第三章 非破壞檢測方法驗證
第一節 非破壞檢測方法原理與設備
一、透地雷達 1、方法原理
透地雷達法係應用數百伏特的激發電壓，產生頻率為 10 至 2500MHz、歷時為幾十億分之一秒（ns）的脈衝電磁波（雷達 波），不斷地由發射天線向結構物表面發射，應用入射之雷達波 遇結構體內或地層界面間介電常數（dielectric constant）有差 異，造成反射雷達波之相位與振幅與原入射達波不同，在結構體 表面（或地面）以接收天線感應反射雷達波，經處理及分析後，
依其接收時間快慢、振幅衰減情形及由測點與反射時間構成之影 像（稱透地雷達剖面），可描繪出結構體或地層內部狀況。因施 測時不會破壞被測物體及其週遭環境，故為一種非破壞性的檢測 方法。近年來由於儀器及電腦設備的不斷改進與更新，理論分析 又趨於完備，使得此項技術達到更為廣泛實用的地步，應用範圍 包含地層探查、地體構造判釋、地下水探查、古跡遺址探查、地 下管線探查、鋼筋定位、道路鋪面調查等。
透地雷達傳遞的訊號為高頻電磁波，經由結構體內（或地層 內）反射至接收天線，電磁波反射時間差異與能量大小，主要由 雷達波速與衰減率決定，此兩參數受介質電容率（permittivity）
及導電率（conductivity）所控制。因多數地工材料或地層材料 的電性變化較磁性變化為大，故雷達波傳遞受電性影響較磁性為
大。
K 為相對電容率（relative permittivity）
或稱為介電常數（dielectric constant）
當上層介質介電常數較大時，r>0，表示反射波相位與入射
Vradar
D = (Tb-Ta)
精度無法同時滿足，因此需視個別案例情況決定。
2、儀器設備
本研究採用美國 GSSI 公司 SIR2000 透地雷達主機作為檢測 儀器，檢測系統包含控制主機及天線等。
（1）控制主機：此控制主機為一整合式硬體，內含數位運算 器、資料擷取器、硬碟及螢幕等，主要作為資料操控中 心，藉由操控程式進行參數設定，將重複產生之電脈衝 送至發射天線以產生雷達波，並同時接收由天線內感應 之反射雷達波信號，此信號經內部晶片處理後，成為數 位記錄顯示於監控螢幕上，供即時研判並儲存於內部硬 碟中。主機外觀參見照片 3-1。本操控主機以光纖電纜 與天線連接，光纖電纜長度為 30m，施測時，係先將主 機放至於定位，一般約位於測線中心點，在將天線放置 於測線之一端，俟主機啟動記錄後，即可將天線以等速 沿測線移動，進行資料蒐集。
照片 3-1 SIR2000 透地雷達主機
（2）天線：主機以掃描速率約 50KHz 左右頻率，重複發射 雷達波至地下或結構體，同時接收由目標體或層面反射 回之電磁波信號。天線產生之雷達波中心頻率有數種，
大致在 80MHz 至 1000MHz 間。本研究採用兩種天線，
中心頻率分別為 400 及 900MHz。天線外觀參見照片 3-2。
照片 3-2 透地雷達天線
(400MHz) (900MHz)
3、檢測步驟
（1）測線佈置
依據欲探測之目標物之性狀，決定測線之走向、位置及間 距，一般若目標物為線形時，測線方向規劃垂直於線形方向；
而其他形狀待測物，測線規劃為縱橫格線，格線密度依待測物 尺寸而定。進行鋼筋定位時，因資料準確度需求較高，一般均 在混凝土表面以噴漆標示測線位置，再以 10cm 或其他間距進 行標示，作為空間定位使用。
（2）設備組裝 樣個數（Sample）、掃描速率（Scan Rate）、放大倍率（Gain）、 濾波設定（Filtering）、介電參數等。
（5）測試
二、敲擊回音法 1、方法原理
敲擊回音法起源於 1983 年，由美國國家標準及科技院
（National Institute of Standards and Technology）針對超音波 法在混凝土材料應用上之限制（例如高頻波之散射衰減、激發能
（ASTM C-1383）。
2、儀器設備
因多數傳統設備體積過大，單元較為複雜，現地應用時組裝 且需多人協助試驗進行，不僅現地試驗需時較久，且檢測成本較 高較不經濟。而中興工程顧問社 SINO-NDT-IE 檢測儀搭配可感 測鋼珠敲擊器，可簡化儀器配置，現地試驗較為經濟省事，且資 料精度甚至超越國外類似儀器設備，故採用作為本研究試驗設 備。SINO-NDT-IE 檢測儀有以下特徵：
（1）可感測鋼珠敲擊器
敲擊器內含感應裝置，可感測敲擊時間原點。鋼珠敲擊器 尺寸分別為3、5、7及9mm。
（2）電路盒
將電腦、AD 轉換器、敲擊源、接收器及訊號電纜連接，
並開機暖機進行功能測試。
（2）檢測應用
依檢測目的分別進入不同電腦程式及進行不同儀器配 置。其中關於混凝土版厚及內部瑕疵檢測，美國 ASTM C1383 有非常詳盡的說明與規範，參見附錄一。以下簡單敘述各項目 之檢測步驟。
4、檢測項目
（1）表面波速量測
a、進行數位設定，包含記錄個數（Length）、時間間距（dT）、 最大輸入電壓等。其中時間間距與資料解析度有關，間
波速。一般表面波量測可分別進行 P 波或 R 波波速的量 測。
圖 3-1 表面波速量測示意圖
d
d、記錄敲擊波形及接收波形，並儲存於硬碟中。
e、進行暫態應力波波到時間研判。其中敲擊記錄中，應力 波到時間為 Ta；接收記錄中，應力波到時間為 Tb。 f、混凝土波速（V）計算公式見下式：
Tb-Ta V = d
... （3-4）
（2）P 波波速量測
a、進行數位設定，包含記錄個數（Length）、時間間距（dT）、
最大輸入電壓等。其中設定注意事項與上述設定相同。
b、將接收器裝設於混凝土試體一側表面，並輕壓使點狀感 應器接觸混凝土。
c、在混凝土試體另一側表面，以可感測鋼珠敲擊器敲擊混 凝土表面，敲擊點與接收器距離為 d，試驗配置參見圖 3-2。敲擊引發之暫態應力波採直線最短路徑到達接收器 位置，故量測直達波走時，經簡單計算即可獲得相關材 料波速。
圖 3-2 P 波波速量測示意圖
d
d、記錄敲擊波形及接收波形，並儲存於硬碟中。
e、進行暫態應力波波到時間研判。其中敲擊記錄中，應力 波到時間為 Ta；接收記錄中，應力波到時間為 Tb。 f、混凝土波速（V）計算公式參見 3-4 式。
（3）版厚及內部瑕疵檢測
a、進行數位設定，包含記錄個數（Length）、時間間距（dT）、 最大輸入電壓、混凝土設計版厚（或待測深度）等。其 中記錄時間設定需遠大於應力波反射波走時，此與混凝 土材料波速及待測深度有關。
b、將接收器裝設於混凝土試體一側表面，並輕壓使點狀感 應器接觸混凝土。
c、在混凝土試體表面，以一般鋼珠敲擊器敲擊混凝土表面，
敲擊點與接收器儘可能接近，試驗配置參見圖 3-3。敲 擊引發之暫態應力波向下傳遞，遇到介質不連續位置（如 空洞位置或底部等），即產生反射波返回表面，此反射 波在混凝土表面再形成反射，再次向下傳遞，此過程週 而復始，故可獲得多次反射波，故可藉由反射波走時，
經簡單計算即可獲得相關缺陷深度或擋土牆厚度。
圖 3-3 版厚及內部瑕疵檢測示意圖
T
d、記錄接收波形，並儲存於硬碟中。
e、進行 FFT 轉換，並在頻率域中，進行特徵頻率研判（F）。
其中特徵頻率係為強度較明顯之波訊頻率，一般完整混 凝土結構物，大多僅出現一處特徵頻率，代表版厚位置；
若出現多處特徵頻率，表示內部距多處瑕疵。
f、檢測資料與使用一般鋼珠敲擊器之尺寸有關，對於深度 較大檢測應用，係採較大鋼珠尺寸，對於極淺瑕疵，使 用最小鋼珠尺寸。
g、混凝土版厚或待測深度（T）計算公式參見 3-5 式。
2F T = 0.96 . V
... （3-5）
其中： V 為混凝土波速，
F 為特徵頻率
（4）表面裂縫深度檢測
a、進行數位設定，包含記錄個數（Length）、時間間距（dT）、 最大輸入電壓等。其中記錄時間設定需大於應力波走 時，此與混凝土材料波速、試驗間距與預估之裂縫深度 有關。
b、將接收器裝設於表面裂縫一側，距離裂縫開口距離為 d，
並輕壓使點狀感應器接觸混凝土。
c、在混凝土試體表面裂縫另一側，以可感測鋼珠敲擊器敲 擊混凝土表面，敲擊點與裂縫開口距離為 d，試驗配置 參見圖 3-4。敲擊引發之暫態應力波向四周傳遞，因受 裂縫阻擋，無法直達接收器位置，但可經由裂縫尖端形 成繞射波，朝向接收器位置前進。故量測繞射波走時，
再經由簡單幾何運算，即可獲得相關裂縫深度。
圖 3-4 裂縫深度檢測示意圖
d d
t
d、記錄敲擊波形及接收波形，並儲存於硬碟中。
e、進行暫態應力波波到時間研判。其中敲擊記錄中，應力 波到時間為 Ta，接收記錄中，應力波波到時間為 Tb。 f、裂縫深度（t）計算公式參見 3-6 式。
(Tb-Ta) - d t = ( )
2 .V 2 2
... （3-6）
g、另裂縫量測方法亦可採相位法，根據前人研究顯示：裂 縫尖端形成的繞射波，其相位將隨上述接收器距離（d）
而改變，當 d 小於臨界距離時，繞射波初動相位與敲擊 點表面位移方向一致，也就是朝向混凝土深度方向；當 d 等於或大於臨界距離時，繞射波初動相位呈 180 度反 轉，而臨界距離恰為裂縫深度。因此可藉由變換量測位 置，增加接收器距離進行試驗，藉由研判波形相位反轉，
該距離即為裂縫深度，本方法好處在於不需進行波速量 測，但需較多試驗次數。
三、反彈錘 1、方法原理
反彈錘法主要是利用衝錘帶動衝擊棒以撞擊混凝土表面，然 後利用衝錘的反彈數(Rebound Number)來求得混凝土表面的 硬度，並來推測其抗壓強度。一般儀器廠商均提供反彈值與強度 對照表，作為試驗值與強度之轉換關係，
2、儀器設備
本 研 究 採 用 瑞 士 PROVEQ 公 司 之 Schmidt Hammer
（type-N）進行試驗，見照片 3-3。
照片 3-3 反彈錘儀器設備
3、試驗步驟
試驗步驟係參照 CNS 10732 A3199（參見附錄二）之規定 辦理。
（1）待測混凝土構件厚度至少需有 10cm，較小試體必須有 牢固且具有適當剛度之支持。
（2）待測試體表面積直徑至少需有 15cm。待測試體表面如 過分粗糙禍水泥沙將鬆散時，需以合於規定之磨石，進 行研磨。
（3）將試錘握牢，於試驗位置，使其撞頭垂直壁面，緩緩施 加壓力，直至撞頭彈擊混凝土表面，並記錄反彈值。
（3）將試錘握牢，於試驗位置，使其撞頭垂直壁面，緩緩施 加壓力，直至撞頭彈擊混凝土表面，並記錄反彈值。