應用主動式聲射法於混凝土斷面高溫劣化深度
與強度關係之研究
內政部建築研究所自行研究報告
中華民國 107 年 12 月
PG10705-0088
應用主動式聲射法於混凝土斷面高溫劣化深度
與強度關係之研究
研究主持人：王天志
研 究 期 程 ： 中華民國 107 年 1 月至 107 年 12 月
內政部建築研究所自行研究報告
中華民國 107 年 12 月
（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）MINISTRY OF THE INTERIOR
RESEARCH PROJECT REPORT
Study on the relationship between depth and
strength of high temperature degradation of
concrete section by active acoustic method
BY
TIEN CHIH WANG
目次
表次 ... III
圖次 ... V
摘要 ... XI
第一章 緒論 ... 1
第一節 研究緣起與目的 ... 1
第二節 研究方法 ... 3
第二章 文獻回顧 ... 5
第一節 混凝土材料高溫性質變化 ... 5
第二節 混凝土高溫後的檢測 ... 12
第三節 波傳基本原理 ... 15
第三章 實驗規劃 ... 21
第一節 實驗整體規劃 ... 21
第二節 試體規劃設計與製作 ... 25
第三節 實驗設備 ... 34
第四節 實驗步驟 ... 41
第四章 實驗結果與討論 ... 45
第一節 多頻道表面波震測法量測 ... 45
第二節 超音波脈衝剪壓波速量測 ... 58
第三節 反彈錘法量測 ... 63
第五章 結論與建議 ... 71
第一節 結論 ... 71
第二節 建議 ... 72
參考書目 ... 73
表次
表 3-1 試體規劃 ... 25
表 3-2 混凝土配比 ... 25
表 3-3 竹節鋼筋規格 ... 26
表 3-4 混凝土之強度發展 ... 28
表 3-5 鑽心圓柱試體編號及其試驗目的 ... 33
表 4-1 鑽心圓柱試體外觀顏色變化、剪力波速、壓力波速及推估火
害最高溫度和抗壓強度折減 ... 60
表 4-2 鑽心圓柱試體未切片前火害表面反彈數 ... 64
表 4-3 鑽心圓柱試體切片後反彈數 ... 67
表 4-4 鑽心圓柱試體編號 1、2、4 抗壓試驗值 ... 69
圖次
圖 1-1 火災次數統計 ... 2
圖 1-2 105 年建築物火災依用途類別區分統計 ... 2
圖 1-3 多頻道波場轉換分析法示意圖 ... 3
圖 2-1 骨材與水泥漿體之熱應變圖 ... 6
圖 2-2 混凝土比熱 ... 7
圖 2-3 Eurocode 2（1995）及Ellingwood等人（1980）所提出的混
凝土熱傳導係數k與溫度之關係 ... 8
圖 2-4 ACI 216（1994）混凝土熱傳導係數與溫度之關係 ... 9
圖 2-5 Eurocode 2 與T.T.Lie 建議的熱容比與溫度之比較 ... 9
圖 2-6 ACI 216 高溫中矽質骨材混凝土抗壓強度遞減之關係 ... 10
圖 2-7 ACI 216 高溫中混凝土彈性模數遞減之關係 ... 11
圖 2-8 Eurocode 2 高溫中混凝土抗壓強度折減遞減之關係 .... 11
圖 2-9 Eurocode 2 高溫中矽質骨材混凝土應力應變曲線之關係 12
圖 2-10 應力波動行為示意圖 ... 15
圖 2-11 彈性體內波傳示意圖 ... 16
圖 2-12 表面波頻譜法試驗配置示意圖 ... 18
圖 2-13 多頻道表面波分析法試驗配置示意圖 ... 18
圖 3-1 實驗規劃圖示 ... 22
圖 3-2 施測配置圖示 ... 22
圖 3-3 超音波脈衝量測配置圖示 ... 23
圖 3-4 鑽心圓柱試體切片 ... 23
圖 3-5 多頻道波場轉換分析法示意圖 ... 24
圖 3-6 混凝土澆置過程 ... 27
圖 3-7 完整良好混凝土試體完成外觀 ... 27
圖 3-8 完整良好混凝土試體內鋼筋位置示意 ... 27
圖 3-9 分層混凝土試體完成外觀 ... 28
圖 3-10 分層混凝土試體內鋼筋位置示意 ... 28
圖 3-11 試體S00 內部升溫曲線(無添加聚丙烯纖維) ... 29
圖 3-12 試體S00 試驗後曝火面與非曝火面(無添加聚丙烯纖維) 30
圖 3-13 試體S10 內部升溫曲線(添加聚丙烯纖維) ... 30
圖 3-14 試體S10 試驗後曝火面與非曝火面(添加聚丙烯纖維) .. 31
圖 3-15 試體S00、S10 內部熱電偶線位置圖 ... 31
圖 3-16 試體鑽心過程及鑽心後情形 ... 32
圖 3-17 鑽心圓柱試體位置對照圖 ... 32
圖 3-18 鑽心圓柱試體切片 ... 33
圖 3-19 鑽心圓柱試體切片後情形 ... 33
圖 3-20 敲擊鋼珠錘(採用直徑 7 mm) ... 34
圖 3-21 WD Sensor ... 35
圖 3-22 蜜蠟(型號：080A24) ... 35
圖 3-23 接收器型錄說明 ... 36
圖 3-24 擷取介面器與前置放大器 ... 37
圖 3-25 超音波脈衝主機及其探頭 ... 38
圖 3-26 波形圖與波傳資料擷取 ... 38
圖 3-27 施密特錘 ... 39
圖 3-28 反彈數與抗壓強度關係圖 ... 40
圖 3-29 量測配置示意圖 ... 41
圖 3-30 量測配置圖 ... 42
圖 4-1 量測過程試驗流程圖 ... 46
圖 4-2 多頻道波場轉換分析圖 ... 47
圖 4-3 完整無損無筋混凝土量測位置圖 ... 48
圖 4-4 完整無損無筋混凝土各量測位置不同斷面深度剪力波速圖
... 49
圖 4-5 完整無損無筋混凝土量測區域 2D斷面剪力波速圖 ... 50
圖 4-6 人工分層無筋混凝土量測位置圖 ... 51
圖 4-7 人工分層無筋混凝土各量測位置不同斷面深度剪力波速圖
... 52
圖 4-8 人工分層無筋混凝土量測區域 2D斷面剪力波速圖 ... 53
圖 4-9 位於鋼筋正上方收錄之頻散曲線圖(a)影響類型 1 (b)影響類
型 2 ... 54
圖 4-10 偏移鋼筋 3 公分之頻散曲線圖 ... 54
圖 4-11 火害過之試體的現場量測情形 ... 55
圖 4-12 試體時間域震動資料 (a)火害後試體 (b)人工分層試體 56
圖 4-13 量測設備之調整 (a)攜帶式震動擷取主機 (b) 六角板手
震動源 ... 57
圖 4-14 超音波脈衝量測用鑽心圓柱試體外觀 ... 58
圖 4-15 鑽心圓柱試體超音波脈衝量測 ... 59
圖 4-16 鑽心圓柱試體外觀顏色變化觀察 ... 59
圖 4-17 鑽心圓柱試體距火害表面不同深度剪壓波速比 ... 61
圖 4-18 鑽心圓柱試體距火害表面不同深度推估最高溫度 ... 61
圖 4-19 鑽心圓柱試體距火害表面不同深度抗壓強度(原試體抗壓
強度 10300psi) ... 62
圖 4-20 鑽心圓柱試體 6、7、10 切片，以反彈錘法量測距火害表面
不同深度抗壓強度平均值 ... 66
圖 4-21 由超音波脈衝剪壓波速比及反彈錘法量測，距火害表面不
同深度抗壓強度值 ... 66
摘要
關鍵詞：非破壞檢測、高溫劣化深度一、研究緣起
混凝土一般為優良的耐火材，但在快速的火場溫升及過高的火場溫度下，仍 會對其材料性能造成損壞，進而造成結構構件承載能力下降，危及建築物後續使 用的安全。因此對於火害後建築安全的評估確認，是一件重要的工作。在此安全 評估當中，火害後的混凝土殘留強度以及損傷深度等為重要參數。鑽心取樣為最 直接之方式，但其不僅須花費較高的人力與費用，更因為其往往僅有少數試體而 造成代表性不足，無法有效反應整體結構物之安全狀態，因此，發展具現場施測 便利性之非破壞性檢測方法以進行更完整之調查工作有其必要性。 本案針對混凝土火害傷損深度進行研究探討，火害後混凝土表面修補深度， 多以裂縫、剝落深度或保護層為主，而非依實際狀況進行，採用非破壞性檢測， 可快速且較為全面的評估，對於火損未達需拆除重建的建築，提供後續混凝土表 面刨除修補重要的參考。二、研究方法與過程
首先，本研究進行蒐集彙整國內外相關文獻，瞭解不同量測方式的優缺點。 利用主動式聲射法技術，研擬可實際應用於火場，快速檢測鋼筋混凝土火害傷損 之非破壞檢測方法，檢測混凝土斷面受高溫裂化傷損深度與強度關係狀況調查。 檢測方式主要是透過敲擊在混凝土表面產生表面波，藉由多頻道受波器進行訊號 接收，在波速頻率域獲得頻散曲線進行速度反算，獲得自混凝土表面至內部的構 材剪力波速分布，再據以分析火害傷損深度。三、重要發現
本案藉由文獻回顧及試驗結果彙整分析，可得到以下重要發現： 1. 主動式聲射法來經實驗室內量測驗證，本法可獲得試體內部劣化深度資 訊。2. 主動式聲射法於實際混凝土板火害後斷面高溫裂化深度的量測，量測結果 產生波形無法分析的情況，經檢討可能原因有(1)量測儀器之不適用，(2) 火害後試體表面之影響，(3)板厚度較薄，此 3 種原因有待後續研究予以釐 清改進。 3. 以超音波法對鑽心圓柱試體進行剪壓波速比量測，並與本所 107 年度委託 研究案「火害現場結構材料探傷檢測系統韌體研發及應用研究」所建立之火害 傷損與剪壓波速比資料對照，可用以推估不同斷面劣化深度的最高溫度與 其對應之殘留抗壓強度值。 4. 將鑽心圓柱試體切片後進行反彈錘法量測，在本試驗的火害加熱條件下， 可觀察到試體抗壓強度隨劣化深度而變，在距火害面 5 公分以內為主要的 強度折減範圍，此強度變化與由超音波脈衝法所得具有類似的趨勢。 5. 圓柱試體抗壓試驗所呈現的係整個試體的整體強度，藉由將鑽心試體進行 抗壓試驗，可發現其抗壓強度值受火害區影響很大，但又非等同火害表面 的抗壓強度值。
四、主要建議事項
立即可行建議 -混凝土斷面高溫劣化深度可視化研究 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關： 混凝土建築火害後多仍具有一定的結構承載力，因此其主要關注點在修補或 補強範圍的確定，混凝土斷面高溫劣化深度量測與可視化研究，可提供火害後建 築後續作業的參考，另外，傳統鑽心混凝土試體強度所呈現的為整體的抗壓強度 值，無法呈現火害後各不同劣化深度的強度變化情形，未來若採用結構性能式分 析，材料強度需考量距火害表面不同深度有不同的強度值，使分析能與實際情形 更為接近，以符合性能式分析的精神。ABSTRACT
Keywords：non-destructive test, high temperature degradation depth 1. The research background
Generally, concrete is an excellent refractory material, but in the case of rapid fire temperature rise and excessive fire temperature, it will still cause damage to its material properties, which will result in a decrease in the bearing capacity of structural members and endanger the safety of subsequent use of buildings. Therefore, the assessment of building safety after fire damage is an important task. In this safety assessment, the residual strength and the depth of damage of the concrete after the fire damage are important parameters. It is necessary to develop a non-destructive testing method on site that is convenient to perform for a more complete investigation.
In this research, the depth of concrete damage is studied. The depth of concrete surface repair after fire damage is mostly based on cracks, spalling depth or protective layer, rather than actual conditions. Non-destructive testing provides a quick and comprehensive assessment and provides an important reference for subsequent concrete surface repair.
2. Research process
This study collects relevant literatures to understand the characteristics of different measurement methods. Using the active sounding method technology, the non-destructive testing method for rapid detection of fire damaged reinforced concrete can be developed, and the relationship between the depth and strength of the concrete subjected to high temperature cracking damage is investigated.
The detection method is to generate surface waves on the concrete surface by tapping, receive signals by multi-channel wave receiver, obtain the dispersion curve in the wave speed frequency domain, and calculate the speed of the material to obtain the shear wave velocity distribution from the concrete surface to the inside and according to analysis the fire damage depth.
3. Conclusion
(1) The active sounding method is verified by the measurement in the laboratory, and the method can obtain the depth information of the internal degradation.
(2) The active sounding method is used to measure the high temperature cracking depth of the actual concrete slab after the fire damage. The measurement result can not be analyzed. The possible reasons are: (1) the measurement instrument is not applicable, (2) the influence of the surface of the fire damaged slab, (3) the thickness of the plate is too thin.
(3) The ultrasonic pulse Vs/Vp ratio measurement of the core cylinder specimen is compared with the data established by other project, and can be used to estimate the maximum temperature of different degradation depths and the corresponding residual compressive strength values.
(4) After the core cylinder specimen was sliced, the rebound hammer method was used for measurement. Under the test condition of this case, the compressive strength of the test piece was observed to change with the depth of deterioration, and the main strength reduction was within 5 cm from the fire damage surface. The reduction range, which has a similar trend as that obtained by the ultrasonic pulse method.
(5) The compression test of the cylinder specimen shows the overall strength of the whole specimen. It can be found that the compressive strength value is greatly affected by the fire damage zone, but it is not equivalent to the fire damage surface.
第一章 緒論
第一節 研究緣起與目的
近半世紀以來，由於經濟快速成長，以及經濟活動、工作的需求，人口大量 湧向都會中心，加以臺灣都會土地面積狹小，造成建築群朝向大型化、複雜化、 地下化與高層化發展。老舊與擁擠的建築，伴隨而來的火災危害從未間斷，尤其 隨著現代生活的需求，電氣火災更是近幾年來造成火災的最主要原因。根據內政 部消防署統計，101 年至 105 年每年發生火災平均約 1600 次(圖 1-1)，以 105 年為例，如以建築物用途類別區分，住宅類(集合 + 獨立住宅)發生火災的比例 佔約 56 %(圖 1-2)，遠超過發生機率第 2 名工廠類的 12.6 %；如以建築物樓層 數區分，則多數發生在 1 至 5 層樓發生機率佔約 85 % (約 1200 餘次)，而臺灣 地區 1 至 5 層樓建築大多數屬於鋼筋混凝土造，以及較老舊建築的加強磚造類別。 由以上統計數據可知，火災雖然不像大地震災害會一次造成大量的建築損壞，但 每年火災造成的建築損壞累計數量依舊相當龐大，且其火害後所受到的建築安全 關注也較震害來的小，甚至部分嚴重火災後的建築，在經表面重新粉刷後就繼續 使用或轉賣給不知情的使用者，當面對再次的災害(火災或地震)來臨時，將造成 住戶生命財產極大的風險。 對於混凝土的普通印象，都是認為其為優良的耐火材，不用保護就具有耐火 時效，在我國建築技術規則也明列鋼筋混凝土構造當具有足夠的保護層時，即具 有相對應的耐火時效。但在快速的火場溫升、過高的火場溫度以及火場延燒時間 過長等，仍會對混凝土材料性能造成損壞，進而造成結構構件承載能力下降，危 及建築物後續使用的安全。因此對於火害後建築安全的確認，是一件重要的工作， 鋼筋混凝土結構受火害後，結構物雖通常不會有立即崩塌的狀況，然而在災後對 於結構物之安全有進行專業評估之必要。在此安全評估當中，火害後的鋼筋殘留 強度(包括剩餘握裹力)、混凝土殘留強度以及混凝土損傷深度等為重要參數。鑽 心取樣為最直接之方式，但其不僅須花費較高的人力與費用，更因為其往往僅有 少數試體而造成代表性不足，無法有效反應整體結構物之安全狀態，因此，發展 具現場施測便利性之非破壞性檢測方法以進行更完整之調查工作有其必要性。圖 1-1 火災次數統計
(資料來源：內政部消防署)圖 1-2 105 年建築物火災依用途類別區分統計
(資料來源：內政部消防署) 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000 101年 102年 103年 104年 105年本所近幾年科技計畫已另案有針對火害後混凝土、鋼筋強度傷損的研究案持 續進行中，其研究成果豐碩，但量測結果未具備傷損深度訊息。本自辦案針對其 缺乏的混凝土火害傷損深度進行研究探討，火害後混凝土表面修補深度，多以裂 縫/剝落深度或保護層為主，而非依現場實際受損範圍及傷損深度進行，採用非 破壞性檢測，可快速且較為全面的評估，進行更完整之傷損調查，對於火損未達 需拆除重建的建築，提供後續混凝土表面刨除修補重要的參考，並可完善本所整 個火害後安全評估所需的重要參數，提升其實務上的參考應用價值。
第二節 研究方法
首先，本研究進行蒐集和彙整國內外相關非破壞檢測、主動式聲射法應用於 斷面量測的相關文獻，瞭解其量測原理與機制以及不同方式的優缺點。參考文獻 及本案研究目的，設計製作不同的混凝土試體，利用具深度訊息之主動式聲射法 技術，研擬可實際應用於火場，快速檢測鋼筋混凝土火害傷損之非破壞檢測方法， 檢測混凝土斷面受高溫裂化傷損深度與強度關係狀況調查。檢測方式主要是透過 敲擊在混凝土表面產生表面波，透過表面波不同波長有不同影響深度的特性，藉 由多頻道受波器進行訊號接收，在波速頻率域獲得頻散曲線進行速度反算，獲得 自混凝土表面至內部的構材剪力波速分布，再據以分析火害傷損深度。圖 1-3 多頻道波場轉換分析法示意圖
(資料來源：本研究整理)第二章 文獻回顧
第一節 混凝土材料高溫性質變化
混凝土組成主要包括水、水泥、細骨材(砂)及粗骨材(石)，依一定比例混合， 水與水泥形成水泥漿，水泥漿經一段時間水化硬固以後將粗細骨材膠結成一個整 體而成。混凝土在高溫作用下其性質皆會隨不同溫度而變，簡述如下： 一、混凝土高溫下的化學反應綜合如下（沈進發等，1991；沈進發等，1993； Khoury , 1992）： （1）溫度達 105 ℃時，混凝土中的毛細孔及吸附水逐漸散失。 （2）溫度達 200 ℃時，CSH 膠體開始失去鍵結水，混凝土內部發生化學 變化。 （3）溫度在 250 ℃至 350 ℃之間，混凝土內含Al2O3或Fe2O3的水化物內 之鍵結水，將大部分喪失。而CSH膠體的鍵結水也會喪失約 20 ﹪。 （4）溫度在 400 ℃至 700 ℃之間，CSH 膠體內保有的 80 ﹪鍵結水，將 在此階段完全分解。但在 500℃左右，漿體中的水分已分解殆盡。 （5）溫度在 440 ℃至 580 ℃之間，水泥漿體中的Ca（OH）2開始分解，但 該反應為可逆。另外，矽質骨材約在 573 ℃時，SiO2會由α相轉成β相， 由於熱震動能量的增加，使體積產生約 0.4 ﹪的熱膨脹量。 （6）溫度達 750 ℃時，石灰質骨材中的碳酸鈣開始分解，釋放出二氧化碳， 該高溫吸熱產生的生石灰（CaO），在冷卻後吸收空氣中的水氣會產生 體積膨脹，可能造成混凝土的再次龜裂。 （7）溫度在 800 ℃至 1000 ℃之間，水泥的水化物將再被重新燒結成C2S、 C3S、C4AF等水泥主要成分。 （8）溫度達 1425 ℃，剩餘水泥水化物，可能進一步熔解生成C3S。 二 、 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數 混 凝 土 之 熱 膨 脹 係 數，隨 著 含 水 量、水 灰 比 及 混 凝 土 之 材 齡 而 變。由 於 水 泥 砂 漿 和 骨 材 間 之 熱 膨 脹 係 數 不 同，故 熱 膨 脹 係 數 約 為 其 二 者 之 合 成，且 為 拌 合 骨 材 數 量 及 骨 材 熱 膨 脹 係 數 的 函 數。另 外 此 係 數 亦 包 含 了 熱 膨 脹 與 乾 縮 之 相 互 影 響。不 同 骨 材 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數 如 下 （ European Committee, 1995） : 矽 質 骨 材 混 凝 土 : 0 .0 00018 / ℃ 碳 酸 岩 骨 材 混 凝 土 : 0. 000 012 / ℃ 三、混 凝 土 的 體 積 變 化 混 凝 土 受 熱 的 潛 應 變 及 瞬 間 應 變 有 密 切 的 相 關 性 。 混 凝 土 的 體 積 變 化 包 含 水 泥 漿 體 與 骨 材 之 共 同 影 響，且 體 積 變 化 隨 溫 度 變 化 及 有 無 加 載 而 有 明 顯 的 不 同 。 一 般 骨 材 其 體 積 均 隨 溫 度 增 高 而 膨 脹 ;但 水 泥 漿 體 在 較 低 溫 時，體 積 變 化 亦 隨 溫 度 升 高 而 膨 脹 ，但 約 在 150 ℃以 上 時 ， 體 積 變 化 改 脹 為 縮 ， 如 圖 2-1。 在 此 腫 脹 縮 不 和 諧 情 況 下 ， 骨 材 與 水 泥 漿 體 界 面 間 會 產 生 脹 縮 差 異 之 內 張 應 力，當 此 應 力 超 過 極 限 時 ， 界 面 即 產 生 破 裂 或 使 原 有 裂 縫 再 擴 大 延 伸 。
圖 2-1 骨材與水泥漿體之熱應變圖
(資料來源：Rixom 等人，1986)四、混 凝 土 的 比 熱 比 熱 是 表 示 混 凝 土 之 熱 容 量 ， 混 凝 土 之 比 熱 受 骨 材 礦 物 之 影 響 較 小 ， 而 與 孔 隙 、 水 灰 比 ， 含 水 量 及 溫 度 等 的 關 係 較 密 切 。 混 凝 土 的 含 水 量 增 加 時 比 熱 亦 隨 之 增 加 ， 且 溫 度 升 高 時 ，比 熱 亦 隨 之 升 高 。 文 獻 （ European Committee, 1995） 歸 納 近 期 成 果 ， 提 供 參 考 分 析 使 用 之 混 凝 土 比 熱 ， 如 圖 2-2 所 示 。
圖 2-2 混凝土比熱
(資料來源：European Committee, 1995) 五 、 混 凝 土 的 熱 傳 遞 熱 傳 遞 方 式， 主 要 有 輻 射 、對 流 及 傳 導 三 種 方 式 。 熱 傳 遞 時 往 往 是 三 種 方 式 同 時 進 行，將 熱 由 高 溫 處 傳 至 低 溫 處，在 低 溫 時 是 以 傳 導 及 對 流 為 主，而 在 高 溫 則 以 輻 射 為 主。影 響 混 凝 土 的 熱 傳 導 率 之 主 要 因 素 有 骨 材 礦 物 性 質 、硬 固 水 泥 漿 體 、 孔 隙 量 、飽 和 度 及 環 境 溫 度 等 因 數 。 一 般 言 之 在 低 溫 時 ， 混 凝 土 有 較 高 的 熱 傳 係 數 ， 但 當 溫 度 達100 ℃以 上 時 ， 孔 隙 水 逐 漸 蒸 發 ， 骨 材 與 硬 固 水 泥 漿 體 間 ， 因 熱 應 變 不 諧 和 而 產 生 微 裂 縫 ，增 長 熱 傳 導 的 路 徑 ， 傳 導 能 力 減 弱 ， 熱 傳 係 數 逐 漸 下 降 ， 當 溫 度 約 達 800℃以上時 ， 熱 傳 係 數 逐 漸 穩 定 ， 因 此 時 主 要 以 輻 射 方 式 傳 熱 ， 使 的 傳 熱 能 力 維 持 穩 定 。 混 凝 土 熱傳係數如下： k c α ρ = (2-1) 其中 α k ρ c ρc ：熱擴散係數 (heat diffusivity) ：熱傳導係數 (thermal conductivity) (W/m℃) ：密度 (density) (kg/m3) ：比熱 (specific heat) (J/kg℃)
：熱容比 (specific heat capacity) (J/m3℃)
Eurocode 2（2010）所建議的熱傳導係數 k 及 Ellingwood 等人（1980）所提 出的熱傳導係數k 如圖 2-3 所示，另外 ACI 216（1994）所提供的混凝土熱傳導 係數如圖2-4 所示。
圖 2-3 Eurocode 2（1995）及Ellingwood等人（1980）所提出的
混凝土熱傳導係數k與溫度之關係
(資料來源：Eurocode 2, 1995 及 Ellingwood 等人, 1980)圖 2-4 ACI 216（1994）混凝土熱傳導係數與溫度之關係
(資料來源：ACI 216, 1994) 六 、 混 凝 土 的 熱容比 Eurocode 2（2010）及 T.T. Lie 等人（1991）所提出兩種不同之熱容比與溫度 之變化如圖2-5 所示，其中 T.T.Lie 等人（1991）所建議的熱容比一開始為線性上 升，直至200 ℃之後皆保持一個平台，在 500 ℃左右有一突峰，但 Eurocode 2（2010） 所建議的熱容比呈現微幅上升的趨勢，在100 ℃-200 ℃時比熱 c 會有一尖峰值 2750 J/kg℃，在 600 ℃以後兩者建議的熱容比趨近相同。 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature (0 C) 1 2 3 4 5 6 7 ρc (θ )× 1 0 6 ( J/ m 3 0 C ) Eurocode2 T.T.Lie圖 2-5 Eurocode 2 與T.T.Lie 建議的熱容比與溫度之比較
(資料來源：Eurocode 2, 2010 與 T.T.Lie, 1991)七 、 混 凝 土 的 強度與彈性模數 ACI 216（1994）所建議的有關矽質混凝土受火害之力學性質的相關規定， 如圖2-6 所示，從矽質骨材混凝土之抗壓強度與溫度關係中，可發現加溫至 400 ℃ 後混凝土的抗壓強度會有比較明顯衰減之現象，加溫至500 ℃時，抗壓強度遞減 約40 %，高溫中加載至 0.4 fc’與高溫無加載之混凝土抗壓強度相差約 30%。由圖 2-7 中發現，矽質骨材混凝土之彈性模數在加溫至 400 ℃時，約為常溫之 55 %， 加溫至480 ℃後會有明顯衰減之現象。 而Eurocode 2（2010）對矽質混凝土受火害之力學性質的相關規定，如圖 2-8 為在高溫中混凝土抗壓強度遞減之關係，溫度升到100 ℃時，混凝土抗壓強度才 有
遞減之現象
，加溫到400 ℃抗壓強度會約為常溫抗壓強度 80 %，加溫到 800 ℃抗壓強度約為常溫抗壓強度16 %，當溫度升到 900 ℃以上時，混凝土完全無 抗壓強度。圖2-9 為高溫中之應力應變曲線關係，可發現混凝土之彈性模數會隨 著溫度上升而遞減，曲線中應力的最高點所對應之應變會隨著溫度上升而增加。圖 2-6 ACI 216 高溫中矽質骨材混凝土抗壓強度遞減之關係
(資料來源：ACI 216, 1994)圖 2-7 ACI 216 高溫中混凝土彈性模數遞減之關係
(資料來源：ACI 216, 1994) 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature (oc) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 k c (θ )圖 2-8 Eurocode 2 高溫中混凝土抗壓強度折減遞減之關係
(資料來源：Eurocode 2, 2010)圖 2-9 Eurocode 2 高溫中矽質骨材混凝土應力應變曲線之關係
(資料來源：Eurocode 2, 2010)第二節 混凝土高溫後的檢測
當建築物遭受火災後，應盡速立即有目的地對該建築物的安全性進行評估， 而混凝土高溫後性質是相當重要的一個因子。混凝土在高溫後造成強度降低、裂 縫等損傷，但這些損傷隨火場特性，在各處是不相同的，混凝土表面損傷大，隨 距離表面越遠，內部損傷逐漸降低，靠近火源處損傷大，遠離火源的地方損傷小， 常見的混凝土高溫後檢測如下。 一、外觀觀察 根據過往混凝土高溫實驗後觀察經驗，當混凝土溫度達 300 ~ 600 ℃ 時，混凝土表面顏色會由正常的暗灰色轉變為粉紅色或偏紅色，表面沒什 麼裂紋產生，強度大約折減 20 ~ 50 %不等；當混凝土溫度繼續升高至 600 ~ 900 ℃時，表面顏色會逐漸轉變為白灰色，表面開始產生裂紋且有些微 白灰色粉末剝落，強度損失約可達 80 %；混凝土溫度繼續升高超過 800 ℃，混凝土顏色則轉呈褐黃色，表面裂紋增加且寬度和深度變大，有時還 伴隨局部爆裂剝落，強度損失超過 80 %。 二、用反彈錘測定混凝土的硬度與強度成正比關係，混凝土的強度越高，其硬度也越 高，因此量測混凝土的硬度，可以間接求得混凝土的強度。此方法簡便快 速，但缺點為僅能量測混凝土表面硬度，換算出混凝土表面的火災後殘留 強度。混凝土內部的強度比表面強度高，此種內外強度差異，與火災持續 時間有關，火災持續時間越短，其差異越大。但反彈錘法對遭受火災後出 現剝落的混凝土，其不平整的表面無法有效的應用，會產生較大的變異性。 三、用混凝土燒失量測定 通過混凝土燒失量試驗鑑定混凝土受火温度，若對混凝土鑽心取樣， 由表及裡對應不同深度分别取樣，可依次求得混凝土内部不同深度曾經遭 受的火災温度，得到混凝土不同深度的温度分布。斷面温度及其隨時間的 變化,主要取决于混凝土周圍介質(氣流層)的温度-時間曲線及其延續時 間,據此可以推算火災温度和火災時間。但其缺點為須局部破壞、耗時和 無法全面的檢測。 四、鑽心測定 現場檢測混凝土強度的直接方法是從結構中鑽心取樣，然後進行抗壓 試驗，此法為常見的評估方式。但從鑽心取樣中所獲得的抗壓強度為該試 體的整體強度，無法確認強度沿表面深度的變化情形，而這劣化深度為評 估或修補的重要資訊。另外其缺點亦為須局部破壞和無法進行較全面的檢 測。 五、非破壞檢測 使用各種非破壞檢測技術來檢測評估高溫作用後混凝土殘餘性質與 損害，大多數之方法都有其使用上之限制，並非所有方法都可適用。本節 將針對較常見的敲擊回音法以及表面波譜法兩種非破壞檢測技術進行說 明。 (一)、 敲擊回音法 敲擊回音法乃是利用較低頻暫態應力波傳原理的一種非破壞檢測 技術，此法是利用機械性的敲擊，將應力波引入測試的物體內，再用 儀器來接收由界面反射回來的應力波產生之表面位移訊號，經過快速
傅立葉轉換處理後在頻率域作訊號分析。該方法的開發，主要是針對 超音波法在混凝土材料之應用上的限制，經多年之發展及改良，此技 術已有一定的可靠度。敲擊回音法已被應用在混凝土結構之偵測範園 包括版狀結構物(例如橋面版、道路鋪面、樓版、牆等)內部各種瑕疵、 桿狀結構的檢測、中空混凝土圓形管、混凝土鋼筋保護層厚度及混凝 土結構表面開裂裂縫深度之測定等。敲擊回音法應用於火害後混凝土 檢測，係利用混凝土的強度與波速會隨著高溫溫度越高而折損越多的 特性，而混凝土斷面溫度，從受火表面往構件內部逐步非線性遞減， 亦即混凝土抗壓強度越接近表面、強度越低、波速也越低，反之，內 部強度與波速則越高。 (二)、 表面波量測法 試體 表 面 製造之 擾 動 於試 體內 傳播除 產 生 壓力 波(P波)與剪 力波(S波)外，在試體表面亦會產生沿著表面傳遞之表面波，如 圖2-10。相較於壓縮波與剪力波，表面波主控波動大部份能量， 使其具有容易量測的優點。一般所謂之表面波(R波)有兩種，一 是雷利波（Rayleigh wave）另一是拉夫波（Love wave）。於工 程上使用之表面波震測是應用雷利波之特性做為分析標的，因此， 在此將對其行為做一簡單介紹。 當表面波傳遞時，在試體表面處受擾動之質點是逆著其行進方向 以一橢圓形軌跡滾動，其波傳影響範圍大約侷限於一個波長之深度 內，因此，各個不同波長的表面波其所反映之試體內部深度特性將有 所不同，亦即表面波影響深度隨頻率之不同而異。當混凝土層剪力模 數隨著深度變化，不同頻率所造成的表面波波速便有所不同，此一特 性稱之為頻散現象，將不同頻率所對應之表面波波速集合，可得一曲 線，稱之為頻散曲線(dispersion curve)。表面波動量測之基本原理 即藉由量測表面波於不同頻率之相位速度，獲得其頻散曲線後再進行 剪力波速度層構造之反算解析。
圖 2-10 應力波動行為示意圖
(資料來源：本研究繪製)第三節 波傳基本原理
一、波傳理論 波傳理論中，在半無限域空間之彈性體中，由於其邊界之存在，故經由振源 產生之波動，除了能在物體內部傳遞的實體波(Body Wave)之產生外，為了滿足 力學之平衡條件，還會產生在表面邊界傳遞的表面波(Surface Wave)，又稱為雷 利波( Rayleigh Wave)，而實體波依質點波動性質不同又分為縱波和橫波。在彈 性體物體的表面給予一個機械外力點敲擊(Impact)時，會以敲擊點為中心產生暫 態應力波動，並以半球狀波形往物體內部傳遞，此應力波動包含有縱波 (又稱壓 力波，P波)與橫波 (又稱剪力波，S波)外，在試體表面亦會產生沿著表面傳遞之 表面波(R波)，其中P波及S波依半球狀的波形向前傳遞，而R波則僅沿著物體表面 遠離敲擊點向外擴散出去，如圖2-11。P波到達處質點振動的方向與波傳遞的方 向平行且傳遞移動速度最快，S波到達處質點振動的方向則與波傳遞的方向垂直， 傳遞移動的速度僅次於P波，而R波到達處的質點運動方向為在平面上的橢圓形軌 敲擊源 R 波 S 波 P 波 S 波 P 波 波傳方向 粒子運動方向跡運動，振動的幅度會隨深度增加而減少，其傳遞移動速度又略慢於S波，3種波 的波速可以下列公式計算求得。 壓力波速 CP = � E(1−ν) ρ(1+ν)(1−2ν) ( 2-2 ) 剪力波速 CS = � E 2ρ(1+ν) (2-3) 表面波速 CR =(0.87+1.12ν)CS (1+ν) (2-4) 式中， E：彈性模數 ν：波松比 ρ：密度 (a) P 波 (b) S 波 (c) R 波
圖 2-11 彈性體內波傳示意圖
(資料來源：Bolt, 1976)二、主動式聲射法
主動式聲射法係利用人為控制於試體表面給予一受控的敲擊源，產生主動式 聲射波動，並量測其表面波去探測試體斷面性質變化反應。依量測所使用接收器 的數目分同及分析方法，可分為表面波頻譜分析法( Spectral Analysis of Surface Wave, SASW) 和 多頻道 表 面波分 析 法 ( Multi-channel Analysis of Surface Wave, MASW)。
因為表面波(在此法中指雷利波)為物體表面最容易產生且振幅亦最大的波 形，而表面波頻譜分析法為分析表面波的一種有效的方法，其約於 1980 年代初 期開始發展(Heisey, 1982)。基於表面波之波傳影響範圍大約局限於一個波長之 深度內，因此表面波之影響深度會隨著頻率之不同而有所差異，當混凝土之彈性 模數隨著深度而變化時，造成波傳速度亦隨著頻率(或波長)之不同而變化，稱之 為表面波的頻散現象，波速度與頻率(或波長)之關係稱之為頻散曲線( Dispersion Curve)。 表面波頻譜分析法操作示意圖如圖 2-12，主要是以一個固定式主動式聲射 振源產生不同頻率的振波，配合受波探頭接收，振源固定位置，受波探頭佈測於 振源的一側成一條測線，改變聲射振源與受波探頭接收位置間距，接收振動訊號， 將訊號利用頻率域法推求雷利波相速度(phase velocity)與視波長(apparent wavelength)間之關係，建立雷利波的頻散曲線，再由頻散曲線計算受測體的剪 力波速，並反算推估受測體內之材料性質。通常表面波頻譜法需要極低頻的振源 及受波探頭以接收較可靠之訊號，且每一施測間距僅能獲得某一頻率範圍內之資 料，因此必須重覆改變不同的受波探頭距離施測，耗時耗力。此外，當混凝土變 化複雜時，所量測到之頻散曲線為基本模態和高次模態疊加而成之頻散曲線，不 同受波探頭間距所量測到的頻散曲線不同，如何將資料整合及分析，為影響量測 結果的重要因子，另外表面波頻譜分析法因不易辨別高次模態的雷利波頻散曲線， 通常僅處理基本模態頻散曲線。
圖 2-12 表面波頻譜法試驗配置示意圖
(資料來源：Kim, 2001) 為改善表面波頻譜分析法的缺點及限制，研究者提出多頻道表面波分析法， 如圖 2-13，分析原理仍源自表面波頻譜分析法，量測時採用數個受波探頭，各 探頭等間距佈設於聲射振源的一側成一直線，當聲射振源敲擊發出一次訊號時， 各受波探頭同時接收波動訊號，此為一筆資料，反覆敲擊可以做疊加與消除雜訊， 以接收清楚的表面波訊號，多個收波探頭一起收到的訊號，可以使用二維的訊號 處理技術來分析並繪製成頻散曲線。此法可分辨出基本模態及高次模態之表面波 頻散曲線，並較容易分別有效表面波及無效之雜波，增加量測之準確性。圖 2-13 多頻道表面波分析法試驗配置示意圖
(資料來源：Park, 1997) Data logger表面波震測法 (Seismic Surface Wave) 最早應用於探測土層資料，並已有 相當研究成果，近來已有部分研究將此法應用於建築混凝土結構，但仍以表面波 譜分析法為主，相關文獻簡述如下： 許寶琮(2006)運用短時頻分析表面波譜，採時間域/單模態濾波技術，建立 頻譜圖，計算頻散曲線，反推相速度與剪力波速，結果顯示剪力波速剖面與現場 鑽探所得之土層強度變化大致相符。 Mitchell Willcocks 等人(2011)利用表面波譜法進行層狀混凝土結構的損 傷檢測，研究結果顯示，此法對於混凝土內部瑕疵或層狀裂隙，具有一定的量測 能力，但對於每個不同測試目的條件的現場環境，所使用的激發頻率和信號分析 最好仍需經量測信號的回饋，進行調整和優化，能獲得更為準確的量測值。 賴鵬仁(2013)探討混凝土經高溫後表層裂化的損害程度，利用敲擊回音法中 的時間領域訊號分析表面波速，配合數值分析的趨勢線，以推求混凝土板之火害 程度與深度，最後與數值模擬結果進行相互比對驗證。研究結論如適當選擇敲擊 源型式以及適當量測間距，可以找出訊號頻散現象，對裂化深度具有判識效果。 魏信怡(2014)以單一敲擊源及單一接收器的配置試驗，探討藍姆波群波速之 頻散曲線偵測混凝土品質與混凝土表面裂化深度，研究結果為對單層混凝土板， 該研究所激發的能量集中在低頻段，無法得知是否有裂化狀況；對雙層複合板試 驗結果，接近分層界面處的波形資料則具有判識度。
第三章 實驗規劃
本研究試驗針對混凝土斷面因高溫後產生裂化深度與強度損失之研究，主要 應用主動式聲射法來進行混凝土斷面高溫裂化深度的量測，以獲得劣化深度資訊； 然後將試體鑽心取出圓柱試體，再對該鑽心圓柱試體分別進行軸向的超音波剪壓 波速比量測，並與研究資料比對以獲得劣化深度與強度變化關係；最後再將鑽心 圓柱試體進行裁切，對每一裁切片進行反彈錘法試驗，以多方獲得試體距受火害 面不同深度的強度變化值，來驗證本案應用主動式聲射法之有效性。本章茲就實 驗整體規劃與試體規劃設計與製作，分述說明如下：第一節 實驗整體規劃
壹、實驗規劃
試驗規劃為將鋼筋混凝土分為完整良好、人工分層及擬真分層，以分別量測 記錄試體無損前的基本數據，當為對照組；人工分層則以確實存在的分層界面， 作為初步驗證所規劃之實驗量測設置是否適切可行；最後再針對擬真分層進行實 際的劣化深度與強度損失之量測。另為考慮鋼筋混凝土構造，試體均各配置一根 鋼筋於單一側，其保護層為 4 cm，可作為混凝土內有無鋼筋的影響。試體人工 分層為在試體兩側表面另灌製厚度 5 cm 不同抗壓強度的混凝土，以與核心的混 凝土形成分層。整體規劃如下圖 3-1 所示。 同時為了擴大驗證實驗量測成效，也將應用本量測方法於先前(106 年度)受 過 1 小時標準升溫曲線加熱的兩塊 NewRC 混凝土板，一塊受熱面表面狀況完整 良好，另一塊受熱面表面則是爆裂剝落嚴重，可用來比對驗證結果，並了解本法 對爆裂剝落嚴重的表面是否適用。 另外，鑽心試體則由前述 NewRC 混凝土板進行鑽心取樣，共計鑽取 12 顆 圓柱試體，尺寸為直徑 10 × 高度 15 公分，8 顆進行超音波剪壓波速比量測，4 顆進行切片後量測施密特錘反彈值。單位：cm
圖 3-1 實驗規劃圖示
(資料來源：本研究整理)貳、量測方法
（一）多頻道表面波震測法 本試驗以主動式聲射的多頻道表面波震測法作量測，以試體之正中央為測 線，施作配置以固定震源距一側邊界 10 cm，第一個探頭接收器距震源 5 cm，後 續探頭接收器間距各為 2.5 cm 為距，移動施測到最後一個探頭接收器位置距另 一側邊界 10 cm 處為止，如圖 3-2。圖 3-2 施測配置圖示
(資料來源：本研究整理) 單次施測位置 預計量測位置區 … … … …（二）超音波脈衝量測 對於量測鑽心混凝土試體從受熱面往內部隨熱損所造成的波速變化，則利用 超音波脈衝量測儀來進行，將探頭對鑽心圓柱試體兩測隨距受熱面不同距離分段 量測其剪力波速及壓力波速(如圖 3-3)，計算其剪壓波速比，並比對本所委託研 究案「火害現場結構材料探傷檢測系統韌體研發及應用研究」所建立之火害傷損與剪 壓波速比之資料，以了解不同斷面深度的傷損變化。
圖 3-3 超音波脈衝量測配置圖示
(資料來源：本研究整理) （三）反彈錘法量測 除了非破壞量測外，對於量測鑽心混凝土試體從受熱面往內部隨熱損所造成 的強度變化，將鑽心混凝土試體從受熱面往內部每 2 公分裁切一片，考量損傷應 僅在板試體的一半以上，共切 3 片，約為距受熱面 7.2 公分處(包含鋸切損耗厚 度)，如圖 3-4，然後利用施密特錘對每一切片量測，以獲得各切片的反彈值， 轉換為強度資料。 單位: mm圖 3-4 鑽心圓柱試體切片
(資料來源：本研究整理) 150 100 20 4 受熱面 非受熱面 圓 柱 試 體 探頭 探頭.
.
.
.
.
.
.
.
受 熱 面 非 受 熱 面 1 2 3 4參、資料分析
本試驗採以多頻道表面波場轉換分析之波數轉換法( f-k transform)作分析，波數 轉換法 ( f-k transform) 係指將多處接收器之二維震測資料於空間-時間域 u(𝑥𝑛, 𝑡𝑚) 透過在時間域上以及空間域上作快速傅利葉轉換 (FFT) 後得到其在 頻率-空間域 U(𝑓𝑖, 𝑥𝑛)，再針對空間域上作離散傅立葉轉換 (DSFT) 得其波數上 連續之頻率-波數域 Y(𝑓𝑖, 𝑘)。又其中 𝑐 =2𝜋𝑓 𝑘 再將 Y(𝑓𝑖, 𝑘) 進行變數變換即可得知頻率-波速 Y(𝑓𝑖, 𝑐) 之函數 (Lin & Chang, 2004)，其示意圖如下圖。而分析將
對資料收錄上所得之空間解析度結果作評估，以建議施測之頻道數，另將測試高 解析收錄之分析方法的可行性。
圖 3-5 多頻道波場轉換分析法示意圖
第二節 試體規劃設計與製作
壹、試體規劃設計
試體型式分為完整良好無損、人工分層、有無鋼筋及擬真分層試體，如表 3-1 試體規劃。其中有鋼筋面的混凝土保護層設計採用 4 cm (符合建築技術規則 之保護層規範)，混凝土之設計強度為 420 kgf/cm2 ，其設計配比如表 3-2；鋼筋 部分採用型號為SD420W之D19 (6 號)鋼筋，其標稱直徑 19.1mm、降伏強度 4200 kgf/cm2 之竹節鋼筋，規格如表 3-3；混凝土塊體之設計尺寸為 20×25× 60 cm， 依鋼筋配置位置不同，分為無鋼筋面及有鋼筋面，如圖 3-1 所示。表 3-1 試體規劃
試體 種類 尺寸 cm 混凝土抗壓強度 kgf/cm2 鋼筋型號 (保護層 4 cm) 加熱 完整 良好 20 × 25 × 60 420 SD 420W 無 人工 分層 20 × 25 × 60 (25 cm 高上下兩側 各含5 cm 的較低強 度分層混凝土) 420 (分層混凝土強度為 210) SD 420W 無 擬真 分層 20 × 25 × 60 420 SD 420W 單面加熱 (資料來源：本研究整理)表 3-2 混凝土配比
種類 設計強度 水泥 細骨材 粗骨材 用水量 強塑劑 水灰比 kgf/cm2 kg/m3 - OPC 420 575 595 952 239 0.8 0.42 OPC 210 400 367 1306 228 0 0.57 (資料來源：本研究整理)竹節鋼筋性質及尺寸 竹節鋼筋採用 SD420W 之 D19 (6 號)鋼筋，規格如下表。
表 3-3 竹節鋼筋規格
規格 標稱直徑 降伏強度 抗拉強度 mm N/mm2 N/mm2 SD420W 19.1 469.53 701.80 (資料來源：本研究整理)貳、試體製作程序
本研究試體之混凝土 28 天抗壓強度主要為 420 kgf/cm2，所採用之配比如表 3-2 所示；另外分層試體所用到的 210 kgf/cm2混凝土，其配比亦如表 3-2 所示。 試體製作程序為依照所規劃試體尺寸釘製木模，在木模高度距上表面 4 公分處， 預留鋼筋孔，再將鋼筋穿孔置入，同時將木模內側周圍上油，以利後續拆模；完 整良好及擬真分層兩試體，所用混凝土依所規劃配比，並依國家標準CNS 1230 執行試驗用混凝土拌合製作、分層澆置搗實後，完成後表面抹平靜置養護。另人 工分層試體，則需先用 420 kgf/cm2混凝土灌製高度 15 公分的核心部位，1 天後 再以 210 kgf/cm2混凝土灌製任一側表面，再 1 天後，續以 210 kgf/cm2混凝土灌 製另一側表面，以完成上下兩側為 210 kgf/cm2混凝土的人工分層試體製作，試 體製作過程如圖 3-6 至 3-10 所示。 混凝土試體不同齡期強度發展，在於製作長方形試體時，同時製作追蹤混凝 土強度發展用的圓柱試體，試體尺寸為 10 × 20 cm，依國家標準 CNS 1232 作混 凝土不同齡期抗壓強度試驗，抗壓強度測試值如表 3-4 所示，其強度發展符合配 比設計目標。拌合混凝土 試體模板 試體表面刮平
圖 3-6 混凝土澆置過程
(資料來源：本研究整理) 單位: cm圖 3-7 完整良好混凝土試體完成外觀
(資料來源：本研究整理) 單位: cm圖 3-8 完整良好混凝土試體內鋼筋位置示意
(資料來源：本研究整理)單位: cm
圖 3-9 分層混凝土試體完成外觀
(資料來源：本研究整理) 單位: cm圖 3-10 分層混凝土試體內鋼筋位置示意
(資料來源：本研究整理)表 3-4 混凝土之強度發展
齡期 (天) 編號 420 抗壓強度(kgf/cm2) 210 抗壓強度(kgf/cm2) 7 (107/09/12) 1 369.70 228.8 2 369.37 240.6 3 212.92 245.2 平均值 - 317.33 238.2 14 (107/09/19) 1 415.88 236.2 2 400.66 242.93 416.20 296.9 平均值 - 410.91 239.6 28 (107/10/03) 2 420.42 182.3 3 399.56 244.2 4 430.71 310.0 平均值 - 420.96 245.5 (資料來源：本研究整理) 另外在為了擴大驗證實驗量測成效，也將應用本量測方法於先前(106 年度 自行研究案「新型高強度混凝土高溫爆裂行為研究」)受過 1 小時標準升溫曲線 加熱的兩塊 New RC 混凝土板，混凝土抗壓強度為 10000 psi。兩塊版試體加熱 過程試體內部距曝火面不同高度位置的溫度變化及試體加熱前後情形如圖3-11 ~ 3-14 所示，板試體及其試驗過程相關資料請參閱 106 年度研究報告(王天志， 2017)。由圖可見一塊受熱面表面狀況完整良好，另一塊受熱面表面則是爆裂剝 落嚴重，亦可用來比對驗證結果，並了解本法對爆裂剝落嚴重的表面是否適用。 試體 S00、S10 內部熱電偶線位置則如圖 3-15 所示。
圖 3-11 試體S00 內部升溫曲線(無添加聚丙烯纖維)
(資料來源：王天志，2017) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000 0 10 20 30 40 50 60溫度
(
℃
)
時間
(分)
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12圖 3-12 試體S00 試驗後曝火面與非曝火面(無添加聚丙烯纖維)
（資料來源：王天志，2017）圖 3-13 試體S10 內部升溫曲線(添加聚丙烯纖維)
註：T11、T12 為板非受火面溫度 （資料來源：王天志，2017） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 10 20 30 40 50 60 溫度 (℃ ) 時間(分) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12圖 3-14 試體S10 試驗後曝火面與非曝火面(添加聚丙烯纖維)
（資料來源：王天志，2017）圖 3-15 試體S00、S10 內部熱電偶線位置圖
（資料來源：王天志，2017）*
*
*
*
1400 1 550 75 2 00 100 200 TC1,2 TC3,4,5 TC6,7,8 TC9,10 150 20 #4 鋼筋 單位: mm 測溫點編號 32,7 20 32,7 20 50 75 100 由左至右為: TC5, 4, 2, 3, 1 50 75 100 測溫點編號 由左至右為: TC8, 7, 10, 6, 9因板試體 S00 爆裂剝落嚴重，在以主動式聲射法量測時，即已無法獲得有效 量測，因此鑽心混凝土試體僅從試體 S10(有添加聚丙烯纖維)來鑽取。主要在受 到高溫影響的區域內鑽取 10 顆，另外於未受高溫影響區鑽取 2 顆，以做為對照 組，試體鑽心過程及其位置對照如圖 3-16 及 3-17 所示。鑽心圓柱試體編號 6、 7、9 及 10，用來切片後進行反彈錘法量測，切割過程及切割後如圖 3-18 及 3-19 所示。
圖 3-16 試體鑽心過程及鑽心後情形
（資料來源：王天志，2017）圖 3-17 鑽心圓柱試體位置對照圖
(資料來源：本研究整理) 受 熱 區 域 非 受 熱 區 域表 3-5 鑽心圓柱試體編號及其試驗目的
鑽心圓柱試體編號 試驗目的 1 ~ 5、8、11、12 超音波脈衝量測 1、2、4 執行超音波脈衝量測後，進行抗壓試驗 6、7、9、10 反彈錘法量測 (資料來源：本研究整理)圖 3-18 鑽心圓柱試體切片
(資料來源：本研究整理)圖 3-19 鑽心圓柱試體切片後情形
(資料來源：本研究整理)第三節 實驗設備
壹、多頻道表面波震測法
(1) 敲擊源
因固定頻率之超音波震源之頻寬較窄、能量較弱，震波經過混凝土保護層後， 能量消散至相當微弱。一般來說，敲擊震源之產生方式有兩種，分別為衝擊式 (Impact Type) 與可控制激發式 (Controlled Excitation Type)。本研究採用 主動式聲射，採用敲擊鋼珠錘以產生較大頻寬之衝擊式震源 (50-150 kHz)，衝 擊式震源之頻寬段與為震源及敲擊物之接觸時間有關，而本研究以直徑 7 mm 之 敲擊鋼珠錘為之，其敲擊之接觸時間大小，主要受控於敲擊器之尺寸、質量、受 測物質量與受測物之表面狀況。其所擊發產生之接觸時間大約為 22~29 μs，如 圖3-20 所示。
圖 3-20 敲擊鋼珠錘(採用直徑 7 mm)
(資料來源：本研究整理) (2) 接收器 一般應力波檢測應用於土層探測或道路鋪面檢測，其接收器之型式為低頻加 速度計(規)，其頻寬一般約小於1 kHz以下。而應用於鋼筋混凝土上，因鋼筋混 凝土結構之波速較快，其中混凝土適用之接收頻寬一般介於10 ~ 200 kHz左右， 接收器型式為加速度計、寬頻位移計或其他偏高頻聲射接收器等。本試驗之接收 器採用由Physical Acoustics Corporation 公司生產，型號WD FO79，頻寬為100 ~ 900 kHz 之寬頻接收器，如圖3-21，接收器型錄如圖3-23；而接受器與試體之耦合材料採用由PCB 公司所製型號為080A24之蜜蠟，使接收器與試體表面緊密接 觸，如圖3-22所示。
圖 3-21 WD Sensor
(資料來源：本研究整理)圖 3-22 蜜蠟(型號：080A24)
(資料來源：本研究整理)圖 3-23 接收器型錄說明
(資料來源：本研究整理)
(3) 訊號擷取系統
訊號擷取系統採用，PXI NI-6115 資料擷取介面卡同步作接收觸發之類比訊 號 (如圖 3-24(a))，其同步化數據擷取係利用 RISI bus cables 將所有資料擷 取介面卡並聯，以達到時脈 (Timing) 和訊號 (Signals) 同步
(Synchronization)的量測。並即時轉換為一般電腦所能接受的數位訊號，以做 為資料傳遞之用，達到量測效果。且同時透過型號為 1220 C 之前置放大器
(Preamplifier)，如圖 3-24(b)，篩選並放大高於門檻值且頻率介於 100 ~ 1200 kHz 之訊號，將微小電壓變化紀錄於二進位元 (Binary) 之資料檔案中，於 LabVIEW 轉換為易於處理之字元(ASCII) 資料格式，其設定之接收訊號頻率最高 可達每秒一千萬次，導波量測以欲探目標頻率 (50~150 Hz) 作擷取頻率設定為 每秒二百萬次。 (a) 擷取介面器 (b) 前置放大器
圖 3-24 擷取介面器與前置放大器
(資料來源：本研究整理)貳、超音波脈衝量測
對於量測鑽心混凝土試體從受熱面往內部隨熱損所造成的波速變化，則利用超音 波脈衝量測儀來進行；採用由 ACS 公司所製造之 A1220M 乾點式超音波脈衝量測 儀，其附屬之探頭分別為 50 kHz 之剪力波探頭與 100 kHz 之壓力波探頭，如圖 3-25 所示，量測方式為乾點式，不需塗抹耦合劑即可於不平整表面量測，並可 藉由其主機功能，將量測之原始數據取出，進行後續之資料分析(圖 3-26)。壓力波探頭 脈衝頻率 100 kHz 剪力波探頭 脈衝頻率 50 kHz
圖 3-25 超音波脈衝主機及其探頭
(資料來源：本研究整理)圖 3-26 波形圖與波傳資料擷取
(資料來：本研究整理)參、反彈錘法量測
反彈錘法係由瑞士工程師 Schmidt 於 1948 年所研發出來的，為目前常用於 測定混凝土強度的表面硬度法，且此法已被列入 CNS 國家標準中。反彈錘的構造 主要有四部份：（1）外殼（2）衝擊桿（3）鎚塊（4）彈簧，本案所用的施密特 錘為義大利 CONTROLS 生產的 45-D0561 測試錘(如圖 3-27)，符合 ASTM D5873 標準。 傳統火害後混凝土抗壓強度的折減，多以鑽心取樣後的圓柱試體進行抗壓試驗，因試體同時包括了靠近受火面與未受火面的部位，因此法所得為該鑽心圓柱 試體的整體強度，無法了解混凝土各斷面深度的強度劣化。本研究為了解各深度 的強度變化，規畫將鑽心圓柱試體從受火面進行切片，然後利用反彈錘法對各切 片進行表面硬度量測後獲得反彈數(Rebound Number)，再依據反彈數與抗壓強度 圖表(如圖 3-28)轉換推測其抗壓強度值。
圖 3-27 施密特錘
(資料來：本研究整理)圖 3-28 反彈數與抗壓強度關係圖
第四節 實驗步驟
本研究研擬利用主動式聲射法對混凝土斷面因高溫後產生裂化深度與強度 損失之量測，收錄相關原始波形資料後經轉換分析，獲得混凝土斷面的頻散曲線 與裂化深度及強度損失之比對，實驗步驟說明如下： 本試驗之施測係以主動式聲射，由試體表面擊發震源產生表面波，作試體表 面激發及接收，震源敲擊位置距離試體邊界為 10 cm，於測線上固定一個接收器 (作為啟動訊號接收點位) 其距離震源位置為 5 cm，另一個接收器之第一點位距 離震源 7.5 cm，後續每點接收器間距 2.5 cm，一次量測視接收器探頭數量而定， 初步規劃使用 6 顆接收器，來進行多頻道表面波量測，一次量測完，整組接收器 依序移至下個量測起點，重複進行，直至作為啟動訊號接收點位的第 1 顆接收器 與當下量到試體最後 1 顆接收器之間距大於試體高度為止，量測配置如圖 3-29 所示，實際量測如圖 3-30 所示。 依據前述多頻道表面波量測方式，依序對完整良好及人工分層試體進行表面 波量測，確認對人工分層試體能確實的量測到該人工分層界面的深度位置，並分 別對無鋼筋面和有鋼筋面進行量測，確認鋼筋存在對量測的影響。圖 3-29 量測配置示意圖
(資料來源：本研究整理)圖 3-30
量測配置圖
(資料來源：本研究整理) 對於擬真分層的試體，則主要探究混凝土試體受高溫後的影響，分別對試體 有無鋼筋的兩面均需給予火害高溫，另本研究係為擬真遭受火害，因此提供火害 高溫不依據常用的 CNS 標準加熱曲線，改以其他火源來造成試體有某種程度的傷 損，並產生不同斷面位置有不同的劣化程度。試體受高溫傷損後，先以多頻道表 面波量測方式收錄原始震波資料，並先與混凝土斷面溫度進行比對，由文獻資料 推估其強度的折損，了解可能的劣化深度。 對於量測鑽心混凝土試體從受熱面往內部隨熱損所造成的波速變化，首先利 用超音波脈衝量測儀來進行，在完成所需的多頻道表面波量測後，對試體進行鑽 心取樣，將探頭對鑽心圓柱試體軸向兩測隨距受熱面不同距離分段量測其剪力波 速及壓力波速，計算其剪壓波速比，並比對本所 107 年度委託研究案「火害現場 結構材料探傷檢測系統韌體研發及應用研究」所建立之火害傷損與剪壓波速比之資 料，以了解不同斷面深度的傷損變化。 另外傳統鑽心試體所進行的抗壓強度試驗，所呈現的是試體整體高度內的混 凝土強度值，無法呈現出不同斷面深度的強度變化，且試體受尺寸限制，也無法 再裁切成小型的圓柱試體來進行抗壓強度試驗。因此，本研究擬將鑽心後的圓柱 試體，依約兩公分的厚度裁切成圓盤，因厚度不厚，將此兩公分厚的圓盤試體視為一個強度變化單元，並採用反彈錘進行非破壞檢測其強度值，如此可得每兩公 分的強度變化情形，並與先前所執行的多頻道表面波量測後的斷面裂化深度及斷 面溫度進行比對，驗證整個實驗規劃與執行的適切性，建立未來於現場量測混凝 土斷面高溫裂化與混凝土強度傷損的技術應用。
第四章 實驗結果與討論
本研究研擬利用主動式聲射法的多頻道表面波進行量測，本法以往多運用於 地層探勘，近來逐漸被引用到建築物混凝土的相關量測，對於混凝土斷面因高溫 後產生裂化深度與強度損失之量測仍待探究與技術提升，以提供未來現場火害後 快速簡便的評估方式。 本研究因混凝土火害後，試體會有不同程度的裂化傷損，對於進行多頻道表 面波量測有很大的挑戰，必須挑選適用的主動式聲射源(敲擊源)及適當的探頭接 收器，才能有效的激發所需的表面波及正確的接收所傳遞的波形資料，經評估及 試用，已確認所需量測系統設備，並完成建置系統的運作，詳細系統資料如第三 章所述。另外也完成所需試體規劃及試體製作，經養護後進行所規劃的實驗項目， 包括試體未受火害前多頻道表面波量測、火害後試體多頻道表面波量測、鑽心試 體超音波量測、鑽心試體裁切、反彈錘試驗等，相關實驗結果與討論如後。第一節
多頻道表面波震測法量測
為驗證所欲進行的多頻道表面波量測系統效能，先對完整無損試體進行波形 量測，依照第三章第四節所述實驗步驟進行(如圖 3-29 及 3-30 所示)，另外測試 試體一側為無鋼筋，另一側深度 4 公分處埋設有鋼筋，分別對無鋼筋面和有鋼筋 面進行量測，可確認鋼筋存在對本法量測的影響。 本法主動式聲射法多頻道表面波量測，係為非破壞檢測方式，其量測過程如 試驗流程圖(圖 4-1)所示，主要量測為原始震測波形的擷取，然後進行多頻道波 場轉換分析，因所有的量測及分析皆為相同步驟，僅因變換量測位置，致所得原 始震測波形不同，所以僅以一個實際轉換分析案例說明，分析過程如圖 4-2 所 示。圖 4-1 量測過程試驗流程圖
圖 4-2 多頻道波場轉換分析圖
(資料來源：本研究整理) 0.05 0.1 0.15 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 x 10-4 T im e, s ec Source-receiver Distance, m 0.05 0.1 0.15 5.2 5.4 5.6 5.8 6 x 10-4 T im e, s ec Source-receiver Distance, m 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 1 2 3 4 5 6Shear wave velocity, m/s
D ept h, c m Phase Velocity, m/s F requenc y , H z 1000 2000 3000 0.5 1 1.5 2 x 105
雷利波分離
頻
散
曲
線
分
析
剪力波速反算
一、 完整無損無筋混凝土
完整且未受火損無鋼筋混凝土試體，經前述流程及分析步驟，可得各次量測 範圍處(圖 4-3)的混凝土內部不同斷面深度剪力波速值，如圖 4-4 所示。剪力波 速反算採用美國 Kansas University 地球物理中心所開發之 Surfseis 3.0 進行 反算，反算層數以 5 層為主，視特定頻散曲線會採用 10 層，探測最大深度受最 大波長控制，但沒有一定比例，會與頻散曲線本身之數值大小以及反差有關，反 算之演算法中以 Vs 為主要變數。 單位: cm
圖 4-3 完整無損無筋混凝土量測位置圖
(資料來源：本研究整理)60
16.25
30
6 @ 5 cm
6
量測深度
混凝土試體
25
圖 4-4 完整無損無筋混凝土各量測位置不同斷面深度剪力波速圖
完整且未受火損無鋼筋混凝土試體，經前述流程及分析步驟，將所獲得的各 量測位置不同斷面深度剪力波速，改繪成 2D 影像，如圖 4-5，可以更直覺的了 解斷面內部波速分布情形，提升判識度。 由此 2D 波速分布圖可看出，試體整體均勻性良好，多數區域的波速落在 2400 ~ 2800 m/s 之間(平均 2600 m/s，std 190 m/s)，本案探測深度約 6 公分，但在 量測位置 30-34 公分以及 40-46 公分位置的混凝土，試體深度 1 公分以內有略低 的剪力波速區段存在，波速約為 2200 m/s，可能係因為靠近試體上表面，試體 灌製時可能有較多漿體浮到表面，導致表面處強度略微降低。
圖 4-5 完整無損無筋混凝土量測區域 2D斷面剪力波速圖
(資料來源：本研究整理) 二、 人工分層無筋混凝土試體 人工分層未受火損無鋼筋側混凝土試體，同樣經前述流程及分析步驟，可得 各次量測範圍處(圖 4-6)的混凝土內部不同斷面深度剪力波速值，如圖 4-7 所 示。 Vs(m/s)單位: cm
圖 4-6 人工分層無筋混凝土量測位置圖
(資料來源：本研究整理)60
3 @ 5 cm
7.
5
量測 深度混凝土試體
25
15
50
人工 分層15
10
圖 4-7 人工分層無筋混凝土各量測位置不同斷面深度剪力波速圖
(資料來源：本研究整理) 人工分層無筋混凝土試體，同樣經前述流程及分析步驟，將所獲得的各量測 位置不同斷面深度剪力波速，改繪成 2D 影像，如圖 4-8。 人工分層試體，探測深度約 7.5 公分，由斷面波速分布可明顯看到試體有明 顯的波速差異存在，其介面約在深度 6.5 公分處，介面波速約 2700 m/s。此人 工分層之實際介面位置在深度 5 公分處，由影像中判釋的介面與實際深度略有差 異，造成此差異的一個可能性在於雷利波有隨著深度增加而降低解析度的特性， 在反算過程中，理論模型的建立會假定每層厚度隨著深度增加，而本試驗之最佳 解析度約為 2 公分(頻散曲線之最小波長)，當深度增加後其解析度還會變差，由 此結果看來獲得之差異深度仍在此誤差內，未來可針對此深度上解析度的提升進 行進一步的改善研究。圖 4-8 人工分層無筋混凝土量測區域 2D斷面剪力波速圖
(資料來源：本研究整理) 三、 有鋼筋混凝土試體 為確認鋼筋對於此量測技術之影響，透過有鋼筋混凝土試體採用相同的分析 過程，可以獲得有鋼筋情況下之頻散曲線圖如圖 4-9 所示。在有鋼筋的情況下其 主要影響有兩類型，第一類型是其在特定頻率有能量消失的情形(如箭頭所指) 並且同時在高速側有明顯的另一頻散曲線存在(如圖 4-9 (a)虛線所圍)；而第二 類型是僅有在特定頻率有能量消失的情形。第二類型之影響較為容易解決，由於 表面波的影響深度與波長相關，大約是 1:1，因此只要透過對波長的限制(使其 小於鋼筋深度)即可避開鋼筋的第二類型影響。而第一類型相對較為麻煩，由於 較為高速之非混凝土行為頻散曲線的能量可能在我們有興趣的頻率段即超越混 凝土之頻散曲線能量，如此會嚴重侷限混凝土頻散曲線的頻寬範圍，對於高頻側 較小的頻寬範圍的降低將會造成反算所得之剪力波速在近表面處的準確度下降， 因此仍有需要針對此類型可能造成的影響提出解決方案。 Vs(m/s)圖 4-9 位於鋼筋正上方收錄之頻散曲線圖(a)影響類型 1 (b)影響
類型 2
(資料來源：本研究整理) 為降低鋼筋的影響，本研究建議可透過偏移鋼筋正上方的做法。將圖 4-9 (a) 之量測測線由鋼筋正上方平移 3 公分，使其偏離鋼筋正上方，在進行資料之收錄， 獲得之結果解析如圖 4-10 所示，類型 2 的影響大幅的下降，特定頻率下的能量 下降情況有所改善，另方面，類型 1 的影響在此已完全觀察不到，可以說明透過 偏移鋼筋正上方的作法可有效的改善鋼筋可能造成的影響，但這也說明，應用本 技術時應須先行確認鋼筋所在位置。圖 4-10 偏移鋼筋 3 公分之頻散曲線圖
(資料來源：本研究整理)四、 火害後板試體 火害過之試體的現場量測情形如圖 4-11 所示，其量測結果不甚理想，無法 分析獲得頻散曲線圖，仔細觀察所收錄到的震動資料(如圖 4-12a 所示)，此次之 資料收錄雖仍採用 6 個加速度規進行收錄，但其中 3 個加速度規並未成功收到訊 號，僅有 3 個加速度規所收錄之資料較合理，但此收錄所得之 3 處震動資料雖呈 現有震動的特徵，但其顯示出來的震波傳遞行為並不理想。以人工分層知識體量 測資料為例(如圖 4-12b 所示)，當波在傳遞時，隨著與震源處得距離增加，時間 域上整體波形會有往後平移的情形，但在圖 4-12a 並無法明確觀察到此現象，此 外，在傳遞過程中，波形雖然會因為頻散的關係而略有變形，但其大致特徵，如 幾個波峰、波谷等仍會維持，但在圖 4-12a 中仍無法觀察到此現象。推測此兩點 正是無法順利進行頻散曲線的主要原因。
