如何利用电磁波看穿建筑物、桥梁等「混凝土结构物」的结构?

  • 文/游子扬│ 美国麻州大学洛尔分校(University of Massachusetts Lowell)土木与环境工程学系副教授/副系主任

水泥结构物已经充满我们的都市生活。图/MikeCleggPhoto @ Pixabay

自从赫兹(Heinrich Hertz)在十九世纪末以实验证明马克士威(James Clerk Maxwell)电磁波动方程式之后,电磁波在科学与工程方面的各种广泛应用,已经完全改变了我们理解世界的方式、日常生活的方式以及社会文明的演进。从天体物理学、手机通讯到家用微波炉,我们的生活已经几乎不能没有电磁波的存在。在还没有更精确的研究证明过度使用电磁波对人体有害之前,可预期我们的生活中将会有更多与电磁波有关的相关应用。

而在土木工程领域里,也有许多与电磁波有关的应用,例如:早期的工程材料检测与地质探测,还有现今的遥感量测(remote sensing)、结构健康监测(structural health monitoring, 简称SHM)与非破坏性检测(nondestructive testing/evaluation, 简称NDT/E)等等。电磁波之所以能够适用于土木工程结构的原因在于,大部分的土木工程材料属于介电材料(dielectric material),例如波特兰水泥混凝土(Portland cement concrete)、沥青材料(bituminous material)以及岩石土壤,电磁波能够在这些材料中传导、穿透以及散射,这样的特性提供了土木工程师与研究人员了解土木工程材料与结构的不同视角。

什么是混凝土结构物?

在深入了解电磁波应用在土木材料之前,我们先来认识什么是「混凝土结构物」?

顾名思义,混凝土结构物就是指利用混凝土所建造的工程结构物,例如:房屋、桥梁、隧道、机场、管线、水坝等等。这里所谓的「混凝土」指的不是历史上的埃及混凝土(约公元前2700 年)、中国混凝土(约公元前1600 年)、亚述混凝土(约公元前1100 年)、希腊混凝土(约公元前600年)、巴比伦混凝土(约公元前400 年)或是罗马混凝土(约公元前230 年)。而是指由约翰‧ 斯密顿(John Smeaton,1724~1792)、詹姆斯‧ 弗洛斯特(James Frost,1780~1840)、勘维斯‧ 怀特(Canvass White,1790~1834)、约瑟‧ 艾斯普丁(Joseph Aspdin,1778~1855)、艾萨克‧ 查尔斯(Isaac Charles Johnson,1811~1911)、大卫‧ 赛勒(David Saylor,1827~1884)等人所研发的「波特兰水泥」所形成的「波特兰混凝土」。其名称「波特兰」的由来,是英国人Joseph Aspdin 所定,源自于这种人造石与英国南部波特兰岛上的石灰石颜色十分相近的缘故。

几位对波特兰混凝土的发明与制造有贡献的土木工程师。由左至右分别为:詹姆斯‧ 弗洛斯特(James Frost,1780~1840)、勘维斯‧ 怀特(Canvass White,1790~1834)、约瑟‧ 艾斯普丁(Joseph Aspdin,1778~1855) 、艾萨克‧ 查尔斯(Isaac Charles Johnson,1811~1911)、大卫‧ 赛勒(David Saylor,1827~1884)。图/作者提供

波特兰混凝土的组成包括波特兰水泥、拌合水(或可饮用的水)、细骨材(砂子)、粗骨材(砾石)、天然或是人工的添加物。当把自来水加入波特兰水泥并开始搅拌之后,会产生水泥的水化反应(cement hydration);水化反应所形成的水泥浆(cement paste)在黏结粗细骨材之后,就形成了混凝土。而添加物的作用在于改善混凝土的各种性质,从施工、养护、强化、防蚀、到抗冻等等。波特兰混凝土是世界上使用最多的工程材料,不过它的制程也会产生大量的二氧化碳;根据美国环保署(EPA)的估计,制造一公吨的混凝土会产生大约一公吨的二氧化碳。

波特兰混凝土以及其主要组成材料。图/Concrete Education

由于混凝土的抗张强度(tensile strength)仅有其抗压强度(compressive strength)的百分之七到百分之十一左右,通常土木工程师会在混凝土当中加入钢筋,以提升混凝土的承载能力。这种复合结构(composite structure),也就是所谓的钢筋混凝土(reinforced concrete 或RC)结构。在桥梁工程上,土木工程师会另外使用高强度钢缆或钢索,变成所谓的预力混凝土(prestressed concrete 或PC)结构。大部分的混凝土结构物都有使用钢筋或钢缆,仅有少数的混凝土结构不使用钢筋或钢缆。

钢筋混凝土梁结构与预力混凝土梁结构示意图。图/左:by Håvard Vasshaug。右:by Eriksson Software

如何看穿混凝土结构物?透地雷达vs 成像雷达

由于土木工程结构物大多都是为社会大众服务的公共工程,一旦突然损坏很可能会造成人员伤亡、财产损失以及昂贵的社会成本,因此定期维修保养是非常重要的;如果能看穿混凝土结构物的话,便能让土木工程师掌握结构物的状态,以便进行及时、有效的维护,避免结构物的突然损坏。

目前大部分的土木工程检测科技仍停留在表面方法(例如目测)、局部性的内部探测(例如埋入式的单点感测器)或是超音波探伤检测,而利用电磁波的方法主要是透地雷达(ground penetrating radar 或GPR)与成像雷达(imaging radar)。在成像雷达的领域中,有一个相对较新的技术称为「人工透镜雷达(synthetic aperture radar 或SAR)」。与透地雷达相比,成像雷达的优点在于体积较为轻巧,解析度可透过数值方式加强,以及非常适合远距离的遥感测量。

透地雷达(左)与人工透镜雷达(右)在钢筋混凝土桥版上的应用范例。图/作者提供

人工透镜雷达看穿混凝土结构物的原理,是利用从不同位置上采集到的反射雷达讯号,进行影像叠加的处理。如此一来,可以提升雷达影像的音噪率(signal to noise ratio 或SNR),增加探测底层损伤的成功率。与传统的透地雷达比较,人工透镜雷达的解析度可透过增加雷达的移动距离(增加不同位置的收取到的讯号)、增加频宽(bandwidth)以及提高频率(减低波长)来达成。这些弹性让人工透镜雷达比传统透地雷达,在土木工程领域中的各式各样的探测问题应用上,显得更有竞争力。

不过也不是事事尽如人意:成像雷达的成功必须建立于在对于混凝土结构的充分了解(例如材料性质、内部组成)之上,以及半经验式的讯号处理技术。透地雷达虽然比较直觉化,但是在对于深层的混凝土结构探测上,讯号分析几乎完全是经验式的判别,而且需要体积庞大的设备,有时也会造成检测上极大的不便,甚至根本无法进行检测。远距电磁成像是目前土木工程结构检测当中,一个非常前卫的技术。

电磁学在混凝土结构物上的挑战与未来应用

混凝土结构物是一种多孔多相的土木工程复合结构,而电磁波与多孔多相介质的互动也是电磁学内较新的领域。要进行远距电磁成像在混凝土结构物上的研究,基本上就是一项跨学科研究,需要下列学科的训练:混凝土材料学、结构设计、电磁学与电磁散射理论、遥感测量、 成像理论以及介电理论等等。

能够看穿混凝土的技术,不仅可以让检测大量大型土木工程结构物的工作变得更有效,如果与其他机械化的自动装置(例如无人机)结合,更能够提升工作效率。一旦效率提升,对于土木工程结构物的资产管理能够减少不必要的紧急重建,也让使用土木工程结构物的社会大众之人身安全更有保障。此外,同样的技术也可以应用在材料检测,工程鉴定,地层探测,甚至考古学等领域。

在未来科学研究方向上,像混凝土这样一个拥有数千年文化的工程材料,我们目前对于它的长期行为还是没有足够的了解。我们并不完全清楚它的微观结构在不同环境状态(力学、温度、湿度、化学以及辐射等)的共同改变下,会有怎样的变化。还有,混凝土材料的微观结构改变,又会造成怎样的结构物行为变化。

土木工程从古罗马时代发展至今,随着人类文明愈趋复杂,面临越来越严峻的挑战。图/martieda @ Pixabay

土木工程虽然是历史最悠久的工程学科之一(源自罗马帝国时期,与军事工程同寿),但是土木工程师们所面临的挑战却越来越艰巨。社会上需要更高的建筑物、更长的桥梁、更深的隧道与管道、更干净的空气与水、更坚固耐久的工程材料、更环保(省能源,低碳排放量)的工程材料、更经济的工程材料、更有效率的施工管理以及更安全的施工方式。在土木工程的领域当中,还有很多有意思,有挑战性的研究问题,对于每个时代的人类文明都有重要价值,等待这一代与下一代的顶尖头脑来解决。

延伸阅读、参考资料:

  • Debye, P. (1929), Polar Molecules, The Chemical Catalog Company, New York, NY.
  • Kong, JA (2000). Electromagnetic Wave Theory, EMW Publishing, Cambridge, MA.
  • Bungey, JH (2004). “Sub-surface radar testing of concrete: A review.” Constr. Build. Mater., 18(1), 1–8.
  • Mehta, PK, and PJM 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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