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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○九年七月二十五日

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本期主筆:蔡志揚
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

混凝土地坪分層剝離原因剖析-

疑似誤用含氧化鎂材料所致

湛淵源、王庭華  技師

一、混凝土版面分層瑕疵

混凝土地坪,因內部某些因素,造成表面3-20mm深處分層剝離(Delamination)現象[1],其分層面積直徑在數公分至數公尺寬,也造成版結構的不連續性,影響版面使用功能至鉅,見圖1。依據文獻[1]記載,版面分層剝離原因,可以分成新拌混凝土狀態下、及於硬固混凝土狀態下所產生的機理。前者是指混凝土澆置完成在初凝前,或終凝後表層過度拍擊與修飾表面,造成版內部局部分層現象;後者,是版面混凝土硬固後,因膠結料或粒料,誤用含游離石灰(f-CaO)與氧化鎂(f-MgO)等體積不安定材料,在遭遇暴露環境中,水分與溼氣侵入,與這些成分發生水化反應,生成體積變化100%-300%生成物[2],此時硬固混凝土被頂起脹破,形成分層剝離或表面爆開的問題;也有可能是除冰鹽、水分濕氣等侵入版內部,侵蝕鋼筋金屬埋設物,發生侵蝕反應,造成鋼筋鏽蝕膨脹3-8倍體積[3],導致形成分層剝離、或保護層裂開剝離掉落。

本文暫時不討論新拌混凝土分層剝離問題,而是聚焦在硬固混凝土疑似遭受因混凝土膠結料或粒料,誤用含游離石灰(f-CaO)與氧化鎂(f-MgO)等體積不安定材料,諸如水泥健性問題、膠結材料含氧化碴與還原碴等游離石灰(f-CaO)與氧化鎂(f-MgO),或誤用未經安定化處理之氧化碴與還原碴粒料。換言之,不安定因素,以水泥、爐石粉來源、粒料來源(廢鋼煉製過程產生爐碴)等為探討重點。適當的試驗檢測方法,CNS 1258-卜特蘭水泥熱壓膨脹試驗法,是具有決定性必要手法;因為水泥健性(Soundness)試驗,是分析測試是否含因游離石灰(f-CaO)與氧化鎂(f-MgO),存在於水泥中而影響體積穩定性,也可以套用於添加爐石粉中,是否有未經安定處理的廢鋼碴,或誤用未經安定處理的廢鋼碴當成粒料,製作混凝土成品,所導致版面膨脹體積不穩定分層剝離問題。

探討個案混凝土版面,歷經數個鑑定單位的檢測分析結果,最終鑑定成果版之分層原因,來自新拌凝土施作工序沒有掌握得當,所引起分層劣化;惟,混凝土材料源頭管制(Original quality control)疏漏[2],就爐石粉來自大陸,及國內粗粒料來源疑似添加廢鋼碴,未經安定化處理,導致含游離石灰(f-CaO)與氧化鎂(f-MgO)膨脹問題,層出不窮且相當嚴重;個案處理過程如后:

混凝土版分層剝離大樣圖[1]

二、版分層剝離與膠結料膨脹

混凝土版分層原因,由文獻[4]所建議的版面粉刷視窗,見圖2,可以清楚看得出來,版面分層原因是來自過早或過晚粉飾版面所造成的,尤其是採用機械式粉飾拋光機,振動壓實粉飾表面時特別敏感,稍有不慎,很容易產生分層剝離現象。2是由美國專家DipayanJan,在加拿大魁北克市,第29屆水泥顯微技術(Cement Microscopy)研討會發表專述,混凝土版分層巨微觀技術回顧(A-State-Of-The-Art)整理,論及分層整理,並依據ACI 302ACI 308ASTM C 403與實務經驗,詳細剖析形成分層機制與鑑定手法。從圖2中可以了解版分層與混凝土配方的拌合水量、凝結時間,和版面施工時機等,有環環相扣,密不可分關係;也就是說,版面施工配方,工作性要低,添加拌合水量盡量少,配比在工地的凝結時間要能符合現場施工鏝飾需求;現在問題點是施工以版面粉飾廠商需求為主,這也是營造商要求一定要滿足版面粉飾工項,而預拌混凝土供應商一定要使命達成這個目標才可;因此,版面實體模型試驗(Mock-up test),就是要驗證版面材料和版面粉飾工序是否能契合,有問題一定要提出當面解決,尤其是凝結時間,是版面粉飾管制重點中的最焦點工項。

接下來討論版面混凝土含水泥(含游離石灰f-CaO與氧化鎂f-MgO)、膠結材料和粒料因誤用與使未經定化處理的鋼碴廢棄物問題,也是含游離石灰f-CaO與氧化鎂f-MgO成分,暴露環境中遇水或濕氣時會發生膨脹問題,會脹破表面或是產生分層瑕疵;而廢鐵煉製鋼鐵廢鋼筋時,因加入石灰石淨化鋼液而懸浮頂部的融熔廢爐碴,倒出丟棄時因量體龐大利用價值低,任由廢棄物清運公司處置,若是與不肖礦物摻料業者與粒料供應商掛勾,這些廢棄爐碴(大部分未經案定化處理),被轉售至爐石粉或砂石供應廠商,在未及(或初糙)加工後被賣到預拌混凝土廠,製成混凝土送至公共與民間建築中,在後續硬化使用歷程中碰到水分濕氣,與其混合反應,如式(1)與式(2)所示,其體積膨脹1-3倍之多。這將造成建築構造物使用上極端困擾的事(諸如松菸文創特區混凝土表面爆開剝落「青春痘」事件)

f-CaOH2O→Ca(OH)2 100-300% expansion of volume; (1)

f-MgOH2O→Mg(OH)2 148% expansion of volume.(2)

2 混凝土版粉刷視窗[4]

三、案例探討

由建築物混凝土版接觸案例而言,北部某賣場的地版發生分層剝離原因,經業主與營造廠發現地坪大面積分層剝離現象,隨即委託美國檢測單位[5](1與圖3)、與學術鑑定單位,至現場與預拌廠採樣分析,初步做成疑似混凝土內部含游離石灰f-CaO與氧化鎂f-MgO成分,懷疑混凝土配方內有10%爐石粉。爐石粉來自大陸進口且容許使用,經安定化處理的廢鋼碴磨成細粉,進口時可能品管有缺失;且是採用國內砂石粒料,而懷疑內部含廢鋼碴混入粒料內部所致。如同前述,混凝土版面產生分層剝離,肇因是源自於新拌混凝土,抑或硬固混凝土階段所產生者,而原鑑定單位是依硬固混凝土樣本,並抽測預拌廠料源送檢驗分析,結論是來自大陸爐石粉MgO含量約6.8%,對比中鋼爐石粉則為2.3%,較CNS 12223-水淬高爐爐碴規範內之表1規定,MgO化學成分應≦10%。此規定是採用在水淬爐石粉規範中,但以廢鋼碴MgO規定,因政府已明定,爐石粉內僅能以煉鋼高爐所產出經水淬後研磨而成,若以CNS 12223規定,僅是一種權宜措施,只是MgO含量是國內省產者達3倍之多,此結果頗令原鑑定單位合理的質疑,且經由粒料pH質檢測呈高鹼性,更加深內含MgO過量疑慮。不過,從表1及圖3光學顯微鏡,以ASTM C457顯微鏡分析技術,檢測分層部位空氣含量12-15%(個案案場A),較無分層3-4%(個案案場#1)約大3-5倍以內,此結果頗耐人尋味個中差異原因!

爭議個案雙方(營造廠與預拌混凝土廠),進入司法階段,裁決由本公會釐清爭議事項:即為混凝土版面是否含過量f-MgO成分,展開現場採樣檢驗釐清該項爭議事件始末。由以往鑑定單位至預拌廠調查試驗結果,爐石粉含MgO成分是6.8%,較國內中聯爐石公司生產爐石粉2.3%高約3倍,但還是低於CNS 12223規定(MgO 10%)。為能去惑解疑取信兩造,公會鑑定技師提出:(膠結料與粒料含f-CaOf-MgO)加速激發處理試驗,以CNS 1258-卜特蘭水泥熱壓膨脹試驗法,將鑽心體置於高溫高壓蒸鍋(20.8±0.7 kgf/cm2,相當於壓力 215.7±1.7 oC)蒸煮三小以上,比較試驗前後,鑽心試體表面有無異樣(龜裂、剝落、分解、翹屈、變形等),同時未來可經由X-raySEM/EDS分析化合物成分含量有無異常。

本法是水泥製造廠自主檢測水泥,是否含有f-CaOf-MgO,以100 oC熱水快速蒸煮水泥漿製品樣本3小時,激發這些具膨脹性物質過量問題? CNS 1258僅適用於水泥,引用在混凝土中,尚在CNS主管單位起草中,將來國內就會有更詳盡,諸如CNS 1258,檢測硬固混凝土具膨脹性劣化問題[3]。圖4顯示個案參考CNS 1258試驗結果分析,在高壓高溫鍋用水蒸煮3小時以上,而且溫度大於200 oC以上環境,較CNS 1258建議水泥廠自主快速水煮溫度高,就個案現場混凝土試體,用水高溫高壓蒸煮3小時以上,靜置至常溫狀態下,取出觀察試驗前後無顯著變化,印證加速環境劣化,混凝土內材料含f-CaOf-MgO成分可能性低,個案現場版面分層剝離問題,極可能來自其他因素,特別表1載明分層部位含氣量12-15%,而另外現場頂部含氣量在3-4%,這是值得注意的地方,既然分層不是源自於f-CaOf-MgO異常膨脹,鑑定導向,應從混凝土配方與施作工序,抽絲剝繭,釐清案情真相,此可參考文獻[6]建議作法,並至現場採樣,以ASTM C856-硬固混凝土岩相分析、ASTM C457-硬固混凝土顯微鏡技術,量測斷面含氣量參數分析法、X-ray繞設分析、電子顯微鏡SEM/EDS分析法,和施工過程中品質相關合約、施工規範、施工紀錄與文件,蒐集、分析綜合研判,以更科學與技術手法,鑑定診斷可能原因與維修及修復方法和所需成本[6]

個案A#1分析資料(依據ASTM C856-硬固混凝土岩相分析)[5]

以個案取樣鑽心試體送至美國混凝土檢測公司依ASTM C856C457分析結

 

4   參考CNS 1258對鑽心試體進行高壓高溫試驗,表面是否有異常膨脹毀損

四、結論

本文探討案例(混凝土版面分層與f-CaOf-MgO)的鑑定方法,係審慎參酌施工品質瑕疵判斷利器,以本公會鑑定手冊[7],同時參考CNS1258-卜特蘭水泥熱壓膨脹試驗法、ASTM C856-硬固混凝土岩相分析、ASTM C457-硬固混凝土顯微鏡技術量測斷面含氣量參數分析法、X-ray繞射分析法和SEM/EDS電子顯微鏡分析技術合成之方法,輔助蒐集施工規劃、工序設計、現場實作歷史履歷資訊等的綜合分析,確定案例混凝土版面分層剝離主肇因:f-MgO異常膨脹可能性低,結果是頗為公正客觀的,只不過這需有混凝土科技知識技術經驗人員擔任,本公會技師群,人力資料庫,人才濟濟,每位技師均學有專精,足以承當公私委託案與法院案件鑑定診斷的重任!

參考文獻

 1.https://www.bing.com/images/search?q=slab%20delamination%20picture&qs=n&form=QBIR&sp=-1&pq=slab%20delamination%20picture&sc=0-25&sk=&cvid=D0716F09948A4357B7F3477602D41255 (1081101日由網站下載)

 2.經濟部工業局,電弧爐還原碴安定化技術手冊(初版),台北市 (1061)

 3.黃兆龍,混凝土性質與行為(附光碟),詹氏書局,台北市(1064)

 4.Dipayan Jana, DELAMINATION – A STATE-OF-THE-ART REVIEW, PROCEEDINGS OF THE TWENTY-NINTH CONFERENCE ON CEMENT MICROSCOPY, QUEBIC CITY, PQ, CANADA, MAY 20 -24, 2007.

 5.COSTCO sampling Bei-Tou and Chung-Li stores concrete core specimens to Dominion Consulting Inc. USA report: (1). Concrete Floor Delamination Investigation, (2). Concrete Floor Comparison Investigation Bei-tou COSTCO, and the Chung-Li South COSTCO, (2015.12.22).

 6.鄧勝軒,工程瑕疵鑑定之參考,台灣省土木技師公會,技師報,1073期,新北市板橋區(10671)

 7.台灣省土木技師公會,鑑定手冊(修訂),新北市板橋區(993)

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