現場混凝土材料品質採樣NDT vs DT試驗法 舊有「澎湖跨海大橋腐蝕調查研究」的案例

當對現場混凝土品質有疑慮時，所採取的評估分析方法，仍以現場鑽心方式的混凝土抗壓試驗為主；而測試工作如同外科醫生一樣對人體麻醉後動手術，是屬於一種破壞性試驗的作業；人體是一種有機的活體，動完刀後，只要小心與細心的復健工作，是很快可以痊癒的；但結構物是屬於無機的產物，同時結構物並不會喊痛，從結構體上鑽一個孔、或因外力遭受破壞、或因環境侵蝕進入內部等，當破壞後的修補工作完成後，惟有外來力量(如地震及颱風等)與外來環境作用時，才能真正表現出是否復原良好！尤其，現在台灣氣候變遷、詭異及頻繁的地震，在在都說明結構物評估的工作是何等的重要。因此，本文乃提供一個簡易、快速、有效率的評估方法，分享吾輩技師夥伴工作時的參考。

這種方法是大家都耳熟能詳的技術，反彈錘-鑽心試驗及超音波；反彈錘與超音波都是屬於非破壞性試驗(Non-Destructive Test，NDT)方法，而鑽心試驗則是屬於破壞性試驗(Destructive Test，DT)的一種；現場是大規模進行非破壞性試驗以取得有用的品質數據，而僅隨機取樣少數的破壞性試驗數據，經統計迴歸分析後，由非破壞性試驗數據值，藉以推測(估)沒有施行破壞性試驗區域的強度值。這種評估法則，可提高現場混凝土強度的預測值，準確度在75%以上；方法就是建立在NDT為主而DT為輔，以統計迴歸及隨機取樣手法，建立採樣的評估準則。

現場評估時，可配合水準測量，測量結構物變形樣式或沉陷情況；以經緯儀測量，測定結構物傾斜率，這些NDT方法測試結果，可依大地及結構學原理，輔助DT試驗的不足之處；總而言之，NDT試驗是在最短的時間內，取得有用的數據之不二法門，只要試驗方法正確及精度足夠，可建立前置性的診斷作業，選擇可靠且最少的DT試驗，兩者則可建構優質的評估結果；但不要忘了，由於現場混凝土材料，使用的數量、體積是非常龐大的；在做現場採樣時，都是依照規範隨機，採取少數具代表性樣本，而法規主要的憑藉依據，就是統計隨機採樣原理，以有限的試驗結果，去推測整體母群體的品質；因此，既有結構體現場取樣時，在破壞性最少的條件下，採用大量的NDT試驗，較能符合醫學診斷的程序，那麼吾輩技師們，都是結構物病患的主治醫生呢!

表11及表22顯示試驗錘(Test Hammer，ASTM C 805-75T)及超音波(Ultrasonic Pulse Velocity，ASTM C 597)兩種NDT的方法經過國外專家現場評估的案例，並於國外著名刊物發表所建立的評估準則。本文舉出一個應用的案例藉以分享。案例為1988年行政院科技顧問組就舊有「澎湖跨海大橋腐蝕調查研究」3，由台大、成大、台科大、中央大學及當時的港灣技術研究所和業界防蝕等學者、專家群，共同組成的診斷小組，專責評估工作，而台科大則負責混凝土評估作業，採取作業方式如本文。大橋當時外觀與現況和部份評估作業如圖1及圖2所示；表3顯示混凝土現場取樣一部分的NDT及DT試驗結果；而表4則為鑽心試體樣心拓描，結合現場作業描述所得結果；圖4表示鑽心強度與反彈錘值和超音波值的迴歸分析，茲就過程結論摘要敘述與分析如下:

表1 試驗錘反彈值N與混凝土品質關係1

表2 超音波速與混凝土品質關係2

圖1 舊有「澎湖跨海大橋外觀及腐蝕概況」³

圖2 舊有「澎湖跨海大橋局部混凝土現場NDT與DT測試」³

(ㄧ)表面強度反彈數
反彈錘試驗，將梁的表面以20*20公分網格畫出，並對交點處施打反彈錘；結果如表3第3行的反彈數，顯示反彈值N介於33~51之間，與表1比對，是屬於品質良好，強度推估應在330 kgf/cm²以上。

表3 鑽心試驗與試驗錘和超音波試驗結果³

(二)超音波試驗
超音波試驗值，見表3，顯示除了76-8試體部位，波速值時4,444 m/s，其餘部分都在2,000~4,000 m/s之間，而且更接近2,000 m/s，依表2判斷可查出是在不良品質的範圍內，整體梁的品質是非常不佳的，在澎湖當地惡劣環境作用下，跨海大橋處境是相當危急(不過，現在已拆除重建了)。
(三)鑽心樣心拓描
跨海大橋第76孔鑽心試體樣心拓描，見圖3，結果如表4；樣心拓描屬於破壞性的非破壞試驗(NDT of DT)，是將鑽心體以透明膠片將試體裹住固定，並以奇異筆將粒徑大於4.76 mm的粗骨材形狀繪出；請各位特別注意!這個動作是對混凝土內部情況做ㄧ最清楚的剖析，包含(1)粗、細粒料的分佈狀況；(2)施工時振動及搗實有沒有確實被執行；(3)有沒有在粗骨材處泌水(在粗骨材下方)；(4)內部有無龜裂或微細裂縫(5)粗骨材是否過於扁平；(6)孔隙、氣泡分佈情況；(7)鋼筋保護層真正的厚度；(8)鋼筋的鏽蝕情況；(9)有無析離的現象等，都可以一覽無遺，對使用材料及現場施工的現況，可供作輔助判斷的一種利器；這項試驗也如同見證混凝土的指紋一樣，可以用來驗明鑽心試體的正身，預防造假。由表4可知混凝土的料源管制不佳、嚴重泌水、保護層不足、施工品質不良、鋼筋已遭受到腐蝕、內部易受海洋環境侵蝕等。


圖3案例部分鑽心試體樣心拓描³

表4鑽心試體外觀樣心拓描結果³

(四)鑽心取樣
抗壓強度f'c=350 kgf/cm2；0.85 f'c 與0.75 f'c分別為297.5 kgf/cm2與262.5 kgf/cm²，鑽心強度值如表3；第76-9鑽心位置只有208 kgf/cm²，小於0.75 f'c (=262.5 kgf/cm²)；而平均值292.3 kgf/cm2小於0.85 f'c (=297.5 kgf/cm²)，強度值無法符合ASTM C 42(CNS 1238)的規定。

(五)鑽心強度與反彈錘值和超音波速迴歸分析
圖4表示X軸為反彈數值N(上圖)及超音波速值(下圖)；Y軸為抗壓強度值，將兩者使用統計迴歸分析，顯示反彈錘數值與強度值，兩者關係性是普通的，r值為0.487；超音波與強度值，兩者關係性則甚差，r=0.024；此結果表示，表面硬度N與鑽心強度關係性尚可，此可用於推估未進行破壞性試驗地方的強度；至於超音波速值則可用於構件的評估、推斷其品質均勻性甚差，此可以由樣心拓描相互印證這個結論；NDT與DT試驗都可以獲得混凝土的品質，且可以互相佐證或印證，彼此間所得到的特徵結果，不會有誤判而有遺珠之憾。

圖4 NDT與DT試驗結果迴歸分析

行政院科技顧問組的舊有「澎湖跨海大橋腐蝕調查研究」，是國內第一次符合台灣臨海環境，腐蝕劣化現況大規模的調查與測試工作，參與工作的專家、學者相當齊全，集合產、官、學、研，包含結構、橋梁、材料、海洋、港灣、交通、管理、施工及維修等專業，從規劃、設計、施工、維修(戶)等各方面，赴現場詳實記載、測試、實驗室試驗、並做國外海洋環境耐久性相關文獻回顧，經過多次的討論後，做成結論及建議的紀錄，可提供國內公共工程後續橋梁設計、施工、及維護的重要參考文獻資料。而本文僅就上述一小部分混凝土的NDT及DT關聯性作簡單的分析，尚有很多的巨、微觀的技術應用，很值得提供給供技師前輩、同儕參考及應用，盼望日後有機會為文探討之。

參考文獻
1. Taylor Woodrow research laboratories(1980).Marine Durability Survey of the Tongue Sand Tower ,Concrete in the Oceans Technical,Report No.5, The Cement and Concrete Association, Wexham Springs.
2. ACI Committee 201.Guide for Making a Condition Survey of Concrete in Service, ACI 201,1R-68.
3. 行政院科技顧問組(1988)，「澎湖跨海大橋腐蝕調查研究」，台北。

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