石材养护 水泥砂浆与石材病变预防之探讨

    水泥与砂属于耐久性良好的营建材料，但囿于良质骨材(砂)缺乏，环境污染逐渐恶化，若再加上水气多、湿度大、温度高及水泥强碱特性等因素，使得近年来石材病变问题有增多的趋势。某些砂经调查后，发现具有很强的化学活性因子，而海砂更是人人闻之色变。因此应注意化学活性较高的砂，避免造成碱骨材化学反应，其明显的现象就是石材表面爆开、裂开及碱硅白色透明胶状物渗透石材，因此石材与碱骨材反应的关系是营建装修时很值得重视的问题。

    而水泥砂浆水化物之氢氧化钙，甚易溶解于水中，经水份渗透或水气干湿循环作用下，常因毛细管作用而堆积，且析出于石材表面，形成白色之盐类结晶(含碳酸钠、钾、钙)俗称白华。这个棘手的问题根据观察直到五年后仍具有活性能量，如何控制其化性离子的安定，是建材安装工程重要的课题。
                                                                        
    一、碱(水泥)‧骨材(砂)反应之机理
 
    骨材在水泥砂浆含量中，占有约60~75％的体积，故对水泥砂浆性质有相当大的影响性。而所谓碱骨材反应是定义为水泥水化过程所释放出来的氢氧根离子(OH)与碱金属离子(Na+、K+)和具活性的骨材(砂)所产生的化学反应。
 
    骨材在水泥砂浆中具有相当的物理稳定性，但当骨材含有不当矿物成份，则会和水泥中碱性物质产生化学的不稳定性反应，特别是在潮湿的环境时。当生成的反应胶质在吸水后不断膨胀，造成石材的膨鼓、龟裂、粉化或严重到侵蚀石材背面。而「有害的杂质」包括有机不净物、沉泥、黏土、褐煤及某些轻质物和柔软微颗粒，此外也包括会碱性反应的岩石、矿物，如硅质角岩和含镁质之石灰石。因此，选择成份单纯，颗粒稳定，经过彻底清洗、烘干、筛选的硅质砂是较理想的选材。
 
    碱骨材反应之主要条件为水、活性骨材、碱金属离子，因此碱骨材反应（Alkali-Aggregate  Reaction, 简称为A.A.R）通常可分为：

    1.碱—硅反应（Alkali-Silica  Reaction）简称A.S.R。
    2.碱—碳反应（Alkali Carbonate  Reaction）简称A.C.R。
 
    经由实际上的观察，可推论碱骨材反应的几个程序
 
    1.硅酸盐水解：因为硅酸盐类在碱质及含水环境中会水解反应，使骨材失去整体性。而能发生反应必然有二个条件：一.是环境中碱含量太多，因此钙离子的碱性溶液要能控制其安定(技术上是困难的)。二.是骨材为硅质无良好结晶之材质，因此砂的质量要管控(现实上是困难的)。因碱骨材反应属于多年长期型态之活性化学反应，现阶段都是采用「加速检测」的方式。而避免使用到具有活性的骨材，ASTM利用一系列的试验方法，可验证骨材是否含有碱骨材反应因子。
 
    2.形成(N/K)-S-H胶体：水解之硅酸盐与水泥提供之碱缓慢反应形成膨胀体，由此可知必须要有水的环境，才会发生化学反应。如果水泥砂浆对水分能安定，水分的吸收或扩散能减缓，则ASR或ACR反应将受到基本控制。但水化不完全的软底传统工法，则不具此条件，添加安定剂是必要的选择。
 
    3.胶体膨胀：水泥砂浆的胶体膨胀会产生很强大的内应力和破裂，造成石材爆开及裂缝并产生胶质溢出。(中国石材养护网） 深度颜色质变反应的出现也代表水泥砂浆对石材有侵入性化学反应。事实上，除了砂石以外，石材、石英砖也会是碱骨材反应的对象之一，这是很危险的问题，表面较气密的人造石更是最大的受害者。
 
    4.形成流动凝胶：水斑的形成，使胶体沿节理流出，并与之质变反应，当然这也必须有足够湿气存在，才有媒介可溶流出来。胶体会以溶胶的形式移动，注入毛细孔体中，填入石材裂缝中，并侵入石材颗粒的内部组织，这些反应物干涸后会在内部留下深色的胶体沉积物，因此以水气来检讨是错误的。碱硅胶体是碱硅反应发生最可靠的征兆，但石材外表没有水斑的产生并不一定代表基层没有碱硅反应，只是因缘条件及程度未完全俱足罢了。

　二、碱骨材反应之试验与防范
 
    一般水泥砂造成碱骨材反应，导致石材病变的原因是：1.水泥中的碱离子含量过高。2.具有活性的骨材。3.水份充裕。4.石材背面参与反应。碱骨材反应之速率与膨胀量之大小，并非受单一因素所支配，而是多种原因综合作用所致。其影响因素可就活性骨材、碱金属、水泥砂配比及环境等因素来探讨，因此，有效防止碱骨材反应其对策如后：

    1.限制水泥中碱的含量：

目前为了环保要求，一般水泥厂均规定回收废气，而其中含有大量挥发性之Na2O及K2O强碱，此回收使得水泥中的碱通常是超量的，所以要求降低Na2O、K2O、CaO的技巧，只能由水泥中添加中性反应物质(龙爪粉)，以相对降低碱的供应量，避免让砂的危险因子高度溶解，选用水泥系统前，最好先做1.水泥饱和水溶液PH质测定2.水斑加速实验3.白华加速实验4.黄斑加速实验。
 
    2.避免使用活性骨材：

使用前须严格检测活性含量、危险杂质之含量；另外，控制骨材之质量，选用颗粒结晶完全之净砂，并且建议砂能有1.总体化学成份分析、2.细骨材氯化定量分析、3.潜在碱质反应等考虑。
 
    3.减低含水量：

骨材中的活性因子游离至骨材周界，才有机会与水泥中之氢氧化碱反应，结合成膨胀性胶质物。这些反应一定要有水分的助长，因此如何阻止水分及减少水分存在是首要的工作，亦即增加水泥砂浆斥水性，或减少能溶解硅酸盐的「水」，最直接的考虑就是提升水泥的斥水功能，使渗透性降低，而减少水分进入水泥砂浆的速率，也减少水泥浆中的病变因子扩散至石材的机率，因此建议水泥能有1.吸水率、2.拉拔强度等测试。
 
    三、结论： 

    碱骨材反应是由于骨材中含有活性硅的成份，在混凝土中会被氢氧根离子分离，再结合水泥中的碱金属（钠、钾、钙）形成碱硅胶体（alkali-silica gel），在吸水后更会产生高压膨胀，并加速碱骨材反应，让有害物质侵入石材而造成病变，因此建议如下：

    A使用水泥添加剂─龙爪粉： 

    该材料可消耗不具胶结性的氢氧化钙，生成具胶结性的硅钙胶体，来填充孔隙率及增加强度，对水泥砂之耐久性、稳定性、致密性、防水性、低水化热、低泌水性、低收缩、抗硫性、抗污水性、抗化学性、抗盐化、提高强度、提高工作性有正面效益；抑制碱骨材反应的最佳策略就是利用比骨材更加活跃的材料来抢夺碱性物质，与氧化钙、氧化钠及氧化钾反应而消耗碱质，也同时促进胶结反应，有助水泥砂浆的长期性质，尤其添加龙爪粉后，对传统半干拌水泥砂的工法更是有效。

    B使用防病变背面喷胶─龙爪胶：

    基于以上学术理论与工程实务的印证，阻隔石材与水泥砂浆的渗透性接触是必要性的预防工作，但也不能因此而阻止了石材与水泥沾粘的效果，龙爪胶也是绝对必要的材料，除了防碱、防水、防病变，更可增益水泥十倍的黏力，完全避免背面防护剂所衍生的空鼓现象。