花崗石水斑的形成與預防理論
作者：陳建郎先生
為何花崗石 + 鹼性水泥 + 骨材砂化性反應 → 花崗石水斑
一、鹼性水泥 ─ 骨材的砂 → 鹼矽膠質
所有水泥砂漿化學性質的耐久性問題，常起因於骨材砂中具有高化性的矽質物。
當砂與強鹼性水泥之間產生化學反應，常發生不樂見的鹼性 一 骨材反應。
近年來，亦發現了較不常見的反應，例如黃鐵礦(FeS)與氫氧化鈣(CaOH)間
會發生膨脹性的反應，形成硫化鐵甚至氫氣化鐵，使得石材破裂，並使石材易
附帶產生花崗石水斑、鐵銹、大理石吐黃的石材病變。
水泥砂漿發生破壞性化學反應，會於石材的產生整體性的龜裂，同時在破壞處
滲出一種膠狀物質，磁磚及石材的縫隙經常可見此種物質的析出，這些破壞是
水泥漿中的鹼，參與骨材砂中甚至花崗石本身的矽質物來化學反應，所發生膨
脹性侵入變質的結果。花崗石水斑也許結果形狀不一樣，但只要會吸水的石材，
就會受到不一危害。以龍爪膠隔離石材與水泥砂漿的接觸是有必要的措施。
另外，如何
讓水泥砂漿不吸水、不引響粘著就變成當務之急，龍爪粉因而應運
而生。
不同型態的矽質物，有不同的化性，一般與礦物結晶度、孔隙率、晶體大小及
結晶方式有關。蛋白石是天然產的矽質物中最具化性者，兼具非結晶質及多孔
性玻
璃質，其中所含的鈉或鉀，化性很強的物質。而有些劣化現象不明顯，
大概是所
含矽質物化性較差之故，但並不代表某些化性差的矽質物就不會破壞
混凝土、石材及其它建材，根據現有建築物的實地觀察，只是時間、程度上有差
異罷了。使用顆粒完整且不含黏土的白晶砂是目前最好的材料，只是石材施工規
範位建立時，一般廠商是不願意多花成本，因小失大的失敗案例也就屢見不鮮了！
二、控制鹼性 ─ 骨材間膨脹反應的因素有
1.化性矽質物的特性
2.具化性矽質物的數量
3.具化性材料的顆粒大小
4.水泥所提供鹼的數量
5.水泥砂漿所提供的水量
6.石材基地外來水份的控制
7.花崗石矽酸成份含量的多寡
矽砂具化性材料顆粒的大小，影響也很大。當顆粒大小屬於中等顆粒時的膨脹量
最大，所以要選用大顆完整的白晶砂。水泥中所含的鹼量為另一項重要因素；
實驗顯示，如果 Na2O 當量低於 0.6% 時，通常不會發生有害的膨脹量。龍爪粉
以降鹼含量為第一要務。
以化性物質的物理性及化學性來說：水泥砂漿中必須含
有充份的水量，才能滿足
鹼─ 骨材進行反應之所需。因此使用龍爪粉製成鬆底
的防水水泥，防止水份的
進入與乾燥是理想的方法，這也是最重要的一環。
三、鹼 ─ 矽 化學反應的四個階段〈水斑的形成過程〉
1.水泥中的鹼及具化性的矽物開始分解。
2.水化形成鹼-矽酸鹽膠體。
3.矽膠體吸收水份，液體溶液成型〈一種膠體顆粒的稀釋浮懸液〉
4.水份蒸發 → 固體矽膠物 + 吸水 → 液體矽膠物
5.花崗石 + 液體矽膠物→ 花崗石水斑
6.花崗石 + 液體矽膠物 + 吸水→ 花崗石水斑惡化
第一階段：由溶液中的鹼度控制，但並不包括水泥砂漿本身的可溶性鹼金屬離子
在內，雖然這些鹼金屬離子控制了混凝土孔隙中所含溶液的鹼度，高鹼水泥能增
加無定型矽質物的溶解度和分解速率，至於結晶形的矽質物，亦受周圍介質PH值
的影響，但較不顯著。
介質PH值SiO2的概略溶解率(ppm)
1.天然水 7-8 100~50
2.中度鹼性水 10 < 500
3.飽和Ca(OH)2 12 90000
4.低鹼水泥漿 ~12.5 ~500000
5.高鹼水泥漿 >13.0 無限大
▲水泥漿中PH 值對無定形矽質物水化的影響
第二階段：骨材砂中原有的孔隙率，決定矽質物的分解速率及第一階段所能發展的
程度，是整個骨材都開始分解呢？還是僅有部分開始分解呢？花崗石開始分解呢？
此點關係水斑形成的面積與形狀；還是被隔離？此點關係水斑形成的有與無。
由於鹼質的開始水化，使得孔隙產生流體，其中主要為氫氣化鈉（鉀），進一步使
矽成分水化，形成鹼─矽膠體（或固矽膠體）。矽砂與矽質花崗石的緻密度是特別
重要了。
S + N(K) → N(K) - S - H
骨材砂 + 孔隙流體 → 鹼 - 矽膠體
第三階段：上式並未包含進一步對石材的分解作用，且反應本身不具膨脹性。
但是，它已滲透破壞石材顆粒間的原始性，該反應由水泥砂漿向外向上或向下
發展，但能否推展至所有具化性的矽質物顆粒，端視其構造及成份而定，且所
產生
的膠體，會吸收大量的水份，導致體積膨脹，如果膨脹量夠大，所產生的
應力，
將使脆弱的骨材及其周圍的花崗石材破裂。
第四階段：在臨界膨脹發生後，此時矽膠體進一步的吸收水份，使得固態膠體變
成液體溶液，且不斷的循環由四周的裂縫及花崗石毛細孔吸入，在石材中形成難
以去除的水斑，同時此液體溶液與水泥漿中的CaOH，也可能產生二次反應，在破
壞的花崗石石材四周形成鈣─鹼─矽膠體的沉澱物，因此，吾人見到花崗石白華
與水斑、銹斑經常同時發生，也就不足為奇了。
由上面的描述，說明了花崗石水斑的膨脹，係以具化性矽質物顆粒所在位置為中
心向外擴展，如果水泥砂漿中，所含具化性的顆粒，數量很少，則溶液中所溶解
的鹼金屬離子，能移動到這些分散的中心，來形成鹼矽酸鹽膠體，並能造成局部
性的高膨脹量，破壞骨材構架，如果具化性顆粒的數量很多時，則鹼金屬離子的
數量，將不足以使每一個具化性的顆粒完全反應，因此，膨脹量減少，說明了
「不良百分比」存在的原因，如果反應在砂中視無礙的，反映在花崗石水斑則是
有害的。
四、鹼性水泥 - 骨材砂反應 (水斑) 的控制
我們利用已知影響鹼 一 骨材反應的因素，來避免水泥砂漿對花崗石、石材造成
的不良影響，可採用的方式有：
水泥中加入龍爪粉的混合劑，能控制鹼一骨材反應的膨脹量，水泥中添加的矽灰，
能與水泥漿中的氫氣化鈣發生反應，因而降低孔隙溶液的PH值，達到抑制鹼一骨材
反應的目的。然而，具高度化性的矽質物，與細顆粒的矽灰性質類似，皆能產生迅
速而無害的鹼 ─ 矽灰反應，而消耗水泥中的鹼質，此項反應直接進入所述的第四
階段避開第三階段的惡化反應，此一觀點完全發展成熟。水泥中鹼值的濃度，很容
易藉著採用Na2O，當量低於0.6 重量%的低鹼水泥，來加以控制，由於製造技術及
環境的改變，水泥中鹼質的含量有提高的可能，因此控制鹼一骨材反應的方法，
將不能僅依賴採用低鹼水泥一途了，譬如採用龍
爪粉加龍爪水拌合，即為可行
辦法。至於高鹼水泥與未來愈用愈多的低品質骨材（因高品質用罄），將更容易
造成鹼一矽間的問題，此點值得吾人深思，並應早日謀求解決之道，改用白晶砂
是建議的方法。另一種比較好的解決方法，是利用岩石分析的方法及記錄以往骨材
品質的好壞，作為避免選用敏感性骨材的依據，河礫石是所有骨材中最具危險性的，因為他們很具化性。
結論：
1.如果我們採用適當岩石分析法，來檢驗骨材的品質，使所供應的骨材中，
具化性的部份，能控制其數
量的多寡及顆粒的大小，如此一來，便能夠使其所
產生的膨脹量，在安全限度的範圍內，但現實上並不
經濟可行，建議使用經過
清洗、烘乾、篩選處理石材專用白晶砂。
2.限制造成鹼 一 矽膠體，回脹所需水的減少供應量，也減緩回脹反應的速率。
但只有在水份無法繼續供應時，或水泥砂漿防水之下，
進一步的膨脹才不會發生，
龍爪粉用作控制鹼 － 矽膠體，有減少其水份的能力，也很經濟。
3.隔絕花崗石與 ─ 矽膠體接觸的背膠防護處理，防止四面八方水份進入花崗石的
龍爪膠防護處理，成了我們有能力且有效控制花崗石水斑的方法。
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