JP2001289829A - Non-destructively measuring technique of concrete deterioration by impulse elastic wave - Google Patents
Non-destructively measuring technique of concrete deterioration by impulse elastic waveInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は,コンクリート構造
物診断方法に関するものである。さらに詳しくは,コン
クリートの劣化程度、力学特性(強度など)に対する測
定又は推測方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for diagnosing a concrete structure. More specifically, the present invention relates to a method for measuring or estimating the degree of deterioration of concrete and mechanical characteristics (such as strength).
【0002】[0002]
【従来の技術】時間が経過したコンクリートは,化学作
用と物理作用などによって材料の劣化が進んでいく。力
学特性の面でいえば,コンクリートの変形係数と強度が
低下してくる。コア採取によるコンクリート強度試験で
は,劣化により強度が数分の一に低下するケースも少な
くない。なお,劣化によりコンクリートの浸透性が増加
することもある。したがって,非破壊試験による早期の
健全性診断が望ましい。2. Description of the Related Art Concrete that has passed time undergoes material deterioration due to chemical action and physical action. In terms of mechanical properties, the deformation coefficient and strength of concrete decrease. In concrete strength tests using coring, there are many cases where strength is reduced by a factor of several due to deterioration. In addition, the permeability of concrete may increase due to deterioration. Therefore, early diagnosis of soundness by nondestructive testing is desirable.
【0003】ただし,コンクリートの劣化程度に対し
て,有効な非破壊探査手法がまだ確立されているとは言
えない。コンクリートの圧縮強度を非破壊的に推定する
方法としては,従来,反発度法(シュミットハンマ
法)、超音波(音速)法、複合法等が実施されている。
しかしながら,現状ではいずれの方法も推定値と実測値
との間には大きなバラツキが存在し,評価法としては不
十分であり,さらに信頼性の高い推定手法の確立が要請
される。However, it cannot be said that an effective non-destructive exploration method has been established for the degree of deterioration of concrete. As a method for non-destructively estimating the compressive strength of concrete, conventionally, a resilience method (Schmidt hammer method), an ultrasonic wave (sonic speed) method, a composite method, and the like have been implemented.
However, at present, there is a large variation between the estimated value and the measured value in any of the methods, which is insufficient as an evaluation method, and the establishment of a more reliable estimation method is required.
【0004】シュミットハンマ法により圧縮強度を測定
する方法は,測定が簡便、被測定物の形状・寸法に関わ
らず適用できるために,現在もっとも多く使われてい
る。但し,コンクリートのような不均質な材料にあって
は,シュミットハンマーのように,材料表面の局部的な
打撃によるものでは,反発度は打撃面の状態(骨材の有
無、乾湿の状況、平坦さ、表面風化状況)等に大きく影
響され,多くの問題が残されている。The method of measuring the compressive strength by the Schmidt hammer method is most frequently used at present because the measurement is simple and can be applied irrespective of the shape and dimensions of the object to be measured. However, in the case of non-homogeneous materials such as concrete, the degree of resilience can be determined by the impact of local impacts on the surface of the material, such as a Schmidt hammer. , Surface weathering), and many problems remain.
【0005】超音波パルス(P波)の伝播速度及び伝播
時間によりコンクリート内部欠陥の推定、材料動弾性係
数の測定及び圧縮強度を推定する手法は,よく使われて
いる。但し,さまざまな原因によって,強度推定精度は
あまり良くないと指摘される。 (イ)使用周波数が高くなるほど指向性はよくなるが,
音波の減衰も大きくなる。 (ロ)金属材料とは違い,コンクリートの中を伝わる音
波の減衰が大きい。かつ超音波の発信エネルギーが小さ
いので,ダム、トンネル等寸法が大きい土木構造物に対
する測定が困難である。 (ハ)コンクリート部材を挟んで発振・受信する場所の
音速測定が精度良いが,ダム・トンネル表面など同じ表
面しか測定できない場合には,音速の測定精度がかなり
低下する。 (ニ)内部鉄筋による影響される場合がある。 (ホ)コンクリートの配合、含水量にも影響される。 (ヘ)理論的には,P波速度は,材料の動的弾性係数と
密度に関係しているが,ひずみが微小であるので,材料
の強度との直接的な関係は少ない。[0005] Techniques for estimating the internal defect of concrete, measuring the dynamic elastic modulus of the material, and estimating the compressive strength based on the propagation speed and propagation time of the ultrasonic pulse (P wave) are often used. However, it is pointed out that the strength estimation accuracy is not very good for various reasons. (B) Although the directivity improves as the frequency used increases,
The attenuation of the sound wave also increases. (B) Unlike metallic materials, sound waves traveling through concrete are greatly attenuated. In addition, since the transmitted energy of ultrasonic waves is small, it is difficult to measure civil engineering structures having large dimensions such as dams and tunnels. (C) Although the sound velocity measurement at the place where oscillation and reception are performed with a concrete member in between is high in accuracy, if only the same surface such as a dam or tunnel surface can be measured, the measurement accuracy of the sound velocity is considerably reduced. (D) It may be affected by internal rebar. (E) It is also affected by the composition of the concrete and the water content. (F) Theoretically, the P-wave velocity is related to the dynamic elastic modulus and the density of the material, but the strain is small, so that the P-wave velocity has little direct relation to the strength of the material.
【0006】推定精度を向上させるために,2種類以上
の非破壊試験法を組み合わせて使用する,いわゆる複合
非破壊試験法がある。例えばシュミットハンマー法と超
音波音速法と組み合わせて探査する手法がある。但し,
このような複合手法により強度判定式がまだ確立されて
いなく,まだ各手法自体固有な欠点が残っている。In order to improve the estimation accuracy, there is a so-called composite non-destructive test method in which two or more types of non-destructive test methods are used in combination. For example, there is a method of exploration in combination with the Schmidt hammer method and the ultrasonic sound velocity method. However,
The strength determination formula has not yet been established by such a composite method, and each method itself still has its own shortcomings.
【0007】なお,超音波計測器を用いて,従来の音速
のほか,採取した信号の振幅もしくは周波数とコンクリ
ート強度との相関について研究されている。コンクリー
トの劣化の進行が採取した信号の振幅を減少させるとも
に,卓越周波数も低くさせることが明らかである。但
し,探触子とコンクリート表面の接触方法により,測定
のバラツキが生じることが指摘される。なお,衝撃弾性
波を使う手法があるが,振動波の周波数が低く,立上り
も大変鈍いので,波動スタートの時刻設定が非常に不安
定になる。その他,電・磁気法はコンクリートの強度な
どを推定することがほとんど不可能である。[0007] In addition to the conventional sound velocity, the correlation between the amplitude or frequency of a sampled signal and the concrete strength has been studied using an ultrasonic measuring device. It is clear that the progress of concrete degradation reduces the amplitude of the sampled signal and lowers the predominant frequency. However, it is pointed out that the measurement varies depending on the method of contact between the probe and the concrete surface. Although there is a method using shock elastic waves, the frequency of the vibration wave is low and the rise is very slow, so that the time setting of the wave start becomes very unstable. In addition, it is almost impossible to estimate the strength of concrete by the electromagnetic method.
【0008】コンクリート構造物又コンクリートは,次
のような特性を持っている。 (イ)トンネル、ダム等構造物の寸法が大きい場合が多
い。 (ロ)構造物のある表面でしか作業できない。例えばダ
ムの下流面、トンネルの内表面がある。 (ハ)コンクリートは,金属のような均一材料ではな
く,骨材、結合材、空隙で構成される複合材である。 (ニ)場合によって,コンクリートの中に鉄筋、水分が
含まれる。 (ホ)コンクリートの劣化は,表面から進んでくる場合
(例えば中性化)と,内部から進んでくる場合(例えば
アルカリ骨材反応,及び鉄筋のさびによる膨張によっ
て,鉄筋周辺コンクリートに放射状ひび割れが発生す
る)がある。よって,コンクリート表面と内部の性質が
必ずしも一致していない。A concrete structure or concrete has the following characteristics. (B) The dimensions of structures such as tunnels and dams are often large. (B) Work can be performed only on a surface with a structure. For example, there is a downstream surface of a dam and an inner surface of a tunnel. (C) Concrete is not a uniform material such as metal but a composite material composed of aggregates, binders, and voids. (D) In some cases, concrete contains rebar and moisture. (E) Degradation of concrete occurs when it comes from the surface (for example, neutralization) and when it comes from the inside (for example, alkali-aggregate reaction and expansion due to rust of reinforcement). Occurs). Therefore, the properties of the concrete surface and the interior do not always match.
【0009】したがって,前述のように,コンクリート
に対する既存の非破壊測定手法(反発度法、超音波法な
ど)は大きな問題を残している。本発明は,以上の従来
技術の欠点を克服し,ダム、トンネルなど構造物にも適
用し,新しいコンクリートの劣化に対する診断方法を提
供することを目的としている。Therefore, as described above, existing non-destructive measurement methods for concrete (such as a resilience method and an ultrasonic method) have a serious problem. An object of the present invention is to overcome the above-mentioned drawbacks of the prior art, apply to structures such as dams and tunnels, and provide a new diagnosis method for concrete deterioration.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は,コンクリート
の力学特性(強度及び弾性係数など)及び浸透特性に最
も大きな影響を与えるコンクリートの中に存在している
空隙及びひび割れに注目して開発したものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been developed with a focus on voids and cracks existing in concrete, which have the greatest effect on the mechanical properties (such as strength and elastic modulus) and permeation properties of concrete. Things.
【0011】コンクリートの中に,さまざまな原因によ
って,何種類かの空隙(例えば毛細管空隙、気泡等)が
存在している。なお,荷重、乾燥収縮及びクリープの結
果として,コンクリートの中(特に骨材とセメントペー
ストとの境界層,いわば遷移帯)にマイクロクラックが
発生する。荷重の増加などは,マイクロクラックの大き
さと数を増加させる。There are several types of voids (eg, capillary voids, air bubbles, etc.) in concrete due to various causes. As a result of the load, drying shrinkage, and creep, microcracks occur in the concrete (particularly, the boundary layer between the aggregate and the cement paste, that is, the transition zone). Increasing the load increases the size and number of microcracks.
【0012】このような空隙とマイクロクラックは,コ
ンクリートの強度を支配していると考えられる。なぜな
ら,荷重をかけた時の応力集中とそれに伴う崩壊は,大
きな空隙や例外なく存在するマイクロクラックから始ま
る。言うまでもなく,空隙やマイクロクラックが多くほ
ど,コンクリートの強度が低くなる。なお,空隙やマイ
クロクラックは応力(特にせん断応力)を伝えにくいの
で,コンクリートの弾性係数に大きな影響を持つ。又,
空隙及びマイクロクラックが相互に連結しコンクリート
の浸透性を高めるのために,コンクリートの耐久性にも
影響を及ぼす。したがって,この空隙又はマイクロクラ
ックの程度(多さや大きさ)がコンクリートの劣化の最
も重要な影響因子であると考えられる。但し,いかにこ
れを非破壊で把握することが大きな課題になる。It is considered that such voids and microcracks govern the strength of concrete. This is because stress concentration and the resulting collapse when a load is applied start from large voids and microcracks that exist without exception. Needless to say, the more voids and microcracks, the lower the strength of concrete. Since voids and microcracks do not easily transmit stress (particularly shear stress), they have a large effect on the elastic modulus of concrete. or,
The voids and microcracks are interconnected and increase the permeability of the concrete, thus affecting the durability of the concrete. Therefore, the degree (largeness or size) of the voids or microcracks is considered to be the most important influencing factor of concrete deterioration. However, how to grasp this nondestructively is a major issue.
【0013】本発明は,上記の課題を解決するものとし
て,構造物の表面で打撃装置を用いて発振し,構造物の
表面に沿って伝達している表面波(レイリー波)を用い
てコンクリートの劣化を測定する方法である(図3)。
従来の方法と違い、本方法には次の特徴がある。超音波
発振ではなく、ハンマーなどの打撃により衝撃波を発生
させることから、エネルギーは格段に大きくなる。な
お,使われる波は、従来の実体波ではなく表面波であ
る。さらに,使われる物理量は、従来の走行速度に加え
て,表面波エネルギーの減衰(損失係数)である。すな
わち,本発明は,コンクリート中を走行する弾性波の中
の,空隙やマイクロクラックに反映する表面波の伝播速
度(位相速度)Vrと損失係数Hrを求めることによ
り,コンクリートの力学特性(劣化程度)を測定する方
法である。The present invention solves the above-mentioned problem by using a surface wave (Rayleigh wave) that oscillates on a surface of a structure using a hitting device and is transmitted along the surface of the structure. This is a method for measuring the deterioration of the metal (FIG. 3).
Unlike the conventional method, the present method has the following features. Since a shock wave is generated by hitting with a hammer or the like instead of ultrasonic oscillation, energy is significantly increased. The wave used is not a conventional body wave but a surface wave. Further, the physical quantity used is the attenuation (loss coefficient) of the surface wave energy in addition to the conventional running speed. That is, the present invention is, by finding in the elastic wave traveling through the concrete, the propagation velocity of the surface wave to reflect to the voids or microcracks and (phase velocity) V r loss factor H r, mechanical properties of concrete ( This is a method for measuring the degree of deterioration.
【0014】上記のVrとHrを測定するためには,図
4に示されるのような計測システムを開発した。計測シ
ステムは,複数のセンサー(加速度ピックアップ)、チ
ャージアンプ、ターミナルパネル、A/Dボード装着パ
ソコン等で構成される。現場に対応するために,バッテ
リによる電源を供給するシステムを開発した。In order to measure Vr and Hr , a measurement system as shown in FIG. 4 has been developed. The measurement system includes a plurality of sensors (acceleration pickups), a charge amplifier, a terminal panel, an A / D board-mounted personal computer, and the like. In order to respond to the site, a system that supplies power using a battery was developed.
【0015】ハンマー等発振機構で構造物表面に打撃す
ることにより衝撃弾性波が発生される。打撃場所と一番
近い位置に貼付けられたセンサーが,トリガーとして設
置される。このトリガーセンサーが波動信号を拾うとと
もに,全計測システムを作動させる。よって。決められ
た順番で各センサーが波動信号を採取する。センサーで
採取した波動信号が電気信号に変換され,チャージアン
プにより増幅され,ターミナルパネルを経由しパソコン
へ送られる。パソコン内部にA/Dボードによってデジ
タル信号に変わり,ハードディスクに保存されることに
よって信号採取過程が完了する。採取した波動信号を計
算処理し,VrとHrを求めることによってコンクリー
トの力学特性(例えば強度)を推測する。この計算処理
の原理等は次のように示される。The impact elastic wave is generated by hitting the surface of the structure with an oscillation mechanism such as a hammer. A sensor attached to the location closest to the impact location is set as a trigger. The trigger sensor picks up the wave signal and activates the entire measurement system. Therefore. Each sensor acquires a wave signal in a predetermined order. The wave signal collected by the sensor is converted into an electric signal, amplified by the charge amplifier, and sent to the personal computer via the terminal panel. The digital signal is converted into a digital signal by the A / D board in the personal computer and stored in the hard disk, thereby completing the signal sampling process. The mechanical properties (for example, strength) of the concrete are estimated by calculating the collected wave signal and obtaining Vr and Hr . The principle of this calculation processing is shown as follows.
【0016】コンクリート構造物の表面において、打撃
により発生した波にはさまざまな成分(縦波,横波,表
面波,場所によって板波など)が含まれている。その中
の構造物の表面に沿って伝達して行くエネルギーは、主
に表面波(表面波の中にはラブ波とレイリー波があり,
コンクリート構造物の場合には,ほとんどレイリー波が
占めている)の形で伝達して行く。表面波は、次の性質
を持っている。 (イ) 表面波は、構造物の表面にある波の中でもっと
も重要な波である。構造物表面に打撃などにより発生し
た波の中で,相当部分(理論的にはおよそ67%)のエ
ネルギーは表面波の形で伝達していく。なお,伝達の型
によって(表面波は筒状,実体波は球状),表面波の幾
何減衰は実体波よりはるかに小さい。しかも実際に探査
するときは、センサーは構造物の表面にしか貼れない。
したがって,センサーで拾った波動は、振源に近いセン
サーを除けば,ほとんどのエネルギーを表面波が占めて
いる。 (ロ) 表面波の影響は深さとともに急激に減少してい
く。コンクリートの中において、表面波の振幅は弾性体
表面を1とした場合、1倍波長深さのところで0.2程
度に落ちる。したがって、表面波は主に深さの1倍波長
の範囲内でしか存在しないことが分かる。 (ハ) 弾性体の中での表面波は、材料のせん断特性
(せん断定数)に大きく依存する。せん断特性は,コン
クリートの中に存在している空隙やマイクロクラックに
非常に影響される。 (ニ) コンクリートを弾性体とする場合に,その中を
走行する表面波の伝播速度(位相速度)は,せん断波の
伝播速度とほぼ同じである。On the surface of the concrete structure, the waves generated by the impact include various components (longitudinal waves, transverse waves, surface waves, plate waves depending on places). The energy transmitted along the surface of the structure in it is mainly surface waves (love waves and Rayleigh waves are among the surface waves,
In the case of concrete structures, Rayleigh waves are dominant). Surface waves have the following properties. (B) Surface waves are the most important waves on the surface of a structure. A considerable part (theoretically, about 67%) of energy is transmitted in the form of a surface wave in waves generated by hitting the surface of a structure. Note that, depending on the type of transmission (the surface wave is cylindrical and the body wave is spherical), the geometric attenuation of the surface wave is much smaller than that of the body wave. Moreover, when actually exploring, the sensor can only be attached to the surface of the structure.
Therefore, most of the energy of the waves picked up by the sensors is occupied by surface waves, except for the sensors close to the source. (B) The effect of surface waves decreases rapidly with depth. In concrete, the amplitude of the surface wave falls to about 0.2 at a wavelength depth of 1 assuming that the surface of the elastic body is 1. Therefore, it can be seen that the surface wave mainly exists only within the range of the wavelength of one time the depth. (C) Surface waves in an elastic body greatly depend on the shear characteristics (shear constant) of the material. Shear properties are greatly affected by voids and microcracks in concrete. (D) When concrete is used as an elastic body, the propagation velocity (phase velocity) of the surface wave traveling in it is almost the same as the propagation velocity of the shear wave.
【0017】表面波の位相速度Vrの理論解を解くこと
は煩雑であるが,半無限弾性体におけるVrは,せん断
波の走行速度とほぼ同じである(数パーセント遅れ)こ
とが分かる。よって,表面波の位相速度はせん断波の速
度と同じように,材料のせん断特性(動せん断弾性係
数,すなわちせん断剛性等)に影響される。コンクリー
トにおいては,そのせん断剛性は,骨材粒子(一般的に
剛性が大きい)、モルタルマトリックス(一般的に剛性
が小さい)及びそれをつなぐ遷移帯に決められる。した
がって,表面波の位相速度は,コンクリートの配合、骨
材の種類、及び遷移帯の中にマイクロクラックの状況に
影響される。モルタルマトリックス又は骨材の軟化,マ
イクロクラックの進展、空隙の存在などによりVrが遅
くなると考えられる。したがって,Vrがコンクリート
の力学特性を反映するの一つパラメータであることが分
かる。[0017] While it is complicated to solve the theoretical solution of the phase velocity V r of the surface wave, V r in a semi-infinite elastic body is substantially the same as the traveling speed of the shear wave (a few percent lag) can be seen. Therefore, the phase velocity of the surface wave is affected by the shear characteristics (dynamic shear elastic modulus, that is, shear stiffness, etc.) of the material in the same manner as the shear wave velocity. In concrete, the shear stiffness is determined by the aggregate particles (generally having high rigidity), the mortar matrix (generally having low rigidity), and a transition zone connecting them. Therefore, the phase velocity of the surface wave is affected by the concrete mix, the type of aggregate, and the condition of the microcracks in the transition zone. Softening of the mortar matrix or aggregate, the progress of microcracks is believed that V r due the presence of the gap becomes slow. Therefore, it can be seen V r is one parameter to reflect the mechanical properties of the concrete.
【0018】前述のように,衝撃弾性波のスタート時刻
の把握は非常に困難であるので,単にスタート時刻を使
って波の走行速度を測るには誤差が大きいと予想され
る。よって,Vrを測定する際に,複数(>2)のセン
サーが使われる。位相の相似性を考慮し,最小二乗法等
手法を使って,Vrの測定誤差は最小限に収められると
考えられる。As described above, since it is very difficult to determine the start time of a shock elastic wave, it is expected that an error will be large when simply measuring the traveling speed of the wave using the start time. Therefore, when measuring the V r, the sensor of the plurality (> 2) are used. Taking into account the similarity of the phase, using the method of least squares method, the measurement error of V r is considered to be contained to a minimum.
【0019】しかし,単純にVrでコンクリート劣化程
度,特に強度に対する評価することが不十分であるとこ
ろもある。速度計測は,早めに到達した信号のみを利用
する。ゆえに,コンクリート中に,健全部と損傷部(劣
化部)が共存しているとき,その損傷部を見逃す可能性
がある。なお,Vrは骨材の含量及びその硬さに大きく
影響される。骨材を含まないのセメントモルタルの強度
が高いことが多いが,その剛性が小さいためにVrが遅
くなる。[0019] However, there is simply concrete deterioration about at V r, even where it is insufficient to evaluate, particularly for strength. Speed measurement uses only signals that arrive early. Therefore, when a healthy part and a damaged part (deteriorated part) coexist in concrete, the damaged part may be missed. Vr is greatly affected by the content of the aggregate and its hardness. Although the strength of cement mortar containing no aggregate is often high, Vr is slow because of its low rigidity.
【0020】一般的に,骨材は,遷移帯とセメントマト
リックスより強度があるので,軽石骨材のような非常に
空洞の多い,低強度の骨材を除けば,コンクリート強度
に及ぼす直接的な影響はないので,コンクリートの強度
は遷移帯の強度とセメントマトリックスの強度で決めら
れる。強度の観点から見ると,セメントマトリックスの
強度はその中の空隙率,遷移帯の強度はその中のマイク
ロクラックに依存している。したがって,このような空
隙率とマイクロクラックの程度をいかに把握すること
が,コンクリート強度の非破壊測定の大きなポイントで
ある。このために,表面波の損失係数を利用してコンク
リート強度劣化を診断する手法を開発した。In general, aggregates are stronger than transition zones and cement matrices, so excluding very hollow, low-strength aggregates, such as pumice aggregate, have a direct effect on concrete strength. Since there is no effect, the strength of concrete is determined by the strength of the transition zone and the strength of the cement matrix. From the viewpoint of strength, the strength of the cement matrix depends on the porosity therein, and the strength of the transition zone depends on the microcracks therein. Therefore, understanding the degree of such porosity and microcracks is a major point in nondestructive measurement of concrete strength. For this purpose, a method for diagnosing concrete strength deterioration using the loss coefficient of surface waves was developed.
【0021】弾性波は,材料の中を伝播する途中に,材
料の粘性、摩擦もしくは異質物(例えば亀裂)等によ
り,波の運動エネルギーが徐々に熱に転換して弱くな
る。これは材料減衰と呼ばれる。一般的に,硬くかつ均
質な材料(鉄鋼等)の材料減衰が少ない一方,土など軟
らかくかつ離散型材料の材料減衰はかなり大きい。半無
限弾性体の均質な材料による減衰は,次のように表され
る。During propagation of an elastic wave, the kinetic energy of the wave is gradually converted to heat due to viscosity, friction, or a foreign substance (for example, a crack) of the material, and the elastic wave is weakened. This is called material damping. Generally, the material attenuation of a hard and homogeneous material (such as steel) is small, while the material attenuation of a soft and discrete material such as soil is considerably large. The damping of a semi-infinite elastic body by a homogeneous material is expressed as follows.
【数1】 ここで,xr:発振源からr離れている点の振動振幅 x0:発振源に近い基準の点(距離r0)の振動振幅 λ:波の波長 h:材料の減衰特性を表し,損失係数と呼ばれる。金属
材料→岩・コンクリート→土の順はおよそ0.001→
0.01→0.1→0.5の値となる。(Equation 1) Here, x r: vibration amplitude x of a point away r from the oscillation source 0: vibration amplitude at the point of reference closer to the oscillation source (distance r 0) lambda: wavelength of the wave h: represents the attenuation properties of the material, the loss Called coefficient. The order of metal materials → rock / concrete → soil is approximately 0.001 →
The value is 0.01 → 0.1 → 0.5.
【0022】損失係数に影響を与える主な要因は,主に
材料の粘性、材料粒子の間の摩擦、異質材料(媒質)の
間の波の反射等が考えられる。コンクリートでは,特に
固体の部分と空隙やマイクロクラックとの間の波の反射
と乱射は,材料の損失係数に大きく影響を与える。もち
ろん空隙、マイクロクラックが多く大きいほど,コンク
リートの損失係数が大きくなる。なお,損失係数は振幅
の減少で計算され,波のエネルギーの変化と相関する。
これにより,コンクリートの中に健全部と損傷部が共存
しても,エネルギーが損傷部で多く減衰されるために,
計測した振幅の減少に表れる。すなわち損失係数が大き
いほど,材料劣化程度が大きい。コンクリートの中に鉄
筋があっても,その面積率(鉄筋比)が少ない(一般的
に数パーセント過ぎない)ので,全体のエネルギーに対
する影響が小さい。なお,水のせん断剛性は非常に小さ
いので,表面波に対する影響は空気間隙もほぼ同じであ
る。したがって,表面波の損失係数Hrによりコンクリ
ートの劣化を評価する手法は,既存の速度で評価する手
法に比べると,大きなメリットを持つ。The main factors affecting the loss coefficient are mainly the viscosity of the material, friction between material particles, reflection of waves between foreign materials (medium), and the like. In concrete, wave reflection and radiation, especially between solid parts and voids or microcracks, have a large effect on the loss factor of materials. Of course, the greater the number of voids and microcracks, the greater the loss factor of concrete. Note that the loss factor is calculated by decreasing the amplitude, and correlates with the change in wave energy.
As a result, even if a healthy part and a damaged part coexist in concrete, energy is attenuated at the damaged part.
It appears in the decrease in the measured amplitude. That is, the larger the loss coefficient, the greater the degree of material degradation. Even if there is a reinforcing bar in the concrete, its area ratio (rebar ratio) is small (generally only a few percent), so the effect on the overall energy is small. Since the shear rigidity of water is very small, the effect on surface waves is almost the same in the air gap. Therefore, a technique by loss factor H r of the surface wave to evaluate the degradation of the concrete, as compared to the method of evaluating at existing speeds, with significant benefits.
【0023】ただし,損失係数の確定について,最も困
難なポイントはセンサーの取付により信号採取のバラツ
キであると考えられる。速度を求めるには,単に到達時
点で決められるのに対して,損失係数を求めるには,信
号の振幅を把握しなければならない。但し,信号の振幅
は,受信センサーの取付方法、位置及びチャンネルの固
有誤差(センサー、コード、チャージアンプ、ケーブ
ル、A/D転換等に)に大きく影響されるので,この問
題を解決できなければ,損失係数を精度よく求めるのは
極めて困難である。However, regarding the determination of the loss coefficient, the most difficult point is considered to be the variation in signal sampling due to the mounting of the sensor. To determine the speed, it is simply determined at the time of arrival, whereas to determine the loss factor, the amplitude of the signal must be known. However, the signal amplitude is greatly affected by the mounting method of the receiving sensor, the position and the inherent error of the channel (sensor, cord, charge amplifier, cable, A / D conversion, etc.). It is extremely difficult to accurately determine the loss coefficient.
【0024】上記の誤差は,基本的に二つタイプに分け
られる。 (イ) ランダムノイズによる誤差:主に電気的なノイ
ズ及び環境ノイズにもたらされる誤差である。このよう
な誤差を除去するために,バンドパースフィルタ(BP
F)等を利用する。なお,同一場所での複数発振や,複
数の測線で探査する。理論的には,N次測定の結果を平
均すれば,信号ノイズ比(S/N) (ロ) 固定誤差:センサーの取付方式、場所、各チャ
ンネルの各々の特性によるものである。この問題を解決
するためにいろいろな工夫をした。まず複数センサーを
並べて,例えば8個の場合,前後4つのセンサーの平均
値を用いて解析する(図4)。次にセンサーの取付表面
を研磨するなどにより,センサーとコンクリート面の密
着を図る。なお,試験前に各チャンネルに対するキャリ
ブレーションを行なう。本発明には,この問題を抜本的
に解決するために,双方向発振技術が開発された(図
5)。この手法による誤差消去の原理は,二つセンサー
の例をとして(図6)次のように示される。The above errors are basically divided into two types. (B) Error due to random noise: An error mainly caused by electrical noise and environmental noise. In order to remove such errors, a band-pass filter (BP
F) etc. are used. In addition, exploration is performed using multiple oscillations at the same location and multiple survey lines. Theoretically, if the results of the Nth order measurement are averaged, the signal-to-noise ratio (S / N) (B) Fixed error: This is due to the sensor mounting method, location, and characteristics of each channel. Various ideas were devised to solve this problem. First, a plurality of sensors are arranged and, for example, in the case of eight sensors, analysis is performed using an average value of four sensors before and after (FIG. 4). Next, the sensor is attached to the concrete surface by polishing the mounting surface of the sensor. Note that calibration is performed for each channel before the test. In the present invention, a bidirectional oscillation technology was developed to drastically solve this problem (FIG. 5). The principle of error elimination by this method is shown as follows using an example of two sensors (FIG. 6).
【0025】発振した信号の大きさをS0、チャンネル
−1とチャンネル−2で採取した信号をそれぞれS1と
S2とし,コンクリートによる減衰率はf0,チャンネ
ル−1とチャンネル−2による減衰率はそれぞれf1f
2にすれば,チャンネル−1から発振の場合に,信号比
η1はThe magnitude of the oscillated signal is S 0 , the signals collected in channels 1 and 2 are S 1 and S 2 , respectively, and the attenuation factor of concrete is f 0 , and the attenuation factors of channel 1 and channel 2 are: The rates are f 1 f
If 2, in the case of the oscillation from the channel -1, the signal ratio eta 1 is
【数2】 である。同様に,チャンネル−2から発振の場合に,信
号比η2は(Equation 2) It is. Similarly, when oscillating from channel-2, the signal ratio η 2 is
【数3】 である。この二つの信号比を数式4のように平均処理す
れば,真値f0が求められる。(Equation 3) It is. If averaging as Equation 4 the two signal ratio, the true value f 0 is determined.
【数4】 (Equation 4)
【0026】これらの手法によれば,測定誤差を相当程
度削除し,表面波損失係数Hrを精度よく測定すること
が可能になる。表面波の位相速度Vrと合せ,コンクリ
ートの中に微小亀裂による損傷,又は材質(結合材、骨
材)の変化を反映していると考えられる。According to these methods, it is possible to eliminate the measurement error to a considerable extent and measure the surface wave loss coefficient Hr with high accuracy. Phase velocity V r and mating surface waves, damage microcracks in the concrete, or material (binder, aggregate) is believed to reflect the changes in the.
【発明の実施の形態】本発明の方法によるコンクリート
劣化を測定するには,次の順序で行なう。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The measurement of concrete deterioration by the method of the present invention is performed in the following order.
【0027】ハンマー等を用いて打撃により発振する。
ハンマーの重さ、材質、先端形状によって発振する表面
波(特に衝撃により強制振動部分)の波長を変えること
が可能である。すなわち,ハンマーが重いほど,軟らか
いほど,発生する表面波の波長が長くなる。コンクリー
トの浅い表層劣化を測定すれば,短い波長が望ましい。
一方,深いところまで測定するために,長い波長が望ま
しい。Oscillation occurs by hitting using a hammer or the like.
It is possible to change the wavelength of the oscillating surface wave (particularly the part that is forcibly vibrated by impact) depending on the weight, material and tip shape of the hammer. In other words, the heavier and softer the hammer, the longer the wavelength of the generated surface wave. Shorter wavelengths are desirable when measuring shallow surface degradation of concrete.
On the other hand, a long wavelength is desirable for measuring deep.
【0028】発振信号を採取する。ここで設計・制作し
た信号採取システムの構成は,図4に示される。使われ
るセンサーは加速度ピックアップであり,その共振周波
数30KHz以上,周波数範囲は,fc〜5KHz±
0.5dB,fc〜12KHz±3dBである。A/D
ボードの変換速度は1μs/ch,最大16chまで入
力できる。現段階8chが使われている。トリガーはソ
フトで設定され,信号サンプリングはそれに対応して行
なう(図7)。採取した加速度信号をデジタル信号に転
換させ,パソコンのハードディスクに保存させる。必要
に応じて,フィルタ(電気フィルタとデジタルフィル
タ)による環境ノイズの除去を行なう。An oscillation signal is collected. The configuration of the signal sampling system designed and produced here is shown in FIG. The sensor used is an acceleration pickup whose resonance frequency is 30 kHz or higher, and the frequency range is fc to 5 kHz ±
0.5 dB, fc to 12 KHz ± 3 dB. A / D
The conversion speed of the board can be input at 1 μs / ch and up to 16 channels. At present, 8 channels are used. The trigger is set by software, and the signal sampling is performed correspondingly (FIG. 7). The collected acceleration signals are converted to digital signals and stored on the hard disk of the personal computer. If necessary, remove environmental noise using filters (electrical filter and digital filter).
【0029】解析によりコンクリート劣化を推定する。
採取したデータを,次のような順序で解析することによ
って,コンクリートの劣化程度を推測する。 (イ) 計測した波動の走行時間を補正する。A/Dボ
ードにより各チャンネルに対するサンプリングは,順番
に行なわれるので,各チャンネルの間わずかながらズレ
(この時間ズレはA/Dボードのサンプリング周期に相
当する)が生じる。このズレに対する補正が行なわれ
る。 (ロ) 表面波位相速度Vrを計算するThe concrete deterioration is estimated by the analysis.
The degree of concrete deterioration is estimated by analyzing the collected data in the following order. (B) Correct the measured travel time of the wave. Since sampling is performed for each channel by the A / D board in order, a slight shift between the channels (this time shift corresponds to the sampling cycle of the A / D board) occurs. Correction for this deviation is performed. (B) Calculate the surface wave phase velocity Vr
【数6】 ここでは,L,tはそれぞれ表面波の走行距離と走行時
間である。複数センサーの場合には最小二乗法により計
算する。(Equation 6) Here, L and t are the traveling distance and traveling time of the surface wave, respectively. In the case of a plurality of sensors, calculation is performed by the least square method.
【数7】 ここで,上付“−”は平均値を意味する。 (ハ) 積分により、加速度信号を速度信号に転換す
る。速度信号は,直接的に表面波のエネルギーに相関す
るので,計測した加速度信号を次のように積分して速度
信号に転換させる。(Equation 7) Here, the superscript "-" means an average value. (C) The acceleration signal is converted into a speed signal by integration. Since the speed signal directly correlates with the energy of the surface wave, the measured acceleration signal is integrated as follows and converted into a speed signal.
【数8】 但し,積分した速度は基線補正も行なう。 (ニ) 幾何減衰を補正する。表面波速度振幅の幾何減
衰を、次の式により補正する。(Equation 8) However, the integrated speed also performs baseline correction. (D) Compensate for geometric attenuation. The geometric attenuation of the surface wave velocity amplitude is corrected by the following equation.
【数9】 但し、Aは振幅,rは振源(打撃地点)からの距離。脚
注0は規準点(トリガーチャンネル)を表す。 (ホ) せん断波成分の影響に対する補正をする。理論
的には,弾性体表面で発振する波の中で,エネルギーの
約26%はせん断波で占められる。弾性体の表面に沿っ
て,せん断波はr−2で減衰していくので,発振振源か
らある程度離れると,せん断波の成分がほとんどなくな
ることが分かる。但し,振源に近い場所(センサー)で
取った信号には,一定のせん断波が含まる。この成分の
除去も行なうことにする。 (ヘ) 材料減衰Hrを計算する。(Equation 9) Here, A is the amplitude, and r is the distance from the vibration source (hitting point). Footnote 0 represents a reference point (trigger channel). (E) Correct the effects of shear wave components. Theoretically, in the wave oscillating on the elastic body surface, about 26% of the energy is occupied by the shear wave. Since the shear wave is attenuated at r- 2 along the surface of the elastic body, it can be seen that the component of the shear wave almost disappears when it is separated from the oscillation source to some extent. However, a signal taken at a location (sensor) close to the source contains a certain shear wave. This component will also be removed. Calculating the (f) material damping H r.
【数10】 で表される。λは表面波の波長である。(Equation 10) It is represented by λ is the wavelength of the surface wave.
【0030】[0030]
【実施例】現時点では,コンクリートブロック又は構造
物に対する測定例が図1と図7のように示される。全体
として,見かけ状態と測定結果が良く一致している。な
お,Vrが速いほど,Hrが低い傾向が見られる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS At present, examples of measurement on concrete blocks or structures are shown in FIGS. As a whole, the apparent state and the measurement result agree well. It should be noted that Hr tends to be lower as Vr is faster.
【0031】その中に,一部分場所コンクリートの一軸
圧縮強度σcが分かっている。σc〜Vr及びσc〜H
rとの関係はそれぞれ図8と図9に示される。基本的に
は,両方とも一定の相関性が見られる。It is known that the unconfined compressive strength σ c of the concrete is partially contained therein. σ c VV r and σ c HH
The relationship with r is shown in FIGS. 8 and 9, respectively. Basically, both have a certain correlation.
【0032】この中に示す,Mダムに対する調査結果
は,他のデータに比べVrが非常に遅いにもかかわら
ず,Hrがそれほど高くなく,他のデータから外れる特
殊性を持ったデータであることがわかる。そこでコア採
取によるコンクリートの密度、強度試験を行なった。試
験結果は,コンクリートの密度が1.9〜2.1g/c
m3しかなく,普通コンクリート(密度が一般的に2.
3〜2.4g/cm3)に比べると非常に少ないことを
示した。しかしながら,その強度は200kg/cm2
以上を持ち,平均的コンクリート強度と同程度であっ
た。この結果からMダムのコンクリートは,他のコンク
リートに比べ特異であることが明らかとなった。本測定
結果はそれを反映しており,本発明の有効性が裏付けら
れた。[0032] shown in this, survey results for M dam, despite the very slow V r compared to other data, H r is not so high, the data that has the particularity to deviate from other data You can see that there is. Therefore, concrete density and strength tests were conducted by core sampling. The test results showed that the density of concrete was 1.9 to 2.1 g / c.
m 3 only without, usually concrete (density is generally 2.
3 to 2.4 g / cm 3 ). However, its strength is 200 kg / cm 2
Having the above, it was about the same as the average concrete strength. From this result, it became clear that the concrete of M dam is unique compared to other concrete. The present measurement results reflect that, confirming the effectiveness of the present invention.
【0033】なお,Nダムに対する測定には,発振機構
の変化により発振する表面波の波長を変える試験を行な
った。発振した表面波の波長、位相速度及び損失係数の
平均値が図2に表される。表面波の深さ方向の伝播特性
によって,測定した場所のコンクリートは,表層より内
部の方の強度又弾性係数が高いと考えられる。In the measurement for the N dam, a test was performed in which the wavelength of the oscillating surface wave was changed by changing the oscillation mechanism. FIG. 2 shows the average value of the wavelength, phase velocity, and loss coefficient of the oscillated surface wave. Due to the propagation characteristics of surface waves in the depth direction, it is considered that the concrete at the measured location has a higher strength or elastic modulus on the inside than on the surface.
【0034】現在,Vr、Hrとコンクリート力学特性
との定量的な相関関係,ちなみに劣化原因との関係につ
いて,積極的な研究を進めている。なお,計測結果の精
度とについては,Vrの方がHrより高く、バラツキも
少ないこともある。したがって,計測結果のバラツキな
どを考慮して,より信頼性高いのコンクリート材料劣化
の非破壊測定技術を目指している。At present, active research is being conducted on the quantitative correlation between V r and H r and the mechanical properties of concrete, and in particular, on the relationship with the cause of deterioration. Note that the measurement results accuracy, who V r is higher than H r, sometimes the variation is small. Therefore, we are aiming for a more reliable non-destructive measurement technique for concrete material degradation in consideration of the dispersion of measurement results.
【0035】[0035]
【発明の効果】以上詳しく説明した通り,本発明は,構
造物のコンクリートの力学特性を精度よくかつ非破壊に
て測定することが可能である。As described in detail above, the present invention makes it possible to accurately and nondestructively measure the mechanical properties of concrete of a structure.
【図1】本発明によるコンクリート劣化調査例の一覧で
ある。表中斜体字は,単方向発振によるものである。FIG. 1 is a list of concrete deterioration investigation examples according to the present invention. The italic characters in the table are due to unidirectional oscillation.
【図2】Nダムに対して発振機構により発振した表面波
の波長変化,及びその位相速度と損失係数の一覧であ
る。FIG. 2 is a list of wavelength changes of surface waves oscillated by an oscillation mechanism with respect to an N dam, and their phase velocities and loss coefficients.
【図3】本発明の方法で,構造物コンクリート力学特性
の測定イメージを示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a measurement image of a structural concrete mechanical property in the method of the present invention.
【図4】本発明の方法にて,信号採取システムの構成を
示した図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a signal sampling system according to the method of the present invention.
【図5】本発明の方法で振動信号を採取するために,ト
リガーとサンプリング順序の設定方式を示した図であ
る。FIG. 5 is a diagram illustrating a method of setting a trigger and a sampling order in order to collect a vibration signal according to the method of the present invention.
【図6】双方向発振により誤差消去する手法の原理であ
る。FIG. 6 shows the principle of a technique for eliminating errors by bidirectional oscillation.
【図7】本発明によるコンクリート材料に対するVr〜
Hrの調査結果である。FIG. 7: V r コ ン ク リー ト for concrete material according to the invention
It is a survey of H r.
【図8】本発明によるコンクリート材料に対する計測し
たσc〜Vr関係である。FIG. 8 is a measured σ c VV r relationship for a concrete material according to the present invention.
【図9】本発明によるコンクリート材料に対する計測し
たσc〜Hr関係である。FIG. 9 is a measured σ c HH r relationship for a concrete material according to the present invention.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江川 顕一郎 東京都八王子市元横山町1丁目2番13号 株式会社セントラル技研内 Fターム(参考) 2G047 AA10 BA04 BC02 BC03 BC09 CA03 CB03 2G061 AA13 BA15 CA08 EA06 EA07 EA09 EB02 EB08 EC02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Kenichiro Egawa 1-2-13 Motoyokoyamacho, Hachioji-shi, Tokyo F-term in Central Giken Co., Ltd. (Reference) 2G047 AA10 BA04 BC02 BC03 BC09 CA03 CB03 2G061 AA13 BA15 CA08 EA06 EA07 EA09 EB02 EB08 EC02
Claims (3)
におけるセンサーに採取され(図3),その中の表面波
の走行速度(位相速度)と損失係数によってコンクリー
トの力学特性及び劣化度を非破壊で測定する。1. The oscillated elastic wave is collected by a sensor on the concrete surface (FIG. 3), and the mechanical properties and the degree of deterioration of the concrete are non-destructively determined by the traveling speed (phase speed) and the loss factor of the surface wave therein. Measure with
の影響,計測機械の測定誤差を削減する。2. The two-way oscillation technology reduces the effect of mounting a sensor and the measurement error of a measuring machine.
気又はデジタル)を利用して弾性波の波長を変えること
によって,コンクリート深さ方向の劣化を測定する。3. Deterioration in the concrete depth direction is measured by changing the oscillation mechanism or changing the wavelength of the elastic wave using a filter (electric or digital).
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