JP2005283196A

JP2005283196A - コンクリート構造物のひび割れ監視センサーおよびコンクリート構造物のひび割れ監視方法

Info

Publication number: JP2005283196A
Application number: JP2004094243A
Authority: JP
Inventors: Atsuro Moriwake; 敦郎守分; Takahiko Amino; 貴彦網野
Original assignee: Toa Corp
Current assignee: Toa Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】ひび割れ検知を行おうとするコンクリート構造物に対して、各種の構造物の許容ひび割れレベルに対応して、精度良く適切に検知をすることができるコンクリート構造物のひび割れ監視センサーと、コンクリート構造物のひび割れ監視方法を提供すること。
【解決手段】金属線の周囲が硬化材で覆われて固定化されるように該硬化材中に該金属線を埋設固定し、該金属線が単体として本来有する伸長性能を該硬化材で抑制し引張り力により破断されやすくした構造にしてなることを特徴とするコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート構造物のひび割れ監視センサーおよびコンクリート構造物のひび割れ監視方法に関し、更に詳しくは、トンネル、建物、橋脚、堤防、防波堤などの各種のコンクリート構造物のひび割れの発生状況を監視するに際して、その発生状況のレベルや許容レベルに合わせて、逐次、高い精度で監視することを可能にする新規なコンクリート構造物のひび割れ監視センサーとコンクリート構造物のひび割れ監視方法に関するものである。

近年、事故・災害の発生防止や、建造物の老朽化の診断・判断等のため、トンネル、建物、橋脚、堤防、防波堤などの各種コンクリート構造物におけるひび割れの発生状況を監視することが行われている。

そのような監視は、コンクリート構造物を形成するコンクリート部材内において発生するひび割れによって切断されたりまたは断面積の減少を伴って伸長される導電性の線材を該コンクリート部材内に埋設しておいて、該導電性線材に電流を流し、その電気抵抗値の変化を監視することなどにより行われ、該電気抵抗値の変化を検知する警告手段を該導電性線材の中途部に設けること、また、特に、導電性線材の外周を被覆材で保護し、それによりひび割れで断線するのではなく断面積の減少を伴う伸長する構造とすることなどが提案されている（特許文献１）。

また、具体的な適用例として、溶融金属を溶射したりあるいは粉末金属をシート状にした導電性塗布層をトンネル天井部に設けるなどの提案がされている（特許文献２）。

また、長い導電性繊維を用い、特にひび割れがどこの箇所で発生したかを特定して検知することができるようにした方法も提案されている（特許文献３）。

また、フレームと該フレームに巻回された導電性繊維（炭素繊維など）を備えた構成として、設置の際の位置ずれがなく、高精度にひび割れを検知できるというひび割れ検知センサーが提案されている（特許文献４）。

また、コンクリート中に埋設されるセンサーを、黒鉛粉末と炭素繊維等の導電性繊維の短繊維が分散混入されている棒状のセメント硬化体で構成するというひび割れ検知センサーが提案されている（特許文献５）。

また、１液性シリコーン樹脂、２液性シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂にカーボンブラック粉末（炭素粉）を混合した体積抵抗率が５ｋΩ・ｃｍ以下の導電性を有したパテ状を呈する電気導電性材料を１種類または２種類用いてセンサーを構成してコンクリートの表面または内部に埋め込むという提案がされている（特許文献６）。

しかし、いずれの提案も、その検知レベルの大小や検知の正確さが、個々の被検査コンクリート構造物の特質に応じて適切なものであるかという点では、必ずしもそうであるとも言えず、各種個々の被検査コンクリート構造物において、本来検知されるべきひび割れ発生を、リアルタイムにて最も効果的に行うという点ではまだ不十分なものであった。

特に、コンクリート構造物といってもその種類は多種多様であり、例えば、陸橋の橋脚、橋げた、トンネル内壁などの構造物の場合は、ひび割れを発生してコンクリート片が下方に落下したりすると予期せぬ事故や災害を招くことにもなりかねなくリアルタイムでの厳密な監視が重要であり、一方、防波堤、道路などのコンクリート構造物におけるひび割れは多少は許容できる範囲が広い場合もあり、全て同じような監視レベルで監視されるべきでは必ずしもなく、それぞれ適切な監視レベル・監視手法が要請されるのである。

特に、本来許容できる範囲内のひび割れレベルであるにも拘わらず、その段階でいったんセンサー（導電繊維など）が断線して電気が流れなくなってしまうと、それ以降のひび割れの進展に対応したひび割れ検知が全くできなくなってしまい、再度、新品のひび割れセンサーを設置しない限り、本来の適切な監視が継続できないこととなり問題があるのである。

このような問題は、新品のひび割れ監視センサーを再度設置することが比較的容易にできるケースであればまだよいが、コンクリート構造物によっては再設置に困難を伴う場合もあり、設置当初時点からの適切なひび割れ監視センサーの設置が重要な意味を持つこととなる。
特開平９−１５９６３８号公報（特許請求の範囲、段落００１４）特開平１０−３１００２号公報（特許請求の範囲）特開平１０−１１５５９９号公報（特許請求の範囲、段落０００６）特開平１０−１５３５６８号公報（特許請求の範囲、段落００１１）特開平１０−２３８１３９号公報（特許請求の範囲）特開２００２−２５７７６９号公報（特許請求の範囲）

本発明の目的は、上述したような点に鑑み、ひび割れ検知を行おうとするコンクリート構造物に対して、各種の構造物の許容ひび割れレベルに対応して、精度良く適切に検知をすることができるコンクリート構造物のひび割れ監視センサーと、コンクリート構造物のひび割れ監視方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成する本発明のコンクリート構造物のひび割れ監視センサーは、以下の(1) の構成を有するものである。
（１）金属線の周囲が硬化材で覆われて固定化されるように該硬化材中に該金属線を埋設固定し、該金属線が単体として本来有する伸長性能を該硬化材で抑制し引張り力により破断されやすくした構造にしてなることを特徴とするコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。

更に、かかる本発明のコンクリート構造物のひび割れ監視センサーは、より具体的に好ましくは以下の(2) 〜(5) の具体的構成を有するものである。
（２）太さの相違する複数本の金属線が硬化材中に埋設固定されていることを特徴とする上記(1) 記載のコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
（３）金属線が半田線であることを特徴とする上記(1) または(2) 記載のコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
（４）硬化材が、エポキシ樹脂であることを特徴とする上記(1) 、(2) または(3) 記載のコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
（５）硬化材が、ポリマーセメントであることを特徴とする上記(1) 、(2) または(3) 記載のコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。

また、上述した目的を達成する本発明のコンクリート構造物のひび割れ監視方法は、以下の(6) の構成を有するものである。
（６）上記(1) 〜(5) のいずれか１に記載のコンクリート構造物のひび割れセンサーを１種または複数種用いて、コンクリート構造物のひび割れ発生状況を監視することを特徴とするコンクリート構造物のひび割れ監視方法。

更に、かかる本発明のコンクリート構造物のひび割れ監視方法は、より具体的に好ましくは以下の(7)〜(9) の具体的構成を有するものである。
（７）ひび割れセンサーを複数種用いて、コンクリート構造物のひび割れ発生状況を監視するに際して、複数種として、埋設固定されている金属線が同一であり、使用されている硬化材が相違するひび割れセンサーを複数用いることを特徴とする上記(6) 記載のコンクリート構造物のひび割れ監視方法。
（８）ひび割れセンサーを複数種用いて、コンクリート構造物のひび割れ発生状況を監視するに際して、複数種として、使用されている硬化材が同一であり、埋設固定されている金属線が相違するひび割れセンサーを複数用いることを特徴とする上記(6) 記載のコンクリート構造物のひび割れ監視方法。
（９）ひび割れセンサーを複数種用いて、コンクリート構造物のひび割れ発生状況を監視するに際して、複数種として、使用されている硬化材と埋設固定されている金属線のいずれもが相違するひび割れセンサーを複数用いることを特徴とする上記(6) 記載のコンクリート構造物のひび割れ監視方法。

本発明によれば、コンクリート構造物のひび割れ検知（監視）を行おうとするに際して、各種の構造物の許容ひび割れレベルに対応して、精度良く適切に検知をすることを可能にするコンクリート構造物のひび割れ監視センサーと、コンクリート構造物のひび割れ監視方法を提供することができるものである。

また、本発明にかかるひび割れ監視センサーにおいて、太さの相違する複数本の金属線が硬化材中に埋設固定されている態様のものとすることにより、検知可能なひび割れ幅レベルが広範囲なものとなり、ひび割れ発生後から徐々にひび割れ幅が広がっていくのをリアルタイムに近い状態で監視することができるようになる。

また、本発明にかかるコンクリート構造物のひび割れ監視センサーは、硬化材の種類を変えることによっても検知可能なひび割れ幅レベルを相違せしめることができるので、上述の効果を更に広範囲なひび幅レベルで受けることができる。

その結果、コンクリート建造物におけるひび割れ発生状況を精度良く、リアルタイムに近い状況のもとで監視することができるようになる。

本発明のひび割れ検知センサーを用いれば、１本の金属線のみを用いたセンサーでも精度良くひび割れ発生を監視することができ、知りたいひび割れ幅の発生時点をリアルタイムに正確に監視することができる。

本発明のひび割れ検知センサーにおいて、複数本の金属線を使用したもの、かつ、硬化材の種類を複数にしたものなどを、単一であるいは複数個組み合わせて用いることにより、より精度の高いひび割れ発生や、ひび割れ発生後のひび割れ進展をリアルタイムで監視継続をしていくことができる。

以下、図面などに基づいて、更に詳しく本発明について、説明する。

図１は、本発明のコンクリート建造物のひび割れ監視センサーの使用状態例を示した概略モデル斜視図であり、図１に示したように、本発明のコンクリート建造物のひび割れ監視センサー２は、金属線３の周囲が硬化材４で覆われて固定化されるように該硬化材４中に該金属線３が埋設固定されていて、該金属線３が単体として本来有する伸長性能を該硬化材４で抑制していて、引張り力により破断されやすくされた構造のものである。

図１において、１はコンクリート構造物であり、例えば、トンネル、建物、橋脚、堤防、防波堤などのコンクリート製の各種の構造物であり、また、金属線３は図中、上から太線、中太線、細線と３種類の太さの線が、単一のセンサー中に埋設されているものである。

本発明において、使用される金属線は、特に限定されるものではないが導電性を良好に有するものを使用するのが良く、本発明者らの知見によれば、半田（ハンダ）線が好適である。

ハンダ線は、金属として、比較的柔らかく延びやすいものであり、本発明のようなひび割れ監視センサーに用いたときでも、比較的断線しないものであるが、徐々に延ばされて細くなることによる電気抵抗の増加を監視するよりも、上述のように断線がしやすいように硬化材４で、該金属線（ハンダ線）を固定化して被覆するのである。

そのようにして用いることにより、金属線が破断する直前まで、非常に高い導電性を維持したまま、ひび割れ幅の成長に対応して、突然的かつ明確に断線による通電の遮断がされ、ひび割れ幅レベルのキャッチができるようになるものである。

金属線は、ハンダ線で説明したが、ハンダ線だけに限定されるものではなく、例えば、銅線、銅合金線（銅とクロム、銅とマグネシウム等）、鉄線（鋼線）、亜鉛メッキした線材なども好適に用いることができる。

金属線の径は、特に限定されるものではないが、直径で０．１ｍｍ程度から数ミリ程度までのものが好ましく使用できる。

金属線の複数本を単一のセンサー中に埋設するときには、横断面積比（抵抗値）で１．３〜２倍程度相違するものを、細い方から順々に組み合わせていくのがよい。例えば、面積比で、最も細いもの１００に対して、次に細いもの（中細）を１３０〜２００とし、次に細いものをさらに中細の１３０〜２００とすることなどがよい。

また、硬化材４は、上述したように金属線を埋設して固定化できて、かつコンクリート構造物に発生するひび割れに追従して割れることができるものであれば使用することができる。

硬化材４には導電性は特別には必要なく、むしろ、特に複数本の金属線を埋設して使用するようにしたものでは、各金属線の断線の有無を精度良く検知する上で、絶縁性を有する有機系のあるいは無機系の樹脂等を使用するのがよいものである。

具体的には、硬化材４には、エポキシ樹脂やポリマセメントなどを好ましく使用することができる。ただし、エポキシ樹脂やポリマセメントの他にも、本発明者らの知見によれば、セメントモルタル、コンクリート、アクリル樹脂などのパテ状にした高分子材料なども効果的に使用することができる。

ここで、一般的には、エポキシ樹脂は、本発明者らの知見によれば、ひび割れに敏感に追従して割れることができるので、小さなひび割れ幅の範囲内でひび割れ発生〜ひび割れ進行を監視するのに適している。

一方、本発明者らの知見によれば、ポリマセメントは、エポキシ樹脂と同等に初期の小さなひび割れに追従してひび割れるが、ひび割れの進行に対してはエポキシ樹脂よりも鈍感に追従していって割れるタイプであると言うことができ、小さなひび割れ幅のひび割れ発生〜やや大きめなひび割れ幅までのひび割れ進行を監視するのに適している。

すなわち、硬化材種類は、予想されるひび割れの寸法的レベルに対応させて使い分けることも肝要である。

図２の（ａ）は、硬化材４にエポキシ樹脂を使用して、金属線として半田線の直径が０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍの３種のものを、図１に示したように単一のセンサー中に埋設してひび割れ検知の状況を抵抗値曲線で示したものである（直径が０．５ｍｍのものを曲線イ、１．０ｍｍのものを曲線ロ、１．２ｍｍのものを曲線ハでそれぞれ示した）。図２の（ａ）においては、直径が０．５ｍｍの半田線を、周囲を埋設して覆うことなく一面側だけを瞬間接着剤で固定したときのひび割れ検知の状況を抵抗値曲線トで示した。

また、同図（ｂ）は、硬化材４にポリマーセメントを使用して、同様に金属線として半田線の直径が０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍの３種のものを、図１に示したように単一のセンサー中に埋設してひび割れ検知の状況を抵抗値曲線で示したものである（直径が０．５ｍｍのものを曲線ニ、１．０ｍｍのものを曲線ホ、１．２ｍｍのものを曲線ヘでそれぞれ示した）。

かかる図２（ａ）、（ｂ）からわかるように、本発明にかかるセンサーでは、設置時点でのひび割れのない状態からひび割れ発生による切断まで、抵抗値が徐々に増加していくという挙動がほとんどなく一気に切断発生ともに抵抗値が跳ね上がるものであり、非常に精度よく所定幅のひび割れ発生をリアルタイムで検知していることがわかる。

そうした基本挙動のもとで、金属線の直径に対応して、ひび割れ幅の進行度合いに対応して、これも非常に精度よく所定幅のひび割れ発生をリアルタイムで検知している。

また、図（ａ）と（ｂ）を比較してわかるように、硬化材の種類を変更して用いることにより、同じ径の金属線を用いるときでも、検知するひび割れ幅の大小（絶対値）、進行度合いの検知を所望に応じて調整することができる。

本発明にかかるひび割れ検知センサーは、上述のように、抵抗値が徐々に増加していくという挙動がほとんどなく一気に切断発生ともに抵抗値が跳ね上がるものであり、このことは、金属線が徐々に伸びるということがほとんどなく、硬化材の割れ発生とともに一瞬にして切断されていることを示している。

すなわち、本発明における硬化材中への金属線の埋設固定の効果として、該金属線が単体として本来有する伸長性能を該硬化材で抑制し、所定の引張り力が加えられることにより一気に該金属線が破断される構造にしたことにある。

本発明のセンサーにおいては、図２にモデルを示したような、引張り力により伸びることがあまりなく、所定の力が加われば、一気に破断するような挙動を示すように、硬化材の種類や金属線種類など、必要に応じて接着剤の使用などを行うのが重要なのである。

しかして、本発明でいう「埋設固定」とは、引張り力を受けることにより、図２にモデルを示したような破断挙動を金属線が示すように、硬化材中に埋もれて固定化されている状態を言うのである。

以上のような破断挙動を示すことにより、本発明のひび割れセンサーを用いれば、１本の金属線のみを用いたセンサーでも上述のように正確にひび割れ発生を検知でき、特に、金属線の径や硬化材の種類を選ぶことにより、所望により知りたいひび割れ幅のひび割れ発生時点を精度良く監視することができる。

そして、同一径の金属線の使用でも硬化材を変更したもの、あるいは同一の硬化材使用で金属線の径を変更したもの、あるいは、金属線の径および硬化材の種類の双方を変更したものなどの各種の本発明にかかるひび割れ検知センサーを複数種組み合わせて使用すれば、より精度の高いひび割れ発生とひび割れ進展の監視をリアルタイムで行うことができるものである。

本発明のコンクリート建造物のひび割れ監視センサーは、監視をしようとするコンクリート建造物の外周面や外壁面に取り付けられて使用されることもでき、あるいは、監視をしようとするコンクリート建造物のコンクリート内に埋め込まれた形で使用（埋設使用）されることもできる。

従って、該コンクリート建造物の建造と同時にでも、あるいは建造後の時点でも本発明のセンサーを該コンクリート建造物のひび割れ監視に使用することができる。前者の場合には、建造と同時に監視をスタートすることになり、施工主はより安全に建造物の管理ができるので安心であり、また、後者の場合は、現況に合わせて監視したい箇所に設置することができるので、非常に有効な監視をその時点から開始することができる。

図１は、本発明のコンクリート建造物のひび割れ監視センサーの使用状態例を示した概略モデル斜視図である。図２の（ａ）は、硬化材にエポキシ樹脂を用いて、金属線として半田線の直径が０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍの３種のものを単一のセンサー中に埋設して使用して、ひび割れ検知の状況を抵抗値曲線で示したものであり、同図（ｂ）は、硬化材にポリマーセメントを用いたときの同様のひび割れ検知状況を抵抗値曲線で示したものである。

符号の説明

１：コンクリート構造物
２：本発明にかかるコンクリート建造物のひび割れ監視センサー
３：金属線
４：硬化材
曲線イ：硬化材としてエポキシ樹脂を用いた直径が０．５ｍｍの半田線のひび割れ検知の状況を示す抵抗値曲線
曲線ロ：硬化材としてエポキシ樹脂を用いた直径が１．０ｍｍの半田線のひび割れ検知の状況を示す抵抗値曲線
曲線ハ：硬化材としてエポキシ樹脂を用いた直径が１．２ｍｍの半田線のひび割れ検知の状況を示す抵抗値曲線
曲線ニ：硬化材としてポリマーセメントを用いた直径が０．５ｍｍの半田線のひび割れ検知の状況を示す抵抗値曲線
曲線ホ：硬化材としてポリマーセメントを用いた直径が１．０ｍｍの半田線のひび割れ検知の状況を示す抵抗値曲線
曲線ヘ：硬化材としてポリマーセメントを用いた直径が１．２ｍｍの半田線のひび割れ検知の状況を示す抵抗値曲線
曲線ト：瞬間接着剤を用いて直径が０．５ｍｍの半田線を固定したときのひび割れ検知の状況を示す抵抗値曲線

Claims

金属線の周囲が硬化材で覆われて固定化されるように該硬化材中に該金属線を埋設固定し、該金属線が単体として本来有する伸長性能を該硬化材で抑制し引張り力により破断されやすくした構造にしてなることを特徴とするコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
太さの相違する複数本の金属線が硬化材中に埋設固定されていることを特徴とする請求項１記載のコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
金属線が半田線であることを特徴とする請求項１または２記載のコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
硬化材が、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１、２または３記載のコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
硬化材が、ポリマーセメントであることを特徴とする請求項１、２または３記載のコンクリート構造物のひび割れ監視センサー。
請求項１〜５のいずれか１項記載のコンクリート構造物のひび割れセンサーを１種または複数種用いて、コンクリート構造物のひび割れ発生状況を監視することを特徴とするコンクリート構造物のひび割れ監視方法。
ひび割れセンサーを複数種用いて、コンクリート構造物のひび割れ発生状況を監視するに際して、複数種として、埋設固定されている金属線が同一であり、使用されている硬化材が相違するひび割れセンサーを複数用いることを特徴とする請求項６記載のコンクリート構造物のひび割れ監視方法。
ひび割れセンサーを複数種用いて、コンクリート構造物のひび割れ発生状況を監視するに際して、複数種として、使用されている硬化材が同一であり、埋設固定されている金属線が相違するひび割れセンサーを複数用いることを特徴とする請求項６記載のコンクリート構造物のひび割れ監視方法。
ひび割れセンサーを複数種用いて、コンクリート構造物のひび割れ発生状況を監視するに際して、複数種として、使用されている硬化材と埋設固定されている金属線のいずれもが相違するひび割れセンサーを複数用いることを特徴とする請求項６記載のコンクリート構造物のひび割れ監視方法。