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風化對石材工程之影響?

石材風化〈Weathering〉意旨石材受各種作用的
侵蝕,促使細部礦物離析的作用。風化包括有物
理瓦解及化學腐解兩大類,物理性之風化作用與
化學性之風化作用常同時進行,然在寒冬地區以
物理性作用之風化作用為主,在熱帶地區則以化
學性風化作用為主。化學性風化作用係石材被溶
解、氧化及碳酸化的腐解作用,一般而言,化學
性風化作用遠較物理性風化作用更為嚴重。
其原因有:


1.氧化作用

石材中的礦物和空氣中或水中的氧結合,謂之氧化
作用。大氣中到處充滿氧氣,因此氧化作用對石材
之風化,關係最為密切。一般而言,氧化作用往往
最先開始,而後才是水解作用。此種作用將使石材
變軟,體積增大,失去原有的光澤和彈性。岩石經
氧化作用後,顏色將較黃化,鐵質的成份也易成
斑。因此石材中含有鐵質成份,氧化作用更為明顯
例如橄欖石經氧化作用後產生氧化鐵,此種氧化鐵
遇到水後,又起水化作用而成為褐鐵礦,形成
嚴重污染石材。抑制病變的再發生,可以從氧化作
用的控制著手處理。


2.水化作用

石材吸收水份後,即與水化合而發生變化,其體積
增大進而放出熱力,石材結構硬度變低,表面粗糙
且光澤變弱,彈性亦減低,終將使石材破壞。此種
變化並未影響石材的基本形態,也就是石材中的水
份,加熱後若可去除者,即謂之水化作用。


3.水解作用
水性液體加入礦物構造中而成含水礦物,含水礦物
中的水無法以加熱法去除。因此,石材經水解作用
後,其基本形式會發生改變,並有氫氧根離子的析
出者,謂之水解作用。此種現象在正長石之風化過
程中最為常見,花崗石水斑、大理石的酸性晶化作
用,即屬於石材的水解作用。

4.碳酸作用
岩石若遇水及二氧化碳,則起化學反應而成碳酸鹽
類,此種作用謂之碳酸化作用。

5.溶解作用
在化學風化作用中溶解作用甚為普遍,水為最佳之
溶劑,若其中含有二氧化碳及有機物質時,其溶解
力更大,尤其是石灰岩。


物理性之風化作用係石材受冰霜、冷縮、熱脹等作
用而崩解,又稱為機械性風化作用,其方式有
(1)粒狀分解 (2)剝蝕 (3)塊狀崩解及碎裂。
原因有:

1.溫度作用
石材日間受熱力而膨脹,夜間受冷而收縮。因此產
生熱脹冷縮的現象,而使石材發生塊狀侵蝕;且石
材中含有多種不同的礦物,其膨脹係數不同,因而
發生粒狀剝蝕或崩解。

2.水的作用
雨滴擊落岩石表面時,其作用力雖小,但經長時間
反覆地襲擊,亦將軟化石材使之崩解。再者雨水能
溶解空氣中各種氣體,使之滲入石材中加速石材之
風化。

3.風的作用
風能搬運砂土,將顆粒最細者吹入空中飄揚,而顆
粒較粗者,則在地面滾動,此種作用雖需時甚久,
但日積月累亦甚可觀。

4.凍結作用
任何岩石,其中多有細微孔隙,孔隙中的水,一旦
受到低溫影響,即發生冰結作用而使體積膨脹,進
而崩解碎裂。

5.生物作用
某些低等植物吸收大氣中的水氣,附著在石材表面
助長溶化作用。此等植物死後,即腐爛並吸收空氣
中之水氣,形成有機酸加速石材的破壞。

6.粘裂作用
膠質粘裂作用,係粘結石材的膠結礦物產生鬆弛作
用,使石材內部鬆弛,表面易剝落,促進風化的速
度。

綜合上述,我們了解除了水會破壞石材外,空氣中
的氧、二氧化碳甚至二氧化硫都會直接危害到石材
本身。因此,除了亮面石材外,燒面花崗石、板岩
砂岩也很需要浸泡防護處理,以達到絕對的養護效
果。


【蠶蝕大理石的鹼-矽反應】

鹼 ─ 矽反應
如果岩石成分為含有硬砂岩、粘板岩、千層岩、
泥岩,以上含有大量粘土礦物的沉積岩大理石,
顯然會遭受鹼─矽反應的侵害 (粘土為片狀的矽
酸鹽)而導致粘土礦物的剝落。由於粘土礦物,
大部份為扁平、平板狀的顆粒,經壓密作用後凝
聚為一塊大理石,剝落作用會使其顆粒分離,這
種反應速度雖緩慢,但經過二年的時間後,鹼矽
反應的影響會著漸的明顯,但它造成的膨脹量,
為一不定數,此外另一種鹼 ─ 骨材反應,也必
然同時進行,因為在這些岩石中,通常也含有矽
(骨材) 的微小晶體,使用石材特效水泥與白砂
重要的。


白雲石分解反應,如下式所列:
CMC2 + NH (KH) - → MH + CC+白雲石 + 水泥砂漿
(提供氫氣化鈉、鉀) - → 氫氧鎂石 + 方解石 +
可溶性碳酸鹽,此反應具膨脹性,其進行的速率,
視晶體大小及所生成方解石的濃度而定,當碳酸鹽
中含有大約50%方解石,且顆粒小於40mm時,白雲
石的分解速率最快,其中粘土所扮演的角色未知,
也許它在白雲石分解過程中,造成碳酸鹽晶體格子
結構的弱化,因而產生膨脹及內部破裂現象,導致
石材產生吐黃、鈣粉、水斑、龜裂...等現象。

另一種說法是:白雲石的分解使得粘土暴露,使其
處於一種特殊的活化狀態能與鹼金屬離子反應,形
成一種回脹性粘土。然而,也可能是粘土扮演半滲
透膜的角色,形成一種內含白雲石所分解形成的可
溶性碳酸鹽的滲透性細胞,至於粘土的臨界含量,
則視白雲石中碳酸鹽類的含量而定。


鹼 ─ 碳酸鹽的反應,須藉著:
1.保持水泥中的低含鹼量 2.以較不敏感材料稀釋化
性骨材,來加以控制。 與鹼 ─ 骨材反應不同的是
具化性骨材中,並不含鉀,且為了確保足夠的安全
起見,水泥中鹼質的含量應低於0.40%。

大理石 (尤其是石灰岩) 的破裂強度是所有石材中
最差者,除了會遭受侵蝕外也較易膨脹破裂,使用
時一定要做浸泡或背面防護,以加強石材破裂強度
及防止污染病變。另外,自然空氣中的二氧化碳與
水合成的碳酸作用,對石材表面的侵蝕破壞也不小
(室外更嚴重) 再加上人為的影響,因此石材正確防
護是相當重要的一環處理。





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