目錄
表目錄 ... IV 頁數... IV 圖目錄 ...V 頁數...V
第一章 緒論... 1
1-1 前言 ...1
1-2 研究動機與目的...3
1-3 研究範圍...3
第二章 文獻回顧 ... 5
2-1 透地雷達檢測及應用之相關技術...5
2-2 超音波應用與研究相關技術... 11
2-3 混凝土冷縫之相關資料... 15
第三章 基本理論分析與測量技術原理... 17
3-1 透地雷達施測原理... 17
3-1-1 電磁波基本特性 ... 17
3-1-2 電磁波之導電度與相對介電常數... 19
3-1-3 反射係數 ... 21
3-1-4 電磁波之解析能力與穿透深度... 21
3-1-5 透地雷達波場分析 ... 21
3-1-6 透地雷達操作程序 ... 22
3-1-7 透地雷達擷取資料及施作方式... 22
3-2 超音波技術的發展與理論... 23
3-2-1 超音波之波傳理論 ... 23
3-2-2 超音波之產生與接收... 24
3-2-3 超音波傳遞之方式 ... 25
3-2-4 音波之反射與折射 ... 26
3-2-5 音波之衰減與耗損 ... 27
3-2-6 界面耦合劑... 27
3-2-7 超音波之檢測技術 ... 28
第四章 實驗內容 ... 30
4-1 實驗計畫... 30
4-2 試驗材料... 30
4-3 試驗設備... 31
4-4 含冷縫混凝土長樑試體澆置... 32
4-4-1 試體之材料級配與拌合程序... 32
4-4-2 混凝土冷縫試體澆置過程 ... 32
4-5 透地雷達與超音波資料擷取過程... 33
4-5-1 透地雷達掃描試驗 ... 33
4-5-2 超音波試驗... 34
第五章 結果討論與工程案例探討 ... 36
5-1 結果討論... 36
5-1-1 透地雷達非破壞檢測... 36
5-1-2 超音波非破壞檢測 ... 39
5-2 實際工程案例探討... 40
第六章 結論與建議 ... 41
6-1 結論 ... 41
6-2 建議 ... 42
表目錄
頁數
表 3-1 100MHz 頻率之電磁波在各種物質中的電性……… 49
表 4-1 水泥之化學成分表(台灣水泥公司提供)……… 50
表 4-2 水泥之物理性質表(台灣水泥公司提供)……… 50
表 5-1 超音波直接傳遞法之數據……… 51
表 5-2 超音波表面傳遞法 I 之數據……… 52
表 5-3 超音波表面傳遞法 II 之數據……… 52
圖目錄
頁數
圖 1-1 研究流程圖……… 53
圖 3-1 電磁波通過不同介質材料時反射示意圖……… 54
圖 3-2 非遮罩式之透地雷達波場特性……… 54
圖 3-3 遮罩式之透地雷達波場特性……… 55
圖 3-4 透地雷達檢測系統……… 55
圖 3-5 遮罩式與非遮罩式探頭……… 56
圖 3-6 透地雷達系統操作示意圖……… 56
圖 3-7 應力波傳遞示意圖……… 57
圖 3-8 縱向波示意圖……… 57
圖 3-9 縱向波示意圖……… 58
圖 3-10 表面波示意圖……… 58
圖 3-11 應力波傳遞順序示意圖……… 59
圖 3-12 音波反射與折射示意圖……… 59
圖 3-13 超音波施測方法示意圖……… 59
圖 4-1 透地雷達非破壞檢測系統照片……… 60
圖 4-2 超音波非破壞檢測系統照片……… 60
圖 4-3 鼓式拌合機照片……… 60
圖 4-4 矩形混凝土梁試體模具……… 61
圖 4-5 拌合前材料之準備……… 61
圖 4-6 下層混凝土澆置……… 61
圖 4-7 冷縫試體澆置示意圖……… 62
圖 4-8 完成上層混凝土澆置……… 62
圖 4-9 完成之含冷縫混凝土長樑試體……… 62
圖 4-10a 澆置時間差1小時之混凝土冷縫試體……… 63
圖 4-10b 澆置時間差8小時之混凝土冷縫試體……… 63
圖 4-10c 澆置時間差1天之混凝土冷縫試體……… 63
圖 4-10d 澆置時間差3天之混凝土冷縫試體……… 63
圖 4-10e 澆置時間差5天之混凝土冷縫試體……… 64
圖 4-10f 澆置時間差7天之混凝土冷縫試體……… 64
圖 4-10g 澆置時間差9天之混凝土冷縫試體……… 64
圖 4-10h 澆置時間差14天之混凝土冷縫試體……… 64
圖 4-11 冷縫試體放置側面……… 65
圖 4-12 1GHz施測線路側面示意圖……… 65
圖 4-13 1G 透地雷達探頭施測照片……… 65
圖 4-14 1GHz施測線路側面示意圖……… 66
圖 4-15 超音波儀器及試驗照片……… 66
圖 4-16 表面傳遞法（A）示意圖……… 66
圖 4-17 表面傳遞法（B）示意圖……… 67
圖 4-18 直接傳遞法示意圖……… 67
圖 5-1 8 小時第一次施測 GPR 圖(測線 a（左）與測線 b（右）) 68 圖 5-2 1 天第一次施測 GPR 圖(測線 a（左）與測線 b（右）) 68 圖 5-3 3 天第一次施測 GPR 圖(測線 a（左）與測線 b（右）) 68 圖 5-4 5 天第一次施測 GPR 圖(測線 a（左）與測線 b（右）) 69 圖 5-5 7 天第一次施測 GPR 圖(測線 a（左）與測線 b（右）) 69 圖 5-6 9 天第一次施測 GPR 圖(測線 a（左）與測線 b（右）) 69 圖 5-7 14 天第一次施測 GPR 圖(測線 a（左）與測線 b（右）) 70 圖 5-8 1 小時透地雷達剖面圖（無法定位冷縫位置）……… 70
圖 5-9 8 小時透地雷達剖面圖（可以定位冷縫位置）……… 70
圖 5-10 1 天透地雷達剖面圖（可以定位冷縫位置）………… 71
圖 5-11 3 天透地雷達剖面圖（可以定位冷縫位置）………… 71
圖 5-12 5 天透地雷達剖面圖（可以定位冷縫位置）………… 71
圖 5-13 7 天透地雷達剖面圖（可以定位冷縫位置）………… 72
圖 5-14 9 天透地雷達剖面圖（可以定位冷縫位置）………… 72
圖 5-15 14 天透地雷達剖面圖（可以定位冷縫位置）……… 72
圖 5-16-1 1 小時雷達剖面圖（第一天施測）……… 73
圖 5-16-2 1 小時雷達剖面圖（第二天施測）……… 73
圖 5-16-3 1 小時雷達剖面圖（第三天施測）……… 73
圖 5-16-4 1 小時雷達剖面圖（第四天施測）……… 73
圖 5-16-5 1 小時雷達剖面圖（第五天施測）……… 73
圖 5-16-6 1 小時雷達剖面圖（第六天施測）……… 73
圖 5-16-7 1 小時雷達剖面圖（第七天施測）……… 74
圖 5-16-8 1 小時雷達剖面圖（第八天施測）……… 74
圖 5-16-9 1 小時雷達剖面圖（第九天施測）……… 74
圖 5-16-10 1 小時雷達剖面圖（第十天施測）……… 74
圖 5-17-1 8 小時雷達剖面圖（第一天施測）……… 75
圖 5-17-2 8 小時雷達剖面圖（第二天施測）……… 75
圖 5-17-3 8 小時雷達剖面圖（第三天施測）……… 75
圖 5-17-4 8 小時雷達剖面圖（第四天施測）……… 75
圖 5-17-5 8 小時雷達剖面圖（第五天施測）……… 75
圖 5-17-6 8 小時雷達剖面圖（第六天施測）……… 75
圖 5-17-7 8 小時雷達剖面圖（第七天施測）……… 76
圖 5-17-8 8 小時雷達剖面圖（第八天施測）……… 76
圖 5-17-10 1 天雷達剖面圖（第十天施測）……… 76
圖 5-18-1 1 天雷達剖面圖圖（第一天施測）……… 77
圖 5-18-2 1 天雷達剖面圖圖（第二天施測）……… 77
圖 5-18-3 1 天雷達剖面圖圖（第三天施測）……… 77
圖 5-18-4 1 天雷達剖面圖圖（第四天施測）……… 77
圖 5-18-5 1 天雷達剖面圖圖（第五天施測）……… 77
圖 5-18-6 1 天雷達剖面圖圖（第六天施測）……… 77
圖 5-18-7 1 天雷達剖面圖圖（第七天施測）……… 78
圖 5-18-8 1 天雷達剖面圖圖（第八天施測）……… 78
圖 5-18-9 1 天雷達剖面圖圖（第九天施測）……… 78
圖 5-18-10 1 天雷達剖面圖圖（第十天施測）……… 78
圖 5-19-1 3 天雷達剖面圖圖（第一天施測）……… 79
圖 5-19-2 3 天雷達剖面圖圖（第二天施測）……… 79
圖 5-19-3 3 天雷達剖面圖圖（第三天施測）……… 79
圖 5-19-4 3 天雷達剖面圖圖（第四天施測）……… 79
圖 5-19-5 3 天雷達剖面圖圖（第五天施測）……… 79
圖 5-19-6 3 天雷達剖面圖圖（第六天施測）……… 79
圖 5-20-1 5 天雷達剖面圖圖（第一天施測）……… 80
圖 5-20-2 5 天雷達剖面圖圖（第二天施測）……… 80
圖 5-20-3 5 天雷達剖面圖圖（第三天施測）……… 80
圖 5-20-4 5 天雷達剖面圖圖（第四天施測）……… 80
圖 5-20-5 5 天雷達剖面圖圖（第五天施測）……… 80
圖 5-20-6 5 天雷達剖面圖圖（第六天施測）……… 80
圖 5-20-7 5 天雷達剖面圖圖（第七天施測）……… 81
圖 5-20-8 5 天雷達剖面圖圖（第八天施測）……… 81
圖 5-20-9 5 天雷達剖面圖圖（第九天施測）……… 81
圖 5-20-10 5 天雷達剖面圖圖（第十天施測）……… 81
圖 5-21-1 7 天雷達剖面圖圖（第一天施測）……… 82
圖 5-21-2 7 天雷達剖面圖圖（第二天施測）……… 82
圖 5-21-3 7 天雷達剖面圖圖（第三天施測）……… 82
圖 5-21-4 7 天雷達剖面圖圖（第四天施測）……… 82
圖 5-21-5 7 天雷達剖面圖圖（第五天施測）……… 82
圖 5-21-6 7 天雷達剖面圖圖（第六天施測）……… 82
圖 5-21-7 7 天雷達剖面圖圖（第七天施測）……… 83
圖 5-21-8 7 天雷達剖面圖圖（第八天施測）……… 83
圖 5-21-9 7 天雷達剖面圖圖（第九天施測）……… 83
圖 5-21-10 7 天雷達剖面圖圖（第十天施測）……… 83
圖 5-22-1 9 天雷達剖面圖圖（第一天施測）……… 84
圖 5-22-2 9 天雷達剖面圖圖（第二天施測）……… 84
圖 5-22-3 9 天雷達剖面圖圖（第三天施測）……… 84
圖 5-22-4 9 天雷達剖面圖圖（第四天施測）……… 84
圖 5-22-5 9 天雷達剖面圖圖（第五天施測）……… 84
圖 5-22-6 9 天雷達剖面圖圖（第六天施測）……… 84
圖 5-22-7 9 天雷達剖面圖圖（第七天施測）……… 85
圖 5-22-8 9 天雷達剖面圖圖（第八天施測）……… 85
圖 5-22-9 9 天雷達剖面圖圖（第九天施測）……… 85
圖 5-22-10 9 天雷達剖面圖圖（第十天施測）……… 85
圖 5-23-1 14 天雷達剖面圖圖（第一天施測）……… 86
圖 5-23-2 14 天雷達剖面圖圖（第二天施測）……… 86
圖 5-23-3 14 天雷達剖面圖圖（第三天施測）……… 86
圖 5-23-4 14 天雷達剖面圖圖（第四天施測）……… 86
圖 5-23-5 14 天雷達剖面圖圖（第五天施測）……… 86
圖 5-23-6 14 天雷達剖面圖圖（第六天施測）……… 86
圖 5-23-7 14 天雷達剖面圖圖（第七天施測）……… 87
圖 5-23-8 14 天雷達剖面圖圖（第八天施測）……… 87
圖 5-23-9 14 天雷達剖面圖圖（第九天施測）……… 87
圖 5-23-10 14 天雷達剖面圖圖（第十天施測）……… 87
圖 5-24 1 小時透地雷達剖面圖（冷縫面垂直施測面；測線 III） 88 圖 5-25 8 小時透地雷達剖面圖（冷縫面垂直施測面；測線 III） 88 圖 5-26 1 天透地雷達剖面圖（冷縫面垂直施測面；測線 III） 88 圖 5-27 3 天透地雷達剖面圖（冷縫面垂直施測面；測線 III） 89 圖 5-28 5 天透地雷達剖面圖（冷縫面垂直施測面；測線 III） 89 圖 5-29 7 天透地雷達剖面圖（冷縫面垂直施測面；測線 III） 89 圖 5-30 9 天透地雷達剖面圖（冷縫面垂直施測面；測線 III） 90 圖 5-31 14 天透地雷達剖面圖（冷縫面垂直施測面；測線 III） 90 圖 5-32 超音波直接傳遞法波速－位置關係圖……… 91
圖 5-33 超音波表面傳遞法（A）距離－時間關係圖………… 92
圖 5-34 超音波表面傳遞法（B）距離－時間關係圖………… 93
圖 5-35 透地雷達工程檢測外觀照片……… 94
圖 5-36 透地雷達工程檢測內部照片……… 94
圖 5-37 透地雷達施測過程照片……… 94
圖 5-38 透地雷達測線位置圖……… 95
圖 5-39 透地雷達測線剖面圖（A）……… 95
圖 5-40 透地雷達測線剖面圖（B）……… 95
第一章 緒論
1-1 前言
在民生需求中，住與行是二項重要的角色，而土木工程卻包含了 這兩項，因此西方的名稱稱之 Civil Engineering。而現今社會在進行 的任何一項工程中，無論是樓房的建設，擋土牆的澆置，以及各種基 礎的建設的進行，都不可避免的必須要使用到混凝土。混凝土材料非 常經久耐用、價格便宜，所以從以前到現在，都廣泛的運用在各種 R.C.結構物中，因此混凝土可以說是任何 R.C.結構物的根本。
R.C.結構物的完成，總是要經過許多的步驟；從事前的設計規劃 到中間的釘模、灌漿，直到最後的施工完成，每一步驟都是缺一不可 的。在所有建築物中，灌漿過程的進行，都是無法一次就可以灌漿完 成的，都必須經過一輛輛的預拌車進行灌漿的程序才得以達成。但因 現在交通之不穩定、法令之限制、工程進行中的突發事件，而不得不 停止作業，因此常常會耽擱到工程之進行，造成柱、版、牆或某一些 結構之構件，產生色差或甚至發生有蜂窩之混凝土界面，而導致結構 體無法達到原本設計的強度，因此希望藉此利用透地雷達來進行結構 體之內部檢視，以確保 R.C.結構物的強度，減少意外災害的發生，並 保障國人之生命財產安全。
隨著科技進步，混凝土的性質是越來越好，強度更是節節攀升，
但台灣營建業長久以來，最令人垢病的就是施工品質不良，與預期設 計強度落差太大。而混凝土的澆置過程是無法連續而不間斷的，不連 續澆置的現象也是時常發生的，因此在分次澆置的混凝土之間，必定 會產生不連續色差的接縫痕跡，此即為混凝土不連續澆置的明顯證 明。混凝土澆置時，遇到比較大面積的澆置時先澆置的部分會先凝 結，或因先後順序不同或施工中斷，先行澆置之混凝土凝結後再繼續 下一段澆灌時，即會產生所謂的工作縫。所以新澆置之混凝土結構物 在澆置之過程中，因時間影響、操作疏忽或其他因素等，無法與已澆 置之混凝土結構物黏結成一體，而造成混凝土間產生縫隙，稱之為冷 縫。一般以冷縫來通稱非預期所產生的工作縫。
無論是預計中的工作縫，或者是由於操作疏忽、管理不當而引起 的冷縫，最重要的就是它是否可達到所預期的強度，本研究將進行比 較與探討。期望藉由透地雷達檢視技術，予以檢視混凝土結構物內部 是否產生冷縫，以確保 R.C.結構物的安全，減少意外災害之發生。
1-2 研究動機與目的
針對鋼筋混凝土結構體之冷縫檢測，均使用現地冷縫鑽心取樣試 驗，此種方法實際可靠，但由於完整之結構體，可能因為取樣之數量 或位置而減弱結構體之強度，而產生無法承受設計中的承載力，故仍 有其不便之處。因此在不對混凝土的強度造成破壞之前提下，而進行 其強度的檢測，一直是學術界與工程界努力的方向。而透地雷達
（Ground Penetrating Radar；簡稱 GPR）及超音波（Ultrasonic ）檢 測技術皆為非破壞檢測之儀器，因此藉由實際試體之量測資料及資料 分析結果，可作為日後冷縫位置及修補之重要參考依據。
1-3 研究範圍
本研究利用實驗室中混凝土長樑試體來設計混凝土冷縫面，製作 上下澆置時間差而成的冷縫試體，並利用透地雷達及超音波非破壞檢 測技術，探討透地雷達及超音波非破壞檢測技術應用於冷縫檢測之可 行性，本研究流程圖；如圖 1-1。
1-4 研究項目
1. 製作冷縫試體，利用混凝土澆置時間差 1 小時、8 小時、1 天、
3 天、5 天、7 天、9 天、14 天澆置製作含冷縫長樑試體。
2. 利用透地雷達與超音波檢測混凝土冷縫長樑試體，並利用透
地雷達非破壞檢測探討試體內部冷縫界面所在之位置。
3. 藉由各長樑試體澆置時上層澆置與下層澆置不同時間差而形 成之冷縫，探討冷縫形成之時間。
4. 探討冷縫受時間影響而產生變化之情形。
5. 利用超音波非破壞檢測技術，探討波速是否會因冷縫而產生 影響。
6. 針對工程實際案例探討。
第二章 文獻回顧
2-1 透地雷達檢測及應用之相關技術
1. 1993 年 黃天福、梁昇【2】利用透地雷達偵測埋設 RC 管、塑膠 管及人孔鐵蓋用以評估其在此方面之偵測能力，並且提供現場的 操作經驗，其結果經由開挖作業已證實偵測結果無誤。
2. 1994 年 葛文忠、李國榮、俞旗文【3】於文中介紹 GPR 之基本 概念，並利用實際探測之結果，如冰層量測、地質調查、管線調 查、空洞探查、隧道檢測、壩體檢測、環境污染調查等，說明其 在工程上之應用。
3. 1994 年 Shin,S. F. et. al.【4】是用透地雷達對於受鹽害土壤之探 測，來探討其污染土層之分佈情形，其偵測原理為當土壤受到鹽 分入侵時，即導電度大於 2dS/m 時，導致電磁波急速衰減，透地 雷達之雷達波就無法再穿透，便可探測出含有鹽分之土壤及其深 度，但無法得知其含鹽量之大小。
4. 1994 年 楊潔豪、鄧文中【5】於管線偵測主要分為兩個部分，一 為利用實驗室內管線模擬試驗，另一為野外管線實際施測結果。
實驗的結果可得知改變測線方向與管線走向夾角會影響繞射形 狀，夾角若小於 45 度時將無法看出完整的繞射曲線。由野外案
例之結果可得知隨著深度與管線的不同，在雷達波的剖面圖的表 現方式也不同。
5. 1995 年 Carlsten,S. et. al,【6】是將透地雷達用於偵測壩體中的掏 空檢測，檢測其壩心材料及其內部材料掏空處之檢測，其結果顯 示透地雷達亦極適合在這方面上之應用。
6. 1995 年 James A.Doolittle、Mary E.Collins【7】使用透地雷達去 偵測五種地區不同分類之土壤，其中探討了會影響施測的土壤因 子(如水、含鹽性物質、粘土等)皆會使訊號衰減。並且使用 120MHz 之天線來施測，並比較在五種不同區域所測之土壤分類 及其可達之探測深度。
7. 1995 年 Derald G.Smith、Harry M.Jol【8】使用透地雷達配合四種 不同頻率之天線(如 25MHz、50MHz、100MHz 以及 200MHz 之 天線)對美國 Brigham 城市附近之地層施測，其中配合四種天線 及不同之天線間距施測了九條測線，並找出其各種天線所能測得 之可能最大深度，並且以天線頻率與求得最大深度之線性關係，
推論出 12.5MHz 之探頭所能求得的最大深度範圍。
8. 1995 年 Herman Herman、Sanjiv Singh【10】使用地表面上的測 距儀繪製地形圖與探測地表面下物體的透地雷達兩者反覆交換
使用繪製與施測，對於地表下的埋藏物來用機械式的挖掘而取代 人力的挖掘，因為以往埋藏於地底下之物品多為含毒性或爆炸性 有關；其操作方式為由透地雷達之探測物體所在位置，配合每一 層之挖掘以及描繪地形圖，最後由機器取回所埋藏的物體。
9. 1995 年 Tetsuma Toshioka、Tsuneo Tsuchida、Katsuo Sasahara【10】
應用透地雷達偵測岩體中裂縫之回波，因為電磁波會在不連續的 部分反射，如果裂縫中是含有水分的，那反射波將會更加強烈；
相對的如果是在乾燥的裂縫並且接觸密合，則透地雷達的反射波 就不會有明顯的回波導致難以偵測到。所以在裂縫之偵測當中，
除非裂縫有黏土填充或充滿水的時候，透地雷達才有明顯的回 波。Toshioka 指出，在凝灰岩的試驗中，100MHz 的天線可測深 約 4m；300MHz 約 4m；500MHz 約 2.7m；900MHz 約 1.5m。如 果顧及深度及解析度時，500MHz 的天線效果最好。
10. 1995 年 楊潔豪、洪翊翔【11】選擇三各不同特性地區，利用透 地雷達與地電阻法合併偵檢作近地表斷層調查，所得結果顯示，
利用透地雷達的高解析度結合直流電阻對中深部之地層的探 測，因兩者可相互彌補其缺點，有助於公址的調查。
11. 1996 年李國榮、葛文忠【12】將 GPR 應用之實例如地質調查、管 線調查、空洞調查、鋼筋定位等均獲得良好之結果，其結論為資
料之收集以及測線之規劃極其重要，並且雷達波的波面分析解 釋，除可藉由反射訊號的相位、形狀及走時變化等資料來詮釋施 測結果外，如能配合少量之其他探查資料共同評估驗證，將更能 提高施測精度。例如：大規模的管線調查，配合少量的溝渠開挖；
大範圍的淺地層普測，配合少數的鑽孔資料，除能驗證雷達波施 測結果外，並可提供更正確的電性參數，使透地雷達探測結果更 為精確。
12. 1997 年 楊潔豪、陳兆年【13】利用透地雷達技術應用於工程檢 測，分別為道路檢測、橋樑檢測、一般建築工程應用、大地工程 偵測及隧道檢測，根據施測結果在道路檢測方面可測出瀝青混凝 土路面及碎石路基的厚度及種類；在橋樑檢測方面可測出橋樑路 面結構及基樁受河水侵蝕裸露的程度；在一般建築應用方面，可 偵測鋼筋位置、保護層厚度及結構體內之滲水位置；大地工程部 分主要以工址開挖前異物（如管線）檢測為主；最後在隧道檢測 方面，可測出襯砌厚度及鋼筋位置。
13. 1997 年 李德河、潘國樑、邱君豪【14】利用模型箱埋設數種不 同之埋管案例，來探討管線訊號之成因、特徵及其個別之差異 性。還有對地下道結構物進行探測，研究其訊號特徵。在地層結 構物方面則搭配荷氏貫入錐之鑽探結果，來與 GPR 之波型作比
對，以建構三維地層之分佈情形。
14. 1998 年 林進興、張光甫【15】利用 GPR 做了一些對基礎土壤應 用之探測實例，如地下管線之探測、地下掏空或孔洞檢測、灌漿 效果檢測、鋼筋混凝土檢測以及水體下地層檢測等等，以作為其 在工程上之應用。
15. 1998 年 楊潔豪、邱義弘【16】將 GPR 之管線偵檢能力分成四個 部分陳述之：（一）開挖前管線位置之調查（二）管線配置確知 之調查（三）預埋管線之調查（四）管線位置未知且現階段未開 挖之調查。案例中包含野外施測參數之選定及室內資料處理流程 解釋。結果顯示 GPR 確實能提供對於地下管線檢測之助益。
16. 1998 年 David A. Noon、Glen F.Stickley、Dennis Longstaff【17】
建立一個 constant Q模式在不同介電性質的材料中評估透地雷達 之最大探測深度與解析能力，其中使用了雷達方程式去求最大的 探測深度，並且用 Rayleigh equation 來定義解析度，並討論不同 之介電係數中，接收訊號之帶寬與解析深度的相對關係。
17. 1998 年 李德河、羅經書【18】利用砂箱埋設數種不同之管線與 空洞，再以透地雷達掃描，以探討管線和空洞之雷達信號之成 因、特徵以及對現地掏空形成之空洞進行探測，研究其訊號特
徵。於地層分層試驗中，由透地雷達圖像中與鑽探結果相對應之 連續反射軸，可以看出地層層面之連續變化情形來判定地下古蹟 所在位置。
18. 1999 年 楊潔豪、董倫道【19】整理透地雷達之基本原理、儀器 操作、資料處理以及典型案例，提供施測人員可供參考之範例。
19. 2000 年 裴廣智、謝智正、白耀東【20】於文中將透地雷達檢測 技術在土木工程應用上之背景、檢測原理、施作流程、影像判讀 處理及施作之實例經驗等分別扼要的說明，其檢測實例包括樓板 鋼筋檢測、鋼筋混凝土樑結構內部檢測、預力橋樑箱型預力混凝 土樑內部檢測、地下管線偵測及定位以及淺層地下狀況偵測。
20. 2001 年 G.Grandjean、J.C.Gourry、A.Bitri【21】利用透地雷達在 同一測試地點施測，且在測點埋設各種不同之孔洞、不同粒徑之 岩塊（如片麻岩、石灰岩）、不同深度埋設管線等，並且使用數 種方法以及不同頻率之天線施測以比較其結果及獲得良好的施 測方法及結論。
21. 2000 年楊潔豪、陳平護【22】利用透地雷達法及二維的地電阻影 像法來與三維地電阻影像法做管線定位的比對；電石渣測區以二 維地電阻影像法做殘渣量估算，最後結果與以鑽井資料估算出之
量作比對。
21. 2001 年 江健仲、曾俊智【23】利用透地雷達應用於孔洞之偵測 上，內容分為模型試驗與現地試驗兩方面，結果發現在水箱模型 中，以水為主要介質時，頻率越高之天線在水中傳遞之能量衰減 快，故高頻率之天線較不適用於水中作深度較深之探測。在沙箱 模型中發現高頻透地雷達適合淺層時之掏空探測。在現地試驗之 孔洞探測與砂箱模擬掏空之雷達影像圖相似，故可得之透地雷達 亦適用於孔洞之探測。
22. 2002 年張奇偉、徐增興、黃一峰【24】針對過河段地下管線受混 凝土包覆以及受到上部土壤載重壓力、管線內之油壓、管線自重 等作用而產生相互間之變位而可能導致混凝土包覆結構之破 壞。因此本研究將配合透地雷達非破壞檢測技術以及電腦有限元 素法應力模擬分析之相互輔助，進行地下管線結構位置之定位，
與混凝土包覆附近土壤是否有掏空情形及管體包覆結構之應力 分析以及管線周圍混凝土之應力集中情形，進而判斷管體包覆結 構之安全性。
2-2 超音波應用與研究相關技術
1.1994 年倪志寬、廖映瑟【26】運用 Tomsette 提出的水泥漿效率理論
（Paste Efficient Concept）預測結構體混凝土強度，以現地進行超 音波及鑽心試體取樣試驗結合實驗室及現地極限抗壓強度與波傳 速度之關係曲線，來預測現地混凝土之抗壓強度，研究中指出在 同一抗壓極限強度下，隨者水灰比的減少、齡期的減少及大粒徑 骨材比例增加，其波傳速度會增加。同時，利用水泥漿效率理論 預測現地結構體混凝土之強度，其準確率達 85％。
2.1994 年梁明德、江啟明【27】利用超音波非破壞性檢測方法對鋼筋 混凝土圓柱進行檢測，探討超音波在鋼筋混凝土中之行為，運用 波速法與回波振幅法探查混凝土之破損及鋼筋腐蝕與否，當鋼筋 混凝土具瑕疵時，回波振幅之衰減量增加，且空洞將使波速降低；
對於鋼筋腐蝕試體，回波振幅的衰減量有明顯升高趨勢，波速亦 有降低之情形，因此應用超音波非破壞檢測方法對於鋼筋混凝土 之探傷，將是一有效之量測工具。
3.1996 張奇偉、洪宗傑【28】將超音波儀器用來檢測新鮮混凝土與新 鮮水泥砂漿在齡期一天內之波速，並應用超音波波速之變化觀察 新鮮混凝土與新鮮水泥砂漿之水化熱變化。研究發現新鮮混凝土 與新鮮水泥砂漿的超音波波速與齡期之關係曲線相似，波速變化 率與齡期亦類似，且速度變化率與 Young`s 水化放熱速率曲線相 近，因此，應用超音波方法可準確量測出水化作用之時間變化，
由超音波波速變化率與齡期關係圖中速度變化率高峰區域，可預 測終凝時間，並進而評估其抗壓強度與超音波波速之關係。
4.1998 年黃然、林武忠【29】以超音波試驗（波速法、振幅衰減法）
評估混凝土中鋼筋腐蝕劣化程度，並與電化學試驗（鋼筋腐蝕速 率）之結果比對探討相互關聯性。研究中指出低水灰比能延遲試 體開裂時間且試體表面裂縫較小波速高，而在電化學檢測上有較 低之腐蝕速率。當裂縫產生時，低水灰比試體具較高脆性，往往 較不能吸收裂縫所造成之開裂能量，因次音波衰減較快。最後，
就由損傷評估表可推估混凝土中鋼筋之腐蝕速率及內部劣化程 度。
5.1998 年 W.Yeih and R.Huang【30】利用超音波檢測技術之振幅衰減 模式對鋼筋混凝土結構進行腐蝕損傷評估，研究成果認為振幅衰 減模式對檢測腐蝕具極佳之成果，研究指出超音波音波衰減會受 鋼筋尺寸效應影響，鋼筋號數較小之鋼筋其音波衰減率較號數大 者高。
6.2001 年張奇偉、陳威憲【31】採用超音波檢測技術之表面傳遞法，
利用混凝土與鋼筋不同介質界面對應力波傳遞時間與傳遞行為之 影響，對鋼筋混凝土握裹狀態作定性評估，且針對鋼筋混凝土之 損傷握裹界面對握裹波速之影響，藉由混凝土強度之弱化來反
應，建立損傷握裹強度公式計算，推估殘餘握裹強度。研究結果 顯示藉由握裹波速之明顯改變來反應鋼筋與混凝土握裹界面之狀 態時，可作為對鋼筋混凝土握裹界面狀態之定性甚至定量之有效 判別依據，藉由損傷握裹波速相對應之弱化混凝土強度來反應握 裹界面損傷，能提供更準確量化殘餘握裹強度之方法。
7.2001 年江支弘、劉祐權【32】應用超音波檢測儀器極不同探頭組組 合所得之訊號，進行鋼鍵及鋼棒之預力損失影響行為探討，加上 實驗過程中地錨之荷重計所計讀之讀數作比較，稱為”複合式應力 檢測法”利用此法探求訊號在預力損失過程中所呈現之相關性。研 究成果指出鋼鍵於頻率域中，發現在相同頻率下載重越大衰減越 明顯。在超音波頻散及波速變化之關係圖，經數值量化後，發現 於 2~6MHz 間之頻率正規化之波速對預力損失呈現明顯差異，並 在動態分析中，明確知道預力損失過程與應變關係，而得知訊號 延遲會隨荷重增加而增加。
8.1998 年江支弘、唐競? 【33】藉由拉拔試驗與聲波穿透法（Through Transmission）的合併使用，分析兩者之關聯性，作為進一步發展 非破壞握裹強度檢測之基礎。
9.2000 年江支弘、黃競婷【34】以拉拔試驗與超音波檢測技術，探討
分析握裹強度與脈波波速之關係。其研究結果顯示，殘餘握裹強 度與脈波波速會隨溫度延時的增加而降低，而殘餘握裹強度與脈 波波速間具有線性關係。
10.2002 年張奇偉、苟昌煥、葉坤原【39】運用非破壞性超音波檢測 技術探討應力波傳遞行為與腐蝕造成鋼筋混凝土握裹界面損傷之 關係，進而推導出實際量化鋼筋混凝土握裹強度之數學模式，並 於實驗室中以標準拉拔試體所得之握裹強度與超音波量測之握裹 強度進行驗證比較。
11.2000 年韓曉林、豬寬軍【40】以混凝土的結構完整性和力學特性 檢測分析為目的，系統研究了有關的常用方法，著重於建立了非 金屬固體材料－混凝土內部缺陷檢測的超聲反演和層析成像法，
並編制了相關的分析軟體。
2-3 混凝土冷縫之相關資料
1.1997 年 Jeffery S.Volz, Carlton A. Olson, Ralph G. Oesterle, and Steven H. Gebler【41】以分辨混凝土中接縫為工作縫或冷縫為目 的，有許多種測試方法可被承包商和工程師來使用，並進而評定 此結構物完整性、功能性及耐久性，並舉出案例來加以驗證。
2.2001 年 Etsuzo Ohdaira, Nobuyoshi Masuzawa【42】製作不同水灰比
以及不同澆置時間差來製作含冷縫之混凝土試體，並將冷縫試體 進行不同時間的養護，再進行混凝土內含冷縫之超音波衰減試 驗，結果說明澆置間隔時間的大小和水灰比會影響到衰減值 a。
第三章 基本理論分析與測量技術原理
3-1 透地雷達施測原理
透地雷達簡稱 GPR (Ground Penetrating Radar)，基本原理為利用 極高頻電磁波（歷時為幾十億分之一秒的高頻脈衝電磁波，或亦稱為 雷達波）穿透待測物，根據地層或結構物上介電常數的差異，產生反 射、折射之訊號，再經由高靈敏度之接收天線接收反射訊號，並利用 軟體進行訊號處理與分析，進而探討待測物之剖面狀態。此法類似震 測法，不同之處在於震測法為利用物質的力學差異為理論基礎，而透 地雷達則利用待測物質的介電常數差異為施測基礎。
3-1-1 電磁波基本特性
由於透地雷達理論基礎，完全建立於 Maxwell 方程式，所以研究 透地雷達理論，應該從此處先著墨；根據 Maxwell 電磁波方程式之推 導【14】可得以下結果：
平面之電磁波在均質、均向的介質中傳播，則可表示如下：
電場：Ex =E0ej(ωt−kz) （3-1）
磁場： Y j( t kz) K EX j e
H
H ωµ
ω =
= 0 − （3-2）
以上兩式中 K 稱為複數型態之波數（Wave number）可由下式表示：
α β µε ωε ω
µε σ
ω j
K j = c = −
+
= 1 （3-3）
式中
ω：角頻率（rad/sec）。
σ ：導電度（conductivity；S/m）。
ε：電容率（Permittivity；F/m）。
µ：導磁率（Permeability；H/m）。
εc：複數型態波數之介電常數（Complex dielectric constant）。
+
= ωε
ε σ
εc 1 j （3-4）
a：複數型態波數之衰減常數（Attenuation constant），為波數的 虛部部分。
1 2 1
2
−
+
= ωε
σ ω µε
α （3-5）
ß：複數型態波數之相位常數（Phase constant），為波數之實部部 分。
1 2 1
2
+
+
= ωε
σ ω µε
β （3-6）
由複數型態波數（K）中可得知 a（K 值中之衰減常數），ß（K 值中 之相位常數），又電磁波訊號的速度可由波速的實數部分加以轉換，
因此電磁波在傳導介質中之電磁波訊號的速度為：
β ω /
=
V （3-8）
所以可得知衰減常數α與電磁波訊號的速度 V 為控制電磁波於
地下傳播的因子。大體而言，多數介質的電性變化較磁性變化為大，
故電磁波傳遞受電性影響較大，因此主要以介質電性對電磁波傳遞之 影響來討論。
在透地雷達中，透地雷達之訊號是以高頻電磁波在介質體內部傳 播，其主要由速度和衰減兩個參數所描述，而實際上控制這兩個參數 為介質之導電度和電容率(介電常數)。因此在此對導電度和電容率(介 電常數)作一敘述。
3-1-2 電磁波之導電度與相對介電常數
我們通常將電流在介質中前進的速度，也就是傳導電流的快慢，
稱之為導電度（conductivity），而導電度可由下列公式算出：
ρ =α1 （3-9）
其中
ρ：電阻（Resistivity；歐姆-公尺；O-m）
σ ：導電度（S/m）
因此由介質衰減常數之式子當中，可得知導電度與衰減常數成正 比。若天線之頻率為固定時，則所探測之介質導電度愈高，則電磁波 衰減愈快，將不利於施測。而導電性與介質中黏土含量、含水量有成 正比的趨勢。
透地雷達之應用上可依照其介質條件以及適用之情況將導電度
分為三種等級：
1. 高導電度：為較差之探測條件，會使激發出來的雷達波，一下就 發散，使接收端接收之訊號非常不清楚，因此在潮濕的環境下不 宜施作。(如濕黏土、濕頁岩、海水)。
2. 中導電度：為施測時之一般條件(如清水、雪、砂、乾黏土等)。
3. 低導電度：為透地雷達探測之最佳條件，因為電磁波較不易發散 掉，使得接收波型清晰。(如空氣、花崗岩、混凝土、瀝青等) 。 一般透地雷達常見之介質電阻率；如表 3-1 所示。導電度為電阻
率之倒數，這些資料對進行透地雷達施測時有很大的幫助。
對於有電介質時之電容與無電介質時電容之比即為材料之相對 介電常數（relative dielectric constant）。其關係式如下所示：
ε0
εr = ε （3-10）
其中
εr：相對介電常數
ε ：材料之容電率
ε0：真空之容電率
當介質之介電常數愈大時，主波束之寬度愈窄，天線之能量愈 能往地下集中將更有利於施測，一般常見介質之電性；如表 3-1 所示。
3-1-3 反射係數
當透地雷達入射電磁波遇介質 A 與介質 B 介面時，其反射係數 R（Reflection Coefficient），定義為：
b a
b
R a
ε ε
ε ε
+
= − （3-11）
其中
εa：物質 A 之介電常數 εb：物質 B 之介電常數
由此可知電磁波經過不同之介質時，會把訊號反射並且反映在雷達剖 面圖上；參見圖 3-1。
3-1-4 電磁波之解析能力與穿透深度
透地雷達的解析能力與發射天線之頻率有很大的關係，其頻率越 高，相對的波長愈短，故其解析能力就愈高，但探測深度減少；相對 的使用低頻率天線探測，相對波長較長，解析能力降低，但探測深度 增加。因此，解析能力與穿透深度之間的取捨將視我們所需之情況而 定【22】。
3-1-5 透地雷達波場分析
透地雷達接收天線所接收的反射波是來自不同電性介面的材 料，其中基本上可分成為兩種形式之透地雷達探頭，一種為非遮罩式 透地雷達探頭；而另一種為遮罩式透地雷達探頭。非遮罩式透地雷達
探頭，包含了三種雷達波傳遞方式，如空氣波、表面波以及反射波；
如圖 3-2 所示。而遮罩式透地雷達探頭因為其外有一防止外界干擾之 金屬外殼包覆，所以有較少的干擾；如圖 3-3 所示。
3-1-6 透地雷達操作程序
本研究所採用的透地雷達系統為瑞典製之 RAMAC/GPR 系統，
此系統皆為 Geo Science 公司所發展之透地雷達，其特點是將發射天 線與接收天線之位置固定，並放置於遮罩式的保護盒內，是為遮罩式 天線盒；其主要的優點是將發射天線與接收天線之頻率皆由天線盒之 底部進行，以減少及隔離外界環境影響所造成之雜訊。本透地雷達系 統主要是由 5 個部分組成，分別為控制主機、激發接收探頭系統、供 電系統、測距輪及個人筆記型電腦；如圖 3-4 所示，而探頭系統共有 4 種探頭；如圖 3-5 所示。
3-1-7 透地雷達擷取資料及施作方式
本研究所使用透地雷達(RAMAC/GPR)系統之基本操作程序可分 為以下步驟：
a. 由可攜式筆記型電腦控制激發雷達脈衝訊號至發射天線。
b. 向待檢測結構物或地層結構發射雷達波。
c. 雷達波在物質界面產生反射波，經由接收天線接受訊號。
d. 接收天線接收反射訊號經由主機儲存於筆記型電腦內。
e. 以透地雷達軟體執行濾波程序，進而進行待測物之結構分析。
而在實際檢測過程中將透地雷達以拖曳方式來進行，並以大約相 同速度來進行拖曳；如圖 3-6 所示。重複上述步驟，即可得到整個測 線的影像圖。
3-2 超音波技術的發展與理論
早在 30 年代，人們就早已開始探索和研究混凝土無損傷檢測方 法，並獲得迅速的發展。1930 年首先出現了表面壓痕法。1935 年 G.
Grimet、J.M. Ide把共振法用於測量混凝土的彈性模數。1948 年 E.S.
chmid 研制成功回彈儀。1949 年加拿大的 Leslie、Cheesman 和英國的 R.Jones 等運用超音波進行混凝土檢測成功。這些研究為混凝土無損 傷技術奠定了基礎。隨後，許多國家也相繼發展了這方面的研究，並 取得了豐碩的成果，到如今已經形成了一個完整的混凝土無損傷檢測 方法體系。
3-2-1 超音波之波傳理論
波動為物質中之粒子，受到外力的作用時所產生的機械式震盪。
而音波的傳遞即是藉由彈性物體中的分子或原子，經過機械式震盪，
產生能量傳遞的轉換，因此音波可稱為機械波、彈力波及應力波。而 在應力波的能量傳遞上，是根據介質中各質點在平衡點作反覆之簡諧 運動，進而傳遞能量，因此在兩相同相位之節點，其波峰至波峰或波
谷到波谷之距離，即為應力波之波長（?），而每秒震盪之次數即為頻 率（f）；如圖 3-7 所示。因此音波在介質中傳遞之速度（V）即為：
V=?×f （3-12）
在同一介質中，所發生的擾動是連續的，而內部質點的振動頻率 都是相同的，振波的速度就必須由振源來控制。相同之介質，波的傳 遞速度不因頻率或波長之改變而有不同。一般人耳可聽見的音波範圍 為 20Hz~20kHz 之間，若音波之頻率高過這個範圍時，人耳就無法聽 見，稱之為超音波（Ultrasonic），若低於此範圍稱之為次音波；而一 般檢測用之超音波頻率範圍，大約為 20kHz~250kHz 之間，其中又以 50kHz 左右最為常用。
3-2-2 超音波之產生與接收
超音波的產生和接收，主要是利用探頭中的壓電材料所產生之壓 電效應為基礎，利用電能和機械能之間的轉換來得知。當外加的電壓 施加在壓電材料上時，將會使得壓電材料在其厚度產生向上的變形現 象，此現象稱為反壓電現象。而當壓電材料受機械壓力作用時，會在 其表面之電極產生電荷聚集而造成電位差，此稱為正壓電效應。通常 把壓電材料製成薄片，並在其兩邊的表面上各鍍上一層銀膜作為電 極，而超音波的激發端探頭就是利用壓電材料的反壓電效應將電能轉 換成連續性的機械震盪傳遞到接收端；當接收端探頭接收到時，會利
用正壓電效應，將機械震盪轉換成電能，並產生與音波頻率相同之交 流電壓訊號，傳回超音波主機加以辨識。
3-2-3 超音波傳遞之方式
任何波的傳遞方式都是一樣的，都是根據介質質點的振動方向及 波傳遞的方向之作用關係來作為區分，超音波也不例外，音波主要可 區分為 3 種：縱向波（Longitudinal Wave）、橫向波（Transverse Wave）
及表面波（Surface Wave）。
1. 縱向波（Longitudinal Wave）
此波為超音波檢測時主要的判讀訊號。縱向波其質點振動方向和 波的前進方向平行，所以又稱壓力波（Pressure Wave），或簡稱為 P 波；如圖 3-8 所示。而縱向波的傳遞是靠著介質的疏密來傳遞，使介 質的密度產生連續性變化，使能量得以傳遞，因此又稱為疏密波，例 如聲波。由於氣體和液體中皆可藉由壓密的方式達到能量的傳遞，故 縱向波可同時存在於三相之中。
2. 橫向波（Transverse Wave）
橫向波其質點振動方向和波的前進方向垂直，所以又稱剪力波
（Share Wave），或簡稱為 S 波，例如無線電波、光波等；如圖 3-9 所示。而 S 波必須靠著介質的剪切變形產生的剪切應力來傳遞，所以 在無一定形狀之氣體和液體，無法產生剪應力，因此 S 波只能存在於
固體中，其波速約為縱向波之 50％。
3. 表面波（Surface Wave）
當固體介質表面受到交替的表面張力，使介質表面發生縱向振動 以及橫向振動，而介質上之質點產生這兩種的合成振動，因此產生一 橢圓形之運動，而此種振動通常產生在介質表面，因此稱為表面波、
Rayleigh Wave 或者簡稱 R 波；如圖 3-10 所示。Ｒ波僅能在固態中傳 遞，其波速為Ｓ波之 90％。
當超音波檢測物體時，縱向波與橫向波於波源下方以球面之波形 輻射狀向外傳遞，而表面波僅於物體之表面以橢圓形波向外傳遞，其 中傳遞速度最快者為縱向波，次者為橫向波，而以表面波最慢【39】；
如圖 3-11 所示。
3-2-4 音波之反射與折射
由於音波需藉由介質以達到傳遞之行為，不同的介質對聲波傳遞 之聲阻係數(Acoustic Impedance)皆不相同，而其中聲阻係數為波速(V) 與材料密度(?)之乘積。當波傳路徑經過兩種不同介質所形成之界面 時，則入射之應力波的傳遞將受到反射及折射的影響，而使得入射波 形成部分反射波(Reflection)與部分折射波 (Refraction)之狀態；如圖 3-12 所示。其入射角與折射角之關係將遵循 Snell’s law，表示如下：
2 1
sin sin
V
= V β
α （3-13）
3-2-5 音波之衰減與耗損
在理想的環境中，激發出來的音波能量應該會等於接收到的音 波能量；但在現實中，激發出來的能量一定會有衰減及耗損的現象產 生。主要的衰減有散射衰減及吸收衰減兩種；散射衰減是由於介質之 聲阻係數不同，而使得音波於傳遞過程中，由於反複不斷的反射與折 射而影響音波之傳送，而混凝土是使用水泥漿、砂、骨材所製成之複 合材料，因此使得散射更為嚴重；而吸收衰減是由於介質粒子之振 盪，將音能轉換為熱能。吸收衰減的補救方法可藉由提高激發端之能 量或放大倍數，或者是用較低之頻率減少吸收衰減的機會；對於散射 作用，只能採用低頻之頻率來補救，但相對的直接影響到其檢測之精 度，使得無法正確了解結構物內部情形。
3-2-6 界面耦合劑
當超音波探頭放置於待測物上時，因為待測物表面無法為理想的 平面，可能有粗糙不平的現象，使得探頭與待測物表面產生空隙，會 嚴重影響到超音波之傳導，因此需使用耦合劑，來作為超音波在兩者 之間傳遞媒介。良好之耦合劑必須滿足下列條件：
a. 耦合劑之音阻抗：音阻抗為材料密度與波速之乘積，若探頭、耦 合劑及試體的音阻抗分別為 Z1、Z2、Z3，則三者音阻抗之關係為
3 1
2 Z Z
Z = × （3-14）
時，超音波之傳遞效率最佳。
b.待測材料之表面狀況：若材料表面粗糙度小於 0.1mm 時，可被認定 為平整，此時可用水當耦合劑；對於粗糙表面所使用之耦合劑以黏 質性液體為佳。
c.檢測表面溫度：溫度較高之檢測表面，應選擇耐高溫之耦合劑，以 確保耦合效果。
d.材料表面與耦合劑可能的化學反應：耦合劑之選用，應盡量避免選 擇會與材料表面起化學反應物質。
e.事後之清除工作：需以方便清除為優先考量。【39】
而本研究所採用之耦合劑為工業用凡士林。
3-2-7 超音波之檢測技術
隨著待測物所需要量測的位置以及結構上之限制，因此在激發 探頭以及接收探頭的擺設位置間也有所不同，大致上可分為以下三 種：如圖 3-12 所示。
1. 直接傳遞法（Direct Transmission）
此種方法是將兩探頭放置在待測物相對之兩側，此種方法音波傳
遞之路徑相當明確，且在探頭間傳遞之能量衰減為最小，因此有較佳 的靈敏度，為使用超音波量測時最適當的方法。
2. 半直接傳遞法（Semi-direct Transmission）
此種方法主要使用在待測物之施測位置無法使用直接傳遞法 時，是將激發探頭以及接收探頭放置於相鄰的表面，利用畢氏定理來 推估其之間距離進而推算出確切的波速，但因此法並非直接傳遞，所 以能量衰減較大，且波傳路徑之不確定性也較大。
3. 表面傳遞法（Surface Transmission）
此方法為激發探頭以及接收探頭放置於同一表面上，由於波傳路 徑不明確性大，且僅能針對混凝土表層之狀況進行檢測，因此較無法 量測出混凝土內部之情形，為三種方法中準確度最低的。
第四章 實驗內容
4-1 實驗計畫
本研究主要是探討透地雷達非破壞檢測技術及超音波非破壞檢 測技術對有冷縫存在之混凝土長樑冷縫試體進行測量試驗並加以討 論分析。首先應用透地雷達非破壞檢測技術對含冷縫混凝土試體進行 內部掃描，並對透地雷達圖進行研判，進而使用濾波進行處理，加強 對圖形之效果再進行判讀。另外也使用超音波非破壞檢測技術針對試 體進行直接傳遞法、表面傳遞法之試驗，利用所得之音波傳遞時間 值，繪製時間與距離之 X-Y 分佈圖，藉由混凝土上下層不同時間之 澆置界面，來反應出有冷縫存在之混凝土的波速時間值差異性，並對 相隔一定時間差所澆置製作之冷縫或澆置線進行比較分析，根據此兩 種結果做綜合比較與分析。
4-2 試驗材料
1. 水泥：本研究採用台灣水泥公司市售之袋裝第一型波特蘭水泥，
其主要之化學成分與物理性質；如表 4-1、4-2 所示。
2. 粗骨材：本研究採用新竹頭前溪流域之碎石級配，將骨材洗淨以 烘盤置於烘箱中烘置 24 小時後，再以篩網逐一進行粒徑分類，
3. 細骨材：本研究採用新竹頭前溪流域之天然河砂，將骨材洗淨以 烘盤置於烘箱中烘置 24 小時後，於室內待細骨材降至室溫，直 接進行拌合。
4-3 試驗設備
本實驗所使用之實驗設備如下：
1. 透地雷達系統
本研究所採用的透地雷達系統為瑞典製之 RAMAC/GPR 系統，
其特點是將發射天線與接收天線之位置固定，並放置於遮罩式的保護 盒內，是為遮罩式天線盒，其主要的優點是將發射天線與接收天線之 頻率皆由天線盒之底部進行，以減少或隔離外界環境所影響之雜訊；
如圖 4-1 所示。
2. 數位超音波檢測儀
本 研 究 採 用 法 國 CEBTP 所 生 產 之 超 音 波 檢 測 儀 -AU2000 Ultrasonic Tester；如圖 4-2 所示。儀器設計採發射端與接收端探 頭各自獨立形式，其發射頻率為 60kHz。
3. 鼓式拌合機
本研究所使用之拌合器為圓錐形拌合鼓；如圖 4-3 所示。每次拌合時 間不得低於 1~1.5 分鐘，轉速不得低於每分鐘 15 轉，且於拌合過程 中，需適度的運用人工攪和，使骨材與砂漿能充分拌合。
4. 矩形混凝土梁試體模具
本研究依據超音波所需量測之距離，採用15cm×15cm×75cm之矩形 鋼材模具；如圖 4-4 所示。
4-4 含冷縫混凝土長樑試體澆置
本研究主要試體為矩形鋼筋混凝土樑冷縫試體，澆置完之後再放 置飽和石灰水中養護 28 天。並進行作透地雷達試驗、超音波量測試 驗及混凝土抗壓強度試驗。
4-4-1 試體之材料級配與拌合程序
本研究中混凝土配比設計之水灰比皆為 0.5。在進行拌合的過程 中，必須先將拌合機具以及拌合工具潤濕，以防止因水分之吸附而造 成水灰比誤差；過程中依順序（粗骨材à細骨材à水泥）分別放置拌 合機中分次拌合均勻，當三種材料充分混合後，將水分三次加入，直 到充分拌合，再將混凝土取出進行澆置。
4-4-2 混凝土冷縫試體澆置過程
1. 含冷縫矩形混凝土長樑試體a. 進行拌合混凝土時所須之材料；如圖 4-5 所示。
b. 進行澆置之前先將模具內部雜物清除，並在表面塗上一層礦 物油，以防止脫模不易損壞試體。
c. 澆置時先將矩形混凝土樑模具畫出斜線條，可分出上下層，
先澆置下層；如圖 4-6 所示。再依設計中之相隔時間進行上層 之澆置；如圖 4-7 所示。
d. 澆置時分三層澆置，每層須用直徑為 16mm 之搗棒搗實 100 次，在澆置完成時，分別在模具之兩側利用軟槌敲擊各五次；
但在上下層之交界面不以鏝刀抹平，並在澆置上層時先加以 潤濕以接近符合實際之冷縫發生情形。
e. 在上層完成澆置時，以鏝刀將表面抹平，並以保鮮膜覆蓋試 體表面，以防止水分散失；如圖 4-8 所示。
f. 24 小時後將試體進行拆模，並將試體放置飽和石灰水中養護。
g.
完成試體；如圖 4-9、如圖 4-10a、4-10b、4-10c、4-10d、4-10e、4-10f、4-10g、4-10h 所示。
4-5 透地雷達與超音波資料擷取過程 4-5-1 透地雷達掃描試驗
在試體澆置完成養護一天後，進行透地雷達檢測。首先以澆置 時間差為 1 天之混凝土冷縫長樑試體進行（I）、（II）、（III）三種測線
施測；施測（I）、（II）測線時，先將混凝土冷縫長樑試體放置於中間；
如圖 4-11 所示。再將兩塊純混凝土放置於兩旁，將冷縫面以傾斜施 側面之方式放置；如圖 4-12 所示。使用頻率為 1GHz 之透地雷達探 頭進行施測；如圖 4-13 所示。施測（III）測線時，先將混凝土冷縫 長樑試體放置於中間，再將兩塊純混凝土放置於兩旁，將冷縫面與施 側面相垂直之方式放置；如圖 4-14 所示。再使用 1GHz 之透地雷達 探頭進行施測，再以相同之施測方式，對 8 小時、1 天、3 天、5 天、
7 天、9 天、14 天之混凝土冷縫長樑試體進行施測，並將所施測之圖 形紀錄於電腦內，作為以後判讀之依據。養護期間，對九組冷縫試體 上連續紀錄 10 天，共施測 270 條測線，量測出來之剖面圖，再進行 影像處理，並研判、分析其結果。
4-5-2 超音波試驗
在混凝土到達 28 天強度時，進行三種超音波非破壞檢測試驗；
如圖 4-15 所示。第一為超音波非破壞檢測表面傳遞法 A，先以每 7 公分為一施測點，在混凝土冷縫試體上標示位置，在同一面上放樣二 條測線共 14 點，再以凡士林作為耦合劑，塗抹在 1 小時混凝土冷縫 長樑試體，使得超音波探頭及混凝土界面間充分密合，避免超音波因 空氣阻隔無法傳送到混凝土內，之後進行超音波表面傳遞法 A；如圖 4-16 所示。並紀錄每筆數據作為判別混凝土冷縫是否有影響之參考。
第二為超音波非破壞檢測表面傳遞法 B，先將測線之位置放樣在和冷 縫面相垂直的混凝土面上，每七公分一施測點，再同一面上放樣一 條，共 7 點，之後進行超音波表面傳遞法 B；如圖 4-17 所示。並紀 錄每筆數據作為判別混凝土冷縫之影響。第三為超音波非破壞檢測直 接傳遞法，在混凝土冷縫長樑試體相對的兩個面上放樣，以每 7 公分 為一點，共兩條；如圖 4-18 所示。之後再以相同之方式，對 8 小時、
1 天、3 天、5 天、7 天、9 天、14 天之混凝土冷縫長樑試體進行施測，
並紀錄每筆數據作為判別混凝土均勻性之參考。紀錄波傳時間之結 果，以 X 軸為波傳時間，Y 軸為探頭間距，計算混凝土之波速，並 繪製成圖形，分析研判冷縫對混凝土內超音波速之影響。
第五章 結果討論與工程案例探討
5-1 結果討論
本研究在實驗結果方面，共分為兩部分來進行討論；第一部分為 透地雷達掃描檢測方面，第二部分為超音波非破壞檢測方面。在透地 雷達非破壞檢測方面，在細分為 2 點來討論；1.定位比較冷縫長樑試 體中之冷縫位置。2.根據冷縫製作澆置之時間差，1 小時、8 小時、1 天、3 天、5 天、7 天、9 天、14 天進行透地雷達剖面圖之判讀分析 之可行性，並根據此圖來作討論。第二部分於超音波非破壞檢測方 面，本研究使用兩種超音波非破壞檢測方法；（1）直接傳遞法，（2）
間接（表面）傳遞法，並根據此兩種所得到之波速來進行冷縫分析研 讀，並討論使用超音波技術檢測冷縫之可行性。
5-1-1 透地雷達非破壞檢測
1. 將混凝土冷縫長樑試體分別進行測線（I）及測線（II）兩條測線 施測，此兩條測線施測方向分別是相反且以相同之速度進行施 測，並紀錄得到之透地雷達波形圖；由於在得到之最初波形圖上 沒有太大的差異，所以對每個透地雷達掃描之最初波形圖進行濾 波處理；由於測線（I）、測線（II）是以相反方向的施測，針對 冷縫位置而言，所得之透地雷達剖面圖在中央傾斜的條紋應呈現 對稱的方式，且比較 8 小時施測測線（I）及測線（II）之透地雷
達波形圖後；如圖 5-1 所示。可發現透地雷達剖面圖形中央有明 顯的對稱傾斜條紋，和製作混凝土冷縫長樑試體之冷縫位置一 致，而且兩種不同方向掃描之雷達波形圖顯示對稱及高度一致的 特性；並根據冷縫澆置線於混凝土冷縫長樑試體之冷縫位置，可 量出冷縫之傾斜面和施測面之距離約為 5cm~10cm，和掃描所得 之雷達剖面圖相吻合，因此可判定此即為冷縫之位置；之後應用 相同方法去掃描冷縫製作時間差為 1 天、3 天、5 天、7 天、9 天、
14 天的雷達波形圖；如圖 5-2、圖 5-3、圖 5-4、圖 5-5、圖 5-6、
圖 5-7 所示。也顯示出類似的模式；由此可驗證透地雷達方法可 以檢測出因澆置時間差不同所產生之冷縫位置。
2. 根據不同時間差的混凝土冷縫長樑試體，1 小時、8 小時、1 天、
3 天、5 天、7 天、9 天、14 天，比較相同養護時間的雷達波形圖 時，由 1 小時之透地雷達波形圖中；如圖 5-8 所示。無明顯的傾 斜冷縫的條紋產生；但在 8hrs~14days 之雷達波形圖中；如圖 5-9、
圖 5-10、圖 5-11、圖 5-12、圖 5-13、圖 5-14、圖 5-15 所示。則 明顯有傾斜之冷縫條紋出現；由此可說明在 1 小時並沒有澆置界 面的產生，而混凝土長樑試體表面的色差應只是澆置線而非冷縫 界面；但在 8 小時後澆置界面已形成，所以可以研判混凝土冷縫 可能發生之時間是在澆置混凝土時間差在 1 小時~8 小時之間，與
混凝土材料初凝時間約為 2 小時相當吻合。
3. 在養護期間 10 天，針對 8 組澆置時間差不同之混凝土冷縫長樑 試體，固定每天進行透地雷達掃描；同時，在養護期間研判及分 析混凝土冷縫長樑試體在相同測線之冷縫條紋變化情形。在分析 時間差為 1 小時之冷縫混凝土試體之透地雷達剖面圖中，發現 1 天à10 天（10 次）的透地雷達剖面圖，其圖形都不會有太大的 變化；如圖 5-16 所示。而在 8 小時~14 天透地雷達圖中，以相同 的方式分析比較透地雷達圖的連續變化性，也無顯著冷縫條紋的 變化；如圖 5-17、圖 5-18、圖 5-19、圖 5-20、圖 5-21、圖 5-22、
圖 5-23 所示。因此可說明混凝土的冷縫澆置界面黏結於混凝土初 凝時期即已形成，無論事後外觀修復及補強都無法有效的防止冷 縫的弱面產生，因此在工程上澆置時間差之掌握是非常重要的。
4. 根據澆置時間差 1 小時之混凝土冷縫試體所檢測出的透地雷達圖
（透地雷達施測面與冷縫線同側）；如圖 5-24 所示。由於冷縫面 會在透地雷達圖上產生垂直的冷縫條紋，但在剖面圖卻無法顯示 混凝土冷縫長樑試體冷縫的位置；以相同的方法掃描分析 8 小時
~14 天透地雷達圖；如圖 5-25、圖 5-26、圖 5-27、圖 5-28、圖 5-29、
圖 5-30、圖 5-31 所示。皆無法判定冷縫位置，因此可研判透地雷 達施測面與冷縫線同側進行檢測時，無法明顯的定位冷縫。
5-1-2 超音波非破壞檢測
利用超音波波速之改變檢測混凝土內部是否含有孔洞、蜂窩，裂 縫，已是相當成熟之技術，但在應用超音波檢測冷縫澆置線的區別，
則較少有相關之研究。本研究將應用超音波非破壞檢測混凝土冷縫長 樑試體進行探討冷縫定位問題。首先應用超音波直接傳遞法檢測結果 所得到之數據；如表 5-1 所示，再使用超音波表面傳遞法 A、B 量測 混凝土冷縫長樑試體之波速時間；如表 5-2、5-3 所示。可得 a.根據表 5-1 所得之波速時間可繪製成波速-時間之關係圖；如圖 5-32 所示。
由圖中可知不同澆置時間差之混凝土冷縫長樑所換算得到之波速，並 無明顯之不同，皆在 3500m/s~4000m/s 之間，因此可研判超音波直接 傳遞法無法量測出冷縫因不同澆置時間差所產生的差異性。b.根據表 5-2、表 5-3 所得之波速時間，可繪製出距離-時間之關係圖；如圖 5-33、圖 5-34 所示。由圖中可知超音波到達之時間和距離成正比關 係，因圖中每個試體所測得時間-距離之曲線幾乎重疊在一起，因此 可得知超音波到達之時間並無隨著澆置時間差之改變而產生變化，所 以研判表面傳遞法無法檢測出因不同澆置時間差所造成之冷縫之間 的差別。
5-2 實際工程案例探討
台中高鐵隧道工程灌漿施工過程中，在澆置混凝土拆模後，發現 在隧道上部之內襯有部分位置發生色差條紋，因此為了探討是因為冷 縫或是澆置線所造成的色差原因，所以針對此部分進行非破壞性檢 測，以確保結構物之安全性。
在工程實務上，如何判別冷縫或是澆置線將會對工程的進度有相 當大的影響。而最常使用的破壞性檢測方法即為在色差位置進行鑽心 試體，但因鑽心或拉拔試驗都會破壞結構體；因此，如何運用非破壞 性透地雷達或超音波技術進行冷縫定位則越顯重要及其必要性。
在台中高鐵隧道進行檢測時發現；如圖 5-35 所示。隧道混凝土 之內襯，有明顯的不均勻現象，且在混凝土表面上有明顯色差產生；
如圖 5-36 所示。在混凝土不均勻與色差位置進行透地雷達檢測；如 圖 5-37 所示。本案例利用 1GHz 透地雷達進行 22 條測線檢測；如圖 5-38 所示。經過透地雷達施測後，發現在 A 及 B 透地雷達測線所得 之剖面圖；如圖 5-39、圖 5-40 所示。有明顯的不連續區域，但在此 區域兩側都呈現連續的現象，再從混凝土表面去觀察後發現其位置有 色差的現象產生，因此可以確定此處有冷縫造成的界面發生。
第六章 結論與建議
6-1 結論
由本研究所得到之結論如下：
1. 利用透地雷達非破壞檢測技術，使用 1GHz 的遮罩式探頭，可 檢測出混凝土之間存在的冷縫，並可由剖面圖中，正確的指出 冷縫位置，可對日後工程業界提供相當的參考。
2. 由透地雷達剖面圖顯示，在澆置混凝土時間差 1 小時所產生工 作縫或冷縫之交界面不明顯；在澆置混凝土時間差 8 小時所產 生工作縫或冷縫之交界面就可明顯的看出，因此可說明在 8 小 時之後，工作縫已變成冷縫，即產生了結構體之弱帶。
3. 混凝土的澆置界面黏結是否緊密之決定時期，在一開始就決定 了，無論事後外觀如何補強，冷縫形成就會出現一弱面，因此 在工程上澆置時間之掌握是非常重要的。
4. 透地雷達方法施側面與冷縫線同側時，透地雷達剖面圖較無法 明顯顯示冷縫存在。
5. 超音波非壞檢測中，混凝土材料內含冷縫與否，都不影響超音 波波速；若混凝土內含蜂窩、微小裂縫時波速值會下降，因此 無法由波速的改變直接判別冷縫之存在。
6-2 建議
1. 本研究所探討的是使用相同水灰比的混凝土所造成之冷縫交界 面可行性檢測，但因工程業界所使用的混凝土水灰比會隨著環境 的影響或人為誤差而產生變化，因此設計利用不同水灰比之混凝 土去澆置冷縫，可以更符合工程施工時之情況，更有利於檢測及 確保結構物之安全，也可作為日後之參考與研究。
2. 在使用透地雷達及超音波非破壞檢測時，可以經由其物理特性之 數學公式及平時檢測時之經驗，加以判斷圖形及數據上冷縫之位 置與強度，但若要去確認是否跟原先判斷上無誤，就須使用現場 鑽心試驗及拉拔試驗，並加以比對及計算其誤差，相信得到之結 果對日後之研究必有一定的幫助。
3. 在檢測的過程中，得知透地雷達對於界面的改變有相當的敏感 度，而在與施測面同側的混凝土塊間之隙縫，也可明確的從雷達 剖面圖中定位出；因此相信在日後之研究中如對與施側面同側之 冷縫進行更深入探討，必定可找出同側之冷縫，且對透地雷達之 檢測會更有成效。
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