行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
鋼筋混凝土結構品質與裂縫檢測技術之開發
NDT techniques for quality evaluation and cr ack detection of
r einfor ced concr ete
計畫編號：NSC 88-2625-Z-002 -012
執行期限：87 年 8 月 1 日至 88 年 7 月 31 日
主持人：劉佩玲、吳政忠 國立台灣大學應用力學研究所
一、中文摘要 本計畫利用先前發展之混凝土暫態彈 性波技術，開發一套量測鋼筋混凝土結構 彈性常數與掃瞄鋼筋混凝土裂縫之手提式 混凝土品質與裂縫量測系統。 關鍵詞：專題計畫、報告格式、國科會 Abstr actIn this project, a portable NDT system is developed for measuring elastic constants and cracks of reinforced concrete based on transient elastic wave propagation.
Keywor ds: NDT, Reinforced Concrete,
Crack, Elastic Constants, Transient Wave. 二、緣由與目的 鋼筋混凝土構造物在環境腐蝕、外來 荷重或材料老化之作用下，會引致材料強 度降低、裂縫延伸而產生無預期的破損。 如何以非破壞的檢測方法來評估其繼續使 用的安全性是急待解決的問題。本計畫改 進先前所發展之混凝土暫態彈性波技術， 使之適用於鋼筋混凝土結構，並發展鋼筋 混凝土裂縫之掃瞄法，最後將彈性常數與 裂縫掃瞄技術整合於一手提式混凝土品質 與裂縫量測系統，並實際應用於受損鋼筋 混凝土梁之檢測。 三、研究成果： 本研究之主要工作可分為三方面，1. 研發混凝土品質與裂縫量測系統，2. 研究 鋼筋對混凝土裂縫偵測之影響，3. 發展鋼 筋混凝土裂縫之掃瞄法，茲分述如下： 1. 混凝土品質與裂縫量測系統 本研究根據暫態彈性波理論研發一套 可攜式混凝土波速量測系統，此系統是由 可攜式電腦、高頻類比數位轉換卡、位移 感 測 器 、 前 置 放 大 器 、 波 源 產 生 器 及 LabVIEW 軟體組成。可攜式電腦中之數位 類比轉換卡之功能，是將所量得之類比訊 號，轉換為數位訊號，並將資料傳入電腦 中進行處理。 感測器是本項技術成功的關鍵，我們 採用台大應力所非破壞檢測實驗室發展出 來的橫效應模態錐型感測器量測表面橫向 位移，並配合前置放大器對於位移訊號進 行前置放大。透過兩個獨立的位移量測單 元與前置放大電路整合在一起，成為單一 探頭式組件。 此系統配有二種波源產生器，第一種 產生器是將 直徑 4.7mm 的鋼珠連接於細 鋼條上，利用鋼條的反彈力將鋼珠敲擊於 試體上形成一點波源，第二種產生器是以 瓦斯槍將鋼珠擊出撞擊混凝土表面，這樣 的波源訊號能量較高，在背景雜訊較大的 工作環境， 可得到較高的訊噪比。 量測混凝土波速或偵測裂縫時，系統 之架設如圖 1 所示，其操作流程是由波源 產生器造成點波源，以位移探頭接收訊 號，再經由類比數位轉換卡將資料傳入可 攜式電腦做訊號處理。 圖 1 系統量測架構 A/D card notebook computer concrete specimen displacement sensor system impact device
縱波波速量測的原理是由兩位移接收 器之距離除以兩縱波到達時間差，即可計 算得到縱波波速。此外，為了避免鋼筋的 影響，在做縱波波速量測時，探頭位置與 鋼筋網的相對位置可採圖 3 之配置方法。 圖 2 探頭位置與鋼筋網之相對關係 圖 3(a)所示為利用 Labview 所設計之 波速量測參數設定面板，透過滑鼠的操 作，可以控制數位類比轉換卡之資料擷取 功能，如觸發位準、觸發深度 、取樣頻率 等。圖 3(b)所示為縱波波速量測之操作面 板，面板上方為橫向位移接收器接收到之 表面橫向位移訊號圖，透過旋鈕可設定濾 波器的截斷頻率(cutoff frequency)，面板下 方即為經過濾波後之訊號。濾波後的訊號 可以透過面板操作工具，將所欲觀察到達 時間附近訊號放大，以便能更精確的判斷 縱波之到達時間。 (a) (b) (b) 圖 3 波速量測操作面板 圖 4 所示為利用 Labview 所設計之裂 縫量測面板，面板右上方為裂縫影像，右 下方為表面位移訊號圖，面板左上方為參 數設定區，使用者可設定影像繪製範圍， 及對比強度。面板左下方為以類神經網路 偵測裂縫的結果顯示區。 圖 4 裂縫量測操作面板 2. 鋼筋對裂縫偵測之影響 在混凝土含有鋼筋與裂縫的狀況下， 在混凝土表面施加一個點波源，彈性波會 在混凝土表面及內部傳遞，當內部的彈性 波到達裂縫尖端時，會產生繞射而傳到另 一側。彈性波傳到鋼筋與混凝土界面時， 會有反射及折射的現象出現，其中部份能 量會沿著鋼筋界面傳播，將彈性波傳到裂 縫的另一側。因此感測器接收的首達波除 了可能由裂縫尖端繞射外，隨波源與感測 器配置位置不同，感測器所接收到的首達 波有四個可能的傳遞路徑，分別為直接 為：1. 鋼筋與裂縫交接處反射，2.經裂縫 與鋼筋交接處反射再由鋼筋折射，3.經鋼筋 折射再由裂縫與鋼筋交接處反射，以及 4. 兩邊均由鋼筋折射四種。 以等深度裂縫為例，經由裂縫尖端的 繞射波走時為： p c C d s d r t 2 2 2 2 + + + = 其中d為裂縫長度。而四種經由鋼筋的首 達波走時分別為： p C h s h r t 2 2 2 2 1 + + + = r p C r C h h s t = + + δ + + −δ 2 2 2 2 2 r p C s C h h r t = + + δ + + −δ 2 2 2 2 3 r p C s r C h t 2 2( ) 2 2 4 δ − − + + δ = 其中r為感測器位置，s為波源位置，Cp為 混凝土縱波波速，Cr為鋼筋縱波波速， d ph C C = δ 為波源或感測器至折射點的水 平距離：h= L2+ H+R 2−R ) ( ，H 為保護層 厚度，R為鋼筋半徑，L 為測試斷面與鋼筋 的距離。 若要首達波走時不受鋼筋影響，其充 分條件為tc <ti，i=1~4。由此條件，可推 導裂縫深度與幾何位置的關係如下： i i i i i t s s r s t r r t t d 2 ) 2 2 2 ( 4− 2 2+ 4− 2 2− 2 2+ 4 < i=1~4
其中t tiCpH i = ，di,r,s上加橫線表示該度量 除以 H 以無因次化。 3. 鋼筋混凝土裂縫掃瞄法 本研究利用暫態彈性波試驗，對鋼筋 混凝土開口裂縫進行掃描。掃描時，先選 擇一測試斷面，將波源與感測器分置在裂 縫的兩側進行試驗，計算訊號首達波的橢 圓交點，以直線連接裂縫開口與橢圓交 點，得到此測試斷面之裂縫；然後，沿著 裂縫方向平移測試斷面，對新斷面作檢 測，同樣可得到新斷面之裂縫，接著重複 同樣的步驟。最後，連結所有斷面的裂縫 就得到裂縫的三維影像。 圖 5 所示為一垂直等深度裂縫之掃瞄 影像，混凝土裂縫深度度 8cm，鋼筋直徑 2cm。可以看出，在無鋼筋的情況下，可以 得到正確的三維裂縫面 。當保護層厚度較 小，而使鋼筋穿過裂縫時，裂縫面影像在 鋼筋上方會變形，由圖 5(b)、(c)可以看出 裂縫面雖然還是保持垂直，但是裂縫前緣 會向上凹成類似雙曲線的形狀，但當測試 斷面偏離鋼筋的距離較大，裂縫面又恢復 正常。我們發現鋼筋保護層越薄，影像受 鋼筋影響範圍越大。當 H = 4cm 時，裂縫 面影像一直到測試斷面偏離鋼筋 8cm 才恢 復正常，而 H = 6cm 時，只要偏離 6cm 以 上就可掃描到到正確裂縫面。 (a) 無裂縫 (b) H = 4cm (c) H = 6cm (d) H = 8cm 圖 5 垂直等深度裂縫掃描圖 裂縫長度 = 8cm 由以上的討論，我們知道當三維裂縫影 像的前緣呈現上凹曲線時，裂縫在曲線頂 點的正下方很可能就有鋼筋穿過。而且不 只是鋼筋位置，連保護層厚度都可以由上 凹曲線頂點保守估計出來。 圖 6 所示為一 45° 傾斜裂縫的掃瞄 圖，裂縫長度 12cm，鋼筋直徑 2cm。與垂 直裂縫的影像一樣，沒有鋼筋時，我們會 得到正確的裂縫影像，而當訊號受鋼筋影 響時，在鋼筋上方的裂縫前緣也有向上凹 的情形，而且保護層越薄，裂縫前緣也上 凹的越明顯 。 (a) 無裂縫 (b) H = 4cm (c) H = 6cm (d) H = 8cm 圖 6 45°等深度裂縫掃描圖 裂縫長度 = 12cm 但是這些 45°裂縫影像與垂直裂縫影像 有一點不同：裂縫影像除了在鋼筋上方有 上凹現像，還會產生側偏，所可以由上凹 或側偏的現象來判斷裂縫是否已穿過鋼 筋，或是判斷鋼筋的位置。 最後考慮一不等深度傾斜裂縫，裂縫掃 描結果如圖 7 所示。 圖 7 不等深度傾斜裂縫掃瞄圖 與等深度傾斜裂縫一樣，在鋼筋上方， 掃描影像有裂縫前緣上凹及裂縫面側偏的 現象。我們可以沿用前面的方法來判斷裂 y x (cm) y x (cm) x (cm) y y x (cm) z (c m) x y (cm) z (c m) x y (cm) z (c m) x y (cm) z (c m) x y (cm) z (c m) z (c m) z (c m) z (c m) z (c m)
縫是否已穿過鋼筋，而且和等深度裂縫一 樣，我們還是可以由裂縫前緣上凹頂點的 深度定出保護層的厚度。 利用此系統掃瞄開裂鋼筋混凝土模型 之結果如圖 8 所示，與數值模擬結果類似。 圖 8 開裂鋼筋混凝土模型掃瞄圖 四、結論 本計畫開發一套鋼筋混凝土結構品質 與裂縫檢測系統，並發展相關之裂縫掃瞄 技術。本計畫所開發之檢測系統已成功地 應用於總計畫鋼筋混凝土梁之品質檢測。 經由數值及模型實驗驗證，本研究可以歸 納出以下結論： 1. 本計畫所開發之混凝土品質與裂縫檢 測系統，在現場操作非常簡便，所顯示 的訊息對混凝土結構之安全評估也十 分有用。 2. 本計畫提出以橢圓交點掃描裂縫的方 法，當訊號不受鋼筋影響，可以得到裂 縫面的三維影像。 3. 對垂直裂縫進行掃描時，若掃描時波 源、感測器的配置對稱，則在受鋼筋影 響的範圍，裂縫面前緣有明顯向上凹的 現象。若波源、感測器配置不對稱，不 但裂縫面前緣會向上凹，而且會有裂縫 面側偏的現象。 4. 對傾斜裂縫進行掃描時，在受鋼筋影響 的範圍內，裂縫面前緣會向上凹，而且 裂縫面會側偏。 5. 由掃描裂縫影像可以判斷裂縫是否已 深達鋼筋。 6. 當掃描裂縫影像有向上凹的現象時，可 以由上凹的頂點位置來判斷鋼筋中心 位置，而且可以由上凹頂點的深度來估 計保護層厚度。 五、計畫成果自評 本年度預計完成的目標如下： 1. 建立鋼筋對混凝土結構裂縫偵測之影 響評估與對策。 2. 製作混凝土裂縫偵測及彈性常數量測 雙功能波動探頭量測系統。 3. 完成手提式鋼筋混凝土品質與裂縫偵 測系統。 4. 建立實地鋼筋混凝土結構破損程度偵 測與評估之方法與步驟。 5. 支援其他子計畫量測混凝土試體之波 速與彈性常數，做為各量測之基本數 據。 本研究已達成這幾個預定目標，所發展 之系統亦已用於模型梁及實地檢測，效果 良好。本計畫之研究成果已在 FENDT'99 發 表 ， 並 已 受 邀 投 稿 至 NDT & E International 期刊發表。 -1 0 -5 0 5 1 0 -1 0 -5 0 5 1 0 -1 2 -1 0 -8 -6 -4 -2 0
