為快速瞭解與提高評估研判受火害後(熱驅動破壞)之鋼筋混凝土結構物構材之力學性質與其損傷程度、範圍之界定，提出簡速型火害現場結構安全初勘評估機制與相關軟、硬體(韌體)之開發應用，希望透過現場與實驗室巨微觀尺度之受火害後材料巨觀力學參數(勁度、強度、韌度)與微觀破壞特徵(叢聚、初裂、裂衍)參數數據與分析之收集，及其各參數間之關聯性，作為未來火害辨識資料庫之參佐。
針對火害前、後之構材試體，進行超音波脈衝探傷，作為其材料破壞特徵之參考指標，再以裂縫開口位移計(Crack Opening Displacement, COD)控制求得完整之加載歷程曲線，同步化耦合複合式微觀聲-光非破壞檢測法(聲射法、電子斑紋干涉術)作系列驗證比對，研析材料內、外部之破壞時、空關係，並建立全域性之材料巨觀力學參數與微觀破壞特徵之關係。
同步化聲-光非破壞檢測系統
於LabVIEW系統上之前端人機操作介面(圖 1、圖 2)，提供數位與類比訊號的轉換功能，經由PXI NI-6115資料擷取介面卡同步接收微震事件而觸發的類比訊號，並即時轉換為一般電腦所能接受的數位訊號，以做為資料傳遞之用，並達到聲-光同步監控與量測效果。
圖1.非破壞同步化檢測軟體-前端人機操作介面 圖2.前端人機操作介面之聲射監控系統
混凝土單壓巨觀尺度之力學行為
由圖 3可明顯看出當混凝土試體受到火害後(火害變數如表 1所示)，其巨觀行為(勁度、強度、韌度)均大幅折減，如表 2所示，當受火害之溫度為600℃時混凝土之韌度折減幅度為51.86%，強度折減幅度更高達77.24%。
圖3.火害前、後混凝土單壓應力-應變曲線圖
表.1鋼筋、混凝土構材火害變數表
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升溫速率
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每分鐘5℃
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最高溫度
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600℃
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持溫時間
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5小時
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降溫梯度
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爐內自然降溫
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表2.混凝土受火害前、後巨觀行為下降百分比
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混凝土設計強度(kgf/cm2)
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勁度(%)
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強度(%)
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韌度(%)
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210
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66.36
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71.06
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34.95
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350
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55.31
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74.71
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51.86
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420
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74.64
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77.24
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48.32
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混凝土單壓微觀尺度之力學行為
1.聲射法 (Acoustic Emission, AE)
針對AE試驗結果，分別從時間、空間作兩層面綜合探討。時間層面：以正規化軸向應力加載比(LL %)與對應軸向應變率(%)作破壞加載歷程曲線，並將微觀之有效AE事件，累積數量與對應軸向應變(%)繪製於同一時間圖系(如圖 4所示)，且經由與圖 5之AE事件空間分布圖，可驗證研判叢聚(localization)時間之正確性(即AE事件數激增)。
2.電子斑紋干涉術(Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI)
ESPI干涉條紋部分，於試驗過程中CCD全程錄製條紋變化情況，用以觀察試體由變形連續演化至變形不連續之初裂時機，及變形不連續後裂縫的裂衍過程，初裂及裂衍ESPI干涉圖如圖 6所示，最後可將微觀裂縫與試驗後試體之巨觀裂縫進行驗證比對(如圖 7)。
圖4.聲射事件發生時機對應完整加載歷程
圖5.聲射事件空間分布圖
圖6.初裂及裂衍時間之ESPI干涉條紋圖 圖7.微觀裂縫與巨觀裂縫之比對
波速比與混凝土巨、微觀關係之比對
於混凝土單壓、鋼筋拉伸試驗前，以超音波脈衝量測儀分別量測鋼筋、混凝土構材之壓力波(VP)與剪力波(VS)波速，並計算得剪-壓波速比(VS/VP)，並以此波速比值做為後續建置火害資料庫之傷損指標，其初步成果可分別繪製成波速比與構材巨觀行為之關係圖(如圖8)以及波速比與構材微觀行為之關係圖(如圖9)。
圖8.波速比與混凝土構材巨觀行為之比對
圖9.波速比與混凝土構材微觀行為之比對
重要發現
- 由本研究結果發現，混凝土火害後傷損程度可用巨觀式體波(body wave)的剪-壓波速比(VS/VP)進行損害程度評估；即傷損程度越嚴重，剪-壓波速比隨之增加。
- 以裂縫開口位移作迴圈式試驗之回饋訊號控制，可得完整加載歷程，並藉此可估求火害後構材韌度之折減。
本研究建置之微觀聲-光耦合非破壞檢測可觀察混凝土構材內、外部破壞演化特徵，並與上述第一點之巨觀結果試驗比對，其適確可行。