外牆建築防水的守護者


台灣陶氏化學股份有限公司
4041 2019-07-24
關鍵字 :  填縫劑│防水

 
 
一、 前言
 
筆者從事矽酮填縫劑(Silicone Sealant)在建築防水或玻璃用結構「矽酮填縫劑」的黏著固定應用及品管等技術服務近20年。筆者服務的客戶,除了台灣,遍及香港、澳門、中國大陸及菲律賓和新加坡等東南亞國家,累積相當多年經驗,協助判斷建築防水材料失敗的原因,以及教導客戶如何正確使用填縫劑在建築應用。尤其是關於矽酮填縫劑設計及施工問題,具有多年實務經驗,參與過許多知名的工程,諸如台北101大樓、新加坡濱海藝術中心(Esplanade-Theatres on the Bay),或是目前全球最高建築物的杜拜哈里法塔大樓(Khalifa Tower)。
 
除了參與新建建築工程外,這些年來,也參與許多舊有或既有建築外牆填縫劑更新工程。從中觀察到許多大樓外牆漏水,除牽涉填縫劑選材錯誤外,也有許多是接縫本身設計不當或施工人員便宜行事,未依材料商或設計要求施做造成。
 
因工作需要,筆者經常要閱覽國內外有關填縫劑研究報告或國際規範,然而台灣市場專門定期介紹填縫劑技術的資料或雜誌幾乎付之闕如,不像「美國標準及測試材料協會」(ASTM,American Society for Testing and Materials)舉辦有定期研究論文發表會(Symposium),或是歐洲的「國際材料與結構研究實驗聯合會」(RILEM,Reunion International des Laboratories et Experts des Materiaux,systemes de construction et ouvrages)的定期填縫劑研究論文發表會。ASTM和RILEM都是非營利組織,其審閱發表的技術論文有的非常具有參考價值,建議從業人員有機會能收集閱覽。此外,除了民間的研究機構或組織外,政府的法令或管理也至關重要。
 
亞洲國家在官方的填縫劑規範方面,日本訂有JIS A5758(註1),此一規範制定於1979年,之後分別在1986、1992和1997年修正內容,2004年甚至修訂成與國際ISO 11600-2002相同,唯在玻璃應用材料G類型中,除了20/25等級外多增加30S等級。之後JIS A5758又修改增加舊規範耐久性(9030/10030)材料耐久級別(註2)。台灣官方於1982年訂有「填縫劑材料規範」,如「建築用密封材料」(Sealants for sealing and glazing in buildings)的CNS 8903,此建築用填縫材規範內容幾乎完全襲用日本的JIS A5758,自制訂後近三十年都未曾修訂。直至2011年,新修訂的CNS 8903才與目前的JIS A5758又完全接軌。
 
註1:JIS A 5758,此標準規範的是用於密封和玻璃裝配的建築填縫劑材料。
註2:日本社團法人全國防水工事業協會著,謝宗義編譯,《防水施工法》,台北:社團法人中華民國營建防水技術協進會發行,1993。
 
關於填縫材料選用原則,按《建築工程施工規範》下〈填縫材〉規定(註3),建議各類接縫填縫劑均依下列原則選用(除另有規定或專業廠商技術資料另有建議之外),其品質並須不低於所列中華民國國家標準(CNS):
 
註3:《建築工程施工規範》是由內政部營建署公告之施工規範,〈填縫材〉位於「隔熱及防潮」項下的「填縫材」,章節編號07921,屬應納入契約項。其中的標準係台灣按日本於1976年由日本社團法人「全國防水工事業協會」編撰的《防水施工法》一書規定。
 
(1)矽酮類
A.符合CNS 8903耐久性分類9030之規定。
B.適用於玻璃與玻璃,玻璃與金屬框間隙填縫,避免用於混凝土、水泥砂漿及石材間。
 
(2)聚硫化物類
A.符合CNS 8903耐久性分類8020之規定。
B.適用於混凝土、金屬窗框以及水泥砂漿與石材為被著體之填縫,伸縮性良好,表面硬化後著色不易。
 
(3)聚胺酯類
A.符合CNS 6985之規定。
B.適用於以混凝土、水泥砂漿及石材為被著體之一般性填縫,表面硬化後可著色及油漆,但與玻璃接著不良,應避免使用。
 
(4)丙烯酸酯類(ACRYLIC)
A.符合CNS 8903耐久性分類7020之規定。
B.適用於伸縮量20%以下之小型縫隙。
 
(5)苯乙烯丁二烯橡膠類(SBR)
A.符合CNS 8903耐久性分類7020之規定。
B.適用於伸縮量20%以下之小型縫隙。
 
(6)丁基橡膠類(BUTYL)
A.符合CNS 8903耐久性分類7020之規定。
B.適用於伸縮量20%以下之小型縫隙。
 
(7)符合ASTM C920及JIS A5758規定之填縫材料
 
上述規定中建議在混凝土、水泥砂漿及石材間,避免使用矽酮類填縫材,推薦在混凝土、金屬窗框以及水泥砂漿與石材為被著體時,採用聚硫化物類或聚胺酯類填縫材。然而近十幾年來,筆者協助處理許多案例,卻是因為在金屬窗框以及水泥砂漿與石材為被著體時,採用聚硫化物類(聚硫膠)或聚胺酯類填縫材,導致填縫工程失敗。失敗原因主要是材料劣化,或二液型膠體不乾所造成。相反地,本文筆者採用性能優異的矽酮類填縫材,應用在混凝土、水泥砂漿及石材間填縫工程,近20年已累積成功案例超過百件。
 
近十幾年填縫材材料商研發能力大幅進步,諸如開發材料與各種建材有更好黏著能力,材料彈性更佳、模量更低,或移除塑化劑的特別配方不易讓材料高分子游離造成鄰近石材吸附造成污染,開發黏著性能更佳及更環保的底漆,控制或減少材料揮發性氣體(VOC)排放,增加UV防護劑以增加材料在室外使用年限等。隨著材料科技進步,四十年前材料專家認定不適用的填縫材,或僅適用於某伸縮量以下之小型縫隙,如今看來都已不正確,而且與目前市場認知和實際應用也有很大出入。
 
因此,當台灣建築報導雜誌社為此專欄向筆者邀稿時,抱持著服務的精神,不揣疏漏為此撰文,希望能將個人在市場上常見填縫材料的認識及應用問題跟大家分享,也希望業界先進不吝賜教。
 
 
二、 填縫材料的定義
 
根據《防水施工法》對填縫(sealing)防水材料的定義,是指封口的材料。塞縫防水材料是在施工上針對不得已產生的縫隙加以填充,以達到防水、防震、氣密等目的而加入的縫隙填塞材料,像是在木造船船體的接縫處填入「煤柏油」或「油木屑」等瀝青系及油膏類填縫防水材料等皆屬之。根據美國標準及測試材料協會的ASTMC 717專門術語定義,是統一塞縫材料(Caulk)和填縫防水材料(sealant)的定義,指具有黏著及內聚性能,能防止液體,固體或氣體由接縫滲透的填補接縫材料(註4)。在設計上有計畫地留下預期的變位接縫,針對此接縫用以施工的材料即是填縫防水材料。為求填充後能達到水密、氣密、防震性能等目的,材料本身必須具有彈性,要能長時間承受被黏著材料的伸縮、振動等物性,以及要有良好接著性。
 
註4:按ASTMC 717-19,規範是「建築用密封及填縫劑材料的術語」
 
本文介紹的,是以填補較寬的接縫且能忍受建材的熱脹冷縮等天候造成的強大應力的填縫材料,它們常用於外牆接縫密封或用於空縫後方氣密及水密接縫的密封,至於塞縫材料(瀝青系及油膏類)等填縫防水材料,則不在此次討論範圍。
 
 
三、填縫防水材料種類
 
(一)台灣常用的建築外牆用填縫劑,若依材料化學特性大致有兩大類:
 
1.有機類填縫劑: 由C-C或C-O為主要高分子結構的材料,如聚氨酯(Poly Urethane),聚硫(Poly Sulfide),丙烯酸(Acrylic)及變性矽酮(Modified Silicone)。
 
2.矽酮類填縫劑:由Si-O-Si為主要高分子結構的材料,台灣市場一般稱之為矽利康填縫劑(Silicone)。
 
(二)依其功能大致可分為結構性填縫劑、耐候性防水填縫劑及非污染性防水填縫劑三種不同類型。
 
1.結構性填縫劑:主要是具有耐久、適當強度彈性與黏著強度的特殊配方矽酮類填縫劑。
 
2.耐候性防水填縫劑:聚氨酯、聚硫(Poly Sulfide)、丙烯酸(Acrylic)、變性矽酮或矽酮類填縫劑,均為常用材料。
 
3.非污染性防水填縫劑:是指在有孔隙建材如石材或混凝土接縫應用,須採用特殊配方填縫劑,避免填縫劑內游離的塑化劑或高分子被石材/混凝土孔隙毛細吸收,形成在接縫兩旁出現油污狀蔭開痕跡。特殊配方填縫劑如不含傳統塑化劑(plasticizer)及不會游離高分子配方的矽酮類填縫劑,或聚硫(Poly Sulfide)、聚氨酯及變性矽酮為常用材料。
 
每種填縫劑各有其優點及缺點,在整棟建築防水的應用及需求,並不存在只靠一種材料就能同時滿足從屋頂到地下室的防水需求,因此瞭解每種填縫劑特性能幫助您選擇出適合材料。
 
然而,在瞭解每種填縫劑特性之前,必須先介紹填縫劑材料重要的力學性質:模量(Modulus)。材料的模量,是指材料在變形時,其受力和對應變位的比值,所以材料的彈性模量高低可視為材料產生彈性變形難易程度的指標,其值越大則材料剛性越大,因為使材料發生一定彈性變形的應力也越大,換言之,對於高模量的膠體而言,在一定應力作用下,材料發生變形越少。
 
下圖顯示三種材料:矽酮類填縫劑、聚氨酯以及聚硫填縫劑,它們分別在兩個不同溫度下,材料模量的變化,其中聚氨酯和聚硫填縫劑模量相近,深藍色線所代表的聚氨酯材料,其模量在低溫時增加許多,相同的矽酮類填縫劑的模量則變化很少,且模量也最低。
 
 
三種材料,矽酮類填縫劑(Si),聚氨酯(PU),聚硫填縫劑(PS)在常溫和低溫下的材料應力和應變曲線變化
 
 
用於接縫設計時,在台灣由於板片會有熱脹冷縮效應及地震效應,因此接縫會產生一定變位,採用高模量的填縫劑材料在變位時會產生很大應力,當應力超過膠體負荷時膠體會出現斷裂現象(內聚破壞),或者應力超過黏著強度時,則黏著面會脫開(黏著面破壞),如下二圖所示。因此在防水應用上,應挑選模量低的填縫劑材料比較好。
 
 
 
左右:膠體彈性差(高模量矽酮類填縫劑材質)承受不了接縫變位,出現如左圖顯示的,中間膠體撕裂(黏著面破壞),以及右圖顯示其黏著面被拉開情形(黏著面破壞)
 
 
四、填縫劑的及特性
 
(一)聚氨酯(poly Urethane)填縫劑
 
在建築上應用,廣泛用於混凝土接縫、石材接縫(香港和大陸較多此應用)、室內外門窗四周塞水路、室內地坪伸縮縫等應用,材料同時具有良好耐磨特性,所以也常見用於道路接縫。一般材料價格較其它填縫劑低、無硬化收縮、施工作業性佳、可上漆、採用單液配方易施工等優點,特殊配方材料則強調具有低模量(高彈性)、較耐久抗紫外線能力、聚氨酯無靜電吸塵現象及可長期浸水。
 
產品用於建材含水率高時會有氣泡生成、易受天候影響施工、溫度會顯著影響固化後膠體模量(低溫時彈性變差)及一般配方抗紫外線能力不佳為其缺點。在台灣建築用聚氨酯(poly Urethane)填縫劑產品有單液水氣硬化和二液型反應硬化配方,其單液水氣配方通常是利用末端含NCO有機高分子,加上塑化劑、無機填充劑、觸媒、安定劑組成。二液型反應硬化配方則是利用末端含NCO有機高分子為主劑及含有多元醇加上多元胺(如聚異氰酸酯)、塑化劑、無機填充劑、觸媒與安定劑等固化劑所組成(註5)。
 
註5:經濟部工業局(1997)〈PU防水填縫材〉於《86年度工業技術人才培訓機能性接著劑資料人才培訓班講義》
 
 
北部某飯店使用多年聚氨酯填縫劑接縫照片

工廠廠房外牆使用多年聚氨酯填縫劑接縫老化照片

 
(二)聚硫(Poly Sulfide)填縫劑
 
由於聚硫橡膠的分子主鏈中有較多的硫原子,提高了分子極性,所以除了有優良的航空燃料耐受能力,兼具優良的氣密、水密、耐大氣老化和耐酸鹼介質的特性,廣泛用於航空航天領域,尤其是作為飛機的油箱密封,從1940年代起始採用聚硫密封劑,至今仍然廣泛使用。
 
筆者剛進入建築填縫劑行業時,幾乎台灣所有預鑄混凝土接縫、石材接縫及部份的室外門窗四周塞水路等,都採用此類填縫材,而且主要是二液型反應硬化產品。但在十多年前,數家日本聚硫膠產品配方出現問題,大量材料老化後出現膠體不乾的現象,造成被黏著建材的嚴重污染,有的產品則有耐久等級下降問題,讓市場中對此類產品出現疑慮,甚至衍生賠償爭議,最終導致很多這類型產品退出本地市場。
 
除了前述應用,過去聚硫膠也因有較低水氣穿透率,被用於中空複層玻璃的第二道密封材,但因為和玻璃長期黏著性能及耐紫外線能力不佳,導致數個工程的中空玻璃快速失敗起霧,甚至有的玻璃中間空氣層出現大量積水現象,因此在台灣的中空玻璃製造商自十多年前也已停用此類填縫劑,改用矽酮類填縫劑。
 
聚硫填縫劑在中國大陸仍然廣泛應用在民宅中空玻璃的第二道密封應用,至於商用帷幕中空玻璃或無框背面矽酮黏著安裝的中空玻璃,則主要採用第一道聚異丁烯膠加第二道矽酮中空玻璃密封膠設計。一般來說,材料價格較矽酮填縫劑低、硬化不會產生氣泡、伸長率較佳、可上漆及可長期浸水等優點,但二液型施工較費工費時、溫度會顯著影響固化後膠體模量(低溫時彈性變差)、抗紫外線能力普通及與部份金屬烤漆面無法黏著,配方有時會有不乾現象造成石材污染為其缺點。
 
 
北部某商業大樓使用多年聚硫填縫劑內部膠體不乾
 
北部某住宅使用聚硫填縫劑不乾造成污染
 
 
(三)變性矽酮(Modified Silicone)填縫劑
 
變性矽酮(Modified Silicone)填縫劑,是利用聚醚或聚氨酯高分子末端接上矽烷反應基,讓材料固化能依矽酮固化反應方式進行,而甲矽烷基連結(Silyl linkage)也讓固化後材料有較佳環境穩定性(註6),但材料主結構仍是碳碳高分子為主,對紫外線抵抗力仍不佳。目前國內有引進單液水氣硬化及二液反應硬化產品,生產廠家多推薦此材料在天然石材、人造石材(結晶化玻璃)和混凝土及金屬板應用。不過,如果是用於天然石材,筆者有見到幾個失敗案例,建議最好能對石材孔隙是否容易吸附油污進行評估,避免出現石材污染(stain)情形。
 
註6:Lee TCP, Wolf AT (1999) Factors governing the durability of sealant formulations. In: Wolf AT (ed) Durability of building sealants ,RILEM report 21. RILEM Publications, Bagneux, pp 203–223.
 
一般來說,材料價格較傳統矽酮填縫劑及聚硫膠高,但比特殊矽酮填縫劑價格低。溫度會顯著影響固化後膠體模量(低溫時彈性變差)、抗紫外線能力普通及與部份金屬烤漆黏著力差(廠家常建議客戶將烤漆研磨除去來改善增加黏著效果),用在石材填縫時容易在不照光位置出現油污蔭開現象為其缺點。
 
 
北部住宅內縮位置使用變性矽酮污染石材
 
同位置變性矽酮(膠體開裂)和矽酮填縫劑(表面完好)
 
 
(四)丙烯酸(Acrylic)填縫劑
 
丙烯酸(Acrylic)填縫劑,台灣也俗稱壓克力填縫劑,是將已聚合的丙烯酸樹酯分散於溶劑或水中,材料在溶劑或水揮發後慢慢展現其性能,在材料固化過程中,未有任何化學反應,此不同於前面介紹的填縫劑。在台灣,丙烯酸填縫劑主要用於室內填縫如輕質隔間牆、磚牆、RC牆、木板隔間接縫處,水性丙烯酸填縫劑具有無臭味、易擠出、價格便宜、可上漆、有不錯抗紫外線能力與建材有良好黏著性能優點。材料彈性有限、外在溫度會顯著影響固化後膠體模量(低溫時彈性變差)、固化後體積收縮較大為其缺點。
 
台灣很少看到丙烯酸填縫劑用在外牆填縫,因為在冬天氣溫下降後,材料彈性變差,建材冷縮後造成接縫拉伸,對彈性一般的丙烯酸填縫劑會有應力破壞,但像是泰國幾乎終年高溫的國家,丙烯酸填縫劑是外牆填縫常見的材料。
 
(五)矽酮類(Silicone)填縫劑
 
矽酮於1901年由F.S.Kipping於英國命名(註7), Kipping發現四氯化矽可以和格林鈉試劑反應生成Si-C鍵的有機矽聚合物,由於最後可得知和Ketone(R2CO)酮類實驗式類似之R2SiO產物,因此將此有機矽氧烷命名為矽酮(Silicone)。矽酮類填縫劑,在台灣一般市場都直接翻譯英文叫它「矽利康」(因為廣泛使用,市場上也有人將防水填縫材料都統稱為矽利康,其實是錯誤用法,應該只有矽酮類材料才能叫作矽利康)。
 
註7:薛敬和編譯,《黏著劑全書-材料與技術》,台北:高立圖書有限公司出版,1989。
 
矽酮(Silicone)是含有矽、氧基本結構,而於矽上附有機基的一種矽氧烷聚合物 Si-O-Si。因此化學學名為有機矽氧烷(Organosiloxane)。由於Silicone本身為Si-O-Si的結構,和有機物C-C結構不同,因此其所呈現的化學性質也異於一般有機化合物,基本上矽酮具有較廣的溫度穩定性-50~250°C,防水性強,對氧化、氣候、高溫有良好抗性,同時,紫外線能量不足以破壞Si-O-Si分子結構鍵能,所以亦有良好抗陽光紫外線破壞優異特性(註8)。
 
註8:參見《黏著劑全書-材料與技術》及 Jerome M, Klosowski, “Sealant in Construction”, published by Mercel Dekker Inc. New York and basel,1989.
 
在台灣,建築用矽酮填縫劑產品有單液水氣硬化和二液型反應硬化配方,產品基本包含三個主要成份:矽酮高分子、架橋劑和填充劑,其他添加劑如觸媒、塑化劑、黏著促進劑、色料及其他(如抗霉劑或金屬以增加耐熱性能)則視應用及改善膠體性能選擇添加與否。如果是二液型反應硬化配方,主劑有矽酮高分子和填充劑,固化劑則是架橋劑和色料組成,由於高分子黏稠度高再加上固化反應快速,因此無法用手攪拌而必需透過氣密式混合機械(打膠機)。
 
矽酮填縫劑的主要高分子為聚二甲基矽氧烷(hydroxyl-ended polydimethylsiloxane PDMS) 其具有低玻璃轉化溫度Tg(-123℃),而且黏度(viscosity)受溫度變化影響很小,而一般有機物或C-C鍵聚合物通常較容易受溫度影響。無論是在非常酷寒的地帶或非常熱的地區,矽酮填縫劑均可以很容易自包裝中擠出使用。由於矽酮填縫劑的主要高分子成分是矽氧烷,它在燃燒後變成二氧化矽(SiO2)而出現白色粉末,和其他類填縫劑主要為有機分子結構的材料燃燒後變成碳黑不同,所以燃燒已固化填縫劑的材質看它的顏色就能簡易分辨兩者材質。
 
 
燃燒後膠體,右邊呈現大量白色粉末的就是矽酮填縫劑
 
 
市場上矽酮填縫劑的價格差異很大,一般五金行鋪貨的材料通常為高模量配方或添加高沸點溶劑降低成本,產品價格低,專用於外牆或特殊矽酮填縫劑多半為中低模量產品,性能較高,但也比其他材質填縫劑價格要高,不過,一些矽酮填縫劑製造商會免費提供產品施工品質檢查和產品性能保固,所以對使用者來說其實付稍高價錢也很划算,畢竟如果填縫劑發揮不了長期防護性能,再便宜也沒有用。
 
 
矽酮填縫劑在鋁板接縫的髒污垂流和油污暈開外觀可用適當溶劑清洗潔淨。
圖左半部為清洗前;右半部為清洗後
 
 
一個好的矽酮填縫劑具有固化後膠體模量穩定(膠體不會很快變硬,或低溫時彈性不會變差)、抗紫外線能力佳、單液易施工、產品壽命長及與大部份建材包含金屬烤漆黏著力好(不需要塗底漆就有良好黏著效果)為其優點,雖然矽酮填縫劑廠商開發出不含傳統矽油塑化劑配方及交聯更完全的產品,能避免石材吸附污染,但材質表面還是會吸附空氣中油污或粉塵,矽酮填縫劑長期仍然會在石材、玻璃或鋁板接縫上下位置產生板片髒污垂流現象,是比較為人垢病的缺點,也因此有些建築師或業主因此喜歡設計空縫,來避免板片容易髒污問題。
 
 
 
 
左右:作者參與1998年評估不同矽酮填縫劑在鋁板接縫潔淨效能(左右圖中,皆採特殊配方矽酮,分別為戶外曝曬一年及三年。照片中左邊為兩家他公司之材料,右邊採用作者公司之材料)
 
 
左右:特殊配方矽酮填縫劑用於淡色石材也沒有吐油污染現象。左圖拍攝時,已施工超過5年,右圖是天然石材進行ASTM C1248污染測試後未見污染照片
 
 
 
五、填縫劑的材料規範
 
填縫劑在建築方面可分為非結構性應用及結構性應用二方面來說明,所謂非結構性應用指的是主要擔任防水填漏功用,而結構性應用則是指利用矽酮填縫劑將建築外牆的玻璃、鋁板或石材與後面的背框黏著,靠著填縫劑和外牆材質的黏著力及填縫劑本身的伸縮張力及強度,有效將外層板面所受到的力量(如正負風壓)傳遞至其背檔,而不使外層板面掉落之結構性支撐的應用。
 
典型隱框的接口示意圖。
顯示矽酮填縫劑在建築上的特殊應用,能有效將外層板面受到的力量傳遞至其背檔,所以不需要外框
 
 
(一) 非結構性應用的填縫劑材料規範
 
台灣官方標案一般採用「中華民國國家標準」(CNS),而筆者所收集的資料好像只有聚氨酯有單獨規範。如:二液型配方聚氨酯:CNS 6985(2010修訂版本)建築填縫用聚氨酯規範,該規範針對硬度(10-30)、抗拉強度(min.1178 kPa)、伸長率 (min. 600%)、撕裂強度(min. 58.8N/cm)、下垂度(0)、老化試驗後硬度(10-30)、抗拉強度/伸長率/撕裂強度等保留率(80%以上) 及揮發性有機化合物(VOC)最大限量值等性能訂定標準(註9)。
 
註9:CNS 6985(2010修訂版本),「建築填縫用聚氨酯規範」。
 
若用於建築物之屋頂、牆壁及樓地板防水用之聚氨酯則可參考 CNS 6986(2010修訂版本)規範,規範針對硬度 (20-40)、抗拉強度(min. 1961kPa)、伸長率 (min. 300%)、撕裂強度(min. 59 N/cm)、100%彈性模數(min. 294 kPa)、老化試驗後硬度(+/-5)、抗拉強度/伸長率/撕裂強度等(標準和老化前一樣)及揮發性有機化合物(VOC)最大限量值等性能訂定標準。
 
CNS 6985 & CNS 6986 的老化試驗是將試片置於70℃老化試驗箱加熱七天(168小時)老化,之後將試片冷卻至室溫,於取出後16-96小時內測定硬度、抗拉強度、伸長率及撕裂強度。所以老化試驗並沒有模擬材料在陽光紫外線照射後的性能改變。
 
台灣CNS並沒有專門針對聚硫膠、丙烯酸填縫劑、變性矽酮或矽酮填縫劑規範。這些產品(無論是單液或二液型材料) 則可參考CNS 8903建築用密封材料規範,此規範包含抗垂流性、彈性恢復率、拉伸性能、定伸下接著性、壓縮加熱及拉伸冷卻後之接著性、人工光曝露後之接著性(玻璃密封G類材料),泡水後定伸下接著性、體積損失和耐久性等性能。材料依其應用和玻璃或非用於玻璃裝配應用,分不同的彈性級別(20HM,20LM,25HM or 25LM), 及耐久性級別(8020/9030/10030), 彈性好的材料能通過有25LM & 9030或以上等級(註10)。
 
註10:CNS 8903,建築用密封材料規範。
 
另外美國材料標準及測試協會ASTMC920建築用密封材料規範,也是市場廣為接受的材料規範,此規範(適用單液或二液型材料)包含抗垂流性、擠出速率、硬度、污染性、加速老化耐久性、壓縮加熱及拉伸冷卻後之循環位移能力、人工光曝露後之接著性(玻璃密封G類材料),表面不沾粘時間、加熱重量減少量、可擠出時間(二液型材料)和連續泡水黏著試驗(6或10週)等性能。材料依其應用(USE)於道路(T),非道路(NT),浸水(I),玻璃(G), 鋁材(A), 水泥砂漿(M)或其他建材(O)應用,分不同的彈性級別(Class 25、35、50)等級(註11)。
 
註11:ASTM C920-14a Standard Specification for Elastomeric Joint Sealants (建築用彈性密封材料規範)。
 
雖然ASTM C920材料規範中有加速老化耐久性項目,但老化測試是材料經過250hr紫外線照射評估,其實根據國外研究,紫外線照射1,000小時約等於材料在美國南加州戶外曝曬一年效果,台灣位處亞熱帶區域和美國南加州氣候類似,所以250hr紫外線照射其實只有約3個月戶外曝曬效果,因此通過規範的材料並不真的代表具有長期耐候能力。另一個材料發揮防水功用的重要性質是與基材的黏著力。雖然CNS和ASTM都有接著性評估,但測試都是用標準清玻璃或是陽極表面處理鋁材,測試報告中黏著良好的材料也不一定和真正工程用的鍍膜玻璃,烤漆鋁板,不鏽鋼板或鍍鋅板有良好黏著。所以,在選用填縫劑材料時絕對不能只考慮其滿足材料規範,而是進一步要確認:
 
1.填縫劑材料和接縫材質是否具有長久黏著力。
2.填縫劑材料是否具有足夠位移能力。
3.填縫劑材料是否具有長久耐候性。
4.其他考量(如外觀、顏色或透明度、低污染性、防霉、耐火性、耐化學性等)。
 
 
左:典型結構性黏著裝配應用(中空複層玻璃外層玻璃利用矽酮結構填縫劑黏著固定於鋁框的裝配方式)
  因此大樓玻璃外側表面平滑,沒有鋁框或蓋板設計
右:美國紐約541m高One World Trade Center是全球最高全隱玻璃結構性黏著裝配大樓 
  (圖片來源:www.ctbuh.org)
 
 
(二)結構性應用的填縫劑材料規範
 
矽酮填縫劑在建築方面有一很特殊的應用為結構性黏著裝配應用,因為其它類填縫材未被市場或行業認可用於此種應用。所謂結構性應用是指利用矽酮結構填縫劑將建築外牆的玻璃、鋁板或石材與後面的背框黏著,靠著填縫劑和外牆材質的黏著力及填縫劑本身的伸縮張力及強度,有效將外層板面所受到的力量(如正負風壓)傳遞至其背檔,而不使外層板面掉落之結構性支撐的應用,如圖17。
 
目前台灣並沒有相關結構性應用的填縫劑材料規範,而市場廣為接受的是美國ASTM C1184-14 Standard Specification for Structural Silicone Sealants結構矽酮填縫劑材料規範(註12):
 
註12:ASTM C1184-14 Standard Specification for Structural Silicone Sealants(結構矽酮填縫劑材料規範)。
 
ASTM C1184-14建築用結構矽酮填縫劑材料規範,適用單液或二液型材料,檢驗材料物性包含抗垂流性、擠出速率、硬度(20-60 Shore A)、加熱重量減少量(max 10%)、加熱外觀(無粉化)、抗拉黏著強度(常溫)及老化後抗拉黏著強度(88℃ 高溫/-29℃ 低溫/7天泡水/5000小時UV光曝曬都不得低於50 psi),表面不沾粘時間(max. 3hrs)、可保存時間(不少於6個月)等性能。
 
和防水填縫劑一樣,要通過ASTMC1184-14材料規範或標準並不難,但通過的材料真的和工程用的建材(如鍍膜玻璃,烤漆鋁框或不鏽鋼板)有良好黏著嗎?中國大陸官方強制規定,凡玻璃幕牆施工前必需要送工程建材及結構矽酮填縫劑樣品至認可第三方實驗室,進行黏著和相容試驗,須確認黏著沒有問題才能施工。筆者從2000年就開始協助香港地區填縫劑的技術服務,當時香港政府對於結構矽酮填縫劑的應用,也是強制要求幕牆廠家施工前要提送設計圖紙及工程建材送結構矽酮填縫劑去進行審圖及黏著和相容試驗,沒有這些認可報告不准開工,雖然目前這些報告時效性已不像當初要在開工前提出,但仍是強制必需提供作為工程驗收的必要文件。
 
反觀我們政府對於結構矽酮填縫劑的使用與安全管理似乎未放在心上,只要結構技師簽認設計,監造建築師負責把關幕牆安全,可是結構技師和監造建築師其實並不一定知道結構矽酮填縫劑有許多選用或設計考量及技巧。所以,慎選一個好的結構矽酮填縫劑材料商是一個很重要的前提。如果業主預算充裕,建議能委託幕牆顧問,因為幕牆牽涉到許多不同建材及需要整合介面,既使有了良好填縫劑材料但也仍需要有良好設計及施工才能發揮材料功能,而且有的時候大樓出現漏水或安全疑慮,其實並不一定是填縫劑出了問題所造成的。
 
 
六、防水接縫的設計及常見問題
 
除了瞭解填縫劑材質的適用性外,接口的設計及計算亦是相當重要的步驟,接口設計包括接口位移的估算及填縫劑施打寬深比例的設計,兩者均會影響防水工程長期的效果好壞。接口位移產生的原因,不外乎溫度對建築物不同的組件產生之熱漲冷縮效應。或水氣和濕氣對建築物不同組件產生的尺寸變化,以及地震或風壓所造成之位移效應,其中又以組件熱漲冷縮的位移效應是填縫劑幾乎每天都需要克服的位移。
 
熱漲冷縮產生之位移=板片尺寸×材質之熱膨脹係數×溫差。如以鋁料為例,若板面大小為2m×1m,鋁料之熱膨脹係數為23.2×10(-6)mm/mm/℃,假設材質表面溫差70℃,則位移=2000×23.2×10(-6)×70 =3.25mm若已知熱漲冷縮產生的位移量和矽酮填縫劑的位移能力時,可計算出最小的接口寬度。其中容許誤差係將板片切割或安裝時所造成的誤差列入考量,而實際接口寬度亦可比最小的接口寬度大些,以增加安全係數,避免其他未預期的位移因素對接口造成破壞。
 
最小的接口寬度 = 熱漲冷縮產生的位移×(100/矽酮位移能力)+容許誤差若以一般五金行具有±25%最大位移能力的填縫劑,當採用此填縫劑時,前面鋁料板片的最小接口寬度為:3.25×(100/25)+容許誤差=13mm+容許誤差(2mm)同理,若採用具有更低位移能力(20%)的填縫劑時,此時所需接口寬度則會增加至18.25mm以上,反之,若採用高位移能力(50%)的填縫劑時,則所需最小接口寬度可以減少至8.5mm。
 
若從成本計算考量,不難發現使用位移能力或高單價材料其實並不一定不划算, 因為18.25mm和8.5mm接縫相比,如果同樣打6mm深的接縫,材料用量能節省超過50%,換言之,如果材料價差不到50%,使用高單價高位移能力材料反而省錢。依據前面的公式,若是已知接口寬度及接口可能的位移,亦可推算出所需填縫劑的位移能力,藉以作為選用填縫劑的一項參考。
 
另一重要的接口設計考量是讓填縫劑能保持良好尺寸維持其彈性,因此接縫的寬深比控制也是重要的設計考量,許多業主或設計人員認為填縫劑是防水材料,所以要打越厚越好(如下圖),可是過厚的膠體的彈性不如薄膠體,較佳的膠寬深(A:B)比例約為2:1,而不可小於1:1,但是如果縫寬(A)30mm根據2:1設計比例,縫深(B)打15mm也太厚了,依照美國ASTMC1193填縫劑設計規範(註13),其建議縫寬(A)宜不小於6mm,而金屬或玻璃接縫膠體厚度(B)不宜超過9mm厚。此外,使用背襯材(泡棉)或防黏膠帶(避免三邊黏著現象),確保膠體能與建材有6mm以上黏著寬度(C),這些都是確保填縫劑在伸縮縫能有長期效果的要件,缺一不可。
 
註13:ASTM C1193-05a Standard Guide for Use of Joint Sealants(填縫劑使用及設計規範)。
 
填縫劑與接縫的寬深比控制
 
 
雖然一個好的防水接縫只要符合以上設計要求(AC大於6mm,B控制在4-9mm),但是有很多時候,接縫設計往往都未能滿足此基本要求,窗框接縫就是一個最常見的設計。下圖是摘自AAMA鋁帷幕設計指南中的玻璃窗框設計基準。玻璃窗框設計如同前述的防水接縫,同樣有A/B/C三個參數,此圖A為玻璃到窗框距離,類似防水接縫A縫寬,C是玻璃吃深,類似防水接縫B縫深及C黏著寬度。防水接縫要求A應大於6mm,但由上圖可以發現到只有當玻璃厚度有12mm以上時A才有6mm(1/4inch)。當玻璃厚度5-10mm時A只有3-4.5mm。
 
AAMA鋁帷幕的玻璃窗框設計基準
 
 
因此窗框的填縫是需要高位移能力的填縫劑,因為窗框填縫是很標準伸縮縫(working Joint)。下圖顯示三種常見伸縮接縫型態:「對接縫」、「搭接接縫」,以及「窗框防水接縫」(Window Capbead)。
 
三種常見伸縮接縫型態:對接縫(Butt)、搭接接縫(Lap)、窗框防水接縫(Window Capbead)
 
 
其中窗框防水接縫採用位移能力差的填縫劑很容易應力破壞。另外玻璃窗框設計的C(Bite)和防水接縫C黏著寬度(Bite)都需不小於6mm。另一常出問題的接縫是切板對接縫,同樣也是因填縫劑與切板鋁框處黏著寬度不足而導致應力破壞脫開。
 
 
左右:許多窗框漏水案例是填縫劑無法與窗框保有6mm黏著寬度時,填縫劑會因足而應力破壞脫開。黏著力不足而應力破壞脫開
 
 
左右:切板對接縫也經常出問題,同樣肇因於填縫劑與切板鋁框處黏著寬度不足而導致應力破壞脫開
 
 
除了漏水以外,業主或建築師也很在乎大樓美觀。然而,筆者曾提及業主或建築師喜歡設計空縫來避免填縫劑污染。但是空縫並不盡然比較乾淨。因為空縫會累積更多粉塵,經雨水沖刷後,反而容易在外牆面板上留下污痕。
 
 
左右:空縫鋁板設計的髒污水痕
 
 
左右:人造石材(結晶化玻璃)空縫設計的髒污水痕
 
 
筆者發現許多大樓外牆之所以會很髒,多半是採用弧型造型,如下圖,或是沒有詳細考慮庇水或預留滴水線,因為沒有控制雨水流向,雨水自然而然夾帶接縫累積的粉塵流下,輕易在外牆面板上留下污痕。這些髒污其實和選用填縫劑無關。因為台灣空氣品質不佳,幾乎所有大樓都需要靠定期清洗及保養才能保持潔淨。然而,如果採用特殊配方填縫劑,其接縫處沾灰量能低於空縫累積量,加上適當庇水及滴水線設計,減少弧型造型設計及避免用純白色外牆,大樓外牆潔淨效果能更持久。
 
 
左右:外牆弧形設計容易出現髒污水痕,雨水垂流是外牆出現髒污的主因,和填縫劑接縫和材料選用無關
 
 
左右:庇水設計(左圖)或滴水線控制雨水(右圖),不讓污水垂流到牆面上,可減少外牆出現髒污
 
 
七、使用填縫劑的注意事項
 
以下大致整理使用填縫劑的注意事項,供使用者或規範撰寫者參考。
 
(一)建築用防水或結構填縫劑是需要和空氣中水氣接觸後進行反應固化。因此不能用於完全密不透氣位置。
 
(二)和食品一樣,填縫劑生產到使用有一有效保存時間(保存期限)或最佳使用時間,視其配方而定,短則僅有3個月,有的能長達2年,使用前要檢視產品包裝上載明保存期是否超過外,最好能在大面積施工前做材料表乾實驗,因為材料在運送或儲藏時若遇高溫會縮短保存期,也有可能材料未屆其載明的保存期限,材料卻已經過期變質。通常不新鮮材料有可能出現材料不乾情形,如果用於石材或混凝土接縫,不乾填縫劑會造成基材污染,要特別小心。至於材料表乾時間長短或其它可以篩選材料新鮮與否的方法,可以向填縫劑製造商查詢。
 
(三)欲黏著的基材表面須是乾淨、乾燥、無灰塵污染及無凍霜的,可以向填縫劑製造商查詢或請廠商幫忙測試是否需要底漆,通常測試是廠家免費服務項目,若需底漆,底漆必須施打在清潔的基材表面。
 
(四)除了黏著測試外,如果橡膠類墊塊和壓條會和填縫劑直接接觸,請填縫劑廠家測試兩者是否相容。不相容墊塊和壓條會導致鄰近填縫劑變色甚至黏著失敗,須特別注意。
 
(五)如果填縫劑用於石材接縫,請填縫劑廠家依ASTMC1248或類似方法測試填縫劑是否會有污染石材可能,最好能向填縫劑廠家索取無污染保固。
 
(六)如果填縫劑用於混凝土或砂漿接縫,大部份填縫劑廠家會建議使用底漆來加強及確保膠體能與其有良好一致黏著效果。請勿混用不同廠牌的底漆和填縫劑。
 
(七)大量施工前可以先小量試做,以確認清潔方式及打膠方法及效果,也可以請填縫劑廠家協助做免費施工指導,有的填縫劑廠家會提供免費施工中檢查,做為出具產品保固依據,可以多加利用。
 
(八)會有15%以上變位的接縫一定要有適當尺寸背襯材料(泡沫棒)或防黏膠帶(淺縫時),打膠後迅速整平以確保膠有正確的形狀和能與基材完全的接觸,施打填縫劑膠體也務必要有足夠厚度(min. 4mm)及與基材有min. 6mm黏著寬度,是重要必須達到的施工標準。
 
(九)現場的黏著力測試是一項簡單有效的篩選測試用來幫助檢查是否施工品質符合預期與否。當膠完全固化後(大約7-21天)就可在工地進行簡單的手拉測試來檢查膠的黏著效果。工地的黏著測試建議每300公尺做一次或每一樓層做一次測試。此項手拉黏著力測試方法如下:
 
    1.用刀沿水平方向將膠從接口一邊割至另一邊。在接口兩邊各垂直割大約75mm(3英吋)長。
 
    2.按下圖左所示在膠上25mm(1英吋)處做一記號。
 
    3.如下圖右,抓住50mm(2英吋)長的膠條,向後90度用力拉超過50mm(2英吋)的標項處。
       看膠與材料的黏著位置是否有黏著脫開現象。
 
    4.若膠與不同的材質黏著,請分別檢查膠與每種材料的黏著特性。這可經由沿接口邊緣切一刀,
       檢查膠的黏著特性,照同樣的方法檢查另一邊接口是否完全被膠填滿。接口內應該沒有空隙、
       膠體是否固化正常,與接口材質黏著,黏著尺寸是否符合設計要求。
 
    5.現場測試結果,應做書面記錄。
 
 
在用刀切割下3英吋處取1英吋長作記號,如左圖;沿接縫90º用力拉超過50mm(2英吋),如右圖
 
 
八、結論
 
填縫工程的好壞不單取決於填縫材料好壞,接縫設計適當與否和施工品質都會影響最後結果。填縫材料雖然在建築建造成本中佔很小比例,但因為它的問題造成建築損失,常以數十或百倍之鉅。一個建築的防水好壞其實不單只是阻止水的侵入建築物,對於一些像是混凝土或鋼骨結構大樓而言,侵入的水不僅對鋼筋造成鏽蝕,也會使混凝土劣化過程加速,因此也會有結構安全問題,不可輕忽。
 
市場上有各式各樣填縫材料,有的價格差異懸殊,有的供應商提供很多免費服務來確保其填縫材料能有效發揮其預期性能,有的供應商只負責賣材料,出了問題都推諉到接縫設計和施工品質不當,最後倒楣的都是最後使用方。
 
因此對於業主而言慎選承包商及材料供應商是保護自己工程順利及安全的第一要務,此外,能盡量取得材料供應商提供的產品性能保固也是可以有效保障自己權益的方法,另外也須留意材料供應商的保固內容,及保固是由材料製造商出具還是代理商提供,畢竟代理商提供的保固可能會因代理權異動而出現變數,而且代理商財務通常也不及材料製造商。當然,材料製造商的市場口碑也是重要考量,過去也曾有材料製造商或包商擺爛,最後退出台灣市場的前例,不可不慎。
 
筆者在台灣從事填縫材料的施工指導及品質檢查工作多年,發現目前台灣在新建工程的玻璃窗框填縫方面,絕大部份工班都採用非常省料的方式施工,膠體在玻璃面雖有足夠黏著面,但在窗框位置的黏著面則有太薄問題。如此施工方式固然能通過試水不發生漏水,但誠如前面提到的,玻璃窗框填縫本身就不是很標準的防水接縫,遇到颱風及地震和玻璃熱漲冷縮變位時,窗框位置的膠體很容易被破壞,導致常常在兩三年後就出現漏水,所以發包玻璃窗框填縫工程時宜強調要求的品質及適當保固,避免未來漏水造成企業形象受損及住戶損失。
 
填縫劑的應用很廣,除了在窗戶、窗框、混凝土和石材接縫使用外,也廣泛用在中空玻璃封邊應用、玻璃結構黏著裝配、防護性裝配(防爆炸防盜)、抗震、防火、太陽能一體化建築(BIPV),冷彎玻璃幕牆等應用,每種應用都有設計及應注意事項,礙於篇幅限制,無法在此文中做詳細介紹,未來有機會再跟大家分享。
 
 
(本文收錄於《建築技術資訊》第二輯)

4041 2019-07-24

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