混凝土與鋼材表面被覆材之加速耐候實驗與現地曝曬實驗場規劃研究

混

凝

土

與

鋼

材

表

面

被

覆

材

之

加

速

耐

候

實

驗

與

現

地

曝

曬

實

驗

場

規

劃

研

究

內

政

部

建

築

研

究

所

協

同

研

究

報

告

105

年

混凝土與鋼材表面被覆材之加速耐候

實驗與現地曝曬實驗場規劃研究

混凝土與鋼材表面被覆材之加速耐候

實驗與現地曝曬實驗場規劃研究

研 究 主 持 人 ： 陳建忠 協 同 主 持 人 ： 邱建國 研 究 員 ： 陳君弢、張竣堯、陳長佑、鄒思宇 研 究 助 理 ： 戴聿媞、陳世政 研 究 期 程 ： 中華民國 105 年 2 月至 105 年 12 月

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國

105 年 12 月

I

目次

目次 ... I

表次 ... V

圖次 ...XI

摘 要 ... XIX

一 、 研 究 緣 起 ... XIX

二 、 研 究 方 法 及 過 程 ... XIX

三 、 重 要 發 現 ... XX

四 、 主 要 建 議 事 項 ... XX

ABSTRACT ... XXI

第一章 緒 論 ... 1

第一節

研究背景、目的與研究範圍 ... 1

一 、 研 究 背 景 ... 1

二 、 研 究 目 的 ... 2

三 、 研 究 目 標 ... 2

第二章 文獻回顧 ... 3

第一節

國內相關研究介紹 ... 3

第二節

國外相關研究介紹 ... 5

第三節

國內外相關規範介紹 ... 8

一 、 現 地 曝 曬 場 建 置 ... 8

二 、 表 面 被 覆 材 加 速 耐 候 試 驗 ... 11

三 、 表 面 被 覆 材 耐 候 及 耐 久 性 能 評 定 方 法 ... 19

第三章 研究方法與相關試驗規劃 ... 24

第一節

研究方法與流程 ... 24

第二節

現地曝曬場建置規劃 ... 27

第三節

混凝土表面被覆材試驗規劃 ... 29

第四節

鋼材表面被覆材試驗規劃 ... 31

第四章 鋼材表面被覆材加速耐候試驗及加速腐蝕試驗 ... 35

第一節

鋼材表面被覆材加速耐候試驗 ... 35

一、鋼材表面被覆材加速耐候試驗之試片製作 ... 35

二、鋼材表面被覆材加速耐候試驗方法及量測儀器

... 40

三、鋼材表面被覆材加速耐候試驗結果 ... 69

第二節

鋼材表面被覆材加速腐蝕試驗 ... 117

一、鋼材表面被覆材加速腐蝕試驗之試片製作 ... 117

III

... 132

第一節

混凝土表面被覆材試片製作 ... 132

一、水泥基材試片製作 ... 132

二、矽酸鈣板試片塗刷過程 ... 137

第二節

加速耐候試驗結果 ... 141

一、矽酸鈣板表面被覆材 ... 141

二、水泥基板表面被覆材 ... 144

第六章 現地曝曬場建置規劃 ... 161

第一節

現地曝曬場現況 ... 161

第二節

監控氣候監控及儀器設備 ... 165

第三節

曝曬架之尺寸及擺放位置 ... 169

第七章 廠商訪談與專家座談 ... 177

第一節

廠商訪談紀錄 ... 177

第二節

專家諮詢會議紀錄 ... 178

一、第一次專家諮詢會議 ... 178

二、第二次專家諮詢會議 ... 179

第八章 結論與建議 ... 181

第一節

結論 ... 181

第二節

建議 ... 183

附錄一

第一次專家座談會議簽到表 ... 184

附錄二

第二次專家座談會議簽到表 ... 186

附錄三

期中審查回復表 ... 188

附錄四

期末審查回復表 ... 192

V

表次

表

2- 1 各規範之曝曬架仰角 ... 10

表

2- 2 各規範之最低試片高度 ... 10

表

2- 3 各規範之建議的試片大小及厚度 (寬×長×厚 mm) ... 11

表

2- 4 ASTM 之 Cycle 1 和 CNS 之方法一的比較 ... 13

表

2- 5 ASTM 之 Cycle 2 和 CNS 之方法二的比較 ... 14

表

2- 6 試驗板之材質比較 ... 15

表

2- 7 鹽水噴霧加速劣化試驗規範之比較 ... 17

表

2- 8 NSS、AASS 及 CASS 試驗之差異 ... 18

表

2- 9 黃變值公式之係數 ... 21

表

3- 1 塗料一般要求性能 ... 29

表

3- 2 實驗初步規劃 ... 33

表

3- 3 C5 之 A5-1 及 A5-2 塗裝系統 ... 33

表

4- 1 各廠商之面漆主要成份及個別的試片編碼 ... 35

表

4- 2 廠商 A 之環氧樹脂試片色差L*、a*、b*初始值 ... 45

表

4- 3 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片色差L*、a*、b*初始值 ... 46

表

4- 4 廠商 B 之氟素樹脂試片色差L*、a*、b*初始值 ... 47

表

4- 5 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片色差L*、a*、b*初始值 ... 48

表

4- 6 廠商 C 之氟素樹脂試片色差L*、a*、b*初始值 ... 49

表

4- 7 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片色差L*、a*、b*初始值 ... 50

表

4- 8 廠商 A 之環氧樹脂試片色差 X、Y、Z 初始值 ... 51

表

4- 9 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片色差 X、Y、Z 初始值 ... 52

表

4- 10 廠商 B 之氟素樹脂試片色差 X、Y、Z 初始值 ... 53

表

4- 11 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片色差 X、Y、Z 初始值 ... 54

表

4- 12 廠商 C 之氟素樹脂試片色差 X、Y、Z 初始值 ... 55

表

4- 13 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片色差 X、Y、Z 初始值 ... 56

表

4- 14 廠商 A 之環氧樹脂試片光澤初始值 ... 57

表

4- 15 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片光澤初始值 ... 58

表

4- 16 廠商 B 之氟素樹脂試片光澤初始值 ... 59

表

4- 17 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片光澤初始值 ... 60

表

4- 18 廠商 C 之氟素樹脂試片光澤初始值 ... 61

表

4- 19 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片光澤初始值 ... 62

表

4- 20 廠商 A 之環氧樹脂試片膜厚初始值(單位：μm) ... 63

表

4- 21 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片膜厚初始值(單位：μm) ... 64

VII

表

4- 24 廠商 C 之氟素樹脂試片膜厚初始值(單位：μm) ... 67

表

4- 25 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片膜厚初始值(單位：μm) ... 68

表

4- 26 廠商 A 之環氧樹脂試片色差 ∆Eab* ... 70

表

4- 27 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab* ... 71

表

4- 28 廠商 B 之氟素樹脂試片色差 ∆Eab*(Ⅰ) ... 72

表

4- 29 廠商 B 之氟素樹脂試片色差 ∆Eab*(Ⅱ) ... 73

表

4- 30 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab*(Ⅰ) ... 74

表

4- 31 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab*(Ⅱ) ... 75

表

4- 32 廠商 C 之氟素樹脂試片色差 ∆Eab* ... 76

表

4- 33 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab* ... 77

表

4- 34 廠商 A 之環氧樹脂試片黃變值 YI... 77

表

4- 35 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片黃變值 YI... 78

表

4- 36 廠商 B 之氟素樹脂試片黃變值 YI (Ⅰ) ... 79

表

4- 37 廠商 B 之氟素樹脂試片黃變值 YI (Ⅱ) ... 80

表

4- 38 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片黃變值 YI (Ⅰ) ... 81

表

4- 39 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片黃變值 YI (Ⅱ) ... 82

表

4- 40 廠商 C 之氟素樹脂試片黃變值 YI... 83

表

4- 41 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片黃變值 YI... 84

表

4- 42 廠商 A 之環氧樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 84

表

4- 43 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 85

表

4- 44 廠商 B 之氟素樹脂試片光澤折減率(單位：%)(Ⅰ) ... 86

表

4- 45 廠商 B 之氟素樹脂試片光澤折減率(單位：%)(Ⅱ) ... 87

表

4- 46 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率(單位：%)(Ⅰ) ... 88

表

4- 47 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率(單位：%)(Ⅱ) ... 89

表

4- 48 廠商 C 之氟素樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 90

表

4- 49 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 91

表

4- 50 廠商 A 之環氧樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 91

表

4- 51 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 92

表

4- 52 廠商 B 之氟素樹脂試片膜厚(單位：μm)(Ⅰ) ... 93

表

4- 53 廠商 B 之氟素樹脂試片膜厚(單位：μm)(Ⅱ) ... 94

表

4- 54 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm)(Ⅰ) ... 95

表

4- 55 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm)(Ⅱ) ... 96

表

4- 56 廠商 C 之氟素樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 97

表

4- 57 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 98

表

4- 58 各廠商之中途漆厚度及個別的試片編碼 ... 118

表

4- 59 廠商 A 之 180μm 試片色差 ∆Eab* ... 122

IX

表

4- 62 廠商 B 之 260μm 試片色差 ∆Eab* ... 123

表

4- 63 廠商 C 之 180μm 試片色差 ∆Eab* ... 123

表

4- 64 廠商 C 之 260μm 試片色差 ∆Eab* ... 123

表

4- 65 廠商 A 之 180μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 124

表

4- 66 廠商 A 之 260μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 124

表

4- 67 廠商 B 之 180μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 124

表

4- 68 廠商 B 之 260μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 125

表

4- 69 廠商 C 之 180μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 125

表

4- 70 廠商 C 之 260μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 125

表

5- 1 塗刷油漆 ... 138

表

5- 2 色差值、黃變值、光澤折減率比較(照射時間：171 小時) . 141

表

5- 3 色差值、黃變值、光澤折減率比較(照射時間：332 小時) . 141

表

5- 4 X 光繞射試驗結果 ... 145

表

6- 1 規劃採買之策後儀器 ... 168

XI

圖次

圖

2- 1 加速碳化箱溫溼度之有效控制範圍 ... 19

圖

3- 1 塗膜或表面被覆材受到環境因子之劣化機制 ... 24

圖

3- 2 混凝土表面被覆材抵抗氯離子滲透示意圖 ... 25

圖

3- 3 研究步驟 ... 26

圖

3- 4 戶外曝曬架示意圖 ... 28

圖

3- 5 塗膜劣化狀態 ... 31

圖

3- 6 鋼材表面被覆材(面漆)之光澤率劣化曲線 ... 32

圖

4- 1 加速耐候試驗之試片示意圖 ... 36

圖

4- 2 廠商 A 之環氧樹脂試片(編號：77-1 至 77-12) ... 36

圖

4- 3 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片(編號：yo-1 至 yo-12) ... 37

圖

4- 4 廠商 B 之氟素樹脂試片(編號：54FA-1 至 54FA-12) ... 37

圖

4- 5 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片(編號：725-1 至 725-12) ... 38

圖

4- 6 廠商 C 之氟素樹脂試片(編號：PF-1 至 PF-12) ... 38

圖

4- 7 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片(編號：PI-1 至 PI-12) ... 39

圖

4- 8 日本電色 NR-12A 攜帶型色差計 ... 41

圖

4- 9 Elcometer 480 攜帶型光澤度儀 ... 41

圖

4- 10 QuaNix 8500 basic 標準型膜厚計 ... 42

圖

4- 11 色差計之實際量測情形 ... 42

圖

4- 12 光澤計之實際量測情形 ... 43

圖

4- 13 膜厚計之實際量測情形 ... 43

圖

4- 14 色差及光澤量測點之加速耐候試片示意圖 ... 44

圖

4- 15 膜厚量測點之加速耐候試片示意圖 ... 44

圖

4- 16 氙弧燈試驗參數設定(Ⅰ) ... 69

圖

4- 17 氙弧燈試驗參數設定(Ⅱ) ... 70

圖

4- 18 廠商 A 之環氧樹脂試片色差 ∆Eab* ... 99

圖

4- 19 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab* ... 99

圖

4- 20 廠商 B 之氟素樹脂試片色差 ∆Eab* ... 100

圖

4- 21 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab* ... 100

圖

4- 22 廠商 C 之氟素樹脂試片色差 ∆Eab* ... 101

圖

4- 23 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab* ... 101

圖

4- 24 廠商 A 之環氧樹脂試片黃變值 YI... 102

圖

4- 25 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片黃變值 YI... 102

圖

4- 26 廠商 B 之氟素樹脂試片黃變值 YI ... 103

XIII

圖

4- 29 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片黃變值 YI... 104

圖

4- 30 廠商 A 之環氧樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 105

圖

4- 31 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 105

圖

4- 32 廠商 B 之氟素樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 106

圖

4- 33 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 106

圖

4- 34 廠商 C 之氟素樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 107

圖

4- 35 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率(單位：%) ... 107

圖

4- 36 廠商 A 之環氧樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 108

圖

4- 37 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 108

圖

4- 38 廠商 B 之氟素樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 109

圖

4- 39 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 109

圖

4- 40 廠商 C 之氟素樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 110

圖

4- 41 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 110

圖

4- 42 氟素樹脂之各廠商平均光澤折減率數據比較圖 ... 111

圖

4- 43 聚氨酯樹脂之各廠商平均光澤折減率數據比較圖 ... 111

圖

4- 44 環氧樹酯之廠商平均光澤折減率數據平均圖 ... 112

圖

4- 45 氟素樹脂之各廠商平均色差 ∆Eab*數據比較圖 ... 112

圖

4- 46 聚氨酯樹脂之各廠商平均色差 ∆Eab*數據比較圖 ... 113

圖

4- 47 環氧樹脂之廠商平均色差 ∆Eab*數據圖 ... 113

圖

4- 48 廠商 B 之現地曝曬試驗光澤折減率回歸曲線 ... 114

圖

4- 49 廠商 C 之現地曝曬試驗光澤折減率回歸曲線 ... 115

圖

4- 50 廠商 A 之現地曝曬試驗色差回歸曲線 ... 115

圖

4- 51 廠商 B 之現地曝曬試驗色差回歸曲線 ... 116

圖

4- 52 廠商 C 之現地曝曬試驗色差回歸曲線 ... 116

圖

4- 53 複合試片製作過程 ... 117

圖

4- 54 廠商 A 之加速腐蝕試片(編號：A18 及 A26) ... 118

圖

4- 55 廠商 B 之加速腐蝕試片(編號：B18 及 B26) ... 119

圖

4- 56 廠商 C 之加速腐蝕試片(編號：C18 及 C26) ... 119

圖

4- 57 鹽霧試驗機之試驗槽內部 ... 120

圖

4- 58 加速腐蝕試驗之試片架 ... 121

圖

4- 59 色差及光澤量測點之加速腐蝕試片示意圖 ... 121

圖

4- 60 廠商 A 之 180μm 試片色差 ∆Eab* ... 126

圖

4- 61 廠商 A 之 260μm 試片色差 ∆Eab* ... 126

圖

4- 62 廠商 B 之 180μm 試片色差 ∆Eab* ... 127

圖

4- 63 廠商 B 之 260μm 試片色差 ∆Eab* ... 127

圖

4- 64 廠商 C 之 180μm 試片色差 ∆Eab* ... 128

XV

圖

4- 67 廠商 A 之 260μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 129

圖

4- 68 廠商 B 之 180μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 130

圖

4- 69 廠商 B 之 260μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 130

圖

4- 70 廠商 C 之 180μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 131

圖

4- 71 廠商 C 之 260μm 試片光澤折減率(單位：%) ... 131

圖

5- 1 SUGA X75 氙弧燈耐候試驗機外觀 ... 133

圖

5- 2 試片框架 ... 133

圖

5- 3 試片框架寬度 ... 134

圖

5- 4 試片框架長度 ... 134

圖

5- 5 試驗機內旋轉架 ... 135

圖

5- 6 試片壓克力模具 ... 135

圖

5- 7 試片成品(I) ... 136

圖

5- 8 試片成品(II) ... 136

圖

5- 9 試片於飽和石灰水中養護 ... 137

圖

5- 10 試片編號 ... 139

圖

5- 11 塗刷過程 ... 140

圖

5- 12 塗刷完成 ... 140

圖

5- 13 氙弧燈環境參數設定(I) ... 142

圖

5- 14 氙弧燈環境參數設定(II) ... 142

圖

5- 15 色差值與曝曬時間的關係 ... 143

圖

5- 16 黃變值與曝曬時間的關係 ... 143

圖

5- 17 光澤折減率與曝曬時間的關係 ... 144

圖

5- 18 廠商 I-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 146

圖

5- 19 廠商 I-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 146

圖

5- 20 廠商 II-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 147

圖

5- 21 廠商 II-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 147

圖

5- 22 廠商 III-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 148

圖

5- 23 廠商 III-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 148

圖

5- 24 廠商 III-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅲ) ... 149

圖

5- 25 廠商 I-色差值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 149

圖

5- 26 廠商 I-色差值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 150

圖

5- 27 廠商 II-色差值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 150

圖

5- 28 廠商 II-色差值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 151

圖

5- 29 廠商 III-色差值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 151

圖

5- 30 廠商 III-色差值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 152

圖

5- 31 廠商 III-色差值與曝曬時間的關係(Ⅲ) ... 152

XVII

圖

5- 34 廠商 II-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 154

圖

5- 35 廠商 II-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 154

圖

5- 36 廠商 III-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 155

圖

5- 37 廠商 III-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 155

圖

5- 38 廠商 III-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅲ) ... 156

圖

5- 39 X 光繞射試驗結果 ... 157

圖

5- 40 中性化試驗 ... 158

圖

5- 41 試片取樣 ... 158

圖

5- 42 研磨機樣品磨粉 ... 159

圖

5- 43 樣品過篩 ... 159

圖

5- 44 樣品磨粉過篩後進行 XRD 試驗 ... 160

圖

6- 1 內政部建築研究所材料實驗中心之五樓結構平面圖，單位：

cm ... 161

圖

6- 2 屋頂露臺現況(Ⅰ) ... 162

圖

6- 3 屋頂露臺現況(Ⅱ) ... 162

圖

6- 4 露臺上現有之障礙物(Ⅰ) ... 163

圖

6- 5 露臺上現有之障礙物(Ⅱ) ... 163

圖

6- 6 障礙物位於露臺之位置示意圖 ... 164

圖

6- 7 材料試驗中心現有之微氣候站(Ⅰ) ... 166

圖

6- 8 材料試驗中心現有之微氣候站(Ⅱ) ... 166

圖

6- 9 台北監測站與內政部建築研究所材料實驗中心之位置關係

... 167

圖

6- 10 儀器之擺放位置區塊示意圖 ... 168

圖

6- 11 Sketchup 模擬夏天陰影遮蔽區域 ... 171

圖

6- 12 最嚴苛之夏天陰影遮蔽區域 ... 171

圖

6- 13 Sketchup 模擬冬天陰影遮蔽區域 ... 172

圖

6- 14 最嚴苛之冬天陰影遮蔽區域 ... 172

圖

6- 15 斜線區域為曝曬架擺設位置示意圖 ... 173

圖

6- 16 曝曬架之設計範例圖，單位：mm ... 174

圖

6- 17 曝曬架之左右兩半設計範例圖(Ⅰ) ... 175

圖

6- 18 曝曬架之左右兩半設計範例圖(Ⅱ) ... 175

圖

6- 19 固定試片之器具的示意圖 ... 176

圖

6- 20 曝曬價擺放數量示意圖 ... 176

XIX

摘 要

關鍵詞：混凝土、鋼材、表面被覆材、加速耐候試驗、現地曝曬 一 、 研 究 緣 起 就目前工程實務而言，鋼筋混凝土與鋼材之防蝕方法或抵抗外在劣化因子入 侵，如二氧化碳或氯離子等，多以混凝土保護層、表面被覆材及鋼筋熱浸鍍鋅等 方式進行。然而，目前表面被覆材之設計並無法與建築物所處環境之腐蝕潛勢進 行連結，主要以外在美觀為主，且其更換時間或範圍等，大多依經驗或現場人員 目視觀察資料加以判斷而決定，因此客觀之合理性評估或設計方法非常缺乏。其 主要原因為國內並無混凝土或鋼材之表面被覆材耐久性能評估準則，且多數研究 採加速耐候實驗以了解表面被覆材之性能，然而若無法將其性能以實際現地環境 表示時，則無法應用於建築之維護管理或設計。因此，如何建構混凝土或鋼材之 表面被覆材耐久性能量化方法，並考慮環境劣化因子以進行符合使用性能需求之 最適設計等，已成為台灣永續建築之一大課題。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本研究將參採「內政部建築研究所建築實驗設施設置計畫」建築材料實驗群 (現材料試驗中心)建置總計畫，考量屋頂結構之承載能力，於材料試驗中心屋頂 等適當處所規劃「現地曝曬實驗場」之建置，並於現地曝曬試驗場試行鋼筋混凝 土或鋼材表面被覆材的現地曝曬，除建構加速耐候實驗與未來現地曝曬實驗之二 者時間對應關係外，亦可做為國內建材相關現地曝曬實驗之示範。本研究對現地 曝曬實驗場之規劃項目，包含曝曬架數量、形式與量測設備，亦可考量規劃加設 紫外線、二氧化碳或氯離子等劣化因子等量測儀器。本研究亦進行鋼材與混凝土 表面被覆材加速耐候實驗與加速腐蝕實驗，擬採用水泥與鋼材作為表面被覆材之 基材。鋼材表面被覆材之面漆選用之聚氨酯及氟素塗料，而混凝土表面被覆材之 面漆則選用一般市售外牆適用水泥漆。面漆之加速耐候實驗擬採用氙弧燈而塗裝 系統(含中塗與底塗)則採用鹽水噴霧加速腐蝕試驗機，以評估表面被覆材之耐久 性及劣化行為，且為探討與現地曝曬後被覆材劣化行為之相關性進行先期試驗。

此外，本研究將以膜厚、光澤度、色差或透氣等物理量，評估表面被覆材於自然 環境下之性能劣化行為。 三 、 重 要 發 現 就鋼材表面被覆材而言，由環氧樹脂類面漆之光澤率變化亦可了解，其耐候 能力不高，約100 小時之氙弧燈照射下可使其光澤大幅劣化。就聚胺酯類面漆而 言，若以光澤率 50 %為一門檻值，其氙弧燈照射時間約為 400-600 小時；而就 氟碳類面漆而言，則約800-1200 小時。就混凝土表面被覆材而言，經氙弧燈劣 化後，光澤折減率之變化以及趨勢走向較明確，且曝曬時間與其光澤折減率成正 相關。此外，光澤折減率隨著時間增加而遞減，當照射時數達到800 小時後，曲 線趨於平緩，而色差與黃變值經過氙弧燈照射後並無明顯之變化規律，故不宜以 此判定劣化之程度。 四 、 主 要 建 議 事 項 為建立鋼材與混凝土表面被覆材之加速耐候或加速腐蝕試驗與現地曝曬試 驗間之的關係對應，且提表面覆材之耐候性能劣化量化性指標，建議依本研究之 規劃建置現地曝曬場，以供鋼材與混凝土表面被覆材進行長期戶外曝曬試驗。曝 曬架之曝曬角度主要依據CNS 11607 規定而設定為 20 度，而為構架組裝之施工 便利性而選定最接近20 度設計(約 20.4 度)，其構架尺寸可參考內文建議而曝曬 架選用材料定可為不銹鋼或具防蝕塗裝鋼材，固定試片方法則選用夾固方式，為 保持與試片絕緣而其材料以塑膠為優先考量。未來若完成現地曝曬場之相關建置 工作，應著手規劃並執行表面被覆材之長期耐候或耐久性能試驗，且必須妥善編 列年度維護與資料收集經費，配合加速耐候試驗之進行可建立完整之混凝土或鋼 材表面被覆材耐候或耐久性能曲線，以提供建築耐久設計之用。

XXI

ABSTRACT

Keywords: Concrete, steel, surface coating material, accelerated weathering test, outdoor exposure

In Taiwan, most of researches used the accelerated weathering test to assess the weatherability or durability of the surface coating materials of concrete and steel. However, the spectra of UVB and UVA in the accelerated weathering test are different with the real solar irradiation. Therefore, how to extend the data obtaine from the accelerated weathering test for an outdoor site is a very important issue in the durability design of building structures. In other words, the relationship between the the accelerated weathering test and outdoor exposure test should be built from the long-term testing.

The main purpose of this study is to plan an outdoor testing site of exposure for the surface coating materials of concrete and steel. The outdoor testing site is assumed to be in the roof of Materials Experiment Center of Architecture and Building Research Institute in Taipei. Besides of the setting location of exposure testing frames, the size, material and exposure angle of the frames are also designed based on CNS 11607. Additionally, this study suggests some weathering facilities that can be set at the specified location in the outdoor testing site, e.g., Humidity/temper meter, Rain gauge, Anemometer, Solar irradiation meter.

In order to suggest the arrangement of the specimens of the surface coating materials used in concrete and steel, this study selects several types of the surface coating materials to do the accelerated weathering test (Xenon arc weather meter). For the surface coating materials used in steel, Exposy resin, PU (polyurethanes) and Fluorine carbon from three companies are adopted. For the surface coating materials used in concrete, Acrylic resin paint is the main target and obtained from three companies. In addition to the gloss, the chromatic aberration and yellowness index are measured for each specimen in the test. According to the testing data, this study suggests the gloss can be used to quantify the deterioration induced by the solar irradiation.

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第一章 緒 論

第一節

研究背景、目的與研究範圍

一 、 研 究 背 景 近年日本因建築物性能維持與管理所產生之大量資源使用、營建廢棄物增加 等危害地球環境等問題日益受到重視，建築物之長壽命化或耐久性問題也受到廣 泛的關心與注意。較於 1997 年之京都議定書內容，日本建築學會於 1997 年 12 月亦提出「如為減少30%之 LCCO2 (Life-cycle CO2)，建築物之壽命必須延長為 原設定值3 倍，即為 100 年之供用目標」，由於可見，建築物之性能維持或長壽 命化於「永續發展」或「永續工程」中是不可缺少的。2008 年 9 月日本建築學 會頒布「鋼筋混凝土建築物之環境配慮施工指針（案）及解說」一書，當中以鋼 筋混凝土建築物為對象，依生命週期(Life-cycle)觀點提出「省資源型」、「省能源 型」、「環境負荷物質減低型」及「長壽命型」等共四類之環境考慮方法，並於生 命週期各階段(設計階段、施工階段及使用維護階段等)提及各型應滿足事項外， 各相關人員(設計師、施工監造人員等)所應具備之思維與知識。目前國內雖積極 推動工程之永續設計或低碳設計，但多為定性方法或理論而缺乏一系統性定量準 則。以建築而言，延長其生命週期或使用年限，可提升其＂耐久性能＂以符合長 壽命建築之要求，則能使其符合永續工程目標。台灣四面環海，許多沿海鋼筋混 凝土或鋼構建築物飽受鹽害影響，隨使用時間增長而其結構安全性與使用性逐年 下降；換言之，鋼筋混凝土或鋼構建築物受環境影響而劣化，並折損其原先預期 之使用年限與安全可靠度。一般而言，混凝土內部鋼筋一旦產生鏽蝕，除腐蝕生 成物會脹裂周圍混凝土外，鋼筋有效斷面積亦會減少，依過去研究可知，若以鋼 筋原有之有效面積為基準，隨腐蝕重量減少率增加，鋼筋降伏強度、彈性模數與 極限強度等均有所改變。劣化建築物之維護管理多採用＂事後修補＂策略；然而， 鋼筋混凝土建築物於設計時可參考所處環境之可能劣化因子，並決定混凝土保護 層厚度與抗壓強度或配比設計等，可達＂事前預防＂之效果。 就目前工程實務而言，鋼筋混凝土與鋼材之防蝕方法或抵抗外在劣化因子入

侵，如二氧化碳或氯離子等，多以混凝土保護層、表面被覆材及鋼筋熱浸鍍鋅等 方式進行。然而，目前表面被覆材之設計並無法與建築物所處環境之腐蝕潛勢進 行連結，主要以外在美觀為主，且其更換時間或範圍等，大多依經驗或現場人員 目視觀察資料加以判斷而決定，因此客觀之合理性評估或設計方法非常缺乏。其 主要原因為國內並無混凝土或鋼材之表面被覆材耐久性能評估準則，且多數研究 採加速耐候實驗以了解表面被覆材之性能，然而若無法將其性能以實際現地環境 表示時，則無法應用於建築之維護管理或設計。因此，如何建構混凝土或鋼材之 表面被覆材耐久性能量化方法，並考慮環境劣化因子以進行符合使用性能需求之 最適設計等，已成為台灣永續建築之一大課題。 二 、 研 究 目 的 本研究對現地曝曬實驗場之規劃項目，包含曝曬架數量、形式與量測設備， 亦可考量規劃加設紫外線、二氧化碳或氯離子等劣化因子等量測儀器。本研究亦 進行鋼材與混凝土表面被覆材加速耐候實驗與加速腐蝕實驗，擬採用水泥與鋼材 作為表面被覆材之基材。鋼材表面被覆材之面漆選用之聚氨酯及氟素塗料，而混 凝土表面被覆材之面漆則選用一般市售外牆適用水泥漆。面漆加速耐候實驗擬採 用氙弧燈而塗裝系統(含中塗與底塗)則採用鹽水噴霧加速腐蝕試驗機，以評估表 面被覆材之耐久性及劣化行為，且為探討與現地曝曬後被覆材劣化行為之相關性 進行先期試驗。此外，本研究將以膜厚、光澤度及色差等物理量，評估表面被覆 材於自然環境下之性能劣化行為。 三 、 研 究 目 標 1. 以鋼材與混凝土表面被覆材為標的，規劃材料試驗中心於未來進行加速耐候 實驗與現地曝曬實驗之試驗標的與量測項目。 2. 研提材料試驗中心現地曝曬實驗場地配置、監測設備、量測設備與試驗架之

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第二章 文獻回顧

第一節

國內相關研究介紹

楊仲家教授等人[1]於 2008 年執行內政部建築研究所委託研究「塗裝材料耐 久性試驗研究-戶外曝曬與加速劣化試驗方法之探討」，該研究除了針對塗裝材料 自然曝曬與加速劣化試驗相關規範與文獻進行整理之外，並在台北景美建研所材 料試驗中心之耐久耐候試驗場及基隆海洋大學分別建置戶外曝曬場進行試驗。該 計畫主要將常見的壓克力樹脂漆、環氧樹脂漆、PU 樹脂漆與防火漆四種塗裝材 料運用於碳鋼、水泥砂漿、與木材基材上，並藉由 2000 小時鹽霧與日光加速劣 化試驗和6 個月自然曝曬劣化過程，探討塗裝材料之耐久耐候性。該研究發現， 各種塗裝系統在經歷加速與自然曝曬劣化後，鋼材腐蝕速率明顯低於未塗裝裸鋼 系統，顯示底漆系統發揮保護基材的效果。但防火漆由外觀可知，防火漆在加速 劣化試驗過程中已失去保護木板基材的性質。環氧樹脂塗料於未開始進行劣化試 驗時，塗膜的光澤度最佳，但開始進行日光模擬加速劣化時，於200 小時後塗膜 光澤度已降至30%以下，且 2000 小時加速劣化過程後，表面有粗糙情形產生。 由此文獻可以提供戶外曝曬場建置之重要參考與塗料種類間之耐候或耐久性能 差異。 曹源暉和厲娓娓研究員[2]在 2009 年執行內政部建築研究所研究「金屬及混 凝土耐久耐候性評估之應用與探討」，該研究主要是彙整可執行之耐久耐候試驗 項目，建立試驗標準程序，做為未來實驗項目認證之基礎。以鹽水噴霧試驗法而 言，CNS 8886 之三種不同鹽霧試驗皆為連續性之噴霧試驗，建研所配置的鹽霧 複合耐候試驗機可執行鹽水噴霧、乾燥、濕潤、浸漬及外氣導入等，亦可參照 ASTM G85 執行試驗。而氙弧燈模擬日光加速劣化試驗方面，僅就 CNS 11232 加 以規範，尚未參照ISO 11341、ASTM G151、ASTM G155、ASTM D6695 等標準 進行認證。鹽水噴霧試驗係模擬海域氣候環境，氙弧燈加速劣化試驗則模擬日光 照射環境，融合此兩種試驗法亦是加速劣化試驗可考量的方式。由此文獻可以參 考其氙弧燈加速劣化試驗及鹽水噴霧試驗的耐久耐候的實驗流程。

膜硬固後，產生劣化或缺陷。塗裝設計過程中最易發生劣化不同系統塗料之相容 性問題。因此原則上不同類型的塗膜原料，如合成樹脂塗裝於舊有油性塗料表面 可能回有不相容之問題產生。當不相容劣化發生時，易產生漆膜顏色展色不良與 層間剝離現象。塗膜硬固後所產生的缺陷有皺紋、粉化龜裂、發霧、變色、變黃、 起泡與光澤不均等現象。皺紋為漆膜表面走起皺現象，主因除過分厚塗造成表裡 乾燥度差異太大之情形，或因促進乾燥，將塗面直接加熱所致。粉化龜裂除因塗 膜太厚或使用過分稀釋塗料所導致外，亦有受到 UV 光照射失去附著性所引起。 發霧則為塗面產生如鏡面霧狀現象。其發生之原因主要為塗裝時在高濕度或化學 瓦斯氣體場合中施工。閉塞除有可能受到 UV 光照射影響外，亦可能因塗料中的 銅鉛離子與硫化氫接觸變黑。變黃為淺色或白色塗膜經日光或高溫照射變黃，其 原因為塗膜中的雙鍵脂肪酸與空氣產生氧化或受日光分解產生變黃。起泡為塗膜 發生浮腫氣泡情形，主因係為水分侵入塗膜中或基材銹蝕所致。光澤不均為塗膜 表面部分無光澤情形，此與塗膜後度差異太大或陽光照射有關。塗裝過程中常發 生的缺陷則有氣泡、橘皮、刷痕、滲出、塌凹、垂流、顏色分離與乾燥不良等現 象。其中氣泡的缺陷主要是因為混入塗料中的空氣留在漆膜內形成小泡，其原因 除了由於塗料黏度過高外，也有可能為攪拌過程所致。橘皮與刷痕均為塗裝時黏 度過高所產生，可以由增加稀釋劑的方式避免。滲出則係因為底層漆之顏色被上 層塗膜溶化而滲出，主要成因係底層漆乾燥不充分便在上塗裝。塌凹為塗料表面 附著水或油汙染物導致塗面產生凹塗或孔穴。垂流為噴塗量太多或黏度太低所產 生。顏色分離則發生於塗料中混有多種色彩顏料，於塗裝時發生顏色分離或不規 則斑點現象，其主要成因為稀釋劑用量過多或攪拌不均。塗料未在規定時間硬固 為乾燥不良的現象，其發生原因為過分厚塗、硬化劑配量不足、施工時氣溫太低 濕度過高等情形。

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第二節

國外相關研究介紹

根據文獻[5]紀載，主要造成塗裝系統劣化的環境因子為太陽光、溫度、水 及汙染物，其自然現象是讓塗料直接曝曬於太陽輻射、承受晝夜溫差周期和進出 薄膜的溼氣滲透等，而在所有因子裡，太陽光經常被認為是造成破壞的主要原因， 但實際進行戶外曝曬實驗會有一定的難度，因為其所需的曝曬時間太長，因此大 多實驗是以加速劣化試驗進行研究，然而加速劣化試驗無法準確地模擬相同的劣 化過程，因為太陽光譜是很複雜的，當太陽光進入地球，會穿過大氣層、臭氧層 及水蒸氣，所有能量小於波長 295nm 的光會被大氣所吸收，而 UV 主要的波長 分布是295nm 到 400nm，可見光則為 400nm 到 700nm，大於波長 700nm 的為紅 外線，因此加速試驗儀有很多種不同的光源，主要有UV B-313、UV A-340 和氙 弧燈，依據光譜的分布可以知道氙弧燈是最接近自然光譜，並且根據 David A. Cocuzzi 和 George R. Pilcher [5]的研究可以看出氙弧燈是相較於其他兩種加速劣 化試驗來的準確，且當加速試驗曝曬的時間較久，其推算到自然曝曬的情形較準 確，因此這次實驗是以氙弧燈日光模擬劣化試驗為主。

David A. Cocuzzi 和 George R. Pilcher [5]利用 Spearman Rank Correlation 來衡 量加速試驗的實驗數據和South Florida 的戶外曝曬數據的統計變量之相關性，其 公式為：

rho=1-6× ∑ (RankFlorida-RankQUB-B)2

N(N2-1) (2-1) 當rho 為 1 時，表示兩者之間是完美相關的。文獻最後依照次方法得出，當戶外 曝曬時間越長，其與加速試驗的數據相關性越高，因此可以利用7 年的戶外曝曬 數據推算10 年的戶外曝曬結果。 B.W. Johnson 和 R. McIntyre [6]之相關研究中列舉了一些測試塗料的耐久性 的試驗方法，以及如何測試塗料劣化的程度的方法，包括物理性的測試和化學性 的測試兩方面。其列舉主要影響外部塗料的耐久性之因素與David A. Cocuzzi 和 George R. Pilcher [5]所列舉的因素是差不多的，此篇文獻列舉有太陽光、溫度、 氧氣、水和汙染物，而觀察塗料因氣候造成劣化程度的方法有光澤的損失、變色、

粉化、脆化等，而影響劣化速率的原因很廣，像是曝曬的地點、曝曬年數、溫度、 使用的基材，以其塗料的成分等，但戶外曝曬所需要的時間過久也需耗費較多的 人力和物力，因此才會使用較高強度或是較短波長的加速耐候試驗來代替戶外曝 曬試驗，像是 QUV、碳弧燈或是氙弧燈，這些試驗方法的優點在於可以在 1 到 2 個月即可得到光澤損失的數據和色差數據，但也因為使用的儀器設定為非自然 的氣候(較高能量輻射)，所以加速曝曬數據和戶外曝曬數據之間的相關性並不是 很好。在文獻中列舉的物理現象量測主要有七種：光澤損失和粉化、色差、開裂、 接觸角、重量損失和膜厚、SEM 和光學顯微鏡，以及動態力學分析，而這次試 驗於水泥基材部分是選用光澤損失和色差作為主要的量測塗膜裂化程度的依據， 於鋼材部分則多了一項膜厚量測。 塗裝系統之面漆主要是抵抗外在環境的第一道防線，其劣化可能會造成粉化、 膜厚改變、光澤度減少或是色差的不同。目前諸多文獻主要以光澤度量化面漆之 性能。根據K.M. Wernstahl 和 B. Carlsson [7]的研究，把曝曬時數用試片接收的 總紫外線輻射量做取代，塗膜之光澤度保持率會隨輻射量增加而下降，為了連結 加速耐候試驗與戶外耐候試驗，利用等效光劑量因子(ELD)來判斷哪種環境因子 是影響光澤保持率的指標，其公式如下：

ELD factor=_{light dose in accelerated cycle at 75% gloss retention}average light dose in Florida 75% gloss retention (2-2)

依照長谷川等人[8][9]的研究，塗膜之光澤度保持率會隨時間增加而下降， 如下式所示： X=_exp(βt)100 (2-3) β=Aexp(-Bh T) +Dexp (-B_lh T) ×I (2-4) 其中，X：光澤保持率(%)；t：時間；I：單位時間的紫外線強度；A、D、Bh、Blh： 常數。並依照不同塗膜材料的光澤度保持率，來推定不同塗料之耐用年限，亦針

7 X=_exp[(β100 e±c×σ)×t] (2-5) β_a=m×β_e (2-6) 其中，β_e：戶外暴露試驗下之平均值；c：風險因子(95%下，c=1.96)；：之 標準偏差(文獻設為 0.3)；t：時間(年)；m：加速倍率；β_a：加速耐候試驗下之 值。 根據上述文獻調查，本研究將會以膜厚、光澤率和色差作為塗料之劣化評估 方式。

第三節

國內外相關規範介紹

一 、 現 地 曝 曬 場 建 置 塗料的長期曝曬試驗規範，國內以CNS 11607 為主，國外則以 ASTM 為主， 相關規範與名稱如下列： (1) CNS 11607 塗料一般檢驗法 (有關塗膜之長期耐久性之試驗法) (2) CNS 13127 金屬和無機被覆—靜態戶外暴露腐蝕試驗通則 (3) CNS 14123 金屬及合金之腐蝕—大氣腐蝕測試(現場測試之一般要求) (4) ASTM D1014

Standard Practice for Conducting Exterior Exposure Tests of Paints and Coatings on Metal Substrates

(5) ASTM G50

Standard Practice for Conducting Atmospheric Corrosion Tests on Metals (6) ASTM G92

Standard Practice for Characterization of Atmospheric Test Sites

因為塗料在長期曝曬其造成劣化最主要的環境因子是日照，因此在挑選曝曬 試驗場時，需選擇正東至正南及正南至正西之方位，並且場地須無妨礙日光直射、 通風、降雨之地上物件，且無有害氣體、蒸氣等環境汙染，並且以靠近氣象站者 最佳，以方便進行檢測為主要原則。根據 CNS 11607 規定，室外耐候試驗場宜 設置於年平均日照時間為2000 小時以上，試片所受日射量達 4000 MJ/m2_以上，

9 置關係；而ASTM G92 裡則提及氯離子、二氧化硫和試片表面潮濕之週期須加 以記錄。 曝曬架可使用鋼材或木材來製作，必要時可在金屬表面塗裝以作為保護，其 曝曬方向須面南，以達到北半球最大曝曬量，而仰角則依不同規範有不同的要求， 如表2-1 所示。此外，固定試片於架上之物體須絕緣，而最低試片之離地高度也 依不同的規範有不同的規定，如表2-2 所示。

表

2- 1 各規範之曝曬架仰角

ASTM G50 ASTM D1014 CNS 11607 CNS 13127 CNS 14123 30 度 (所在地緯度) 45 度 20 度 45 度 45 度 (30 亦可)

(本研究整理)

表

2- 2 各規範之最低試片高度

ASTM G50 ASTM D1014 CNS 11607 CNS 13127 CNS 14123 760 mm 500 mm 750 mm 500 mm

(本研究整理)

試片於CNS 規範中並無特別材質要求，而 ASTM D1014 則列舉許多不同情 形下之試片材質，主要以鋼板和鋁板為主。試片之面積大小及厚度則依不同的規 範要求有不同建議的尺度，如表2-3 所示，且同一種試驗最少須有三片試片，惟 ASTM D1014 建議最好為四片。根據 CNS 11607，其建議試驗開始時間應為 4 月 或10 月，觀察時間點則為第一年每 3 個月一次，之後為每 6 個月一次，而 ASTM D1014 建議頭兩年每 3 個月觀測一次，之後為每 6 個月一次，ASTM G50 建議的 曝曬時程則是1、2、4、8 和 16 年。每片試片須清楚標記編號，其位置宜在無妨 礙耐候試驗及評定之處，如試片端部及背部。

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表

2- 3 各規範之建議的試片大小及厚度 (寬×長×厚 mm)

ASTM G50 ASTM D1014 CNS 11607 CNS 13127 CNS 14123 100×150×0.75 鋼板 75×150×1.6 50×100 100×150×1~3 鋁板 75×150×0.5

(本研究整理)

而實驗記錄須詳記每回耐候試片的觀察結果，以及上述所提及的氣象觀測數 據，還有曝曬時間、地點、觀測日期。 二 、 表 面 被 覆 材 加 速 耐 候 試 驗 1. 氙弧燈式加速耐候試驗 加速耐候性試驗分為日光碳弧式及氙弧燈式，氙弧燈光源光譜較接近自然光， 因此使用氙弧燈作為照射光源。其相關規範如下列所式： (1) CNS 11607 塗料一般檢驗法 (有關塗膜之長期耐久性之試驗法) (2) CNS 11232 氙弧燈式耐光性及耐候性試驗器 (3) CNS 15200-7-6 塗料一般試驗法—第 7-6 部：塗膜之長期性能—人工耐候性及人工輻射暴露 (濾過的氙弧輻射暴露) (4) ASTM D6695

Standard Practice for Xenon-Arc Exposures of Paint and Related Coatings

在ASTM D6695 裡，依照射時間和噴水狀態等條件共分為 7 種不同的加速 照射劣化試驗方式，較常使用的是Cycle 1 和 Cycle 2，Cycle 1 為不間斷的以氙

弧燈照射劣化，每120 分鐘為一個循環週期，前 102 分鐘只有氙弧燈照射，接著 18 分鐘除了氙弧燈照射外，再加上對塗膜表面噴水，而 Cycle 2 亦是如此，但會 間斷照射，每照射18 小時，接著停止照射 6 小時，以此為循環。Cycle 1 和 Cycle 2 分別和 CNS 15200-7-6 規範裡的方法一和方法二雷同，其運行方式之比較分別 如表2-4 及表 2-5 所示。而在 CNS 11607 規範裡並無如 CNS 15200-7-6 般紀載詳 細之運行方式，僅說明「裝置依試樣產品標準所規定之條件運轉，照射光依試樣 產品標準所規定之時間進行照射」，因此試驗方式以CNS 15200-7-6 為主要參照 對象。 試驗板之材質依不同規範，其要求也不同，如表2-6 所示。此外，取下試片 評定時，須趁塗面濕潤時甩掉水分放置1 小時候，方可量測。

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表

2- 4 ASTM 之 Cycle 1 和 CNS 之方法一的比較

ASTM D6695 CNS 15200-7-6 運行模式 連續運行 連續運行 乾燥時間(min) 102 102 濕潤時間(min) 18 18 乾燥期間之相對濕度(%) 40~60 50±5 輻照度 W/(m2_•nm) at 340nm 0.35±0.02 0.51 W/m2 at 300~400nm 41.5±2.5 60 黑嵌板溫度(℃) 63±2 63±2 試驗箱空氣溫度(℃) 38±3

(本研究整理)

表

2- 5 ASTM 之 Cycle 2 和 CNS 之方法二的比較

ASTM D6695 CNS 15200-7-6 運行模式 間斷運行 間斷運行 乾燥時間(min) 102 102 濕潤時間(min) 18 18 乾燥期間之相對濕度(%) 40~60 50±5 輻照度 W/(m2_•nm) 0.35±0.02 at 340 nm 1.1 at 420 nm W/m2 at 300~400 nm 41.5±2.5 50 黑嵌板溫度(℃) 63±2 63±2 試驗箱空氣溫度(℃) 38±3

(本研究整理)

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表

2- 6 試驗板之材質比較

ASTM D6695 CNS 11607 CNS 15200-7-6 不限制於鋼板和鋁板 70×150×0.8 mm 鋼板，鋼 板以外時，依試驗之產品 標準所規定之材質、尺度 實際上會使用的材料(如 石膏板、木材、金屬及塑 膠材質)

(本研究整理)

2. 鹽水噴霧加速劣化試驗 鹽水噴霧加速劣化試驗所參照之規範如下列所示： (1) CNS 8886 鹽水噴霧試驗法 (2) CNS 11607 塗料一般檢驗法(有關塗膜之長期耐久性之試驗法) (3) CNS 15200-7-8 塗料一般試驗法-第 7-8 部：塗膜之長期性能-耐循環腐蝕試驗法-鹽水噴霧/ 乾燥/濕潤 根據CNS 8886 規範，其試驗方法為將試片放入噴霧室、溫溼度調節設施及 鹽霧儲存設備之鹽霧劣化試驗箱中。噴霧室大小須在 0.2 m3_{以上，不得採用對} 噴霧腐蝕性有影響的材料，而鹽霧劣化主要由壓縮空氣供給設備以一定的壓力將 鹽水傳送到噴霧裝置處，最適合壓力為0.098±0.01 MPa，均勻噴灑在試片上，噴 霧以自由落下為原則，不直接朝向試片。試片大小採用70×150 mm 或 60×80 mm 之平板，放在試片支架上，其角度需與垂直線成 20±5˚。鹽液使用 5%的氯化鈉 溶液。但在規範CNS 11607 及 CNS 15200-7-8 中，部份試驗條件規定有所差異， 其不同處之比較如表2-7 所示，從表格可以看出 CNS 15200-7-8 為規範中最為詳 細者，其與 CNS 8886 只有噴霧式大小之規定不同外，其餘大致一樣，而 CNS 11607 則是其中最為粗略之規範。

鹽水噴霧試驗，依據不同的鹽水又可分成三種不同形式的試驗，分別為中性 鹽水噴霧試驗 (NSS)、醋酸鹽水噴霧試驗 (AASS)及含銅加速醋酸鹽水噴霧試驗 (CASS)，三種試驗差異如表 2-8 所列。

17

表

2- 7 鹽水噴霧加速劣化試驗規範之比較

規範 CNS 8886 CNS 11607 CNS 15200-7-8 噴霧室大小 0.2 m3_以上 0.4 m3_{以上，大於2} m3_{之試驗櫃不易操} 作 噴霧用空氣壓 力 0.098±0.01 MPa 0.098±0.02 MPa 噴霧收集裝置 直徑為100 mm，水 平取樣面積約為80 cm2_{之乾淨容器，至} 少置於兩個位置以 上 將直徑100 mm 的玻 璃漏斗之管端插入 量筒中，其收集面積 為80 cm2_，至少需 要2 個 噴霧 自由落下為原則，不 直接朝向試片 自由落下為原則，不 直接朝向試片 自由落下為原則，不 直接朝向試片 試片 70×150 mm 或 60×80 mm 之平板 鋼板150×70×0.8 mm，背面預先塗布 防銹塗料經乾燥 拋光鋼片10×70×0.3 mm 以上，常用尺寸 為150×70×0.8 mm 試片角度 需與垂直線成20±5˚ 需與垂直線成 25±5˚ 需與垂直線成 20±5˚ 試片架材料 以玻璃、橡膠、塑膠 或適當包覆之木材 等較佳 惰性非金屬材料所 製成，如玻璃、塑膠 或適當塗布的木材

(本研究整理)

表

2- 8 NSS、AASS 及 CASS 試驗之差異

NSS AASS CASS 鹽液 5%氯化鈉 5%氯化鈉 一公升5 %氯化鈉 +(0.205±0.015 g 氯化 亞銅) 噴霧液PH 值 6.5~7.2 3.1~3.3 3.1~3.3 參考試片 冷軋鋼板 鋅版 鋅版 再現性試驗時間 (小時) 96 24 24 再現性試驗標準 140±30 g/m2 _{40±12 g/m}2 _{95±25 g/m}2

(資料來源：內政部建築研究所[1])

3. 碳化試驗 1. 儀器及環境介紹 本研究之加速碳化試驗使用 KOTSAO 所製造之恆溫恆濕試驗機，型號為 KTH225/0，機器可控制所設定溫度及濕度，有效控制範圍如圖 2-1 所示。於機 台上加裝氣體流量計，可分別控制空氣及二氧化碳之氣體流量。連接由 Rexon 公司所生產的空壓機，型號為M20-25，馬力 2.0 HP，二氧化碳氣瓶由永全氣體 公司所提供，由於為氣體灌入故試體間須留有間隔，以防實驗誤差。 (2)碳化機理 水泥中含有矽酸三鈣及矽酸二鈣，其水化產物為氫氧化鈣(Ca(OH)2約略佔水 泥總體積之 1/3，並控制混凝土 pH 值，使混凝土內部保持高鹼性環境預防鋼筋

19 Fe3O4)瓦解，造成鋼筋因腐蝕而膨脹造成混凝土產生裂紋。

圖

2- 1 加速碳化箱溫溼度之有效控制範圍

(資料來源：儀器手冊)

三 、 表 面 被 覆 材 耐 候 及 耐 久 性 能 評 定 方 法 1. 光澤度量測 光澤度量測依據的規範如下列所示： (1) CNS 10756-1 塗料一般檢驗法(有關塗膜之視覺特性之試驗法) (2) ASTM D523

Standard Test Method for Specular Gloss

主要測定方式為入射角與受光角為 60 度之鏡面反射率，其原理為入射角射 出開口角和入射面內呈0.75±0.25 度的光源(垂直面為 2.5±0.5 度)，受到塗膜反射 進入受光器內量測反射率(入射面內呈 4.4±0.1，垂直面為 11.7±0.2 度)，以基準面 光澤度為100 之百分率表示。 2. 色差量測 色差量測依據之規範如下列所示： (1) CNS 10756-1 塗料一般檢驗法(有關塗膜之視覺特性之試驗法) (2) CNS 11294 測色用之標準光及標準光源

(3) CNS 15200-4-3 塗料一般試驗法—第 4-3 部：塗膜視覺特性—測色(原理) (4) CNS 15200-4-4 塗料一般試驗法—第 4-4 部：塗膜視覺特性—測色(量測) (5) CNS 15200-4-5 塗料一般試驗法—第 4-5 部：塗膜視覺特性—測色(色差計算) (6) ASTM D2244

Standard Practice for Calculation of Color Tolerances and Color Differences from Instrumentally Measured Color Coordinates

CNS 10756-1 第 5.2 節(色差量測)中之量測色差方法共分兩種，目視法和計

測法，目視法是定性量測，而計測法是以分光測定儀量測來做定量分析，在 45

度照明，0 度受光條件下，用標準 C 光及 2 度視野量測 X、Y、Z 值。但依據 CNS 15200-4-3 及 ASTM 2244 規範中，說明 CIE 1976 色空間之L*、a*_、b*_{色座標，其}

選定的視野為10 度，且 10 度視野較 2 度視野更接近實際，而光源在 ASTM 規 範裡沒有硬性規定，標準C 光及標準D₆₅光皆可使用，不過從CNS 11294 裡可知， 標準D₆₅光較標準C 光更接近自然光，且 CNS 15200-4-3 中規定使用色溫約 6500K 之標準D₆₅光源。因此量測選定標準D₆₅光及10 度視野。一片試片至少量測 3 個 不同位置，量測結果取其平均值，再利用總色差值(ΔEab*)比較塗料的劣化程度， 其公式如下： ∆Eab*=√(∆L*)2+(∆a*₎2_+(∆b*₎2 _(2-7) ∆L*=LB*-LS* (2-8) ∆a*_=a B *_-a S * _(2-9) ∆b*=bB*-bS* (2-10) +∆L*=偏白；-∆L*=偏黑；+∆a*=偏紅；-∆a*=偏綠；+∆b*=偏黃；-∆b*=偏藍；LS*、 a_S*、bS*：標準色座標；LB*、aB*、bB*：試片量測色座標。

21

3. 黃變值量測

黃變值量測所參照之規範為： (1) ASTM E313

Standard Practice for Calculating Yellowness and Whiteness Indices from Instrumentally Measured Color Coordinates

適用於接近白色之試片，黃變值的定義為色差從純白色轉變成黃色的一個指 標。量測光源為標準C 光及標準D65光皆可使用，2 度視野及 10 度視野也皆可使 用，差別在於黃變值之公式所帶的係數值會有所不同，如表2-9 所列。黃變值公 式如下： YI=100(CxX-CZZ)/Y (2-10)

表

2- 9 黃變值公式之係數

係數

CIE 標準光源及標準視野

C，2 度

D

₆₅

，2 度

C，10 度

D

₆₅

，10 度

C

_x

1.2769

1.2985

1.2871

1.3013

C

_Z

1.0592

1.1335

1.0781

1.1498

(資料來源：ASTM E313)

4. 膜厚量測 膜厚量測所參照之規範為： (1) CNS 15200-1-7 塗料一般試驗方法 第 1-7 部-膜厚測定 利用方法7 之乾膜厚測定：渦流法來量測。其原理為渦流裝置之運作， 係依據儀器之探頭系統產生的高頻率電磁場，使探頭放置的導體中產生渦流， 及此渦電流之振福及相位為導體與探頭之間的非導電性塗膜厚度之函數。此 方法適用於非磁性金屬底材上之非磁性乾塗膜厚度測定的非破壞性試驗，偏 差值為±2 %+1 μm，再現性：±10 %，塗膜需有足夠硬度以承受探頭之壓力， 在現場亦可使用。必須在每一參考區域取數個讀值，以得局部膜厚作為平均 測定值。 5. 氯離子濃度量測 氯離子滴定試驗之規範為： (1) CNS 14702 硬固水泥砂漿及混凝土中酸溶性氯離子含量試驗法 將全量樣品縮分選取大約10 g 之試樣，烘乾後測定期值量準確 至 0.01 g， 將試樣置入一只250 mL 之燒杯中，依 CNS 1078 之方法前處理試樣，再以電位 滴定法測定試樣中所含酸溶性氯離子含量。 (2) CNS 1078 水硬性水泥化學分析法-氯化物 秤5.0 g 水泥試樣或 10.0 g 混凝土試樣置入 250 mL 燒杯中，加入 75 mL 水分 散試樣，立即緩慢加入 25 mL 稀硝酸，以玻璃棒打散任何結塊。燒杯覆蓋表玻

23 小心將電極放入溶液中攪拌，將裝有0.05N AgNO3標準液10 mL 的滴定管端放 入溶液中或溶液液面上，緩慢滴定，當毫伏特計較水中當量點低 60 mV 時，紀 錄所需硝酸銀標準液用量，每隔0.2 mL 紀錄滴定管讀值和對應毫伏特值，並對 應表中計算其氯化物之氯含量。 6. X 光繞射試驗-碳化程度量測 因水泥基材試片需符合氙弧燈照射所需尺寸，故試片僅有0.6 cm，一般測 定碳化深度之試體尺寸大多為5 cm×5 cm×10 cm 之圓柱試體，且試驗方法為塗上 酚酞以量測其碳化之深度，若將水泥基材試片塗上酚酞，則會因為試片過薄而無 法辨識其碳化深度之變化，故我們將採取 XRD 試驗，將試片取出並磨成粉末， 檢測碳離子反射之波峰，以分辨其劣化造成之碳離子滲透濃度。 X 光繞射基礎理論(布拉格原理)： 一般 X 光的波長約在 1 埃附近，該長度也正好接近固體內原子與原子間的 距離。對於一個結晶的固體，其三度空間排列整齊的結構，正好可被視為一種光 柵。光學中的雙狹縫干射的實驗，當一同步光源通過一雙狹縫時，若該雙狹縫的 間距非常接近光波的波長時，將會發生干射現象。 產生干射的原因是 X 光進入晶體後，X 光被各層原子反射出來的路徑不一 樣，造成了光程差所致。若光柵間的的距離為 d，入射光的入射角為 θ 時，則光 程差的距離為 2d sinθ。當光成差非波長的整數倍時，即發生毀滅性干射；當光 成差為波長的整數倍時，即發生建設性干射；這也是布拉格原理：nλ = 2d sinθ 的由來，只要符合布拉格方程式時，便會出現建設性的干射。

第三章 研究方法與相關試驗規劃

第一節

研究方法與流程

表面被覆材之功能可分為保護、美化和機能性。保護意指可保護基材，例如 防止金屬鏽蝕及混擬土劣化；美化則給予基材色彩及光澤；表面被覆材本身的機 能性則為防汙垢、防霉和防凝結等。然而，被覆材隨著歲月逐漸劣化降解，使其 外觀變化且降低給予基材防禦效果。就表面被覆材劣化而言，會受到環境因子， 例如紫外線、水與氧等，經由溶解、擴散及氧化等劣化過程，使塗膜有化學、物 理及機械性質之劣化反應(圖 3-1、圖 3-2)。

圖

3- 1 塗膜或表面被覆材受到環境因子之劣化機制

(本研究整理)

UV Temperature Rain Pollutant

環境因子 劣化過程 劣化反應 塗膜 溶解 氧化 擴散 化學劣化 物理劣化 機械劣化

25

圖

3- 2 混凝土表面被覆材抵抗氯離子滲透示意圖

(本研究整理)

建立鋼材或混凝土之表面被覆材耐久性能評估方法時，需先建立完整之表面 被覆材性能劣化曲線或防蝕性能曲線。然而，因鋼材或混凝土表面被覆材種類繁 多且工法程序不同(包含新材料與新工法之應用)，若逐一進行現地曝曬試驗則將 耗費大量人力金錢與時間，而若僅採用加速耐候試驗則將無法真實反應現地環境 條件。為此，本研究首要進行「現地曝曬實驗場」之建置規劃，並於現地曝曬試 驗場試行鋼筋混凝土與鋼材表面被覆材的現地曝曬，可為國內建材相關現地曝曬 實驗之示範；此外，本研究亦選擇市面常用之鋼材與混凝土表面被覆材進行加速 耐候試驗，未來可建構加速耐候實驗與未來現地曝曬實驗之二者時間對應關係， 並使用加速耐候試驗所得之性能劣化曲線以推估其使用年限或維護更換時間；研 究步驟可參考圖3-3 所示。

圖

3- 3 研究步驟

(本研究整理)

現地曝曬場選定與試體/試片設計 混凝土表面被覆材 現地曝曬場規劃 鋼材表面被覆材 專家座談 安全與使用性檢核 性能劣化趨勢 與曲線 性能劣化趨勢 與曲線 規劃細部與 配置圖 塗膜面層觀察/光澤率量測/色差等 現地曝曬試驗之試行與結論建議 加速耐候試驗-氙弧燈及塩霧 氙弧燈加速劣化後進中性化加速試 驗與塩霧試驗 文獻調查

27

第二節

現地曝曬場建置規劃

本研究將於材料試驗中心屋頂等適當處所規劃「現地曝曬實驗場」之建置。 依據ASTM G50 標準規範，規定曝曬場須於正東至正南及正南至正西之方位， 且位置須無妨礙日光照射、通風及降雨之地上物件。另設置場所根據CNS 11607 規定，室外耐候試驗場宜設置於年平均日照時間為 2000 小時以上，試片接受之 日射量須大於4000 MJ/m2_{，且每年之統計氣象變化上不大的地方為主。為了探} 討不同氣象環境對表面被覆材之影響，本試驗曝曬地點目前以都會區為設定對象， 擬以北部-台北景美建研所材料實驗群實驗室、中部-中興大學森林學系頂樓及南 部-高雄大學土環系頂樓等之環境條件進行探討。依據規範 ASTM G50 所示，試 片放置曝曬架的最低離地高度大於750 mm 以上(圖 3-4)，試片尺寸約為 150 × 100 mm (厚度約為 1 mm)，試驗面在耐候試驗台上以 30 度傾角應朝正南，角度可依 曝曬場地所在緯度之度數作調整。各定點並規劃架設溫度及相對溼度計、日照時 間計、紫外線計、雨量計、濕度時間計、風向及風速計及氯離子附著計等，量測 當地詳細之氣象以便與加速耐候試驗之結果比較，可詳細探討劣化因子對表面被 覆材影響，於曝曬時間內每半年進行試片之相關性質量測(CNS 13127 及 14123)。 此外，本研究將針對台北景美建研所材料實驗群實驗室屋頂層之「現地曝曬實驗 場」進行載重評估並依混凝土工程設計規範檢核建築物之使用性與安全性並邀請 專家學者進行相關示範點之規格研議。

圖

3- 4 戶外曝曬架示意圖

29

第三節

混凝土表面被覆材試驗規劃

混凝土用之表面被覆材泛指於一般水泥基質材料上所塗封或被覆之材料，種 類繁多且已商品化，以塗料為而大致可分為： 1. 油性塗料： (1) 調和漆、防銹漆：燃油、顏料、乾性油、重合油、防銹顏料 (2) 鋁漆：油性亮光漆、鋁粉 2. 水性塗料：醋酸性乳化塗料、壓克力系乳化塗料、壓克力氨基鉀酸酯系乳化 塗料、矽壓克力系乳化塗料、氟樹脂乳化塗料、水溶性樹脂塗料、水性亮光漆所 要求的主要性能如下表所示：

表

3- 1 塗料一般要求性能

項目 功能 遮蓋力 經過正常的塗刷次數後，能夠完全遮掩基材瑕疵 環境抗性 具有抗日光紫外線、抗化學性藥品、抗磨損作用、抗水鹼、 抗黴菌藻類等作用 持久性 具有保持光性、保護顏色的性質

(本研究整理)

以台灣之鋼筋混凝土建築物而言，大多使用水泥砂獎抹平後再進行表面被覆 材施作，因此本計畫將以水泥砂漿為基材之試體為主，並於其上塗封待測之塗料。 以氙弧燈加速耐候試驗(建研所)而言，其試片大小為 150 × 70 mm (厚度約為 6 mm)，氙弧燈加速耐候試驗預設進行約 90 天(超過 2000 小時)暴露時間，並設定 不同時間點進行量測及評估其經時變化。試片經過氙弧燈加速耐候試驗後，觀察 塗料表面異狀與量測光澤度變化，以決定塗裝系統劣化機制。此外，本研究亦規 劃以氙弧燈加速劣化後之試片進行加速中性化試驗與塩霧試驗進行表面被覆材 之劣化因子扺抗能力評估，主要量測基材之中性化深度與氯離子擴散深度等。除 加速耐候試驗外，本研究亦規劃現地曝曬試驗之試行，地點則選定台北景美建研

所材料實驗群實驗室，除容易進行試驗觀察與保管外，其附近具可供參考之氣象 資訊站，可協助量測鄰近區域之環境條件，以利於後續加速試驗與現地曝曬結果 之關係建立。

31

第四節

鋼材表面被覆材試驗規劃

本研究之鋼材表面被覆材劣化曲線將以膜厚或腐蝕範圍為對象進行分析與 研究。一般而言，鋼材構件依位置不同及其所處環境分類，其表面被覆材可參考 鋼結構橋梁防蝕塗裝技術手冊而選用不同之塗裝系統，單一塗裝系統約可分為面 漆、中塗漆及底漆等三類，依施作位置又可分為：外部塗裝系統、內部塗裝系統 及特殊部位塗裝系統等，除塗裝系統之選擇外，設計膜厚亦為鋼構橋梁防蝕性能 確保之重要關鍵。因此，本研究將以表面被覆材之膜厚與光澤度為對象，藉由資 料收集或加速劣化試驗以了解其於大氣腐蝕環境下之隨時間變化曲線；換言之， 本研究之鋼材表面被覆材劣化曲線即為膜厚/光澤度與時間之關係曲線。若塗裝 功能失效，則於試驗過程中之腐蝕範圍亦為觀察與量化重點。 本研究依現行之塗裝系統綜合評估方法，將其評估結果分為：I 及 II 屬塗裝 系統劣化潛伏期、III 屬塗裝系統劣化進展期及 IV 屬塗裝系統劣化加速期，而其 定義分述如下： 潛伏期: 塗膜劣化(鋼材腐蝕尚未發生)-塗膜劣化模型與曲線(圖 3-5、圖 3-6) 進展期: 鋼材腐蝕與塗膜劣化(塗膜仍有部份功能) 加速期: 塗膜功能喪失與鋼材腐蝕加速(與裸鋼之腐蝕速度相同)

圖

3- 5 塗膜劣化狀態

(本研究整理)

經歷時間 塗 膜 厚 度 光澤度減少 粉化 塗膜消耗

圖

3- 6 鋼材表面被覆材(面漆)之光澤率劣化曲線

(本研究整理)

為建構上述鋼材表面被覆材或塗裝系統之耐候或耐久性能劣化曲線，依文獻 分析結果與專家訪談，本研究目前之實驗規劃為：塗膜材料(面漆)及塗裝系統與 鋼材之複合試片等二大類。就塗膜材料而言(耐候性能)，主要以 C4 與 C5 環境使 用之鋼橋外部塗膜為主，首先將參考塗料公司所提供之相關試驗數據，以了解面 漆光澤度於耐候試驗機(QUV 或氙弧燈)下之時間變化，可提供實驗時間之規劃參 考；此外，就塗裝系統與鋼材之複合試片而言(防蝕性能)，鋼材部份將採用多為 橋梁使用之A709 Gr.50，配合 C4 與 C5 環境使用之鋼橋外部塗裝系統以進行加 速腐蝕試驗，規劃量測塗裝系統之異狀面積與鋼材重量減少率，以決定塗裝系統 於進展期之劣化關鍵因子；實驗規劃之初步構想如下表所示：

33

表

3- 2 實驗初步規劃

試片設定 材料種類設定 試驗設備 試驗地點 參數 塗膜材料－ 面漆(單層) C4 與 C5 環境適 用之外部塗裝系 統 氙弧燈 建研所 光澤度 膜厚 (色差) 塗裝系統與 鋼材之複合 試片 C4 與 C5 環境適 用之外部塗裝系 統+A709 Gr. 50 鋼材 鹽霧試驗 機 台科大或 建研所 塗膜異狀面樍 鋼材重量減少率 光澤度 膜厚

(本研究整理)

表

3- 3 C5 之 A5-1 及 A5-2 塗裝系統

塗層 塗裝系統 塗膜厚度 (m) A5-1 A5-2 底漆 無機鋅粉 無機鋅粉 80 中漆 環氧樹脂 環氧樹脂 180 (A4: 80 m ) 面漆 聚氨酯 氟素樹脂 60 總塗膜厚度 320

註：

A4 與 A5 塗裝系統之面漆厚度為相同。

(本研究整理)