混凝土結構物耐久性的確保：水泥低抗環境侵蝕的策略

黃兆龍土木技師/國立臺灣科技大學名譽教授/美國伊利諾大學管理碩士及材料博士

海島風光隨雨舞，混凝土中藏智慧。

水泥型別需精選，抵抗硫酸鹽侵害。

卜作嵐材填隙處，降低滲透保堅固。

一、混凝土中水泥型別選用對耐久性的影響與替代䇿略

混凝土為了能達到耐久性，針對不同環境條必須提出合宜的對䇿，否則如同一般結構物經過十數年，就開始步入老化及劣化。尤其在臺灣四面環海及潮濕下，龜裂、鋼筋爆裂等，隨處可見。所以結構物設計時均苦思合宜對䇿，如何有效掌控耐久性因子，一勞永逸。如果結構物暴露於硫酸鹽溶液環境，又顧及結構完整性，需要限制水泥型別【黃兆龍，混凝土性質與行為】如表1第二至第四行所示(黃色標示)，當土壤中水溶性硫酸鹽或土壤中水溶性硫酸鹽含量過高時，見表中第二欄位所示，水泥型別必要時採用第II型、第V型或第V型加上卜作嵐材料，純粹就是水泥「質」(Quality) (即水泥型別品質)的思維，同時為了保障結構安全性，也需限制最大水膠比及最小抗壓強度，至此都沒有顧到混凝土中水泥「量」(Quantity) 對混凝土耐久性的影響。這對當今普遍強調「高流動性」與「高強度」特性的混凝土而言，都會導致水泥用量過高，反而提高了硫酸鹽侵蝕的風險。為此有必要捨棄傳統以水泥「質」的控制方法，而改採控制混凝土中C₃S及C₃A的總量(水泥用量)的方式，大量削減「水泥用量」，使C₃S及C₃A大大降低。經驗顯示控制混凝土中C₃S及C₃A的總量，減少水泥用量更能有效降低硫酸鹽侵蝕的風險，較表1控制水泥「質」(第II型、第V型或第V型加上卜作嵐材料)的效果更佳（王和源、巫俊秀, 黃兆龍，1986；黃兆龍、王和源，1989；黃兆龍、王和源，1990，1992；等等）。 

表1　混凝土暴露硫酸鹽溶液下之要求【黃兆龍，混凝土性質與行為】

抗硫酸鹽的另一重要思維是堵塞有害離子的移動路徑，策略為摻加比重較輕，且會參與吸附氫氧化鈣(CH)反應的「飛灰與爐石粉」等卜作嵐材料卜，常見有下列數種方案。

1.   添加卜作嵐材料

以卜作嵐材料以填塞空隙及消耗氫氧化鈣含量，減少石膏反應機率，可以有效降低顯微孔隙及空隙量。

2.   降低水膠比

降低水膠比(W/B)，可降低空隙連通性，阻止外界硫酸鹽侵入結構體內。

3.   降低水泥用量

降低水泥用量是最有效的方法，減少水泥用量可以同時減少混凝土中C₃A量及氫氧化鈣（C₃S之產物）產生量。因為減少C₃S會降低氫氧化鈣之供應量，也降低了石膏反應之機率，可降低鈣釩石反應機率，見表2列示化學耐久性劣化基因及控制方法，攔中化學劣化的欄位所示(標黃色)及最后攔位劣化機理的反應式，都是與水泥(C)有關聯之「水泥總量控制法」擬定的，交通部2001年施工規範內容即依此觀念設計。 

表2　耐久性化學性劣化基因及控制【黃兆龍，混凝土性質與行為】

如果混凝土結構使用為儲水結構物、或沿海、或臨近游泳池等濕氣環境下，則混凝土需要有非常低的透水性，透過降低混凝土水膠比(W/B)為策略即可達成水密性效果，見表3之(2)項「暴露於凍融潮濕或解冰鹽」及(3)項「鋼筋混凝土暴露於解冰鹽、鹽分、海水、鹽霧等氯離子環境必須考慮鋼筋防蝕」項所示。有二個條件必須同時滿足，一是孔隙緻密性的水膠比(W/B)，另一為起碼的安全性（最低強度的保障），用於防止不當添加過量卜作嵐材料，造成強度不足的基本安全保障。海生館工程設計為常重混凝土強度要求高於350 kgf/cm²，採用W/B＝0.4以確保緻密性。然而如此仍會有較高之「水泥用量」的問題，可能會產生嚴重收縮裂縫及溫度裂縫，為了防止過量水泥，又擔心膠結料不足，損及強度與耐久性，按公共工程綱要規範中相關耐久性規範，規定最低膠結材料總量(水泥加上卜作嵐摻料重量)，有效「降低水泥漿量」及採用「更低W/B」的對策很重要。

表3　特殊暴露情況下混凝土水膠比及強度要求

二、剖析卜特蘭水泥型別對混凝土水化熱及抗硫性能的影響

依據ASTM C150規範，水泥型別影響到混凝土的耐久性和強度發展，具有不同的用途和性能，參照表4所示。水泥型別的差別主要在水泥熟料礦物C₃S、C₂S、C₃A及C₄AF含量比例上，見表5，為了其他特別之工程目的，必要時可添加一些摻料來達成，或是改變水泥熟料成分中的量。第I型水泥、第II型水泥及第V型水泥，由表5可以觀察出抗硫而要需要將會產生硫酸鹽反應的主要熟料礦物矽酸三鈣(C₃S)及鋁酸三鈣(C₃A)含量加以降低，分別由55％及10％降低至51％及6％、38%及4%；同時矽酸三鈣(C₃S)及鋁酸三鈣(C₃A)也是水化熱主要來源。適當降低水化熱，相應7天水化熱會由370J/g降至250J/g；然而為了確保抗壓強度不受到影響，必須維持矽酸三鈣(C₃S)及矽酸二鈣(C₂S)二項提供強度來源的膠體總量不變，C₃S提供初期強度，C₂S強度則在後期持續增強，所以表5所示均維持在74%及81%範圍。

表4　標準卜特蘭水泥型別及用途(CNS 61 R2001「卜特蘭水泥」、ASTM C150美國水泥分類標準）

表5典型各型別卜特蘭水泥的成分及性質【黃兆龍，混凝土性質與為】

三、卜特蘭水泥熟料的水化反應特性

1. 各型別水泥性質與水泥熟料礦物的水化特性  

為了進一步詮釋以上各型別水泥的特性，有必要針對水泥熟料水化性質加以描述。各型別水泥的水化特徵與性質如表6所示。先由「卜特蘭水泥的型別」中所含成分中，觀察出影響水泥性質甚大的熟料礦物且含量最多的C₃S及C₂S，約佔70~80%，其中C₂S的反應速率慢，見表6所示。水化速率不會太劇烈，水化放熱峰也不會突顯，C₃S反應劇烈，才會有高聳的放熱峰，見圖1之水平座標4至5小時間標示位置。而C₃A的含量在水泥中約佔10%左右，雖然含量少，但是其放熱量甚高，約1,350J/g左右，即在水泥中佔有135J/g水泥熱的份量，所以在放熱曲線上亦會出現一個突出峰，見圖1水平座標在10至20小時標示C₃A水化的位置。而C₃A的水化峰會隨「石膏」抑制物的含量多寡，而前後移動，對同一細度的水泥而言，如果石膏量太少，則放熱峰將會往前移（提早），太多則會往後移，一般水泥廠會控制C₃A的放熱峰在C₃S水化放熱峰的後面，以避免過早硬化影響到早期混凝土的施工性。

表6　水泥熟料礦物的水化特徵

從以上的敘述，可以理解表5水泥熟料礦物的消長，對混凝土水化熱及強度會有舉足輕重的影響，圖2及圖3即是將表5的資訊描繪而成，低熱水泥(IV)熱量最低，而早強水泥(III)熱量最高，其中可以看出C₃A及C₃S與普通水泥(I)相差不多，但細度最細，反應因此較劇烈。強度則如表6所述，C₂S是慢工出細活的特性，強度發展的後座力道很強，對耐久性也有幫助。C₃A及C₄AF則因為水化時體積變化甚大，且膨脹及收縮交互作用，而致產生崩解現象，見表7之示意圖，當石膏量固定下，持續在水中，C₃A及C₄AF會不斷吸水而膨脹如圖4所。但是如果石膏量相對不足時，32個莫耳水分子的Aft會轉變成12個莫耳水分子的AFm，體積產生第一次收縮，結構崩解，而一旦外界硫酸鹽離子侵入時，會與C₃S及C₂S產生的CH產生石膏膨脹反應，又促使AFm轉變成更小粒徑的Aft，見圖5示意圖，將混凝土結構物由表面往內部剝落，整體性破壞殆盡，終至崩解，見圖3下方二條曲線所示。圖6為綜合各型別水泥對混凝土強度發展的情形。

圖2　絕熱狀況下各型水泥溫度上昇的情形		圖3　水泥熟料礦物漿體抗壓強度的發展

表7　C₃A與石膏量平衡下之水化產物

圖4　C3A及C4AF隨泡水時間而膨脹之現象		圖5　硫酸鹽侵蝕的歷程
圖6　水泥型別對混凝土強度發展的影響

四、總結

混凝土的耐久性和強度發展與水泥型別中水泥熟料的水化特性有密切關係。通過合理選擇水泥型別、添加卜作嵐材料，降低水膠比和水泥用量，妥善添加高性能減水劑(HRWRA)，降低混凝土中水量至170 kg/m³以下，俾能減低乾縮率。同時也要檢核w/c大於0.42，以防止自體乾縮量，如此才能有效提高混凝土對硫酸鹽和腐蝕環境的抵抗能力，確保結構的長期穩定性和安全性。目前已有很多資訊可查詢，透過ChatGPT、Monica等AI技術，可以讓混凝土耐久性被確保。