鋼筋混凝土或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,多以混凝土保護層及表面塗裝系統進行,然而目前表面塗裝系統更換時間或範圍等,均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非常缺乏。為此,多數研究採加速耐候試驗以了解表面塗裝系統之性能,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。因此,本研究於本所材料試驗中心屋頂建置戶外曝曬場,其目的為建構加速耐候試驗與戶外曝曬試驗之二者時間對應關係外,亦可做為國內建材相關戶外曝曬試驗之示範。
本研究所使用之試片以混凝土基材及鋼材試片為主,鋼材表面被覆材材料(面漆)以氟素樹脂及聚氨酯樹脂兩種面漆為主;塗裝系統採用C4與C5環境使用之鋼橋外部塗裝系統。塗裝系統與鋼材之複合試片部分包含底漆與中塗漆,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,中塗漆包含二種不同厚度(100及180μm)。量測方式以物理量量測,包含色差、光澤及膜厚;另外使用目視評定來描述表面被覆材劣化之情形,並將劣化依等級劃分。評定項目包含起泡、鏽蝕、龜裂、片狀剝落及粉化,並根據CNS15200-8-2至CNS15200-8-5之規定,製作各個目視評定之制式化表格以利實驗記錄。水泥基板試片部分,為因應為期20年之試驗計畫,選擇水灰比0.5之砂漿試片,並增加其厚度達20mm,以便未來逐年量測自然中性化,避免因厚度過小而提早完全中性化。
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三種不同性能進行分析:耐候性能、美觀性能及防蝕性能,其各別之評估指標為面漆之光澤度、面漆之色差及塗裝系統之塗膜厚度消耗速率,以此推估耐候年限、美觀年限及防蝕年限。耐候性能之使用年限為將各廠商氟素樹酯及聚氨酯樹脂之光澤折減率數據,依樹脂種類進行趨勢線分析。
- 耐候性能之使用年限
耐候性能之使用年限推估,需先找出戶外曝曬試驗與加速耐候試驗兩者之間的比例關係,此比例關係稱為平均加速係數mμ(x),即可利用平均加速係數及加速耐候試驗之光澤劣化趨勢線推估出戶外曝曬之使用年限(如下圖1-圖12)。
面漆耐候性能之使用年限(Tu)評估公式如下表1、表2:
表1 面漆依光澤率臨界值之平均使用年限(氙弧燈實驗)
塗料種類
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氟素樹脂
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聚氨酯樹脂
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t(x)
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f(x)
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mμ(x)
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fegx
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Tμ(天)
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Tμ(年)
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表2 面漆依光澤率臨界值之平均使用年限(QUV)
塗料種類
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氟素樹脂
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聚氨酯樹脂
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t(x)
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f(x)
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mμ(x)
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fegx
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Tμ(天)
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Tμ(年)
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圖1 氟素樹脂面漆B於氙弧燈試驗下 圖2 氟素樹脂面漆C於氙弧燈試驗下
光澤劣化趨勢線 光澤劣化趨勢線
圖3 氟素樹脂面漆B於QUA試驗下 圖4 氟素樹脂面漆C於QUA試驗下
光澤劣化趨勢線 光澤劣化趨勢線
圖5 聚胺樹脂面漆於氙弧燈試驗下 圖6 聚胺樹脂面漆於QUA試驗下
光澤劣化趨勢線 光澤劣化趨勢線
圖7 氟素樹脂面漆B於氙弧燈試驗下 圖8 氟素樹脂面漆C於氙弧燈試驗下
平均加速係數 平均加速係數
圖9 氟素樹脂面漆B於QUV燈試驗下 圖10 氟素樹脂面漆C於QUV試驗下
平均加速係數 平均加速係數
圖11 聚胺樹脂面漆於氙弧燈試驗下 圖12 聚胺樹脂面漆於QUV試驗下
平均加速係數 平均加速係數
- 美觀性能之使用年限
美觀性能之使用年限為利用色差劣化趨勢方程式計算面漆之使用年限方法與光澤劣化趨勢方程式之流程一樣。將各廠商氟素樹酯及聚氨酯樹脂之色差數據,依樹脂種類進行趨勢線分析(如圖13-20)。
面漆依色差臨界值之平均使用年限公式表3、表4:
表3 面漆依色差臨界值之平均使用年限(氙弧燈試驗)
塗料種類
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氟素樹脂
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聚氨酯樹脂
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t(x)
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f(x)
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mμ(x)
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Tμ(天)
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Tμ(年)
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表4 面漆依色差臨界值之平均使用年限(QUV 試驗)
塗料種類
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氟素樹脂
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聚氨酯樹脂
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t(x)
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f(x)
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mμ(x)
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Tμ(天)
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Tμ(年)
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圖13 氟素樹脂於氙弧燈試驗下 圖14 聚氨酯樹脂於氙弧燈試驗下
色差劣化趨勢線 色差劣化趨勢線
圖15 氟素樹脂於QUV試驗下 圖16 聚氨酯樹脂於QUV試驗下
色差劣化趨勢線 色差劣化趨勢線
圖17 氟素樹脂於氙弧燈試驗下 圖18 聚氨酯樹脂於氙弧燈試驗下
平均加速係數 平均加速係數
圖19 氟素樹脂於QUV試驗下 圖20 聚氨酯樹脂於QUV試驗下
平均加速係數 平均加速係數
- 防蝕性能之使用年限
防蝕性能之使用年限根據文獻可知計算使用年限計算出塗裝系統中各塗層之使用年限,為了讓推估之使用年限更接近實際塗膜使用狀況,乘上一修正係數0.53,再將各塗層之年限進行加總,即可得到整個塗裝系統防蝕性能之使用年限。
為符合CNS11607國家標準針對長期戶外曝曬試驗氣象觀測之規定,本所於戶外曝曬場建置微氣象站,以便準確紀錄戶外曝曬場之溫度、濕度、照度等氣象資料,據以判斷戶外曝曬試驗之成果。此外,本研究亦參考本所102年度「臺灣建築能源模擬解析用逐時標準氣象資料TMY3之建置與研究」之成果-TMY3標準氣象年資料之呈現格式及項目,每月公佈戶外曝曬場氣象資料,以供學術研究或商業檢測接洽之參考。
藉由本研究各目標之達成,可瞭解混凝土與鋼材表面被覆材於加速耐候實驗下其性能劣化趨勢。就短期而言,本研究成果可用以評估混凝土與鋼材表面被覆材之使用年限。就中長期而言,本研究成果可為鋼筋混凝土與鋼材耐久設計之基礎研究,不僅有助於未來修訂相關規範或準則,亦可建立建築物長期維持管理與延壽之參考指標,擬定符合經濟與環境考量之長期性能維持計畫,使我國之基礎或 公共建設邁向永續之路。