论文部分内容阅读
摘要：在工程实务上，如何判别是冷缝还是浇筑线将会对工程的进度有相当大的影响。由混凝土材料的外观色差是无法判断其区别的，而一般的试验方法是在产生色差的位置进行钻心，之后根据规范进行抗弯试验或拉拔试验，此方法虽然可行，但由于会破坏结构体，因此在结构物的安全上还是有所顾虑。本研究是在实验室制作混凝土冷缝长梁试体，其试体分二次浇筑，上下层浇筑存在一定时间差，利用混凝土长梁冷缝试体来模拟浇筑时所产生的混凝土冷缝界面，进行透地雷达及超音波非破坏检测，探讨冷缝的形成时间、位置以及养护期间冷缝所产生的影响。并对混凝土长梁冷缝试体进行超音波非破坏检测，了解冷缝的产生是否会对超音波波速造成影响。可作为日后工程上判别冷缝及浇筑线的参考。
关键词：透地雷达；混凝土；冷缝
一、前言
在民生需求中，住与行是二项重要的角色，而土木工程却包含了这两项，因此西方的名称为Civil Engineering。而现今社会在进行的任何一项工程中，无论是楼房的建设，挡土墙的浇筑，以及各种基础的施工，都不可避免的必须要使用到混凝土。混凝土材料非常经久耐用、价格便宜，所以从以前到现在，都广泛的运用在各种R.C.结构物中，因此混凝土可以说是任何 R.C.结构物的根本。
二、基本理论分析与测量技术原理
1.透地雷达施测原理
透地雷达简称 GPR（Ground Penetrating Radar），基本原理为利用极高频电磁波（历时为几十亿分之一秒的高频脉冲电磁波，亦称为雷达波）穿透待测物，根据地层或结构物上介电常数的差异，产生反射、折射的讯号，再经由高灵敏度的接收天线接收反射讯号，并利用软体进行讯号处理与分析，进而探讨待测物的剖面状态。此法类似震测法，不同之处在于震测法以利用物质的力学差异为理论基础，而透地雷达则利用待测物质的介电常数差异为施测基础。
2.超音波技术的发展与理论
2.1 超音波的波传理论
波动为物质中的粒子，受到外力的作用时所产生的机械式震荡。而音波的传递是弹性物体中的分子或原子经过机械式震荡，产生能量传递的转换，因此音波可称为机械波、弹力波及应力波。而在应力波的能量传递上，是根据介质中各质点在平衡点作反复的简谐运动，进而传递能量，因此在两相同相位的节点，其波峰至波峰或波谷到波谷的距离，即为应力波的波长，而每秒震荡的次数即为频率（f）。在同一介质中，所发生的扰动是连续的，而内部质点的振动频率都是相同的，振波的速度就必须由振源来控制。相同的介质，波的传递速度不因频率或波长的改变而有不同。一般人耳可听见的音波范围为20Hz～200kHz 的间，若音波的频率高过这个范围时，人耳就无法听见，称之为超音波（Ultrasonic），若低于此范围称的为次音波；而一般检测用的超音波频率范围，大约为 20kHz～250kHz 的间，其中又以50kHz 左右最为常用。
2.2 音波的反射与折射
由于音波需根据介质以达到传递的行为，不同的介质对声波传递的声阻系数（Acoustic Impedance）皆不相同，而其中声阻系数为波速（V）与材料密度（ρ）的乘积。当波传路径经过两种不同介质所形成的界面时，则入射的应力波的传递将受到反射及折射的影响，而使得入射波形成部分反射波（Reflection）与部分折射波（Refraction）的状态。
三、实验内容
3.1 实验计划
本研究主要是探讨透地雷达非破坏检测技术及超音波非破坏检测技术对有冷缝存在的混凝土长梁冷缝试体进行测量试验并加以讨论分析。首先应用透地雷达非破坏检测技术对含冷缝混凝土试体进行内部扫描，并对透地雷达图进行研判，进而使用滤波进行处理，加强对图形的效果再进行判读。另外也使用超音波非破坏检测技术针对试体进行直接传递法、表面传递法的试验，利用所得的音波传递时间值，绘制时间与距离的 X-Y 分布图，由混凝土上下层不同时间的浇筑界面，来反应出有冷缝存在的混凝土的波速时间值差异性，并对相隔一定时间差所浇筑制作的冷缝或浇筑线进行比较分析，根据此两种结果做综合比较与分析。
3.2 试验材料
（1）水泥：本研究采用台湾水泥公司市售的袋装第一型波特兰水泥。
（2）粗骨料：本研究采用新竹头前溪流域的碎石级配，将骨材洗净以烘盘置于烘箱中烘置 24 小时后，再以筛网逐一进行粒径分类，分别置于室内保存，基本的级配数据依据 CNS1240 规定。
（3）.细骨材：本研究采用新竹头前溪流域的天然河砂，将骨材洗净以烘盘置于烘箱中烘置 24 小时后，于室内待细骨材降至室温，直接进行拌合。
（4）.矩形混凝土梁试体模具：本研究依据超音波所需量测的距离，采用15cm × 15cm × 75cm 的矩形钢材模具。
四、结论与建议
4.1.结论
利用透地雷达非破坏检测技术，使用 1GHz 的遮罩式探头，可检测出混凝土之间存在的冷缝，正确的指出冷缝位置，可对日后工程业界提供相当的参考。在浇筑混凝土时间差 1 小时所产生工作缝或冷缝的交界面不明显；在浇筑混凝土时间差 8 小时所产生工作缝或冷缝的交界面就可明显的看出，因此可说明在 8 小时的后，工作缝已变成冷缝，即产生了结构体的弱带。混凝土的浇筑界面黏结是否紧密的决定时期，在一开始就决定了，无论事后外观如何补强，冷缝形成就会出现一弱面，因此在工程上浇筑时间的掌握是非常重要的。采用透地雷达方法检测时，如果施测面与冷缝线在同一侧时，透地雷达剖面图无法明显显示冷缝存在。超音波非破坏检测中，混凝土材料内含冷缝与否，都不影响超音波波速；若混凝土内含蜂窝、微小裂缝时波速值会下降，因此无法由波速的改变直接判别冷缝的存在。
4.2 建议
（1）.本研究所探讨的是使用相同水灰比的混凝土所造成的冷缝交界面可行性检测，但因工程业界所使用的混凝土水灰比会随着环境的影响或人为误差而产生变化，因此设计利用不同水灰比的混凝土去浇筑冷缝，可以更符合工程施工时的情况，更有利于检测及确保结构物的安全，也可作为日后的参考与研究。
（2）.在使用透地雷达及超音波非破坏检测时，可以经由其物理特性的数学公式及平时检测时的经验，加以判断图形及数据上冷缝的位置与强度，但如果要去确认检测结果是否跟原先判断上是否有误，就须使用现场钻心试验及拉拔试验，并加以比对及计算其误差，相信得到的结果对日后的研究必有一定的帮助。
（3）.在检测的过程中，得知透地雷达对于界面的改变有相当的敏感度，而在与施测面同侧的混凝土块间的隙缝，也可明确的从雷达剖面图中定位出；因此相信在日后的研究中如对与施侧面同侧的冷缝进行更深入探讨，必定可找出同侧的冷缝，且对透地雷达的检测会更有成效。
参考文献：
[1]冯恩信，”电磁场与波”，西安交通大学出版社，p110～113，2001。
[2]黄天福、梁升，”应用透地雷达技术侦测地中埋设管线”，中华水土保持学报，24（2）pp.15～21（1993）。
[3]葛文忠、李国荣、俞旗文，”透地雷达探勘技术的工程应用”，中兴工程第四十三期，p114～125，1994。
关键词：透地雷达；混凝土；冷缝
一、前言
在民生需求中，住与行是二项重要的角色，而土木工程却包含了这两项，因此西方的名称为Civil Engineering。而现今社会在进行的任何一项工程中，无论是楼房的建设，挡土墙的浇筑，以及各种基础的施工，都不可避免的必须要使用到混凝土。混凝土材料非常经久耐用、价格便宜，所以从以前到现在，都广泛的运用在各种R.C.结构物中，因此混凝土可以说是任何 R.C.结构物的根本。
二、基本理论分析与测量技术原理
1.透地雷达施测原理
透地雷达简称 GPR（Ground Penetrating Radar），基本原理为利用极高频电磁波（历时为几十亿分之一秒的高频脉冲电磁波，亦称为雷达波）穿透待测物，根据地层或结构物上介电常数的差异，产生反射、折射的讯号，再经由高灵敏度的接收天线接收反射讯号，并利用软体进行讯号处理与分析，进而探讨待测物的剖面状态。此法类似震测法，不同之处在于震测法以利用物质的力学差异为理论基础，而透地雷达则利用待测物质的介电常数差异为施测基础。
2.超音波技术的发展与理论
2.1 超音波的波传理论
波动为物质中的粒子，受到外力的作用时所产生的机械式震荡。而音波的传递是弹性物体中的分子或原子经过机械式震荡，产生能量传递的转换，因此音波可称为机械波、弹力波及应力波。而在应力波的能量传递上，是根据介质中各质点在平衡点作反复的简谐运动，进而传递能量，因此在两相同相位的节点，其波峰至波峰或波谷到波谷的距离，即为应力波的波长，而每秒震荡的次数即为频率（f）。在同一介质中，所发生的扰动是连续的，而内部质点的振动频率都是相同的，振波的速度就必须由振源来控制。相同的介质，波的传递速度不因频率或波长的改变而有不同。一般人耳可听见的音波范围为20Hz～200kHz 的间，若音波的频率高过这个范围时，人耳就无法听见，称之为超音波（Ultrasonic），若低于此范围称的为次音波；而一般检测用的超音波频率范围，大约为 20kHz～250kHz 的间，其中又以50kHz 左右最为常用。
2.2 音波的反射与折射
由于音波需根据介质以达到传递的行为，不同的介质对声波传递的声阻系数（Acoustic Impedance）皆不相同，而其中声阻系数为波速（V）与材料密度（ρ）的乘积。当波传路径经过两种不同介质所形成的界面时，则入射的应力波的传递将受到反射及折射的影响，而使得入射波形成部分反射波（Reflection）与部分折射波（Refraction）的状态。
三、实验内容
3.1 实验计划
本研究主要是探讨透地雷达非破坏检测技术及超音波非破坏检测技术对有冷缝存在的混凝土长梁冷缝试体进行测量试验并加以讨论分析。首先应用透地雷达非破坏检测技术对含冷缝混凝土试体进行内部扫描，并对透地雷达图进行研判，进而使用滤波进行处理，加强对图形的效果再进行判读。另外也使用超音波非破坏检测技术针对试体进行直接传递法、表面传递法的试验，利用所得的音波传递时间值，绘制时间与距离的 X-Y 分布图，由混凝土上下层不同时间的浇筑界面，来反应出有冷缝存在的混凝土的波速时间值差异性，并对相隔一定时间差所浇筑制作的冷缝或浇筑线进行比较分析，根据此两种结果做综合比较与分析。
3.2 试验材料
（1）水泥：本研究采用台湾水泥公司市售的袋装第一型波特兰水泥。
（2）粗骨料：本研究采用新竹头前溪流域的碎石级配，将骨材洗净以烘盘置于烘箱中烘置 24 小时后，再以筛网逐一进行粒径分类，分别置于室内保存，基本的级配数据依据 CNS1240 规定。
（3）.细骨材：本研究采用新竹头前溪流域的天然河砂，将骨材洗净以烘盘置于烘箱中烘置 24 小时后，于室内待细骨材降至室温，直接进行拌合。
（4）.矩形混凝土梁试体模具：本研究依据超音波所需量测的距离，采用15cm × 15cm × 75cm 的矩形钢材模具。
四、结论与建议
4.1.结论
利用透地雷达非破坏检测技术，使用 1GHz 的遮罩式探头，可检测出混凝土之间存在的冷缝，正确的指出冷缝位置，可对日后工程业界提供相当的参考。在浇筑混凝土时间差 1 小时所产生工作缝或冷缝的交界面不明显；在浇筑混凝土时间差 8 小时所产生工作缝或冷缝的交界面就可明显的看出，因此可说明在 8 小时的后，工作缝已变成冷缝，即产生了结构体的弱带。混凝土的浇筑界面黏结是否紧密的决定时期，在一开始就决定了，无论事后外观如何补强，冷缝形成就会出现一弱面，因此在工程上浇筑时间的掌握是非常重要的。采用透地雷达方法检测时，如果施测面与冷缝线在同一侧时，透地雷达剖面图无法明显显示冷缝存在。超音波非破坏检测中，混凝土材料内含冷缝与否，都不影响超音波波速；若混凝土内含蜂窝、微小裂缝时波速值会下降，因此无法由波速的改变直接判别冷缝的存在。
4.2 建议
（1）.本研究所探讨的是使用相同水灰比的混凝土所造成的冷缝交界面可行性检测，但因工程业界所使用的混凝土水灰比会随着环境的影响或人为误差而产生变化，因此设计利用不同水灰比的混凝土去浇筑冷缝，可以更符合工程施工时的情况，更有利于检测及确保结构物的安全，也可作为日后的参考与研究。
（2）.在使用透地雷达及超音波非破坏检测时，可以经由其物理特性的数学公式及平时检测时的经验，加以判断图形及数据上冷缝的位置与强度，但如果要去确认检测结果是否跟原先判断上是否有误，就须使用现场钻心试验及拉拔试验，并加以比对及计算其误差，相信得到的结果对日后的研究必有一定的帮助。
（3）.在检测的过程中，得知透地雷达对于界面的改变有相当的敏感度，而在与施测面同侧的混凝土块间的隙缝，也可明确的从雷达剖面图中定位出；因此相信在日后的研究中如对与施侧面同侧的冷缝进行更深入探讨，必定可找出同侧的冷缝，且对透地雷达的检测会更有成效。
参考文献：
[1]冯恩信，”电磁场与波”，西安交通大学出版社，p110～113，2001。
[2]黄天福、梁升，”应用透地雷达技术侦测地中埋设管线”，中华水土保持学报，24（2）pp.15～21（1993）。
[3]葛文忠、李国荣、俞旗文，”透地雷达探勘技术的工程应用”，中兴工程第四十三期，p114～125，1994。