行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫六：磚材修復方式研究
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC91-2211-E-011-055-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學建築系
計畫主持人： 王惠君
計畫參與人員： 李盛沐、王龍盛
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 11 月 3 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 □ 成 果 報 告
□期中進度報告 子計畫六：磚材修復方式研究
計畫類別：□ 個別型計畫 █ 整合型計畫 計畫編號：NSC 91－2211－ E －011－ 055 －
執行期間：九十一年 八月 一日至九十二年 七月三十一日
計畫主持人： 王惠君 共同主持人：
計畫參與人員： 李盛沐、王龍盛
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：█精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學
中文摘要
關鍵詞：古蹟、歷史建築、磚、耐候試驗、修復
本計畫在古蹟及歷史建築防震技術研究之整合型計畫中，係屬砌體構造防震技術組之 磚材構造部分，在第一年之紅磚生產過程與材質調查成果，以及第二年對磚材之受震破壞 行為研究成果之下，繼續對磚材之修補方式進行調查與研究。
基本上，砌體構造以採取整體補強的方式為主，然而為避免各個磚材因為受災損後之 局部破壞導致風化或劣化加速，個別磚材之受損修復亦為一必須考慮的課題。本研究先對 國外對磚材之修復相關規定與準則，以及中國傳統之磚材保護方式進行回顧，接著對國內 目前磚材之修復方式，以材料實驗的方式對修復結果進行比對，經加速劣化實驗後，以偏 光顯微鏡觀察，瞭解磚材修復之後的狀況。
由 X-Ray 粉末繞射（XRD）結果顯示：石英 Quartz、赤鐵礦 Hematite、輝石 Pyroxene、
長石 Fieldspar 為磚的主要礦物。磚材耐候試驗之結果，顯示磚材先噴塗防護塗料，再耐 候試驗之後，表面會出現白色結晶及出花疹之現象，未噴塗料之表面則無變化。
英文摘要
Keywords: Culture Properties; Historical building; Brick; Weathering Test; Restoration This study is the sub-project of the integrated project “Earthquake-proof retrofit of historical buildings”, being focus on the brick materials. In the first year, an analysis and investigation on the manufacturing process and materials’ properties of the brick used in the historical brick-made buildings in Taiwan is conducted. In the second year, seismic failure analyses of brick structure components are conducted. In the third year, the objective is to make clear how to select the way for repair and maintenance of brick materials. The experiments of the sample brick under treatments, those used often in Taiwan, are conducted to realize how effective they are.
The XRD result reveals: the quartz, hematite, pyroxene, and feldspar is the chief mineral to produce the bricks. The weathering test result of the brick material manifested that the surface of brick material would have appeared the phenomenon of white crystal and variegated rashes after the protecting coating applied prior to weathering test, and that the non-coated surface showed unchanged.
報告內容
一、前言
台灣在百年來最嚴重的九二一大地震中，不但生命與財產上受到重大的傷害，許多展 現地方風貌、承傳人們記憶的古蹟與歷史建築也受到嚴重的傷害。在各界都以此次地震為 教訓，從各方面進行檢討之際，一方面為使受損古蹟與歷史建築今後能有防震性強之修復 方式，另一方面未受損之古蹟與歷史建築也要防範於未然。本整合型計畫即希望針對不同 構造方式之古蹟與歷史建築，分組進行破壞與修復調查研究，本子計畫係屬砌體構造防震 技術組之磚材部分研究。
二、研究目的
在震災中受害的砌體建築，基於古蹟修復之原則，希望能盡量使用原有材料，但為考 慮牆體強度，採取重砌之方式時，原有磚之使用是最好的方式；如原有磚受損嚴重，導致 數量不足，就必須考慮磚材的製作。清朝時期製作之閩南磚與日治時期所燒的磚，製作方 式不同，質地不同，尺寸也不同；甚至日治時期所製造的磚因為生產方式的變遷，磚材材 質也隨之有所變遷。因此，在本子計畫中，第一年的目的即對磚材之製作生產過程、所生 產之磚材類型和發展變遷進行調查；並對磚材之性質進行調查與實驗，建立其物理與化學 性質數據資料。第二年之目的在於震災後彙整各類型磚材的受震破壞狀況，探討材質與受 震破壞行為之關連，並對磚材進行力學實驗，建立各種磚材性質資料庫。
目前進行之第三年計畫目的在於針對各類型磚材之受震破壞，從文獻調查整理出目前 進行之修復對策，對修補方式以實驗分析比較其適用性。
三、文獻回顧
根據損壞的程度中國過去的維修方式可分為剔鑿挖補、拆安歸位、零星添配、擇砌、
局部拆砌、局部抹灰、打點刷漿、局部整修等。在古蹟修復上，特別訂定之磚材修復原則 為：
1. 安全為主
2. 不使古蹟價值降低 3. 風格統一
4. 排除造成損壞的根源和隱患 5. 應以預防性的修繕為主 6. 盡量利用舊料
根據上述修復原則，磚材修復方案之制訂過程為：
1. 分析造成損壞的原因
2. 根據建築的等級、磚材所在位置、預算等因素決定方法。如同樣是因為鹽化而嚴重 風化，山牆部位的磚可採用剔鑿挖補的方式，在院牆時就可用局部抹灰的方式。
3. 古蹟或歷史建築應盡量維持原狀，不得不拆砌時，也應盡量不擴大工程量。能小修 的不大修，以防漏為主，以保養為主，盡量保留原有磚材。
4. 應以經常性的養護措施為主，凡能用養護、維修手段解決，盡量不用大修。
在英國的修復方法中, 依破壞的方式和破壞程度，將修復方式分為：
整塊磚的置換、填入小磚條、灰泥填修、鼓漲或裂縫之處理等。在經過磚材破壞原因診斷 後, 可能作出的決定包括：不特別處理、切除與填補、交丁並以灰漿填補、拆除重砌。
美國在歷史建築修復再利用準則中，對磚材之修復特別指出只有在灰縫有開裂、劣化、
潮濕、損壞的情況下，才以手工方式，在不破壞磚材的情況下，移除損壞的灰縫，以原有 灰縫材料與施做方式填補修復。不得使用電鋸或其他非手工工具。不建議用高強度之波特 蘭水泥作為灰縫之材料，除非原來就是使用這種材料，因為含水泥的灰漿使灰縫黏結強度 高於原有者，並且有不同之膨脹係數與孔隙率，常會在後來造成古蹟或歷史建築更大的破 壞。因此，準則中也不建議使用新的化學合成材料加入灰漿中。
關於表面清洗與維護保固，英國對磚材表面處理的方式, 分為洗淨, 機械清洗, 化學 清洗, 表面處理與表面加固。特別要注意的是不當的表面處理有時甚至會造成磚材的破壞。
1.洗淨—噴霧式的水可以洗淨磚上的灰塵, 但無法洗淨滲入的髒污。長時間水的滲透 會造成磚材受損的潛在危險。清洗用的刷子必須是軟毛刷, 但儘管如此, 刷子仍可能造成 磚材與灰縫表面的受損。短週期的間歇式霧狀噴水較能有效除去髒污。高壓與大量水的使 用容易造成磚表面與灰縫的受損, 要特別注意。
2.機械清洗—機械清洗很容易磚材和灰縫表面的損害, 但是特別是當磚材表面有後加 的不適當塗料時, 又只有用此方法才能去除. 用空氣槍或磨砂機來清洗磚材表面而不至於 傷到磚材, 必須靠多年的經驗和熟練的技術才能做到。
3.化學清洗—稀濃度之氟氫酸有時可以有效的洗淨磚材髒污. 稀濃度是指百分之 2-8 的濃度. 髒污的部分應先用水弄濕, 氟氫酸應先製成適當的洗劑. 窗戶,油漆,或其他不同 材質之處, 應事先作妥善的保護措施. 稀酸停留在磚材上的時間以不超過 5 分鐘為準, 之 後應盡快徹底清洗. 洗劑的成分要特別留意, 不能在其後留下其他化學物質, 造成危害。
4.表面處理—常用於磚表面的處理是潑水劑或防水劑. 但它們不適用於已風化的磚材, 並且造成濕氣入侵的原因也必須得到解決。
5.表面加固—表面加固的處理方式很少用在燒製的磚材上, 雖有少數成功的例子, 但 大部分比較適合用在軟質材料上。
美國在歷史建築修復再利用準則中，針對磚材的表面保護規定，可將重點整理為以下 的項目：
1. 非有必要不進行清潔的工作。只有在污損會持續發生、污損非常嚴重等情形時 才進行，以避免因清潔而導致化學物或潮濕進入磚材內。
2. 避免用乾、濕砂石或其他磨搓物清潔磚材表面，以避免磚材表面之受損與加速 變壞。
3. 當有結冰的可能性時，使用含水或化學液體溶液之清潔方法。
4. 避免使用高壓水來清潔磚材表面，才不會對磚材造成損壞。使用最溫和的方法 來清潔磚材表面，例如低壓水和清潔劑，使用天然豬鬃刷子。
5. 不建議去除緊黏在磚表面或保護磚表面的油漆。再次油漆之前，使用最溫和的 方法去除損壞的油漆。
6. 最好不要使用防水劑、潑水劑或非歷史性塗料。通常塗料是不需要又昂貴的，
也會對歷史建築的外觀有所影響，並且會對歷史建築造成損壞。只有在磚材本 身無法防止水入侵時才使用新的或非歷史性表面處理材料。
四、研究方法
磚質文物在大自然中受風吹、雨淋、日曬的影響，產生物理、化學變化之演化時間甚 長。故本研究首先收集文獻資料分析整理作為研究的理論基礎；其次擬定試驗計畫，先以 顯微鏡觀察，建立試驗前磚材料樣本的基本資料，分為偏光顯微鏡及實物顯微鏡二種方式。
偏光顯微鏡是觀察製作完成的磚材、風化薄殼的光薄片，鑑定其中礦物的組成與構造；實 物顯微鏡是觀察磚材、風化薄殼的表面情形、孔隙與裂縫大小。再以 X-Ray 粉末及薄片繞 射技術，分析磚材、風化薄殼的礦物定性分析。為了達到強制劣化的效果，本研究擬以 CI-3000 氙弧燈耐候試驗機，調整日射量、溫度、相對濕度的大小，模擬鹿港龍山寺地區 的大氣溫度與水氣含量對磚質文物材料破壞的影響。將所得的成果做記錄，與試驗前的基 本資料相比對，確立試驗室內研究的可靠性，作為修復技術建立的重要依據。所用之儀器 設備之廠牌規格如下：
1.偏光顯微鏡是 Leica ORTHOLUX ⅡPOL-BK 顯微鏡，有五種不同倍率及調整光線之 入射角來鑑定磚光薄片中礦物的組成與構造。
2.實物顯微鏡是 Wild M8 顯微鏡，外接 KODAK 760 型 600 萬畫素相機照像，連接電腦 紀錄磚質材料表面情形、孔隙與裂縫大小。
3.X-Ray 粉末及薄片繞射是以 PHILIPS PW3020 粉末繞射儀分析，以電腦紀錄繞射角度 與強度以鑑定礦物種類。
4.CI-3000 氙弧燈耐候試驗機強制劣化磚質材料，需定時更換內率鏡、外率鏡、氙弧 燈管、點燈銅頭、濾心等耗材。
圖 1 X-Ray 粉末繞射儀 圖 2 實物顯微鏡照片 圖 3 偏光顯微鏡照片
圖 4 CI-3000 氙弧燈耐後試驗機正立面及內部構造
四、結論與建議
目前就過去各國對磚材修復方式來看，可以瞭解必須先針對磚材的破壞原因著手，解 決了造成破壞的問題，再進一步從磚材破壞的程度與外觀重要性等方面來思考修復的方 案。修復的方式從重砌、磚材置換到磚材局部填補，都以原有材料與材質為主要考慮，以 避免因不同材料的膨脹係數、吸水性、強度不同，造成日後磚材更易發生裂縫、剝落等破 壞。針對磚材的表面維護，不但清洗時要特別留意清洗之必要性，以及避免在清洗時造成 水氣與鹽分之入侵，還有清洗方式也可能對磚材造成破壞。而英國與美國都特別提出避免 非歷史性材料使用在磚材之表面處理與加固上。不同的磚材不但會因材料之不同而使防護 效果與適用性有差異，即使同樣材料也為因為濃度的不同或施做方式的不同，使防護效果 與適用性發生變化。
接著藉著實驗的方式，對國內古蹟的磚材與使用磚材保護塗料後之狀況進行實際瞭解。
鹿港龍山寺山門磚牆已有風化剝落現象，表面顏色與內部不同，且有白華現象產生（圖 5、圖 6）表面滋生黴菌（圖 7）。五門兩側入口之磚牆也有風化剝落現象，與山門相似的情 形是表面顏色與內部不同，且有白華現象產生（圖 8、圖 9）。
圖 5 閩南紅磚牆表面部分風化 圖 6 閩南紅磚牆表面完全風化 圖 7 燕尾磚表面滋生黴菌
圖 8 五門龍邊磚牆風化情形 圖 9 五門龍邊磚牆滋生白色黴菌
經由 X-Ray 粉末繞射調查之結果，山門磚成份複雜，除石英（Quartz）、赤鐵礦
（Hematite）、角閃石（Hornblende）、輝石（Pyroxexe）、長石（Feldspar）、白雲母
（Muscovite）、橄欖石（Olivine）之外，方解石（碳酸鈣 CaCO3）（Calcite）、石膏（硫酸 鈣 CaSO4．2H2O）（Gypsum）為表面結晶。五門龍邊磚之成份，除石英、赤鐵礦、輝石、長
膏與石英。
圖 10 山門磚 X-Ray 繞射圖
圖 11 五門龍邊磚 X-Ray 繞射圖
再經由顯微鏡觀察，得到以下之結果：
（a）山門磚：分為三部份，表面紅色有白色結晶礦物，中層為黑色，底層為磚。
圖 12 山門磚實物顯微鏡觀察結果
（b）五門龍邊磚：表面紅色有白色結晶及黑色斑狀的礦物。
圖 13 五門龍邊磚實物顯微鏡觀察結果
（c）後殿龍邊磚雕：風化物上佈滿結晶鹽類。
圖 14 後殿龍邊磚雕實物顯微鏡觀察結果
4.偏光顯微鏡光薄片觀察之結果
（a）五門龍邊磚有峽灣式的孔隙，小白點為石英。
圖 15 五門龍邊磚薄片觀察結果
（b）後殿龍邊磚雕：風化物上有裂痕。
圖 16 後殿龍邊磚雕薄片觀察結果
經過實物顯微鏡觀察之結果，得知燕尾磚有許多小孔隙，有礦物斑晶存在。在經過耐 候試驗後，塗有保護塗料的磚材表面出現有白色結晶。
圖 17 燕尾磚耐候試驗前實物顯微鏡觀察結果
左圖 800 小時、右圖 1600 小時表面並無明顯變化
圖 18 燕尾磚耐候試驗實物顯微鏡觀察結果
左圖 800 小時、右圖 1600 小時後刷保護塗料磚材表面出現白色結晶
圖 19 燕尾磚塗刷保護塗料後經耐候試驗後實物顯微鏡觀察結果
閩南紅磚：縫隙較長，有礦物斑晶存在。耐候試驗後塗料表面出現白色結晶。
圖 20 閩南紅磚耐候試驗前實物顯微鏡觀察結果
左圖 800 小時、右圖 1600 小時表面並無明顯變化
圖 21 閩南紅磚耐候試驗後實物顯微鏡觀察結果
左圖 800 小時、右圖 1600 小時後刷保護塗料磚材表面出現白色結晶
圖 22 閩南紅磚塗刷保護塗料經耐候試驗後實物顯微鏡觀察結果
圖 23 紅磚耐候試驗前實物顯微鏡觀察結果
左圖 800 小時、右圖 1600 小時磚材表面並無明顯變化
圖 24 紅磚耐候試驗後實物顯微鏡觀察結果
左圖 800 小時、右圖 1600 小時後刷塗料之磚材表面出現白色結晶
圖 30 紅磚塗刷保護塗料經耐候試驗後實物顯微鏡觀察結果
五、主要參考文獻
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2.林立偉，鹿港龍山寺安山岩質四大天王石雕風化成因的初步研究，國立台灣大學地質科學研究所 碩士論文，民國九十年六月。
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計畫成果自評
本研究首先對西方國家與中國大陸在磚材上之修復與保存方法和規定進行調查彙整，
瞭解到目前無論在磚材表面清洗或國內在磚材保護之保護塗料與保固材料等化學材料之使 用上，各國仍持謹慎小心之態度，除非必要，都盡量減少在磚材表面停留的時間。接著，
以國內常用之紅磚以及塗刷保護塗料之後的紅磚，經由耐候試驗瞭解到塗刷保護塗料之的 磚材，加速暴露 800 小時之後，表面出現白色結晶，反而未加保護塗料之磚材表面加速暴 露 800 小時與 1600 小時皆未出現變化；得知保護塗料可能會成為紅磚表面發生白華的原 因。經由文獻之調查與試驗之實證瞭解磚材修復在使用化學材料之際，必須事先經過試驗 確認所使用之保護塗料是否會造成後續難以解決的問題。
如何使用新材料與新工法來延長古蹟的壽命，在修復上是重要課題。本研究對磚材修 復材料之研究成果，應能對古蹟修復之實際考量提供必要之考慮點。
