梁正裕/土木技師

葉瀗元/意杰國際有限公司總經理

前言

台灣與離島,位處亞熱帶及熱帶交界,又四面環海,交通部港灣研究中心,台灣腐蝕環境分類資訊系統中,指出沿海區域,皆符合ISO12944的C5重腐蝕地區,因此,金屬製設施鏽蝕情況相當嚴重。近年防鏽效果顯著的「熱浸鍍鋅工法」,透過相關推廣努力,在公共工程或私人鋼構工程,採用熱浸鍍鋅,為鋼材表面防鏽處理的比率相當高,也為工程防鏽效率上,提供重大保障。

由於熱浸鍍鋅無法現場二次施作,在台灣沿海C5腐蝕環境下,通常會於其上施以多道塗裝保護。例如,台電公司規範要求,離海岸10公里內熱浸鍍鋅之鐵塔與鐵件,皆須上漆塗裝,用以延長熱浸鍍鋅鋼材的防鏽使用年限。據中華民國防蝕工程學會,於2016年舉辦之「熱浸鍍鋅和塗裝工程複合防蝕作業」論壇,建議:熱浸鍍鋅需在完成後48小時內塗裝;或塗裝前須先進行掃砂,以確保塗層附著強度,可是實務上,我們卻仍常見:因塗裝附著強度下降,而造成熱浸鍍鋅層快速消耗,導致影響防鏽效果的情形。

為克服實務上熱浸鍍鋅後,塗裝防護效果不如預期的問題,本文以物理性質,探討塗裝在熱浸鍍鋅表面附著強度弱化的可能原因,並於施作工法內,加入能增加熱浸鍍鋅防護效果、與維持塗裝附著強度的表面處理,測試是否可緩解表面塗裝附著強度下降的速度,及塗裝萬一被破壞後,此表面處理是否也能保護熱浸鍍鋅層不會因而快速消耗。

一、塗裝附著強度,因日夜溫差變化而產生弱化

熱浸鍍鋅後塗裝底漆,常發生初期附著強度,經測試皆合格良好,但經過一段期間後附著強度顯著下降;即使透過掃砂,改善表面清潔度及增加表面積、或於油漆內添加密著增強劑等措施,雖稍有改善,但仍可見附著強度弱化,造成防護力下降,鋅層快速消耗而鏽蝕的情形。

探究塗裝附著強度下降可能原因,若排除施作時的因素,先以熱浸鍍鋅結構觀之(圖1),最外層鋅純度達98.5%以上[1],約佔熱浸鍍鋅層厚度的1/2,表面性質主要呈現鋅元素原有之物理特性。鋅元素熱膨脹係數為30.2µm·m1·K1,而常使用於熱浸鍍鋅後第一道塗裝的環氧樹脂系底漆,熱膨脹係數約在60µm·m1·K1上下,與純鋅層差距約2倍,在不停地日夜轉換溫度變化、熱脹冷縮,及塗裝層內應力變化之互相拉扯影響下,塗裝層附著能力,可能因此漸漸弱化並與純鋅層逐漸分離[2]。

資料來源:熱浸鍍鋅協會網站

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圖1 熱浸鍍鋅皮膜斷面顯微鏡組織

二、以表面處理,緩衝熱浸鍍鋅層與塗裝層間熱膨脹係數

由於物理性質難以改變,除了期待塗裝附著強度能有增加、或延緩下降外,也希望即使塗裝層附著強度降低、破裂後,也能有效保護熱浸鍍鋅層的機制。因此,評估於表面塗裝層前,先塗裝市售透明防鏽劑,作為熱浸鍍鋅層之表面處理,該透明防鏽劑,熱膨脹係數約為40µm·m1·K1介於純鋅與環氧樹脂之間,可緩衝因熱脹冷縮或內應力變化,附著強度快速下降的缺點,且其施作厚度僅不到1µm,完全不影響原有工法設計圖說。

三、熱浸鍍鋅層表面處理後,可達到延緩附著強度下降、與抑制腐蝕擴散效果

透過加速塗層老化與戶外實測的試驗,確認該市售透明防鏽劑,是否可緩衝塗裝附著強度下降、及塗裝層被破壞後達到保護熱浸鍍鋅不會被快速消耗的效果[3]。

1.鹽水浸漬加速塗層老化試驗

將熱浸鍍鋅試片,塗透明防鏽劑再塗裝底漆的實驗組、與直接塗裝面漆的對照組,一同放入5%的鹽水中室溫浸泡,加速模擬塗裝層老化後的狀況。

經浸泡4,300小時後,直接塗裝的對照組,底漆塗裝層,不但大面積膨脹與破裂剝落(表1),熱浸鍍鋅層更已大面積腐蝕消耗,露出之表面或未剝落塗層內部,佈滿氧化鋅白色粉末,甚至鋼板一處更已鏽蝕穿孔(圖2右)。

施作透明防鏽劑表面處理之實驗組,則經浸泡4,900小時後,外觀依然完好無起泡或剝落,測試塗裝百格附著力1B等級,但由測試剝落處觀察,熱浸鍍鋅層仍閃爍金屬光澤,未發現有任何腐蝕或氧化鋅白粉(圖2左),顯示熱浸鍍鋅於塗裝前,先施作透明防鏽劑表面處理,對塗裝層確實具有緩衝附著能力下降,達到延長防護熱浸鍍鋅層消耗、或鏽蝕的優良效果。

表1 浸泡鹽水加速塗層老化測試結果

     

        

實驗組

  
  

對照組

  

條件

有透明防鏽劑表面處理

無表面處理

浸泡時間

4,900小時

4,300小時

塗裝層外觀

完整無起泡剝落

大面積膨脹、破裂

ASTM D3359附著力評等

1B(35~65%剝落)

0B(>65%剝落)

熱浸鍍鋅層外觀

金屬光澤閃爍

大面積鏽蝕、散佈(含漆層內)白色粉末

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表2 Norsok M501 C5M+Im2附著強度結果

          

        

實驗組

  
  

對照組

  

條件

有透明防鏽劑表面處理再塗裝

無表面處理直接塗裝

ISO 20340

循環老化試驗

4,200小時

平均附著強度

3.9 MPa

1.5 MPa

循環老化後

附著強度下降比率

0.28

0.61

Norsok M501

C5M+Im2系統要求標準

附著強度3.0 MPa

                下降比率0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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圖2 左:實驗組4,900小時鹽水浸泡後實照,右:對照組4,300小時鹽水浸泡後實照。

2.腐蝕蔓延與附著強度試驗

鏽蝕穿孔

根據國際重腐蝕地區,常用挪威鑽油平台Norsok M501,耐腐蝕國際標準之C5M與水下系統(Im2)要求,以ISO2812-2標準人工海水浸漬後,進行ISO 20340切割腐蝕蔓延試驗、與循環老化後的附著強度,觀察透明防鏽劑表面處理改善塗裝附著強度的效果,及塗裝層與熱浸鍍鋅層被破壞後,腐蝕自破壞處蔓延的長度,得知抑制腐蝕擴散的能力。

依ISO 20340循環照射UV、與噴鹽霧加速老化試驗4,200小時後,熱浸鍍鋅試片,施作透明防鏽劑再塗裝之樣品,塗裝附著強度平均在3.9MPa(表2),下降比率僅0.28,符合Norsok M501 C5M+Im2大於3.0MPa,下降比率須小於0.5要求。也高於未使用透明防鏽劑樣品的平均1.5MPa,其下降比率更高達0.61,顯示透明防鏽劑表面處理,確實具有緩衝塗裝層附著強度下降之能力。

依ISO2812-2標準,經浸漬人工海水4,200小時後,施作透明防鏽劑再塗裝之樣品(試片1及試片2),熱浸鍍鋅層腐蝕擴散被抑制在Norsok
M501 C5M+Im2要求小於8.0mm以下,各僅2.22mm及2.23mm(表3、圖3),顯示透明防鏽劑表面處理,確實能在塗裝層被破壞、或熱浸鍍鋅層遭破壞的情況下,具有抑制熱浸鍍鋅層快速消耗與鏽蝕擴散的能力。

表3 Norsok M501 C5M+Im2腐蝕擴散長度結果

     

        

試片1

  
  

試片2

  

腐蝕擴散長度

2.22 mm

2.23 mm

Norsok M501

C5M+Im2系統要求標準

≦ 8.0 mm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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圖3 Norsok M501 C5M+lm2腐蝕擴散長度試驗試片

3.戶外環境試驗

於台灣北部塗裝整修中的鋼橋,挑選一處靠近河邊的接合板,經完整除漆露出熱浸鍍鋅層,使用透明防鏽劑表面處理,再上氟碳面漆的實驗組,與使用合金底漆再上氟碳面漆的對照組,進行長期戶外環境效果比較。在一年的觀察期間,溫、濕度及雨量氣候,如圖四,該處全年始終維持在高溫或高濕、多雨的易腐蝕環境中。三個月之後,即發現對照組,出現面漆塗裝層有起泡現象(圖5右),顯示面漆塗裝層附著強度,因某些原因已有快速下降趨勢,與實驗室試驗結果接近。直至一年觀察期滿後,面漆塗裝起泡處,雖有些許剝離脫落,但尚未有鏽蝕冒出,然而該處已具有防護缺陷,底部熱浸鍍鋅層,鏽蝕機會將大增。

而使用透明防鏽劑之實驗組,經一年觀察(圖5左),面漆塗裝面仍服貼於熱浸鍍鋅層表面,無起泡或脫落現象,顯示在戶外高溫、高濕、多雨環境下,依然能維持塗裝於熱浸鍍鋅層之附著強度,使塗裝層達到良好的防鏽效果。

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圖4 長期觀察期間氣候雨量資料圖塗層起泡

 

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圖5 左:鋼橋接合板實驗組一年後實照,右:鋼橋接合板對照組一年後實照。

結語

囿於塗裝層與鋅層的熱膨脹係數差距,使塗裝與熱浸鍍鋅層間附著強度,因長期熱脹冷縮相互拉扯影響而漸漸下降,導致塗裝易因環境外力發生破裂、剝離終失防護效果,讓熱浸鍍鋅快速消耗進而腐蝕基材,無法達成設計期望之防鏽年限,因此需考量於熱浸鍍鋅與表面塗裝層間,另塗裝新材料、或工法克服兩者間熱膨脹差異。

利用鍍鋅鋼板塗裝熱膨脹係數,介於純鋅與合金底漆間的市售透明防鏽劑,藉由浸泡鹽水、破壞防鏽層後浸泡人工海水、循環照射UV與噴鹽霧、及戶外長期高溫或高濕環境放樣等,試驗結果檢視,確實能改善塗裝附著強度,也能在塗裝或熱浸鍍鋅層遭受破壞後,抑制鋅層快速消耗與鏽蝕擴散。塗裝透明防鏽劑,為熱浸鍍鋅塗裝表面處理之新工法,除保障熱浸鍍鋅層,不會因塗裝面漆被破壞,而快速減少防鏽年限外,更能緩衝塗裝附著強度降低的趨勢,達到延長防護年限之明顯成效。

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參考資料

[1]熱浸鍍鋅協會網站。

[2]楊文芳、黃世疇(國九十七年九月)。覆晶封裝在熱壓合製程中構裝元件之應力與變形分析。工程科技與教育學刊,第五卷,第三期,第 365~383頁。

[3]意杰國際有限公司測試資料。

 

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