高氯離子結構物?海砂屋?

湛淵源 技師

「從結構體取出的混凝土,經過氯離子含量測定,水溶性氯離子高達0.3kg/m3以上,您的房子是海砂屋!」這一句話曾多次出現在許多專業鑑定單位人員的口中。好像只要取自硬固混凝土中,淬取出的氯離子含量(非總量),超過目前國家標準(CNS)和技術規範(土木水利學會402-88)的規定值,就是海砂屋。這種講法某些場合上是正確的,但絕對不是唯一的結果。氯離子的來源是單一管道?所有氯離子都是有害?含非常高量的氯離子,建築物或結構物就一定會損壞?目前砂石粒料短缺,可以使用海砂代替河川砂石?這些問題常困擾著設計、監造、施工單位,對消費者更是造成恐慌,觀念有待釐清。

氯離子的來源

混凝土內氯離子的來源可以分成內含和外來二大部分。混凝土組成材料包含水、水泥、砂、石子和摻料。眾所週知,自來水內加氯當作消毒劑,只要含量在合乎飲用範圍內,這些氯離子的影響性是可以忽略的,當然要嚴格禁止使用海水,不過對位於臨海的預拌混凝土廠,或抽取地下水作為水源時,水質鹽化和受污染的問題是不容忽視的,而必須加強檢驗,防止含過量氯離子水源作為拌和用水。近年來,國內砂石粒料資源日益短缺,加上各縣市河川禁採砂石,產生供需嚴重失衡,導致盜採、濫採行為猖獗,曾因危及橋樑安全,引起公安事件(高屏大橋)。有些不肖業者,在北部和西部海岸採取海砂,混合部分河砂,甚至全部使用海砂,作為混凝土粒料,這些未經處理,或處置不完全的海砂,經由預拌廠的料源系統進入混凝土內,形成名符其實的「海砂混凝土」。由於細海砂的表面積會比較大,包覆在表面或滲入內部的氯離子自然比較多,混凝土各項材料加水後,可均勻分佈在混凝土內,對鋼筋極具侵蝕性,造成四週都會受到破壞。

水泥的主要源料為粘土和石灰石,除非這些料源受到污染,否則水泥成份內含氯離子的隱憂是可以忽略的。摻料包含礦物摻料和化學摻料,是氯離子另一項的主要來源,尤其是速凝劑(氯化鈣),材料源頭或製程中可能受氯離子污染,含有高量的氯離子,這一點反而需要特別注意,要摻料供應商提出材料所含有氯離子的量,是物料品管工作中的重點項目之一,而不只是對預力構件給予額外的限制。摻料內所含有的氯離子,可以經由拌製過程中均勻分佈於混凝土內,摻料設計及使用不當時,將直接影響品質,體質不佳的混凝土,受到內外在有害離子遷移,會產生加速惡化的結果,不得不慎!

混凝土內氯離子來源,除了從組成材料外,另一項是從混凝土所暴露環境中,經由滲透或擴散的機制,穿越混凝土表面、內部可透水孔隙和混凝土病變處如裂縫、蜂窩、冷縫等缺陷處進入。對於穿透路徑系統可以分成兩大類,第一類是氯離子經由內部孔隙系統,氯離子以濃度差的方式擴散,從外部高濃度的環境,滲入低濃度內部中,擴散速度受到孔隙的連通性和多寡的影響。混凝土品質提昇,有害離子擴散速度會相當慢,也就是拌和水量愈少,愈能夠降低滲透性。第二類是氯離子直接由裂縫、蜂窩等巨觀可見的缺陷,長驅直入混凝土內,這是最危險的情況。由此可見,維持混凝土表面完整的重要性。

  綜合前述,分析氯離子的來源是多重管道,而不只是經由誤用或濫用海砂一個來源。因此,「海砂屋」可以說是含氯離子或高量氯離子建築物的一個特例,兩者之間並不相等也不一樣,用「海砂屋」一詞描述含有氯離子的建築物或結構物,將有偏頗不完全之處。

氯離子的型態

鋼筋混凝土內氯離子的存在型態可以分成固結型和游離型兩大類。固結型,也稱穩定型,氯離子可與水泥的熟料礦物結合成穩定型的化合物,對象為水泥中的C3A成份,具有沖淡氯離子的功能,而且C3A必須在3.4%以上才可以平衡,形成「氯鋁酸鈣化合物」(C3A.CaCl210H2O)。分析國內所生產水泥中除了第五型抗硫水泥外,其它各型卜特蘭水泥的C3A含量都超過3.4%,尤其以第Ⅰ型和第Ⅱ型含量較高。這一點也說明了原有存在於內部的氯離子總量,可能受到水泥水化的時間影響,固結型的氯離子量會有增加的現象。理論上,這一類型的氯離子不易溶於游離水中,安定性高,不易產生對混凝土的危害性。

另一類的氯離子是以游離型態,游走於可透水的空隙或缺陷內,對鋼筋的危害是直接的,也是規範所限制的對象。鐵在含有氯離子的環境下,極易形成氯化亞鐵,然後分解成鐵離子及氯離子,形成鋼筋全面腐蝕,這種癥狀與保護層龜裂,導致表面形成袘k的現象完全不同,如圖一所示。要分辨鋼筋是否受到氯離子的侵蝕,簡易的判斷方法是從鋼筋受腐蝕的程度加以區別。鋼筋受到全面侵蝕而有掉落剝離的現象時,是受到氯離子全面攻擊,局部侵蝕則是一般腐蝕的現象。

工地施工時,工人擅自添加大量的水,用於提昇工作性,是不智而且危險的作法。水量增加時,也大幅提昇了水灰比,強度降低是首當其衝的受害者。過量的水,在混凝土內形成可透水的毛細管孔隙,加速且擴大有害離子侵蝕的通道,混凝土防禦性降低,鋼筋腐蝕問題接踵而至,現場監造工程師應正視這個問題的嚴重性。

氯離子含量

鋼筋防蝕的觀念中,限制氯離子含量是有必要的。束制的對象是總氯離子或游離氯離子量應有明確的規範,作為品管工作的依據。混凝土工程管制氯離子的精神,在於管制氯離子的總量。事實上,對鋼筋有危害的部分是游離性的氯離子,而這一部分的含量低於總量值的比率,受水泥C3A的含量與混凝土品質影響。大部分規範管制的對象都是游離性氯離子。國內相關氯離子管制規範包含在CNS1240「混凝土粒料」、CNS3090「預拌混凝土」、CNS11238「混凝土配比設計」和混凝土施工規範中。其中CNS3090規定者為新拌混凝土,其它均為硬固混凝土。

氯離子含量高低與鋼筋受侵蝕的機率有密切關係,與混凝土品質和鋼筋保護層厚度更有直接的關連性。表一是國家規範CNS中與氯離子有關的管制與檢驗規範。從表中可以看出民國80年以前,國家規範對混凝土內氯離子的管制,並沒有特別的規定。可能的原因是粒料來源仍充足,粒料的品質著重於級配、有機物、粘土質含量等的管制;也有可能是粒料品質管制並非品管的重點工作,受到輕忽而流於形式。在粒料資源日益短缺的環境下,河川禁採令,迫使砂石業者採取盜採和採取西部沙岸的海砂,單獨或混合使用,處理不善的海砂,在混凝土拌製過程中,均勻分佈在混凝土內,澆置時包在鋼筋四週,加上施工時工人擅自添加水,造原混凝土品質惡化,導致保護層較薄或不足的版構件,是首先發病的部位,引爆民國83年間桃園縣和台北縣的「海砂屋」及「海砂橋」事件,事件一發不可收拾。

民國83年7月22日國家規範CNS在「混凝土粒料」與「預拌混凝土」,明確訂定游離性氯離子的管制規範,與細粒料水溶性氯離子的檢驗規範。84年1月4日再修訂公佈「混凝土配比設計」中水溶性氯離子的管制值,同時公佈新拌混凝土中水溶性氯離子的檢驗規範。至此無論管制和檢驗規範已趨完整,可有效防範含高氯離子的材料進入混凝土內。不過,對於外來入侵的氯離子,只有朝提高混凝土品質,加強檢測與維護工作,強化混凝土的防禦能力。

混凝土內氯離子含量的管制值是多少?可以從表一分析。在83年7月22日公佈管制規範前,氯離子若是來自混凝土材料系統,並無總量的管制規定,含氯離子結構物,可以說是混凝土材料品管工作的顯著疏失,監造、施工與混凝土供應者難辭行政疏失之責,但如有蓄意使用這些材料,則又另當別論。容許氯離子量必須與混凝土品質、建築物或結構物表面損壞情況,經由專業技師或學術機構診斷、評估與判斷,確認氯離子對築物或結構物的影響程度,採取適當的處置措施。83年7月22日以後所興建的建築物或結構物,氯離子管制規範有明確的依據,依結構物的型式與暴露環境,必須嚴格執行管制工作,杜絕再發生類似事件,影響消費者的權益。

結語

嚴謹的料源管制制度,優良的混凝土設計與施工品質是防止造成含過量氯離子建築物或結構物的重要策略。經由本文分析,「海砂屋」只是含高量氯離子建築物的一個特例。CNS國家規範對氯離子的管制與檢驗規定有時間上的區別,83年7月22日之前,容許游離性氯離子含量,必須與混凝土品質經由專業技師的研判,是否對建築物或結構體具有危害性,並採取適當的補救措施。83年7月22日之後,按照CNS管制規範嚴格執行檢測工作,避免再發生類似事件。

圖一 氯離子侵蝕與保護層不足所造成的腐蝕狀況

表一 CNS氯離子相關管制與檢驗規範

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最後更新日期: 2005/05/07