¶ 鋼結構建築防鏽蝕工法之研究｜第二章 文獻回顧
發布單位：內政部建築研究所
作者：研究主持人：何明錦；協同主持人：黃然、張建智；研究助理：陳建宏、張志宇
出版版本：民國96年12月（2007年12月）
文件性質：研究報告（含技術手冊草案）
官方來源：原始PDF ｜ 發布機關網頁
閱讀提醒：本件為96年度研究成果；附錄一為研究提出的技術手冊草案，不等同主管機關發布的現行通案規範。原文材料、單位及引用標準依出版時內容保留，工程採用前應另核對適用版本及契約。
作者：研究主持人：何明錦；協同主持人：黃然、張建智；研究助理：陳建宏、張志宇
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全文目錄 ｜ 發布單位資料入口 ｜ 鋼結構、鋼橋塗裝與防蝕
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¶ 原書 5（來源PDF第19頁）
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第二章 文獻回顧 第二章 文獻回顧 針對鋼鐵防蝕技術在國內外已有多年的研究經驗與報告，本研究計畫文獻彙 整與工作項目如下，(1)完成鋼結構防蝕機理分析與防護材料應用彙整；(2)歸納與 分析 ISO 規範；(3)評估塗膜厚度與塗膜主成份等變異參數，對施工便利性與防蝕 效能之關連性；(4)比較多種防鏽蝕工法耐久性；(5)維修、檢測、補強防蝕；(6)針 對多種防鏽蝕工法經探討與分析後，選擇最適型與經濟性防蝕方法；(7)配合腐蝕 環境，訂定建議之防蝕塗裝系統，以及其標準作業程序；(8)鋼結構建築物使用目 的分類；(9)試驗計劃中各種防蝕系統之施工作業內容，包括塗裝方法：刷塗、滾 塗、無氣噴塗；塗裝時間間隔；塗裝環境如溫度、濕度、通風、照明；塗裝膜厚 值；(10)表面處理等級與方法包括噴砂、酸洗、電動、手工具；(11)參考國內外既 有工法、技術規範、試驗標準；(12)塗裝工廠及工地檢驗項目及可行驗證項目。 第一節 防蝕機理概述 不同防蝕機理之腐蝕電位與腐蝕電流示意如圖 2-1。針對鋼結構防蝕塗層技術 依機理可分為五大類型，初步彙整概述如下。 (1)陰極控制防護塗層(cathodic control protection by sacrificial metal coatings)， 電化學機理示如圖 2-2。該機理為犧牲金屬的塗層，一般於鐵金屬表面施加一層 鋅，其腐蝕電位較裸露的鐵金屬低，因鋅塗層表面與陰極電位差增加，以及鋅的 氧化改變電流密度，一般可應用的塗層材料為鋅、鋁、錳、鎘與其它合金。 (2)陽極控制防護塗層(anodic control protection by noble metal coatings)，電化學 機理示如圖 2-3。此方法為增加陽極電位，並於陽極鈍態金屬上塗層，一般使用塗 層材料為貴金屬如鉻、鎳與合金，其表面會於大氣下呈現鈍態狀，此類金屬材料 提供非常高的電阻以抗腐蝕。 (3)電位控制防護金屬塗層(electromotive force control protection by noble metal coatings)，電化學機理示如圖 2-4。該方法係利用腐蝕電池電位於陰極與陽極電位 之差異，一般使用塗層材料為銅、銀、白金、金與其它合金。 (4)混合控制防護塗層(mixed control protection by conversion coatings) ，電化 學機理示如圖 2-5。利用表面塗層氧化作用增加陽極與陰極極化曲線的斜率，一般 使用塗層材料為無機的複合物如氧化鋁等。 (5) 電 位 控 制 有 機 / 無 機 防 護 塗 層 (electromotive force control protection by 5
¶ 原書 6（來源PDF第20頁）
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 organic/inorganic coatings)，電化學機理如圖 2-6 所示。此塗層目的為增加腐蝕電池 電路阻抗，一般此法使用的塗層材料為有機的複合物如油漆等，該類型複合物塗 層能延緩離子的傳輸，因此能抑制腐蝕電池的形成。 圖 2-1 不同防蝕機理之腐蝕電位與腐蝕電流示意 （1989 corrosion-resistant coatings technology P.12） 6
¶ 原書 7（來源PDF第21頁）
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第二章 文獻回顧 2 2 + 2 - 圖 2-2 陰極控制防護電化學機理 （1989 corrosion-resistant coatings technology P.12） 圖 2-3 陽極控制防護電化學機理 （1989 corrosion-resistant coatings technology P.16） 7
¶ 原書 8（來源PDF第22頁）
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 e 2 ++ 2 u C l a i t u e C t o O P 2 + e 2 d H o r 2O t c + e l 4 e E 4 O H - 圖 2-4 電位控制防護電化學機理 （1989 corrosion-resistant coatings technology P.14） O 2+ 2 H 2O + 4 e 4 O H- e 2 2++ e F e F 圖 2-5 混合控制防護電化學機理 （1989 corrosion-resistant coatings technology P.17） 8
¶ 原書 9（來源PDF第23頁）
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第二章 文獻回顧 圖 2-6 電位控制有機/無機塗層電化學機理 （1989 corrosion-resistant coatings technology P.17） 第二節 暴露環境分類 一、ISO 腐蝕環境分類 ISO 依據大氣腐蝕現象將腐蝕環境分類為 C1、C2、C3、C4 與 C5-I 及 C5-M 六大項。 一般來說，鄉村地區、低污染的地區、有暖氣的建築內部等，是 C1 和 C2 環境。城市及工業環境、中等程度的汙染區、二氧化硫含量高、溫度高的生產 區是 C3 環境。工業區、沿海和化工廠等可視作 C4 環境。高濕度的工業區域汙染 特別厲害的是 C5I 工業腐蝕環境，高濕度加上高鹽度就是 C5M 海洋腐蝕環境，詳 述於表 2-1 所示。ISO12944 中列舉的腐蝕環境並無法涵蓋所有的情況，因此塗料 公司還要根據自己的研究和經驗進行特別的塗裝方案設計。 9
¶ 原書 10（來源PDF第24頁）
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 表 2-1 腐蝕分類 單位面積重量損失與消耗厚度 典型氣候環境範例 (一年暴露時間下) (供參考) 腐蝕 腐蝕 鐵 鋅 類型 環境 重量損 腐蝕厚 重量損 腐蝕厚 外部環境 內部環境 2 2 失(g/m ) 度(µm) 失(g/m ) 度(µm) 空氣乾燥與污 染不明顯環 C1 極低 ≦10 ≦1.3 ≦0.7 ≦0.1 ----- 境，例如:辦公 大樓/學校/旅館 溫溼度變化、水 氣冷凝與低空 低污染大氣環 C2 低 ＞10-200 ＞1.3-25 ＞0.7-5 ＞0.1-0.7 氣污染環境，例 境，鄉村 如：運動館/車 站 微量氯離子或 中等溼度與低 中度污染大氣 度空氣污染廠 ＞ 環境，城市區/ C3 中等 ＞25-50 ＞5-15 ＞0.7-2.1 房，例如：釀造 200-400 低開發工業化 廠/酪農場/洗衣 區/受濱海微影 房 響區 高溼度與高度 中度氯離子或 空氣污染之廠 ＞ 高度污染大氣 C4 高 ＞50-80 ＞15-30 ＞2.1-4.2 房，例如：化學 400-650 環境，工業區/ 工廠/游泳池/製 濱海區 船廠 高溼度與大氣 極高(工 ＞ 經常性高度空 C5-I ＞0-200 ＞30-60 ＞4.2-8.4 嚴重腐蝕之工 業區) 650-1500 氣污染環境 業區 高度氯離子散 極高(濱 ＞ 經常性高度空 C5-M ＞0-200 ＞30-60 ＞4.2-8.4 佈之濱海與近 海區) 650-1500 氣污染環境 海岸區 (ISO 12944-2: 1998) 10
¶ 原書 11（來源PDF第25頁）
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第二章 文獻回顧 二、台灣地區腐蝕環境 根據研究文獻指出，台灣地區腐蝕環境對照 ISO 腐蝕類型示如表 2-2，將台灣 地區進行腐蝕等級分類可得國內大部分區域為 C3 等級以上，以及濱海沿線為 C5 等級甚且超越 C5 以上，因此建築物之防蝕工程更應當謹慎規劃與執行。 表 2-2 台灣地區腐蝕環境分類 腐蝕類型 腐蝕環境 台灣地區大氣環境下 C3 中等 奮起湖(阿里山) 基隆、土城、樹林、新竹、竹 C4 高 東、斗南、小港、枋山、頭城 C5-I 極高(工業區) 高雄、新營 台中港、新達港、台東大武、 C5-M 極高(濱海區) 台東市 陽明山、林口、墾丁佳樂水、 C5+ 無定義 花蓮、澎湖湖西 (參照ISO 12944-2分類) 第三節 防護塗漆系統 金屬基材之表面防蝕處理塗層依材料性質可分為金屬塗層(metallic coating)與 非金屬塗層(nonmetallic coating)兩大類型，分別敘述如下。 一、金屬塗層 鋼 鐵 基 材 之 表 面 處 理 加 工 方 式 包 括 熱 浸 塗 層 (hot-dip coating) 、 電 鍍 (elctroplating)、擴散(diffusion)、熱噴(thermal spray)、物理汽相沉積(physical vapor deposition)、化學汽相沉積(chemical vapor deposition)、機械塗層(mechanical coating) 七大類型。鋼材應用於建築與土木工程上，其防蝕塗層處理技術主要為熱浸塗層、 電鍍與擴散等三類，各處理方式之特性敘述如下： (一)表面處理方式 (1)熱浸塗層 熱浸鍍鋅是各先進國家採用的防蝕方式，但國內的熱浸鍍鋅似乎使用年限不 11
¶ 原書 12（來源PDF第26頁）
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 夠久所以必須用到複合防蝕。而國內使用之塗層大多為環氧樹脂，主要為隔絕作 用，然而若有破損，其破損部份就會腐蝕，真要有效果還是必須使用富鋅塗料， 才有犧牲陽極陰極保護之效。 以熱浸方式進行表面處理為鋼材防蝕最受廣泛應用之方式，熱浸過程乃將欲 處理之鋼材表面清潔後置入熔融爐浴沉浸處理。熱浸方法包括：a.連續處理 (continuous process)，將欲使用之塗層材料用量置入爐浴以控制塗層重量，再以 50psi 低壓拭焊方式 (low pressure wiping system)固 化， 其 熱浸 塗 層 厚 度約 為 6~50µm；b.批次處理(batch mode)，熱浸塗層厚度約為 50~130 µm。 熱浸金屬之熔點最大限制為 732℃(1350℉)。一般常使用之熱浸塗層以鋅 (zinc)、鋁(aluminum)或鋁鋅合金(zinc-aluminum alloys)為主。 (2)電鍍 電鍍方式亦為表面處理常見之應用方式，電鍍方法首先將陰極之鋼板置入電 鍍槽中，另取一可行電極置於陽極，電鍍開始電解液之金屬離子逐漸減少，同時 附著於鋼板表面形成一薄層。一般電鍍膜厚約為 2~10µm。電鍍浴成分、電解質速 率(electrolyte velocity)、電流密度與溫度等控制因素將決定金屬或合金鍍層之化學 特性。電鍍浴成分含有水溶性塩類(aqueous salts)提供之離子以進行電化學反應； 進行負電性(electronegative)金屬電鍍時，例如欲電鍍鋁金屬，需使用熔化塩類或與 非質子性溶劑(aprotic solvent) 同時使用。一般以電鍍方式進行表面處理之金屬鍍 層包括鋅、鎳鋅(zinc-nickel)、鐵鋅(zinc-iron)、錫(tin)、鉻(chromium)、鎳(nickel)、 鎘(cadmium)與銅(copper)為主。 (3)擴散 應用擴散方式進行防蝕處理，乃將鋼材與防蝕金屬材料接觸，並於高溫環境 發生交互擴散，通常防蝕材料為粉末型。滲鋅防鏽法(sheradizing)為最早與最常以 擴散機理使用之方法，以鋅粉與鋼材於 370℃旋轉高溫爐形成鐵鋅合金層，合金層 厚度為 50~100µm，其中鐵含量占 8~10%。另外，鋁和鉻金屬亦以擴散方式應用於 鋼材表面之高溫氧化防蝕處理，以氣體型態擴散至金屬表面。 (二)表面處理塗層材料 鋼材之表面處理以金屬材料進行合金化表面處理(coating alloys)，其塗層材料 包括鋅、鋅合金、鋁、鋁鋅合金、錫鉛合金(terne)、錫板(tinplate)、鉻、鎘等，本 研究針對常使用之防蝕塗層金屬如鋅、鋅合金、鋁、鋁鋅合金等進行探討。 12
¶ 原書 13（來源PDF第27頁）
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第二章 文獻回顧 (1)鋅 純鋅塗層通常以熱浸鍍或電鍍方法應用於鋼材表面處理。熱浸鍍鋅塗層厚度 2 約為 6~20µm ( 40~140g/m )；電鍍鋅塗層通常較熱浸鍍鋅塗層均質但施作價格高， 2 其厚度約為 4~13µm ( 20~90g/m )。鋅金屬於 1740 年代由歐洲開始進行商業化的熔 鍊，1742 年法國化學家 P. J. Moulin, 為第一位表示鋅金屬可用於保護鋼材上，直 到 1830 年代才由法國化學家 Sorel 得到鋼材上鍍鋅技術製程專利，並命名為 Galvanizing，使用至今已經超過 100 年歷史。 鋅金屬在強酸及強鹼下都會腐蝕，尤其在 pH 值大於 13 及 pH 值小於 6 之環 境介質中腐蝕行為更為顯著；鋅金屬介於 pH 值 8~12.5 間會因腐蝕生成物覆蓋表 面而呈鈍化狀態，腐蝕速率很慢，除非有外在因素使鈍態保護膜破壞，否則鍍鋅 鋼材將不會腐蝕。 熱浸鍍鋅鋼材是將已除鏽的鋼材熱浸於含有熔融鋅(450℃)的槽中，產生一層 由鋅與富鋅合金的多層次冶金覆蓋層，組成粗糙耐磨。熱浸鍍鋅鋼材有兩種防蝕 機制，分別為：(1)在許多環境中，鋅金屬較鋼材不易腐蝕，鍍鋅層扮演著隔離鋼 材與腐蝕環境接觸之介質；(2)以電化學角度而言，鋅的標準氫電極電位小於鋼材， 因此在腐蝕過程中，鋅扮演陽極(被腐蝕)的角色，鋼材扮演陰極(被保護)的角色， 防蝕原理中犧牲陽極的方法即在於此。 (2)鋅合金 鋅合金應用於塗層材料包含鋁-鋅、鎳-鋅與鐵-鋅合金等，通常亦以熱浸鍍或 電鍍方法應用於鋼材表面處理。熱浸鐵鋅塗層稱為 galvanneal 迦凡尼，鐵金屬佔 2 8~12%，厚度為 6~11µm(40~80g/m )，鐵鋅塗層含有多相微結構，包括表層的富鋅 zeta 相、富鐵 delta 相以及靠近鋼鐵基材的 gamma 相。電鍍鐵鋅塗層之鐵含量佔 8~18%，厚度為 8µm。鐵鋅合金塗層較純鋅塗層具有較佳的可焊接性，且因為表 層具有微孔隙結構，故與一般油漆塗層有較佳附著能力。 鎳鋅塗層通常以電鍍方式進行，鎳含量為 10~14%，厚度為 3~6µm，鎳鋅塗層 因為較純鋅塗層具有較佳的可焊接性與成型能力而被機動工業之嵌板/結構板 (panels)普遍使用。鋁鋅塗層通常使用 5%含量之鋁金屬與其他微量金屬於商業販售 上應用。鋁鋅塗層普遍以添加 0.1%美鈰合金(mischmetal)如銫與鑭(cerium and lanthanum)等微量金屬，以增加於熔融浴之可濕性(wettability)與降低塗層裸 (3)鋁與鋁合金 Type 1：鋼板之鋁塗層製程為連續熱浸熔融鋁浴方式，且包含 5~11%之矽 13
¶ 原書 14（來源PDF第28頁）
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 (silicon)元素，其塗層較 Type2 薄且成形性亦較佳，厚度一般為 10~20µm。成品廣 泛使用於高溫環境，耐溫可達 675℃，特別使用於動力燃料排氣管(tailpipes)與隔焰 設備(mufflers)。 Type 2：鋼板之鋁塗層製程為連續熔射鋁線熱浸方式，形成鋁鐵介金屬層 (intermetallic layer)以及鋁鍍蓋(overlay)層，厚度總共為 20~40µm。Type2 鋁塗層鋼 板目前於輕結構物已廣泛應用，例如金屬建築物與倉儲。 鋅鋁合金塗層於鋁含量 55%、鋅含量 43.5%與矽含量 1.5%之熱浸浴製作完成， 其 塗 層 組 成 為 鋁 鋅 金 相 層 包 含 富 鋅 樹 枝 體 (interdendritic) 區 ， 厚 度 通 常 為 2 20~25µm(150g/m )。鋅鋁塗層普遍應用於金屬建築廠房，塗層耐溫高達 675℃，可 應用於機動工業之熱屏障(shields)、氣體儲槽屏障與隔焰設備。 二、非金屬塗層 非金屬塗層材料又可分為有機(organic)與無機(inorganic)塗層，有機塗層包括 使用於分散無機或金屬材料之配方材料，例如透明塗層(clear coatings)、一般油漆 (typical paints)、金屬片層(metal flake coatings)與有機基底迦凡尼塗層(organic-based galvanic coating)；無機塗層則如磷酸鹽 (phosphates)、陽極塗膜(anodic coatings)、 氧化物(oxides)、碳化物(carbides)、氮化物(nitrides)、硼化物(borides)、矽化物 (silicides)、無機基底迦凡尼塗層(inorganic-based galvanic coatings)。 (一)表面處理塗層材料 (1)壓克力樹酯(acrylic resin) 壓克力樹酯塗料早在 35 年前即已發展出來，但近年來由於材料成本之降低， 其使用才有顯著之發展。壓克力樹酯之性質隨者壓克力單體之種類,聚合條件,聚合 度及聚合構造等而有所不同。 (2)環氧樹酯(epoxy resin) 環氧樹酯最早為瑞士的 CIBA 公司依據 P. Castan 的專利開始生產，而在大戰 後，美國 Shell 公司也加入生產行列。如今，再加上 Dow chemical 公司之參與， 已佔全世界的環氧樹酯生產量的絕大部分。早期的環氧樹酯，是由雙酚 A 系環氧 樹酯與 epichorohydrin 縮合而成的產物。此後，新的種類環氧樹酯亦在繼續研發之 中。 (3)聚胺基甲酸酯樹酯塗料(PU) PU 塗料最早於 1933 年由德國的 Otto Bayer 以其他共同的研究人員發展出來， 14
¶ 原書 15（來源PDF第29頁）
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第二章 文獻回顧 在二次大戰時期主要作為軍事用途。到了 1940 年 Bayer 公司更開發出 D/D Lacqer， 由於其優異的特性，而廣泛的使用至今。PU 塗料為合成化學工業之產物，由含 - isocyanate（-N=C=O）與氫氧基（OH ）之化合物化合而成。PU 塗料強韌而有彈 性，其附著性及耐候性也頗為優異，同時光澤及硬度也比環氧樹酯與壓克力樹酯 來的高，但是其最大缺點在於照射紫外線後易變為黃色。 (4)傳統鋼結構表面油漆 傳統鋼結構表面油漆包括 (1)底漆：為改質環氧樹脂塗料，乾膜厚度 50 µm， 塗刷次數為 1 次，所使用調薄劑為改質環氧樹脂塗料調薄劑；(2)中層漆：為聚胺 基甲酸脂樹脂塗料，乾膜厚度為 30 µm，塗刷次數為 1 次，所使用調薄劑為聚胺基 甲酸酯樹脂塗料調薄劑；(3)面漆：為聚胺基甲酸脂樹脂塗料，乾膜厚度為 30 µm， 塗刷次數為 1 次，所使用調薄劑為聚胺基甲酸酯樹脂塗料調薄劑。 (5)複合防蝕法 複合防蝕法包括(1)鋅鋁熔射加樹脂塗料塗裝；(2)熱浸鍍鋅加樹脂塗料塗裝； (3)富鋅塗料；(4)鋅鋁熔射加富鋅塗料塗裝；(5)熱浸鍍鋅加富鋅塗料塗裝。近年來， 以複合防蝕處理之鋼構橋樑工程作實例分析，比較鋅鋁熔射外加油漆塗裝、熱浸 鍍鋅外加油漆塗裝，以及重防蝕油漆塗裝等三種複合重防蝕之差異性，經由大氣 腐蝕試驗、鹽水噴霧實驗及模擬潮汐不同環境試驗結果得知，複合防蝕工法中， 防蝕效果依序為鋅鋁熔射加油漆塗裝最佳，熱浸鍍鋅加油漆塗裝次之，重防蝕油 漆塗裝較差。 三、表面處理塗層耐久性分析 比較壓克力樹酯、環氧樹酯、聚胺基甲酸酯樹酯塗料等三種不同塗層，固定 在相同厚度下其經乾濕循環測試後的巨觀金相圖比較可得知，環氧樹酯塗層時其 防蝕性能最佳，PU 次之，壓克力最差。與鹽霧試驗的巨觀金相圖比較亦有相同趨 勢。此外，塗層表面在乾濕循環測試下更易於發生紅銹與起泡，因此乾濕循環測 試比鹽霧測試更加速其塗層的破壞。 EIS 所測得的塗層阻抗值的趨勢亦為環氧樹酯 > PU 樹酯 > 壓克力樹酯；塗 層電容值趨勢卻為壓克力樹酯 > PU 樹酯 > 環氧樹酯。塗層厚度越厚，塗層電 阻會上升，而塗層電阻值卻下降。 四、塗層厚度要求 15
¶ 原書 16（來源PDF第30頁）
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 對於塗層厚度的規定，依據腐蝕環境及使用壽命來定，如表2-3所示 。 ISO12944在此說明了塗層系統耐久性的3個範圍： L 為低耐久性：設計壽命 5 年以下 M 為低耐久性：設計壽命 5～15 年 H為低耐久性：設計壽命15年以上 為了達到有效的防蝕效果，以及使塗層規格對膜厚有明確規定，對於乾膜厚 度的定義是十分關鍵的。表2-4依據ISO12944-5的規定，明確給定相對於規定乾膜 厚度的乾膜厚度測量公差。 不同的油漆公司，針對於ISO12944均有適合於該公司的產品配套來工用戶選 擇，表2-5是根據不同的腐蝕環境和不同的塗料產品進行的舉例和一般經驗總結。 表 2-3 腐蝕環境、使用壽命和塗膜厚度的關係 腐蝕環境 使用壽命 乾膜厚度 腐蝕環境 使用壽命 乾膜厚度 (µm) (µm) C2 低 80 C4 低 160 中 150 中 200 高 200 高 240(含鋅粉) 280(不含鋅 粉) C3 低 120 C5I 低 200 中 160 C5M 中 280 高 200 高 320 (ISO12944) 表 2-4 規定乾膜厚度與公差 所有測量值 ≧80％規定乾膜厚度 平均值 100％規定乾膜厚度 標準內容簡述 除非另有協定，否則乾膜厚度不允許小於規定乾膜厚 度的 80％，允許乾膜厚度值在規定乾膜厚度的 80％ ～100％之間，只有所有測量值的平均值等於或超過 規定的乾膜厚度值，都是允許的 (ISO12944) 16
¶ 原書 17（來源PDF第31頁）
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第二章 文獻回顧 表 2-5 塗層保護系統實例 腐蝕環境 塗料類型 塗層系統 乾膜厚度 備註 (µm) C1 L 環氧樹脂 厚漿型環氧漆 80 M 醇酸樹脂 醇酸底漆 40 H 醇酸面漆 40 C2 L 醇酸樹脂 醇酸底漆 40 醇酸面漆 40 M 醇酸樹脂 醇酸底漆 80(40×2) 厚漿型底漆可以 醇酸面漆 40 一道成膜 H 環氧/聚胺 厚漿型環氧底漆 100 ＞15 年的方案， 酯 脂肪族聚氨酯面漆 60 最好使用環氧系 統 C3 L 醇酸樹脂 醇酸底漆 80(40×2) 厚漿型底漆可以 醇酸面漆 40 一道成膜 環氧樹脂 厚漿型環氧底漆 120 無需裝飾性要求 時可選用此方案 M 醇酸樹脂 醇酸底漆 80(40×2) 厚漿型底/面漆可 醇酸面漆 80(40×2) 以一道成膜 環氧樹脂 厚漿型環氧底漆 150 無需裝飾性要求 時可選用此方案 H 環氧/聚胺 厚漿型環氧底漆 150 ＞15 年的方案， 酯 脂肪族聚氨酯面漆 50 最好使用環氧系 統 M 富鋅/環氧 環氧富鋅底漆 50 底漆最低要求為 C4 中層漆/聚 環氧中層漆 100 40µm，環氧中層 氨酯 脂肪族聚氨酯面漆 50 漆通常選用雲母 環氧鐵型 環氧磷酸鋅 環氧磷酸鋅底漆 50 環氧中層漆通常 /環氧中層 環氧中層漆 100 選用雲母氧化鐵 漆/聚氨酯 脂肪族聚氨酯面漆 50 型 17
¶ 原書 18（來源PDF第32頁）
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 表 2-6 塗層保護系統實例(續) 腐蝕環境 塗料類型 塗層系統 乾膜厚度 備註 (µm) C4 H 富鋅/環氧/ 環氧富鋅底漆 50 底漆也可適當加 聚氨酯 環氧中層漆 140 厚到 80µm，中層 脂肪族聚氨酯面漆 50 漆適當減薄到 110～120µm 如果使用無機 鋅，厚度要求 75µm 或 80µm 環氧磷酸鋅 環氧磷酸鋅底漆 50 如果不使用富鋅 /環氧中層 環氧中層漆 150 底鋅，總膜厚增加 漆/聚氨酯 脂肪族聚氨酯面漆 80(40×2) 到 280µm C5 I M 富鋅/環氧/ 環氧/無機富鋅底漆 80 在 C5 環境中，底 聚氨酯 環氧中層漆 150 漆必須使用富鋅 脂肪族聚氨酯面漆 50 底漆 H 富鋅/環氧/ 環氧/無機富鋅底漆 80 厚漿型聚氨酯面 聚氨酯 環氧中層漆 150 漆可以一道成 脂肪族聚氨酯面漆 80(40×2) 膜；厚漿型環氧中 層漆也可以增加 到 180µm，面漆減 到 50µm 富鋅底漆 環氧/無機富鋅底漆 80 該方案是特例，膜 聚矽氧烷 丙烯酸聚矽氧烷塗 120 厚沒有遵循 料 ISO12944 的要 求，有著同樣的耐 腐蝕性能 1. L 為低耐久性： ＜5 年 M 為低耐久性： 5～15 年 H 為低耐久性： ＞15 年 2. 在 C4 和 C5 I 環境下，推薦 5 年以下的方案是沒有意義的，建議制定 5 年以 上的方案。 3. C5-M 現在已經使用 ISO 20340 進行制訂方案，通常用於海洋平台等結構， 因此不在這裡進行討論。 (ISO12944) 18
¶ 原書 19（來源PDF第33頁）
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第二章 文獻回顧 五、塗層乾膜厚度測量標準 乾膜厚度測量中採用的標準有 ISO 2809-1997 以及美國的 SSPC-PA2 要求如 下: 2 2 2 (1) 每 100ft (注:1ft =0.093m )，進行 5 組任意測試(每組取 3 個讀數的平均值)-注意: 單個讀數不受規定，但包括在"任意點"測試的平均值中。 (2) 5 組任意測試的平均值(即，15 個測試點)不得高於、也不得低於規定的厚度。 (3) 單個測試點的厚度不得低於規定厚度的 80%，也不得高於規定厚度的 120%。 (4) 最低膜厚的規定： 2 2 任何 100ft (9.3m )面積內的任一側試點的厚度不得低於規定的最低厚度的 80%。平均厚度不得低於規定的最低厚度。 任何測試值的讀數可能會低於規定數值。 2 2 如果特定 100ft (9.3m )面積內任意測試點的平均厚度符合或高於規定的最低厚 度，但有一個或多個任意測試點的厚度規定的最低厚度的 80%，則可能需要增 加測試，以限定不符合要求的區域。 (5) 最高厚度： 2 2 任何 100ft (9.3m )面積內的任一測試點的厚度不得高於規定的最高厚度的 120%。 平均厚度不得高於規定的最高厚度。 任何測試值的讀數可能會高於規定值。 2 2 100ft (9.3m )面積內任意測試點的平均厚度符合或低於規定的最高厚度，但有 一個或多個任意測試點的厚度高於規定的最高厚度的 120%，則可能需要增加 測試，以限定不符合要求的區域。 在特定情況下，可查閱生產商的資料以決定是否允許較高的最高厚度讀數。 (6) 測試區域： 2 2 2 2 1000ft (93m )以下區域，任意選擇並測試三個 100ft (9.3m )的區域。 如果那些區域的乾膜厚度符合規定範圍，則繼續進行。 如果不符合規定範圍，以增加測試，以限定不符合規定的區域，然後再重新開 始。 2 2 2 對於 1000ft (93m )以上的區域，如上所述測試第一個 1000ft 的乾膜厚度符合要 2 2 2 2 求，則對另外的每 1000ft (93m )任意選擇測試 100ft (9.3m )的區域。 19
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 六、國內鋼結構防蝕工程案例分析 林口高架位於台十五線 20k+205 至 21k+270 段為國內首座鋼製橋梁採用熱浸 鍍鋅防蝕之高架橋公路橋梁之一，常年受海風、鹽霧、海水與林口發電廠排放大 量不明煙霧及塵粒的侵襲，造成鋼構腐蝕現象，遂積極辦理橋梁防蝕修復工程， 復因原橋梁採用熱浸鍍鋅處理方式僅完工 4-5 年即產生嚴重腐蝕，後經評估及專家 建議採用鋅鋁熔射施工法，並於表面塗裝油漆，藉此阻隔鋼構材與外界接觸以達 到防蝕效果。 熔射準備工作包括 3.5 噸工程車、高空作業車、4000 psi 以上高壓清洗機、防 塵網搭設、鋼構表面清洗處理。鋼構鋅鋁熔射施工步驟依序為(1)高壓水 4000 psi 以 上清洗鋼構表面之粉塵、鹽份等不潔之附著物，清洗後須以高壓空氣機吹乾；(2) 表面處理：將鋼構表面鏽蝕及熔射處以乾式噴砂除銹至 Sa2 1/2 以上，表面粗糙度 Rz60µｍ以上，除銹後立即以高壓空氣機吹乾；(3)熔射施工：線徑為 3.17mm，85/15 鋅鋁合金線，採電孤式熔射噴塗，其膜厚為 150 µm 以上；(4)封孔處理：封孔劑 2 為稀釋 50%之改質環氧樹脂塗料，環氧樹脂滲入熔射被覆內之量應為 250 g/m (鋅 2 鋁熔射應符合 JIS H8305 之規定，附著強度應達 60 kgf/m )。 第四節 試驗室性能試驗法 一、塗膜表面特性目視檢測法 (一)光澤度試驗 本試驗法參照 CNS10756-1 或 ASTM D523。光澤與一個表面在某方向反射光 的能力有關，在相同的幾何學狀況下從一樣品反映出到標準的表面的發光流比 率，以此測量光澤度，標準表面是被擦亮的玻璃板(200×150×5mm)，如圖 2-7 所示。 測定塗膜光澤在入射角與受光角分別為 20 度、60 度、85 度時之反射率，以鏡面 光澤度之基準面之光澤度為 100 度時之百分率表示。變換位置測定 5 次。若塗面 有刷痕等之方向性時，再同一位置由互成直角之方向測定。測定前須用與試片之 光澤度相同程度之二次基準面將測定裝置調整。將入射角之鏡面光澤度 5 次測定 值予以平均，測定值在 10 以上時修整為整數，未滿 10 時修整為小數點以下一位。 20
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第二章 文獻回顧 光源 θ θ' 受光器 α1 α 2 S1 S 2 L1 L2 T O 圖 2-7 光澤度測定裝置示意 (CNS10756-1) (二)塗膜色差值 本試驗法參照 CNS10756-1。在漫射白晝光下或顏色觀察室內，將試樣之乾燥 塗膜之顏色與參比樣品相比較，由目試檢查有無色差。光源使用 CNS9007 第 3.1.4 節所規定之漫射晝光。參比樣品係產品標準所規定之塗料參比樣品。將試片與參 比樣品排在同一平面內，在與眼睛相距約 50cm 處彼此並排或予以重疊。然後，將 試片以及參比樣品，對 0 度入射角之照明面由 45 度方向觀察比較。參比樣品與試 片之顏色差異不大時，即為“與參比樣品比較顏色差異不大”。 二、塗膜物理性質試驗法 (一)塗料膜厚度量測 本試驗使用電磁膜厚計直接量測試片之膜厚，量測點共五點約落於圖 2-8 區分 之區域中，且試片邊緣 10 mm 不予量側，取此五點之平均值作為此試片之塗膜厚 度。五點之平均值不得高於、也不得低於規定的厚度。單個測試點的厚度不得低 於規定厚度的 80%，也不得高於規定厚度的 120%。 21
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 圖 2-8 塗膜厚度取點位置示意 (三)耐衝擊試驗法 檢查塗膜之耐衝擊性。將試片的單面朝上水平放置及固定，使之重錘之球自 由墜下，並於重錘以靜止，不旋轉及不擺動之狀態下，穩定放下，將衝擊後之試 片至於室內 1 小時後，檢查塗膜之損傷情形。試片上之塗膜未因受衝擊而引起凹 痕龜裂、剝離等現象時，即可視為「無因衝擊而引起凹痕龜裂、剝離等變形」。 (四)塗膜硬度試驗 維氏硬度儀係利用經校準之機台在設定的荷重下，採用正方錐體兩面對角線 為 136°的鑽石方壓痕器壓入受測試件表面，找尋試體之適當位置後，目鏡尋找焦 距。每撞擊一次之周圍最多撞擊 3 次。持續一段時間後移去荷重及壓痕器，藉由 量測壓痕的對角線長度及荷重大小決定出硬度值（HV）。維氏硬度可依下列公式 計算： 2 HV＝1.8544P/d P：加載 (kgf) d：壓痕對角線平均值 (mm) (五)塗膜耐磨試驗 落砂試驗：本試驗法參照 ASTM D968，將大量標準砂倒入磨損試驗機的漏斗， 使砂呈 90°落下而打在塗裝式片上，如圖 2-9 所示，砂流速：21 to 23.5 sec/2l，衝 擊試片之落砂量達到 90 %，當試片受檢測面上出現一個小黑點，並逐漸擴大至 2mm 左右時，立即關上開關停止落砂，在秤取所剩磨料的質量，從 2 次量測中計算所 需用砂質量。觀測塗裝試片之耐磨損情形。耐磨耗性可依下列公式計算： A=W/T 22
¶ 原書 23（來源PDF第37頁）
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第二章 文獻回顧 A：耐磨耗係數 W：使用之落砂量，kg(計算至小數第一位) T：試片塗裝膜厚，單位 mil(計算至小數第一位) 8" 60° 36±0.01" 1" 45° 圖 2-9 落砂試驗示意 (ASTM D968) 三、塗膜抗化學性試驗法 (一)耐酸試驗法 23
¶ 原書 24（來源PDF第38頁）
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 將試片浸漬於酸溶液中，觀察塗膜狀態及溶液之變化情形。將塗膜試片，插 放 2000ml 玻璃燒杯中，並加入 5W/V% H SO 溶液約至試片五分之四深，於 24 小 2 4 時後取出試片，並以清水清洗，放於室內乾燥 2 小時後，檢查塗膜。當長期浸漬 試驗時，則應浸漬每至 30 天時，換新試驗溶液。此試驗中，試片之周圍及離液面 約 10mm 以內部分之塗膜，不作為觀察對象。以目視觀察塗膜上有無膨脹、龜裂、 剝離、針孔、軟化、生鏽等缺失。更須觀察浸漬過之溶液無著色與無混濁，並認 為原狀試片觀察比較光澤、變色程度不大時，評定為「酸浸漬試驗無異常」。 (二)耐鹼試驗法 將試片浸漬於鹼溶液中，觀察塗膜狀態及溶液之變化情形。試驗方法如下： 將塗膜試片，插放 2000ml 玻璃燒杯中，並加入 5W/V% Na CO 溶液至約試片五 2 3 分之四深，於 24 小時後取出試片，並以清水清洗，放於室內乾燥 2 小時後，檢查 塗膜。惝長期浸漬試驗時，則應浸漬每至 30 天時，換新試驗溶液。此試驗中，試 片之周圍及離液面約 10mm 以內部分之塗膜，不作為觀察對象。以目視觀察塗膜 上有無膨脹、龜裂、剝離、針孔、軟化、生鏽等缺失。更須觀察浸漬過之溶液無 著色與無混濁，並認為原狀試片觀察比較光澤、變色程度不大時，評定為“鹼浸漬 試驗無異常”。 (三)耐鹽水性 將試片浸漬於氯化鈉溶液中，觀察塗膜狀態及溶液之變化情形。試驗方法如 下：將塗膜試片，插放 2000ml 玻璃燒杯中，並加入 3W/V% NaCl 溶液至約試片 五分之四深，於 96 小時後取出試片，並以清水清洗，放於室內乾燥 24 小時後， 檢查塗膜。當長期浸漬試驗時，則應浸漬每至 30 天時，換新試驗溶液。此試驗中， 試片之周圍及離液面約 10mm 以內部分之塗膜，不作為觀察對象。以目視觀察塗 膜上有無膨脹、生鏽、龜裂以及剝離等現象與原試片作比對，變化不較原狀試片 為大者，評定為「氯化鈉溶液浸漬試驗無異狀」。 四、塗膜耐久性試驗法 (一)鹽水噴霧試驗法 本試驗依照 ASTM B117-95 規範。其鹽水濃度為 5±1% ; pH 值為 6.5~7.2; 鹽 水比重為 1.2055~1.0400; 空氣壓力 10~25 psi ; 噴霧量 1~2 ml/hr; 槽內溫度為 2 35±1℃; 飽和空氣桶壓力為 1 kg/cm 溫度為 47±1℃ 將以塗裝完成之 70 mm × 5 mm × 6 mm 之版狀試片，塗膜表面先以刀片畫一至底材露出，且於試片四周施以 24
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第二章 文獻回顧 保護後，將試片主要面與鉛直線成 15~30°置於鹽水噴霧機中。試驗完畢後，將試 片洗淨，並依 ASTM D610、ASTM D714 及 ASTM D1654 的規範，針對塗膜外觀 及割線部分銹蝕與起泡進行評估；對於裸材試片則表面不畫╳，僅觀察表面腐蝕 情況。評定塗膜上有無銹污、膨脹、剝離及其程度。 (二)耐濕性 本試驗法參照 ASTM D2247，將試片置於恆溫恆濕箱中，恆溫恆濕箱之溫度 保持在 38 ±1℃，相對溼度為 98±2 RH%，因為樣品和環境之間的溫差使環境中的 水蒸氣凝結在試片上，並以 ASTM D523 或 ASTM D1654 Procedure A Method 2 或 ASTM D714 評估，檢視試片有無顏色變化、起泡、剝落，軟化等狀況。 (三)耐濕冷熱反覆性 本試驗法參照 CNS11607。塗膜經濕潤或浸漬狀態後，檢查受溫度變化時之塗 膜變化。依試樣之產品標準所規定的循環條件處理試片後，於擴散晝光之下以目 視檢查塗裝有無異狀。循環試驗條件之範例如表 2-7 所示。試片無看到銹污、龜裂、 剝離，膨脹、白化時，可評定為「能耐濕冷熱反覆性」。 表 2-7 循環試驗及試驗順序 條件 循環試驗及試驗順序 1 濕潤(溫度、溼度、時間) 低溫(溫度、時間) 標準狀態(時間) 2 浸漬(溫度、時間) 低溫(溫度、時間) 高溫(溫度、時間) (CNS11607) (四)粉化度 本試驗法參照 CNS11607。施於加速耐候性、耐候性等試驗而粉化的試樣塗面 上用濕潤的印象紙以一定之載重加壓於塗面，將印象紙由粉化塗膜粉受污染之程 度與評定用照相比對。找出與印相紙附著污染最相近之評定用照相，以該點數為 試樣之點數。若在二個評價用照相中間時，應以中間之點數表示之。 (五)加速耐候試驗 本試驗法參照 ASTM G154，係將試片置於耐候試驗台或紫外線燈箱中，使用 UV-B313 燈管照射，在觀察時間到達時取出試片，經由與室內對照組相互比對， 25
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 並以 ASTM D523 進行評估，以檢視試片有無膨脹、亀裂、剝落，軟化、生鏽、色 差及粉化等劣化狀況，藉此測試塗膜在自然環境或人為加速情況下之耐候能力。 (六)曝曬試驗 耐候性：本試驗法參照 CNS11607。檢查塗膜如何耐抗，塗膜對曝露是外所受 自然環境之影響。將試樣試片及參比樣品試片安裝於耐候試驗台實施室外曝露試 驗。並於試驗期間中，依一定期間間隔觀察塗膜施行試驗，而比較結果並紀錄。 防鏽性：本試驗法參照 CNS11607。將試片於室外曝露一定期間，經曝曬後之 塗膜表面及試驗板基材之鏽污發生狀態，與同樣經處理的參比樣品做比較。防鏽 性之評定方法，即由塗料品種、使用目的、被塗物等不相同。因而本方法係由室 外曝露的防鏽性評定之ㄧ的方法，即無法評定全部之防鏽性。 (七)開路電位量測 鋼材腐蝕行為為電化學反應，在鋼片表面會形成眾多陰極及陽極，當陽極反 應和陰極反應分別在金屬表面不同的微小區域進行時，就會形成腐蝕微電池，而 開路電位法(open circuit potential Method, OCP Method)就是在穩定及自然狀況的環 境下，量測無外加電流相通之鋼片的腐蝕微電位與參考電極之間的全面電位差。 本研究乃將試片連接於恆電位恆電流儀上作為工作電極(working electrode, WE)， 並使用飽和甘汞電極當作參考電極(reference electrode, RE)，對試片進行開路電位 的量測。 (八)腐蝕速率量測 本研究使用恒電位恒電流儀對試片進行動態極化曲線掃瞄，待極化曲線圖完 成後，再以Tafel 外推法取得試片之腐蝕速率。將塗封完成之試片切割小塊並於背 後連接導線，接著使用耐酸鹼膠帶將其包覆，僅露出1 cm ×1 cm的塗膜面積。將試 片連接於恒電位恒電流儀上作為工作電極，並以飽和甘汞電極作為參考電極，白 金電極則為輔助電極(auxiliary electrode, AE)。試片浸漬於溶液中一段時間，待試 片與環境達成平衡後，對試片進行開路電位的量測。接著從試片之開路電位開始， 掃瞄速率設定為1mV/sec，往負電位方向掃至-1.5V，再往正電位方向掃至約＋ 0.3V，即完成極化曲線的掃瞄。本試驗使用個人電腦作為紀錄器使用，在試驗過 程中會自動紀錄電位及電流的變化值，試驗後亦可經由它畫出極化曲線圖並計算 出腐蝕速率。 (九)重量損失法 本試驗法為量測鋼材表面處理材料腐蝕速率方法之一，進行加速腐蝕之假設 26
¶ 原書 27（來源PDF第41頁）
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第二章 文獻回顧 環境為鹽水噴霧與浸漬試驗法(salt spray & immersion)。本試驗法中之鹽水噴霧過 程係參照 ASTM B117-03 與 CNS8886。另外鹽水浸置過程係參考 ASTM G31 規範 進行。試驗時將試片秤重至± 0.5 mg 誤差內以供腐蝕速率計算用。試片準備後將試 片放置於腐蝕環境中，至達到浸漬時間後取出，將浸漬區域上腐蝕生成物洗除， 並量測酸洗後重量。鐵鏽酸洗溶液(ASTM G1)調製方法為：在 500ml 氫氯酸中(HCl, sp gr 1.19)加入 3.5g 六甲基四胺(hexamethylene tetramine)，再加水稀釋至 1000ml， 將腐蝕後之鋼材在室溫下(20~25℃)浸漬 10 分鐘，取出後以清水加以清洗。鋅鏽酸 洗溶液(ASTM G1) 調製方法為：取 100g 氯化銨(NH4Cl, ammonium chloride)加水 稀釋至 1000ml，將帶有鋅鏽之鋼筋在 70℃酸洗溶液中浸漬 2~5 分鐘，取出後以清 水加以沖洗，求得腐蝕前後重量變化差異後，以計算腐蝕速率 mpy(mils per year)。 鋁合金鏽酸洗溶液(ASTM G1) 調製方法為：取 50ml 之磷酸(H3PO4, phosphoric acid, sp gr 1.69)與 20g 三氧化鉻(CrO3, chromium trioxide)加水稀釋至 1000ml，將帶有鋁 或鋁合金之腐蝕產物在 90℃至沸騰溶液中浸漬 5~10 分鐘，取出後以清水加以沖 洗，求得腐蝕前後重量變化差異後，以下式計算腐蝕速率 mpy。 corrosion rate = (K × W ) /( A × D × T ) 式中：K：單位常數(3.45×106)，W：腐蝕前後重量損失(g)，A：腐蝕液浸漬 2 3 面積(cm )，T：浸漬時間(hr)，D：鋼片密度(g/cm )。 27 公式文字對照：corrosion rate = (K × W) / (A × D × T)。W 為腐蝕前後重量損失（g），A 為腐蝕液浸漬面積（cm²），T 為浸漬時間（hr），D 為鋼片密度（g/cm³）。原文 K 常數印為「3.45×106」，此處依原文保留，採用時應另核對原試驗標準。
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鋼結構建築防鏽蝕工法之研究 28