混凝土结构内部钢筋与缺陷之放射线检测法.docx

混凝土结槽内部锏筋舆缺陷之放射综榆测法彭朋畿12陈必贯1(】中瓣集凰公司，2中央大荦土木工程睾系j摘 要：近年柬钢筋混凝土鲒樽之劣化榆测已渐被重视，然而封於此獯高度非均匀之鲷筋混凝土材料要连到预期 之榆测精度，目前孰行上仍有扦多困雌。岛此本文提出一獯榆测技衔用柬测得钢筋混凝土内部之钢筋及缺陷的尺 寸此技衔是利用放射缘可穿透混凝土之特性以及投影袋何的原理，虑用已知尺寸的锅球之位置，推算待测物的尺 寸。由寅验室希寅，本法可革碓幢测出钢筋混凝土内部的钢筋及缺陷，且更重要的是榆测成果是以圆像厢示，因此可消除某些物理量渊畴人岛的判籀误差。 硼耀字：放射艨榆测法、翎筋混凝土RADI()GRAPHIC TESTING FOR STEEL AND DEFECTSWITHIN REINFORCED CONCRETEPengChi Pen912 PiKure Chen2(1China Steel Coporation；2Department of Civil E“gineeri“gCentral Universjty)Abstmct：Forre唧t years，emphasls has been lncreasingly pl且ced on thelnspection for deteriorated reinforced concrete st眦turesHowever，n ls 5ti儿very d卅Icult to achieve elpected accuracy in the mspection forsuch hlghly non_ homogeneou8 materialMotivated by thls，an inspective technique t。measure the size of the reinforced steel in rein forced concrete structures i3 proposed in this paperThe proposed techniquewhich takesadvant89e of the capabilityof radioactive Mys to penetrate concrete as well as the prlnciples of pr叫ective geomet。y，can predict the size and locati。n of the inspected object based on the position of an iron ball whose size is knownAs indlcated by the expe rimentalresults，the proposed technique ca“precisely 10cate the steel5 in rejnforced concr引e structuresThe inspected results are presented by im89es，so some personal error5 in physjcal measurement readlng alimin日tedKey words：rad Lographlc testl“g，reinforced co眦ete一、刖置钢筋之存在位置、数量及缺陷，封於纲筋混凝土结横物之承载力舆安全性有著槿密切之嗣保。 在工程寅耪中常颂封於钢筋之尺寸及位置追行非破壤性之榆测，以作稳群细抨估结横功能之用。 目前用於探测结棒中钢筋分怖及尺寸之非破壤性榆测法主要有超音波、透地雷建、暂憋弹性波舆 xRay等。而其中超音波榆测法虑用在混凝土上常面晦入射能量不足的困境，若厚度大於3040cm，便燕法得到足拘能量之飙虢。而有嗣透地雷逵榆测法目前多鹰用於基磋舆铺面的榆测，若 弑髓表面南非均霄，将麈生缝射现象增加稚讯造成信虢判蓿的困雌“。同畴由於混凝土届於高度 非均黄物髓，弹性波在其中宫有殿重的散射、折射效鹿及能量快速衰减的特性，因此封於超音波舆 暂悲弹性波等量测技衍在量测精度上将面瞌考验。另有嗣XRay榆测法由於其能量高、穿透性强 监可针封不同尺寸嗣整放射综之能量，所以可得到鞍精碓的鞲像结果“。可是由於XRay之放借 非常昂贵、笨重、需外接鼋源，且由於其能量较高亦将尊致琨地幅射安全管理困鞋等缺黠，因此较不462二、结构工程混凝土结构及组合结构 利於现地工程榆测。Roger口1利用xRay毅侑中之缘性加速器加速鼋子逢勤，缨撞擎曝棰靶後蔗生高能量之X_ Ray(156MeV)，蓝鹰用於混凝土结横物之钢筋成像上。HeiskanenL33以xRay针封钢筋混凝 土结耩作断眉撮描方法的分析，已得到非常好的厢像结果，监可以榆测钢筋位置是否正碡。 Stein】”利用8加速器使鼋子在感臆鼋埸生成加速谨勤，同畴在壤状管缝迥旋连最大勤能後撞擘隔 棰靶虚生高能量之XRay，可穿透鞍厚之铜擞工件(350mm)，韭牌纲筋混凝土结耩物内部之鲷筋、 空洞及螺栓等物件颢像出柬。然xRay雎可将钢筋颞像出乘，但由於成像之放大等因素，尊致其 钢筋之尺寸未能定羲及卦算，因而降低琨埸寅隙虑用之但值。综上所述，目前针封结槽物内之钢筋榆测技衍大多用於牿横物内纲筋之定位及保凄眉厚度之 量测，但封於榆测钢筋及缺陷尺寸之榱测别因现塌混凝土之非均匀性、钢筋茼距大小及钢筋排列搭 接等影警，仍待需遣一步之探射舆研究。所以目前碓有必要骚展其他榆测技衍方法以利琨埸榱测。 而本研究之目的即舄提高琨塌使用放射综榆测钢筋及缺陷尺寸之犟碴度，监可作南结横秤估之 参考。二、基本原理 (一)伽瑶射缘之崖生 每獯元素的原子核具有一定敦目的雷子和中子，若原子核之赏子和中子数目超遇使薮原子核能穗定存在的状况，或核子所存在的能陪高於使原子核稳定存在的能陪畴，原子核就官虚生衰燮监 形成放射性核棰口。伽焉射综是由不穗定同位索之衰堂所虚生的高能量鼋磁波，遣些同位素可以 是天然的(如镭、铀等音麈生自骚性之衰燮)，也可以是人造的(如铱、钻等)，而每獯同位素具有不同 之光措。目前工程界放射综榆测法较常使用之放射性同位素齑铱192(Ir 192)、钻60(co一60)及 铯一137(cs137)等三獯伽踽射绿之射源“，而本方法在考虑能量大小及辐射安全等因素後，建菇 使用铱一192(Ir一192)之射源。由於伽焉射缘具有下列多项僵黠，因此建谣孰行本技衍畴使用伽璃 射综，以增加榆测法之逋用性。(二)伽焉射综之衰蔓 放射性物霄台随畴嗣衰燮而溅少，若缝一定峙同剩下原柬强度之壹半，其所需之畴嗣稽意半衰期。 而放射性物管之半化期不受温度、壁力及其他作用影警，如本文所使用之射源Ir一92半衰期羯75天，下列揭半衰期卦算随畴弼衰燮而减少之射源强度：AA。2”(” 其中A荔任意晴圈之放射性强度，A。南初始之放射性强度，鹅半化期佃敷(即A。至A所缓 畴筒除以半化期)。而放射性核獯之强度单位鸯居植(ci)，1居檀的放射性核槿每秒虚生3710”侗衰燮量”。 由式(1)可知放射性物耍之强度将随畴同渐渐衰燮而减少，因此本文在使用放射性物耍(h一192)须先求得射源强度，以利卦算所需照射之晴厢。如本射源於弑骆一畴之强度稳75ci，短遇15 天後孰行弑翳二畴之强度南已衰燮舄65ci(半化期倜敷穗o2)。(三)伽瑕射绦之榆测原理 本方法使用伽璃射铱作耨射源直艨照射钢筋混凝土工件，富射腺到连榆测工件畴，部份射综穿透榆测工件，部份射缘剐被榆测工件吸收，而吸收量之大小别随榆测工件之密度、厚度和原子序等 因素而有所不同。由於底片成像之榆测结果可直接呈现且鞍羝争疆，因此成功感用於榆测金属或 非金属材料上6。463第四届海峡两岸结构与岩土工程学术研讨会论文集 (四)伽瑶射综之之强度、距靛及峙同决定本方法之因素有伽焉射综之射源强度(M)、照相曝露畴圈(丁)及射源至底片之距靛等。 以上三佃因素中任一因素的燮勤量，均可藉由卦算得之。因此在寅降施照翎筋混凝土畴。可逋喾铜 整强度、踌同殛距雕等参敷以得到清晰之钢筋底片成像南榆测原刖。其中强度及畴同均舆距雕平 方成正比，而强度舆曝光畴蠲成反比(如式(2)所示)L7J，因此伽璃射腺之强度越强刖所需照相畴圈 特越短。M1TlM2T2一C(constanf) (2)(五)射源、球状物髓_及底片之放置； 本方法之配置是由射源、球状物髓及底片所耩成，榆射源测前须将球状物髓置放於被榆测结横物外，且舆桔耩物内蠲筋所封虑之相同高程位置虞。因此岛使钢筋(或内 部缺陷)舆球状物髓於底片有相同之放大率，须将射源置 於钢筋(或内部缺陷)舆球状物髓之中心艨上，以连成单 磋静算钢筋尺寸之目的(如圃1所示)。若射源未置於中 混凝土心缘上，球状物髓於底片将成琨非圆形之形状(椭圆形)，十亦将尊致燕法求得正磋之榆测放大率。 ：钢筋(六)钢筋或缺陷尺寸之针算： 本方法由於照射畿何位置之阴保，钢筋(或内部缺陷)舆球状物髓於底片之成像均官放大。因此可量测球圃l 射源厦球状物髓之畿何位置状物髓於底片成像之直径，而其舆原球状物髓直径之比值即揭球状物髓之放大率。由於富镯筋(或内部缺陷)舆球状物髓高程位置相同畴，底片成像上之 钢筋(或内部缺陷)舆球状物髓之放大率亦将相同。因此秤估峙可量测钢筋(或内部缺陷)於底片成 像之直径，监将其除以球状物髓之放大率，即可求得结耩物内榆测之钢筋(或内部缺陷)尺寸。其卦 算如下式所示：S=S 7R (3) 式中：s捣结横物内欲榆测之钢筋(或内部缺陷)尺寸；s藕鲷筋(或内部缺陷)於底片成像之直径；R 鹅球状物髓之放大率。三、弑聆封割鹑驻薤本文方法之成效及求得伽焉射综之照射畴同，特利用伽嫣射综穿透混凝土弑髓，韭将内 部的情况投影於底片上。本弑翰卦副将裂作内有裂缝、孔洞舆钢筋之混凝土试髓，以虢明本方法之 虑用托囤。(一)斌聆彀甫 本弑翳琨埸毅情包括伽焉射源(Jrl92)、射源屏髓、射源尊管、射源遥控器及底片等五佃部份。其中伽焉射源(强度75Ci)储存在具有良好屏蔽效虑之射源屏髓中(必缓摊有原能台核骚之有效放 射性物簧孰照)，监使用射源遥控器控制射源造出射源屏髓，再鲤遇射源撙管可到逵预定照射之位 置放射高能量之射腺，最後即可穿透混凝土弑髓蓝於底片成像“。而榆测人具所控制的射源遥控 器的鲴索套管具有相富之畏度，使琨塌榆测人员能舆施照射源保持逋富之距稚，以雉凄辐射安全。 另有翩底片冲洗及判葫鹿具有暗房毅荫、底片冲洗、乾燥及判片毅侑等。(二)弑髓袋作 本弑骑目的舄了解伽璃射绿之虑用耗圉，包括纲筋位置及尺寸、裂缝舆孔洞之分怖及深度等。本弑骢共裂作雨堍弑髓分别岛弑髓A及B，袋作像件如下所示：464二、结构工程混凝土结构及组合结构7(1)弑髓A弑髓A7舄裂作一正方髓之鲴筋混凝土弑验髓乙倡(10cm10cm10cm)，混凝土之没升强度意280kgfcm2(抗壁强度稳315kgfc井)，蓝在弑髓中首人一畏15cm之钢筋(直径耨12cm)，其保疆眉厚度精5m。另於弑髓中蠲魁作雨保人工裂缝n及6(深度均舄3crn，宽度分别岛06cm及O3cm)，韭於人工裂缝中灌人铅粉(氧化铅)，同畴犟借一球状物髓(直径254cm之鲴球)放置在弑髓A 7外之钢筋相封位置虚，以了解本方法封於混凝土内部鲴筋舆裂缝榆测之可行性(如圆2所示)。圃2混凝土拭膻A殛就聩配置圃 (2)弑髓B 弑髓B籀魁作一正方髓之钢筋混凝土弑驻髓乙倜(10cm10cmxlOcm)，混凝土之放计锚度格210kgfcm2(抗墨强度猖255kgfcm2)捣模撮现塌钢筋搭接情形膊於弑髓中具人雨支畏10cm 之鲴筋(直径羯15cm)，其保箍眉厚度羯5cm。另在本弑髓内裂作一圆形孔洞(直径4cm)，同睛单 借一球状物髓(直径穗254cm之鲴球)放置在弑髓B外之鲴筋相封位置虎，以了解本法封於混凝 土内部钢筋搭接及孔洞榱测之可行性(如圃3所示)。硼3混凝土就髓丑7发就赣配置圃 (3)弑髓C 髂弑髓A7及B上下垦置，组合成弑髓C7，同晴犟借一球戕物髓(直径2，54cm之铜球)放置在弑髓A外之阚筋相封位置虎，以了解本法之成像情形(如圃4所示)。(4)弑髓D弑髓D 7舄裂作一正方髓之钢筋混凝土弑翳髓乙佃(10cm10cm10cm)混凝土之毅升强度 蔫280kgfcm2(抗墨强度南320kgfcm2)，稿模凝琨塌钢筋缺陷情形将於弑髓中真人乙支畏10cm 之人工缺陷钢筋(直径舄3cm，裂缝宽度穗o5及12cm)，其保凌眉厚度葛5cm。同畴单借一球状465第四届海峡两岸结构与岩土工程学术研讨会论文集圃4混凝土就髓f及就聆配置圃物髓(直径稳254cm之铜球)放置在就髓D 7外之缺陷钢筋相封位置虚，以了解本法封於混凝土内 部缺陷钢筋榆测之可行性(如固5所示)。圃5混凝土就髓D7夏就齄配置圃四、靛黢结果(1)钢筋、裂缝、孔洞舆缺陷钢筋之底片成像由弑髓A 7、B 7、c7及D之底片成像可判定裂缝、孔 洞舆钢筋之影像(如圃6所示)，表示本方法可直接碰底片影像辨别混凝土内之裂缝、L洞分怖舆钢 筋搭接情形，韭作舄结横秤估之参考。圃6馘髓A7钢筋及裂缝之底片影像富榆测混凝土弑髓之缺陷裔孔洞畴，由於7L洞瀛少了整侗弑髓之厚度，因此在孔洞位置之放射466-=。结构工程混凝土结构及组合结构圆7敏髓B7钢筋搭接殛孔洞之底片影像圃8越艘一鲷筋之底片影像衄9馘髓口，缺陷钢筋之底片影像 绿穿透量较多，所以底片经冲洗遇程後，孔洞影像投影之黑度台较其他位置黑。而底片上鞍黑暗之 臣域即表示放射艨穿透鞍多之虞鞍白之叵域即表示射缘穿透鞍少之虚”1。但喾榆测混凝土弑髓 之缺陷南裂缝畴由於一般封於混凝土物件厚度而言裂缝之宽度鞍小因此相封减少整侗弑髓之厚 度亦较少，所以在底片上较鞋分辨裂缝之分怖情形。因此建装榆测裂缝畴，可於裂缝中灌人原子序 较大之铅粉，蓝藉混凝土材料舆铅粉封於放射艨穿透或吸收之差昊，以了解混凝土内部裂缝之 分饰。467第四届海峡两岸结构与岩土工程学术研讨会论文集 (2)钢筋、裂链、孔洞舆缺陷鲷筋尺寸之卦算：本弑验目的除可了解鲷筋、裂缝舆孔洞於弑髓之分怖外，亦可求得绸筋混凝土结横物内之钢 筋、裂缝舆孔洞尺寸，其原理舄底片成像上之鲷筋(裂缝舆孔洞)舆球状物髓之放大率相同，因此可 量测钢筋(裂缝舆孔洞)於底片成像之直径(大小)，韭将其除以球状物髓之放大率，即可求得钴耩物 内榆测之钢筋(裂键舆7L洞)。短量测弑髓A7原鲷筋(直径12mm)於底片上之直径南14mm，其放大率稳117；原球状物髓 (直径254mm)於底片上之直径羯28mm，其放大率岛11；而原裂缝a(深度30mm)於底片上之深 度鹑32mm，其放大率南107；而原裂缝b(深度30mm)於底片上之深度南34mm，其放大率穗113。弑髓B原钢筋(直径15mm)於底片上之直径精17mm，其放大率南113；而原球戕物髓(直径254mm)於底片上之直径揭28mm，其放大率稳11；而原孔洞(直径40mm)於底片上之直径南43mm，其放大率穗108。弑髓c原钢筋(直径1 2mm)於底片上之直径南13mm其放大率羯108； 而原球状物髓(直径254mm)於底片上之直径舄26mm，其放大率耨102。弑髓D原蠲筋(直径30mm)於底片上之直径南36mm，其放大率鹑12；原球状物髓(直径254mm)於底片上之直径精29mm，其放大率稳114；而原裂缝c(宽度5mm)於底片上之宽度稳6mm，其放大率荔12；而原裂 缝d(宽度12mm)於底片上之深度鹅14mm，其放大率捣11 7。(3)鲷筋之族差率计算本弑验可量测钢筋於底片成像之直径，蓝将其除以球状物髓之放大率，即可推算弑髓内之钢筋 尺寸。由表1可知弑髓A 7、B7、c及D 7的球状物髓之放大率舆底片成像之鲷筋直径，将其代人式3 即可求得翎筋之尺寸。由表l可知弑聆之误差率均小於10，霸示本方法碓胄可有效榆测阚筋混 凝土结耩物内之翎筋尺寸。表1靛髓帮筋尺寸之裴差章77弑髓A 弑髓B 弑髓c7就髓D球状物髓之放大率1 111l 021 14底片之钢筋直径(mm) 14 17 13 36 榆测鲆估之钢筋尺寸(mm) 12 715 5 128 3l 6 官跺之钢筋尺寸(nlm)12 15 12 30簇釜百分比()5833675 3(4)缺陷尺寸之误差率计算 本弑验除可榆测结横物内钢筋之尺寸外，亦可同畴枰估结槽物内之裂缝、孔涮舆缺陷钢筋等缺陷尺寸。首先须量测缺陷於底片成像之尺寸，蓝将其除以球状物髓之放大率，即可推算弑髓内之缺陷尺寸。由表2可知弑髓A、B7及D 7的球状物髓之放大率舆底片成像之缺陷尺寸，胳其代人式3即可 求得缺陷之尺寸。由表2可知弑赣之袈差率均小於10，薪示本方法罐寅可有效榆测钢筋混凝土 结耩物内之缺陷尺寸。 表2就髓裂缝舆孔洞尺寸之蕞差率7弑髓A弑髓B 弑髓D7裂缝n 裂箍6孔洞 裂缝f裂缝d球状物髓之放大率1111l 1114 1_14底片之缺陷尺寸(mnl)32 34 43 614榆测抒估之缺陷足寸(mm)291 309 391 53123青降之缺陷R寸(mm)30 30 40512最差百分比()32 362 5468二、结构工程混凝土结构及组合结构五、结瀚舆建鬣本方法保利用具有穿透能力的射艨，穿透钢筋混凝土牿耩物至底片，以生成鲷筋及缺陷影像之 纪辣。但由於线何放大率之网保，钢筋及缺陷之影像舆寅隙尺寸将有明颢的误差，所以须搭配使用 本文球状物髓之放大率，以抨估及针算钢筋及缺陷之肯降尺寸。南於伽瑕射绵之射源台随畴同衰 燮(如Ir192之半衰期鹑75天)，因此琨埸孰行榆测晴可遗言羽整强度、睛茼及距蘼等参敷，以提高 检测工作之遍用性。经靛骑镫明本