混凝土表面裂縫之深度檢測

常用非破壞檢測方法-敲擊回音法(時域)

混凝土表面裂縫之深度檢測

y 大部份之公共工程乃採用鋼筋混凝土材料所建造而成。

鋼筋混凝土結構物遭受外力及地震力作用或因鋼筋腐蝕 導致裂縫之發生

導致裂縫之發生。

y 裂縫型態：(1)內部裂縫；(2)表面裂縫

y 土木工程非破壞檢測技術以利用 應力波與 電磁波原理所

y 土木工程非破壞檢測技術以利用 應力波與 電磁波原理所 研發而成者最為普遍。由於二者採用原理之差異造成各 自在檢測上應用之優缺點，以混凝土之裂縫檢測而言，

則以應力波原理開發之檢測技術較為適用，主要是因為 則以應力波原理開發之檢測技術較為適用 主要是因為 應力波在混凝土與裂縫介面間將產生幾乎 100%之反射行 為，且在裂縫尖端也有明顯之繞射現象，故利用應力波 來檢測裂縫可以在精確度與靈敏度上得到相當好之結果。

來檢測裂縫可以在精確度與靈敏度上得到相當好之結果

超音波法：在混凝土材料上之應用並不理想 主要缺

• 超音波法：在混凝土材料上之應用並不理想，主要缺 點為壓電材料變形所產生之波源，能量不足。

• 敲擊回音法：以敲擊方式導入應力波，增強其傳動能

力；接收器採用點接觸，混凝土表面不須處理。

波傳基本理論

波可分為兩大類:一類是機械波，另一類是電磁波。機械波由機械震 動系統產生 如水波 聲波 超音波等 電磁波是由電磁震盪系統產生 動系統產生;如水波、聲波、超音波等。電磁波是由電磁震盪系統產生 的;如無線聲波、紅外線、可見光、紫外線、雷達波。

波傳播有一定速度，並伴隨著能量的傳遞在不均勻的介質均會產生反 射、折射及繞射現象;兩個波相遇會產生干涉現象。

應力波動基本行為 應力波動基本行為

The Impact-Echo Method

Stress wave propagation

當物體表面受到機械性外力敲 當物體表面受到機械性外力敲 擊時，將產生暫態應力波動並 導入物體內部，此應力波動可

分為縱波 橫波

分為縱波 (P-wave)、橫波 (S-

wave)及表面波 ( R-wave)

波傳遞速度快慢 縱波速度C >橫波C >表面波C 波傳遞速度快慢 : 縱波速度C

_p

>橫波C

_s

>表面波C

_R

。

若波是在一彈性、均質、且為半無限之固體中傳遞，則上述三 種波可分別以下列三個公式求得：

( )

(

ν

)(

ν

)

ρ

ν 2 1 1

1

− +

= E − C_P

(

ν

)

ρ +

= 2 1

C_S E 式中

E：彈性模數 ν：柏松比

( )

(

ν

)

ν +

⋅

= +

1 12 . 1 87 .

0 _S

R

C C

ν：柏松比 ρ：密度

不同材料超音波通過時之波長與波速

項目 彈性模量(10⁹N/m²) 聲 速(m/s) 特性阻抗 項目

材料

彈性模量(10 N/m )

泊松 比γ

密 度ρ (g/cm³)

聲 速(m/s) 特性阻抗

E G V_P Vs V_R

鋼 210 81 0.29 7.8 5940 5420 3220 470 銅

鋁 玻璃

124 70 70

46 26 28

0.34 0.34 0.25

8.9 2.7 2.5

4560 6320 5800

3900 5410 5460

2250 3100 3350

445 170 129 橡膠

有機玻璃 環氧樹脂 鋯鈦酸鉛

0.002 5.5 3.8 84

0.0007 2.0

0.50 0.364

0 33

0.93 1.18 1.16 7 5

1040 2640

53 27

1300 3375

9.7 31

鋯鈦酸鉛 陶瓷 混凝土 石灰石

84 59 44 72

24 18 28

0.33 0.23 0.20 0.31

7.5 2.4 2.4 2.7

5300 4500 6130

5077 4368 5452

3375 3100 2756 5200

130 108 166 淡水(20⁰C)

海水 空氣(20⁰C)

0.998 1.026

1481 1500

14.8 15.4

0.0012 343 0.004

應力波之反射與折射

Reflected wave Incident wave

θ θ

入射角與折射角的關係依循 Snell’s law：

Refracted wave Medium 1

φ Medium 2

2 1

sin sin

C C

φ θ ₌

Reflected shear wave

其中

θ 、φ =入射角以及折射角 C₁ 、C₂ =介質1、2的波傳速度

光波折反射行為

Medium 1

Incident compression wave θ₁ θ₁

Reflected compression wave θ₂

當折射角φ 等於90^。時，稱為全 反射 此時入射角

Refracted compression wave φ₁

Medium 2

Refracted shear wave φ₂

反射，此時入射角 θ=sin^-1(C₁ / C₂)。

應力波折反射行為

表面裂縫之檢測原理

S P

P_dS

P_dP

P_dS P_dP S

P

儀器設備

高速資料抓取卡 筆記型電腦

敲擊源：若檢測混凝土構件之尺寸小

於一公尺，則小直徑(4~12mm)的鋼珠 _{筆記型電腦} 即可為一個很好的敲擊源，其所造成

的接觸時間約介於20至80×10^-6秒(20至 80µs)。試驗的接觸時間可以大約由記 錄到之波形中量測因表面波經過所造

敲擊源

錄到之波形中量測因表面波經過所造 成的向下位移歷經時間而估得。對於 巨積混凝土之裂縫檢測，鋼珠尺寸則 須適度加大，除了可增加敲擊能量外，

第二訊號接收器 第一訊號接收器

須適度加大，除了可增加敲擊能量外，

亦可使所導入之應力波具有頻率較低 (波長較長)之特性，以增加應力波之 傳動能力。

傳動能力

接收器：

目前敲擊回音法所採用的接收 器為一種寬頻的位移接收器 其與物體表 器為一種寬頻的位移接收器，其與物體表 面的接觸物為一種很小成倒錐體形之壓電 材料，介於壓電材料及混凝土表面間使用 一小片的不鏽鋼片來完成接收器之電路並 一小片的不鏽鋼片來完成接收器之電路並 可使接收器與粗糙的混土表面緊密壓合，

因此無須使用耦合液或對表面作特別磨平 處理。

處理

高速資料抓取卡(A/D卡)

：將接收到 之連續類比(Analog)訊號轉換成不連續之 之連續類比(Analog)訊號轉換成不連續之 數位(Digital)訊號。

筆記型電腦：

可透過軟體抓取A/D卡轉

筆記型電腦：

可透過軟體抓取A/D卡轉 換完成之數位訊號，進行訊號處理、分析 或儲存於硬碟中。

檢測實例及檢測誤差探討

規劃製作一混凝土試體其尺寸為2×1.5 ×0.4 m、埋設三塊高度不同之木板於剛 澆置之混凝土內，於終凝前拔出以模擬表面裂縫

裂縫之真實深度分別為:

裂縫A

=

^{0.11 m}

裂縫B

=

^{0.21 m}

裂縫C

=

^{0 25 m}

裂縫A (d=0 11m) 2 m

1.5 m 0.4 m

裂縫C

=

^{0.25 m}

裂縫C (d=0.25m) 裂縫B (d=0.21m) 裂縫A (d=0.11m)

混凝土波速之量測

Receiver 1

當進行敲擊式繞射波傳輸時間法測定表面裂縫深度時，必需先確 定混凝土之波動速度

e

t ₁

Receiver 1

表面R波 表面P波

R Impact

Receiver

Vo lt ag e

S S

-200 -100 0 100

Time ( s)

P P

Time ( s) μ

Wave propagation Particle motion

Receiver 1 Receiver 2 H

Receiver 1 Receiver 2

Impact

量測混凝土波速時，通常採用 ASTM C1383之儀器配置

1

2

t

t H t

C

^p

H

= −

= Δ

Receiver 1

t

Receiver 2

1

2

t

t Δ t

Voltage

t 1

Voltage

t 2

-200 -100 0 100

Time ( s)

V

μ ^{-200 -100}Time ( s)^{0 100 200}

V

μ Time ( s)μ Time ( s)μ

混凝土波速之量測

H

Receiver 2

Impact

1

2

t

t H t

C

^p

H

= −

= Δ

Impact

Receiver 2 H

裂縫A(d=0.11m)附近之表面P波波速量測

) / ( 30 3750

. 0 H

C H 3750 ( / )

10 ) 04 . 87 04

. 7 (

30 . 0

6 1

2

s t m

t

C

^p

t =

× +

= −

= −

= Δ

₋

裂縫B以及C附近之表面P波波速量測

H

裂縫B附近量測之P波

) / (

3720 m s t

C

^p

H =

= Δ

裂縫C附近量測之P波

) / (

3720 m s t

C

^p

H =

= Δ

波速量測結果 表面P波波速量測 表面P波波速量測

測點位置 t₁ (μs) t₂ (μs) 表面P波波速(m/s) 裂縫A附近 -87.04 -7.04 3750

裂縫B附近 -83.84 -3.20 3720 裂縫C附近 -89.60 -8.96 3720

以裂縫C (d=0.25m)為對象檢測參數變化之裂縫檢測結果綜合表

改變檢測參數:(a)兩種 儀器配置、(b)擷取速

鋼 珠 直 徑

儀器配置

擷取 速率

(μs) t₁ (μs) t₂ (μs) 裂縫檢測 深度(cm)

誤差 ( ) (%)

率及(c)三種不同敲擊 源。

檢測所得裂縫深度由

徑

3m

H₁=H₂=0.05m 0.32 -39.68 74.24 0.250 0.00 0.64 -40.32 71.04 0.245 2.00 檢測所得裂縫深度由

0.245m變化至0.255m，

誤差維持在2%以內，

顯示該法在裂縫檢測實

m H₁=H₂=0.10m 0.32 -57.92 61.76 0.246 1.60 0.64 -40.96 78.72 0.246 1.60 H =H =0 05m 0.32 -38.08 76.16 0.251 0.40 務之穩定性及實用性相

當好。

4m m

H₁=H₂=0.05m

0.64 -46.08 65.92 0.246 1.60 H₁=H₂=0.10m 0.32 -45.44 75.52 0.249 0.40 0 64 -64 00 60 16 0 255 2 00 0.64 64.00 60.16 0.255 2.00

6m m

H₁=H₂=0.05m 0.32 -48.96 66.88 0.254 1.60 0.64 -81.28 35.20 0.255 2.00 0 32 51 84 70 72 0 252 0 80 m H₁=H₂=0.10m 0.32 -51.84 70.72 0.252 0.80 0.64 -61.44 61.44 0.253 1.20

一般裂縫檢測－利用可感測敲擊時間原點裝置 (單接收器)

波速量測

Receiver Impact

0.3m

P

t

C H

= Δ P-波速度：

Impact

Concrete

t

P

Δ

C

^p

=4052 m/s

Concrete

後續裂縫檢測 不需R波之波

Voltage t₀=-29.3μs

Voltage t_1P=44.7μs 不需R波之波

速資料，故可 省去R波之判 讀。

-200 -100 0 100 200

V

-200 -100 0 100 200

讀。

Time(μs) Time(μs)

2

一般裂縫檢測－利用可感測敲擊時間原點裝置 (單接收器)

裂縫量測：實際深度0.155m

H₁ H₂ (0 1 ) (0 1 )

( )

₂

1 2 2

2 2 2 1

H H d H

t C t C

p p

2 −

×

×

− +

×

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

Δ

=

Δ

Receiver Impact

(0.1m) (0.1m)

Δt =t

₂

-t

₁

= 92.0μs C

^p

=4052 m/s

0.155m

d = 0.157 m

量測誤差為1.3%

.

oltage t₀=-28.0μs

oltage t_1P=64.0μs

200 100 0 100 200

Vo

200 100 0 100 200

Vo

0.155m -200 -100 0 100 200

Time(μs)

-200 -100 0 100 200 Time(μs)