超音波檢測技術之整合性評估應用於水泥基系材料之修補震損鋼筋混凝土構件

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

超音波檢測技術之整合性評估應用於水泥基系材料之修補 震損鋼筋混凝土構件(第 3 年)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-011-112-MY3

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學營建工程系

計 畫 主 持 人 ： 張大鵬

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：沈伯豪 碩士班研究生-兼任助理人員：陳冠宇

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 99 年 10 月 31 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■成果報告

□期中進度報告

超音波檢測技術之整合性評估應用於水泥基系材料之 修補震損鋼筋混凝土構件(一)(二)(三)

Integrated assessment of Portland-cement-based materials for

retrofitting earthquake-damaged RC members using ultrasonic techniques(I)(II)(III)

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC96－2221－E－011－112－MY3 執行期間： 96 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日

執行機構及系所：國立台灣科技大學 營建工程系

計畫主持人： 張大鵬 國立臺灣科技大學營建工程系 教授

協同研究人員：王鶴翔 國立臺灣科技大學營建工程系 專案助理教授 計畫參與人員：李元凱 國立臺灣科技大學營建工程研究所 研究生

楊宗叡 國立臺灣科技大學營建工程研究所 研究生 甘嘉瑋 國立臺灣科技大學營建工程研究所 研究生 張哲維 國立臺灣科技大學營建工程研究所 研究生 沈柏豪 國立臺灣科技大學營建工程研究所 研究生 陳冠宇 國立臺灣科技大學營建工程研究所 研究生 成果報告類型：□精簡報告 ■完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

■出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢

摘要

本研究以超音波檢測技術量測水泥基材料新拌至硬固波傳衰減變化，並 輔以相關新拌及硬固試驗，建立材料性質變化與波傳衰減關聯性，以做為未 來以波傳行為判定材料性質之參考。

研究內容可分為三部分，第一部分為以橫向超音波技術，檢測三種水灰 比(0.25、0.3 及 0.4)與二種水泥種類(波特蘭水泥與高鋁水泥)的漿體新拌性 質，進而深入探討材料性質中的單位重、楊氏係數及蒲松比變化對超音波波 傳行為及衰減係數的影響，建立橫向反射性質與凝結特性關係；第二部分接 續先前試驗，利用數值模擬方式模擬單層材料及雙層材料，於材料參數變化 下，探討材料音阻抗、反射率及透射率與衰減係數的影響；第三部分為驗證 數值模擬試驗，設計模擬材料補強情況，於固定上層板材料改變下層材料為 水泥砂漿、無收縮水泥、活性粉混凝土及自充填混凝土時，探討隨著材料齡 期發展與音阻抗改變下對於超音波衰減係數之相關性。

研究結果顯示：(1)隨著新拌水泥漿硬固，所有水灰比與水泥種類，進入 水泥漿體的橫波透射量逐漸增大，使得反射波能量減小，前四個反射波振幅 值與反射比均隨時間增加呈現減少趨勢；(2)水灰比 0.25 至 0.4 之波特蘭水泥 漿，初凝之振幅值分別升高 102%、80%、60%與 19%，終凝分別升高 140%、

124%、98%與 47%；(3)第三反射比曲線均有兩個下降停頓區，可用以判釋新 拌水泥漿之初凝與終凝狀態；(4)據支持向量機分析顯示，即僅擷取前 2 個反 射波(R2/R1)，進行訊號處理最佳化與反射性質判釋，可獲得相當可靠的凝結 狀態分析，且能有效的提升判釋效率；(5)單層板模擬中，超音波衰減係數會 隨著單位重及卜松比增加而增加，而隨著楊氏係數的增加衰減係數則減少；

(6)雙層板模擬中，當材料音阻越大時，反射率越小且透射率越大，衰減係數 便隨著音阻的增加而增加；(7)當上層材料厚度改變時，超音波衰減係數會隨 著厚度加而增加，主要係因厚度增加造成超音波波傳距離越長導致其反射能 量越小；(8)在實驗部分，1~7 天齡期下，活性粉混凝土之音阻抗最大介於 0.57~0.64，且反射率與透射率之變化分別為-0.27~-0.22 及 1.27~1.22 之間，其 衰 減 係 數 之 變 化 為 19.98~22.90 dB ； 無 收 縮 水 泥 砂 漿 之 音 阻 抗 最 低 為 0.47~0.49，其中反射率與透射率分別為-0.37~-0.34 及 1.37~1.34，衰減係數變 化為 16.99~17.90 dB；(9)實驗與模擬結果發現，實驗組反射率介於-0.25~-0.37 之 間 ， 其 衰 減 係 數 為 17.79~22.77 dB ， 數 值 模 擬 之 理 論 值 反 射 率 介 於 -0.25~-0.37 之間的衰減係數為 15.43~21.64 dB，其實驗值比理論值高，約 5~15%。

關鍵字：水泥系材料、脈衝式橫向超音波檢測法、凝結性質、支持向量機、

修補

Abstract

This research is to develop joint experimental and numerical ultrasonic techniques for wave characteristics on cement-based materials from very early age to hardening period. Relevant testing for fresh and hardening properties are conduced for establishing relations between shear ultrasonic reflection characteristics and setting properties.

The content of this research includes three portions. First, a shear ultrasonic reflection technique is conduced to monitor setting properties in fresh cement pates with 3 different water-to-cement (w/c) ratios, 0.25, 0.3, and 0.4, and 2 cement types, Portland cement type I and aluminate cement. The changes on shear wave characteristics and attenuation coefficients are experimentally affected by their engineering properties, such as density, elasticity modulus, and Poisson’s ratio. In Phase II, the effects on acoustic impendence, reflection ratio, transmission ratio, and attenuation coefficients are developed as numerical simulations in single-layered and double-layered materials with various engineering properties. The experimental verification are performed for determining the correlation between wave characteristics and age on general mortar, non-shrinkage mortar, reactive powder concrete (RPC), and self-compacting concrete (SCC) as repair materials.

The research findings are listed as the followings: (1). During the setting period of fresh cement pastes, the reflection values of shear ultrasonic waves decrease due to more transmission into hardening pastes. The reflection peak amplitude and reflection ratios of the first 4 reflected shear waves (R1, R2, R3, and R4) decrease as setting time increases for all w/c ratios and cement types.

(2). The reflection peak amplitudes of the first 4 reflected shear waves at initial setting rise 102%, 80%, 60%, and 19%, respectively, for w/c ratios various from 0.25 to 0.4. The reflection peak amplitudes of the first 4 reflected shear waves at finial setting rise 140%, 124%, 98%, and 47%, respectively, as well. (3). Two pause terrains corresponding to initial and final setting points are found on the decreasing third reflection ratio curves. This characteristic can be regarded as a good identification index to evaluate setting state in fresh pastes. (4). Setting state analysis with support vector machine based on single factor (R2/R1) has a similar accuracy to the results based on multiple factors. Therefore, using the signal information of the first two reflected shear waves (R1 and R2) provides reliable results on identifying the setting state in fresh pastes. A significant decrease of workload on signal processing is expected as using shear ultrasonic reflection technique monitoring the setting properties in fresh cement pastes. (1).

During the setting period of fresh cement pastes, the reflection values of shear

ultrasonic waves decrease due to more transmission into hardening pastes. The reflection peak amplitude and reflection ratios of the first 4 reflected shear waves (R1, R2, R3, and R4) decrease as setting time increases for all w/c ratios and cement types. (2). The reflection peak amplitudes of the first 4 reflected shear waves at initial setting rise 102%, 80%, 60%, and 19%, respectively, for w/c ratios various from 0.25 to 0.4. The reflection peak amplitudes of the first 4 reflected shear waves at finial setting rise 140%, 124%, 98%, and 47%, respectively, as well.

(3). Two pause terrains corresponding to initial and final setting points are found on the decreasing third reflection ratio curves. This characteristic can be regarded as a good identification index to evaluate setting state in fresh pastes.

(4). Setting state analysis with support vector machine based on single factor (R2/R1) has a similar accuracy to the results based on multiple factors.

Therefore, using the signal information of the first two reflected shear waves (R1 and R2) provides reliable results on identifying the setting state in fresh pastes.

A significant decrease of workload on signal processing is expected as using shear ultrasonic reflection technique monitoring the setting properties in fresh cement pastes. (5). Attenuation coefficients increase with increasing density and Poisson’s ratio but decreasing Young’s modulus in single-layered simulation. (6).

An increasing acoustic impendence accompanies with both increasing attenuation coefficient and transmission ratio, which also indicates a decreasing reflection ratio, in double-layered simulation. (7). The top layer thickness positively affects the decrease of attenuation coefficient due to a higher energy dissipation for waves traveling through a longer distance. (8). The verification experiments among 4 cement-based materials indicate that (a) RPC has the maximum acoustic impendence ranging 0.57~0.64 with -0.27~-0.22, 1.27~1.22, 19.98~22.9 dB for reflection ratio, transmission ratio, and attenuation coefficient, respectively; (b) non-shrinkage mortar has the minimum acoustic impendence ranging 0.47~0.49 with -0.37~-0.34, 1.37~1.34, 17.79~22.77 dB as its reflection ratio, transmission ratio, and attenuation coefficient, respectively. (9). Comparing experimental and numerical results, experimental reflection ratio and corresponding attenuation coefficient, -0.25~-0.37 and 17.79~22.77 dB, respectively have 5~15% proportion higher than the numerical results.

Key Words: cementitious materials, Shear Pulse-Echo Overlap Method (PEO), Setting characteristics, Support Vector Machine, retrofit

總目錄

中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 總目錄 ... IV 表目錄 ... VIII 圖目錄 ... X

第一章 緒論 ... 1

1.1 前言與研究目的 ... 1

1.2 研究目的 ... 1

第二章 文獻回顧 ... 2

2.1 非破壞檢測技術 ... 2

2.2 超音波 ... 2

2.3 波傳理論與波傳性質 ... 3

2.3.1 波傳種類 ... 3

2.3.2 超音波之干涉與繞射 ... 4

2.4 界面與層狀的影響 ... 4

2.4.1 超音波在介質上的波傳特性 ... 5

2.4.2 音阻抗 ... 5

2.4.3 超音波能量衰減 ... 6

2.4.4 波於三態中之衰減特性 ... 7

2.5 水泥系材料簡介 ... 8

2.5.1 波特蘭水泥 ... 8

2.5.2 高鋁水泥 ... 8

2.5.3 活性粉混凝土 ... 9

2.5.4 自充填混凝土 ... 9

2.5.5 無收縮混凝土 ... 10

2.6 支持向量機簡介 ... 11

第三章 試驗計畫 ... 19

3.1 試驗內容 ... 19

3.2 試驗材料 ... 19

3.3 實驗儀器設備 ... 20

3.4 試驗變數與項目 ... 21

3.5 試驗方法與步驟 ... 23

3.5.1 基本性質實驗 ... 23

3.5.2 新拌性質實驗 ... 23

3.5.3 硬固性質實驗 ... 24

第四章 暫態數值模擬設計 ... 37

4.1 概述 ... 37

4.2 有限元素分析 ... 37

4.2.1 有限元素分析之原理 ... 37

4.2.2 有限元素模擬軟體設定程序 ... 37

4.3 有限元素模擬 ... 38

4.3.1 元素型態 ... 38

4.3.2 建立模型 ... 38

4.3.3 網格劃分 ... 39

4.3.4 力量函數 ... 39

4.3.5 載重位置 ... 39

4.3.6 時間步長 ... 39

4.3.7 數值模型編號 ... 39

第五章 結果分析與討論 ... 45

5.1 量測底板之衰減係數特性 ... 45

5.2 波特蘭水泥漿新拌性質 ... 46

5.2.1 反射波頻譜與可貫入深度 ... 46

5.2.2 頻譜反射比 ... 47

5.2.3 水灰比與凝結特性 ... 47

5.3 高鋁水泥漿新拌性質 ... 48

5.3.1 反射波頻譜與可貫入深度 ... 48

5.3.2 頻譜反射比 ... 49

5.4 水泥漿硬固性質 ... 49

5.4.1 動態共振頻率實驗 ... 49

5.4.2 超音波波速實驗 ... 50

5.4.3 抗壓強度實驗 ... 51

5.5 支持向量機判釋 ... 51

5.5.1 目的 ... 51

5.5.2 支持向量機分類過程 ... 51

5.5.3 支持向量機評估結果分析 ... 52

5.5.4 小結 ... 52

5.6 數值模擬結果分析 ... 53

5.6.1 單層板 ... 53

5.6.2 雙層板 ... 54

5.6.3 雙層版-改變界面層厚度 ... 55

5.6.4 變異數分析(ANOVA) ... 56

5.7 單雙層材料檢測參數與波傳性質 ... 55

5.7.1 大理石檢測版性質 ... 55

5.7.2 水泥砂漿 ... 56

5.7.3 無收縮水泥砂漿 ... 56

5.7.3 活性粉混凝土 ... 56

5.7.4 自充填混凝土 ... 57

5.8 不同水泥基系材料之超音波衰減特性... 57

5.9 數值模擬與實驗相應證 ... 58

第六章 結論與建議 ... 104

6.1 結論 ... 104

6.1.1 脈衝式橫向超音波檢測法與針入度實驗之關係 ... 104

6.1.2 SVM 分析 ... 105

6.1.3 數值模擬-單層板超音波之衰減 ... 105

6.1.4 數值模擬-雙層板之超音波衰減 ... 106

6.1.5 水泥系材料性質發展與超音波衰減之關係 ... 106

6.2 建議 ... 107

叁考文獻 ... 108

附錄 A ... 113

附錄 B ... 122

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表 ... 124

表目錄

表 2-1 材料衰減係數表 ... 13

表 2-2 波特蘭水泥分類 ... 13

表 2-3 活性粉混凝土與其他混凝土之主要力學性質比較 ... 13

表 2-4 活性粉混凝土力學性質 ... 14

表 2-5 自充填混凝土 SCC 相關試驗參考值 ... 14

表 2- 6 國內外各研究單位對 SCC 配比建議準則 ... 14

表 3-1 波特蘭一型水泥與高鋁水泥之物化特性 ... 26

表 3-2 粗細粒料基本性質 ... 26

表 3-3 爐石粉之化學性質 ... 26

表 3-4 爐石粉之物理性質 ... 27

表 3-5 飛灰之化學性質 ... 27

表 3-6 飛灰之物理性質 ... 27

表 3-7 矽灰之化學成分 ... 27

表 3-8 大理石之物理性質 ... 28

表 3- 9 單層板之材料參數 ... 29

表 3-10 雙層板之下層材料參數及其波速與音阻抗 ... 29

表 3-11 活性粉混凝土與自充填混凝土配比表(單位：kg/m³) ... 30

表 3-12 水泥砂漿與無收縮水泥砂漿配比表(單位：kg/m³) ... 30

表 4-1 單層板之材料參數 ... 41

表 4-2 雙層板之下層材料參數及其波速與音阻抗 ... 41

表 5-1 未澆置前鋼板之衰減係數 ... 59

表 5-2 鋼板衰減係數與凝結時間之關係 ... 59

表 5-3 鋼板衰減係數之變化百分比 ... 59

表 5-4 頻譜尖峰振幅反射比與凝結時間表 ... 59

表 5-5 不同水灰比之新拌波特蘭水泥漿與初終凝時間關係表 ... 59

表 5-6 波特蘭水泥漿之硬固性質 ... 60

表 5-7 水灰比為 0.4 波特蘭水泥與高鋁水泥漿之硬固性質 ... 61

表 5-10 SVM 分類代表凝結階段與對應實驗資料數量表(C_0.3) ... 62

表 5-11 SVM 輸入因子模式編號對照表 ... 62

表 5-12 SVM 輸入因子模式對應訓練及測試數量表(C_0.3) ... 62

表 5-13 水灰比 0.3 新拌波特蘭水泥漿(C_0.3) ... 62

表 5-14 水灰比 0.25 新拌波特蘭水泥漿(C_0.25) ... 63

表 5-15 水灰比 0.4 新拌波特蘭水泥漿(C_0.4) ... 63

表 5-16 水灰比 0.4 新拌高鋁水泥漿(AC_0.4) ... 63

表 5-17 單層板之各組材料性質與衰減係數(dB) ... 63

表 5-18 固定上層材料與不同下層材料之反射率與透射率 ... 64

表 5- 19 雙層板(上層厚度為 10 mm)之各組材料性質與衰減係數(dB) .... 64

表 5-20 雙層板(上層厚度為 15 mm)之各組材料性質與衰減係數(dB) ... 65

表 5-21 雙層板(上層厚度為 20 mm)之各組材料性質與衰減係數(dB) ... 65

表 5-22 雙因子變異數分析結果 ... 65

表 5-23 飛灰之物理性質 ... 65

表 5-24 不同材料之硬固性質 ... 66

表 5-25 粗細粒料基本性質 ... 66

表 5-26 (續) 不同水泥基系材料之實測超音波衰減係數 ... 67

圖目錄

圖 2-1 脈衝回波法示意圖 ... 15

圖 2-2 投捕法示意圖 ... 15

圖 2-3 穿透法示意圖 ... 16

圖 2-4 超音波原理示意圖 ... 16

圖 2-5 縱波示意圖 ... 16

圖 2-6 橫波示意圖 ... 17

圖 2-7 表面波示意圖 ... 17

圖 2-8 音波遇到大孔洞或大障礙物後的傳播 ... 17

圖 2-9 音波繞射現象 ... 18

圖 2-10 超音波在介質上的傳播特性 ... 18

圖 3-1 計畫流程圖 ... 31

圖 3-2 波特蘭第一型水泥 ... 31

圖 3-3 高鋁水泥 ... 32

圖 3-4 無收縮水泥砂漿 ... 32

圖 3-5 爐石粉 ... 32

圖 3-6 飛灰 ... 32

圖 3-7 矽灰 ... 32

圖 3-8 石英砂 ... 32

圖 3-9 鋼纖維 ... 33

圖 3-10 強塑劑 ... 33

圖 3-11 大理石板 ... 33

圖 3-12 PEO 超音波檢測儀器佈設 ... 33

圖 3-13 脈衝發射接收器 ... 33

圖 3-14 超音波探頭 ... 33

圖 3-15 數位示波器圖 ... 34

圖 3-16 維卡針儀(費開式針儀) ... 34

圖 3-17 壓克力架 ... 34

圖 3-18 內部尺寸 50mm^×50mm^×50mm 壓克力方模 ... 34

圖 3-19 (a)鋼底板、(b)鋁底板、(c)銅底板與(d)壓克力底板之方模 ... 34

圖 3-20 拌合機 ... 35

圖 3-21 萬能抗壓試驗機 ... 35

圖 3-22 動態共振頻率儀 ... 36

圖 3-23 超音波波速儀 ... 36

圖 3-24 石蠟封密底板 ... 36

圖 3-25 脈衝超音波檢測示意圖 ... 36

圖 3-26 檢測點位示意圖 ... 36

圖 4-1 有限元素分析流程圖 ... 42

圖 4-2 軸對稱示意圖 ... 43

圖 4-3 單層板模型 ... 43

圖 4-4 雙層板之模型(上層厚度 10mm) ... 43

4-5 雙層板之模型(上層厚度 15 mm) ... 44

圖 4-6 雙層板之模型(上層厚度 20 mm) ... 44

圖 4-7 力量函數圖形 ... 44

圖 5-1 超音波於量測底板傳遞示意圖 ... 67

圖 5-2 前數個反射波之時間域圖 ... 67

圖 5-3 反射波最大振幅變化圖 ... 68

圖 5-4 反射波頻譜振幅變化圖 ... 68

圖 5-5 時間域法計算之鋼板衰減係數與凝結時間變化圖 ... 68

圖 5-6 頻譜法計算之鋼板衰減係數與凝結時間變化圖 ... 69

圖 5-7 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第一反射波之頻譜時間變化圖 ... 69

圖 5-8 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第二反射波之頻譜時間變化圖 ... 69 圖 5-9 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第三反射波之頻譜時間變化圖 ... 70 圖 5-10 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第四反射波之頻譜時間變化圖 ... 70 圖 5-11 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第一反射波頻譜尖峰振幅

與可貫入深度時間變化圖 ... 70 圖 5-12 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第二反射波頻譜尖峰振幅

與可貫入深度時間變化圖 ... 71 圖 5-13 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第三反射波頻譜尖峰振幅

與可貫入深度時間變化圖 ... 71 圖 5-14 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第四反射波頻譜尖峰振幅

與可貫入深度時間變化圖 ... 71 圖 5-15 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第二反射波之頻譜尖峰反射比

與可貫入深度時間變化圖 ... 72 圖 5-16 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第三反射波之頻譜尖峰反射比

與可貫入深度時間變化圖 ... 72 圖 5-17 水灰比為 0.4 新拌水泥漿第四反射波之頻譜尖峰反射比

與可貫入深度時間變化圖 ... 72 圖 5-18 初終凝時水灰比與第二反射比之關係圖 ... 73 圖 5-19 初終凝時水灰比與第三反射比之關係圖 ... 73 圖 5- 20 水灰比為 0.25 新拌水泥漿第三反射波之頻譜尖峰反射比

與可貫入深度時間變化圖 ... 73 圖 5-21 水灰比為 0.3 新拌水泥漿第三反射波之頻譜尖峰反射比

與可貫入深度時間變化圖 ... 74 圖 5-22 水灰比為 0.25 之一型水泥第三反射比曲線斜率與時間之關係 . 74 圖 5-23 水灰比為 0.3 之一型水泥第三反射比曲線斜率與時間之關係 .... 74 圖 5-24 水灰比為 0.4 之一型水泥第三反射比曲線斜率與時間之關係 .... 75

圖 5-25 新拌高鋁水泥漿第一反射波之頻譜時間變化圖 ... 75

圖 5-26 新拌高鋁水泥漿第二反射波之頻譜時間變化圖 ... 75

圖 5-27 新拌高鋁水泥漿第三反射波之頻譜時間變化圖 ... 76

圖 5-28 新拌高鋁水泥漿第四反射波之頻譜時間變化圖 ... 76

圖 5-29 新拌高鋁水泥漿第一反射波頻譜尖峰振幅與 可貫入深度時間變化圖 ... 76

圖 5-30 新拌高鋁水泥漿第二反射波頻譜尖峰振幅與 可貫入深度時間變化圖 ... 77

圖 5-31 新拌高鋁水泥漿第三反射波頻譜尖峰振幅 與可貫入深度時間變化圖 ... 77

圖 5-32 新拌高鋁水泥漿第四反射波頻譜尖峰振幅 與可貫入深度時間變化圖 ... 77

圖 5-33 高鋁水泥漿第二反射波之頻譜尖峰反射比 與可貫入深度時間變化圖 ... 78

圖 5-34 高鋁水泥漿第三反射波之頻譜尖峰反射比 與可貫入深度時間變化圖 ... 78

圖 5-35 高鋁水泥漿第四反射波之頻譜尖峰反射比 與可貫入深度時間變化圖 ... 78

圖 5-36 終凝後水泥漿之動態彈性模數時間變化圖 ... 79

圖 5-37 終凝後水泥漿之動態剪力模數時間變化圖 ... 79

圖 5-38 終凝後水泥漿之超音波波速時間變化圖 ... 79

圖 5-39 終凝後水泥漿之抗壓強度時間變化圖 ... 80

圖 5-40 反射波頻譜尖峰反射比與凝結關係之 SVM 分類圖 ... 80 圖 5-41 第二反射波之正規化頻譜尖峰反射比與可貫入深度時間變化圖80 圖 5-42 第三反射波之正規化頻譜尖峰反射比與可貫入深度時間變化圖81 圖 5-43 第四反射波之正規化頻譜尖峰反射比與可貫入深度時間變化圖81

圖 5-44 單層板時間域圖形 ... 81

圖 5-45 單層板-單位重與衰減係數之變化 ... 82

圖 5-46 單層板-楊氏係數與衰減係數之變化 ... 83

圖 5-47 單層板-卜松比與衰減係數之變化 ... 84

圖 5-48 雙層板 10 mm-單位重與衰減係數之變化 ... 85

圖 5-49 雙層板 10 mm-楊氏係數與衰減係數之變化 ... 86

圖 5-50 雙層板 10 mm-卜松比與衰減係數之變化 ... 87

圖 5-51 雙層板 15 mm 單位重與衰減係數之變化 ... 88

圖 5-52 雙層板 15 mm 楊氏係數與衰減係數之變化 ... 89

圖 5-53 雙層板 15 mm 卜松比與衰減係數之變化 ... 90

圖 5-54 雙層板 20 mm-單位重與衰減係數之變化 ... 91

圖 5-55 雙層板 20 mm-楊氏係數與衰減係數之變化 ... 92

圖 5-56 雙層板 20 mm-卜松比與衰減係數之變化 ... 93

圖 5-57 單位重為 3000 kg/m3 不同厚度之衰減系數變化 ... 94

圖 5-58 單位重為 2000 kg/m3 不同厚度之衰減係數變化 ... 95

圖 5-59 單位重為 1000 kg/m3 不同厚度之衰減係數變化 ... 96

圖 5-60 不同厚度之衰減係數分佈圖 ... 97

圖 5- 61 大理石之時間域圖形 ... 97

圖 5-62 水泥砂漿各齡期之超音波速結果 ... 97

圖 5-63 無收縮水泥砂漿各齡期之超音波波速結果 ... 98

圖 5-64 無收縮水泥砂漿各齡期之動彈性數結果 ... 98

圖 5-65 活性粉混凝土各齡期之超音波速結果 ... 98

圖 5-66 活性粉混凝土各齡期之動彈性數結果 ... 99

圖 5-67 自充填混凝土各齡期之超音波波速結果 ... 99

圖 5-68 自充填混凝土各齡期之動彈性數結果 ... 99

圖 5-69 水泥砂漿 1 天齡期之時間域圖形 ... 100

圖 5-70 水泥砂漿 7 天齡期之時間域圖形 ... 100

圖 5-71 無收縮水泥砂漿 1 天齡期之時間域圖形 ... 100

圖 5-72 無收縮水泥砂漿 7 天齡期之時間域圖形 ... 101

圖 5-73 活性粉混凝土 1 天齡期之時間域圖形 ... 101

圖 5-74 活性粉混凝土 7 天齡期之時間域圖形 ... 101

圖 5-75 自充填混凝土 1 天齡期之時間域圖形 ... 102

圖 5-76 自充填混凝土 7 天齡期之時間域圖形 ... 102

圖 5-77 不同材料之雙層板於各齡期之衰減係數變化 ... 102

圖 5-78 反射率與衰減係數之結果 ... 103

圖 5-79 實際檢測之衰減係數與音阻抗關係圖 ... 103

第一章 緒論 1.1 前言與研究目的

在良好設計及妥善施工管理條件下，結合混凝土抗壓強度及鋼筋抗張強度所 組合而成的鋼筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)構造物，一般而言，應具有相當 可靠的耐久性及強度，足以抵抗外在環境變化，或在原設計各種假設之不同載重 作用下，所造成的體積變化，維持鋼筋混凝土構造物長期性的體積穩定性，不易 受到齡期老化的影響，同時，鋼筋混凝土本身亦具有易塑、組成材料取得方便、

耐火及費用經濟等優良特性，因此，鋼筋混凝土為當今用量最多的營建材料，包 括臺灣地區在內的世界各國，許多重大或長期性構造物，均屬鋼筋混凝土構造物。

臺灣大部份鋼筋混凝土構造物，因處海島型區域，除承受經年累月的海洋環 境侵蝕外，加上整個地區處於北半球亞熱帶的太平洋海域西側，亦承受許多颱風 侵襲所挾帶強風和豪雨的嚴重侵襲。再者，臺灣分跨兩大地質區塊，花東縱谷以 東屬於菲律賓海板塊，花東縱谷以西則皆屬於歐亞板塊，由於菲律賓海板塊的向 西推擠作用，造成板塊交會區域經常有規模不小的地震發生，也在臺灣地區形成 許多的地震斷層，當斷層儲存的能量超過某一臨界值而釋放時，引發斷層相對錯 移，造成鋼筋混凝土構造物承受額外的動載重。

早期臺灣地區的老舊鋼筋混凝土構造物，興建之時，多數營造廠商的永續經 營觀念不強，缺乏嚴謹的工程品質管理制度，如再有偷工減料情形，造成鋼筋混 凝土構造物施工品質不良，將會嚴重影響構造物的安全性。當這些鋼筋混凝土構 造物在設計不佳、施工不良或承受超過原設計載重的外加載重，例如：超載活荷 重、地震力、風力、海浪、沉陷、裸空基礎、環境侵蝕、撞擊等等惡劣情況下，

鋼筋混凝土構造物易產生混凝土開裂、斷裂、崩脫、碎落、鋼筋裸露、挫曲等劣 化損壞現象，嚴重地影響鋼筋混凝土構造物的耐久性、安全性及體積穩定性，再 者，長年承受颱風、地震侵襲，此一鋼筋混凝土構造物易因而加速劣化毀損。

對於劣化損傷程度不甚嚴重的鋼筋混凝土構造物，需以適當的材料與工法加 以妥善修復、補強與維護，以延長使用壽命，避免劣化損傷程度擴大，一般為維 持構件力學性質一致性，多採用水泥砂漿系材料修補，置換構件表面混凝土，或 加厚及包覆以增加混凝土斷面之修補。

置換式修補將水泥砂漿填注於混凝土構件與模板之間，而施工完畢拆模時間 常以個人經驗決定，雖不能完全否定現地施工經驗之重要性，然施工者素質常為 影響施工品質最大因素，另外於補強結構物完工後為檢核其是否達到補強之要 求，最常使用鑽心試體的方法來判定，然而這種檢測方法不但費工也費時，而且 還會破壞試體之完整性，且因經濟成本高而無法進行大規模取樣檢測，故無法確 保整體補強性質。

1.2 研究目的

為改善前述缺點，近年來發展許多不同的物理量測方法如超音波等，針對材 料、構件或成品在不破壞結構體的原則下，檢測出物件表面或內部之缺陷及瑕

疵，並依其物理量之特徵值資料加以分析研判，用以判定物件品質完整性，此種 方法稱之為非破壞檢測(Non-Destructive Testing, NDT) 技術經，利用此技術可即 時提供材料性質變化資訊，據此來判斷完工後之施工品質與成效。

因此本計畫採用超音波檢測技術，檢測修補材料的初終凝變化與硬固後之波 傳行為，探討材料性質變化下之波傳行為特徵，用以建立材料變化之波傳特徵行 為資料庫，提出一種新的評估材料性質方法。

第二章 文獻回顧 2.1 非破壞檢測技術

混凝土非破壞檢測(Non-Destructive Testing, NDT)技術，係於不破壞結構體為 前提下，藉由直接自混凝土結構物表面量測，譬如：音射(Acoustic Emission)、

超音波(Ultrasonic)或雷達波(Radar)之強度、分布與變化[1-6]、共振(Resonance) 特性[7]、渦流(Eddy Current)磁通量變化與分布[8]、電阻(Resistivity)強度分布[9]、

回彈(Rebound)強度[10]、貫入(Penetration 深度[11]、紅外線熱影像(Infrared Thermal Image)[12]、輻射(Radiation/Nuclear)劑量變化與分布[13]、染劑(Penetrant) 濃度變化[14]、生物(Biological Technique)附著濃度[15]、微觀結構影像

( Microstructural Image Technique)量化[16-19]等，對混凝土强度、工程性質及內 部瑕疵等進行檢測，應用對象包括：材料工程性質[5,7]、梁柱板構件、樁基礎、

連續壁、道路舖面、隧道襯砌、水工結構物、橋墩與碼頭之尺寸測定(厚度、長 度)、鋼筋及缺陷位置估定[3, 4, 8, 9, 20-24]。

從 1980 年代以來，混凝土非破壞檢測試驗，被應用於工程的竣工驗收和 建築物使用期間混凝土品質之鑑定。在眾多種非破壞性檢測技術中，應力波(主 要為超音波)檢測技術具有成本經濟、操作容易、安全性高、效果顯著、重複性 高等優點[20]，而成為當今混凝土非破壞檢測的主流技術，然而，所研發測定混 凝土結構體中混凝土品質的快速檢測方法，並無法精準地測定混凝土的強度，而 大都是透過巨觀強度、勁度和其它性能(電壓與電流)的相互關係，提供混凝土強 度估計的基礎。

2.2 超音波

超音波(ultrasonic wave)為一般人耳可聽見的音頻(frequency)範圍大約介於 20Hz 至 20 kHz，但通常音波超過 20 kHz 以上人耳是無法所聽見。在非破壞檢測 應用上，常用的超音波頻率約在20 kHz 至 150 kHz 之間，一般應用於混凝土非 破壞檢測的頻率約在25 kHz 至 100 kHz 之間[25- 27]。

在超音波技術係應用壓電(piezoelectric)材料製成發射與接收探頭(sensor)，壓 電材料是一種特殊材料，可將電壓轉換成應力，在將應力轉換成電壓，當加入一 正負的交變電壓訊號時，電壓材料晶體薄片形成厚薄變化，而產生高頻率上下震 盪，透過介質傳遞形成超音波。將待測物所產生的波傳至接收探頭，此時壓電材 料晶體薄片承受正負交變之震盪，震盪力越大則晶體所產生的電壓差越大，當透 過電路(circuit)系統，將此電壓訊號增幅放大呈現於示波器(oscilloscope)上[25]。

直接傳遞技術(direct transmission technique)之超音波速法，發展於 1930 年，

主要是用在量測材料動態彈性模數(dynamic modulus of elasticity)，至 1960 年推 廣材料性質量測，並發展出表面反射技術(surface reflection technique)。超音波速 法藉由直接量測縱波波速，以辨識材料內部之緻密性與在新舊材料界面之完整 性，也藉由直接量測橫波波速，以辨識材料凝結狀況與強度成長趨勢[28- 30]。

現有常用超音波偵測技術有下列三種:

脈衝回波法技術(pulse/echo)：

為一般常見的超音波檢測技術，止使用單一探頭進行波的發送與接收，如圖 2-1 所示，檢測之材料波速則依式(2-1)計算：

V 2h

= Δt (2-1) 式中 V 為超音波速，h 為待測物厚度，∆t 為發射波與反射波之時間差，此 一方法亦可擷取其反射波振幅，分析材料衰減特性，但此方法不適用於較薄之待 測材料。

投捕法技術(pitch/catch)：

此種方法為兩個直束探頭，置於待測物同一表面，如圖 2-2 所示，一邊探頭 為發射連續脈衝波，另一邊的探頭就作為接收端，透過移動探頭接收到某一段距 離，捕捉發射表面波與反射波，藉此來判斷材料內部缺陷及裂縫深度，如圖2-2。

穿透法技術(through/transmission)：

此為最基本超音波檢測法，如圖 2-3 所示，讓兩個探頭分別固定在待測物兩 邊，一邊為超音波發射端，另一邊則為超音波接收端，判定材料波速，依式(2-2) 計算：

V h

=Δt (2-2) 2.3 波傳理論與波傳性質

所謂波傳，好比一懸掛物體的彈簧，將物體向下拉伸再放開，則物體因彈簧 拉力而反彈回去，而產生上下震盪，其時間與位移為一正弦或餘弦震盪。如圖 2-4 所示，即為波傳行為。

2.3.1 波傳種類

縱波 (longitudinal wave)

介質粒子振動方向與波傳遞方向呈現平行狀態，且凡是能夠壓縮與拉伸的行 為來達到能量傳遞效果，即稱為壓力波 (compressive wave, pressure wave, P-wave) 或疏密波，如圖2-5 所示。固體介質常用脈衝超音波速檢測縱波波速(longitudinal wave velocity, Cp)，由於氣體與液體液可以藉著壓縮方法，來達到能量傳遞之效 果，故縱波亦可同時存在於固體、液體與氣體三相之中[31, 26, 27]。

橫波 (transverse wave)

介質粒子振動方向與波傳遞方向呈現垂直狀態，亦稱為剪力波(shear wave,

S-wave)，如圖 2-6 所示，由於液體和氣體並不具剪切彈性力，因此不能傳播剪 力波及任何具有橫向震動分量之波形[31, 26, 32]。

表面波(surface wave)

表面波由雷利(Rayleigh)先生所發現，故稱做雷利波(Rayleigh wave)又稱表面 波，僅存在於介質表面，物體質點在表面波作用下，介質質點隨著近似橢圓之軌 跡振動且與波傳方向垂直，垂直位移分量均大於水平位移分量，一般約為1.5 倍，

如圖2-7 所示，在質點振幅大小隨離固體表面距離呈指數遞減，表面波速(surface wave velocity, CR)約為橫波波速之 90%。在顧體內部傳遞之縱波及橫波，觸及表 面亦會產生表面波[31, 26, 32]。

材料之縱波、橫波與表面波波速可依計算關係式，如下：

Cp = E(1 υ) (1 υ)(1 υ)ρ

−

+ − (2-3)

Cs = E

2 (1 υ)

ρ

(1 )

υ

υ

+ (2-5) 式中E 為材料彈性模數(modulus of elasticity)，ρ 為材料容積密度(density)，ν 為 材料卜松比(Poisson ratio)。

2.3.2 超音波之干涉與繞射

當兩個頻率、波長及相位相同或相位差恆定的波原稱為相干波源，它們產生 的波稱為相干波，兩個相干波在某一質相遇時，將引起兩個諧振動的疊加。在一 些點處形成相疊加而生成最大振幅，在另一些點處形成反相疊加則生成最小振 幅。這種空間出現的固定最大振幅和最小振幅的現象，就是波的干涉現象[33]。

根據惠更斯-菲涅耳(Christian Huygens)原理，平面波在均勻介質中傳播時，

在其傳播方向遇到一定尺寸的孔洞或障礙物時，會出現兩種傳播情況。

當孔洞或障礙物的尺寸比波長大許多，這時音波基本延直線傳播，在孔的外側和 障礙物後面沒有音波，如圖2-8 所示。

當孔洞或障礙物尺寸較小(小於或等於波長)時，在原孔或障礙物處變形成許多子 波源，都向圓孔另一側或障礙物表面發出球面子波，這些子波干涉疊加的結果，

使音波局部改變方向通過直徑為d 的小孔或繞過尺寸為 d 的障礙物繼續傳播，這 就是音波的繞射現象，如圖2-9 所示。對於圓板狀聲源，其上各點所產生的音波 相當於圓孔處各點所產生的子波，因此圓板形波源輻射的波與通過圓孔後的波完 全相同，其繞射現象與圓孔類似。

2.4 界面與層狀的影響

物體材料本身的內部狀況對超音波速有很大的影響，例如材料的均質性、完

整性、顆粒大小、材料的種類(氣體、液體、固體)等，都是影響超音波速的主要 關鍵。

2.4.1 超音波在介質上的波傳特性

超音波在均勻而各向同性的無限大介質中傳播時，是呈現直線傳播，且不存 在反射和折射等現象，但實際介質在絕大多數情況下都是有邊界的，而且完全均 勻，各向同性的理想介質也很難存在。當遇到音波或超音波都是在不均勻介質在 兩種或兩種以上介質中傳播的，其傳播情況比在理想介質中複雜許多。

當超音波從一種介質傳播到另一介質時，在兩種介質的分界上，只有其中一 部分超音波透過介面，在另一介質中繼續傳播。這部分超音波稱為折射波或透射 波；另一部分超音波被反射回原來介質，這部分稱為反射波。透過界面的超音波，

其傳播方向、能量及波形之變化係取決於兩種介質的特性，也就是音阻抗和超音 波入射方向。在平面超音波垂直於介質的光滑面入射時，入射波在介質界面上將 產生兩部分超音波，一部分在界面上被反射，沿著與入射完全相反的方向傳播，

這部分稱為反射波，另一部分則透過界面在量一介質中沿著入射波方向繼續傳 播，這部分就稱為透射波。

當超音波從一種介質傾斜入射到另一種介質介面時，將產生方向、角度和波 形的改變，如圖2-10 所示。超音波的反射與折射同光的反射與折射原理一樣，

也符合反射定律和折射定律，如下式[33]：

¹

1

sin 1 sin α

υ

υ

β ^{= =}

¹

2

sin

sin α

υ

υ

γ ⁼

^{1 1 1 2 1}

sin

sin

sin

sin

sin

υ υ υ υ υ

α ⁼ β ⁼ β ⁼ γ ⁼ γ

υ_1s ，υ_2s 為橫波第一、第二介質中的傳波速度；

α_p ，β_p ，γ_p 為縱波入射角、反射角、折射角；

β_s ，γ_s 為橫波入射角、折射角 2.4.2 音阻抗

音阻(acoustic impedance, Z)定義為介質波速(V)與介質密度(ρ)之乘積，如下 式：

Z= ×ρ V (2-8)

根據物理學中的反射和透射定律，則不同的介質會有不同的音阻抗之特性，而有 不同的反射振幅(reflection wave amplitude, Ar)、透射振幅(transmission wave amplitude, At)反射率(reflection, R)，由下式表示[33]：

^{( 2 1)} ( 2 1)

Z Z Ar Ai Z Z

= −

+ (2-9)

^{(2 2) 1} ( 2 1)

At = Ai Z Z Z = −R

+ (2-10)

^{( 2 1)} ( 2 1)

Z Z R Ar

Ai Z Z

= = −

+ (2-11) 式中Ai為入射波質點振幅，Z1為介質1 之音阻，Z2為介質2 之音阻抗。由式(2-9) 和式(2-10)看出，若 Z2 = Z1，則Ar=0，At=1，這時超音波從第一種介質全部透射 入第二種介質，不產生反射波。

當Z2 >Z1，則Ar趨近於1，超音波在界面上幾乎被全部反射，透射極少。如果超 音波在空氣與混凝土的界面上將發生這種情況，用超音波檢測混凝土質量時，如 發射換能器輻射面不通過偶合劑與混凝土表面接觸，而是直接放於混凝土表面，

此時超音波在混凝土表面全部被射掉，幾乎沒有音波進入混凝土，所以儀器接收 不到訊號。

當Z2 < Z1，則Ar趨近於 -1，超音波也幾乎被全部反射，且反射波與入射波相位 相反(相位差 180^。)。在混凝土超音波檢測中，如接收換能器輻射面不通過耦合劑 與混凝土表面接觸，而是直接放入混凝土表面，此時超音波幾乎被全部反射回混 凝土中，通過個別接觸點傳播到接收換能器的超音波很少，所以儀器屏幕上接收 訊號很為弱甚至無法辨認。

由於超音脈衝波在介質界面上具有這些傳播特性，當它在傳播路徑上遇到與 原有介質特性阻抗不同的障礙物時，如果障礙物的尺寸遠大於波長，則發生反射 與折射現象；當障礙物的尺寸與波長相近似時，則發生繞射現象，超音波中的大 部分繞過障礙物繼續傳播；如果障礙物的尺寸遠小於波長時，則超音波的絕大部 分不熟障礙物影響直接傳播，但有少部分高頻成分在障礙物表面發生散射。

2.4.3 超音波能量衰減

超音波在介質傳播時，振幅會隨著傳播距離的增加而逐漸減小，此種現象稱 為衰減(attenuation)。當量測距較大時，會降低振幅量測的靈敏度，增加其誤差 值，故可依超音波能量衰減大小來判定混凝土的品質狀況，因此衰減值成為超音 波檢測混凝土缺陷及裂縫的重要參數之一。如下式[47]：

²

1

( ) 20 log ( )

L ( ) R t A t

= − ⋅ A t (2-12) 式中A t₁( ) =時間域上第一個反射波

A t =時間域上第二個反射波 ₂( )

RL為介質之衰減係數，衰減係數的單位為距離波的耗損分貝數(dB)。

以平面波來說，會造成衰減的主要原因係傳播介質的吸收(absorption)，以及 介質本身質量變化產生散射(scattering)。當有外在因素影響介質產生振動，都會 引起衰減，各材料衰減係數如表2-1 所示而衰減的原因分別有以下三項[33]:

吸收衰減：

超音波在經由介質的傳播時，由於介質本身的黏滯性在質點內產生摩擦，使 得一部分音波之能量轉換成熱能；在同一時間，由於超聲傳播過程，讓質點(或 分子)通過相互碰撞來傳遞能量的。而一般來說超音波在氣體和非均質的固體中 吸收影響衰減較大，在液體和均勻固體中吸收衰減的影響則較小。

散射衰減：

在結構物中，其內部含有較多的顆粒狀之介質或介質中含有較雜的粒子時 (如氣體中的塵埃、煙霧、液體中的氣泡、懸浮粒子或試固體中的顆粒結構、孔 隙、裂縫等)，對超音波的傳遞會造成影響，當音波傳播到這些粒子後，將產生 新的振源即向四周發射音波，使得音波之間互相干涉與疊加的結果，將產生衰 減，而此種現象稱之為散射衰減。對於由水泥砂漿、各種不同尺寸的石子、孔隙 及微裂縫組成的混凝土，對超音波散射衰減影響很大。

擴散衰減：

當超音波探投產生波動時，音波的傳遞會隨著傳播距離的增大，音束以球狀 前之形式不斷向外擴散，使得音束截面積內超音波的強度減弱，此現象稱之為擴 散衰減。擴散衰減取決於音波換能器的直徑與振動頻率，此衰減與波傳之波形和 距離有關，與傳播之介質無關。

2.4.4 波於三態中之衰減特性 1. 氣體：

由於氣體僅能承受壓應力，無法承受剪應力，因此氣體只能傳遞縱波。

一般而論，在一大氣壓與20°C 的環境中，頻率為 1 MHz 的波，在空氣介質之 的衰減係數約為12 nepers/m。由於黏滯現象、熱傳現象與熱弛滯現象，導致 氣體本身對波的吸收，氣體介質的波傳，僅限於較短的距離。

2. 液體：

波在液體中傳遞方式與氣體狀況相似，僅能以縱波形式傳遞波能。液中 波速隨溫度變化較氣體為複雜，在多數情況下，波速隨溫度升高而有降低趨 勢。此外，液體中的波速通常隨著壓力增大而增加。再者，在黏性液體(viscous liquid)或膠體(gel)波傳遞時，尚需考慮橫波的存在，對黏滯係數(η)較低的膠 體，橫波波速(Cs)與衰減係數(α)分別表示為：

2 CS ηω

= ρ (2-13)

2 α ωρ

= η

3. 固體：

固體可同時傳播縱波與橫波，各類常見材料之衰減係數範圍如表 2-2 所 列，依衰減係數高低可分為三大類：一般金屬材料，玻璃及陶瓷之衰減係數 低於10 dB/m，塑膠類及其它金屬材料(如鋼鐵合金，銅，鋅，黃銅，青銅，

鉛)之衰減係數介於 10 至 100 dB/m 之間，木材，硬化後橡膠，石及有孔隙陶 瓷之衰減係數高於100 dB/m，硬固水泥接近石或有孔隙陶瓷，故其波傳衰減 效果相當明顯，較難採用應力波直接量測其水化凝結變化[36]

2.5 水泥系材料簡介 2.5.1 波特蘭水泥

波特蘭水泥主要原料為石灰石(limestone)及含鈣、矽、鋁、鐵等氧化物之黏 土(clay)及頁岩(shale)礦物。原料(raw feed)礦物經高溫旋轉窯(rotary kiln)加熱，除 含少量之氧化鎂(MgO )、氧化鈉(Na₂O)、氧化鉀(K₂O)、硫化氧(SO )之外，石₃ 灰(CaO)、二氧化矽(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、及氧化鐵(Fe₂O₃)等四種主要礦物，

隨溫度之變化而生成以矽酸三鈣(C₃S)、矽酸二鈣(C₂S)、鋁酸三鈣(C₃A)、鋁鐵 酸四鈣(C₄AF)等四種主要單礦物的水泥熟料(clinker)，研磨(grid)後添加石膏 (gypsum)成為波特蘭水泥。依此四種單礦物含量多寡，美國試驗與材料學會 (American Society for Testing and Materials, ASTM)將波特蘭水泥分類成五種類 型，如表2-1 所示列[37]。

2.5.2 高鋁水泥

高鋁水泥為早強水泥，亦稱為鋁酸鹽水泥，最早由法國發明在第一次世界大 戰後，由於在火山地帶的特殊環境中，波特蘭水泥易受到硫酸鹽(sulfate)的侵蝕，

遂改以採鋁礬土(aluminate) 混合石灰石燒製成高鋁水泥，用以克服混凝土工程 的硫酸鹽腐蝕難題。

高鋁水泥與波特蘭水泥同樣具有水硬性，不過其化學組成及水化特性卻與波特蘭 水泥大不相同，高鋁水泥的氧化鋁含量高達 39%至 43%以上，28 天抗壓強度 (compressive strength)可達 84 MPa，抗張強度(tensile strength)可達 31.5 MPa，其 抵抗海水浸蝕性最強，具有一定程度的耐高溫特性，可於高溫環境下仍保持較高 的強度。

高鋁水泥適合用配製各種混凝土的凝合劑，亦可以低量高鋁水泥配合製作可 鑄性耐火材。此外，高鋁水泥具有快乾硬化特性，尤其在緊急修護工程和預鑄混 凝土方面，此項優點可大幅減少施工或養護時間。然而凝固時易產生高水化熱，

應防止高鋁水泥過快風乾，導致高鋁水泥強度受損[38,39]

2.5.3 活性粉混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)

過去數十年，各國學者專家力求改善混凝土之性能，大致採取下列三種方 式：(1)超細粉緻密系統(Densified System Containing Ultra-Fine Particles, DSP)：以 細粉來增加水泥漿體之密實性，提高強度；(2)無巨觀缺陷砂漿(Macro-Defect Free Motor, MDF)：將含高分子材料之水泥砂漿擠壓成型，降低孔隙率，提升抗壓及 抗拉強度；(3)注漿鋼纖混凝土(Slurry Infiltrated Fibered Concrete, SIFCON)：將高 流動性水泥漿或砂漿注入預先埋好鋼纖的模具內，改善材料之韌性。活性粉混凝 土基本上採取上述三種性能改善機制[40- 43]。

普通卜特蘭水泥混凝土(Ordinary Portland Cement, OPC)所使用之材料，通常 以粗、細粒料、水泥、水為主，卜作嵐材料及強塑劑為輔的組成方式，材料組成 較為簡單，但通常效能有限，強度、耐久性、工作性三種特性難達平衡。高性能 混凝土(High Performance Concrete, HPC)在材料上，增添了強塑劑與卜作嵐材料 (例如：飛灰、爐石、矽灰等)兩項法寶，搭配了合適配比的應用(例如：緻密配比)，

無論在安全性、經濟性、耐久性、生態性、工作性等條件皆能同時具備，以達成 優生混凝土之目標。活性粉混凝土的材料組成，排除粗顆粒以增進均勻性，以石 英砂取代之，另搭配石英粉、矽灰填塞孔隙及生成卜作嵐反應，並加入小尺寸鋼 纖維來增加韌性，於前述三種混凝土材料之組成，不難發現三種混凝土最大之不 同處在於粒料顆粒尺寸的改變，普通卜特蘭水泥混凝土與高性能混凝土皆使用了 4 號篩(4.75 mm)以上的粗骨材，及 4 號篩(4.75 mm)以下、100 號篩(0.149 mm) 以上之細粒料，較活性粉混凝土石英砂(600 μm 以下)要來得大。

活性粉混凝土擷取混凝土性能加強方式，減少混凝土內部之孔隙及裂縫，以 提高混凝土強度、韌性、緻密性及耐久性等。活性粉混凝土使用的材料計有水泥、

石英砂、石英粉、矽灰、鋼纖維、水、強塑劑、消泡劑等。

吳崇聖研究指出活性粉混凝土 7 天齡期動彈性模數介於 41~45 GPa，28 天齡 期介於43~46 GPa 之間，動剪力模數 7 天齡期及 28 天齡期分別為 16~18 GPa 及 17~19 GPa 之間；卜松比 7 天及 28 天齡期分別為 0.23 及 0.22 之間[44]。

高進驊研究指出添加飛灰、爐石之活性粉混凝土 7 天齡期動彈性模數 44 GPa，28 天齡期為 47 GPa；卜松比 7 天及 28 天齡期各別為 0.24 及 0.22 ；超音 波速7 天為 4464 m/s，28 天超音波速為 4650 m/s[45]。

林建良研究指出，活性粉混凝土 7 天齡期之超音波速 3600~4200 m/s，28 天超音波速3900~4400 m/s。動彈性模數 7 天齡期 27~38 GPa，28 天為 30~43 GPa 之間。動剪力模數7 天齡期 10~14 GPa，28 天齡期 11~16 GPa。卜松比 7 天及 28 天分別為0.34 及 0.32[46]。

另外，有關活性粉混凝土與其他混凝土之主要力學性質比較及活性粉混凝土 力學性質列於表2-2、2-3。

2.5.4 自充填混凝土(Self-Compacting Concrete, SCC)

本研究中使用自充填混凝土，作為震損鋼筋混凝土構件基材，主要原因為：

在施工澆置時，自充填混凝土較一般混凝土免振動搗實、高流動性，暨通過鋼筋

間隙及充填模板之能力，並可達到確保混凝土構造物之品質與可靠度之目的，大 幅提升構件的可靠度，因而以自充填混凝土進行材料補修鋼筋混凝土構造物，可 免震動填補縫隙，同時膠體與骨材不會產生析離，使補強效果能更接近設計承載 力與耐震力[47-49]。

近年來在國內產官學的推動之下，內政部營建署公共工程委員會已將自充填 混凝土之施工規範納入公共工程施工綱要規範第03315 章，其對於自充填混凝 土之定義為「自充填混凝土係指具有『澆置過程不需施加任何振動搗實，完全藉 由自身流動性與充填性能，填充至鋼筋間隙及模板之各角落』能力之混凝土」。 目前國內已有數個使用自充填混凝土施工之案例，例如：中二高快官草屯段之烏 日交流道連絡道穿越橋、三鐵共構(高鐵、台鐵及捷運)工程及台北 101 超高層大 樓等。有關自充填混凝土之研發理念、配比設計及工程特性簡要分述如下：

自充填混凝土最早於 1986 年在日本東京大學教授岡村甫的領導下，從混凝 土最基本的材料特性開始研究，並於1988 年開發成功。其配比設計須視工程設 計條件(例如：斷面形狀尺寸、鋼筋間距、鋼筋使用量等)、施工條件(例如：澆灌 時間、泵送距離、自由落下距離、流動距離等)與環境條件等因素加以考慮。由 於自充填混凝土具高流動性且抗析離之特性，故配比設計重點為：

(1) 限制粗骨材用量、最大骨材尺寸、細骨材率及使用強塑劑，以達到高流動性 與鋼筋間隙通過率

(2) 採低水膠比，高粉體量及增黏劑以達到抗析離性。自充填混凝土。莊昆斌(2004) 研究指出，自充填混凝土在7 天超音波速 4150 m/s，28 天超音波速為 4255 m/s。抗壓強度 7 天抗壓強度 45 MPa，28 天抗壓強度為 54 MPa[50]。西學偉 (2009)研究指出，自充填混凝土 28 天齡期單位重 2311 kg/m³，超音波速4048 m/s，動彈性模數 32 GPa，動剪力模數 12 GPa[51]。另外，有關自充填混凝 土SCC 相關試驗參考值及國內外各研究單位對 SCC 配比建議準則列於表 2-4~2-5。

2.5.5 無收縮混凝土(Non-Shrinkage Mortar)

無收縮水泥砂漿是將一種水泥系材料的無收縮添加劑加入普通水泥中與水 及砂進行拌合，經過拌合後會產生大量膨脹的水化物-水化鋁酸鈣及氫氧化鈣，

使混凝土產生膨脹，補償收縮，這就是無收縮的原理。當試體有鋼筋或空間的限 制之下，因膨脹的作用會產生壓應力，可抵消部分或全部限制收縮所產生的拉應 力，且延遲收縮所需的過程，在抗拉強度方面即獲增長。當試體開始收縮時，其 抗拉強度以增強到足夠抵抗收縮所引起的拉應力，進而防止且減低收縮所導致收 縮縫的產生。而產生膨脹的因素有以下所述[52]：

(1) 於水泥中添加到一定量的礦物，使得在特定溫度下鍛燒成氧化鎂。氧化鎂在 水化時體積即膨脹。

(2) 於水泥中形成的鈣礬石(為高流型水化硫酸鋁酸鈣 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O)而產生膨脹。

環境溫度對氧化鎂的水化速度較為敏感，且氧化鎂的水化和膨脹速度會因燒

結溫度和顆粒大小不同而改變。因此在生產上往往膨脹性能不夠穩定，使得膠結 性及水化後強度也比較差，故未能廣泛運用。因此非金屬膨脹方式以鈣礬石膨脹 較佳。

形成鈣礬石後之所以會產生膨脹，是因為通過液相形成的鈣礬石相其所形成 的固相體積因外界水分的補充而增大，並因晶體交叉生長的結晶體壓力而相互推 斥，這是引起膨脹的根本原因。而鈣礬石的膨脹形態、數量及時間都有關係。一 般鈣礬石系的無收縮天加劑之膨脹反應式為：

C A 3CaSO 2H O 26H O₃ + ₄⋅ ₂ + ₂ →C A 3CaSO 32H O ₃ ⋅ ₄⋅ ₂ (2-15)

CA 3CaSO 2H O 2Ca(OH)+ ₄⋅ ₂ + ₂+24H O₂ →C A 3CaSO 32H O ₃ ⋅ ₄⋅ ₂ (2-16)

CA₂+6CaSO 2H O 5Ca(OH)₄⋅ ₂ + ₂+47H O₂ →2(C A 3CaSO 32H O) ₃ ⋅ ₄⋅ ₂ (2-17) 在初期水化時，所形成的鈣礬石產生凝結合強度作用，隨後水泥石更為緻 密。在水泥時已有一定強度時，會繼續產生鈣礬石，而導致膨脹補償收縮情況。

由於鋁膠和水化矽酸鈣凝膠的存在，水泥石變得緻密，且有良好的氣密性和抗滲 性。高鋁水泥中CA、CA2和石膏反應產生鈣礬石的同時，所析出一定數量的鋁 膠在鈣礬石晶體生長，在膨脹過程中產生塑性襯墊作用，使水泥石在不斷增加強 度的情形下，具有較大變形能力。當鈣礬石在析晶時因過飽和度較小，故對水泥 結構的破壞性就相對較小。因此可以認為鈣礬石和鋁膠共同構成了強度與膨脹因 素[53]，其主要功能性有以下所述：

(1) 主要是用氧化鈣、氧化鋁、氧化矽、硫酸鈣等水泥系無機非金屬化合物及 天加強塑劑等改變材料性質製造而成，不含氯化物等有害物質。

(2) 具有良好的流動性，添加後可增加流動值，故狹小的孔隙均能充分填塞。

(3) 握裹能力佳，且可提升早期及晚期強度。

(4) 體積不會收縮變形，且不會產生泌水現象，又可將縫隙填補接合。

(5) 因本身為非金屬材料，所以當產生膨脹時，為實體膨脹，與金屬材料所產 生膨脹不相同，而效果較為確實，且不會產生銹斑。

(6) 當結構裂縫小於 0.25mm 時，在有水分的情況下，會因硬化所形成的膨脹 結晶而有很強的生長能力，可將裂縫填補，防止鋼筋銹蝕和破壞混凝土。

(7) 做接縫填補時，由於膨脹作用使得該舊面緊密接合，不致產生弱面。

無收縮的膨脹率有一定限制，通常規定在 0~0.4%之間，在施工時除對材料 的計量要準確外，拌合水量的控制以非常重量，在流動值可以接受的情形下，應 盡量減少用水量以免產生泌水現象[52]。

2.6 支持向量機簡介

支持向量機(support vector machine, SVM)係由 Vapnik 於 1990 年代，為解決 分類判釋問題，依據統計學習理論所發展之人工智慧模式(artificial intelligent model)，其原理乃藉由建構之機器學習(machine learning)系統，在特徵空間中，

尋找具有最大邊界的最佳分割超平面(optimal separating hyperplane)，用以區分不 同 特 性 之 二 元 類 別(binary classification) ， 由 於 具 有 良 好 的 普 遍 歸 納 性 能 (generalization performance)，並可簡便地適用於分析及預測多特徵(高維度)的資 料組，Vapnik 於 1995 年更進一步將 SVM 應用範圍擴展至迴歸問題之解決。

經數年的研究發展，SVM 已成功應用於生物科學[34,54]、資料探勘(data mining)[55]、影像處理(image processing)[56]、文字辨識(text identification)[57]，

目前在土木工程相關之研究，主要應用於水利(hydraulics)方面的雨型分類[58]，

結 構 工 程 方 面 的 結 構 破 壞 模 式 分 類[59,60]，大地工程方面的土壤分類(soil classification)與深開挖(deep excavation)壁體變形預測[61,62]，營建管理方面的專 案成功度預測與建築工程的損失機會[63,64]，混凝土材料方面的自充填混凝土 (self-consolidation concrete)坍流度與 28 天齡期抗壓強度預測[65]，以及評估混凝 土的高溫損傷(fire damage)分類評估[58]。

2- 1 材料衰減係數表[32]

衰減係數α 低於10 dB/m 介於10 至 100 dB/m 100 dB/m 以上

材料

金屬材料：

純鋼，鋁，鎂，

鎳，銀，鈦，鎢，

鋁鎂合金；非金 屬材料：玻璃，

陶瓷

吸收衰減 塑膠：

聚氯乙烯，聚苯乙烯，橡 膠，人造纖維

木材，硬化後橡膠 散射衰減

金屬材料：

鋼合金，銅，鋅，黃銅，

青銅，鉛

石，有孔隙陶瓷

檢測最大厚度 1 至 10 m 0.1 至 1 m 0 至 0.1 m 或無法 檢測

表2-2 波特蘭水泥分類[37]

化學物理特性 I 型 II 型 III 型 IV 型 V 型

矽酸三鈣(%) 55 51 56 28 38

矽酸二鈣(%) 19 24 19 47 43

鋁酸三鈣(%) 10 6 10 4 4

鋁鐵酸四鈣(%) 7 11 7 12 9

石膏(%) 5 5 5 4 4

細度(m²/kg) 370 370 540 380 380

抗壓強度(MPa) 70 63 140 31.5 63

水化熱(J/g) 370 250 500 210 250

備註1：I 型為普通水泥，II 型為中度抗硫水泥，III 型為早強水泥，IV 型為低熱水泥，V 型為抗

硫水泥。

備註2：抗壓強度為 1 天之強度；水化熱為 7 天之放熱量。

表2-3 活性粉混凝土與其他混凝土之主要力學性質比較[45]

性質 普通混凝土 高性能混凝土 玻纖水泥 GRC

活性粉混凝土 RPC-200

活性粉混凝土 RPC-800 抗壓強度

(MPa) [psi]

10~40

[1450~5800] 60~100

[8700-14500] 50~80

[7250~] 170~230

[24650~33350] 500~810 [72500~117450]

抗彎強度 (MPa)

[psi]

3~6 [435~870]

6~10 [870~1450]

20~30 [2900~4350]

30~60 [4350~8700]

45~140 [6525~20300]

彈性模數 (Gpa)

[ksi]

30~35 [4350~5075]

35~45 [5075~6525]

10~20 [1450~2900]

50~60 [7250~8700]

65~75 [9425~10875]

表2-4 活性粉混凝土力學性質[45]

RPC-200 RPC-800

抗壓強度，f’c (MPa) 194-203 422-520

初始靜彈性模數，E0 (GPa) ─ 29-36

靜彈性模數，Ec (GPa) 62-66 63-74

動彈性模數，Edyn (GPa) 59-61 32-36

靜卜松比，υstat 0.22-0.24 0.19-0.28

動卜松比，υdyn 0.22-0.24 ─

線彈性段佔極限強度比例(%) 60 ─

表2- 5 自充填混凝土 SCC 相關試驗參考值[51]

混凝土填充能力等級 1 2 3

構造 條件

鋼筋最小間距(mm) 30~60 60~200 200 以上 單位體積鋼筋用量(kg/m³) 350 以上 100~350 100 以下 箱型試驗充填高度(mm) 300 以上

(R1 障礙)

300 以上 (R2 障礙)

300 以上 (無障礙) 粗粒料絕對體積(m³/m³) 0.28~0.31 0.30~0.33 0.30~0.36 (G/Glim)粗粒料實積率 0.43~0.57 0.46~0.61 0.51~0.66

流動性 坍流度(mm) 550~570 550~650

新拌混凝土 抗析離性

V 漏斗流下時間(sec) 10~20 7~20 7~20 坍流度達500mm 需時間

(sec) 5~25 3~15 3~15 表2- 6 國內外各研究單位對 SCC 配比建議準則[51]

材料 條件 備註

粗粒料

鬆體積比(G/Glim)=0.5 岡村甫教授 單位絕對體積(m3/m3)、Dmax=20~25mm

粉體系：0.28~0.30(R1)、0.30~0.33(R2)、0.32~0.35(R3) 倂用系：0.28~0.30(R1)、0.30~0.33(R2)、0.30~0.35(R3)

土木學會 單位粗粒料用量 0.3~0.35 m³/m³ 建築學會 細粒料

Vs/Vm=0.4 岡村甫教授

Vs/Vm=0.4~0.47 土木學會

Vs/Vm=0.48~0.52 建築學會

W/B

0.85 拘束水比 岡村甫教授

0.85~1.15(體積比)、0.28~0.37(重量比) 土木學會 視使用性(強度、耐久性)、工作性需求 建築學會

水 由水、粉體積推算 岡村甫教授

155~175 kg/m³ 土木學會

160~185 kg/m³ 建築學會

粉體

由水、粉體積推算 岡村甫教授

0.16~0.19 水泥量>70%膠體

飛灰：爐石粉= 3：7 土木學會

僅建議卜作嵐材料之取代水泥量 建築學會

圖2- 1 脈衝回波法示意圖[32]

圖2- 2 投捕法示意圖[32]

圖2- 3 穿透法示意圖[32]

圖2- 4 超音波原理示意圖[35]

圖2- 5 縱波示意圖[35]

圖2- 6 橫波示意圖[35]

圖2- 7 表面波示意圖[35]

圖2- 8 音波遇到大孔洞或大障礙物後的傳播[35]

圖2- 9 音波繞射現象[35]

圖2- 10 超音波在介質上的傳播特性[35]

第三章 試驗計畫 3.1 試驗內容

本研究主要是利用超音波技術量測水泥基材料新拌至硬固各階段之波傳行 為，並利用波傳於各態介質下之衰減性質評估水泥基修補材料之材質變化，建立 超音波傳行為與材料性質之關聯性，試驗計畫過程可分為三大部分：

(1) 利用橫向超音波並配合脈衝式超音波檢測法(PEO)觀測新拌水泥基材料之音 波反射比變化，並同步配合維卡針實驗，綜合比較分析頻譜與可貫入深度 (penetration depth)之間關係，建立新拌水泥漿之凝結特性模式，並以支持向 量機(SVM)分類，定量判釋新拌水泥漿的凝結特性。

(2) 利用數值模擬方式探討於單層材料(檢測版)與模擬修補時之雙層材料(檢測 版與水泥基材料)中，當材料性質參數改變時，對於超音波反射狀況之影響，

用以釐清影響超音波反射衰減之機制。

(3) 最後利用非破壞性檢驗(NDT)中之反射式超音波(縱波)技術，探討雙層材料 下，當固定上層材料(檢測版)改變下層材料(水泥基材料)時，對超音波衰減係 數之影響。

試驗流程與項目如圖3-1 所示。

3.2 試驗材料

1. 波特蘭水泥：採用台灣水泥公司提供之波特蘭一型水泥，外觀如圖 3-2 所 示，其物理性質及化學成分如表3-1 所示。

2. 高鋁水泥：採用淺野牌高鋁水泥，外觀如圖 3-3 所示，相關物理性質及化 學成分如表3-1 所列。

3. 拌和水：實驗所使用之拌和水為自來水，水質潔淨且不含油脂、酸、鹼、

鹽類、有機物或其它有害物質，符合CNS 13961 規定要求。

4. 無收縮水泥砂漿：採用國內所產製之無收縮砂漿(Non-Shrink Grout)，型號 NSG 710，加清水均勻拌勻後具高流動性，早期與後續強度高，初凝時間 短，強度發展迅速，具高彈性及無收縮特性，如圖3-4 所示。

5. 粗粒粒料：本研究所使用之粗細粒料來自台灣花蓮之天然粗細粒料，經過 篩料、烘乾後，進行基本性質試驗，比重、單位重、吸水率等機粉試驗，

結果由表3-2 所示。

6. 爐石：本研究所始剩之爐石粉為中聯爐石粉處理資源化股份有限公司所生 產之高爐爐石粉，如圖3-5 所示符合 CNS 12549 規格，其比重為 2.89，細 度則為6000 cm²/g，其性質列於表 3-3 與 3-4 所示。

7. 飛灰：本研究採用之飛灰為國內電廠產製，如圖 3-6 所示，符合 ASTM C678 與CNS3036 規範，其物理性與化學性質則列於表 3-5 與 3-6。

8. 矽灰：本研究所使用之矽灰由 Elkem Materials 公司提供，產品為 Elkem Microsilica，等級為 940，如圖 3-7 所示其產品性質列於表 3-7。

9. 石英砂：本研究所使用之石英砂為志純實業股份有限公司所生產之石英