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 | ||||
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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。 |
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