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如何利用電磁波看穿建築物、橋樑等「混凝土結構物」的結構?

  • 文/游子揚 │ 美國麻州大學洛爾分校(University of Massachusetts Lowell)土木與環境工程學系副教授/副系主任

水泥結構物已經充滿我們的都市生活。 圖/MikeCleggPhoto @Pixabay

自從赫茲(Heinrich Hertz)在十九世紀末以實驗證明馬克士威(James Clerk Maxwell)電磁波動方程式之後,電磁波在科學與工程方面的各種廣泛應用,已經完全改變了我們理解世界的方式、日常生活的方式以及社會文明的演進。從天體物理學、手機通訊到家用微波爐,我們的生活已經幾乎不能沒有電磁波的存在。在還沒有更精確的研究證明過度使用電磁波對人體有害之前,可預期我們的生活中將會有更多與電磁波有關的相關應用。

而在土木工程領域裡,也有許多與電磁波有關的應用,例如:早期的工程材料檢測與地質探測,還有現今的遙感量測(remote sensing)、結構健康監測(structural health monitoring, 簡稱SHM)與非破壞性檢測(nondestructive testing/evaluation, 簡稱NDT/E)等等。電磁波之所以能夠適用於土木工程結構的原因在於,大部分的土木工程材料屬於介電材料(dielectric material),例如波特蘭水泥混凝土(Portland cement concrete)、瀝青材料(bituminous material)以及岩石土壤,電磁波能夠在這些材料中傳導、穿透以及散射,這樣的特性提供了土木工程師與研究人員瞭解土木工程材料與結構的不同視角。

什麼是混凝土結構物?

在深入了解電磁波應用在土木材料之前,我們先來認識什麼是「混凝土結構物」?

顧名思義,混凝土結構物就是指利用混凝土所建造的工程結構物,例如:房屋、橋樑、隧道、機場、管線、水壩等等。這裡所謂的「混凝土」指的不是歷史上的埃及混凝土(約公元前 2700 年)、中國混凝土(約公元前 1600 年)、亞述混凝土(約公元前 1100 年)、希臘混凝土(約公元前 600 年)、巴比倫混凝土(約公元前 400 年)或是羅馬混凝土(約公元前 230 年)。而是指由約翰 ‧ 斯密頓(John Smeaton,1724~1792)、詹姆斯 ‧ 弗洛斯特(James Frost,1780~1840)、勘維斯 ‧ 懷特(Canvass White,1790~1834)、約瑟 ‧ 艾斯普丁(Joseph Aspdin,1778~1855)、艾薩克 ‧ 查爾斯(Isaac Charles Johnson,1811~1911)、大衛 ‧ 賽勒(David Saylor,1827~1884)等人所研發的「波特蘭水泥」所形成的「波特蘭混凝土」。其名稱「波特蘭」的由來,是英國人 Joseph Aspdin 所定,源自於這種人造石與英國南部波特蘭島上的石灰石顏色十分相近的緣故。

幾位對波特蘭混凝土的發明與製造有貢獻的土木工程師。由左至右分別為:詹姆斯 ‧ 弗洛斯特(James Frost,1780~1840)、勘維斯 ‧ 懷特(Canvass White,1790~1834)、約瑟 ‧ 艾斯普丁(Joseph Aspdin,1778~1855)、艾薩克 ‧ 查爾斯(Isaac Charles Johnson,1811~1911)、大衛 ‧ 賽勒(David Saylor,1827~1884)。 圖/作者提供

波特蘭混凝土的組成包括波特蘭水泥、拌合水(或可飲用的水)、細骨材(砂子)、粗骨材(礫石)、天然或是人工的添加物。當把自來水加入波特蘭水泥並開始攪拌之後,會產生水泥的水化反應(cement hydration);水化反應所形成的水泥漿(cement paste)在黏結粗細骨材之後,就形成了混凝土。而添加物的作用在於改善混凝土的各種性質,從施工、養護、強化、防蝕、到抗凍等等。波特蘭混凝土是世界上使用最多的工程材料,不過它的製程也會產生大量的二氧化碳;根據美國環保署(EPA)的估計,製造一公噸的混凝土會產生大約一公噸的二氧化碳。

波特蘭混凝土以及其主要組成材料。 圖/Concrete Education

由於混凝土的抗張強度(tensile strength)僅有其抗壓強度(compressive strength)的百分之七到百分之十一左右,通常土木工程師會在混凝土當中加入鋼筋,以提升混凝土的承載能力。這種複合結構(composite structure),也就是所謂的鋼筋混凝土(reinforced concrete 或 RC)結構。在橋梁工程上,土木工程師會另外使用高強度鋼纜或鋼索,變成所謂的預力混凝土(prestressed concrete 或 PC)結構。大部分的混凝土結構物都有使用鋼筋或鋼纜,僅有少數的混凝土結構不使用鋼筋或鋼纜。

鋼筋混凝土樑結構與預力混凝土樑結構示意圖。 圖/左:by Håvard Vasshaug。右:by Eriksson Software

如何看穿混凝土結構物?透地雷達 v.s. 成像雷達

由於土木工程結構物大多都是為社會大眾服務的公共工程,一旦突然損壞很可能會造成人員傷亡、財產損失以及昂貴的社會成本,因此定期維修保養是非常重要的;如果能看穿混凝土結構物的話,便能讓土木工程師掌握結構物的狀態,以便進行及時、有效的維護,避免結構物的突然損壞。

目前大部分的土木工程檢測科技仍停留在表面方法(例如目測)、局部性的內部探測(例如埋入式的單點感測器)或是超音波探傷檢測,而利用電磁波的方法主要是透地雷達(ground penetrating radar 或 GPR)與成像雷達(imaging radar)。在成像雷達的領域中,有一個相對較新的技術稱為「人工透鏡雷達(synthetic aperture radar 或 SAR)」。與透地雷達相比,成像雷達的優點在於體積較為輕巧,解析度可透過數值方式加強,以及非常適合遠距離的遙感測量。

透地雷達(左)與人工透鏡雷達(右)在鋼筋混凝土橋版上的應用範例。 圖/作者提供

人工透鏡雷達看穿混凝土結構物的原理,是利用從不同位置上採集到的反射雷達訊號,進行影像疊加的處理。如此一來,可以提升雷達影像的音噪率(signal to noise ratio 或 SNR),增加探測底層損傷的成功率。與傳統的透地雷達比較,人工透鏡雷達的解析度可透過增加雷達的移動距離(增加不同位置的收取到的訊號)、增加頻寬(bandwidth)以及提高頻率(減低波長)來達成。這些彈性讓人工透鏡雷達比傳統透地雷達,在土木工程領域中的各式各樣的探測問題應用上,顯得更有競爭力。

不過也不是事事盡如人意:成像雷達的成功必須建立於在對於混凝土結構的充分瞭解(例如材料性質、內部組成)之上,以及半經驗式的訊號處理技術。透地雷達雖然比較直覺化,但是在對於深層的混凝土結構探測上,訊號分析幾乎完全是經驗式的判別,而且需要體積龐大的設備,有時也會造成檢測上極大的不便,甚至根本無法進行檢測。遠距電磁成像是目前土木工程結構檢測當中,一個非常前衛的技術。

電磁學在混凝土結構物上的挑戰與未來應用

混凝土結構物是一種多孔多相的土木工程複合結構,而電磁波與多孔多相介質的互動也是電磁學內較新的領域。要進行遠距電磁成像在混凝土結構物上的研究,基本上就是一項跨學科研究,需要下列學科的訓練:混凝土材料學、結構設計、電磁學與電磁散射理論、遙感測量、 成像理論以及介電理論等等。

能夠看穿混凝土的技術,不僅可以讓檢測大量大型土木工程結構物的工作變得更有效,如果與其他機械化的自動裝置(例如無人機)結合,更能夠提升工作效率。一旦效率提升,對於土木工程結構物的資產管理能夠減少不必要的緊急重建,也讓使用土木工程結構物的社會大眾之人身安全更有保障。此外,同樣的技術也可以應用在材料檢測,工程鑑定,地層探測,甚至考古學等領域。

在未來科學研究方向上,像混凝土這樣一個擁有數千年文化的工程材料,我們目前對於它的長期行為還是沒有足夠的瞭解。我們並不完全清楚它的微觀結構在不同環境狀態(力學、溫度、濕度、化學以及輻射等)的共同改變下,會有怎樣的變化。還有,混凝土材料的微觀結構改變,又會造成怎樣的結構物行為變化。

土木工程從古羅馬時代發展至今,隨著人類文明愈趨複雜,面臨越來越嚴峻的挑戰。 圖/martieda @Pixabay

土木工程雖然是歷史最悠久的工程學科之一(源自羅馬帝國時期,與軍事工程同壽),但是土木工程師們所面臨的挑戰卻越來越艱鉅。社會上需要更高的建築物、更長的橋梁、更深的隧道與管道、更乾淨的空氣與水、更堅固耐久的工程材料、更環保(省能源,低碳排放量)的工程材料、更經濟的工程材料、更有效率的施工管理以及更安全的施工方式。在土木工程的領域當中,還有很多有意思,有挑戰性的研究問題,對於每個時代的人類文明都有重要價值,等待這一代與下一代的頂尖頭腦來解決。

延伸閱讀、參考資料:

  • Debye, P. (1929), Polar Molecules, The Chemical Catalog Company, New York, NY.
  • Kong, J. A. (2000). Electromagnetic Wave Theory, EMW Publishing, Cambridge, MA.
  • Bungey, J. H. (2004). “Sub-surface radar testing of concrete: A review.” Constr. Build. Mater., 18(1), 1–8.
  • Mehta, P.K., and P.J.M. Monteiro (2014), Concrete — Microstructure, Properties, and Materials, 4th  ed., McGraw-Hill, New York, NY.
  • Yu, T, J Owusu Twumasi, V Le, Q Tang, N D’Amico (2017), Surface and Subsurface Remote Sensing of Concrete Structures using Synthetic Aperture Radar Imaging, Journal of Structural Engineering, ASCE, 143(10); 1-11, doi: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001730

關於作者

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。

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