為何花崗石 + 鹼性水泥 + 骨材砂化性反應
→花崗石水斑
花崗石因含有酸性的矽酸鹽；大理石含有鹼性的碳酸鈣
或碳酸鎂，如果直接受到水泥中之強鹼，如氫氧化鈣、
氫氧化鈉或氫氧化鉀的接觸，將產生中和作用或堆積沉
澱作用，進而產生鹼化反應，此反應作用產生使骨材分
解之有害膨脹，有龜裂、翹殼、水斑、空鼓等影響。
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、
不影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 ：
- 化性矽質物的特性
- 具化性矽質物的數量
- 具化性材料的顆粒大小
- 水泥所提供鹼的數量
- 水泥砂漿所提供的水量
- 石材基地外來水份的控制
- 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
第一階段：由溶液中的鹼度控制，但並不花崗石+
液體矽膠物+吸水→ 花崗石水斑惡化包括水泥
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
介
質 |
PH值 |
SiO2的概略溶解率(ppm) |
天然水 |
7-8 |
100~50 |
中度鹼性水 |
10 |
<
500 |
飽和Ca(OH)2 |
12 |
90000 |
低鹼水泥漿 |
~12.5 |
~500000 |
高鹼水泥漿 |
>13.0 |
無限大 |
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▲ 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。
水斑燒焰處理
石材地坪產生水斑的現象
戶外石材地坪產生水斑的現象
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石材養護教學 
