第二章 影響建築材料劣化的因素
第三節 混凝土材料劣化
混凝土在鋼筋混凝土或預力混凝土中除了承受壓應力外，對結構物內部 之鋼筋或鋼鍵也提供了一鹼性的保護層，以延緩暴露環境中有害離子的侵 入，進而造成鋼筋或鋼鍵腐蝕。然而隨著結構物使用年限增加或是暴露的環 境因素，可能導致混凝土劣化進而失去原有保護功能，甚且造成整體結構的 毀壞。混凝土品質評估標準除抗壓強度外，耐久性亦是不可或缺之項目。影 響混凝土耐久性的因素主要可以分為內部與外部的因素。內部的因素主要包 括混凝土組成材料、配比設計、搗實過程、及養護等。而外部因素包括暴露 環境及所承受的應力狀態等 10。對暴露環境中的有害離子而言，會造成鋼筋 或鋼鍵腐蝕的主要因素即氯離子對鐵的親合力。由於氯對鐵及不銹鋼有很大 的親和力，易使鐵金屬離子化，進而造成孔蝕（pitting corrosion），並促使部 分鋼材因電位不同產生伽凡尼電偶（Galvanic couple），造成鋼材電動勢
（electromotive force）提昇，因而腐蝕產生紅棕色鐵銹。因此當氯離子擴散 至鋼筋鈍態保護膜表面，且氯離子濃度與氫氧根濃度（[Cl-]/[OH-]）大於 0.3 時，便會開始破壞鈍態保護膜以及阻止其再形成 11。鋼筋腐蝕導致體積積膨 脹，致使混凝土受擠壓應力，造成龜裂，進而保護層剝落，危害結構物安全。
10 V. G. Papadakis, N. M. Fardis, and G. C. Vayenas, “Physicochemical processes and mathematical modeling of concrete chlorination”, Chemical Engineering Science, Vol. 51, pp.505-513, 1996.
11 K.Thangavel,and N.S.Rengaswamy,“Relationship between Chloride/hydroxideRatio and Corrosion RateofSteelin Concrete”,Cementand ConcreteComposite,Vol.20,pp.283-292,
因此混凝土孔隙結構所構築的路徑是影響氯離子入侵速率的主要因素。若排 除內部配比因素所造成的改變，則暴露環境中的二氧化碳與硫酸根離子會造 成混凝土孔隙結構的改變。而這兩者均與水泥漿體中氫氧化鈣（CaOH2, CH）
水化生成物的化學反應有關。
二氧化碳改變孔隙結構的方式有兩種。分別為降低混凝土內孔隙水的 pH 值與將水泥水化生成物析出。在改變 pH 值方面，空氣中若含大量的二氧化 碳，當滲透入混凝土內部時，會與孔隙水形成酸性的碳酸鹽類，導致避免鋼 筋鏽蝕的混凝土鹼性環境喪失。因此部分文獻亦將此現象稱為中性化或碳化
（carbonation）[8]。另一方面水泥水化生成物中的氫氧化鈣，極易溶於水，
且會析出混凝土表面與空氣中的二氧化碳形成白色的碳酸鈣（CaCO3），並附 著於混凝土表面上，相關文獻亦將此稱為白華（efflorescence）12。若白華現 象持續發生時，會使混凝土局部裂縫產生。
硫酸根離子改變孔隙結構的方式亦有兩種方式，第一種係因硫酸根離子 與 水 化 生 成 物中 的 鈣礬 石 （ C3ASH12,ettringite ） 形 成 單 鋁 硫 酸 鹽 化 合 物
（C6AS3H12, monosulfoaluminate），並會增加 55﹪的體積，所膨脹的體積會導 致漿體內部產生擠壓應力而導致裂縫產生或孔隙加大。另一種方式則與水化 生成物中的氫氧化鈣有關。由於兩者會產生膨脹的石膏（gypsum），相關文 獻指出膨脹的體積為原本的 120﹪13。因此亦會對混凝土內部產生擠壓應力而 導致裂縫產生或孔隙加大。對自然環境而言，氯離子與硫酸根離子會大量存
12 R.Zdenek,“Carbonation ofPorousConcreteand ItsMain Binding Components”,Cement and Concrete Research, Vol.6, pp.645-662 , 1971.
13 F.Yan,D.Jian,Ding,and J.J.Beaudoin,“Effectofdifferentcalcium aluminatehydrateson ettringite formation and expansion of high alumina cement-based expansivecementpastes”,
混凝土若處於海域環境，則空氣中所夾帶的潮濕海霧會成為影響混凝土耐久 性主要因素；而過量的二氧化碳主要由空氣污染或大量燃煤所造成，因此當 混凝土位處高度污染工業區環境時，混凝土遭受碳化的情形便較為嚴重。由 於台灣地理環境使然，使得氣候形態屬於潮濕的亞熱帶海島型氣候。加上台 灣經濟高度發展，西部沿海地區大型工業區林立。因此沿海地區的鋼筋混凝 土或預力混凝土結構體不僅單純面對氯離子與硫酸根離子的侵蝕，亦處於二 氧化碳濃度較高的區域。