這類塗封方式又可細分成沒有薄膜產生(non film-forming)與有 薄膜產生(film-forming pore-sealing)兩種形式。
二、塗封劑(sealer)
塗封劑則大多利用高分子聚合物溶液(polymer solution)，由水 泥質材料表面往孔隙內部堵入(pores blocked)，但因其固體含量較 少，故只堵住孔隙而無法在水泥質材料表面產生相當厚度的封層。
而固體含量多的高分子聚合物溶液，除可堵住孔隙外，亦可在水泥 質材料表面生成一層較薄且連續的護膜(thin continuous film)，此即 所謂的表面封層。
三、表面封層(coating)
利用乳劑(emulsion)或乳膠(latex)在水泥質材料表面製造一層 相當厚度且緻密的不透水層(thick dense layer)來防止水汽進入，但 這類物質並不進入孔隙內產生堵塞的作用。而以緻密的塗料或特殊 的環氧樹脂砂漿(epoxy mortar)披覆在水泥質材料表面也屬於表面 封層的保護方式18。混凝土中使用掺料，以增加緻密性來改善透水 性，亦可於混凝土表面使用塗封材料，來提昇混凝土之耐久性。
混凝土表面塗封保護劑於混凝土表面形成保護方式如圖 2-517 所示。
18 A.M.Brandt, “Cement-based Composites Materials, Mechanical
圖 2- 5 各種水泥質材料表面保護方式17
混凝土之表面防護技術探討
混凝土結構物之耐久性一直都是重大工程建設必須考慮的條 件，綜合混凝土各種劣化原因，影響混凝土耐久性的化學和物理作 用都涉及一個主要的因素，即水在混凝土孔隙和裂縫中的移動18。 因此，採取混凝土表面防護，可以阻止外界水份的侵入，為提升混 凝土耐久性的重要方法。
混凝土結構的表面防護技術，可根據應用環境條件，防護體系 材料及應用厚度等進行分類，略可分為下列六種19,20。
ㄧ、滲透型密封劑
滲透型密封劑為施工之後會滲入混凝土內的密封材料。具有良
19蔣正武, 混凝土結構的表面防護技術, 同濟大學混凝土材料研究 室, 2003.
20 ACI Concrete repair guide ,ACI 546R-96,1996.
好的耐污性、透氣性、抗化學侵蝕、高滲透性及良好的耐久性等特
表 2- 2 表面防護技術
根據ACI Committee 201 對波特蘭混凝土耐久性的定義，耐久 性是指其抵抗風化作用、化學侵蝕、磨損及其他劣化過程的能力，
亦即具耐久性之混凝土，在暴露的環境下仍能保持其原來的形狀、
品質與服務性。而影響混凝土耐久性之因素如圖2-6 所示21,22：
21譚大璐, 土木材料, 新文京開發出版, pp.144-145, 2001.
22 N. Jackson, “Civil Engineering Materials“, Prentice Hall, pp.171-177, 1995.
圖 2- 6 影響混凝土耐久性之因素21-22
一、磨損
主要原因係由於快速流水的孔蝕作用、水中的摩擦物質、狂風 強吹的磨損及交通工具的衝擊。通常會造成混凝土表面形成洞穴，
這些洞穴會充填著水蒸汽，與混凝土表面反覆接觸後，會形成洞 坑，即所謂的孔蝕，造成混凝土結構物的破壞。
二、凍融
在混凝土結構物中，由於水泥漿體孔隙體積多且孔隙較小，所 以較易受到凍融作用之影響。當溫度低於0℃時，混凝土中的水份 大約在-5℃時會形成冰晶體，而導致體積膨脹約 9%，導致混凝土 孔隙內部產生膨脹壓力，造成水泥漿體局部破裂。
三、鹼骨材反應
骨材中含有矽質的成分，可能會與水泥漿體或外在之鹼性物質 產生反應，而進入混凝土內部孔隙結構，稱之為鹼骨材反應。
四、硫酸鹽反應
當來自週遭環境之(地下水或海水)硫酸根離子(SO42-)，滲入混 凝土後，將會造成硫酸鹽侵蝕。其化學反應可分為三個階段，如表 2-3 所示：
表 2- 3 硫酸鹽侵蝕之過程
反應步驟 反應式 影響因素
1 SO42-(外部)→SO42-(內部) 滲透性 2 Ca(OH)2+ SO42-→CA SO4.2H2O+2OH- Ca(OH)2含量 3 C4ASH12+石膏→鈣钒石 C3A 含量
五、氯離子含量
海水中的氯離子成分，其主要來源為水泥、摻料、拌合水、骨 材等材料暴露於海水中的霧氣所提供的，對於鋼筋會發生鏽蝕作 用，通常氯離子被認為是造成混凝土內部鋼筋鏽蝕的主要原因之 ㄧ，其對於混凝土結構物的影響，可由反應式(2-8)及(2-9)中看出。
陽極反應：Fe+2Cl- → FeCl2 → Fe2++2Cl-+2e- (2-8) 陰極反應：1/2O2+H2O+2e- → 2(OH)- (2-9) 由上式中可看出，鐵在含有氯離子的環境下，會先跟氯結合成 氯化亞鐵，變得非常容易分解成鐵離子及氯離子，因此混凝土中的 氯離子含量不得超過標準值，以減低氯離子攻擊鋼筋的量。其規範 依據為中國土木水利協會(土木 402-88)「混凝土工程施工規範與解 說」3.3.3 規定，如表 2-4 所示23。
23
23 H.N. Atkins , “Highway Materials, Soils, and Concretes,” Prentice Hall, pp.290~296.1995.
表2- 4 混凝土中之最大氯離子含量規定23
混凝土結構物 允許之最大氯離子含量
預力混凝土 0.15(kg/m3) 鋼筋混凝土 0.30(kg/m3)