混凝土與鋼材表面塗裝系統之耐候性能量化分析與使用年限研究

混凝土與鋼材表面塗裝系統之耐候性

能量化分析與使用年限研究

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

混凝土與鋼材表面塗裝系統之耐候性

能量化分析與使用年限研究

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 106 年 12 月

研究主持人 ：陳建忠 協同主持人 ：邱建國 研究員 ：陳君弢、李育帆、張竣堯、黃國倫 研究助理 ：陳敏祐、陳世政 研究期程 ：中華民國106 年 2 月至 106 年 12 月

目次

摘要 ... 1

第一章 緒論 ... 1

第一節

研究背景、目的與本研究之重要性 ... 1

第二章 文獻回顧 ... 5

第一節

國內相關研究介紹 ... 5

第二節

國外相關研究介紹 ... 6

第三章

研究方法與相關實驗規劃 ... 15

第一節

研究方法與流程 ... 15

第二節

現地曝曬場建置規畫 ... 17

第三節

混凝土表面被覆材現地曝曬實驗規劃 ... 21

第四節

鋼材表面被覆材現地曝曬實驗規劃 ... 24

第四章

現地曝曬場建置 ... 27

第一節

曝曬架尺寸與規格 ... 27

第二節

氣候觀測儀 ... 28

第五章

鋼材表面被覆材現地曝曬實驗 ... 37

第一節

鋼材表面被覆材試片製作 ... 37

第二節

鋼材表面被覆材實驗結果 ... 51

第六章 混凝土表面被覆材現地曝曬實驗 ... 117

第一節

加速實驗結果 ... 117

第二節

試片規劃 ... 136

第三節現地曝曬實驗結果 ... 139

第七章 使用年限評估 ... 169

第一節 建議表面被覆材之使用年限評估方式 ... 169

第八章 規範修正建議 ... 189

第一節

戶外曝曬規範比較 ... 189

第九章

結論與建議 ... 193

第一節

結論 ... 193

第二節

建議 ... 196

附錄一

期中審查會議紀錄 ... 197

附錄二

期中審查會議回覆 ... 201

附錄三

期末審查會議紀錄 ... 207

附錄四

期末審查會議回覆 ... 213

附錄五 第一次專家座談會議紀錄與簽到表 ... 221

附錄六 第二次專家座談會議紀錄與簽到表 ... 225

參考文獻 ... 231

表次

表

3-1 塗料一般要求性能 ... 21

表

3-2 塗刷油漆 ... 22

表

3-3 實驗初步規劃 ... 25

表

3-4 C5 之 A5-1 及 A5-2 塗裝系統 ... 26

表

4-1 氣候觀測儀風速與風向感測規格 ... 29

表

4-2 氣候觀測儀太陽輻射計規格 ... 30

表

4-3 氣候觀測儀相對濕度與溫度感測規格 ... 30

表

4-4 氣候觀測儀雨量計規格 ... 31

表

5-1 各廠商之面漆主要成分及個別的試片編碼 ... 37

表

5-2 各廠商之中途漆厚度及個別的試片編碼 ... 42

表

5-3 記錄起泡等級之表格 ... 49

表

5-4 記錄鏽蝕等級之表格 ... 49

表

5-5 記錄龜裂等級之表格 ... 50

表

5-6 記錄片狀剝落之表格 ... 50

表

5-7 廠商 A 試片色差 X、Y、Z初始值 ... 51

表

5-8 廠商 C 試片色差 X、Y、Z初始值 ... 52

表

5-9 廠商 A 試片色差L*、a*、b*初始值 ... 52

表

5-10 廠商 C 試片色差L*、a*、b*初始值 ... 53

表

5-11 廠商 A 之環氧樹脂試片光澤初始值 ... 53

表

5-12 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片光澤初始值 ... 54

表

5-13 廠商 A 之環氧樹脂試片膜厚初始值 ... 54

表

5-14 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片膜厚初始值 ... 55

表

5-15 廠商 A 與廠商 C 試片色差 ΔEab*... 56

表

5-16 廠商 A 與廠商 C 試片黃變值 ... 57

表

5-17 廠商 A 與廠商 C 試片光澤折減率(%) ... 58

表

5-18 廠商 A 與廠商 C 試片膜厚(單位：μm) ... 59

表

5-19 廠商 A 之 180 μm 與 260 μm 色差 X、Y、Z初始值

... 68

表

5-20 廠商 B 之 180 μm 與 260 μm 色差 X、Y、Z初始值

... 69

表

5-21 廠商 C 之 180 μm 與 260 μm 色差 X、Y、Z初始值

... 69

表

5-22 廠商 A 之 180 μm 與 260 μm 色差L*、a*、b*初始值

... 70

表

5-23 廠商 B 之 180 μm 色差L*、a*、b*初始值 ... 70

表

5-24 廠商 C 之 180 μm 色差L*、a*、b*初始值 ... 71

表

5-25 廠商 A 之 180 μm 光澤初始值 ... 72

表

5-26 廠商 A 之 260 μm 光澤初始值 ... 72

表

5-27 廠商 B 之 180 μm 光澤初始值 ... 73

表

5-28 廠商 B 之 260 μm 光澤初始值 ... 73

表

5-29 廠商 C 之 180 μm 光澤初始值 ... 74

表

5-30 廠商 C 之 260 μm 光澤初始值 ... 74

表

5-31 廠商 A 之 180 μm 膜厚初始值 ... 75

表

5-32 廠商 A 之 260 μm 膜厚初始值 ... 75

表

5-33 廠商 B 之 180 μm 膜厚初始值 ... 76

表

5-34 廠商 B 之 260 μm 膜厚初始值 ... 76

表

5-35 廠商 C 之 180 μm 膜厚初始值 ... 77

表

5-36 廠商 C 之 260 μm 膜厚初始值 ... 77

表

5-37 廠商 A 之 180 μm 與 260 μm 試片色差 ΔEab* ... 78

表

5-38 廠商 B 之 180 μm 與 260 μm 試片色差 ΔEab* ... 78

表

5-39 廠商 C 之 180 μm 與 260 μm 試片色差 ΔEab* ... 79

表

5-40 廠商 A 之 180 μm 與 260 μm 試片黃變值 ... 80

表

5-41 廠商 B 之 180 μm 與 260 μm 試片黃變值 ... 80

表

5-42 廠商 C 之 180 μm 與 260 μm 試片黃變值 ... 81

表

5-43 廠商 A 之 180 μm 與 260 μm 試片光澤折減率(%) . 82

表

5-44 廠商 B 之 180 μm 與 260 μm 試片光澤折減率(%) . 82

表

5-45 廠商 C 之 180 μm 與 260 μm 試片光澤折減率(%) . 83

表

5-46 廠商 A 之 180 μm 與 260 μm 試片膜厚... 84

表

5-47 廠商 B 之 180 μm 與 260 μm 試片膜厚 ... 84

表

5-48 廠商 C 之 180 μm 與 260 μm 試片膜厚... 85

表

5- 49 各廠商試片於現地曝曬 864 與 1584 小時之實際情

況 ... 98

表

5- 50 各廠商試片於現地曝曬 2400 與 3240 小時之實際情

況 ... 99

表

5- 51 各類塗裝系統試片數編碼與照射時間之對應 ... 104

表

6-1 塗刷油漆 ... 117

表

6-2 色差值、黃變值、光澤折減率比較(照射時間：171 小

時

) ... 118

表

6-3 色差值、黃變值、光澤折減率比較(照射時間：332 小

時

) ... 118

表

6-4 X 光繞射實驗結果 ... 122

表

6- 5 C1 至 C5 試片光澤初始值 ... 144

表

6- 6 C6 至 C10 試片光澤初始值 ... 145

表

6- 7 C11 至 C15 試片光澤初始值 ... 146

表

6- 8 C16 至 C20 試片光澤初始值 ... 147

表

6- 9 D1 至 D5 試片光澤初始值 ... 148

表

6- 10 D6 至 D10 試片光澤初始值 ... 149

表

6- 11 D11 至 D15 試片光澤初始值 ... 150

表

6- 12 D16 至 D20 試片光澤初始值 ... 151

表

6- 13 N1 至 N5 試片光澤初始值 ... 152

表

6- 14 N6 至 N10 試片光澤初始值 ... 153

表

6- 15 N11 至 N15 試片光澤初始值 ... 154

表

6- 16 N16 至 N20 試片光澤初始值 ... 155

表

6- 17 C1 至 C5 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 156

表

6- 18 C6 至 C10 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 157

表

6- 19 C11 至 C15 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 158

表

6- 20 C16 至 C20 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 159

表

6- 21 D1 至 D5 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 160

表

6- 22 D6 至 D10 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 161

表

6- 23 D11 至 C15 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 162

表

6- 24 D16 至 D20 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 163

表

6- 25 N1 至 N5 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 164

表

6- 26 N6 至 N10 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 165

表

6- 27 N11 至 N15 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 166

表

6- 28 N16 至 N20 試片色差 L*、a*、b*初始值 ... 167

表

7-1 年平均氣溫(˚C)... 170

表

7-2 年平均相對溼度(%) ... 170

表

7-3 年間降雨量(mm) ... 170

表

7-4 年間全天日射量(kcal/m

2

_{/day) ... 171}

表

7-5 各地區之環境係數 ... 171

表

7-6 面漆依光澤率臨界值之平均使用年限(氙弧燈實驗)

... 174

表

7-7 面漆依光澤率臨界值之平均使用年限(QUV 實驗) . 175

表

7-8 面漆依色差臨界值之平均使用年限(氙弧燈實驗) ... 179

表

7-9 面漆依色差臨界值之平均使用年限(QUV 實驗) ... 180

表

7-10 塗裝系統 A4-1 ... 184

表

7-11 塗裝系統 A4-2 ... 184

表

7-12 塗裝系統 A5-1 ... 185

表

7-13 塗裝系統 A5-2 ... 185

表

7-14 各區域鋅腐蝕速率試驗點之行政區 ... 185

表

7-15 各區域之鋅腐蝕速率及底漆使用年限 ... 186

表

7-16 塗裝系統 A4-1 之使用年限 ... 186

表

7-17 塗裝系統 A4-2 之使用年限 ... 186

表

7-18 塗裝系統 A5-1 之使用年限 ... 187

表

7-19 塗裝系統 A5-2 之使用年限 ... 187

表

8- 1ASTM D1014 與 ASTM G50 戶外曝曬實驗規範整理

... 190

表

8- 2 CNS11607 與 CNS15200-7-5 戶外曝曬實驗規範整理

... 191

表

8- 3 CNS13127 與 CNS14123 戶外曝曬實驗規範整理 . 192

圖次

圖

3-1 塗膜或表面被覆材受到環境因子之劣化機制... 15

圖

3-2 混凝土表面被覆材扺抗氯離子滲透示意圖 ... 16

圖

3-3 直線區域為曝曬架擺設位置示意圖 ... 17

圖

3-4 屋頂平台平面圖 ... 17

圖

3-5 曝曬架之設計範例圖，單位：mm ... 19

圖

3-6 曝曬架擺放數量示意圖 ... 20

圖

4-1 曝曬架 ... 27

圖

4-2 塑膠束帶固定試片 ... 27

圖

4-3 氣候觀測儀 ... 28

圖

4-4 資料擷取主機 ... 28

圖

4-5 資料擷取主機內部構造 ... 32

圖

4-6 氣候觀測儀 8 月份日射量 ... 33

圖

4-7 氣候觀測儀 8 月份氣溫 ... 34

圖

4-8 氣候觀測儀 8 月份氣溫 ... 34

圖

4-9 氣候觀測儀 8 月份氣溫 ... 35

圖

4-10 氣候觀測儀 8 月份氣溫 ... 35

圖

4-11 氣候觀測儀 8 月份風向 ... 36

圖

5-1 戶外曝曬實驗之試片示意圖 ... 38

圖

5-2 商 A 之環氧樹脂試片(編號：77-1 至 77-12) ... 38

圖

5-3 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片(編號：yo-1 至 yo-12) ... 38

圖

5-4 廠商 B 之氟素樹脂試片(編號：54FA-1 至 54FA-12) 39

圖

5-5 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片(編號：725-1 至 725-12) . 39

圖

5-6 廠商 C 之氟素樹脂試片(編號：PF-1 至 PF-12) ... 39

圖

5-7 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片(編號：PI-1 至 PI-12) ... 40

圖

5-8 複合試片製作過程 ... 41

圖

5-9 廠商 A 之厚 180 μm 試片(編號：A18-1 至 A18-8) ... 42

圖

5-10 廠商 A 之厚 260 μm 試片(編號：A26-1 至 A26-8) . 43

圖

5-11 廠商 B 之厚 180 μm 試片(編號：B18-1 至 B18-8) . 43

圖

5-12 廠商 B 之厚 260 μm 試片(編號：B26-1 至 B26-8) . 43

圖

5-13 廠商 C 之厚 180 μm 試片(編號：C18-1 至 C18-8) . 44

圖

5-14 廠商 C 之厚 260 μm 試片(編號：C26-1 至 C26-8) . 44

圖

5-15 日本電色 NR-12A 攜帶型色差計(本研究整理) ... 45

圖

5-16 Elcometer 480 攜帶型光澤度儀(本研究整理) ... 46

圖

5-17 QuaNix 8500 basic 標準型膜厚計(本研究整理) ... 46

圖

5-18 面漆試片色差及光澤量測點之試片示意圖(本研究整

理

) ... 47

圖

5-19 面漆試片膜厚量測點之試片示意圖(本研究整理) ... 47

圖

5-20 複合試片色差及光澤量測點之試片示意圖(本研究整

理

) ... 48

圖

5-21 複合試片膜厚量測點之試片示意圖(本研究整理) ... 48

圖

5-22 廠商 A 之環氧樹脂試片色差 ∆Eab* ... 60

圖

5-23 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab* ... 60

圖

5-24 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片色差 ∆Eab* ... 61

圖

5-25 廠商 C 之氟素樹脂試片色差 ∆Eab* ... 61

圖

5-26 廠商 A 之環氧樹脂試片黃變值 ... 62

圖

5-27 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片黃變值 ... 62

圖

5-28 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片黃變值 ... 63

圖

5-29 廠商 C 之氟素樹脂試片黃變值 ... 63

圖

5-30 廠商 A 之環氧樹脂試片光澤折減率 ... 64

圖

5-31 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率 ... 64

圖

5-32 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片光澤折減率 ... 65

圖

5-33 廠商 C 之氟素樹脂試片光澤折減率 ... 65

圖

5-34 廠商 A 之環氧樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 66

圖

5-35 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 66

圖

5-36 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 67

圖

5-37 廠商 C 之氟素樹脂試片膜厚(單位：μm) ... 67

圖

5-38 廠商 A 之 180 μm 試片色差 ΔEab* ... 86

圖

5-39 廠商 A 之 260 μm 試片色差 ΔEab* ... 86

圖

5-40 廠商 B 之 180 μm 試片色差 ΔEab* ... 87

圖

5-41 廠商 B 之 260 μm 試片色差 ΔEab* ... 87

圖

5-42 廠商 C 之 180 μm 試片色差 ΔEab* ... 88

圖

5-43 廠商 C 之 260 μm 試片色差 ΔEab* ... 88

圖

5-44 廠商 A 之 180 μm 試片黃變值 ... 89

圖

5-45 廠商 A 之 260 μm 試片黃變值 ... 89

圖

5-46 廠商 B 之 180 μm 試片黃變值 ... 90

圖

5-47 廠商 B 之 260 μm 試片黃變值 ... 90

圖

5-48 廠商 C 之 180 μm 試片黃變值 ... 91

圖

5-49 廠商 C 之 260 μm 試片黃變值 ... 91

圖

5-50 廠商 A 之 180 μm 試片光澤折減率(%) ... 92

圖

5-51 廠商 A 之 260 μm 試片光澤折減率(%) ... 92

圖

5-52 廠商 B 之 180 μm 試片光澤折減率(%) ... 93

圖

5-53 廠商 B 之 260 μm 試片光澤折減率(%) ... 93

圖

5-54 廠商 C 之 180 μm 試片光澤折減率(%) ... 94

圖

5-55 廠商 C 之 260 μm 試片光澤折減率(%) ... 94

圖

5-56 廠商 A 之 180 μm 試片膜厚 ... 95

圖

5-57 廠商 A 之 260 μm 試片膜厚 ... 95

圖

5-58 廠商 B 之 180 μm 試片膜厚 ... 96

圖

5-59 廠商 B 之與 260 μm 試片膜厚 ... 96

圖

5-60 廠商 C 之 180 μm 試片膜厚 ... 97

圖

5-61 廠商 C 之 260 μm 試片膜厚 ... 97

圖

5- 62 複合試片於各塗裝系統之起泡等級(密度)圖 ... 100

圖

5- 63 複合試片於各塗裝系統之起泡等級(大小)圖 ... 101

圖

5- 64 複合試片於各塗裝系統之鏽蝕等級(面積)圖 ... 102

圖

5- 65 複合試片於各塗裝系統之鏽蝕等級(大小)圖 ... 103

圖

5- 66 複合試片經氙弧燈照射之光澤劣化圖 ... 105

圖

5- 67 複合試片經氙弧燈照射之色差劣化圖 ... 106

圖

5- 68 紀錄鹽水噴霧實驗之複合試片初始狀態示意圖 .. 108

圖

5- 69 複合試片於各塗裝系統之膜厚圖 ... 109

圖

5- 70 複合試片於各塗裝系統之起泡等級(密度)圖 ... 110

圖

5- 71 複合試片於各塗裝系統之起泡等級(大小)圖 ... 111

圖

5- 72 複合試片於各塗裝系統之鏽蝕等級(面積)圖 ... 112

圖

5- 73 複合試片於各塗裝系統之鏽蝕等級(大小)圖 ... 113

圖

5- 74 複合試片於各塗裝系統之龜裂等級(數量)圖 ... 114

圖

5- 75 複合試片於各塗裝系統之龜裂等級(大小)圖 ... 115

圖

6-1 氙弧燈環境參數設定(I) ... 119

圖

6-2 氙弧燈環境參數設定(II) ... 119

圖

6-3 色差值與曝曬時間的關係 ... 120

圖

6-4 黃變值與曝曬時間的關係 ... 120

圖

6-5 光澤折減率與曝曬時間的關係 ... 121

圖

6-6 廠商 I-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 123

圖

6-7 廠商 I-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 123

圖

6-8 廠商 II-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 124

圖

6-9 廠商 II-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 124

圖

6-10 廠商 III-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 125

圖

6-11 廠商 III-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 125

圖

6-12 廠商 III-光澤折減率與曝曬時間的關係(Ⅲ) ... 126

圖

6-13 廠商 I-色差值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 126

圖

6-14 廠商 I-色差值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 127

圖

6-15 廠商 II-色差值與曝曬時間的關係(Ⅰ)... 127

圖

6-16 廠商 II-色差值與曝曬時間的關係(Ⅱ)... 128

圖

6-17 廠商 III-色差值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 128

圖

6-18 廠商 III-色差值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 129

圖

6-19 廠商 III-色差值與曝曬時間的關係(Ⅲ) ... 129

圖

6-20 廠商 I-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 130

圖

6-21 廠商 I-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 130

圖

6-22 廠商 II-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅰ)... 131

圖

6-23 廠商 II-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅱ)... 131

圖

6-24 廠商 III-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅰ) ... 132

圖

6-25 廠商 III-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅱ) ... 132

圖

6-26 廠商 III-黃變值與曝曬時間的關係(Ⅲ) ... 133

圖

6-27 X 中性化實驗 ... 134

圖

6-28 光繞射實驗結果 ... 135

圖

6-29 戶外水泥基板試片尺寸 ... 136

圖

6-30 戶外水泥基板試片模具 ... 137

圖

6-31 戶外水泥基板試片模具 ... 137

圖

6- 32 灌製水泥基板試片 ... 139

圖

6- 33 水泥基板試片養護 ... 140

圖

6- 34 水泥基板試片油漆塗裝 ... 140

圖

6- 35 固定於曝曬架之水泥基板試片 ... 141

圖

6- 36 固定於曝曬架之水泥基板試片(局部) ... 141

圖

6- 37 水泥基板光澤與色差量測點位示意圖 ... 143

圖

7-1 現地實驗之光澤劣化趨勢圖 ... 175

圖

7-2 加速耐候實驗之光澤劣化趨勢圖 ... 176

圖

7-3 光澤於加速耐候實驗之平均加速係數趨勢圖... 177

圖

7-4 各實驗之色差劣化趨勢圖 ... 181

圖

7-5 色差於加速耐候實驗之平均加速係數趨勢圖... 182

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 本研究延續 105 年度「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」之成果，依其規劃建置以都會地區為例之戶外曝曬實驗場，及 進行混凝土與鋼材表面塗裝系統試片製作與實驗，同時利用氙弧燈等加速耐候實 驗評估選用塗裝系統之劣化物理行為，並依加速耐候實驗/戶外曝曬之研究結果， 配合區域日射條件，檢討耐候性能量化分析模式與使用年限評定方法。 本研究已製作 12 座曝曬架，試片固定方式遵循規範以塑膠材質為主，而考 量經費與實用性，將以塑膠束帶進行試片固定。除加速耐候或腐蝕實驗外，本研 究亦進行現地曝曬實驗，以利於後續加速實驗與曝曬結果之關係建立。鋼材塗膜 材料(面漆)將以氟素及聚氨酯樹脂兩種面漆為主；至於塗裝系統採用 C4 與 C5 環 境使用之鋼橋外部塗裝系統，共 72 片。量測塗裝系統之膜厚與光澤度變化，設 定不同時間點進行量測及評估其經時變化，以決定塗裝系統劣化機制。本次規劃 之複合試片中主要包含底漆與中塗漆，選定三家廠商，各提供二種不同中塗漆及 厚度，共 48 片。上述之試片目前已裝置於曝架上，並定時進行量測。量測方法 除光澤、色差及膜厚等量化數據外，本團隊亦建立專用目視評估表格，並依 CNS

15200-8-2 至 CNS 15200-8-5 之規定進行塗膜表面劣化定性評估。 水泥基板試片尺寸為 150 × 70 mm (厚度約為 6 mm)，本研究因應為期 20 年 之研究計畫，考量試驗項目及支撐架容量，故增加其厚度達 25 mm，以便量測長 達 20 年之自然中性化。本研究擬選擇水灰比 0.5 之砂漿試體，預計每年量測 4 片試片，其中 2 片檢測其氯離子含量，另 2 片進行中性化深度量測，判斷其自然 劣化程度並進行加速劣化實驗以判斷塗料殘餘保護能力。目前試片之數量規劃為： 8 (油漆種類含一組空白組) × 4 (每年使用片數) × 20 (為期二十年) = 640 片。 三 、 重 要 發 現 就水泥表面被覆材之抗中性化與抗氯離子滲透能力而言，目前文獻並未建議 其量化評估方法，本研究擬將水泥基材試片置於加速中性化箱，於25 °C、相對 溼度50 %及二氧化碳濃度 50 %環境下加速其中性化。由於試片厚度小，不易使 用酚酞藥劑判斷中性化深度，故改以碳酸鈣的含量來比較差異。原水泥基板僅含 少量碳酸鈣，故在同一加速中性化時間下，當試片中的碳酸鈣含量越多時，意謂 著該試片抗中性化的能力較低。碳酸鈣可以 X 光繞射法來半定量，繞射峰值越 高即含量越高；此一部份已使用去年試片進行試作，並證實可行。此外，本研究 亦採用鹽水噴霧實驗機進行氯離子滲透實驗，並採用CNS 1078-水硬性水泥化學 分析法(氯化物)以定量面漆於自然曝曬劣化後，其對於抵抗氯離子入侵能力之影 響。

四 、 主 要 建 議 事 項 建議一 立即可行建議：修訂國家標準 CNS11607 塗料一般檢驗法(長期耐久性之實 驗法) 主辦機關：經濟部標準檢驗局 協辦機關：內政部建築研究所、台灣塗料工業同業公會 本研究建議針對國家標準 CNS 11607 塗料一般檢驗法修訂曝曬場地、曝 曬架及試片等相關規定。 CNS 11607 中有關曝曬場地之年平均日照時間與年平均日射量之規定，應 可參照 ASTM D1014 之規定，增列可挑選其塗料欲使用的氣候地區；有關曝 曬架之材質規定，應可參照 ASTM D1014 之規定，可使用材料為金屬或木材， 並視需要進行適當塗裝；CNS 11607 中規定試片尺寸為 300×150×1mm 之試驗 版，對於一般水泥基材試片而言，其尺寸過大及不易進行量測，建議其參照 ASTM D1014 之試片尺寸不小於 75×150 mm 的規定，且試片最少 2 片，以 4 片為佳。 建議二 中長期建議：進行建築塗裝材料耐久設計之基礎研究 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：台灣塗料工業同業公會 本研究建議鋼材表面塗裝系統之使用年限評估方式主要以耐候性能、美觀 性能及防蝕性能等三種不同性能進行分析，以此推估耐候年限、美觀年限及防 蝕年限。 國內目前尚缺乏建築塗裝材料耐久設計方法，本研究所使用之使用年限評 估分析方法與研究成果，有利於進行鋼筋混凝土與鋼材耐久設計之基礎研究， 有助於未來修訂相關規範或準則，應用於建築之維護管理或設計，使我國之基 礎或公共建設邁向永續之路。

ABSTRACT

Keywords：concrete, steel, surface coating, accelerated weathering test, in situ exposure.

This study is the continuation of the "105 years of concrete and steel surface coating material accelerated weathering experiments and in situ exposure experimental field planning" results, according to the plan to build the metropolitan area as an example of outdoor exposure experimental field, and concrete and steel surface coating system for the production and test strips, at the same time, accelerated deterioration weathering test such as xenon arc lamp was used to evaluate the deteriorated physical behavior of the selected coating system. According to the research results of accelerated weathering experiment / outdoor exposure, with the regional solar radiation conditions, we reviewed the weathering performance quantitative analysis mode and service life evaluation method.

The research team has also collected relevant literature and normative suggestions both at home and abroad and will use existing data to conduct trial calculations to provide experts and scholars with advice. In order to establish a national application of the evaluation of the useful life of the coating method. Taking steel surface coating system as an example, this study defined the service life under weathering, aesthetics and anticorrosive properties. The experiment was conducted with the existing Kaohsiung outdoor exposure test and accelerated weathering test, to study the coating system weatherability energy analysis model, and evaluation of life, and to develop the national standard CNS11607 paint general test method (long-term durability of the experimental method) of the proposed amendment.

第一章 緒論

第一節

研究背景、目的與本研究之重要性

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 本研究延續 105 年度「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」之成果，依其規劃建置以都會地區為例之戶外曝曬實驗場，及 進行混凝土與鋼材表面塗裝系統試片製作與實驗，同時利用氙弧燈等加速耐候實 驗評估選用塗裝系統之劣化物理行為，並依加速耐候實驗/戶外曝曬之研究結果， 配合區域日射條件，檢討耐候性能量化分析模式與使用年限評定方法。本研究之 戶外曝曬實驗場將以建研所材料實驗中心(台北)之屋頂為對象，進行曝曬試片與 戶外曝曬架之建置。前一年度研究因時程與試片數量之限制而以塗裝系統之面漆 為主要實驗對象，本年度則依其實驗結果選定表面塗裝系統以進行加速耐候實驗， 鋼材表面塗裝系統除採用較為廣泛使用聚氨酯及氟素樹脂塗料等耐候性面漆外， 亦選用環氧樹脂類中塗漆與無機鋅粉類底漆進行測試，而混擬土表面塗裝系統則 選擇外牆粉飾用之水泥漆類(包含面漆與底塗)。加速耐候實驗擬採用建研所之氙 弧燈加速耐候實驗機評估塗裝系統之耐候性，並配合使用鹽霧或中性化實驗機了 解塗裝系統於耐候性能劣化後之有害物質抵抗能力(如氯離子或二氧化碳)，亦可 探討其與戶外曝曬後劣化行為之相關性進行研究並確立時間對應模式。此外，現 行CNS11607 對於曝曬試片規劃與曝曬架設計之規定有所不足，本研究將依執行 成果與國外相關標準(如 ASTM G50)檢討其不足部份並研提修正建議。

三 、 研 究 目 標 本研究延續105 年度「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」之成果，依其規劃建置以都會地區為例之戶外曝曬實驗場，及 進行混凝土與鋼材表面塗裝系統試片製作與實驗，同時利用氙弧燈等加速耐候實 驗評估選用塗裝系統之劣化物理行為，並依加速耐候實驗/戶外曝曬之研究結果， 配合區域日射條件，檢討耐候性能量化分析模式與使用年限評定方法。 預期目標為： 1. 以混凝土與鋼材為基材之「塗裝系統」為對象，除採用加速耐候實驗以建立 其耐候性能與時間關係外，並累積戶外曝曬實驗資料以供未來建立加速耐候 實驗與戶外曝曬實驗之時間對應關係。 2. 研擬塗裝系統之耐候性能量化分析模式，及使用年限之評定方法，並研提國 家標準CNS11607 塗料一般檢驗法(長期耐久性之實驗法)之修正建議。 3. 以混凝土與鋼材表面塗裝系統為對象，建立戶外曝曬實驗場，包含試片佈設 與曝曬架建置。

第二章 文獻回顧

第一節

國內相關研究介紹

陳建忠組長等人[1]於 2015 年執行內政部建築研究所委託研究「混凝土與鋼 材表面披覆材之加速耐候實驗與現地曝曬實驗場規劃研究」該研究針除了對了國 內外相關研究以及各國所使用之規範進行整理與比較外，另外於台北建築研究所 材料實驗中心之耐候試驗場以及台科大進行實驗。研究中對鋼材表面被覆材進行 耐候及加速腐蝕實驗，混凝土方面則對表面被覆材進行加速腐蝕實驗，鋼材耐候 部分以鋁板為基底，使用環氧樹脂、聚氨酯樹脂及氟素樹脂被覆進行氙弧燈加速 耐候實驗，預設進行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；鋼材加速腐蝕部分使用複合試片以鐵板為基底，以環氧樹 脂為中塗漆，無機鋅粉為底漆進行實驗，先放入氙弧燈加速耐候實驗再放入鹽霧 實驗機進行加速腐蝕實驗；混凝土部分使用不同型號之油漆進行塗刷後進行加速 腐蝕實驗，觀察放置於氙弧燈造成之劣化情形。最後於內政部建築研究所材料實 驗中心頂樓規劃現地曝曬場，並依規範規劃曝曬架數量、形式與量測設備。

第二節

國外相關研究介紹

一、耐久設計方 法 之架構 根據2003 年之日本建築學會「建築物・部材・材料の耐久設計手法」[2]所 示，為了確保建築物的耐久性及耐用性，在建構新建築物時需考量耐久設計，耐 久設計的基本事項包含： 1. 要求機能、要求性能和設計條件 2. 考慮建築物整個生命週期的耐久性和耐用性 3. 建築物的使用年限設定 4. 建築物的設計使用年限設定，設計使用年限需小於或等於建築物使用年限 (或估計之建築物使用年限) 5. 維護計畫 因此設計耐久性之過程，首先需設定「設計使用年限」及「維護計畫」，並 估計使用年限(包含整體建築物和各部位、部材)，且需大於設計使用年限，在依 照維護計畫及估計使用年限之結果，創建設計書，為了防止設計過時，其設計需 具有足夠的彈性。 設計使用年限(Yo)，定義為從建築物完成到預計它將是下一個狀態之年數， 也有針對建築物各部位或部材訂立年限，設定原則以生命週期能量成本盡可能低 及設計使用年限盡可能長為主。本研究以塗裝系統為主，文獻中訂立其目標使用 年限為10 年以上。 估計使用年限(Y)，為由劣化所引起的使用年限之估計，包含整個建築物、 各部位及部材，主要分成兩類條件，「與固有耐久性相關之條件」及「與外力劣 化相關之條件」，表 2-1 為日本建築學會和 ISO 15686-1 個別提出估計使用年限 條件之比較。

表

2-1 估計使用年限條件之比較(日本建築學會與 ISO)

日本建築學會 ISO 15686-1 與固有耐久性相關之 條件 構成材料性能 構成材品質 設計水準 設計水準 施工水準 施工水準 維護水準 維護保養等級 與外力劣化相關之條 件 位置和環境條件 室內環境 室外環境 建築物使用條件 使用條件 依據表2-1 之條件日本建築學會及 ISO 分別提出估計使用年限之公式。日本 建築學會提出塗料之估計使用年限公式，如下式所示： Y=Yo×O×D×B×C×M (2-1) Y：外裝塗料的估計使用年限，Yo：標準使用年限，O：塗裝系統固有係數，D： 外力劣化係數，B：使用地點係數，C：施工水平係數，M：維持維護水平係數。 如以鋼材為基底之塗料，估計使用年限之公式則為： Y=(Yss×Bs×Cs×Ms)+(Ysp×Dp×Bp×Cp×Mp) (2-2) Yss：鋼材的標準使用年限，Bs：鋼材的使用地點係數，Cs：鋼材的施工水平係數， Ms：鋼材維持維護水平係數，Ysp：塗膜的標準使用年限，Dp：外力劣化係數， Bp：使用地點係數，Cp：施工水平係數，Mp：維持維護水平係數。

ISO 規範提出 Factor method 之估計使用年限公式為：

ESLC = RSLC× factor A× factor B× factor C× factor D×

factor E× factor F× factor G (2-3)

構成材品質(相當於 O，塗裝系統固有係數)，factor B：設計水平(相當於 B 及 Bs)，

factor C：施工水平(相當於 C)，factor D：室內環境(由 D 區分)，factor E：室外環 境(由 D 區分)，factor F：使用條件(B 的一部分)，factor G：維護水平(相當於 M)。 而由外力劣化導致的建築物耐久性能之劣化條件及因素如下表所示：

表

2-2 外力劣化之條件及因素

外力劣化條件 因素 位置和環境條件 力學因素 氣候/氣象因素 生物因素 建築物條件 建築物方位/部位 施工方法 不適合性 建築物使用條件 在假定的使用目的以外使用 在假定的使用頻率以外使用 未按維護計劃執行時

力學因素包含風、積雪、降雨或地震之荷重，以及應力和變形，例如熱應力、 乾濕/冷熱引起的膨脹/收縮應力、凍融引起的膨脹/收縮應力、潛變等；氣候/氣象 因素包含氣溫、濕度、日射(紫外線區域、可見光區域、紅外線區域)、降雨/降雪 /降雹、結露、凍結、海鹽粒子及大氣汙染物質等；生物因素包含菌類、苔癬類、 藻類、植物、昆蟲、囓齒動物類及鳥類等。上述之外力劣化條件主要是設定公式 2-1 中之外力劣化係數(D)，如只考慮氣象因素之外裝塗料，D 即為由∑ K×X決定 之位置和環境係數，各氣象因素之K、X 如表 2-3 所示，位置和環境係數之範圍 如所表2-4 示。

表

2-3 外力劣化係數 K、X[2]

外力劣化種 別 K X 備考 3 2 1 氣溫 (˚C) 1.5 未滿7.5 7.5~12.5 12.5~22.5 平均氣溫 K×X=4.5 3.0 1.5 相對濕度 (%) 1.5 80 以上 70~80 未滿70 _{平均相對濕} 度 K×X=4.5 3.0 1.5 降雨量 (mm) 2.0 3500 以上 1500~3500 未滿1500 年間降雨量 K×X=6.0 4.0 2.0 日射量 (kcal/m2_/日) 2.0 3300 以上 2900~3300 未滿2900 _{年間全天日} 射量 K×X=6.0 4.0 2.0

表

2-4 環境係數[2]

外力劣化係數 (∑ K×X) 環境係數 未滿10 1.1 10 以上，未滿 19 1.0 19 以上，未滿 21 0.9 本研究主要探討由「外力劣化」引起之估計使用年限，可基於實驗結果或實 際使用所獲得之使用年限來對應於估計外力劣化程度之年限，由此作為「使用年 限」。實驗數據包含實驗室之加速實驗及現地曝曬實驗，加速實驗可於短時間內 獲得結果，但其與實際耐久性間之相關性為一大課題，相對之現地曝曬實驗是較 可靠的測試方法，但缺點是需耗費長時間才能獲得結果，而其測試結果會根據暴 露區域或環境條件而不同，所以需表示暴露區域的劣化環境測量值，例如氣象因 素，否則難以與其他暴露區域之測試結果進行比較 二、塗膜消耗速率計算使用年限 根據文獻[3]，利用塗膜厚度消耗速率來計算塗裝系統之使用年限，並分為 「美觀使用年限」及「防蝕使用年限」，以及分別比較不同的計算方式，包含日 本塗料工業協會之「重防蝕塗料手冊」、日本橋樑建設協會之「橋梁工程手冊」 及文獻提出之修正方法。 由日本塗料工業協會之「重防蝕塗料手冊」提出之美觀使用年限方法，計算 膜厚消耗壽命為目標厚度的80%，在嚴重腐蝕環境下(沿海地區)，塗膜之誘導期 及消耗速率如表2-5 所示，誘導期為面漆經曝曬其光澤度大致維持初始狀態之年 數[4]，而一般腐蝕環境之使用年限則為嚴重腐蝕環境的 1.5 倍。文獻[3]為了與現 實塗膜厚度消耗速率更貼合，將表 2-5 修正成表 2-6。經由以上數值可以計算出 美觀使用年限，如表2-7 所示。

表

2-5 嚴重腐蝕環境下塗膜之誘導期及消耗速率[3]

誘導期 消耗速率 無機鋅 75μm 膜厚，15 年壽命 環氧樹脂 0 年 10 μm/年 聚氨酯樹脂 2 年 2 μm/年 氟素樹脂 7 年 0.5 μm/年 中塗塗料 全都設定與環氧樹脂相同

表

2-6 嚴重腐蝕環境下塗膜之誘導期及消耗速率修正[3]

塗料種類 誘導期 消耗速率 無機鋅 75μm 膜厚，15 年壽命 有機鋅 75μm 膜厚，7.5 年壽命 環氧樹脂 0 年 10 μm/年 聚氨酯樹脂 0 年 2 μm/年 氟素樹脂 0 年 1 μm/年 鄰苯二甲酸樹脂 0 年 5 μm/年 氯化橡膠 0 年 4 μm/年 中塗塗料 全都設定與環氧樹脂相同

表

2-7 美觀使用年限[3]

面漆塗料 美觀使用年限(嚴重腐蝕環境下) 塗料種類 膜厚μm 日本橋梁建設協會 施工實際值 日本塗料工業協會 計算 文獻[2] 計算 鄰苯二甲酸 25 3~4 年 4 年 氯化橡膠 30 6~7 年 6 年 氯化橡膠 ₇₀ 9~11 年 14 年 聚氨酯 ₂₅ 13~15 年 12 年 10 年 氟素 25 15~20 年 47 年 20 年 防蝕使用年限，由於日本塗料工業協會與日本橋梁建設協會所述之估計值有 差異，為了讓兩者更為接近，因此提出一修正係數，乘上使用年限之累積值，可 得到修改後的使用年限，修正係數為0.53。根據以上準則可以整理出各種塗膜之 消耗速率，如表2-8 所示，新建之 C5 塗裝系統使用年限計算範例，如表 2-9 所 示。

表

2-8 塗膜之消耗速率[3]

塗料種類 單獨塗膜 複合塗膜從底漆到面 漆 無機鋅粉 75 μm 膜厚，15 年壽命 防蝕使用年限= (所有塗膜總使用壽 命) ×0.53 在氟素樹脂上塗的情 況下，上述年限+5.0 有機鋅粉 75 μm 膜厚，7.5 年壽命 環氧樹脂上塗 10 μm/Y×0.8 (塗膜有效厚度) 鄰苯二甲酸樹脂 上塗 5 μm/Y×0.8 (塗膜有效厚度) 氟素樹脂上塗 1 μm/Y×0.8 (塗膜有效厚度) 中塗/下塗 所有有機樹脂系10 μm/Y×0.8 (塗膜有效厚度)

表

2-9 新建之 C5 塗裝系統使用年限計算範例[3]

塗膜厚 (μm) 塗膜耗損年限 膜厚×0.8/塗膜厚 度消耗速率 使用年限推算(年) 美觀 防蝕 單純積算 修正後 無機鋅粉 75 15.0 15.0 8.0 環氧樹脂塗料 下塗 120 9.6 9.6 5.1 氟素樹脂塗料 中塗 30 2.4 2.4 1.3 氟素樹脂塗料 上塗 25 20.0 20 20.0 10.6 氟素樹脂塗料 修正 5.0 合計 _{250 47.0 20 47.0 29.9}

第三章

研究方法與相關實驗規劃

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 及圖 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

圖

3-2 混凝土表面被覆材扺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實驗則將 耗費大量人力金錢與時間，而若僅採用加速耐候實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，並於現地曝曬實驗場 進行鋼筋混凝土與鋼材表面被覆材的現地曝曬；此外，本研究將延續 105 年度 「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」之成果， 進行加速耐候實驗，以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，並使用加速耐候實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。

第二節

現地曝曬場建置規畫

依105 年度「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」之規劃成果，曝曬架擺設位置之區塊以圖3 之示意圖所示，以及圖 3-4 之屋頂平台(紫色區域)區域，共分為五期作為規劃，直線區域為第一期擺放區 域，接著為藍色區域、紅色區域、黃色區域，最後為屋頂平台區域(紫色區域)， 圖3-3 之黑色區域為現有的障礙物，圓點區域為測候儀器擺放位置。

圖

3-3 直線區域為曝曬架擺設位置示意圖[1]

圖

3-4 屋頂平台平面圖[1]

圖3-5 為曝曬架之設計範例圖，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，高度之選 擇需考慮女兒牆之陰影是否遮蔽到試片，本研究建議構架最低垂直高度為 1210 mm。如使用尺寸為 80×200 mm 之試片，單座曝曬架約可放置 56 片，如為更小 之試片則容納更多試片，而曝曬架選用材料可為不銹鋼或具防蝕塗裝之鋼材，設 計範例圖使用不鏽鋼304 角鋼進行繪製(尺寸：30 × 30 mm，厚度：1.6 mm，重 量：0.72 kg/M)，角鋼之尺寸及厚度可依實際情形進行更動，可將曝曬架分段製 作再至現場組裝，即可裝入內政部建築研究所材料實驗中心之電梯。固定試片方 法可選用夾固方式，亦可依實際狀況做調整，為保持與試片絕緣而其材料塑膠為 主。依照設計範例圖之尺寸，第一期擺放區域曝曬架約可放置12 座，如圖 3-6 所 示，設計範例圖之單座曝曬架重量約為57.6 kg，12 座曝曬架重量約為 691.2 kg， 而露臺可承載之活載重約500 kg/m2_{，曝曬架放置區域約可乘載20,250 kg，因此} 載重檢核沒問題。

第三節

混凝土表面被覆材現地曝曬實驗規劃

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[1]

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 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。 以氙弧燈加速耐候實驗(建研所)而言，其試片大小為 150 × 70 mm (厚度約為 6 mm)，氙弧燈加速耐候實驗預設進行約 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實驗後，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，105 年度「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」之研究亦規 劃以氙弧燈加速劣化後之試片進行加速中性化實驗與塩霧實驗進行表面被覆材 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 依去年規劃進行加速耐候或劣化實驗，以填補過去實驗資料之不足外，本研究亦 規劃進行現地曝曬實驗，以利於後續加速實驗與現地曝曬結果之關係建立。 目前選擇市售可得七種油漆，分屬於三個品牌，成份多以壓克力樹酯為主， 如表3-2 所示。

表

3-2 塗刷油漆

廠商 型號 成分 I A 壓克力樹酯、鈦白粉、顏料、添加劑、水等 B 樹酯、鈦白粉、顏料、添加劑、水等 II C 壓克力樹酯、二氧化鈦、添加劑、水 D 壓克力樹酯、二氧化鈦、礦物質填充料、水 III E 樹酯、二氧化鈦、二氧化硫、添加劑、水等 F 樹酯、二氧化鈦、二氧化硫、添加劑、水等 G 樹酯、二氧化鈦、二氧化硫、添加劑、水等

就現地曝曬試片之尺寸而言，依前期實驗規劃，水泥基板試片尺寸為150 × 70 mm(厚度約為 6 mm)，本研究因應為期 20 年之研究計畫，考量實驗項目及支 撐架容量，故增加其厚度達25 mm，以便量測長達 20 年之自然中性化，避免因 厚度過小而提早完全中性化。配比設計參考以往加速實驗及現地量測的結果，就 空白組而言，水灰比0.6 下往往中性化速度快，可能於數年內中性化深度即達到 試體厚度，水灰比0.4 下則中性化速度慢，可能數年內皆無明顯中性化，因此本 研究擬選擇水灰比0.5 之砂漿試體。預計每年量測 4 片試片，其中 2 片檢測其氯 離子含量，另2 片進行中性化深度量測，判斷其自然劣化程度並進行加速劣化實 驗以判斷塗料殘餘保護能力。估計加速中性化及鹽霧實驗約進行 7-28 天，可獲 得明確量測數據。目前試片之數量規劃為：8(油漆種類含一組空白組) × 4(每年使 用片數) × 20(為期二十年) = 640 片。 本研究擬將試片置於加速中性化箱，於25 °C、相對溼度 50 %及 50 %濃度 二氧化碳下的環境下加速中性化。由於試片厚度小，不易使用酚酞藥劑判斷中性 化深度，故改以碳酸鈣的含量來比較差異。原水泥基板僅含少量碳酸鈣，故在同 一加速中性化時間下，當試片中的碳酸鈣含量越多時，意謂著該試片抗中性化的 能力較低。碳酸鈣可以X 光繞射法來半定量，繞射峰值越高即含量越高。此外， 本研究亦採用鹽水噴霧實驗機進行氯離子滲透實驗，並採用CNS 1078-水硬性水 泥化學分析法(氯化物)以定量面漆於自然曝曬劣化後，其對於抵抗氯離子入侵能 力之影響。

第四節

鋼材表面被覆材現地曝曬實驗規劃

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 料收集或加速劣化實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，則於實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 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) 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)、塗裝系統與 鋼材之複合試片等二大類。就塗膜材料與塗裝系統而言，主要以 C4 與 C5 環境 使用之鋼橋外部塗膜或塗裝系統為主，首先將參考塗料公司所提供之相關實驗數 據及105 年度「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」之研究成果，以了解面漆光澤度於耐候實驗機(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，本研究欲建立塗膜材料與塗裝系統於現 地曝曬下之光澤度與膜厚的關係，可用於塗裝系統之劣化曲線與使用年限推估。 就塗裝系統與鋼材之複合試片而言，鋼材部份將採用多為橋梁使用之A709 Gr.50 或使用相近材質以避免單一試片重量過大，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：

表

3-3 實驗初步規劃

試片設定 材料種類設定 實驗設備 實驗地點 參數 塗膜材料－面 漆(單層) C4 與 C5 環境適 用之外部塗裝系 統 現地曝曬 建研所 光澤度 膜厚 (色差) 塗裝系統與鋼 材之複合試片 (中塗漆及底漆) C4 與 C5 環境適 用之外部塗裝系 統+A709 Gr. 50 鋼材 現地曝曬 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

3-4 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 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)

依105 年度「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」之研究成果，進行加速耐候或腐蝕實驗，本研究亦進行現地曝曬實驗， 以利於後續加速實驗與曝曬結果之關係建立。鋼材塗膜材料(面漆)將以氟素樹及 聚氨酯樹脂兩種面漆為；至於塗裝系統採用 C4 與 C5 環境使用之鋼橋外部塗裝 系統，製造廠商將以市占率較大之三家廠商為限。各廠商提供24 片試片(2 種面 漆，至少4 片)，總共 72 片。基材採用普遍使用之鋁板，大小約為 150 × 70 mm (建研所)。量測塗裝系統之膜厚與光澤度變化，設定不同時間點進行量測及評估 其經時變化，以決定塗裝系統劣化機制。本次規劃之複合試片中主要包含底漆與 中塗漆，選定三家廠商，各提供二種不同中塗漆及厚度，且每類至少四片，共48 片；尺寸則以200 × 80 mm 為首要考量。

第四章

現地曝曬場建置

第一節

曝曬架尺寸與規格

依據105 年度「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」之研究成果，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使用最接近 20 度設計(約 20.4 度)，最低垂 直高度為1210 mm，因考慮女兒牆之陰影是否遮蔽到試片，曝曬架之材料使用具 防蝕塗裝鍍鋅之鋼材，實際製作完成之曝曬架照片如圖4-1。因受限於內政部建 築研究所材料實驗中心之電梯尺寸，因此曝曬架分兩半製作以利電梯載運，再至 五樓露臺組裝。本研究首先將遵循105 年度之第一期規劃，製作約 12 座曝曬架。 試片之固定方式須遵循規範以塑膠材質為主，而考量經費與實用性，將以塑膠束 帶進行試片固定，為了試片與曝曬架需絕緣，每片試片下方需先將曝曬架繫上兩 條塑膠束帶，再放上試片並進行固定，圖4-2 為實際使用塑膠束帶固定試片過程 之照片。

圖

4-1 曝曬架

圖

4-2 塑膠束帶固定試片

第二節

氣候觀測儀

根據CNS 11607 之規定，需紀錄之項目可分為天氣、氣溫、濕度、降雨量、 日照時間及日射量，而天氣並沒有一個明確的量測方法，因此可以參照中央氣象 局公告資料，日照時間則沒有現成儀器可以進行量測，因此亦參照中央氣象局公 告之資料，只需附記氣象監測站與耐候實驗場之間的位置關係。其餘量測項目(氣 溫、雨量、相對濕度、日射量)設置儀器設備於建研所材料實驗中心之五樓露臺區 域，並增加風向、風速一同進行氣候監測，圖4-3 為設置完成之氣候觀測儀，圖 4-4 為氣候觀測儀存取資料之主機 此外為長期監測工作更有效率進行，搭配自動資料擷取系統並以模組化產品 為主以增進其耐久與穩定性，其包含系統控制器模組、類比訊號擷取模組，數位 訊號擷取模組，以及資料擷取應用軟體。

圖

4-3 氣候觀測儀

圖

4-4 資料擷取主機

一、氣候觀測儀基 本 資 料 建置於建研所材料試驗中心頂樓之氣候觀測儀的量測項目有風向、風速、氣 溫、相對濕度、雨量及日射量，分別由不同儀器組件結合而成，風向與風速為一 個組件，氣溫與相對溼度為一個組件，雨量及日射量個別為一個組件，下列各表 4-1 至表 4-4 為各個組件之規格。

表

4-1 氣候觀測儀風速與風向感測規格

風速感測 風向感測 1. 工作溫度: -50~50 ˚C 2. 量測範圍: 0~100 m/s 3. 感應器: 由四片直徑為 18 公分的 螺旋葉片組成 4. 距離常數: 2.7 m 5. 低限靈敏度: 1.0 m/s 6. 轉換器:固定之線圈，2 k 歐姆額 定直流電阻 1. 工作溫度: -50~50 ˚C 2. 量測範圍: 360˚ 3. 感應器: 後方安裝平衡葉片，儀 器之轉動半徑為38 cm 4. 阻尼比: 0.3 5. 延遲距離: 1.3 m 6. 低限靈敏度: 在 10˚的位移下為 1.1 m/s 7. 阻尼自然波長: 7.4 m 8. 非阻尼自然波長: 7.2 m 9. 轉換器:導電塑膠電位儀器，10 k 歐姆電阻(±20 %)，預期壽命為 5000 萬次旋轉，在 40 ˚C 時額定 1 瓦特，在 125 ˚C 時為 0 瓦特 10. 輸出訊號: 每度 13.9 Mv

(本研究整理)

表

4-2 氣候觀測儀太陽輻射計規格

太陽輻射計 1. 工作溫度: -40 ˚C 至 80 ˚C 2. 觀測範圍: 180º 3. 適用之光譜範圍: 300 nm 至 2800 nm 4. 可接受之幅照度: 最高可以達到 2000 W/m² 5. 構造: 儀器中間為一透明接收器，可裝上白色防曬保護罩，另外外接之電 纜線有防風防雨功能 6. 穩定度: 1 %以內

(本研究整理)

表

4-3 氣候觀測儀相對濕度與溫度感測規格

相對溼度感測 溫度感測 1. 工作溫度: -10 ˚C 至 60 ˚C (當低 於-10 ˚C 時，準確度會降低) 2. 量測範圍: 0-100 % 3. 20 ˚C 時準確度: 10 到 90 %為 3 %，0 到 10 %及 90 到 100 %為 4 % 4. 穩定度: 兩年內為±2 %以內 5. 時間常數: 15 秒 6. 感應器類型: Vaisala Intercap 7. 輸出訊號: 0~1 VDC 1. 量測範圍: -50 至+50 ˚C 或-50 至 150 ˚F 2. 0 ˚C 時準確度: ±0.3 ˚C 3. 時間常數: 42 秒 4. 感應器類型: 1000 Platinum RTD 5. 輸出訊號: 0~1 VDC

(本研究整理)

相對溼度及溫度感測器另外會由多面板輻射保護罩進行保護，保護罩構造為 多層白色熱塑性板子，其功能可以避免相對濕度及溫度感測器受到太陽輻射以及 降雨所造成的直接影響，進而延長使用壽命。

表

4-4 氣候觀測儀雨量計規格

雨量計 1. 工作溫度: -20 ˚C 至 50 ˚C 集水區: 面積 200 cm2 2. 解析度: 每次輕觸增加 0.1 mm 3. 集水區: 面積 200 cm2 4. 準確度: 25 mm / hr 時 2 %，50 mm / hr 時 3 % 5. 輸出:額定值為 24VAC / DC 500 mA 6. 功率: 18 瓦 7. 加熱器恆溫器設定點: 10 ˚C ± 3 ˚C 8. 底座:直徑為 34 mm 之鐵管

(本研究整理)

二、氣候觀測儀資料擷取主機 由氣候觀測儀主機中，使用軟體可以將氣候觀測儀與資料擷取主機進行同步 連線，儀器本身擷取頻率為一秒一次，因此連線後可由主機觀測到內政部建築研 究所頂樓即時之每秒氣候資訊數值，包括風向、風速、氣溫、相對濕度、雨量及 日射量。另外氣候觀測儀本身量測到之各項數值，會先透過資料擷取系統儲存在 隨身碟上，接著藉由主機之軟體將隨身碟內部資料傳輸至電腦中以txt 檔案的形 式儲存。當需要取得各項數據歷史資料時可以使用主機中軟體取得風向、風速、 氣溫、相對濕度、雨量及日射量資訊。接著可將檔案另存新檔並轉檔且儲存成不 同格式如 Famos、MATLAB、Excel…等。檔案可以自行決定需要取得之檔案天 數，須注意轉檔後之檔案其資料量是否過大，如過大，會造成其他編輯或分析軟 體無法完整開啟。以Excel 檔案為例，約只可取十天為一個檔案，否則後面之檔 案會造成遺失。資料擷取主機內部構造如圖4-5 所示。

圖

4-5 資料擷取主機內部構造

三、氣候觀測儀觀測資料 下列圖 4-6 至圖 4-11 為 8 月份建研所材料試驗中心頂樓所觀測到各個物理 量之數值，8 日以前由於颱風過境造成內政部建築研究所材料試驗中心跳電，而 使得主機無法擷取觀測資訊，導致無法取得資料。

圖

4-6 氣候觀測儀 8 月份日射量

(本研究整理)

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4-7 氣候觀測儀 8 月份氣溫

(本研究整理)

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4-8 氣候觀測儀 8 月份氣溫

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4-9 氣候觀測儀 8 月份氣溫

(本研究整理)

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4-10 氣候觀測儀 8 月份氣溫

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4-11 氣候觀測儀 8 月份風向

(本研究整理)

第五章 鋼材表面被覆材現地曝曬實驗

第一節

鋼材表面被覆材試片製作

一 、塗膜材料單層面漆試片製作 材料(面漆)將以氟素樹脂及聚氨酯樹脂兩種面漆為主；至於塗裝系統採用 C4 與 C5 環境使用之鋼橋外部塗裝系統，製造廠商將以市占率較大之三家廠商為限。 各廠商提供 24 片試片(2 種面漆，至少 4 片)，總共 72 片，各廠商之試片編碼如 表 5-1 所示。基材採用普遍使用之鋁板，大小約為 150 × 70 mm (建研所)，以利 於後續與 105 年度「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」之研究成果之關係建立。量測塗裝系統之膜厚與光澤度變化，設定不 同時間點進行量測及評估其經時變化，以決定塗裝系統劣化機制。

表

5-1 各廠商之面漆主要成分及個別的試片編碼

廠商 面漆主要成份 試片編碼 A 環氧樹脂 77-1 至 77-12 聚氨酯樹脂 yo-1 至 yo-12 B 氟素樹脂 54FA-1 至 54FA-12 聚氨酯樹脂 725-1 至 725-12 C 氟素樹脂 PF-1 至 PF-12 聚氨酯樹脂 PI-1 至 PI-12

(本研究整理)

圖

5-1 戶外曝曬實驗之試片示意圖

(本研究整理)

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5-2 商 A 之環氧樹脂試片(編號：77-1 至 77-12)

(本研究整理)

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5-3 廠商 A 之聚氨酯樹脂試片(編號：yo-1 至 yo-12)

(本研究整理)

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5-4 廠商 B 之氟素樹脂試片(編號：54FA-1 至 54FA-12)

(本研究整理)

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5-5 廠商 B 之聚氨酯樹脂試片(編號：725-1 至 725-12)

(本研究整理)

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5-6 廠商 C 之氟素樹脂試片(編號：PF-1 至 PF-12)

(本研究整理)

圖

5-7 廠商 C 之聚氨酯樹脂試片(編號：PI-1 至 PI-12)

(本研究整理)

二 、塗裝系統與鋼材之複合試片製作 本次規劃之複合試片中主要包含底漆與中塗漆，選定三家廠商，中塗漆以環 氧樹脂 MIO(雲母片狀氧化鐵)，而底漆則以無機鋅粉為主，共選擇三家廠商，且 中塗漆則包含二種不同厚度(100 及 180 μm)，每類至少四片，共 48 片；尺寸則 以 200 × 80 mm 為首要考量。各廠商之試片編碼如表 5-2 所示，噴塗作業由塗料 公司進行，如圖 5-8 所示：

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5-8 複合試片製作過程

(本研究整理)