臺灣博碩士論文加值系統

本文之目的在於廣泛探討混凝土之UPV(Ultrasonic Pulse Velocity)與強度間之關係，期能提出新的分析法則，以增進了解混凝土之配比與材齡如何影響UPV與強度間之關係。首先選用之混凝土配比為CP含量為36%，W/C由0.3變化到0.7，S/A有30、45及60%三種，製作混凝土圓柱試體，分別在齡期(age)為1、3、7、14及28天時對圓柱試體進行UPV量測及抗壓強度試驗，用以建立混凝土UPV與強度之關係。
實驗結果顯示，面乾內飽和混凝土UPV與強度之關係主要受齡期及CA含量兩個因素所主導。混凝土之UPV與強度隨齡期之增加而成長，但是UPV之成長速度明顯比強度來得快，二者成長速度之差異將隨混凝土配比(主要影響因子是W/C)不同而改變，故若同時考慮齡期與配比為變數時，則UPV與強度之關係性將非常複雜，因此本研究選擇硬固後之混凝土(age=28days)作為分析對象。本研究發現對特定之粗骨材含量時，可建立出一條明確且變異相當小之曲線來描述硬固混凝土之UPV與強度間之關係走勢，根據此一成果，本研究建議出適用於不同粗骨材含量之硬固混凝土UPV與強度關係曲線，為驗證此等關係曲線之適用性，將原用來建立關係曲線之45顆試體(28天齡期)及另外改變配比內粗骨材含量與水泥糊體含量製作156顆試體，再依混凝土配比之粗骨材含量選擇適當之模擬曲線來預測混凝土強度，評估結果201筆資料之預測強度與實測強度之誤差幾乎都在±10%以內。
另外，本論文探討細骨材細度模數、粗骨材表面潔淨程度、粗骨材種類及混凝土試體含水量之改變對硬固混凝土UPV與強度關係性之影響。研究結果顯示細骨材細度模數及粗骨材表面潔淨程度對硬固混凝土UPV與強度之間關係無明顯之影響。使用不同粗骨材種類(兩種不同波速之粗骨材)對於混凝土強度無明顯影響，但對UPV則有影響，兩種混凝土呈現出在橫軸(UPV軸)左右平移的趨勢。圓柱試體(Φ10×20 cm)含水量試驗結果顯示含水量的改變確實對UPV有所影響，相對於試體面乾內飽和狀態，在烘乾狀態下之UPV折減達7.5%，而於自然曝曬狀態可達4.5%，且隨著水灰比的降低此折減百分比亦隨之降低。

The purpose of this dissertation is to investigate the relationship between the ultrasonic pulse velocity (UPV) and the compressive strength of concrete. First, the specimens used in the studies were made of concrete with a paste content of 36% and the constituents of the specimens varied in different water/cement ratios and coarse aggregate contents by weight. Fifteen concrete mixtures were considered and fifteen specimens were constructed for each concrete mixture. 225 (15*15=225) cylindrical specimens were cast and cured in water at 23°C. These specimens were tested at 1, 3, 7, 14 and 28 days. The experimental data were used to establish the relationship between the ultrasonic pulse velocity (UPV) and the compressive strength of concrete.
The experimental results show that the relationship between UPV and the compressive strength of saturated surface-dry (SSD) concrete is significantly influenced by age and coarse aggregate content (CAC). The UPV and the compressive strength of concrete grow with age, but the growth rate varies with mixture proportion. To simplify the analysis task, this study chose hardened concrete (at an age of 28days) as the subject for analysis. It is found that with the same content of coarse aggregate, a clear relationship curve can be drawn to describe the UPV and compressive strength of hardened concrete. This study proposes the UPV and strength relationship curves for concrete having different contents of coarse aggregate. To verify the proposed curves, a verification program was carried out. In this program, additional concrete cylindrical specimens were prepared with change in concrete mixture proportions that include the amount of coarse aggregate (1170, 1040, 910, 780 kg/m3), paste volumes (30%、32%、33%、40%) and water-cement ratios (0.7, 0.6, 0.5 and 0.4). These curves were verified to be suitable for prediction of hardened concrete strength with a measured UPV value and the estimate values just have a relative error within ±10% compared to the actual strength of the cylinders.
In addition, the research also investigates the influence of the fine modulus (FM) of fine aggregate, the surface cleanness of coarse aggregate, the kind of coarse aggregate and the water content of concrete on the correlation between the UPV and the compressive strength of concrete. The experimental results show that the FM of fine aggregate, and surface condition of coarse aggregate have no obvious influence on the relationship between UPV and compressive strength of concrete. However, when the mixture proportions of concrete are the same, the higher UPV the coarse aggregate is, the higher UPV the concrete is. The change of water content of concrete cylinder truly has a significant influence on the UPV of concrete. According to the UPV of the SSD condition concrete cylinders, the UPV reduction can reach 7.5% under oven-dry condition, and reach 4.5% under room-dry condition. It is also found that the UPV reduction decreases with decreasing the water-cement ratio of concrete.

總目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 VI
圖目錄 IX

目錄
第一章 緒論 1
第二章 文獻回顧與研究方向 4
2-1 混凝土強度之非破壞檢測技術介紹 4
2-2 混凝土之特性與材料組成 13
2-2-1 混凝土之材料組成 14
2-2-2 混凝土強度之影響因素 15
2-3 混凝土之波傳行為特性 18
2-3-1 波速檢測於混凝土性質之研究 18
2-3-2 影響混凝土波速之主要因素 20
2-4 研究方向 23
第三章 試驗儀器、原理與方法 24
3-1 超音波法 24
3-1-1 試驗原理與方法 24
3-1-2 試驗儀器 26
3-1-3 試驗步驟 26
3-2 抗壓強度試驗 27
第四章 試驗規劃 28
4-1 研究內容 28
4-1-1 波速與強度資料的建立與分析 28
4-1-2 改變試驗配比中之粗骨材含量與水泥糊體含量評估模擬曲線之適用性 28
4-2 試驗材料與性質 29
4-3 試驗配比 30
4-3-1 水泥石與混凝土其UPV與強度隨齡期之發展、硬固混凝土UPV-抗壓強度關係曲線之建立 30
4-3-2 UPV評估混凝土抗壓強度之可行性探討 30
4-3-3 混影響混凝土UPV-抗壓強度關係之因素 31
第五章 試驗結果分析與討論 33
5-1 水泥石與混凝土其UPV與強度之成長 34
5-1-1 水泥石UPV與抗壓強度之成長 34
5-1-2 混凝土UPV與抗壓強度之成長 35
5-2 水灰比(w/c)對UPV與抗壓強度之影響 36
5-3 粗骨材含量對硬固混凝土UPV與抗壓強度之影響 37
5-4 硬固混凝土UPV與抗壓強度模擬曲線之建立 38
5-5 模擬曲線之驗證 39
5-5-1 單一水泥糊體含量(CP=36%)，不同粗骨材含量配比之驗證 39
5-5-2 不同水泥糊體含量(CP=30%、32%、33%、40%)，不同粗骨材含量配比之驗證 40
5-6 模擬曲線之整合 42
第六章 影響混凝土波速－強度關係之因素 44
6-1 細骨材細度模數之影響 44
6-2 粗骨材種類之影響 45
6-2-1 圓石取樣、破碎與物理性質之量測 45
6-2-2 不同粗骨材種類之混凝土UPV與抗壓強度 46
6-2-3 不同粗骨材波速對混凝土UPV之影響 47
6-3 粗骨材表面潔淨程度對混凝土UPV與抗壓強度之影響 49
6-4 混凝土試體的含水量變化對UPV之影響 51
6-4-1 試體放置於室內環境直接氣乾 52
6-4-2 試體烘乾後放置於室內 54
6-4-3 試體放置於室外曝曬 55
6-5 混凝土UPV-強度關係曲線預測強度之誤差分析 57
第七章 結論與建議 61
7-1 結論 61
7-1-1 波速與抗壓強度關係之建立 61
7-1-2 波速與抗壓強度關係影響因子之討論 62
7-2 建議 63
參考文獻 64

表目錄
表2-1 量測混凝土超音波波速之相關規範 70
表2-2 各種混凝土強度現場試驗法之原理與優缺點 71
表2-3 混凝土材料組成與性質之相關研究文獻 72
表2-3(續) 混凝土材料組成與性質之相關研究文獻 73
表2-4 混凝土材料波傳速度之相關研究文獻 74
表2-4(續) 混凝土材料波傳速度之相關研究文獻 75
表2-4(續) 混凝土材料波傳速度之相關研究文獻 76
表2-4(續) 混凝土材料波傳速度之相關研究文獻 77
表4-1 水泥(Cement)之物理化學性質 78
表4-2 天然骨材之比重與單位重 79
表4-3 天然砂之篩分析結果 79
表4-4 混凝土之試驗配比 80
表4-5 水泥糊體之試驗配比 81
表4-6 可行性評估之混凝土試驗配比(粗骨材含量1175 kg/m3) 82
表4-6(續) 可行性評估之混凝土試驗配比(粗骨材含量1044 kg/m3) 83
表4-6(續) 可行性評估之混凝土試驗配比(粗骨材含量914 kg/m3) 84
表4-6(續) 可行性評估之混凝土試驗配比(粗骨材含量783 kg/m3) 85
表4-7 細度模數F.M.=2.30之細骨材 86
表4-7(續) 細度模數F.M.=2.60之細骨材 86
表4-7(續) 細度模數F.M.=2.90之細骨材 87
表4-7(續) 細度模數F.M.=3.10之細骨材 87
表5-1 水泥石試體之UPV與抗壓強度量測結果 88
表5-2 混凝土試體之UPV與抗壓強度量測結果(粗骨材含量CAC = 1165 kg/m3 ) 89
表5-2(續) 混凝土試體之UPV與抗壓強度量測結果(粗骨材含量CAC = 915 kg/m3 ) 90
表5-2(續) 混凝土試體之UPV與抗壓強度量測結果(粗骨材含量CAC = 666 kg/m3 ) 91
表5-3 預測強度與實測強度之比較－配比C1~C15，CP=36% 92
表5-4 預測強度與實測強度之比較－不同粗骨材含量，CP=36% 93
表5-5 預測強度與實測強度之比較－不同粗骨材含量，CP=33% 94
表5-6 預測強度與實測強度之比較－不同粗骨材含量，CP=30% 95
表5-7 預測強度與實測強度之比較－不同粗骨材含量，CP=32%、40% 96
表6-1 細度模數2.3與2.6之試驗結果 97
表6-1(續) 細度模數2.9與3.1之試驗結果 97
表6-2 不同細度模數於28天齡期之驗證結果 98
表6-3 一般造岩礦物波傳速度 98
表6-4 台灣地區北中部主要河川岩心之超音波試驗結果 99
表6-5 烏溪圓石鑽心試體之比重、超音波波速與抗壓強度結果 100
表6-6 選取之圓石經破碎後之骨材級配 101
表6-7 圓石A、圓石B破碎後之比重與吸水率 101
表6-8 圓石A、圓石B兩群組之混凝土UPV與抗壓強度 102
表6-9 不同波速之粗骨材造成硬固混凝土UPV之差異(CAC= 1165 kg/m3) 102
表6-10 不同波速之粗骨材造成硬固混凝土UPV之差異(CAC= 915 kg/m3) 103
表6-11 不同波速之粗骨材造成硬固混凝土UPV之差異(CAC= 666 kg/m3) 103
表6-12 粗骨材潔淨程度對混凝土UPV與抗壓強度之試驗_7天齡期 104
表6-13 粗骨材潔淨程度對混凝土UPV與抗壓強度之試驗_14天齡期 105
表6-14 粗骨材潔淨程度對混凝土UPV與抗壓強度之試驗_28天齡期 106
表6-15 Etsuzo Ohdaira/Editor et al.之試驗配比 107
表6-16 J. Berriman/Editor et al.之試驗配比 107
表6-17 日平均溫度(℃) (詳見附錄A) 108
表6-18 日平均相對溼度(%)(詳見附錄A) 109
表6-19 含水量試驗_氣乾試體(C52_w/c=0.7、C53_w/c=0.6)重量損失率、UPV遞減與其損失率 110
表6-19(續) 含水量試驗_氣乾試體(C54_w/c=0.5、C55_w/c=0.4)重量損失率、UPV遞減與其損失率 111
表6-20 含水量試驗_烘乾試體(C52_w/c=0.7、C53_w/c=0.6)重量損失率、UPV遞減與其損失率 112
表6-20(續) 含水量試驗_烘乾試體(C54_w/c=0.5、C55_w/c=0.4)重量損失率、UPV遞減與其損失率 113
表6-21 含水量試驗_曝曬試體(C52_w/c=0.7)重量損失率、UPV遞減與其損失率 114
表6-21(續) 含水量試驗_曝曬試體(C53_w/c=0.6)重量損失率、UPV遞減與其損失率 115
表6-21(續) 含水量試驗_曝曬試體(C54_w/c=0.5)重量損失率、UPV遞減與其損失率 116
表6-21(續) 含水量試驗_曝曬試體(C55_w/c=0.4)重量損失率、UPV遞減與其損失率 117
表6-22 含水量試驗_以混凝土單位體積用水量反應單顆試體重量損失 118
表6-23 不同人員操作下之UPV量測值的變異性分析 119



圖目錄
圖2-1 反彈錘--構造示意圖 120
圖2-2 探頭貫入試驗--Windsor HP Probe 120
圖2-3 探頭貫入試驗--錐狀破裂區示意圖 121
圖2-4 彎裂試驗法示意圖 121
圖2-5 拉拔試驗 -- (a)拉拔試驗原理示意圖；(b)錐狀混凝土碎塊；(c)擴孔構件及拉拔後混凝土表面狀況 122
圖2-6 直接拔出試驗示意圖 123
圖2-7 超音波試驗儀器及配置簡圖 123
圖2-8 場製圓柱試體模具 124
圖2-9 水灰比與7天抗壓強度之關係 124
圖2-10 水灰比與抗壓強度之關係 125
圖2-11 溫度對抗壓強度之影響 125
圖2-12 混凝土於不同水灰比在各材齡之強度成長 126
圖2-13 輕質骨材之波速量測示意圖 127
圖2-14 混凝土之波速與動彈性模數關係 127
圖2-15 混凝土波速與強度之關係曲線(a)圓柱試體之波速與強度；(b)鑽心試體強度與版之波速；(c)鑽心試體之波速與強度 128
圖2-16 不同頻率下混凝土及砂漿試體之縱波波速與橫波波速比較圖 128
圖2-17 混凝土及砂漿試體之波速與強度關係 129
圖2-18 骨材種類對混凝土波速與強度關係之影響 129
圖2-19 骨材量對混凝土波速與強度關係之影響 130
圖2-20 水泥石、水泥砂漿及混凝土之波速與強度關係之影響 130
圖2-21 不同水灰比之波速成長曲線 131
圖2-22 孔隙含量對混凝土抗壓強度、撓曲強度、波速及動彈性模數之影響 131
圖2-23 養護溫度對混凝土抗壓強度與波速關係之影響 132
圖2-24 含水條件對混凝土抗壓強度與波速關係之影響 132
圖2-25 單位重與波速之關係 133
圖2-26 混凝土試體承受荷重下波速之變化 133
圖3-1 超音波法操作原理示意圖 134
圖3-2 PUNDIT超音波試驗儀器 134
圖3-3 超音波之波速量測方式 (a)直接傳遞法(Direct Transmission)；(b)半直接傳遞法(semi-direct Transmission)；(c)非直接傳遞法(indirect Transmission) 135
圖3-4 ψ10×20cm之圓柱試體鋼模 136
圖3-5 混凝土試體石膏蓋平台 136
圖3-6 ELE 1797D0001型抗壓試驗機 137
圖4-1 Type-G強塑劑(型號：HI-CON HPC1000) 138
圖4-2 篩分析曲線(a)粗骨材；(b)細骨材 138
圖4-3 砂石場取樣之原石 139
圖4-4 篩分析曲線(a) F.M.=2.3；(b) F.M.=2.6；(c) F.M.=2.9；(d) F.M.=3.1 140
圖5-1 水泥糊體、混凝土之UPV與強度關係(齡期1、3、7、14、28天) 141
圖5-2 水泥糊體、混凝土之UPV與強度關係(齡期28天) 141
圖5-3 水泥石P1(w/c=0.7)~P5(w/c=0.3)
(a) (UPV－齡期)關係；(b) (抗壓強度－齡期)關係；(c) UPV之發展百分比；(d)抗壓強度之發展百分比 142
圖5-4 水泥組成物之水化程度發展曲線
(a)純礦物熟料糊體；(b)卜特蘭І型水泥 143
圖5-5 混凝土C1~C5 (CAC=1165kg/m3)
(a) (UPV－齡期)關係；(b) (抗壓強度－齡期)關係；(c) UPV之發展百分比；(d)抗壓強度之發展百分比 144
圖5-6 混凝土C6~C10 (CAC=915kg/m3)
(a) (UPV－齡期)關係；(b) (抗壓強度－齡期)關係；(c) UPV之發展百分比；(d)抗壓強度之發展百分比 145
圖5-7 混凝土C11~C15 (CAC=666kg/m3)
(a) (UPV－齡期)關係；(b) (抗壓強度－齡期)關係；(c) UPV之發展百分比；(d)抗壓強度之發展百分比 146
圖5-8 混凝土UPV與抗壓強度之關係，配比編號(a) C4；(b) C7；(c) C8；(d) C9 147
圖5-8(續) 混凝土UPV與抗壓強度之關係，配比編號 (e) C11；(f) C12 (g) C13；(h) C4、C7、C8、C9、C11、C12、C13 148
圖5-9 混凝土(配比編號：C1~C15)之UPV與抗壓強度關係
(a)以齡期為基準；(b)以水灰比為基準 149
圖5-10 15組(編號：C1~C15)混凝土配比在材齡28天之UPV與抗壓強度關係 150
圖5-11 不同粗骨材含量在材齡28天之混凝土UPV與抗壓強度關係
(a) CAC=1165 kg/m3；(b) CAC=915 kg/m3；(c) CAC=666 kg/m3 151
圖5-12 15組(編號：C1~C15)混凝土配比在材齡28天之UPV與抗壓強度關係 152
圖5-13 在不同水灰比下，粗骨材含量(或砂率S/A)對UPV與抗壓強度之影響
(a) UPV；(b) 抗壓強度 152
圖5-14 五種粗骨材含量(CAC=700、800、900、1000、1100 kg/m3 )的混凝土UPV-抗壓強度之模擬曲線 153
圖5-15 在不同粗骨材含量下混凝土預測強度與實測強度之比較(水泥糊體CP=36%) 153
圖5-16 CAC=1175、1044 kg/m3，不同水泥糊體含量(CP=30%、33%、36%)之w/c-UPV與w/c-強度的關係______(a) w/c-UPV（1175 kg/m3）；(b) w/c-強度（1175 kg/m3）；(c) w/c-UPV（1044 kg/m3）；(d) w/c-強度（1044 kg/m3） 154
圖5-16(續) CAC=914、783kg/m3，在不同水泥糊體含量(CP=30%、33%、36%)之w/c-UPV與w/c-強度的關係______(e) w/c-UPV（914 kg/m3）；(f) w/c-強度（914 kg/m3）；(g) w/c-UPV（783kg/m3）；(h) w/c-強度（783 kg/m3） 155
圖5-17 在單一粗骨材含量下，比較不同水泥糊體含量之UPV與強度的關係(水泥糊體CP=30%、33%、36%)， CAC為 (a) 1175 kg/m3；(b) 1044 kg/m3；(c) 914 kg/m3；(d) 783 kg/m3 156
圖5-18 在不同粗骨材含量下混凝土預測強度與實測強度之比較(水泥糊體CP=30%、32%、33%、40%) 157
圖5-19 公式(5-6)對應在不同CAC下之係數a與b之值 157
圖6-1 在不同齡期下，細度模數(Fineness modulus)對UPV與抗壓強度之影響
(a) UPV；(b) 抗壓強度 158
圖6-2 台灣地區北中部主要河川超音波波速比較值 158
圖6-3 俄羅斯製之Ultrasonic Tester UK1401(兩接收器間距為0.15m)與率定規塊(校正時間53.4µs) 159
圖6-4 圓石破碎過程
(a) 取樣之圓石(圖中之鐵尺規格0.30m)；(b) 用手持式大型破碎機將圓石破碎成約3 in.大小之碎石；(c) 利用鐵鎚與圓鋼塊將圖(b)碎石再破碎更細；(d) 圓石破碎後之級配料 160
圖6-5 圓石A、B兩群組之混凝土UPV與抗壓強度關係 161
圖6-6 利用公式6-3評估不同粗骨材波速對波速與強度之影響 161
圖6-7 利用公式6-2評估不同粗骨材波速對波速與強度之影響 162
圖6-8 利用公式6-4評估不同粗骨材波速對波速與強度之影響 162
圖6-9 (a) FS-1000U光學影像顯微鏡；(b)堆料源頂部已清洗之粗骨材表面；(c) 堆料源頂部未清洗之粗骨材表面；(d) 堆料源底部未清洗且以細粒土壤處理之粗骨材表面 163
圖6-10 Etsuzo Ohdaira/Editor et al._UPV與含水量之關係 164
(a)表6-17_Test piece A；(b)表6-17_Test piece B；(c)表6-17_Test piece C
圖6-11 J. Berriman/Editor et al. _UPV與相對溼度% RH之關係 164
圖6-12 含水量試驗_氣乾試體重量損失率、UPV遞減與其損失率
(a)混凝土配比C52_w/c=0.7；(b)混凝土配比C53_w/c=0.6；(c)混凝土配比C54_w/c=0.5 165
圖6-12(續) 含水量試驗_氣乾試體重量損失率、UPV遞減與其損失率
(d) 混凝土配比C55_w/c=0.4；(e) C52、C53、C54、C55之重量損失率；(f) C52、C53、C54、C55之UPV損失率 166
圖6-13 含水量試驗_烘乾試體重量損失率、UPV遞減與其損失率
(a)混凝土配比C52_w/c=0.7；(b)混凝土配比C53_w/c=0.6；(c)混凝土配比C54_w/c=0.5 167
圖6-13(續) 含水量試驗_烘乾試體重量損失率、UPV遞減與其損失率
(d) 混凝土配比C55_w/c=0.4；(e) C52、C53、C54、C55之重量損失率；(f) C52、C53、C54、C55之UPV損失率 168
圖6-14 含水量試驗_曝曬試體 169
(a)三顆試體分為7、8、9，以(b)三種方式放置於室外；(b)試體放置廠所－白天場景
圖6-14(續) 含水量試驗_曝曬試體 170
(c)8系列(部分曝曬)試體用之保麗龍；(d)試體放置廠所－夜間場景
圖6-15 含水量試驗_曝曬試體重量損失率、UPV損失率 171
(a)混凝土配比C52_w/c=0.7重量損失率；(b)混凝土配比C52_w/c=0.7 UPV損失率；(c)混凝土配比C53_w/c=0.6重量損失率
圖6-15(續) 含水量試驗_曝曬試體重量損失率、UPV損失率 172
(d)混凝土配比C53_w/c=0.6 UPV損失率；(e)混凝土配比C54_w/c=0.5重量損失率；(f)混凝土配比C54_w/c=0.5 UPV損失率
圖6-15(續) 含水量試驗_曝曬試體重量損失率、UPV損失率 173
(g)混凝土配比C55_w/c=0.4重量損失率；(h)混凝土配比C55_w/c=0.4 UPV損失率
圖6-16 含水量試驗_氣乾、烘乾、曝曬試體重量損失率 174
(a)混凝土配比C52_w/c=0.7；(b)混凝土配比C53_w/c=0.6
圖6-16(續) 含水量試驗_氣乾、烘乾、曝曬試體重量損失率 175
(c)混凝土配比C54_w/c=0.5；(d)混凝土配比C55_w/c=0.4
圖6-17 含水量試驗_氣乾、烘乾、曝曬試體UPV損失率 176
(a)混凝土配比C52_w/c=0.7；(b)混凝土配比C53_w/c=0.6
圖6-17(續) 含水量試驗_氣乾、烘乾、曝曬試體UPV損失率 177
(c)混凝土配比C54_w/c=0.5；(d)混凝土配比C55_w/c=0.4
圖6-18 強度預測曲線之精度討論 178
(a) 誤差量（mfc）MPa；(b) 預測精度(%)
圖6-19 強度預測曲線之誤差分析－不同人員操作 178
(a) 誤差量（mfc）MPa；(b) 預測精度(%)
圖6-20 強度預測曲線之誤差分析－含水量誤差 179
(a) 誤差量（mfc）MPa；(b) 預測精度(%)

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