4-1 實驗計畫
本研究主要利用透地雷達非破壞性檢測技術對混凝土構件內含 單一不同尺寸鋼筋進行試驗並將透地雷達的剖面圖及波形圖加以討 論分析。實驗主要分為四大部分，第一部份：探討鋼筋在混凝土內，
埋設不同深度，探討混凝土保護層深度對雷達訊號的影響。第二部 分：探討新澆製的混凝土中埋設鋼筋，鋼筋訊號隨著混凝土齡期的增 加，鋼筋反射訊號的變化。第三部分：探討不同鋼筋尺寸電磁波反射 訊號的差異。第四部分：改變鋼筋水平間距，探討透地雷達水平解析 能力。
4-2 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：為台灣水泥公司竹北廠所提供的骨材，將骨材 洗淨放進烘箱中 24 小時，再以搖篩機進行骨材粒徑分類，如圖 4.1 所示。
3. 鋼筋：將 3 號、6 號、10 號竹節鋼筋，以鋼筋裁切機剪裁，每段 15 公分。
4-3 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位置固定，並放置於遮罩式天線盒內，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. 鼓式拌和機
所採用之拌合器為原圓錐形拌和鼓，每次拌和時間至少 1〜1.5 分鐘，轉速為每分鐘 15 轉，拌和過程中需要適度人工手動攪和，使 骨材與水泥砂漿拌和均勻，如圖 4.1 所示。
3. 鋼筋裁切機
利用鋼筋裁切機將鋼筋長度切成每段 15cm，圖 4.3。
4. 矩形混凝土試體模具
將裁切的鋼筋埋置在15cm×15cm×15cm之矩形鋼材模具內，如圖 4.4。
圖 4.1 鼓式拌和機與搖篩機 圖 4.2 透地雷達天線組
圖 4.3 鋼材裁切機器 圖 4.4 鋼製模具
4-4 試體製作
本次實驗試體是將#3 及#6 鋼筋埋設在15cm×15cm×15cm鋼製模型 中，並在模型中由淺至深變換鋼筋保護層深度。試體模型的示意圖，
如圖 4.5 所示。混凝土材料的配比設計各項條件因素，如表 4.1 所示。
圖 4.5 混凝土試體內含鋼筋示意圖
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
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
h
15cm
15cm 鋼筋
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
試體澆製完成後，將試體放置在飽和石灰水中養護 28 天後，即 可拆模，完成實驗試體，如圖 4.6、4.7 所示。
圖 4.6 混凝土內含#3 鋼筋試體 圖 4.7 混凝土內含#6 鋼筋試體
4-5 實驗設計
本次研究使用透地雷達檢測技術，檢測混凝土內含單一鋼筋的試 體，並變換試體排列組合研究混凝土內鋼筋在不同深度、不同水準間 距、混凝土內不同鋼筋大小及混凝土材料隨時間增長等因素情況下，
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。
4-5-1 不同厚度保護層之鋼筋埋設
將所澆製的試體依不同保護層厚度放置在混凝土長梁上，探討不 同埋設深度下鋼筋反射訊號與波形之差異，實驗方式為在長 165cm×
寬 15cm×高 60cm 的混凝土長梁試體排列中，選取所要量測的鋼筋號 數和保護層深度，進行透地雷達施測，如圖 4.8 所示。
圖 4.8 不同厚度保護層實驗模型斷面示意圖
透地雷達成像之剖面圖，縱軸為電磁波入射訊號與反射訊號來回 的時間，單位為 ns
(
10−9秒)
；橫軸為透地雷達行走距離，單位為(m)， 而 透地雷達圖形成像是振幅以疊加次數所構成，圖形成像縱軸大小，是 由取樣點數來決定，圖形成像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 。保護層深度 1GHz
入射訊號 鋼筋
反射訊號
165㎝
行進方向
60cm
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) 12710MHz
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 不同水平間距之鋼筋埋設
將內含同一號數鋼筋的混凝土試體，固定保護層深度變化鋼筋的 水平間距大小，探討不同水平間距間鋼筋反射訊號的差異，及透地雷 達的水平解析能力範圍。實驗設計示意圖如圖 4.9。
圖 4.9 不同水平間距實驗設計示意圖
1GHz
不同水平間距 不同水平間距
透地雷達行進方向
鋼筋
4-5-3 不同號數鋼筋之反射訊號
將同樣埋設深度但不同鋼筋號數的試體，進行透地雷達檢測，比 較混凝土中含不同號數鋼筋對透地雷達剖面圖和反射訊號的差異。實 驗鋼筋號數包括#3、#6 和#10 在保護層 5.6cm，如圖 4.10 所示。
圖 4.10 不同鋼筋號數實驗設計示意圖
4-5-4 不同齡期混凝土對鋼筋之反射訊號影響
實驗過程中利用三塊混凝土試體，試體內鋼筋保護層厚度為 5.6cm，分別在混凝土試體內埋設#3、#6、#10 三種不同號數的鋼筋，
藉以探討三種號數不同的鋼筋隨著混凝土時間變化的鋼筋反射訊號 變化。實驗試體利用濕布養護方式在實驗室內養護二十一天，如圖 4.11 所示。在養護過程中分別在 1、3、5、7、9、12、14、17、19 及 21 天進行透地雷達檢測實驗，試體在檢測時要先拿開濕布風乾 12 小 時，避免試體表面過於潮濕影響透地雷達檢測判讀。齡期 22〜54 天 每天量測一次。
1GHz
透地雷達行進方向
5.6cm
變化鋼筋尺寸#3、#6、#10
圖 4.11 濕布養護情況
4-6 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。處理程式如下：
1. 將透地雷達原始圖像轉換成數位影像編碼。
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n
m× ；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 得到 混 凝土 內含鋼筋的電 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。5. 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透過原始混凝土內含鋼筋的空間矩陣
[ ]
A 找出原始鋼筋對應的編碼值。
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。其處理程序，如圖 4.12 所示。
圖 4.12 數位影像編碼運算程序圖
透地雷達類比訊號轉換成 數位影像編碼
鋼筋混凝土內之數位影像
編碼矩陣
[ ]
A =m×n 純混凝土塊內之數位影像 編碼矩陣[ ]
B =m×n將矩陣
[ ]
C 空間矩陣轉置成[ ]
CT擷取矩陣
[ ]
C 對應的最大值) , (x y
f 座標
數位影像相減
[ ] [ ] [ ]
C = A − B利用 f(x,y)座標位置找出矩 陣
[ ]
A 鋼筋編碼值分析探討所得到的鋼筋編碼 值