第二章 國內主要大木構造劣化因子分析
第二節 修復竣工的古蹟案例
一、超音波非破壞性方法檢測大木構件之適用性與技術
一般檢測木構件可分為破壞檢測與非破壞檢測，基於堪用構件再利用與不破 壞大木構件之結構與構件之原則，檢測團隊使用研發之超音波法檢測新上架有進 行防腐處理之新木料大木構件。超音波法是非破壞性檢測的一種，其物理原理乃 依據超音波在木材內部傳播速度與其機械性質的關係。藉由超音波法可以求得木 材之動彈性係數、剛性係數、音速以及對數衰減率，其中彈性係數是大木構材強 度性質的重要指標。藉由超音波等非破壞試驗法，其優點乃檢測所需之時間較靜 態試驗短，可於瞬息間獲得結果，檢測後之試材不產生永久變形，可以多次使用，
故能消除不同試材間之變異引起之誤差，同時亦能做為長期追蹤木材材質變化之 基礎。
由於木材是異方性的材料，在不同方向其彈性與強度性質有所差異，其中在 橫向之彈性係數趨於定值，所以超音波在木材之橫向之傳播速度是最為穩定的，
若大木構材內部有缺點、腐朽或蟲蛀現象，則構材橫向音速就產生折減，所以長 久以來以超音波檢測木材之橫向音速的技術即被使用來評估木材破壞之程度。
本案針對新上架且經防腐處理之大木構件，以瑞士SANDES SA 公司生產之 Sylvatest-Duo 超音波檢測儀檢測構件各單元橫向音速。檢測之時，務必使超音波
音速測定儀之發振器（Pulse generator）與接受器（Pulse receiver）能密接於大木 構件上而不至於產生空隙；超音波檢測之際是將波動接收器與發振器分別固定於 構件之檢測位置的直徑兩端（水平構件檢測方向如圖 2-52 所示；垂直構件檢測 方向如圖2-53 所示），共測得 4 個或 2 個橫向之數值，而波動發振器所發生之 衰減振動波波動是經由電氣，音響變換轉變成彈性波波動後，從大木構材之一端 傳至接受器改變為電氣的信號後，由音速測定儀讀出所需時間，每一單元共測得 4 個超音波橫向傳播時間，再根據（式 2-1）式計算傳播速度，求其平均，即為 該單元之音速。
式2-1：
V=D / t V：超音波傳播速度 m/sec
D：波動發振器與接收器架設於大木構件上之間距 m t ：傳播時間 sec
（a）圓形構件圖
（b）方形構件圖
圖2-521水平構件檢測方向圖 資料來源：自製
(a)圓形構件
(b)方形構件
圖2-532 垂直構件檢測方向圖 資料來源：自製
蔡明哲等(1998a，1998b，1999a，1999b)曾對國內古蹟過去與現在常用大木 構材新料之超音波性質加以測定，所以大木構材破壞程度之評估是根據所檢測得 之各破壞單元橫向音速與健全新料超音波橫向音速之關係 (即檢測木材之徑向 與弦向兩方向之超音波波速值，剩餘超音波（如式2-2）橫向傳播速度比愈高，
表示構件破壞程度愈低，反之，剩餘超音波橫向傳播速度比愈低，表示構件破壞 程度愈高)。所以木材之橫向超音波之檢測不僅可供給有關木材內部腐朽或蟲蛀 之資訊，同時也可進一步作為大木構件修護評估之基礎。
（式2-2）
Rv(%) = 100 x Vd/ V0
Rv(%)：腐蝕構材超音波橫向傳播速度剩餘比
1 圖 2-52 中：水平構件超音波檢測方向標示(3)-(7)方向為水平方向、(1)-(5)方向為上下的方向、
(2)-(6)及(4)-(8)為斜的方向。
2 圖 2-53 中：垂直構件超音波檢測方向標示(3)-(7)方向為水平方向、(1)-(5)方向為前後方向、
(2)-(6)及(4)-(8)為斜的方向。
Vd ：腐蝕構材之超音波橫向傳播速度 m/sec V0：健全構材超音波橫向傳播速度m/sec
以大多數針葉樹材而言，健全木材橫向之超音波波速值大概為1600 m/s；依 公式2-3 所求得動彈性模數比例值愈高，表示構件破壞程度愈低，反之，動彈性 模數比例愈低，表示構件破壞程度愈高。所以木材之橫向超音波之檢測不僅可供 給有關木材內部腐朽或蟲蛀之資訊，同時也可進一步作為大木構件修護評估之基 礎。如表2-8 所示，依動彈性模數 Ed 值與超音波傳遞速度值之關係，將構件破 壞程度分為A-D 等四個超音波分級，當構件破壞程度達超音波分級 D，顯示其 動彈性模數值僅達健全構件的25%，因此該構件破壞嚴重，詳細儀器規格與操作 手冊請參閱大木作非破壞性診斷之操作手冊（蕭江碧等，2003）與木作非破壞性 診斷設備建置規劃之研究（蔡明哲等，2004）。
（式2-3）
Ed ∝ V2 Ed：動彈性模數 (kgf/cm2)
V：超音波橫向傳遞速度 m/sec
表2-83 木構件在橫向超音波分級關係表
橫向傳遞速度 動彈性模數比值 超音波分級
(m/sec) Ed2/Ed1
A 1386-1600 0.75-1.00
B 1131-1386 0.50-0.75
C 800-1131 0.25-0.50 D <800 <0.25 資料來源：自製
3 表 2-8 中，Ed 為健全材料動彈性模數(kgf/cm2)；Ed 為原(舊)材料動彈性模 (kgf/cm2)
二、案例分析
表2-114案例己第五架與第七架右側陸樑超音波診斷結果
分析的部分為木材表面至深度10 mm，其中，除了人字樑 3、桁木與椽條之木材 防腐劑滲透度符合CNS14630 之規定外，其餘抽樣位置之樣本皆不合乎規範，可 見這一批杉木防腐處理材的處理結果是有問題的。再進一步分析其中CCA 藥劑 的含量時，結果發現滲透度較低的4 個樣本（表 2-13 架 1 斜撐、人字樑 1、陸樑 7 及棧道）之平均 CCA 吸收量為 1.47 kg/m3，另外滲透度較高的4 個樣本（人字 樑3、陸樑 3、桁木及椽條）其平均吸收量為 1.85 kg/m3，而整批之平均吸收量 為1.66 kg/m3，由於無法得到原來的工程資料，因此對於此批杉木防腐處理材之 規定吸收量便無從得知，但從CNS14630 規範的角度來看，吸收量明顯不足。經 分析結果判斷，A 案中所使用的杉木防腐處理材，在防腐處理過程上是有問題 的，不論是滲透度或是吸收量，若以CNS14630 加以評定，皆不合格，其問題可 能發生在所使用的原藥劑純度、稀釋比例是否正確或加壓處理條件等等，可見在 防腐處理材的處理與應用上，仍有許多問題存在。
圖2-54 大木構件取樣 圖2-55 大木構件取樣 資料來源：本研究攝製(圖 2-54~圖 2-55)
表2-13 案例己各不同抽樣位置之生長錐從表面至深度 10 mm 部分之 CCA 滲透度 與吸收量
抽樣位置 CCA 滲透度 (%) CCA 吸收量 (kg/m3) 架1 斜撐 20
人字樑1 25
棧道 30
陸樑7 50
1.47a
陸樑3 60
桁木 80
椽條 80
人字樑3 100
1.85b
平均 55 1.66
註1 由於樣本破碎及檢測限制，將前 4 項樣本混合以檢測吸收量。
註2 由於樣本破碎及檢測限制，將後 4 項樣本混合以檢測吸收量。
資料來源：自製
（二）案例庚（台灣北部）
1.超音波檢測
本案針對新上架有進行防腐處理之新木料大木構件進行超音波檢測(圖 2-56-2-59)，檢測結果如表 2-14 所示，各表中未達 D 級者，但仍以粗線框起來的 部分代表該區域材料強度不足，建議進行局部修補。
圖2-56 目視檢測現況 圖2-57 敲擊檢測現況
圖2-58 含水率檢測現況 圖2-59 超音波檢測現況
表2-14 案例庚屋頂屋桁構件超音波診斷與分級結果 屋頂屋桁 構件分段
(距北端) 檢測方向
G-H-13 F-G-11 E-F-17 A0-A-21 C-D-2 3-7 1750 1515 1161 1476 700
表2-15 案例庚各不同抽樣位置之生長錐從表面至深度 10 mm 部分之 ACQ 滲透度
2. 防腐處理材抽樣結果
表2-18 案例壬一樓區塊 II CD 區間左側桁構件超音波檢測結果
一樓區塊II CD 區間左側桁構件
構件分段 測點
左3 左5 距C 側端點 L/7 處 3-7 1048 672 距C 側端點 2L/7 處 3-7 935 238 距C 側端點 3L/7 處 3-7 1145 1483 距C 側端點 4L/7 處 3-7 551 1433 距C 側端點 5L/7 處 3-7 946 534 距C 側端點 6L/7 處 3-7 444 225
平均超音波數(m/s) 845 764
最低超音波數(m/s) 551 225
變異係數(%) 30 67
超音波分級 C C
資料來源：自製
2. 防腐處理材抽樣結果
案例壬中之抽樣位置為一樓區塊II CD 區間左側桁構件，代號為左 3、左 5(超 音波分級為 C 級)，且依照其工作報告書，針對防腐處理材進行抽樣分析，所使 用的木材為杉木，使用的木材防腐劑為ACQ，其抽樣分析結果如表 2-19 所示。
取樣方式以生長錐取樣，分析的部分為木材表面至深度10 mm，結果顯示木材防 腐劑滲透度不符合CNS14630 之規定，可見這一批杉木防腐處理材的處理結果不 合格。再進一步分析ACQ 的含量時，結果發現 CuO 與 DDAC 配比不符合 CNS14495 之規定外，二個樣品平均吸收量為＜0.29 kg/m3、無檢出，未能滿足 CNS3000 K3(2.6 kg/m3)之規定，吸收量嚴重不足。究其原因可能是處理時木料含水率太 高、未處理、ACQ 稀釋比例不正確、抽真空加壓處理未詳實、或其他，所以其 處理品質不合格。
表2-19 案例壬各不同抽樣位置之生長錐從表面至深度 10 mm 部分之 ACQ 滲透度
最低超音波數(m/s) 1006 1513