「前瞻建築防火避難及結構防火科技研發
整合應用計畫（二）協同研究計畫
第 1 案：人工智能火害判識應用於結構材
料現場火害探傷之研究」
資料蒐集分析報告
內 政 部建 築研 究 所 協 同研 究 報告
中華民國
108 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）10815B0007
「前瞻建築防火避難及結構防火科技研發
整合應用計畫（二）協同研究計畫
第 1 案：人工智能火害判識應用於結構材
料現場火害探傷之研究」
資料蒐集分析報告
計 畫 主 持 人 ： 蔡綽芳 協 同 主 持 人 ： 林俊宏 研 究 員 ： 王天志、蘇鴻奇、陳佳玲、陳韋志 研 究 助 理 ： 王力平、陳 煜 研 究 期 程 ： 中華民國 108 年 2 月至 108 年 12 月內 政 部建 築研 究 所 協 同研 究 報告
中華民國
108 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）I
目次
目次 ... I 表次 ... V 圖次 ... VII 摘要 ... XIII ABSTRACT ... XIII 第一章 緒論... 1 第一節 研究緣起與背景 ... 1 第二節 研究目的 ... 1 第三節 本計畫之重要性 ... 2 第四節 範圍與方法 ... 3 第五節 研究報告之內容與流程 ... 5 第二章 文獻回顧 ... 7 第一節 國內外火害工程沿革 ... 7 第一項 火害工程研究概述 ... 8 第二項 建築物室內火災之溫度變化情形 ... 12 第二節 混凝土材料熱損傷特徵 ... 14 第一項 混凝土材料受高溫之性質變化 ... 14 第二項 水泥基質材料之力學性質與升溫變數之關係 ... 21 第三項 熱-固耦合作用下混凝土之力學行為 ... 26 第三節 鋼筋混凝土傷損機制 ... 32II 第二項 鋼筋之鏽蝕 ... 34 第三項 握裹之損傷 ... 39 第四節 人工智能分析 ... 40 第五節 導波量測技術 ... 46 第一項 導波之傳遞特性 ... 46 第二項 導波量測技術於鋼筋混凝土之應用 ... 52 第三項 多頻道表面波場分析之應用 ... 59 第三章 研發應用方法與範圍 ... 63 第一節 人工智能於火害資料庫之應用 ... 63 第一項 火害變數相關性分析... 63 第二項 人工智能分析 ... 64 第二節 導波試驗 ... 70 第一項 試驗變數規劃 ... 70 第二項 擬真火害試驗 ... 70 第三項 試驗方法與流程 ... 72 第四項 試體材料與製備 ... 74 第三節 火害現場結構材料探傷檢測系統韌體評估 ... 77 第四章 研究成果 ... 81 第一節 人工智能於火害數據之分析 ... 81 第一項 人工智能於火害因果關係調查結果 ... 81 第二項 數據分析成果與比較... 85 第三項 AI 人工智能所得模型驗證 ... 91
III 第二節 導波量測試驗結果 ... 98 第一項 導波量測於握裹力傷損調查應用概念 ... 98 第二項 火害受損深度調查應用 ... 98 第三項 握裹力傷損段判釋方法 ... 107 第三節 火害資料庫系統建置方法 ... 110 第一項 權限 ... 110 第二項 功能 ... 110 第三項 資料庫建置成果 ... 113 第四節 導波技術導入現有火害探傷檢測系統之評估 ... 116 第一項 導波量測所需之量測系統 ... 116 第二項 導波量測系統與現有火害探傷檢測系統之比較 ... 118 第三項 硬體成本經費估算 ... 119 第五節 桃園迴龍案場外業量測 ... 121 第五章 結論與建議 ... 127 第一節 結論 ... 127 第一項 人工智能於火害數據之分析 ... 127 第二項 以導波量測握裹力傷損判識法建立 ... 128 第三項 火害資料庫系統建置... 128 第四項 導波技術導入現有火害探傷檢測系統之評估 ... 129 第二節 建議 ... 129 附錄一 採購評選會議紀錄 ... 131 附錄二 期中審查會議紀錄 ... 133 附錄三 期末審查會議紀錄 ... 139
IV 附錄五 第二次工作會議紀錄 ... 149 附錄六 第三次工作會議紀錄 ... 155 附錄七 第一次專家座談會會議紀錄 ... 159 附錄八 第二次專家座談會會議紀錄 ... 167 附錄九 超音波內業量測標準作業程序 ... 175 附錄十 超音波外業量測標準作業程序 ... 189 附錄十一 外業火害調查表 ... 195 參考書目 ... 203
V
表次
第一章 表1.1 內業導波試驗範圍與方法之說明表 ... 4 第二章 表2.1 國內外相關之文獻摘要 ... 9 表2.2 火災發展歷程各階段之基本特性 ... 14 表2.3 水泥漿體受熱之變化說明 ... 16 表2.4 水泥漿體受熱之變化說明 ... 34 第四章 表4.1 輸入與輸出變數之關聯係數 ... 84 表4.2 輸出變數間之關聯性 ... 85 表4.3 使用交叉驗證 SMOREG演算法最高溫度預測 ... 94 表4.4 使用交叉驗證 LINEAR REGRESSION演算法最高溫度預測 ... 94 表4.5使用交叉驗證MULTILAYER PERCEPTRON演算法最高溫度預測. 95 表4.6 使用交叉驗證 M5P 樹狀迴歸演算法最高溫度預測 ... 95 表4.7 使用交叉驗證 SMOREG演算法強度折減預測 ... 96 表4.8 使用交叉驗證 LINEAR REGRESSION演算法強度折減預測 ... 96 表4.9使用交叉驗證MULTILAYER PERCEPTRON演算法強度折減預測. 97VI
表4.11 既有火害探測檢測系統與導波系統比較表 ... 118 表4.12 導波系統硬體單價分析表 ... 120
VII
圖次
第一章 圖1.1 火害探傷檢測系統韌體整合示意圖 ... 3 圖1.2 計畫流程圖... 5 第二章 圖2.1 近五年火災發生次數統計圖 ... 7 圖2.2 室內火災之歷程曲線 ... 13 圖2.3 水泥漿體之溫度與長度變化關係 ... 16 圖2.4 矽質骨材的溫度與線性膨脹之關係 ... 17 圖2.5 混凝土於高溫作用下之變化 ... 19 圖2.6 混凝土於高溫作用下對相對強度之影響 ... 19 圖2.7 混凝土暴露於高溫下之性質變化 ... 20 圖2.8 慢速升溫下混凝土之強度折減與溫度關係... 23 圖2.9 快速升溫下混凝土之強度折減與溫度關係... 24 圖2.10 不同升溫梯度與高溫下試體中心升溫歷程 ... 24 圖2.11 不同高溫及持溫時間下混凝土(水灰比 0.55)之強度折減 ... 25 圖2.12 不同高溫及持溫時間下混凝土(水灰比 0.65)之強度折減 ... 25 圖2.13 工作載重作用下碳酸鹽骨材混凝土受溫度作用後之抗壓強度27VIII 圖2.15 作載重作用下輕質骨材混凝土受溫度作用後之抗壓強度 ... 28 圖2.16 試驗(A)與試驗(B)的溫度與加載歷程 ... 29 圖2.17 不同工作載重下試體升溫過程之變形量 ... 30 圖2.18(A)彈性模數於不同工作載重與高溫下之關係 ... 31 圖2.19 水泥漿體之溫度與長度變化關係(MINDESS, 1981) ... 34 圖2.20 矽質骨材的溫度與線性膨脹之關係(GORDON,1996) ... 34 圖2.21 鋼筋混凝土結構腐蝕 過程的漸進階段(ERVIN,2009) ... 38 圖2.22 不同鋼筋腐蝕程度示意圖(ERVIN,2009) ... 38 圖2.23 不同氧化程度鐵鏽之體積變化(陳育聖，2018) ... 38 圖2.24 握裹力來源示意圖：(A)鋼筋與混凝土間之摩擦力 (B)竹節鋼 筋突出物與混凝土之相互作用力(趙元和，2004) ... 40 圖2.25 火害破壞特徵資料庫設計圖 ... 45 圖2.26 於均質均向板狀物體中之導波(BARTOLI,2007) ... 47 圖2.27 鋼管中之導波示意圖(BOLT,1976) ... 47 圖2.28 柱波之圓柱座標示意圖(ABRAMSON ET AL.,1958) ... 48 圖2.29 柱波之頻散與多震態現象(LI ET AL.,2012) ... 51
圖2.30 柱波之反射與透射行為(RUCKA &ZIMA,2015) ... 51
IX
圖2.32 導波在鋼筋與混凝土包覆段之傳遞情形 (RUCKA &ZIMA,
2015) ... 52 圖2.33 鋼筋鏽蝕之數值模擬波形(ZHENG ET AL.,2014) ... 53 圖2.34 導波能量與握裹長度消失比例的關係(LI ET AL.,2012) ... 54 圖2.35 超音波導波對不同地錨長、厚度判識不顯著(ZIMA ET AL., 2017) ... 55 圖2.36 鋼筋握裹狀態與鏽蝕程度在導波能量上的反應 ... 57 圖2.37 腐蝕對導波的影響：(A)未損壞的鋼筋 (B)腐蝕的鋼筋 ... 57 圖2.38 混凝土內鋼筋之頻散曲線 ... 58 圖2.39 於 100 KHZ下L(0,1) 之位移模式形狀 ... 58 圖2.40R 波反算 P 波隨深度變化之頻散曲線(KIM ET AL.,2006) ... 61 圖2.41 接收器下方握裹缺陷之時頻圖判識：(A)有缺陷(B)無缺陷(許 慧如，2015) ... 61 第三章 圖3.1 WEKA 圖示 ... 65 圖3.2 決策樹分類分析示意圖 ... 66 圖3.3 類神經網路示意圖 ... 68 圖3.4 支援向量機示意圖 ... 69 圖3.5 試體俯視圖、預火損之位置與熱偶線埋設處 ... 71
X 第一接收器(TRIGGER)之距離；∆X：接收器之間距) ... 73 圖3.7 試驗施測之移動方式示意圖 ... 73 圖3.8 試驗流程圖 ... 74 圖3.9 敲擊鋼珠(採用直徑 7 MM) ... 75 圖3.10 壓電式感應器 (型號：WDFO79) ... 76 圖3.11 型錄說明 ... 76 圖3.12 蜜蠟 (PCB 型號：080A24) ... 76 圖3.13 擷取介面器 ... 76 圖3.14 前置放大器(型號：1220C) ... 76 圖3.15 火害探傷檢測系統韌體整合 ... 77 圖3.16 UK-1401 乾點式超音波脈衝儀與壓、剪力波探頭 ... 78 圖3.17 PICOSCOPE 4224 訊號擷取器 ... 79 圖3.18 GETAC強固式平板電腦... 79 第四章 圖4.1 使用交叉驗證 SMOREG演算法最高溫度預測 (相關係數 0.7205 平均絕對誤差 69.2996 均方跟誤差 110.2713) ... 87 圖4.2 使用交叉驗證 LINEAR REGRESSION演算法最高溫度預測 ... 87 圖4.3 使用交叉驗證類神經網路演算法最高溫度預測 ... 88
XI 圖4.4 使用交叉驗證 M5P 樹狀迴歸演算法最高溫度預測 ... 88 圖4.5 使用交叉驗證 SMOREG演算法強度折減預測 ... 90 圖4.6 使用交叉驗證 LINEAR REGRESSION演算法強度折減預測 ... 90 圖4.7 使用交叉驗證類神經網路演算法強度折減預測 ... 91 圖4.8 使用交叉驗證 M5P 樹狀迴歸演算法強度折減預測 ... 91 圖4.9 火害受損深度調查資料分析流程 (A) 時間域前處理 (B) 頻散 曲線分析 (C)1.5D 剪力波速剖面影像... 100 圖4.10 速度-頻率域圖(無鋼筋無分層混凝土試體) ... 101 圖4.11 位置-深度之波速圖(無鋼筋無分層混凝土試體) ... 101 圖4.12 無鋼筋人工分層試體典型頻散曲線影像 ... 103 圖4.13 無鋼筋人工分層試體位置-深度之波速圖 ... 103 圖4.14 位於鋼筋正上方收錄之頻散曲線圖(鋼筋深度 3 CM) ... 104 圖4.15 偏移鋼筋 3 公分有鋼筋混凝土試體之頻散曲線圖 (鋼筋深度 5 CM) ... 105 圖4.16 擬真火損試驗照片 ... 106 圖4.17 受火害影響之頻散曲線圖 ... 107 圖4.18 火損分層試體位置-深度之波速圖 ... 107 圖4.19 握裹力無傷損段試體之速度-頻率域圖 ... 108 圖4.20 握裹力無傷損段試體之速度-頻率域圖 ... 109
XII 圖4.22 火害資料庫系統規畫概念圖(使用級權限) ... 112 圖4.23 火害資料庫系統登入畫面 ... 114 圖4.24 火害資料庫系統使用者管理操作頁面(管理者權限) ... 114 圖4.25 火害資料庫系統資料管理與上傳操作頁面(管理者權限) ... 115 圖4.26 火害資料庫系統資料管理與上傳操作頁面(使用者權限) ... 115 圖4.27 導波量測系統架構圖 ... 117 圖4.28 導波量測系統主要硬體規劃 ... 120 圖4.29 火害現場實際情況與 RC 之燃燒情況 ... 122 圖4.30 現場火源位置及鑽心點位之 4F 平面圖 ... 122 圖4.31 現場火源位置及鑽心點位之 6F 平面圖 ... 123 圖4.32 4F 直/間接量測之VS/VP & 火源距離 ... 124 圖4.33 6F 直/間接量測之VS/VP & 火源距離 ... 124 圖4.34 本研究以 4F、6F 直/間接量測之VS/VP與實驗室之燒失量推 估最高溫度兩者與火源距離之比較 ... 124 圖4.35 使用四種預測模型最高溫度預測結果 ... 125 圖4.36 使用四種預測模型強度折減比例預測結果 ... 126
XIII
摘要
關鍵詞：結構傷損判識、非破壞檢測、剪-壓波速比、導波量測、 資料庫、資料探勘 壹、 研究緣起 台灣主要建築與工程之結構系統為鋼筋混凝土(RC)結構物，火災 發生後對其結構系統受火損之量化與質化調查(尋因)，與後續居安使 用功能之評核(驗果)至關重要。內政部建築研究所曾於 107 年度進行 火害現場結構材料探傷檢測系統韌體之開發，其可用於量測鋼筋混凝 土結構材料之彈性波速，並根據104-106 年度於實驗室與現場系列調 查之數據所提出的「簡速非破壞性」之火損初勘量化評估方法，藉由 正規化指標(剪-壓波速比)評估其火害相關之因果數據，如火場最高受 溫分佈與柱-梁-版之混凝土強度折減率，可分別作為後續火場調查與 構材火損判識。為進一步擴大既有之研究成果，導入人工智能分析， 增加現場應用案例，並開發鋼筋握裹損傷判釋方法，而進行本年度之 研究工作。 貳、 研究方法 本研究擬在前述成果基礎上，利用人工智能分析方式包括支援向XIV 分析建立火害判識方法，且透過雲端資料庫系統的開發，增加資料庫 的使用團隊，以利增加相關數據之累積速度；另方面採室內試驗探討 不同狀態下之火害受損深度與握裹力喪失特徵，建立運用導波於火害 受損厚度與鋼筋握裹力狀態之評估方法，且藉已開發之設備功能，評 估在既有硬體規格下導入導波量測分析應用的可行性。另一方面，持 續增加現場的應用案例以掌握相關實務狀況與可能遭遇之問題。 參、 重要發現 1. 在人工智能與火害特徵調查之資料庫及資料探勘方面，因果關 聯相關性顯示剪力波速、壓縮波波速、剪-壓波速比與最高溫度及強度 折減比例有高度相關，將剪-壓波速比做為輸入，最高溫度與強度折減 比例分別作為輸出，進行支援向量機、線性回歸、類神經網路以及決 策樹 M5P 之預測模型建立，結果顯示在最高溫度與強度折減比例之 預測模型上，採用決策樹 M5P 之演算法有最佳效果，其餘方法預測 性較差且會有負值之不合理預測結果產生。 2. 在應用導波進行握裹力傷損調查判釋方法開發上，兩階段調查 策略具有可行性，第一階段採用應用雷利波之表面波分析方法可獲得 混凝土剪力波速剖面影像，以 10%之剪力波速折減作為特徵值可定義
XV 受損範圍，判釋此受損範圍之分布特徵若呈現自表面向下延伸則顯示 遭受火損，若此範圍超越保護層，則進入第二階段判釋。第二階段判 釋採用距敲擊點 10 公分處之接收器進行時頻分析，在時頻譜上若呈 現水滴狀能量分布則為正常，若呈現類靴狀且突出段在 40-100kHz 範 圍則顯示可能有握裹力喪失之可能性，需進行殘餘握裹力調查。 肆、 主要建議意見 建議一：AI 人工智能端 1. 後續須蒐集更多數量與變數之內業數據，須包含正常強度混凝土 (𝑓𝑐′=210、𝑓 𝑐′=280 及 𝑓𝑐′=350)以及更多階級之混凝土火害最高溫度 (𝑇𝑚𝑎𝑥=200°C~𝑇𝑚𝑎𝑥=800°C，每50°C 階層漸進) 2. 針對 WEKA 軟體可以使用更多預測模型進行測測法之推估，尋找 更適合之預測法，並了解其程式碼方便後續修改。 3. .針對大數據分析可以使用非監督式學習。使其預測法內自行尋找 其特徵值與佔比權重，可使推估值更貼近現實情況。在此需求下應 盡快建立資料庫雲端平台以及相對應之韌體設備，以有效增加有 效之數據量。 建議二：握裹力傷損之導波量測判識方法 1. 導波檢測之判識方法已建立，但仍屬定性之方法，建議後續可
XVI 中可能面臨的問題。 2. 第一階段判識採用剪力波速影像圖受既有反算方法限制而使 得深度解析度僅 1 公分，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。 建議三：導波量測系統建置 本研究對導波技術導入既有設備進行之評估結果顯示整合具有 可行性，建議未來可將其組建並發展儀控軟件，搭配網路連接可有效 發揮以建置之雲端資料庫系統之功用。
XIII
Abstract
Keywords: Damage detection of construction material,
Non-destructive technique, Shear-compression wave velocity ratio (Vs/Vp), Guide wave measurement, Database,
Concerning Reinforced Concrete (RC) structure is the main system for buildings and constructions in Taiwan currently, the quality/quantity evaluation of fire-induced damage/degradation in RC structure is important for living safety. To establish a new working system which can be used to measure the fire-damage degree rapidly for both brittle and ductile of reinforced concrete structure. This study investigated the full-field fire damage characteristics of concrete and the interface bonding between concrete and steel using ultrasonic pulse (UP) and guide wave. The obtained results were used to construct the fire damage investigation firmware. It should be available to detect the degree of reduction of RC structural performance as well as maximum temperature. The obtained data can be provided to fire-prevention department and structure engineers to rebuild fire field and define structure recovery method respectively.
In this study, artificial intelligence analysis is used, subjoin more field application cases and establish the method of steel bond damage interpretation.
In terms of databases and data mining for artificial intelligence and fire hazard investigation, Causal correlation shows that shear wave velocity, compression wave velocity and wave-velocity ratio are highly correlated
XIV
velocity ratio is taken as the input, and the maximum temperature and strength reduction ratio are taken as the output respectively, Support vector machine, linear regression, neural network and decision tree m5p prediction model are established. The results show that the support vector machine algorithm is the best in the prediction model of the maximum temperature and strength reduction ratio. The other methods have poor predictability and negative and unreasonable prediction results.
The two-stage investigation strategy is feasible in the application of guided wave to the investigation and interpretation of bond damage, in the first stage, the shear wave velocity profile image of concrete can be obtained by using the surface wave analysis method of Rayleigh wave. With 10% shear wave velocity reduction as the characteristic value, the damage range can be defined. It can be judged that if the distribution characteristics of the damage range extend downward from the surface, it will show fire damage. If the range exceeds the concrete cover, it will enter the second stage. In the second stage, the time-frequency analysis is carried out. In the time-frequency spectrum, it is normal if there is a water drop like energy distribution; if there is a shoe like shape and the protruding section is in the range of 40-100kHz, it shows the possibility of loss of bond stress. Therefore, it is necessary to investigate the residual bond stress.
For immediate strategy:
The current evaluation standard is the identification of correlation coefficient, mean absolute error and root mean square error. In the future, it is suggested to integrate them into a composite index. In addition, the
XV
identification method of guided wave detection has been established, but it is still a qualitative method. It is suggested that the quantitative evaluation method should be developed in the future, and the field test should be carried out to grasp the possible problems in the field application.
For long-term strategy:
Unsupervised learning can be used for big data analysis. Making the prediction method to find its own characteristic value and proportion weight can make the estimation closer to the reality.
1
第一章 緒論
第一節
研究緣起與背景
「安全」與「生活」為人類首要之追求。火災發生對人身安全與 生活環境之影響劇烈，而災後又對結構物之安全性與功能性影響堪 憂，故建物之耐火性能即扮演重要角色。為快速瞭解與提高評估研判 受火害後鋼筋混凝土結構物(含地上、地下)構材之力學性質與其損傷 程度、範圍之界定，因此本計畫擬建置「火害破壞特徵資料庫」，以 人工智能方法判識火害現場災損特徵；再者，對於火害後鋼筋混凝土 延-脆複合界面之殘餘握裹力學特徵，首度創立以導波方法探究之， 相關研究成果比對本研究所建立之超音波速比傷損指標，可同時擴 充火害破壞特徵資料庫之數據。第二節
研究目的
本研究計畫以既有實驗室與現場系列調查量測火害傷損之研究 成果，建立大數據資料庫，應用人工智能之數據分析作為火害判識之 工具。而於內業實驗室之研究則建立導波量測於鋼筋混凝土火害受 損厚度調查及鋼筋握裹力喪失段之評估方法，並評估導入導波量測 成果於 107 年建研所開發之火害現場結構材料探傷檢測系統韌體之 可行性。藉以評估地上鋼筋混凝土之脆性構材(混凝土) 與延-脆之交2 溫方式) 條件之溫度與應力組合下作用，其材料破壞特徵，探究火害 相關之因、果數據諸如：火場受溫分佈與柱-梁-版之混凝土強度折減 率，可簡單快速進行火場調查與構材火損之初評，甚而對於後續詳評 或結構補強設計與相關產物保險亦可提供量化資訊。
第三節
本計畫之重要性
以往為探求地上(RC建物)、地下(隧道) 結構體受熱驅作用後之傷 損程度，常以鑽心方式進行試體取樣，並於試驗室中進行單軸壓縮破 壞性試驗，以求取材料之強度折減；此方法除施作麻煩與耗時外，取 樣過程更無疑是對結構體造成二次傷損，且取樣數目有限，僅可針對 局部區域進行傷損評估，而以單一強度折減指標作為鑑定依據，又略 嫌不足。再者，過往對於火害傷損程度以燒失量試驗方法評估之，為 材料重量損失之評判方法，亦有其侷限性。本計畫依104-107年度累積 實驗室及現場(外業量測) 系列資蒐與實作之調查數據，建置火害破 壞特徵資料庫，進行人工智能分析；另外，以導波量測方法探視鋼筋 混凝土握裹力之喪失程度，並針對建研所原已開發之火害現場結構材 料探傷檢測韌體(如圖1. 1)，在對硬體調整最小限度的前提下，導入導 波量測系統之可能性評估。相關研究成果不但可簡易、快速應用於火3 害現場結構材料非破壞檢測之初勘，未來可擴充應用於建物之震害與 中性化之評估。 圖1. 1 火害探傷檢測系統韌體整合示意圖
第四節
範圍與方法
本研究整合104-107年之研究成果，透過火害傷損前、後構材(脆、 延與延-脆介面) 之非破壞探傷，由已知損害程度之試樣，執行破壞性 試驗，同步耦合內、外破壞之時(聲學) 空(光學) 資訊之非破壞檢測， 建立具體而微之傷損演化，並建立正規化超音波速比之傷損指標與建 立火害破壞特徵資料庫，藉以開發火害現場結構材料探傷系統韌體， 以能快速、簡易評估RC建物材料(含地下結構物) 受火害後之安全性。 本年度計畫擴充韌體之功能性，首於內業進行導波試驗，探查鋼 筋混凝土受火害之延-脆介面握裹損失特徵，試驗之範圍與方法如4 度也持續調查量測，比對實驗室試驗數據，擴增資料庫內容，並以人 工智能資料探勘，分析火害特徵，建立傷損預測模型。 表1. 1 內業導波試驗範圍與方法之說明表 材料 (material) 混凝土 定值 fc'(kgf/cm2) = 420 鋼筋 變數 竹節：fy(N/mm2) = 470 直徑(db,cm) = 1.9 光面：fy(N/mm2) = 570 直徑(db,cm) = 2.1 鋼筋-混凝土之介面 定值 擬傷損段厚度(Δc,cm) = 0.3 擬傷損段長度(Δl,cm) = 30 變數 保護層厚度(c,cm)：1.5、4 正規化指標：厚徑比(c/db)： 1.5/1.9 = 0.79、1.5/2.1 = 0.71、 4/1.9 = 2.11、4/2.1 = 1.90 量測 (measure) 擊發接收之位置：混凝土表面
5
第五節
研究報告之內容與流程
本計畫蒐整過去內業實驗數據與外業現場調查量測資料，建置火 害傷損資料庫，並應用人工智能判識火損特徵，比對本研究過去工程 迴歸統計研發成果，同時開發新型導波量測技術，針對脆性保護層材 (混凝土)與延性拉伸材(鋼筋)之介面，探查鋼筋之握裹強度損失，並評 估將技術導入已開發之火害現場探傷系統韌體之可行性，相關研究流 程如圖1. 2所示。 圖1. 2 計畫流程圖 (資料來源：本研究整理)7
第二章 文獻回顧
第一節
國內外火害工程沿革
根據內政部消防署民國106 年全國火災統計分析指出民國 105 年 中火災的發生次數高達 1856 次，相較於近 5 年全國火災統計分析火 災發生次數有微幅成長之趨勢，如圖2. 1 所示其中各類火災中又以建 築物火災發生次數高達 76.7 %。火害工程包含了災害發生時如何救 火、排煙、逃生及災後建築物之評估其結構安全及補強等課題，而國 內部分之火害工程研究起步相較於美、日、歐等國較晚。政府早期推 動了大型防災科技研究，內容包含了防洪、防震、坡地及氣象災害， 但政府投入火害工程經費與人員傷亡與損失卻成反比，儘管如此，國 內多所大學與政府陸續也開始火害工程之基礎研究，本節綜整國內外 火害工程發展沿革、建築物室內火災延燒情況與國內外研究概況，分 述說明如下： 圖 2. 1 近五年火災發生次數統計圖8
第一項 火害工程研究概述
火害工程方面研究以美國、日本、加拿大、英國等國較早投入研 究，其中又以美國波特蘭水泥協會(Portland Cement Association, PCA)，
針對受火害之混凝土構件結構方面較豐碩，並於 1958 年時興建一棟
大型中央自動控制的火害研究室，進行梁、版、牆等構件試驗，其火 害研究室並無柱之火害試驗設備;於 1980 年開始與加拿大國家研究委 員會合作(National Research Council Canada, NRCC)也建置了綜合大型 火害實驗室，並興建了一可執行火害試驗時同時施加柱軸力之試驗設 備;英國混凝土學會，於 1978 年曾提出一篇關於火害混凝土結構安全 評估與混凝土構件火害程度目測分級，Tovey (1986)提供建議，可分 為定性評估(目測評估)、定量評估(混凝土顏色變化、鑽心試驗、超音 波試驗)、修補技術評估(混凝土強度折減與溫度之關係)，其中定性評 估可作為現場快速檢測，而定量評估因當時試驗精度不甚理想，還有 其改善空間(陳舜田，1999；羅柏易，2008)。 國內於構件部分，常因實驗設備缺乏，而進行縮小尺寸構件實驗， 大型試驗反而較少，至於政府部門在推動火害工程研究，自 1989 年 九月成立「建築研究所籌備處」；於 1992 年七月在台北五股成立防火 實驗室;並於 1993 年提出「建築物防火性能試驗及應用研究五年計畫」;
9 於 2002 年 4 月建立防火實驗群，從台北五股遷至台南歸仁，除了進 行梁、版、牆試驗，亦可進行梁柱複合爐耐火性能試驗，並彙整國內、 外之相關文獻，如表2. 1。 表2. 1 國內外相關之文獻摘要 作者 題目 概要 年代 國 外 Sakumoto, Y., Okada, T., Yoshida, M., Taska, S. Fire resistance of concrete-filled, fire resistant steel tube column 利用耐火鋼進行實尺寸耐 火鋼鋼管混凝土的防火實 驗。試驗結果顯示，利用 內灌混凝土之熱容量之特 性，耐火鋼鋼管混凝土僅 需少量之防火被覆即能達 到其優越耐火性。 1994 Robert Černý
The effects of thermal load and forst cycles on the water transport in two high-performance concretes 使用混凝土建築核電廠， 暴露高溫可達800℃，透過 水分擴散係數之變化，研 析高溫下混凝土之耐久性 質。 2001 Huang, Z.F., Tan, K.H.
Rankine approach for fire resistance of axially-and-flexurally restrained steel columns 利用Rankine Formula 並考 慮潛變效應，建立一套鋼 柱在火害高溫下的分析方 法。 2003 Choi, N.S.
Kaiser effects in acoustic emission from composites during thermal cyclic-loading 反覆溫度作用下應用聲射 法於複合材料，得到升溫 時AE訊號產生，降溫則 無，稱溫度凱薩效應。 2005 國 內 陳舜田 雙H型鋼骨鋼筋混凝土 柱火災後之強度評估 在不同的混凝土強度不 同、保護層厚度及火害時 程下，柱體內部混凝土、 垂直筋及雙H型鋼之溫度分 布狀況，並分析不同變量 下混凝土強度之折減。 2003 陳柏存 以表面波譜法與支持向 量機評估高溫損傷混凝 以不同爐石含量混凝土， 探討高溫下材料損壞情況 2008
10 危時秀 普通混凝土熱傳性質之 研究 水量為變數，求高溫下熱 傳係數 2009 李鎮宏 鋼骨鋼筋混凝土柱受軸 力下防火性能設計指南 研究 歷年已進行多次有關SRC 柱於標準火害下之行為與 研究，將多組實驗結果與 相關性能設計比對，以做 為國內構造防火性能設計 2012 張育誠 連續熱損顆粒材之破裂 韌度與拉力強度及其聲 光破壞演化 透過連續性高溫試體準備 方式，獲得連續性材料破 壞分佈後，近行間接拉力 與破壞韌度試驗。 2013 陳誠直 箱型鋼管混凝土柱之防 火性驗證技術研究 探討內灌混凝土箱型鋼柱 與內含鋼筋混凝土箱型鋼 柱於不同軸向載重之火害 行為，並深入探討耐火性 能影響參數。 2013 王天志 內填充鋼筋混凝土箱型 鋼柱高溫加載試驗研究 探討箱型鋼柱內有無配置 縱向主筋對其高溫載重行 為之影響 2014 李其中 聚丙烯纖維自填充混凝 土修復火害鋼筋混凝土 住在高溫中後之行為研 究 以自充填混凝土及聚丙烯 纖維自充填混凝土修復受 火害的鋼筋混凝土柱，並 探討柱之強度折減與混凝 土強度。 2014 曹祖璟 脆、延性固材於熱力固 力耦合下之巨-微觀破 壞特徵及火害度判識 針對RC 構材中之脆性材 與延性材，分別進行火害 前、後之單壓與單拉試 驗，佐以同步化聲-光耦合 非破壞檢測，觀察材料 「內、外」部破壞特徵， 並以超音波脈衝量測技術 之壓-剪波速比探討構材受 熱傳破壞後之傷損狀況 2015 柯志揚 結合聲-光非破壞檢測 於隧道環境遭熱驅破壞 以隧道工程支撐系統之 脆、延性材受熱驅破壞 2016
11 之傷損判識 後，引致材料之巨觀力學 傷損及微觀破壞特徵演化 之範疇進行系列研探，並 以正規化波速指標「剪 壓 波速比 (Vs/Vp)」作為評估 材料熱損程度之指標 黃崑瑭 以聲-光非破壞檢測判 識隧道襯砌受熱-固傷 損之力學行為 研析隧道結構(如襯砌結構) 受溫度(如火害、地熱及其 他溫差效應)與應力 (大 地、工作應力)同時作用 後，其結構材料力學行 為。應用主、被動式聲-光 非破壞探傷技術，研析巨 觀殘餘力學性能佐以微觀 破壞演化之觀察，俾能作 為實驗室及現場之傷損判 識工具/方法。 2017 林欣蓉 水泥基質材料受火害傷 損之正規化超音波脈衝 指標及其碳化特徵與燒 失比對 針對RC 構材中之水泥基 質材料，進行燒失量試 驗，以超音波脈衝量測技 術之剪-壓波速比探討構材 受熱重量損失與體積變化 之相關性。 2018 楊佳嘉 以導波技術檢測鋼筋混 凝土握裹介面傷損之初 探 應用多頻道表面波震測分 析法，研析結構材料受溫 度(火害)作用其延-脆(鋼筋 混凝土)介面之傷損情況與 判識。 2018
12
陳弘毅 (2003)、陳榮收(2008)曾整理建築物之室內火災成長歷程，
可用溫度與時間變化來說明。如圖2. 2 與表 2. 2 所示，可分為第一成
長期 (First Growth Period)、第二成長期 (Second Growth Pe riod)、最 盛期 (Fully-Developed Period)、衰退期 (Decay Period)四個階段，各 階段的特色分別說明如下：
(1) 第一成長期(First Growth Period)
造成起火的原因非常廣泛，而火災從「火源」開始，通常必須經 由「第一著火物」，甚至「第二著火物」等延燒媒介物之著火燃燒， 此段時間又稱為「起火期」，在此階段中室內溫度尚不太高(室內溫度 通常以室內中央上方靠天花版之位置測定之，而其時間之長短，亦隨 著火源與著火物種類而有所不同)。
(2) 第二成長期(Second Growth Period)
一旦材料著火，其燃燒所產生的熱能向周圍擴散藉由輻射、對流、 傳導等傳遞方式，加速可燃物燃燒，使得溫度逐漸上升。
(3) 最盛期 (Fully-Developed Period)
在火災持續成長過程中，在成長期末期當熱分解產生可燃性氣體 會在室內高處蓄積，當該氣體與空氣之混合氣體濃度達到燃燒界線，
13 且此時溫度已達到多數材料之著火點或以上，此時火焰由版壁垂直向 上竄，達到天花版後，即改向水平方向急速擴展，不久天花版全面引 燃，頓時室內陷入火海，此種現象一般稱之為閃燃 (Flash-Over)，此 時室內溫度亦達到最高點。 (4) 衰退期 (Decay Period) 隨著可燃物的燃燒殆盡，火勢亦開始衰退，此種情況若任其擱置， 則現場附近將可以長時間繼續保持高溫，室內溫度亦一直維持在 200 ℃~300 ℃不易下降。 圖 2. 2 室內火災之歷程曲線 (資料來源：陳弘毅，2003)
14 基本特性 火災歷程 經歷時間 (min) 室內空氣溫 度 (℃) 火災現象與燃燒範圍 起火 期 1-10 100 侷限火源附近 成長 期 5-20 100-650 起火點向四面八方 閃燃 瞬間 至少 800 多數材料已達著火點 以上 全盛 期 不一定 通風控制燃 燒: 600-900 燃料控制燃 燒 600-1200 所有可燃物皆燃燒 衰退 期 不一定 約 200-300 火勢逐漸變小 (資料來源：陳榮收，2008)
第二節
混凝土材料熱損傷特徵
第一項 混凝土材料受高溫之性質變化 火害研究大多以混凝土為主，然而混凝土受火害後之性質變化與 水泥砂漿極為類似，且混凝土之組成可分為膠結材(水泥砂漿)與顆粒 材(骨材)兩部分探討，而其中水泥砂漿受熱後之物理、化學性質極為 重要，因此本小節將回顧水泥砂漿受火害或高溫作用下之性質變化。15 (1) 膠結材受熱之變化 Mindess (1980) 曾探討混凝土中之水泥漿體與骨材界面的物理及 化學變化，藉以了解膠結材及顆粒材膠結情況對混凝土強度、耐久性 之影響。危時秀 (2003) 、施佩文 (2013) 曾探討混凝土組成中之膠結 材與顆粒材於高溫作用下之變化，通常當加熱至100~110 ℃材料內部 的孔隙水及吸附水可全部消失，而位於水泥漿體中的礦物晶格中之結 晶水扮演著結構的重要角色，結晶水是以中性水分子 (H2O)的形式存 在於礦物晶格中，因受晶格的約束力比材料表面之吸附水大得多，一 般都在200~500 ℃間，而當水泥漿體超過 650 ℃時，分解後之水泥原 料，會重新燒結成水泥熟料，產生化學變化使其重新具有鍵結力，如 表2. 3 所綜整。然而除了水泥砂漿受熱後產生化學變化，在物理性質 上亦有所變化，在水泥砂漿受熱105 ℃初期，由於材料內部吸附水的 消失而產生體積收縮，若持續加熱至 500 ℃其體積收縮率約 0.4 %， 恐與顆粒材產生差異膨脹問題，並在膠結材與顆粒材之介面產生問題， 如圖2. 3。
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(資料來源：沈進發與陳舜田，1999)
圖 2. 3 水泥漿體之溫度與長度變化關係
17
(2) 顆粒材之熱學性質
顆粒材在混凝土材料所佔體積比例相當大並扮演著重要角色，而 顆粒材因產地區域不同而有不一樣的特性，一般依其成份可分為矽質 骨材 (Siliceous Aggregate)又稱為酸性骨材，及石灰質骨材 (Carbonate Aggregate)又稱為鹼性骨材，矽質骨材之主要成分為石英礦物 (Quartz) ，而石英是由二氧化矽所組成，由圖2. 4 中可知，當石英礦物受熱溫 度達 500 ℃時，在體積變化上會產生約 0.85 %的熱膨脹量，當溫度達 573 ℃時，會有晶相轉換 (Phase Transformation)發生，由 α 相轉變至 β 相，熱膨脹量從 0.85 %上升至 1.4 %導致材料結構破壞；當溫度上 升至900 ℃體積膨脹趨於穩定不再增加。 圖2. 4 矽質骨材的溫度與線性膨脹之關係 （資料來源：Gordon,1996）
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Georgali and Tsakiridis (2005)指出當火害溫度達300至600 ℃時， 混凝土的表面顏色會由正常顏色轉變為粉色偏紅色，當600至900 ℃ 會呈現白灰色，900 ℃以上時則呈現褐色，如圖2. 5，而粉色的變化是 由於混凝土中的膠結材或顆粒材中含有鐵的成分，並指出當溫度於 200至250 ℃時，其抗壓強度會開始產生下降；達300 ℃其抗壓強度下 降約15至40 %；550 ℃時約下降55至70 %。 Arioz (2007)曾改變混凝土的顆粒材組成與水灰比，探討高溫作用 對於壓力強度之影響，而由石灰質骨材組成的混凝土加熱至 600 ℃時， 其強度之變化轉變為快速下降，從圖 2. 6 中觀察溫度達 600 ℃其相對 抗壓強度尚有 90 %，加熱至 800 ℃時只剩下 37 %，而水灰比對於強 度並無顯著的影響，矽質顆粒材在高溫作用下造成體積膨脹對於強度 衰減有較顯著之變化。
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圖 2. 5 混凝土於高溫作用下之變化
(資料來源：Georgali & Tsakiridis, 2005)
圖2. 6 混凝土於高溫作用下對相對強度之影響
20 於高溫環境作用下，混凝土的彈性模數 (Modulus of Elasticity)將 隨溫度升高而迅速降低，降低比例程度較單壓強度來得大(如圖 2. 7 所示)，造成此現象主要係因混凝土內部存在一過渡結構(Interfacial Transition Zone)，當混凝土暴露於火害環境或高溫作用下，過渡區結 構之微裂縫生成與擴展更為劇烈，因此造就了混凝土之勁度(變形模 數)受熱驅作用之折減較強度折減為嚴重。 圖 2. 7 混凝土暴露於高溫下之性質變化 (資料來源：黃兆龍，1988)
21 第二項 水泥基質材料之力學性質與升溫變數之關係 在溫度逐漸升高的過程中，水泥基質材料中膠結材與顆粒材之體 積變化是大相逕庭的，整體而言，膠結材為收縮變形，顆粒材為分解 膨脹，彼此間的差異變形使得材料界面微裂縫的滋長或延伸；而外部 環境變數之完整升溫歷程又可分為：升溫速率、最高溫度、持溫時間、 降溫梯度四大變數，其主要與強度折減之關係分述如下：
(1) 升溫速率(Rate of Heating, Rheat)
升溫速率對混凝土抗壓強度折減，在低溫有顯著影響，但在高溫 則較無影響。升溫速率快慢之影響，恐涉及混凝土暴露於高溫環境中 之時間，使得混凝土內部之吸附水、鍵結水損失程度有所不同。但如 升溫相當快，將使試體內部存在著相當大的溫度梯度，造成較大量之 微裂縫生成或裂縫衍生，而對強度折減產生影響。溫度在600度以上， 升溫速率對試體強度折減已無顯著影響。
(2) 最高溫度(Max Temperature, Tmax)
最高溫度是最直接影響強度折減的因素，因高溫將使膠結材之孔 隙水、鍵結水消散，及顆粒材的相變與分解，於混凝土內部界面形成 微裂縫，使強度折減，且通常最高溫度越高，則強度折減越大。
(3) 持溫時間(Exposure Time, te)
22 (最高溫度小於200 ℃)有顯著影響，但在高溫(最高溫度大於700 ℃)則 較無影響。其主要原因為，混凝土於高溫時，熱主要以輻射方式傳遞， 傳遞速率較為快速，因此可以在較短的時間內對試體造成內部界面破 壞；而暴露在低溫環境時，熱的傳遞主要藉由孔隙水、膠體、粒料進 行傳遞，於此條件下持溫時間的增加，可消散較多混凝土內部的水分， 並且可使熱能充分傳遞試體內部中心，而產生更多的裂縫。 由Mohamedbhai (1987)的試驗，對水灰比0.7之混凝土執行最高溫 度200、400、600、800 ℃與1、2、3、4小時的持溫時間 (以爐內溫度 控制)的熱驅破壞試驗，並使用兩種升溫速率與降溫速率，探求混凝土 於熱驅破壞後之巨觀強度行為；由試驗成果得知，混凝土之強度大部 分折減在持溫時間2小時前發生，如圖2. 8及圖2. 9。 沈進發與陳舜田 (1993)針對持溫時間對強度之影響進行系列之研析， 以水灰比0.55、0.65之混凝土施以常溫至1000 ℃之最高溫度與0至120 分鐘之持溫時間的熱驅破壞試驗；有別於Mohamedbhai (1987)之試驗， 沈進發與陳舜田 (1993)於試體中心埋設熱電耦線，加熱達控制之爐 溫後，持續定溫至試體內部皆達控制之最高溫度 (穩態條件)，定義此 時段為0持溫時間，如圖2. 10所示；由試驗成果得知(如圖2. 11、圖2. 12 所 示 ) ， 持 溫 時 間 對 強 度 之 影 響 主 要 發 生 於 較 低 之 最 高 溫 度
23
(300~700℃)之間，於200℃下與700℃上之最高溫度區間，持溫效應對 混凝土強度之影響並不顯著。
圖 2. 8 慢速升溫下混凝土之強度折減與溫度關係
24
圖 2. 9 快速升溫下混凝土之強度折減與溫度關係
(資料來源：Mohamedbhai ,1986)
25 (資料來源：沈進發和陳舜田，1993) 圖2. 11 不同高溫及持溫時間下混凝土(水灰比 0.55)之強度折減 (資料來源：沈進發和陳舜田，1993) 圖2. 12 不同高溫及持溫時間下混凝土(水灰比 0.65)之強度折減 (資料來源：沈進發和陳舜田，1993)
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(4) 降溫方式(Cooling Condition, Wcool)
降溫方式依降溫速率由慢到快排列，依序可區分為爐內冷卻 (Cooling in Furnace, CIF)、室溫冷卻(Cooling in Air, CIA)、浸水冷卻 (Cooling in Water, CIW)三種方式。然而，因混凝土中之膠結材與顆粒 材之膨脹特性(熱膨脹係數)不同；於降溫過程中，如速率過快，將再 次因變形不諧和而產生或衍生更多之二次裂縫、孔隙，而加劇熱損度。 第三項 熱-固耦合作用下混凝土之力學行為 鋼筋混凝土結構物受火災時，結構物之構材，混凝土與鋼筋不僅 受火場溫度作用，也受結構之設計載重影響，然於火場中，混凝土為 第一道承受火場高溫之材料，其於熱力與固力耦合下之力學行為，影 響著結構物安全性能；本計畫案為建置簡速型火害傷損判識裝置，必 然考慮混凝土材料於熱-固耦合後之力學行為發展；Abrams (1971)針 對不同種類骨材之混凝土於高溫作用下施以工作載重，試驗其於熱力 與固力耦合後之力學行為。其於高溫下受工作載重之試驗條件如下陳 述： (a) 施予0.4 fc’之工作載重，並於加熱至試體內部達均溫後，執行抗壓 試驗。
27 (b) 不施予工作載重，並加熱至試體內部達均溫後，執行抗試驗。 (c) 不施予工作載重加熱至試體內部達均溫後，冷卻執行抗壓試驗。 試驗成果顯示，不論何種骨材之混凝土，受0.4 fc’之工作載重下 承受高溫能力提升，其強度比未受工作載重條件下提升約25 %，工作 載重束制了裂縫的發展，導致其具有較高之抗壓強度；於冷卻後之混 凝土，其強度折減小於另兩種試驗條件，原因為混凝土於降溫過程中， 產生了變形不諧和，導致其受到二次傷損，強度折減降低。如圖2. 13 至圖2. 15所示。 圖2. 13 工作載重作用下碳酸鹽骨材混凝土受溫度作用後之抗壓強度 (資料來源：ABRAMS，1971)
28
圖2. 14 工作載重作用下矽質骨材混凝土受溫度作用後之抗壓強度
(資料來源：ABRAMS，1971)
圖2. 15 作載重作用下輕質骨材混凝土受溫度作用後之抗壓強度
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Anderberg and Thelandersson (1976)曾探討受工作載重下混凝土承受 高溫之行為，其試驗條件如下陳述(圖2. 16): (a) 試驗(A)為受不同工作載重下，持續加溫直至試體破壞，探究其力 量與變形行為之發展。 (b) 試驗(B)為受不同工作載重下，加溫至設定溫度後，持溫兩個小時， 加載至破壞，探究其力學行為。 圖2. 16 試驗(A)與試驗(B)的溫度與加載歷程
(資料來源：Anderberg and Thelandersson，1976)
試驗(A)成果顯示，於0 %工作載重之試驗，其於高溫作用下，混 凝土之熱膨脹變形量達1 %；隨工作載重之增加，其熱膨脹與工作載 重所產生之變形量逐漸變化，於工作載重為40 %時，混凝土之熱膨脹 變形量與工作載重引致之變形量互相抵銷；並隨工作載重愈高時，混
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圖2. 17 不同工作載重下試體升溫過程之變形量
(在5 ℃/min之試驗條件下) (資料來源：Anderberg and Thelandersson，1976)
由試驗(B)之試驗成果顯示，工作載重對混凝土之彈性模數有顯
著之影響，圖2. 18中黑色實線表示在無工作載重下之力學行為，發現
有工作載重之彈性模數皆高於無工作載重狀態下，工作載重之於彈性 模數的影響顯著；然對強度而言，影響並不顯著，在工作載重為
31 10 %~22.5 %時，其強度分布在黑色實線上；於45 %之工作載重時， 因試驗之最高溫度為200 ℃，然於200 ℃時，混凝土之強度仍未折減， 尚看不出工作載重對強度所造成之影響。 圖2. 18 (a)彈性模數於不同工作載重與高溫下之關係 (b)強度於不同工作載重與高溫下之關係 (資料來源：Anderberg and Thelandersson，1976)
32 第一項 混凝土之傷損 鋼筋混凝土結構受外力傷損時，保護層功效是與鋼筋形成足夠的 握裹能力，以保全整體結構之穩定(不破壞)。混凝土一旦破裂，外界 之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接觸，造成鋼筋快速腐蝕，當裂縫 的寬度愈大時，腐蝕將會加速。而在保護層之混凝土受火害之性質變 化與水泥砂漿極為類似，混凝土之成分主以膠結材與顆粒材兩部分說 明： (1) 膠結材受熱之變化 探討混凝土組成中之膠結材與顆粒材於高溫作用下之變化，當加 熱至100 ~ 110 ℃材料內部之孔隙水及吸附水會全部消失 (危時秀， 2003；施佩文，2013)。而於水泥漿體中之結晶水於礦物晶格結構中有 極重要性，其結晶水為中性水分子 (H2O) 之形式存在於礦物晶格中， 因受晶格之約束力大於材料表面之吸附水，一般都在200 ~ 500 ℃間， 而當水泥漿體超過650 ℃時，分解後之水泥原料，會重新燒結成水泥 熟料，產生化學變化使其重新具有鍵結力。沈進發與陳舜田 (1993) 以升溫關係將水泥漿體受熱變化作綜整，如表2. 4。
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(2) 顆粒材之熱學性質
混凝土材料之顆粒材所佔體積比例相當大且重要，而顆粒材因產 地 區 域 不同 而有不 一 樣 的特 性，一 般 依 其成 份可分 為 矽 質骨 材 (Siliceous Aggregate) 又稱為酸性骨材，及石灰質骨材 (Carbonate Aggregate) 又 稱 為鹼 性 骨 材 ， 矽 質骨 材 之 主 要 成 分為 石 英 礦 物 (Quartz)，而石英是由二氧化矽所組成，如圖 2. 20 可知。當石英礦物 受熱溫度達 500 ℃時，在體積變化上會產生約 0.85 %的熱膨脹量，當 溫度達573 ℃時，有晶相轉換 (Phase Transformation) 發生，由α相轉 變至β相，熱膨脹量從 0.85 % 上升到 1.4 % 導致材料結構破壞；當溫 度上升至900 ℃體積膨脹趨於穩定不再增加。以此可知鋼筋混凝土受 火損後於物、化性變化上，其保護層之混凝土對鋼筋保護能力影響之 大，得進一步往內 (延-脆材料介面) 研探傷損後鋼筋鏽蝕程度及整體 握裹能力狀況，故此課題 (延-脆材料介面) 極為重要。
34 溫度 (℃) 水化反應之產物 常溫~ 105 毛細水及吸附水蒸發 105 ~ 440 矽酸鈣水化物鍵結水之裂解 C − S − H → C − S + H (佔水泥漿體之 55 %) 440 ~ 580 氫氧化鈣結晶水之裂解：C − H → C + H 605 ~ 1000 碳酸鈣結構水分解：CaCO → CaO + CO 圖 2. 19 水泥漿體之溫度與長度變化關係(Mindess, 1981) 圖 2. 20 矽質骨材的溫度與線性膨脹之關係(Gordon, 1996) 第二項 鋼筋之鏽蝕 鋼筋混凝土受災損後 (物、化性)，至終影響整體握裹能力之下
35 降，其成因甚為複雜。鋼筋混凝土材料受損後不僅於短期的混凝土 物理性作用之傷損：如混凝土表面剝離、裂紋及裂縫；而在於化學 性作用之傷損則有：高溫火害、混凝土中性化、鹼骨反應及鋼筋腐 蝕等，對結構物之長期侵害。 本研究探討鋼筋混凝土內鋼筋導波波傳行為，若能了解鋼筋銹 (腐) 蝕之機理，故應能透過此應然於量測施作及分析上更為妥當。 此鏽蝕機理從整體鋼筋混凝土來看分為：外部現象 (表面)、內部現 象 (裡面) 之侵蝕過程，如圖 2. 21、圖 2. 22。 (1) 外部現象─保護層之混凝土中性化： 在一般常態常溫 (25 ℃ ) 下，因混凝土澆置過程發生水化作用 (Hydration，為物質與水發生化合的反應，又稱水合作用) 致混凝土產 生強鹼性質，使內部之鋼筋在此強鹼環境下，鋼筋表面產生一層具有 保護鋼筋防蝕功能之鈍態氧化膜 (Passivation)；而混凝土表面若受環 境侵害影響時 (如震、火損)，其表面產生為裂隙(縫)且空氣中二氧化 碳 (CO2 ) 滲入其中後，(CO2 ) 將會與具鹼性之氫氧化鈣 (Ca(OH)2，
為水泥水化產物) 作用，生成碳酸鈣化合物 (CaCO3)，且由於碳酸鈣
(CaCO3) 具有弱酸性，使保護鋼筋之鹼性環境逐漸消散。當保護環境
36 2006)。混凝土中性化引致鋼筋鏽(腐)蝕過程，其相關反應化學式如下： 中性化過程： CO2 + H2O → H2CO3 (2. 1) H2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2H2O (2. 2) 鋼筋鏽(腐)蝕過程之陽極 (氧化反應)： 2Fe + O2 → 2FeO (2. 3)
FeO + H2CO3 → FeCO3 + H2O (2. 4)
鋼筋鏽(腐)蝕過程之陰極 (還原反應)：
4FeCO3 + 10H2O + O2 → 4Fe(OH)3 + 4H2CO3 (2. 5)
(2) 內部現象─氯離子之侵蝕 若表面混凝土已龜裂、剝落，且結構物又座落於海岸旁 (如臨海 之山岳隧道)，其受氯害環境影像甚為嚴重；氯離子 (Cl-) 對鋼筋之侵 蝕乃是 (Cl-) 會 破壞鋼筋表面的鈍態保護膜，造成鐵離子 (Fe+2) 的溶出，並生成水溶性的氯化鐵 (FeCl2) 錯合物。氯化鐵錯合物會溶 解且離開鋼筋的表面，擴散進入混凝土的孔隙溶液中，與氫氧根離子 (OH-) 反應生成 (Fe(OH)2)，同時釋放出 (Cl-)，而 (Fe(OH)2) 會進一
步與氧、水反應生成鐵銹。此一連反應，使鋼筋將不斷地產生腐蝕反 應，使鐵離子溶出離開鋼筋表面，且由於反應中會再度釋放出 (Cl-)， 使得 (Cl-) 可以反覆不斷地參與腐蝕反應，(陳桂清，2006) 其侵蝕機
37 理與反覆過程如下： Fe → Fe+ 2 + 2e- (2. 6) Fe+2 + Cl- → [FeCl]+ (2. 7) [FeCl]+ + OH- → Fe(OH) 2 + Cl- (2. 8) Fe(OH)2 + O2 + H2O → Fe2O3 • nH2O (鐵銹) (2. 9) 鋼筋鏽蝕後之氧化產物將隨著時間與之俱增，其體積最大可增致 6 倍多，如圖 2. 23，使鋼筋與混凝土介面逐漸剝離產生空隙，而混凝 土表面亦產生裂縫，降低整體結構物之握裹能力 (許慧如，2015)。故 由此可知，若因為外在因素 (客體) 間接影響鋼筋與混凝土介面 (延-脆介面) 之握裹能力，而不查其之內隱，最終卻將直接成為影響鋼筋 混凝土結構物 (主體) 安全性及穩定性之關鍵；以非破壞檢測技術研 探鋼筋與混凝土介面之傷損程度，實為重要之研究課題。
38 圖 2. 21 鋼筋混凝土結構腐蝕 過程的漸進階段(Ervin, 2009) 圖 2. 22 不同鋼筋腐蝕程度 示意圖(Ervin, 2009) 圖 2. 23 不同氧化程度鐵鏽之體積變化(陳育聖，2018)
39 第三項 握裹之損傷 造成鋼筋混凝土握裹傷損程度之原因，除了有因為鋼筋鏽蝕 (Corrosion) 產生之空隙外，亦有火損引混凝土孔隙增大，及震損震動 使鋼筋與混凝土介面產生空隙等體積變化之敏感因素。 鋼筋與混凝土間之握裹力來源有三種 (趙元和，2004)： (1) 鋼筋與混凝土間，由化學作用所產生之黏附力 (adhesion force)：當 僅承受低應力時，主要由黏附力提供握裹力，其提供之握裹強度 約在14 ~ 21 kg/cm2 (200~300 psi)，但當鋼筋產生些微滑動時，此 時黏附力即喪失。故黏附力不被視為提供握裹力之主力。 (2) 鋼筋與混凝土間之摩擦力 (friction)：若因鋼筋與混凝土間之黏附 力喪失，則由鋼筋與混凝土間之摩擦力及竹節鋼筋表面之突出物 與混凝土間的相互作用力，共同提供握裹力如圖 2. 24(a)。 (3) 竹節鋼筋表面之突出物 (ribs) 與混凝土間的相互作用力，此為握 裹力之最後提供來源如圖2. 24(b)。 故可知握裹傷損狀況為鏽蝕引起，則鋼筋與混凝土介面處 (延-脆介面) 可能將出現細裂縫 (Close) 或填充 (Filled) 之介質狀況；若 握裹傷損狀況為混凝土或鋼筋受熱漲冷縮、外力衝擊等，使鋼筋與混 凝土介面處 (延-脆介面) 產生開裂 (Opening) 之介質狀況，此時握裹
40 可分為化性之鋼筋鏽蝕程度，以及物性之握裹情況，故本研究以後者 為試驗控制方法。 圖 2. 24 握裹力來源示意圖：(a)鋼筋與混凝土間之摩擦力 (b)竹節鋼筋突出 物與混凝土之相互作用力(趙元和，2004)
第四節
人工智能分析
本研究所使用的資料，包含經由本計畫實驗所得到的以及從文獻 整理而來的資料，屬結構化資料，以採用「關聯式資料庫」作儲存資 料，藉由支援標準關聯式資料庫語言的「資料庫管理系統」，透過適 當的介面，可由其他程式，進行資料庫的資料存取。本研究的資料分 析部分，除了傳統的統計分析外，並採用較新的資料探勘技術進行資 料分析。 本研究採用跨產業資料探勘標準作業流程(Cross-Industry Process for Data Mining, CRISP-DM)。它可供各產業進行資料探勘(工作)專案 時，做為參考的一個標準作業流程，相關六個步驟簡述如下：41 (1) 業務理解(Business Understanding) 專注於需求端，即轉換相關專業知識以連結可與相配之資料探勘 概念，並設定目標以及預期成果；本團隊致力研發簡速型災害現場傷 損初勘工具/方法，即先以內業建置變數間之相關性。後於外業利用相 關波速量測(壓縮波速、剪力波速、剪-壓波速比、導波特徵等)資料； 進行推估構材(脆性材料：混凝土、延性材料：鋼材、延-脆複合介面： 握裹)之熱損歷程(升溫梯度、最高溫度、持溫時間、降溫方式、工作 應力比)；及災後之殘餘巨-微觀力學性能(巨觀：勁度、強度、韌度； 微觀：叢聚、初裂、裂衍)。 (2) 資料理解(Data Understanding) 為資料分析與後續之建模，初步地蒐集資料，並盡可能地理解資 料屬性與內容，盡可能地熟悉資料間之關係、特性及物理意義；基於 上述，本團隊於內業將構材之試驗數據，先行建立資料庫，並將資料 基於其屬性進行分類，即分成四大類：輸入(input)、輸出(output)、樣 品(sample)、材料參數(material detail)。 (3) 資料準備(Data Preparation) 將資料進行前處理動作，包含資料清理(例如，刪除品質不佳的資 料)、資料轉換，特徵的產生與選取。清理與轉換資料，以及產生特徵， 皆可依賴專業知識。亦可使用演算法自動選取特徵。例如，可採用基
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徵，為後續建模執行資料進行轉換與淨化；本團隊先以波速與溫度作 為目標，於試算表軟體進行線性迴歸檢視其相關性，然後利用資料探 勘工具，使用基於相關性的特徵選取演算法，基於資訊增益的特徵選 取演算法，還有主成分分析(Principal Component Analysis)，對變數進 行選取。 基於資訊增益的特徵選取演算法，其基礎是資訊理論。它適用於 離散數值，而離散的目標變數可稱為類別。針對一個數據紀錄的集合， 一個特徵A對此數據集的分類能力，可用資訊增益來表示，也就是整 個數據集的預期資訊減去A的熵，如式2.10所示；基於資訊增益的屬 性選取演算法會計算各個屬性的資訊增益，進行排序，將資訊增益較 高的屬性排在前面，即有較佳分類能力，而資訊增益偏低的屬性可被 忽略。 InfoGain(A) = − ∑ (𝑠𝑖 𝑠× log2 𝑠𝑖 𝑠) − 𝑚 𝑖=1 ∑ ( 𝑠1𝑗+𝑠1𝑗+⋯+𝑠𝑚𝑗 𝑠 × (− ∑ 𝑠𝑖𝑗 𝑠 × log2 𝑠𝑖𝑗 𝑠 𝑚 𝑖=1 )) 𝑣 𝑗=1 (2.10) 式中，針對一個屬性A，具{𝑎𝑖, … , 𝑎𝑣}有𝑣個值的特徵，𝑠𝑖𝑗是類別𝑖且在 特徵A上的值為𝑎𝑗的樣本數；等號右邊的第一項，以及第二項的第二 個部分，表示一個數據集的預期資訊的定義。𝑠是總樣本數，𝑠𝑖是類別 𝑖的樣本數，𝑚是類別個數；等號右邊的第二項，是熵的定義。
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主成分分析(Principal Component Analysis)會將資料矩陣進行分解，找 出特徵向量，也就是主成分，並找出特徵值，即為主成分的權重，而 一個主成分是原來的資料軸的線性組合，全部主成分可以形成新的座 標空間的軸，將原資料矩陣轉換為新的矩陣，而新矩陣會保留大多數 (例如95%)，存在於原資料矩陣內的資料的變異量。 (4) 建立資料探勘模型(Modeling) 針對處理過、準備好的資料進行建模。測試多種適用的演算法， 以最適當的演算法建立最佳模型，並藉由模型之產出，實際解決問題。 本研究可能會用到的資料探勘技術，可分成兩大類： a. 分類(classification)：資料以標籤(離散數值)分類，以有預先分類 好的資料(也就是有標籤的資料)建立模型，當有需要分類的新資料 時，輸入模型，得到類別標籤，進行分類。若這裡的標籤換成連續 數值，則是預測(prediction)，也就是基於連續性數值資料，得到未 知數值相對應的輸出值，例如，統計的迴歸分析。 b. 分群(clustering)：輸入資料時無標籤分類，依資料相似程度分 群，即資料依據最大化之內相似性與最小化之外相似性進行聚集或 分組。 本團隊以全部數據建模後做測試。一個例子是，以最高溫度作為 類神經網路之輸出節點，即為推估之目標，圖2. 25中之量測變數作為
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推估數值與實際數值的相關係數，代表模型的表現好壞–相關係數越 高，模型越好。另外，MAE(Mean Absolute Error)和RMSE(Root Mean Squared Error)也可用來評估模型的好壞–數值越低，模型越好。另外， 本團隊使用名為SMO(Sequential Minimal Optimization)的支援向量機 去推估最高溫度，也是會以全部數據建模後做測試，最終由推估數值 與實際數值的相關係數、MAE以及RMSE進行不同方法之推估成效評 估。 (5) 評價模型(Evaluation) 一般進行模型之檢驗時，因為無法取得與模型違背之資料，所以 必須要將可取得之資料進行切割，然而，不當的切割方式會導致模型 本身過於適配或降低其成效，因此於此步驟評估與查核先前所建立之 模型，並重複驗證模型以及檢視推估數值之可靠度，直至確定達到目 標以及預測成果。 (6) 實施(Deployment) 將建立的模型，佈署至應用端，真正地使用於實際案例。 CRISP-DM是以資料為核心。除了最後一個步驟之外，每一個步驟都 可能會被反覆執行。舉例來說，在建立模型的時候，可能需要回去對 資料做其他處理；在評估之後，如結果不盡理想，可能需要從頭開始，
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重新定義問題。
46 本研究之目的，在於建立一套應用以導波的表面波傳量測技術， 針對鋼筋混凝土受損後，其握裹傷損判釋與判識之量測方法。故於上 一節已說明混凝土之波傳行為及特徵，此節接著說明鋼筋導波之特性 及應用等，以此由外而內之波傳行為之程序作逐步說明；雖單就鋼筋 為主之導波量測現今已有成熟之應用，但混凝土內有鋼筋之影響以致 由混凝土表面探究鋼筋導波之波傳行為，亦有相當努力之空間，故茲 就鋼筋導波特性及應用等於下說明。 第一項 導波之傳遞特性 導波一詞係指描述存在於邊界傳遞之應力波。導波存在可於半無 限空間域之物體表面上傳遞 (即雷利波，Rayleigh Wave)，可於兩種不 同之介質之間的介面上傳遞，亦可沿著板狀、層狀或對稱之圓柱狀行 進，而所有描述於構件上之波傳統稱為波導 (wave guide)。故導波之 波導均為沿著縱軸之同方向傳遞，因此其於波導軸線上之任意點具有 相同之物理及幾何特性 (Bartoli, 2007)。如圖 2. 26 所示，以超聲波導 波於板狀物體為例，其導波構造是由縱波與橫波相互干擾所產生，由 換能器產生之體波 (縱波與橫波) 與波導的邊界相互作用，發生多次 反射和模式 (Mode) 轉換，直到它們疊加形成之波包即超聲波導波。
47 圖 2. 26 於均質均向板狀物體中之導波(Bartoli, 2007) 當物體產生表面波之波長較物體為大時，其表現之波傳行為受到 有限邊界的影響，將開始與前述無限邊界的情形有所不同，如在板狀 物中，其將產生板波之行為；如在柱狀體中其將產生柱波之行為，此 有限邊界的波傳即較為狹義之導波，其相位速度之特性與表面波相同， 仍保有頻散現象。本研究所探究之鋼筋即可採用柱波之理論進行應用。 鋼筋之波導 (Wave Guide) 行為中有三種不同的運動模態如 圖2. 27，分別是縱波 L (Longitudinal Wave)、扭波 T (Torsional Wave) 以及撓波F (Flexural Wave)。
圖 2. 27 鋼管中之導波示意圖(Bolt, 1976)
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如圖 2. 28。其首先研究此觀點理論的學者為 Pochhammer (1876) 及
Chree (1889)，故又可稱之 Pochhammer-Chree theory of rods。
圖 2. 28 柱波之圓柱座標示意圖(Abramson et al., 1958) 其圓柱座標 (r, θ, z) 如下式： r = √𝑥2+ 𝑦2 (2. 11) ϴ = tan−1(𝑦 𝑥) (2. 12) z = z (2. 13) 在圓柱側向表面上之任意方向之應力均為應力自由邊界，其邊界 條件如式： 𝜎𝑟 = 𝜏𝑟𝛳 = 𝜏𝑟𝑧 = 0 (2. 14) r = a (2. 15) 考慮於z 方向沿圓柱行進之無限波傳，其位移函數如式： 𝑢𝑟 = 𝑈𝑒𝑖(𝑘𝑧−𝜔𝑡) (2. 16) 𝑢𝛳 = 𝑉𝑒𝑖(𝑘𝑧−𝜔𝑡) (2. 17)
49 𝑢𝑧 = 𝑊𝑒𝑖(𝑘𝑧−𝜔𝑡) (2. 18) 縱波主要是顆粒平行行進方向運動，其縱波位移函數如式： U = 𝑈(𝑟) (2.19) W = 𝑊(𝑟) (2. 20) V = 0 (2. 21) 扭波是垂直行進方向並在表面切線方向上運動，其扭波位移函數 如式： U = 𝑊 = 0 (2. 22) V = 𝑉(𝑟) (2. 23) 撓波是垂直行進方向並在垂直表面的方向上運動，其撓波位移函 數如式： 𝑢𝑟 = 𝑈(𝑟) cos 𝜃𝑒𝑖(𝑘𝑧−𝜔𝑡) (2. 24) 𝑢𝜃 = 𝑉(𝑟) sin 𝜃 𝑒𝑖(𝑘𝑧−𝜔𝑡) (2. 25) 𝑢𝑧 = 𝑊(𝑟) cos 𝜃 𝑒𝑖(𝑘𝑧−𝜔𝑡) (2. 26) 此三種不同型態之導波皆具備有頻散現象，亦即其相位速度會隨 著頻率的不同而有所不同，除此之外，在每種型態的導波底下會有其 不同震態的存在。如圖 2. 29 所示，每種型態的波皆會有其相類之家 族 (多振態) 存在，為清楚表示其間之差異通常會採用 A(m,n) 之方 式進行分辨，其中A 主要表示波的型態，分別以 L、T、F 代表縱波、 扭波與撓波，而在其後之 (m,n) 表示其震動特性以及震態順序，m 可 為0、1、2、3…，其中 0 表示具對稱性之顆粒運動，其餘表示反對稱
50 序。 柱波在波導中移動時當其遭遇材料的阻抗改變時，在介面處會發 生反射以及透射之行為，如圖2. 30。其阻抗之改變主要來自於材料性 材之改變 (如剪力波速下降)，或是材料斷面的變化 (如鋼筋受鏽蝕而 斷面變小)，如此會使得導波之訊號上有反射訊號存在。而當此波導之 外圍有包覆物時，對於導波之行為最大影響主要來自於導波能量會透 過此包覆物而洩漏，如圖2. 31，使得其訊號之振幅變小。以縱波為例 (如圖 2. 32)，當導波在鋼筋中傳遞時，其能量集中，當其漸漸傳遞至 有混凝土之包覆段時，在介面處會先發生有反射的行為，而進入到混 凝土包覆段時，導波已不僅侷限於鋼筋中，會更進一步擴散至混凝土 中，而使得在鋼筋中的能量開始有洩漏的情形。由此案例可知，透過 觀察反射訊號之存在以及訊號振幅的變化將可有效獲得導波在波導 材料 (例如鋼筋) 中傳遞過程之狀態變化。
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圖 2. 29 柱波之頻散與多震態現象(Li et al., 2012)
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圖 2. 31 鋼筋導波在混凝土包覆處之能量洩漏示意圖 (Rucka & Zima, 2015)
圖 2. 32 導波在鋼筋與混凝土包覆段之傳遞情形 (Rucka & Zima, 2015)
第二項 導波量測技術於鋼筋混凝土之應用
因導波具有可長距離傳遞之特性，導波檢測技術目前已十分成熟 地應用在金屬管路或水中構造物之完整性檢測上；相較而言，於鋼筋 混凝土之應用為近幾年發展之新趨勢，目前已有大量的文獻透過室內 實驗驗證其概念之可行性 (Ervin et al., 2009)。在應用的目的上主要有
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兩個部分，一為鋼筋本身之鏽蝕程度 (Rucka & Zima, 2015)，另一為 鋼筋與混凝土間之握裹狀況 (Li et al., 2012)。對於鏽蝕程度之檢測， 一般是將鏽蝕的位置視為是鋼筋斷面的變化，利用此假設之模型進行 數值模擬，獲得其鏽蝕訊號，如圖 2. 33 所示，可看到一能量較小的 反射訊號存在，透過辨識此波之發生時間並估算導波波速即可得知其 發生之位置，若欲更進一步瞭解其鏽蝕程度，則可透過該反射訊號之 振幅大小進行推估。 圖 2. 33 鋼筋鏽蝕之數值模擬波形(Zheng et al., 2014) 而在對於握裹狀況評估上，由於訊號上主要差異在於導波能量之 洩漏 (溢散)，因此主要是以洩漏之能量比做為量化標準，例如 Li et al. (2012) 透過室內試驗討論導波之最大值與握裹長度消失的比 例，如圖2. 34 所示。其採用鋼筋一端產生導波另一端接收訊號
(pulse-54 越低，會有較大導波能量被收錄到。但目前主要在於探討其握裹全部 消失的長度，對於固定長度但握裹不同程度的降低並沒有較詳細的探 討。而於大地工程上亦有應用導波量測探討邊坡地錨，Zima et al.(2017) 於實驗室內以超音波導波之混凝土握裹長度程度與能量衰減，以反算 錨體長度及錨體厚度比對理論數值模擬。如圖2. 35，結果顯示由衰減 來看對其內部之鋼筋導波特徵確實可行，但因表面反射波與初始繞射 波之干擾。 圖 2. 34 導波能量與握裹長度消失比例的關係(Li et al., 2012)
