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石材水斑處理

   

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、
鐵蛂B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 :

  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

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

▲ 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、袨雩g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









花崗石地坪產生水斑(處理前)


現場水斑染色處理後
完全看不到水斑


現場水斑染色處理


 水斑處理程序:

 1.處理前



 2.塗刷水斑處理劑於石材表面



 3.敷上紙巾並維持濕潤,
  用塑膠袋披覆,令其作用
  約10-20小時



 4.處理後


 水斑處理後


 石材地坪水斑現象































































 石材牆面水斑現象



 

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