4-1 實驗規劃
本研究是利用透地雷達電磁波法非破壞檢測技術，對不同腐蝕程度鋼筋混 凝土內之鋼筋進行施測，並利用半電池電位儀及鋼筋腐蝕探測儀同時進行量 測，將實驗所得到的結果進行分析及比較。
本研究製作水灰比為 0.4、0.5、0.6 和 0.7 之 15cm×15cm×15cm 正立方試體 分別為 6 顆，共 24 顆，並於各試體中央，各埋置一根#10(D32)竹節鋼筋，則各 試體之保護層厚度均為 5.9cm。實驗時，利用 15cm×15cm×15cm 之試體與長 165cm
×寬 15cm ×高 60cm 之凹槽長梁，組合成一長 165cm×寬 15cm×高 60cm 的混凝 土塊，為了取得較完整的波形，將水平施測的距離定為 70cm，避免地板與混凝 土訊號差異所造成的影響，故將高度提高為 60cm。
4-2 實驗試體製作
本實驗所使用之試體，如圖 4-1 所示，將#10 鋼筋埋設在 15cm×15cm×15cm 鋼模中央，並控制其保護層深度為 5.9cm，混凝土材料的配比設計如表 4-1。
本實驗所用之混凝土由毅和實業股份有限公司所提供之預拌混凝土，實驗 所需之製作完畢後，置於養護槽內，養護期 28 天。
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
(
kg m3)
2450 2450 2450 2450水灰比 0.4 0.5 0.6 0.7 坍度(cm) 15 15 15 15 水泥用量(kg) 482 386 322 276
水用量(kg) 193 193 193 193 粗骨材用量(kg) 905 914 907 890 細骨材用量(kg) 742 813 873 928 空氣含量 1.1% 1.2% 1.3% 1.3%
圖 4-1 混凝土試體內含鋼筋示意圖
圖 4-2 混凝土試體製作及坍度試驗圖
4-3 實驗儀器及量測儀器
4-3-1 透地雷達儀器
本實驗採用透地雷達系統為瑞典製之 RAMAC/GPR 系統，為 GeoScience 公 司所生產之新一代產品，簡稱 MALA，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。
透地雷達儀器由五個主要部份組成，如圖 4-3 所示，其分別為主機、天線、
電池、測距輪及個人筆記型電腦，其中細項包含了主機、天線、電池、光纖、
訊號傳輸線、測距輪及個人筆記型電腦等共七個單元各單元之功能分別敘述之：
圖 4-3 透地雷達及其相關配備
(1) 主機（control unit）
主機是資料收集的管理者，組成架構包含電源供應部分、能產生決定性 控制信號的模擬計算機部分以及內部電腦。一個 32 位元的信息處理機控制 發射和接收時機、取樣頻率和軌跡的間隔、儲存新近完成的雷達資料於暫時
的緩衝儲存器，並且將資料轉換到 PC 可操控介面。控制器可藉由訊號傳輸 線（communication cables）平行輸出入端子 RS-232 與電腦連接來接收電腦 所發出之指令以及將緩衝儲存器中的資料
(2) 天線（antenna elements）
a.發射天線（transmitter electronics）
因電磁發射電波連續不斷，無法分辨發射波的那一部份形成反射信 號，亦即無法測定出電波來回所需的時間，因此發射波必需加上可資辨識 的記號，以確認其反射回來可以被辨識。透地雷達系統乃是以脈波方式發 射高頻電波，測量脈波發射與接收回波之間所需的時間，此方式稱為脈波 雷達（pulsed radar）。發射天線和接收天線兩者為成對的一組天線組。
b.接收天線（receiver electronics）
從天線接收到的連續類比信號，電子接收器將之數位化成為整數，代 表接收到的雷達波的振幅，並經由光纖傳送到雷達控制單元。電子接收器 共有兩條光纖與控制器相連，其中一條接收光纖（receiver fiber）是用來轉 換由控制器所發出的控制信號，另一條資料蒐集光纖（data fiber）則是將蒐 集所得資料傳送至控制器。
(3) 電池（power supply）
本儀器使用之電源皆為特別設計過之專用電池，共有兩個直流電壓 12V、
可充電式之鎳鎘（Ni-Cd）電池，分別供電給控制器和天線組，每個供電盒 約可使用 2 小時，但充電時間每個至少需長達 8 小時以上。
(4) 光纖（optical fibers）
控制器與電子發射器、接收器間的資料、信號傳輸皆由光纖傳送。其資 料傳輸速度最高可達 4MB/s ，故在檢測時必須特別注意不可被彎曲並避免 物理性之破壞，光纖接頭也必須保持乾淨（除非有必要，否則不要將光纖拔 離控制器上之光纖接頭）。
(5) 訊號傳輸線（communication cables）
通常使用平行輸出入線 RS-232 來傳遞控制器與個人電腦間的資料信 號。
(6) 測距輪
測距輪（measuring wheel）之目的有二，一是量測拖曳盒拖行之距離，
另一是以拖曳方式啟動接受天線接收資料，設定固定距離收集資料。
(7) 個人筆記型電腦（external notebook computer）
筆記型電腦的使用功能為控制透地雷達之運作、資料擷取、量測顯示 及儲存檢測結果以便事後分析。
4-3-2 腐蝕電位及腐蝕電流量測儀器
腐蝕電位測儀器為瑞士 PROCEQ SA 製的腐蝕電位儀，是以銅/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 4-4 所示。
圖 4-4 腐蝕電位儀 圖 4 -5 鋼筋腐蝕探測儀
腐 蝕 電 流 量 測 儀 器 為 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，是以銀/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 4-5 所示。
4-3-3 數位式直流電源供應器及通電用鈦網
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 4-6 所示，儀器以數字方式指示兩組電壓與電流之輸出值，
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，而本實驗採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。
本研究加速腐蝕試驗採用鈦網作為陰極之材料，如圖 4-7 所示。
圖 4-6 數位式直流電源供應器
圖 4-7 陰極材料－鈦網
4-4 試驗方法
4-4-1 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（水及混凝土）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 4-8 所示。
圖 4-8 鋼筋加速腐蝕試驗配置
本實驗以控制電流方式，來進行加速腐蝕試驗，但隨腐蝕量的增加，試體 本身阻抗亦增加，因此每隔一段時間將會調整電壓值，以得到穩定電流 V=I×R(電 壓=電流×阻抗），以增加實驗精確度。
4-4-2 腐蝕鋼筋之透地雷達試驗
本研究利用透地雷達檢測技術，針對不同水灰比之鋼筋混凝土，於不同腐 蝕程度之鋼筋進行檢測，以探討鋼筋振幅、介電常數及反射電壓等，來判斷混 凝土的腐蝕程度，以作為結構物修補或重建之依據。
本實驗配置將不同加速腐蝕時間下之不同水灰比試體，放置於長 165cm×寬 15cm×高 60cm 之混凝土長梁試體排列中，進行透地雷達施測，如圖 4-9、圖 4-10
及圖 4-11 所示。
圖 4-9 不同水灰比之腐蝕鋼筋混凝土試體實驗模型示意圖
圖 4-10 不同水灰比之實際試體圖
施測方向 70cm 透地雷達
保護層5.9cm
60 cm
165 cm 實驗混凝土
圖 4-11 透地雷達施測圖
透地雷達所成像之剖面圖，橫軸為拖行的距離，單位為公尺(m)，縱軸為電 磁波反射的雙程走時，單位為 ns(10−9sec)，而圖形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 4-2 所示 。
表 4-2 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
4-4-3 腐蝕電位與腐蝕電流之量測
本實驗是利用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，其以（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，分別在對鋼筋混凝土四個面，找三個點進行腐蝕電位量測，
平均三點得到各個斷面上的腐蝕電位。腐蝕電位量測如圖 4-12 所示。
圖 4-12 腐蝕電位儀量測圖
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，進行腐蝕電位、腐蝕電流 及混凝土電阻之量測，相關量測如圖 4-13 所示。
圖 4-13 腐蝕電流量測圖
4-4-4 腐蝕鋼筋之電化學量測及去極化作用
本實驗以電化學方式，量測不同水灰比之鋼筋混凝土試體，在加速腐蝕下，
不同時間之腐蝕電位，因本實驗利用直流電源供應器，對鋼筋混凝土試體進行 加速腐蝕，在通電腐蝕時鋼筋的腐蝕電位會瞬間提升至非常高，當電源切斷後，
瞬間腐蝕電位會迅速的下降，隨著時間慢慢的趨於穩定，這種現象稱為極化作 用；而此時所量測到的腐蝕電位才是真正的鋼筋腐蝕電位，如圖 4-14 所示。
本實驗採通電 2〜3 天，在斷電之後，並放置 2〜3 天作為去極化之動作，
俟電位趨於穩定後，量測不同水灰比下之腐蝕電位。
圖 4-14 去極化作用之腐蝕電位變化圖
時間 腐
蝕 電 位
去極化電位
通電時間點
＋
－
去極化電位
4-5 透地雷達試驗資料擷取及各參數計算方法
4-5-1 透地雷達試驗資料擷取
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。
(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。(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 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。(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。
(8)所得之波譜，擷取鋼筋編碼之最大值，再根據 RAMAC 原廠所提供之天線頻 率之編碼相對電壓值(如表 4-3 所示)，頻率 1GHz 天線，其編碼值 25000 所 對應之電壓值為 400mV，將其轉換成電壓值後，再進行分析與討論，其擷取 鋼筋最大編碼值如圖 4-16。[44]