JP2002090350A

JP2002090350A - 磁歪体含有構造物の非破壊検査方法

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Publication number: JP2002090350A
Application number: JP2000275934A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nishikawa; 雅弘西川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】トンネル等の鉄筋コンクリート構造物及びそ
の他の磁歪体含有構造物内の欠陥や内部構造を確実に検
出できる磁歪体含有構造物の非破壊検査方法を実現す
る。【解決手段】本発明に係る磁歪体含有構造物の非破壊
検査方法は、磁歪体含有構造物内の磁歪体に変動磁場Δ
Ｂ（ｔ）を外部から印加し、この変動磁場ΔＢ（ｔ）に
よる磁歪効果を通して磁歪体を微小振動させ、この磁歪
体を超音波振動源として磁歪体含有構造物内に超音波を
伝播させ、磁歪体含有構造物の表面で超音波を検出して
磁歪体含有構造物内の構造を検出することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はトンネル、橋脚、ビ
ル骨格等の鉄筋コンクリート構造物及びその他の磁歪体
含有構造物の非破壊検査方法に関し、更に詳細には、構
造物内部の鉄筋などの磁歪体に変動磁場を印加して微小
振動を起こさせ、構造物内部を伝播してきた超音波を検
出して構造内部を探知する磁歪体含有構造物の非破壊検
査方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、トンネル、橋脚、ダム、建物骨
格、高速道路構造物などの鉄筋コンクリート構造物は長
期に亘る耐久性と安全性を有するものと信じられてき
た。その結果、土木建築においては鉄筋コンクリート構
造又は鉄骨鉄筋コンクリート構造を採用するのが常道で
あった。

【０００３】図７に示すように、鉄筋コンクリート構造
物２は鉄筋４とコンクリート構造物６とが一体に組み合
わされて構成される。その構造的原理は、各部材に働く
圧縮力をコンクリート構造物６が支持し、鉄筋４はコン
クリートの引張応力の弱点をカバーしてそれを負担し、
両者一体となって他の剪断力などの外力にも対抗しよう
とするものである。

【０００４】他に鉄骨鉄筋コンクリート構造物もある
が、これは鉄骨架構を鉄筋コンクリートが被覆・補強し
た構造であり、外力は主に鉄骨が負担し、その周りを取
りまく鉄筋コンクリートは火災時などにおいて鉄骨の被
覆や補強を行なう。従って、コンクリート構造体として
の共通性から、鉄骨鉄筋コンクリート構造物も本発明に
含まれ、少なくとも鉄筋コンクリート構造を有するもの
は本発明の鉄筋コンクリート構造物に包含される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、鉄筋コンクリー
ト構造物の耐久性が疑問視される現象が発見されてい
る。空気中の炭酸ガスや排気ガス中に含まれるＮＯ_X、
ＳＯ_Xがコンクリートのアルカリ性を中和し、この中性
化が鉄筋表面にまで及ぶと発錆して鉄筋の耐力が下がっ
て危険な状態になる。また、特に注目されているアルカ
リ骨材反応のようにコンクリート自体が脆化してひび割
れなどが生じ、鉄筋コンクリート構造物が崩落する危険
性を指摘する声もある。

【０００６】これを裏づけるかのように、最近、鉄道用
トンネル内でコンクリートブロックが崩落したり、コン
クリート壁面にひび割れが生じる現象が発見されてい
る。これは高速道路用トンネルでも生じ得る現象であ
り、崩落中のコンクリートブロックが列車や自動車に落
下・衝突した場合には大事故につながる。

【０００７】このコンクリート崩落事故を防止するた
め、鉄道用トンネルの一斉点検が行なわれている。とこ
ろが、そのために用いられる手法は、コンクリート表面
をハンマーでたたいて、崩落すべきものは崩落させ、内
部に亀裂がある場合には反響音でそれを確認しようとす
る極めて原始的な方法である。

【０００８】勿論、ハンマー使用と反響音による確認は
有効な方法であるが、点検により安全と判定されたトン
ネル内で、数日後にコンクリートブロックの崩落が確認
される事態も生じている。従って、ハンマー打ちも充分
な方法とは言えない現状である。このような中で、走行
中の列車にトンネル内で落下物が衝突し、窓ガラスが破
損するという危険な事故が現出するに到った。

【０００９】従って、本発明の目的は、トンネル等の鉄
筋コンクリート構造物及びその他の類似構造物内の欠陥
や内部構造を確実に検出できる新規で独創的な非破壊検
査方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、磁歪
体含有構造物内の磁歪体に変動磁場を外部から印加し、
この変動磁場による磁歪効果を通して磁歪体を微小振動
させ、この磁歪体を超音波振動源として磁歪体含有構造
物内に超音波を伝播させ、磁歪体含有構造物の表面で超
音波を検出して磁歪体含有構造物内の構造を検出するこ
とを特徴とする磁歪体含有構造物の非破壊検査方法であ
る。

【００１１】請求項２の発明は、前記磁歪体含有構造物
内の磁歪体に定常磁場を外部から印加し、この定常磁場
の大きさを変えて前記微小振動の発振感度を調整した請
求項１記載の磁歪体含有構造物の非破壊検査方法であ
る。

【００１２】請求項３の発明は、磁歪体含有構造物の表
面に電磁石を配置して前記磁場を印加する請求項１又は
２記載の非破壊検査方法である。

【００１３】請求項４の発明は、磁歪体含有構造物の表
面に永久磁石と電磁石を配置し、定常磁場を永久磁石に
より、変動磁場を電磁石により印加する請求項２記載の
非破壊検査方法である。

【００１４】請求項５の発明は、磁歪体含有構造物の表
面に超音波検出器を配置して構造物内を伝播してきた超
音波を検出する請求項１又は２記載の非破壊検査方法で
ある。

【００１５】請求項６の発明は、磁歪体含有構造物の被
検査領域の全表面を前記超音波検出器により走査する請
求項５記載の非破壊検査方法である。

【００１６】請求項７の発明は、前記磁歪体含有構造物
が鉄筋コンクリート構造物であり、前記磁歪体が鉄筋で
ある請求項１ないし６に記載の非破壊検査方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明者は鉄筋コンクリート構造
物の内部構造を非破壊的に検査する新規な方法を鋭意研
究する中で、鉄材が典型的な磁歪物質であることに着眼
し、鉄材に変動磁場を印加すると、鉄材自体が磁歪効果
により変動磁場と同じ振動数で力学的に微小振動するこ
とを想到するに到った。

【００１８】鉄筋コンクリート構造物の外部から鉄筋に
変動磁場を付与すると、鉄筋がコンクリート内部で振動
し、この振動がコンクリート内部を伝播して表面に伝わ
る。この振動を超音波領域で生起させると、大気中で騒
音を発生しないから無騒音で作業環境が極めてよくな
り、しかも既存の超音波エレクトロニクス技術を全面的
に利用することが可能になる。

【００１９】伝播してきた超音波振動は鉄筋コンクリー
ト構造物の内部構造を反映しているから、この超音波振
動を受信して解析すれば鉄筋コンクリート構造物の内部
構造を非破壊検査することが可能になる。

【００２０】つまり、本発明の特徴は、磁歪効果により
構造物内部の材料を超音波振動させて非破壊検査する点
にある。鉄材は有力な磁歪材料であるが、磁歪材料は鉄
に限られるものではない。一般に、磁歪材料は強磁性体
などのように磁歪効果を発現する材料を指称し、金属、
合金、金属含有化合物などからなる。より具体的には、
鉄、コバルト、ニッケル、これらの合金、アルフェロ合
金、フェライト、その他公知の磁歪材料を含む。

【００２１】磁歪材料は内部に無数の磁区を有し、この
磁区は自発磁化の方向に歪んでいることが分かってい
る。この磁歪材料に外部磁場を加えると、外部磁場によ
り磁化の方向が回転し、歪みの方向も大きさも変化す
る。即ち、磁化によって磁歪材料が僅かに変形する現象
が磁歪効果であり、外部磁場として変動磁場を印加する
と、この微小変化が変動磁場に応答して振動する。本発
明は、この磁歪体の微小振動を超音波振動源とするもの
である。

【００２２】従って、鉄筋コンクリート構造物は本発明
に係る非破壊検査の対象の一例にすぎず、磁歪体を内部
に含有する構造物であれば、全て本発明の非破壊検査の
対象となる。この磁歪体を外部変動磁場によって強制的
に超音波振動させ、伝播してきた超音波を構造物表面で
受信して解析すれば、内部構造を簡単に検出することが
できる。

【００２３】磁歪材料の歪みの大きさ、つまり磁歪効果
は外部磁場の大きさに依存する。定常磁場で議論する
と、歪みの大きさは印加される定常磁場がある領域にお
いてピークをとる。従って、変動磁場を印加した際に生
じる微小振動の振幅を大きくするには、定常磁場により
磁歪感度を良好にした状態で変動磁場を印加することが
必要である。このように、定常磁場と変動磁場の合成磁
場を磁歪体に印加することにより、磁歪体含有構造物の
非破壊検査を最適状態で実施することが可能になり、検
出精度の向上を図ることができる。

【００２４】定常磁場を印加するには、直流を用いた電
磁石による方法と永久磁石による方法がある。他方、変
動磁場を印加するには交流を用いた電磁石による方法が
ある。従って、定常磁場と変動磁場の合成磁場を印加す
るには、電磁石による方法と、永久磁石と電磁石による
方法がある。

【００２５】以下に、本発明に係る磁歪体含有構造物の
非破壊検査方法の実施形態を、鉄筋コンクリート構造物
を例にとって図面に従って詳細に説明する。図１は本発
明の実施形態の一例を示す概要説明図である。鉄筋コン
クリート構造物２は鉄筋４の周囲に所定形状をしたコン
クリート構造物６からなっており、このコンクリート構
造物６の中に検出すべき欠陥７が存在する。

【００２６】この鉄筋コクンクリート構造物２の表面２
ａに接触させてコ字型鉄芯などの磁芯８が配設されてい
る。この磁芯８には励磁コイル１０が巻回され、励磁コ
イル１０の両端には直流電源１２と交流電源１４が直列
接続されている。また、表面２ａ上には圧電素子などか
らなる超音波検出器１６が配置されている。

【００２７】前記直流電源１２は直流電圧Ｖ₀ を出力
し、交流電源１４は交流電圧△Ｖ（ｔ）を出力する。直
流電圧Ｖ₀ は交流電圧△Ｖ（ｔ）の振幅より大きいとす
る。励磁コイル１０に加えられる電圧Ｖ（ｔ）はＶ
（ｔ）＝Ｖ₀＋△Ｖ（ｔ）で与えられるから、励磁コイ
ル１０に流れる電流は常に矢印ａ方向に流れる変動電流
になる。

【００２８】この変動電流により、磁芯８の上端８ａが
Ｎ極、下端８ｂがＳ極となり、鉄筋４を通るように外部
に磁力線１８が発生する。図２に示すように、前記磁力
線１８によって生じる外部磁場はＢ（ｔ）＝Ｂ₀＋△Ｂ
（ｔ）で表され、２つの項、即ち定常磁場Ｂ₀ と変動
磁場△Ｂ（ｔ）の合成磁場Ｂ（ｔ）となる。つまり、定
常磁場Ｂ₀ は鉄筋４中で磁力線１８の方向を向いている
が、変動磁場△Ｂ（ｔ）は磁力線１８の方向に上下に振
動する。

【００２９】一般に、変動磁場△Ｂ（ｔ）は定常磁場Ｂ
₀ より小さくとるために、△Ｂ（ｔ）／Ｂ₀ は１／３〜
１／５０の程度に設定されることが望ましい。また、Ｂ
₀は２０００〜８０００ガウス、△Ｂ（ｔ）の振動数は
０．１〜２．０ＭＨｚ程度が望ましい。しかし、これら
の数値は磁歪体の材料や構造物の厚みや幾何学的形状に
依存し、上記範囲に制限されるものでないことは当然で
ある。

【００３０】図３は定常磁場Ｂ₀と鉄筋の定常歪みＦ₀と
の関係図である。定常磁場Ｂ₀は磁束密度で与えられて
いる。この図から分かるように、定常歪みＦ₀は最適磁
場Ｂ₀ _mで最大ピークとなる。この最適磁場Ｂ_0mを定常磁
場として印加しながら変動磁場ΔＢを同時に印加したと
きに、変動磁場ΔＢによる変動歪みΔＦ（ｔ）の振幅は
最大になる。

【００３１】図４は変動歪みΔＦ（ｔ）の時間変化を示
す。この変動歪みΔＦ（ｔ）の最大振幅がΔＦ₀であ
り、この最大振幅ΔＦ₀は最適磁場Ｂ_0mを印加すること
によって実現される。図１には、鉄筋４の周方向に変動
歪みΔＦ（ｔ）が作用することが示されており、この変
動歪みΔＦ（ｔ）によって超音波がコンクリート構造体
６の内部に伝播される。

【００３２】変動歪みΔＦ（ｔ）による鉄筋４の径方向
への歪み率は１０−８〜１０−９程度であるが、歪み率
の大きさは変動磁場△Ｂ（ｔ）の大きさに依存する。い
ずれにしても、鉄筋４が発振源となり、コンクリート構
造物６中を超音波が伝播し、この中の欠陥７による超音
波の反射、屈折、散乱等を超音波検出器１６により検出
して、欠陥７を探知する。

【００３３】図５は超音波検出器１６による非破壊検査
の概要説明図である。鉄筋４が超音波振動しているため
に、コンクリート構造物６中を超音波が半径方向に伝播
している。超音波検出器１６が位置Ａにあるとき、欠陥
がないため超音波が直進し、超音波検出器１６は超音波
を検出する。

【００３４】超音波検出器１６を矢印ｂ方向に移動し、
位置Ｂに達したとする。この位置Ｂでは、コンクリート
構造物６中に欠陥７が依存し、超音波はこの欠陥７によ
り反射・散乱を受け、その後方に超音波の到達しない影
領域２０が形成される。従って、位置Ｂでは超音波検出
器１６は超音波を検出できないため、欠陥７がこの近傍
に存在することを探知する。

【００３５】次に、磁芯８を別の場所に移動し、再び超
音波検出器１６を走査して欠陥７の存否を探知する。こ
の様にして磁芯８と超音波検出器１６を移動しながら、
鉄筋コンクリート構造物２の表面２ａの全面を非破壊検
査して欠陥を発見してゆく。

【００３６】図６は本発明の第２実施形態を示す概容斜
視図である。本実施形態では磁芯８の代りに磁芯９と磁
芯１１の２本からなり、磁芯９は電磁石用の磁芯、磁芯
１１は永久磁石からなる。

【００３７】磁芯９には励磁コイル１０が巻回され、そ
の両端には交流電源１４が接続されている。従って、磁
芯９の上下端９ａ，９ｂからは鉄筋４を通る変動磁力線
１８ｂが形成され、鉄筋に対する変動磁場ΔＢ（ｔ）を
構成する。その方向は上下に変動する。一方、永久磁石
である磁芯１１から鉄筋４に対し定常磁力線１８ａが矢
印方向に形成され、鉄筋に対する定常磁場Ｂ₀ を形成す
る。

【００３８】従って、鉄筋４の中には合成磁場Ｂ（ｔ）
＝Ｂ₀＋ΔＢ（ｔ）が形成される。本実施形態の特徴
は、両磁芯９，１１が交叉角θをもって斜交配置されて
いることである。この交叉角θを変化させることによ
り、最も感度のよい角度で非破壊検査が可能となる。

【００３９】交叉角θをもたせるために、磁芯９の上下
端９ａ，９ｂを斜交カットしている。この斜交カットに
より磁芯９は鉄筋コンクリート構造物２の表面に密着配
置でき、磁力線の漏洩が少なくなる。しかし、多少の漏
洩があっても磁力線は鉄筋４に入るから、斜交カットは
適宜設けられればよい。

【００４０】この実施形態においては磁芯１１は永久磁
石であったが、磁芯１１を電磁石に変えて直流電源を結
線しても構わない。また、電磁石の場合に、磁芯をなく
して空芯とすることもできる。磁場が強くなると磁性体
が飽和してしまい、空芯の方がよい領域があるからであ
る。

【００４１】本発明の要点は、外部から印加される変動
磁場により内部の鉄筋に磁歪効果に基づく超音波振動を
生起させる点にある。換言すれば、電磁石等の外部磁石
装置により鉄筋自体に磁歪超音波振動を起こさせるもの
で、欠陥７の検出が極めて容易になる。

【００４２】表面２ａに超音波振動体を外接させる従来
方法では、超音波検出器１６に超音波振動体からの直達
波と、欠陥７からの反射波と、鉄筋４からの反射波が重
なって到達し、これらの波を分離するために複雑な操作
が必要となる。これに対し、本発明は内部で超音波振動
を生起させるから、超音波の検出が容易になる。

【００４３】前記実施形態では、磁歪体含有構造物の一
例として鉄筋コンクリート構造物を取り上げ、磁歪体と
して強磁性体の鉄筋の場合を説明してきた。しかし、磁
歪体含有構造物としては、地中に埋設された鉄剣などの
考古学遺跡や鉄鉱石を含有した鉱脈等でもよく、この場
合には鉄剣や鉄鉱石を磁歪体として用い、これらに磁歪
振動を生起させてその超音波伝播から構造体の内部構造
を非破壊的に検査することもできる。従って、本発明は
磁歪体を含有する構造物に対して広く適用でき、このと
き内部欠陥とは伝播する超音波を反射・屈折・散乱させ
る内部構造と考えればよい。

【００４４】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種
々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含する
ものである。

【００４５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、磁歪体含有構
造物の内部に存する磁歪体を超音波発振源にできるか
ら、磁歪体含有構造物内の欠陥等の内部構造による超音
波の伝播異常を構造物表面で簡単且つ確実に検出でき、
例えばコンクリートの崩落事故を未然に防止することが
できる。

【００４６】請求項２の発明によれば、磁歪体に定常磁
場を加えることにより磁歪感度を最良状態に設定でき、
変動磁場を加えた際の超音波振動の振幅を大きくして、
超音波受信感度を効果的に高めることができる。

【００４７】請求項３の発明によれば、磁歪体含有構造
物の表面に電磁石を配置するだけで磁歪体を超音波発振
源にでき、簡単且つ安価に磁歪体含有構造物の非破壊検
査を実行できる。

【００４８】請求項４の発明によれば、近年開発されて
いる強力な永久磁石を電磁石と組み合わせることにより
欠陥（内部構造）の探知ができるから、特別な装置を要
せず、安価に磁歪体含有構造物の非破壊検査を実行でき
る。

【００４９】請求項５の発明によれば、公知の超音波検
出器を磁歪体含有構造物の表面に配置して内部の欠陥
（内部構造）を発見できるから、磁歪体含有構造物の非
破壊検査を容易に行える。

【００５０】請求項６の発明によれば、磁歪体含有構造
物の対象となる表面全域を超音波検出器により走査すれ
ば、その磁歪体含有構造物の対象域の内部全域をくまな
く非破壊検査することができる。外部磁石装置と超音波
検出器を自走式にしておけば、非破壊検査を効率的に実
行できる。

【００５１】請求項７の発明によれば、鉄筋コンクリー
ト構造物の非破壊検査を効率的に行うことができ、例え
ばトンネル内のコンクリート崩落事故を未然に防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の一例を示す概要説明図であ
る。

【図２】定常磁場Ｂ₀と変動磁場△Ｂ（ｔ）からなる合
成磁場Ｂ（ｔ）の波形図である。

【図３】定常磁場Ｂ₀と鉄筋の定常歪みＦ₀との関係図で
ある。

【図４】図４は変動歪みΔＦ（ｔ）の時間変化を示す。

【図５】超音波検出器による非破壊検査の概要説明図で
ある。

【図６】本発明の第２実施形態を示す概容説明図であ
る。

【図７】鉄筋コンクリート構造物の一部断面斜視図であ
る。

【符号の説明】

２は鉄筋コンクリート構造物、２ａは表面、４は鉄筋、
６はコンクリート構造物、７は欠陥、８・９・１１は磁
芯、１０は励磁コイル、１２は直流電源、１４は交流電
源、１６は超音波検出器、１８・１８ａ・１８ｂは磁力
線、２０は影領域、Ｂ₀は定常磁場、△Ｂ（ｔ）は変動
磁場、Ｂ（ｔ）は合成磁場、Ｂ_0mは最適磁場、Ｆ₀は定
常歪み、ΔＦ（ｔ）は変動歪み、ΔＦ₀は最大振幅。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪体含有構造物内の磁歪体に変動磁場
ΔＢ（ｔ）を外部から印加し、この変動磁場ΔＢ（ｔ）
による磁歪効果を通して磁歪体を微小振動させ、この磁
歪体を超音波振動源として磁歪体含有構造物内に超音波
を伝播させ、磁歪体含有構造物の表面で超音波を検出し
て磁歪体含有構造物内の構造を検出することを特徴とす
る磁歪体含有構造物の非破壊検査方法。
【請求項２】前記磁歪体含有構造物内の磁歪体に定常
磁場Ｂ₀を外部から印加し、この定常磁場Ｂ₀の大きさを
変えて前記微小振動の発振感度を調整した請求項１記載
の磁歪体含有構造物の非破壊検査方法。
【請求項３】磁歪体含有構造物の表面に電磁石を配置
して前記磁場を印加する請求項１又は２記載の非破壊検
査方法。
【請求項４】磁歪体含有構造物の表面に永久磁石と電
磁石を配置し、定常磁場を永久磁石により、変動磁場を
電磁石により印加する請求項２記載の非破壊検査方法。
【請求項５】磁歪体含有構造物の表面に超音波検出器
１６を配置して構造物内を伝播してきた超音波を検出す
る請求項１又は２記載の非破壊検査方法。
【請求項６】磁歪体含有構造物の被検査領域の全表面
を前記超音波検出器１６により走査する請求項５記載の
非破壊検査方法。
【請求項７】前記磁歪体含有構造物が鉄筋コンクリー
ト構造物２であり、前記磁歪体が鉄筋４である請求項１
ないし６に記載の非破壊検査方法。