4-1 實驗計畫 實驗計畫 實驗計畫 實驗計畫
本研究是利用透地雷達針對鋼筋混凝土內鋼筋不同腐蝕程度進行施 測，並搭配腐蝕電位儀及鋼筋腐蝕探測儀兩者同時進行量測，將實驗所得 到的結果進行分析及比較。實驗主要分為三大部分，第一部份：探討鋼筋 混凝土內鋼筋腐蝕程度對透地雷達訊號值的影響。第二部份：探討鋼筋混 凝土內鋼筋不同腐蝕程度下，透地雷達訊號電壓值與所求反射係數的相對 應關係。第三部份：比較腐蝕與未腐蝕試體的透地雷達反射訊號模型，探 討電磁波特性與腐蝕機制之間的關係。
4-2 實驗材料 實驗材料 實驗材料 實驗材料
(1) 水泥：台灣水泥公司市售袋裝第一型波特蘭水泥。
(2) 粗骨材、細骨材：竹北永矩預拌混凝土廠所提供的骨材，骨材洗 淨後置於烘箱烘乾 24 小時，再以搖篩機進行骨材粒徑的分類，分別置於室 內保存，如圖 4-1 所示。
(3) 鋼筋：6 號竹節鋼筋，以鋼筋裁切機剪裁，每段 20 公分。
４８
圖 4-1 粗骨材、細骨材
4-3 實驗儀器 實驗儀器 實驗儀器 實驗儀器
(1) 透地雷達系統本實驗採用的透地雷達系統為瑞典製之 RAMAC/GPR 系統，此系統的發 射天線與接收天線固定於遮罩式天線盒內，當在進行試驗時發射天線與接 收天線之頻率皆由天線盒底部進行，可以減少或隔離外界環境所影響之雜 訊，本實驗採用的天線組為 1GMHz 探頭，如圖 4-2 所示。
(2) 半電池電位儀(CANIN DATA LOGGER):
本系統為瑞士 PROCEQ SA 製的腐蝕電位儀，是一部用(銅/硫酸銅電極) 當參考電極之非破壞檢測儀器，可以測得鋼筋之腐蝕電位，進而推估鋼筋 的腐蝕程度，如圖 4-3 所示。
４９
圖 4-2 透地雷達系統與電腦 圖 4-3 半電池電位儀
(3) 鋼筋腐蝕探測儀(Galva Pulse for Corrosion Rate GP-5000)
本系統為丹麥 Germann 製的腐蝕探測儀，是一部用(銀/氯化銀)當參考 電極之非破壞檢測儀器，可以測得鋼筋之腐蝕電位及腐蝕速率，進而推估 鋼筋的腐蝕程度，如圖 4-4 所示。
圖 4-4 鋼筋腐蝕探測儀 (4) 數位式直流電源供應器
本 研 究 所 採 用 之 數 位 式 直 流 電 源 供 應 器 為 台 灣 固 緯 所 生 產 之 GPC3030DQ，如圖 4-5。儀器以數字方式指示兩組電壓與電流之輸出值，且 具備兩組可調式與一組固定式輸出，輸出直流電壓範圍在 0V~30V 間，供應 電流範圍在 0A~6A 間。而實驗是採取定電流的方式加速腐蝕過程，以方便 控制電流變化的時間，及計算腐蝕生成量。
５０
(5) 通電用鈦網
本研究加速腐蝕試驗採用鈦網作為陰極之材料，如圖 4-6 所示。
圖 4-5 數位式直流電源供應器 圖 4-6 陰極材料－鈦網
(6) 鼓式拌和機
本研究所使用之拌合機為圓錐形拌合鼓，每次拌合的時間不得少於 1
～1.5 分鐘，轉速不得低於每分鐘 15 轉，且於拌合過程中必需適度以人工 攪和，使骨材與水泥砂漿拌和均勻，以避免發生粒料析離的現象。如圖 4-7 所示。
(7) 鋼筋裁切機
利用鋼筋裁切機將鋼筋長度切成每段 20cm，如圖 4-8 所示。
５１
圖 4-7 鼓式拌和機 圖 4-8 鋼筋裁切機
(8) 矩形混凝土試體模具製作
本研究使用厚度 1.7cm 的木板釘製15cm×15cm×15cm的木材模具，量測所 須的保護層厚度之後，在底部鑽 2cm 的小圓洞以固定鋼筋，完成圖如 4-9、
4-10 所示。
圖 4-9 木製模具 圖 4-10 固定鋼筋
５２
4-4 試體製作 試體製作 試體製作 試體製作
本實驗的設計是將鋼筋埋設於15cm×15cm×15cm的正立方形模具內，而實 驗為了考慮不同保護層深度，所以將鋼筋置於不對稱的位置上。試體模型 的示意圖，如下圖 4-11 所示。
圖 4-11試體模型的示意圖
4-4-1 試體之材料級配與拌合程序試體之材料級配與拌合程序試體之材料級配與拌合程序 試體之材料級配與拌合程序
研究中所設計的試體主要為正立方形鋼筋混凝土試體，試體澆置完成 後，置於養護槽中養護 28 天。詳細之過程如下：
(1) 混凝土配比設計：
本研究的混凝土設計水灰比為 0.5，其詳細之每 1 公斤/立方公尺級配 設計如下表 4-1 所示。
表4-1 每 1公斤/立方公尺之混凝土所需用量 混凝土單位體積重 2450
(
kg m3)
水灰比 0.5
坍度 7.5~10
#6鋼筋 6cm 混凝土
4cm
15cm
15cm
５３
細度模數(F.M) 2.8 粗骨材最大粒徑 20(mm)
水泥用量 400kg
水用量 200kg
粗骨材用量 992kg
細骨材用量 858kg
每 1 公 斤 / 立 方 公 尺 混 凝 土 所 需 用 量 ， 乘 上 所 使 用 模 型 體 積
3 3 0.003375 15
.
0 = m 即為實際每顆試體澆製需求量。以下數據為澆製混試體 時，每顆試體澆置需求量，如下表 4-2 所示。
表 4-2 單顆模型體積實際澆製需求量
水用量 0.68kg
水泥用量 1.35kg
粗骨材用量 3.35kg
細骨材用量 2.9kg
(2) 拌合過程：
拌合的過程中，先將拌合機內面潤濕，將粗骨材、細骨材和水泥依序 置入拌合鼓當中，分次拌合，直到三種材料混合均勻，再將拌合水分三次
５４
逐次加入，且於拌合過程中，以人工攪和搭配進行，待拌合均勻，將混凝 土從鼓式拌合機中取出，進行澆置。
444
4----4444----2 2 2 2 試體澆置試體澆置試體澆置試體澆置
(1) 澆置前把正立方木製模具浸泡在水中 30 分鐘始木模濕潤避免在澆置 後木板吸水對實驗產生誤差，再將裁好的鋼筋固定位於模組中，實際配置 如圖 4-12 所示；
圖 4-12 實際模組配置圖
(2) 於澆置前先將模具與底板表面塗上一層礦物油，以方便拆模。
(3) 將混凝土分三層澆置，澆置過程中，每層以直徑16mm之搗棒搗實 25 次，並利用軟槌敲擊模具兩側縱斷面各 5 次，去除澆置過程中所產生的氣 泡。
(4) 完成混凝土之澆置，以鏝刀將表面修至平整，如圖 4-13 所示。
５５
(5) 試體澆置完成後 24 小時拆模，並將試體浸置於養護槽中養護 28 天，
養護完成後將試體取出，置於室溫下自然乾燥。完成試體如圖 4-14 所示。
圖4-13 澆置完成試體 圖4-14 完成的設計試體尺寸
4cm 4cm4cm
4cm 9cm9cm9cm9cm
7777cmcmcm cm
15cm
777 7cmcmcmcm
7777cmcmcmcm
666 6cmcmcmcm
7777cmcmcmcm
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4-5 試驗方法 試驗方法 試驗方法 試驗方法
4-5-1 鋼筋加速腐蝕試驗鋼筋加速腐蝕試驗鋼筋加速腐蝕試驗 鋼筋加速腐蝕試驗
利用直流電源供應器外加一個電流以加速腐蝕的方式加速鋼筋之腐蝕 速率，其試驗必須具備陽極（鋼筋）、陰極（鈦網）、電流（數位式直流 電源供應器）、電解液（水）與腐蝕通路等五大要素，其試驗方法是將試 體浸於電解液中，但鋼筋不與電解液接觸，電源供應器上之陽極接於鋼筋，
陰極接於鈦網，並調電源供應器之欲加電場電流，進行外加電流式鋼筋加 速腐蝕試驗，如圖 4-15 所示。
圖 4-15 鋼筋加速腐蝕試驗配置圖
本實驗以控制電流來做加速腐蝕試驗，但隨著腐蝕量的增加，試體本 身阻抗也隨之增加，因此每隔一段時間將會調整電壓值，使得電流得到穩 定(V電壓 =I電流×R阻抗)，以增加實驗的精確度。
通電 通電 通電 通電 未通電
未通電未通電 未通電
５７
4-5-2 透地雷達於鋼筋腐蝕試驗透地雷達於鋼筋腐蝕試驗透地雷達於鋼筋腐蝕試驗 透地雷達於鋼筋腐蝕試驗
本次研究使用透地雷達檢測技術，檢測鋼筋混凝土內鋼筋於不同腐蝕 程度、以及變換不同保護層深度的情形下；探討鋼筋反射訊和數位編碼號 對透地雷達剖面圖及波形的影響。
實驗配置是將不同加速腐蝕時間下的試體依不同保護層厚度放置在長
165cm×寬15cm×高60cm的混凝土長梁試體排列中，進行透地雷達施測，如圖 4-16、4-17 所示。
圖4-16 試體不同厚度保護層實驗示意圖
圖 4-17 GPR施測示意圖
５８
透地雷達所成像之剖面圖，橫軸為拖行的距離，單位為(m)公尺，縱軸 為電磁波反射的雙程走時，單位為ns(10−9sec)，而圖形的成像以水平來說是 由得到的振幅經過疊加後所聯接構成，圖形成像的橫軸長度是由取樣間距 和拖行距離來決定，本次實驗透地雷達檢測參數設定，如表 4-3 所示 。
表 4-3 實驗參數設定值
參數項目 參數設定值
天線頻率(MHz) 1GHz 取樣頻率(MHz) 26135MHz
時間視窗(ns) 40ns
取樣點數(點數) 512
疊代次數 Auto
取樣間距(m) 0.002
4-5-2 半電池電位儀於鋼筋腐蝕試驗半電池電位儀於鋼筋腐蝕試驗半電池電位儀於鋼筋腐蝕試驗 半電池電位儀於鋼筋腐蝕試驗
本實驗是利用一般經常使用於探測鋼筋腐蝕的非破壞性檢測技術－半 電池電位儀，它是以（銅/硫酸銅）作為參考電極，參考 ASTM C876 進行量 測鋼筋之電位，在不同的時間下，分別在鋼筋的四個不同保護層深度之垂 直斷面上，找三個點進行量測，平均三點得到各個斷面上的腐蝕電位。量 測示意圖如 4-18 所示。
５９
圖 4-18 半電池電位儀量測示意圖
4-5-3 鋼筋鋼筋鋼筋腐蝕電流試驗鋼筋腐蝕電流試驗腐蝕電流試驗腐蝕電流試驗
本 實 驗 是 利 用 鋼 筋 腐 蝕 探 測 儀 (Galva Pulse for Corrosion Rate GP-5000)，它是以（銀/氯化銀）作為參考電極，參考 ASTM C876，量測鋼 筋之電位及測量鋼筋銹蝕速率，量測示意圖如 4-19 所示。
圖 4-19 腐蝕電流量測示意圖
６０
4-6 實驗數據分析方法實驗數據分析方法實驗數據分析方法實驗數據分析方法
本研究利用 MATLAB 軟體來進行數值運算模式，將混凝土內鋼筋訊號之 電磁波波譜擷取出來之數位訊號轉換成編碼矩陣，進行數值運算。處理程 序如下：
(1)將透地雷達原始圖像轉換成數位影像編碼。
圖 4-20透地雷達原始圖 圖4-21數位影像編碼圖
(2)擷取混凝土內含鋼筋之原始數位影像編碼假設為：
[ ]
A 空間矩陣m×n；混 凝土之原始數位影像編碼矩陣：[ ]
B 空間矩陣m×n。(3)將兩空間矩陣進行相減可以得到混凝土內含鋼筋的鋼筋電磁波波譜：
[ ] [ ] [ ]
C = A − B 。(4)進行複數振幅運算，將
[ ]
C 空間矩陣m×n內負號數位元影像編碼轉換為正 得到[ ]
C T的轉置矩陣；在於突顯相減後混凝土內鋼筋的電磁波波譜反應，找出
[ ]
C 矩陣中的「行」與「列」所對應的最大值 f(x,y)。(6)利用所得到的最大值 f(x,y)尋址，找出原始混凝土內含鋼筋的空間矩陣
[ ]
A 中，通過 f(x,y)的那一條空間矩陣[ ]
R1 圖 4-22。６１
(7)利用所得到的鋼筋編碼值進行透地雷達波形、訊號強弱相關分析探討如 圖 4-23。
圖 4-22 擷取鋼筋訊號最大值 圖4-23 所擷取的訊號
(8)所得之波譜，擷取鋼筋編碼之最大值，再根據 RAMAC 原廠所提供之頻率 1GHZ 天線所得編碼值 25000 相對於電壓值為 400(mV)(表 4-4)轉換成電壓值 後進行分析與討論如圖 4-24。【26】
圖 4-24 擷取鋼筋訊號
６２
表4-4 MALA 不同天線頻率之編碼相對電壓值
天線頻率(G) 0.5 1 1.5 2
編碼值
(400mV) 26000 25000 24000 20000
4-7 介質電性參數之計算 介質電性參數之計算 介質電性參數之計算 介質電性參數之計算
將實驗所得透地雷達波形計算實際介質層內之介電常數、反射係數等 電性參數，應用反射係數法討論其波傳物理特性現象。
通常任何介質之厚度可由(4-1)式計算：
i r i i
d ct
2 ε ,
= (4-1)
式中，di：是第i層介質之厚度
ti：是電磁波在介質層中之雙程走時 c：是光速
(
c≈3 ×108m s)
εr ,i：即為各介質層之介電常數
然而，電磁波在介質層中之雙程走時可經由透地雷達量測，利用反射 訊號得到，εr ,i只要帶入已知材質之介電常數便可求出。對於本研究來說di、
c、ti為已知數。其反射係數計算公式如下：
1 , ,
1 , ,
+ +
+
= −
i r i r
i r i r
i ε ε
ε
γ ε