鋼筋混凝土構造物儀器檢測

1.非破壞性試驗 (1)反彈錘法

參考規範為 CNS 10732 硬化混凝土反彈數試驗法與 ASTM C805 “Standard test method for rebound number of hardened concrete＂，反彈錘的構造主要構件有四部份：(1)外殼；(2)衝擊 桿；(3)錘塊；及(4)彈簧。實際檢測強度時，將突出儀器外面的 衝擊桿與混凝土表面接觸，當衝擊桿還是突出儀器外面時，其 內部的錘塊將會被卡損固定在桿頂端，此時把儀器外殼推向混 凝土表面，使連接儀器外殼與錘塊的彈簧伸長，當外殼推到與 桿頂接觸時，卡損將放開錘塊，使其衝向混凝土，而撞擊到衝 擊桿上的突肩部分，並反彈回去。反彈錘塊將會帶動指針，以 顯示反彈的距離。反彈距離的刻度數字由 10 到 100 之間，稱為 反彈值。

在反彈錘法的檢測中，只有與衝桿接觸的混凝土部分影響 反彈值，例如若接觸到硬石塊，會產生較高的反彈值；相反地，

若接觸到空洞或較軟石塊將會產生較低的反彈值。所以同一塊 混凝土會因取樣點的不同而有不同的數據。依 ASTM C 805 的 規定，每次檢測時取 10 個值來平均之，假如其中有一個值超過 平均值達 7 個單位以上時，此數值必須捨棄，然後再將剩餘的 數值平均之；假若有二個值以上都是大於平均值 7 個單位時，

則此 10 個值必須全部捨棄。

因為反彈錘法只檢測到混凝土表面層附近的強度，所以並 不能代表就是混凝土內部的強度。若表面有碳化現象存在，會 導致測得的表面強度大於內部的強度；同樣地，表面乾燥時測

表面強度，如木範本支撐而成的混凝土表面強度將比鋼範本支 撐而成的混凝土表面強度高。只有表面數英吋的厚度情況會對 強度有較大的影響而已。當表面較粗糙時，所測得的強度會比 實際值低，故測粗糙表面情況的混凝土必須先磨平。如果表面 有用墁刀處理過，其表面會較堅硬，而可以得到較高之反彈值。

另外，檢測時儀器與表面的角度也會影響反彈值。

綜合以上而言，反彈錘法是一種非常簡單的檢測方法，但 是影響混凝土表面強度的因素很多種，所得結果只能當作參考 用，這是使用者必須事先認知的。雖然儀器製造商提供了反彈 值和抗壓強度間的關係圖，但是由於混凝土本身有太多的變異 及因數影響，所以使用者仍應自行建立適用材料的關係表，以 提高預估強度的準確度及可信度。

此法檢測時依構造物面積大小，選擇面積約 1×2 m 的混凝 土表面，繪製 20 cm 見方之方格進行試錘試驗，每一方格測試 12 個數據，計算時先將最大與最小值剔除後，求其平均值，再 依儀器所附之反彈值與混凝土抗壓強度推估曲線，獲得混凝土 表面硬度。比對反彈值推估所得與鑽心試體之抗壓強度試驗結 果，試驗情形如圖 4.1。

圖 4.1 碼頭岸壁面繪製方格

(2)鋼筋電阻係數量測

由於混凝土構造物內部含水量增加或離子濃度增加時，電 阻係數將會隨之降低；而微細裂縫的存在與否及其多寡、深度 範圍等也將對電阻係數造成影響，因此本項試驗結果僅供參考。

量測時係於混凝土表面鑽取定距離之兩孔(約 5 公分)，吹出孔內 因鑽孔而產生之粉塵顆粒後，注入凡士林做為介質，接著利用 具兩個探針(頭)之電阻量測儀進行試驗。

(3)鋼筋電位值量測

混凝土內鋼筋腐蝕是一種電化學反應(Electro Reaction)，在 鋼筋表面會形成陰極(鈍態)和陽極(正在腐蝕中部份)，不同位置 會有不同的電位和電流型態，利用此種原理，可有效地測量某 一範圍之電位分佈情形，以評估在鋼筋表面上發生腐蝕的可能 程度。

鋼筋腐蝕電位量測前，須先在結構物上找出鋼筋位置，用 鑽孔機破壞鋼筋保護層混凝土，使鋼筋能量測儀器連接成一通 路，將導線與電錶連接後，移動參考電極即可量測出整個結構 物內半電池腐蝕電位(Half Cell)，如圖 4.2 所示。電極棒內之硫 酸銅溶液應在飽和狀態，電極移動時溶液與內部銅棒須完全接 觸同時電極前面須用海綿填充。測定前導線應檢查內部銅線是 否腐蝕或電阻過大，才能讀出正確的腐蝕電位，結構物表面在 量測前應潑水使成面乾內飽和狀態。

圖 4.2 鋼筋腐蝕電位量測示意圖

腐蝕電位與鋼筋腐蝕關係，依據 ASTM C-876 及 Van Daveer 建議電位在－200mV CSE(飽和硫酸銅電極) 時腐蝕機率各為小 於 10％和 5％電位在－200mV 至－350mV CSE 時腐蝕機率為 大於 50％，電位若小於-350mV CSE 時，腐蝕機率則提高至大 於 90％和 95％。如表 4-1 所示。

表 4-1 鋼筋腐蝕電位與腐蝕機率關係 鋼筋電位值 mV (cse) 腐蝕機率

>-200 <5%

-200~-350 5%~95%

<-350 >95%

利用鋼筋電位推估鋼筋腐蝕相當簡便，但其缺點為：

A.數據只能研判鋼筋是否可能發生腐蝕，無法測知鋼筋之腐蝕速 率。

B.不適用於中性化的結構或海砂結構體，理由是中性化所引起的 介面電位元差，可能高達-200 mV，容易造成誤判。

C.無法用於海水下方之構造物。

(4)混凝土裂縫探測

參 考 規 範 為 ASTM C1383 “ Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method＂。一般常用檢測方式為敲擊回音法 (Impact echo)，可量測混凝土之裂縫深度以及保護層厚度。1983 年起，在美國國家標準及科技院(National Institute of Standards and Technology)及康乃爾大學(Cornell University)資助下，由 Carino 及 Sansalone 博士研究發展敲擊回音法(Impact-Echo Method)，與超音 波法同樣是利用應力波動原理，但其改變了應力波激發源為機械 性的敲擊方式，接收器改成由點接觸之位移訊號接收器，除了直 接在時間領域上，對量測到的位移波形作訊號分析外，亦透過快 速傅利葉轉換(FFT)的處理，在頻率領域上作訊號分析。其原理與 施測方式已列入 ASTM C-1383。

目前國內常採用敲擊式繞射波傳輸時間法，該方法是以應力 波傳動原理為基礎，以小直徑的鋼珠當為敲擊源導入應力波，在 表面敲擊後主要將產生三種形式的應力波，其中應力波 P-波及 S-波向物體內部傳動(如圖 4.3(a))，而另外一種表面 R 波主要是沿著 混凝土表面傳動。這三種類型的應力波以 P 波波速最快，S 波次 之。由於 P-波波速較快，所以 P-波之波前(Wave-front)先遇到裂縫 之尖端，而 S-波則跟隨在後，入射 P-波在裂縫尖端處將產生繞射 波(如圖 4.3(b))，如同在裂縫尖端處形成另一個波源，以球狀波形 方式向四面八方傳動出去(如圖 4.3(c))；當繞射波傳回至敲擊表面 時將會產生擾動，經由裂縫尖端繞射再抵達裂縫另一側表面的歷 時，故在裂縫兩側各配置一個可感式敲擊源及位移接收器，監測 所得之波形為紀錄可感式敲擊源敲擊起始時間(即訊號擷取系統 啟動時間)，另與敲擊點不同側之接收器(Receiver)監測得之起始擾 動訊號，為 P-波繞過裂縫尖端到達所引起，此乃因為表面開裂裂 縫阻絕或延遲表面 P 波以及 R-波之到達所致，之後所測得的位移

(a)應力波導入測試物體

(b)應力波遭遇尖端產生繞射

(c)繞射應力波向外傳動

圖 4.3 應力波與表面裂縫之互制作用

圖 4.4(a)為敲擊式繞射波傳輸時間法之裂縫檢測示意圖，第一 接收器與敲擊源相距 H0，敲擊源及第二接收器與裂縫之距離分別 為 H1及 H2，當第一接收器接收到表面波向下的位移反應時，整 個監測系統將被啟動，此一表面波之波到時間假設為 t₁，如圖 4.4(b) 所示，而在第二接收器記錄到之裂縫繞射波之波到時間為 t₂如圖 11(c)，從監測系統啟動到第二接收器感應到繞射波到達之時間為 t2-t1，但是敲擊乃發生在監測系統啟動之前的某一時間，這個時間 恰好是 R 波由敲擊源傳動至第一接收器所需時間，亦即是 H0 除

以 R 波的波速(CR)，於是 P 波由敲擊源至第二接收器所經歷的總 Voltage t1

-150 0 150 300 450 600 Time(s)

Voltage

t2

A.儀器介紹

敲擊式繞射波傳輸時間法所使用之試驗系統，係由四個主 要元件組合而成：1.訊號擷取卡、2.筆記型電腦、3.可感測敲擊 源、4.位移接收器，分別說明如下。

(A)訊號擷取卡：接收器接收連續之類比(Analog)訊號時，必須 由 A/D 卡抓取並轉換成不連續之數位(Digital)之訊號，以便 後續之訊號處理、分析及儲存。本案所使用之 PicoScope3224 之 A/D 卡以 USB port 連結電腦並提供兩個 BNC 插槽用以外 接位移接收器，資料的最快擷取速率為 10MHz(每 0.1s 紀錄 一筆資料)，解析度(resolution)為 12 bits。

(B)筆記型電腦：A/D 卡轉換完成之數位訊號，可透過軟體抓取 到記憶體中，再進行訊號處理、分析或儲存於硬碟裡。

(C)可感式敲擊源及位移接器其說明如下：

a.敲擊源：小直徑(3~12mm)的鋼珠即是一個很好的敲擊源，透 過鋼珠自由落下與試體表面產生碰撞而導入應力波。本案採 用可感測敲擊時間原點之敲擊源，此敲擊鋼珠內部裝設有可 感測位移變化之壓電材料，可在能量導入檢測物體的同時，

感應到時間的原點。

b.接收器：為一種很小成倒錐體形之壓電材料，因此可視為類 似點之接觸，所反應出來之訊號與垂直表面位移量成正比。

B.使用時機與注意事項

國內針對表面開裂裂縫之深度量測常規範以超音波法進 行量測。其應用範圍相當廣範，包括金屬材料瑕疵、焊接品質、

殘留應力、人體檢查...等，惟其在混凝土材料上之應用並不理 想，主要缺點為：(1)超音波引進混凝土內部之高頻波，容易被 混凝土內部之小孔隙所散射，雖然後來已有較低頻之超音波儀 器上市，但其透過電壓激發壓電材料變形所產生之波源，能量 仍不足，限制了應力波傳動距離；(2)埋設在混凝土內部鋼筋之

影響，無法有效去除；(3)探頭尺寸過大，為了能有效產生激發 源及訊號接收，混凝土表面必須特別處理並塗抹耦合液，施測 時須給予適度壓力，容易產生誤差；(4)市售之數字化簡易型超 音波儀器，無任何波形訊號供分析用，無法辨識第一波到訊號

影響，無法有效去除；(3)探頭尺寸過大，為了能有效產生激發 源及訊號接收，混凝土表面必須特別處理並塗抹耦合液，施測 時須給予適度壓力，容易產生誤差；(4)市售之數字化簡易型超 音波儀器，無任何波形訊號供分析用，無法辨識第一波到訊號