中華民國九十七年三月二十九日

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奈米高分子石材防護劑

對鋼筋混凝土腐蝕耐久性的改善

黃德龍 技師、張為舟 先生 

鋼筋混凝土的耐久性足以影響民生經濟與國家發展 

鋼筋混凝土耐久性一直是世界各國急需解決的重大問題之一，尤其針對最近國內所熱烈談論的核電廠延役問題，因應其更新轉營運執照所必須的審查程序，相關掩體及結構物的使用年限，更是鋼筋混凝土工程的一項重大考驗。目前國內外鋼筋混凝土結構依然是工程結構的主體，該類型建築物完工後，常發生鋼筋鏽蝕與混凝土凍融作用之問題，而結構老化及腐蝕是一種慢性病，其病徵往往隱密生成而突發不可收拾，當建築物出現老化，除了建築物原本預期的經濟效益打折不說，首當其衝的還有崩塌、鋼筋外露等危及生命安全與健康。基礎設施是國家的經濟命脈，是故常用以建構基礎設施的鋼筋混凝土，其耐久性足以影響民生經濟與國家發展。

針對此議題，國內外許多專家學者，相繼提出諸多改善方案，如：混凝土加厚、添加防鏽劑與質密的改善、混凝土外表塗層、鋼筋本身材質的混煉與防護等方法，美國更力推生命週期成本分析(Life-Cycle Cost Analysis, LCCA)的模型，推算其經濟效益，但由於各項變數仍無法有效掌握，且因地理環境而有所異同，仍存在不可靠性。由諸多解決方案可知，結構老化及腐蝕的問題，雖是老生常談，但仍舊無法得到有效且完善的解決方法。

 鋼筋混凝土表面防護

一般常見的鋼筋混凝土老化及腐蝕之原因，如：二氧化碳(CO₂)導致混凝土碳化現象，及海洋環境下海鹽的氯離子(Cl^-)對鋼筋混凝土的腐蝕破壞作用等，其中，氯離子的腐蝕破壞作用為主要因素，如圖１所示，當混凝土中鋼筋表面的氯離子超過一定的量時(Cl^-/OH^->0.61)，鋼筋表面的保護性鈍化膜開始被破壞，導致鋼筋易生鏽腐蝕，緊接著鋼筋開始腐蝕膨脹造成混凝土龜裂，使得腐蝕物質更容易從混凝土龜裂處進一步侵入，加速破壞了鋼筋混凝土結構。

 環氧樹酯、聚氨酯、丙烯酸樹酯等塗料使用有機溶劑，造成環境污染，危害人體健康

面對此項問題，採用塗料噴塗在鋼筋混凝土建築物上，或是利用陰極防蝕處理等，是一種常見的方法。該法在鋼筋混凝土表面形成一層阻隔層，以阻止氯離子、二氧化碳等物質侵入，也可以增強已龜裂的混凝土表面。目前廣泛被應用的鋼筋混凝土表面防護塗料，包含環氧樹酯、聚氨酯、丙烯酸樹酯等，這些塗料往往使用有機溶劑，造成環境污染，危害人體健康，如氯化橡膠已被國際組織禁用生產，因為添加有機溶劑成份而造成使用成本過高，加上環保意識的抬頭，以及奈米技術的崛起，許多專家學者已陸續開發出如有機、無溶劑型、水溶性或有機-無機等高分子複合材料問世。

圖 1  鋼筋混凝土氯離子腐蝕破壞作用示意圖 

奈米塗膜分子能夠滲入混凝土內部的孔隙，形成疏水及透氣效果

奈米混成複合物是一種較新穎的塗料材料，在奈米尺度（1 nm~100 nm）上，許多物質會出現不同性質，如：表面積增高、表面曲度變大等，而衍生了許多新用途，亦可應用於營造工程，如：營造產業專用的奈米保護劑，其中的奈米陶瓷高分子複合材料，如圖2所示，能有效滲入混凝土毛細孔內10~20mm與混凝土的矽基材化學結合，形成保護膜。因此，當使用奈米陶瓷高分子複合材料噴塗在混凝土表面上後，如圖3，相較於一般塗膜僅在外部表面形成一層阻隔層，只將最外側孔隙蓋住，奈米塗膜分子小而能夠滲入混凝土內部的孔隙，形成奈米薄膜，達到如圖４所示的疏水及透氣效果。疏水，表示材質對水有排斥力，大的水分子團因表面張力，無法滲入材質內部；透氣，則表示材質保有原始孔隙的暢通，所以小的水蒸氣分子，可以自由穿梭在孔隙間。再者，在奈米尺度下物質出現不同性質，使得鋼筋混凝土表面粗糙度改變而成為奈米化表面，如圖5所示，而產生蓮花效應（Lotus Effect），如蓮花葉面般的奈米結構，表面細緻度小而能防止水分子入侵或外流，而具有抗水、抗汚的自潔功能，使得鋼筋混凝土建築物出淤泥而不染。

圖 2 奈米陶瓷高分子複合材料

圖 3 奈米材料噴塗在混凝土表面

圖 4 奈米塗膜疏水及透氣示意圖

圖 5 奈米化表面

奈米塗膜可保護鋼筋混凝土內部而達到改善耐久性

如前所述，奈米混成複合物所形成的塗膜能夠與不同材質結合，有效阻隔二氧化碳、水與氯離子腐蝕，達到如蓮花葉面般的疏水、易潔效果，並讓材質維持可透氣狀態，以保護鋼筋混凝土內部而達到改善耐久性。如圖6之實例所示，利用染色後的自來水，來測試混凝土在使用奈米保護劑的前後的差異，未處理部份，水分會迅速滲入混凝土內部，並在表面留下水痕，已處理部份，水分會凝結成珠狀，停留在混凝土表面上。

圖 6 鋼筋混凝土表面改善示意

目前營造產業市場上所販售的專用奈米保護劑，在物性上如可塑性、彈性、疏水性、機械強度及耐高溫等方面，都有了明顯的改善，已應用於不少工業及建築的外牆防護，然而，目前國內市場上多數販售的塗料，仍未能有效防護鋼筋混凝土，僅在鋼筋混凝土形成封閉厚膜，如圖7所示，對鋼筋混凝土的結構而言，造成內部水蒸氣無法消散，積悶在材質內，而導致鋼筋腐蝕及外牆剝落現象。再者，一般塗料有黃化現象及時效性短的問題，故若欲藉由塗料方式來解決結構老化及腐蝕的問題之前，必須慎選信譽良好的營建產業專用水性奈米保護劑，才可克服常見的弊病，同時達到疏水、抗汚，並讓材質維持可透氣狀態。

圖 7 水蒸氣消散現象示意圖 

依據美國力推LCCA的模型法，混凝土防護層的保護是最合乎經濟成本的方法之ㄧ

結語

奈米科技技術上的突破，廣泛的被開發運用在人類生活上，無論各大公共建設的設施維護，奈米產品是一種必須認真思考的方向，且是時下大勢所趨。又同時，鋼筋混凝土的腐蝕，會間接或直接的影響鋼筋混凝土建築物的壽命長短，欲有效而迅速改善時效性，依據美國力推LCCA的模型法，推算其經濟效益，混凝土防護層的保護是最合乎經濟成本的方法之ㄧ，為因應環保概念，目前台灣已有業者成功開發出無色無毒的奈米水性高分子複合塗料，其功能優於一般的防護塗料，可滲入混凝土表面、石材隙縫與基材緊密的化學結合，同時達到透氣、防水、防油的效果，有效阻絕氯離子，預防延長鋼筋混凝土的壽命提早結束，甚至將使用時間延長，因此，防護塗料的選用，也就關係著鋼筋混凝土的使用壽命，然而在欠缺相關知識的情況下，業主或是一般工程師往往只考慮工程初期投入的成本，選擇最低報價及設計，卻忽略了主體結構及本身維護成本與實際最終價值的意義，這點對於工程師及相關業主們，是一種值得探討的課題。 

參考文獻：

1.      海鹽腐蝕與鋼筋混凝土結構物壽命，洪乃豐，青島海灣大橋防腐蝕技術研討及中國工程院科技討論，2007年6月18日。

2.      橋樑混凝土防腐塗裝方案與腐蝕機理，中國腐蝕網www.china-corrosion.net， 2008年2月1日。

3.      海洋環境下鋼筋混凝土結構的腐蝕特徵與防護，塗料人www.coatren.com。

4.      正在崛起的中國防腐蝕業，王印海，中國工業防腐蝕技術協會。