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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?

活躍星系核_96
・2018/02/14 ・3281字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 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

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活躍星系核_96
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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。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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