JP2005292111A - 鉄筋コンクリートの鉄骨材の非破壊検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材の鉄骨量の推定や金属疲労状態を評価する方法を確立する。
【手段】コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材量を調べるために、コンクリートの周囲に、または一部にコイルや電磁石、磁石等を設置し、その際に交流磁界の強度と交流磁界の周波数、または直流磁界強度を変えて鉄筋コンクリート中の鉄骨材の磁気的な応答特性を測定し、その応答特性とコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材の量との相関を見出した。また磁気的な応答特性とコンクリート中の鉄骨材の金属疲労量との相関を見出した。
【選択図】図３

Description

本発明は、コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄筋や鉄ワイヤー、Ｈ鋼、鉄管等の鉄骨材のコンクリートに対する量及びその劣化状態を非破壊で検査する疲労診断方法に関する。

従来、コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材の金属材料の疲労診断方法として確立された方法はなく、非破壊検査方法として超音波診断、また破壊検査による直接観察法が取られてきており、一部電磁誘導法のような電磁気的手法による漏れ磁界測定法が存在する。

超音波診断法は、コンクリートに超音波を伝播させ、その反射特性から内部の状態を観察する方法である。この方法では、コンクリートに充填される石の分布による影響やコンクリートの厚みによる超音波の減衰による影響から、有効な情報を得ることが出来ない問題があった。

電磁誘導法は、金属材料（導体）に交流磁界を印加したときに発生する渦電流が、欠陥などの電気的に不連続な部分が存在すると乱れることに着目したものである。この電磁誘導法においては、金属材料に交流磁界を印加し、この印加状態においてその表面に生じる渦電流を検出する。このように渦電流を検出すると、金属材料に電気的に不連続な部分が存在していると渦電流が乱れ、この渦電流の乱れを検知することによって、電気的に不連続な部分、すなわちクラックを検出することができる。しかしながら一般的な電磁誘導法では金属の表面特性を測定するために、例えばコンクリート内部の鉄骨量や酸化量、または鉄筋コンクリート中の鉄骨量を測定するものではなかった。

その他に磁粉探傷法では、次のとおりの欠点が存在する。ビッター法を用いた磁粉探傷法の場合には、磁界勾配が発生している箇所、つまり磁気的な欠陥部を測定するが、コンクリート内部にある鉄骨の酸化や切断等が生じても、欠陥部からの距離が離れるため、磁界勾配の大きさが極端に減少し、吸着、凝集力が小さくなり、感度が大きく低下するという問題があった。

コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材を取り出し、金属材料の疲労劣化状態を診断する方法として、走査電子顕微鏡やＸ線解析による結晶歪の測定、結晶解析を用いた方法があることは知られている。これらの方法では、金属材料の組織状態の変化を見ることができるので、微少なクラックが発生する前においても疲労劣化状態を診断することができる。しかし、走査電子顕微鏡によって検査する際には、検査すべき金属材料を破壊して試料片を作成しなければならず、それ故に、建設設置場所にて非破壊で測定することができないという問題があった。

また、金属疲労による磁気欠陥に対して交流磁界を印加して評価を行ったり、直流磁界を印加して評価する方法がある。前者の場合には周波数を変えてインダクタンス変化やバルクハウゼン効果を評価し深さ方向に対する磁気欠陥を評価するものがある。この場合には交流磁界に対して発生する渦電流による効果と、被測定物が持つ磁性による効果の２つが含まれているので情報量は多いが表面の情報を測定するために、コンクリート内部の鉄骨材量を測定する方法としては確立されていなかった。更にコンクリートの表面に金属板を敷設した場合においては、コンクリートの表面の金属板により磁界が遮蔽されるので、コンクリート内部の鉄筋量を測定することはできなかった。また、バルクハウゼン効果も磁壁移動状態から磁気欠陥を探索する方法であり、コンクリート内部での鉄骨材に加わる歪や傷による影響を測定するための評価に応用するには精度が悪い問題があった。

直流磁界を印加しても漏れ磁界から磁気欠陥を検査する方法は、被測定物にある磁気欠陥によって被測定物の表面に発生する漏れ磁界が小さく、地磁気のような数百ミリガウスのものや建物の鉄筋部から発生する磁界も測定するのでノイズが大きくなり、本来、検出するべき被測定物からの漏れ磁界が分からなくなるという問題があった。

材料の磁気的性質の変化を調べる非破壊計測の手段の例として、被測定体に磁界を印加したときに、磁化過程で生じる弾性波のＡＥ信号を検出する方法があるが、強磁性体である被測定体に作用している応力や製造時の残留応力を計測値と関連付けるだけであり、疲労損傷による評価を定性的に行っていない上にコンクリート中の鉄骨量を定量的に調べることができないものであった。

また、上記のバルクハウゼン信号による例として、単一のひずみ損傷および熱時効材にひずみ損傷が負荷された場合の適用例であり、疲労損傷の検出については考慮されていない上に、コンクリート中の鉄骨量を定量的に調べることができないものであった。

特願平９−１８１４７７号公報 特開平５−２０３５５２号公報 特開昭５９−１１２２５７号公報 特開平２−７８９４８号公報

このようなコンクリート中にある鉄骨材の磁気的な性質を用いて鉄骨量を測定する方法として、特に有効な手段がなかったが、本発明の目的は、コンクリート中の鉄骨量を破壊することなく、その量を測定することだけではなく、酸化劣化等の腐食による鉄骨量の変化、更には金属疲労劣化状態を診断することができる方法を提供することである。

本発明は、コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材量を調べるために、コンクリートの周囲に、または一部にコイルや電磁石、磁石等を設置し、その際に交流磁界の強度と交流磁界の周波数、または直流磁界強度を変えて鉄筋コンクリート中の鉄骨材の磁気的な応答特性を測定し、その応答特性とコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材の量との相関を見出した。また同様にコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材の金属疲労に伴う組成の偏析や相転移による磁気的な特性の変化を直流磁界の強度や交流磁界の周波数や交流磁界の強度を変えて印加して評価することにより、磁気的な応答特性とコンクリート中の鉄骨材の金属疲労量との相関を見出した。すなわち、材料にクラックが発生していないもの、例えば結晶転移や粒界偏析状態の変化、結晶配向状態の変化が発生しているだけのものでも、金属材料が疲労劣化することにより、それらの状態が進むに従って交流磁界に対する応答の大きさが大きくなり、この変化状態を調べることによってコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材の金属疲労劣化状態を診断することができることを見出した。

具体的にはコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材の交流磁気特性を用いた非破壊検査方法において、被測定物の鉄筋コンクリートの鉄骨材に対して交流磁界の周波数を変え、且つ交流磁場の磁界強度を変えて印加する時に、被測定物に磁界を印加するための第１のコイルが持つインダクタンス変化、透磁率、磁束密度、磁化の大きさ、磁気ヒステリシス損の変化、印加するコイルとは別の第２のコイルによる電圧変換素子、ホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等のいずれかの一つ以上を用いたことを特徴とする磁気センサーで測定される磁束密度、または透磁率、磁化の大きさ、発生電圧値等から被測定物のコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材の鉄骨量や金属劣化を推定するものである。

この方法ではコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨量の劣化によって生じる鉄骨量の変化や鉄骨材の金属組織の変化があると、観測される磁気的な性質が変化し、この変化を直流磁界の強度、交流磁界の振幅強度、交流磁界の周波数を変えることにより評価するものである。具体的な一例として、コンクリート中の鉄骨量が少なくなると、印加磁界に対して磁化される量が減少するために、観測される磁束密度が減少することを用いている。

また、鉄筋コンクリートの鉄骨部材の金属疲労の測定方法の一例として、印加磁界の周波数を変えると、低周波側では表面だけではなく深いところの情報も測定され、逆に高周波側では表面の情報が得られるので、コンクリート中で金属疲労を起こしたサンプルの評価では低周波側で表面から数ｍｍ以上の深い位置での組成偏析の影響を観察した。このようなことから、交流磁界の強度と周波数を変えることにより、劣化を診断するものである。

または、被測定物に対して直流磁界を印加した状態で、更に交流磁界の周波数と交流磁界の強度を変えて印加する時に、被測定物に磁界を印加するための第１のコイルの持つインダクタンス変化、透磁率、磁束密度、磁化の大きさ、磁気ヒステリシス損の変化、または印加するコイルとは別の第２のコイルによる電圧変換素子、ホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等のいずれかの一つ以上を用いたことを特徴とする磁気センサーで測定されるインダクタンス、磁束密度、または発生電圧値から被測定物である鉄筋コンクリートの鉄骨部材の表面から深さ方向に対しての金属材料特性を評価し劣化を推定するものである。

このような被測定物に対して直流磁界を印加した状態で、更に交流磁界の周波数と交流磁界の強度を変えて印加する方法でも同様に、鉄筋コンクリートの鉄骨部材の劣化によって鉄骨部材の表面、または内側で磁気的な性質が変わると、表面から漏れてくる磁界の強さが変わり、且つこの漏れ磁界が交流磁界の周波数や直流磁界の強度、交流磁界の強度により変化することを用いている。直流磁界の強度を大きくすると、鉄筋コンクリートの鉄骨部材の表面だけではなく深いところの情報も測定され、金属疲労を起こしたサンプルの評価では低周波側で鉄骨表面から数ｍｍ以上の深い位置での組成偏析の影響を観察した。

このような交流磁界や直流磁界の印加の仕方は、それぞれ独立したコイルを用いても良いが、直流電流に交流電流を加えたもので、１つのコイルに流すことでも同様である。このコイルに流す交流電流に対してインダクタンスを計測することが本発明のひとつである。

次に第２のコイルを使う場合には、１次微分型と言われるある巻き方のコイルを１つ用いて、このコイルに発生する電圧値やこのコイルのインダクタンス変化を測定することにより劣化を評価することでも良いが、同型のコイルを逆に繋いで作製したものを用いて、距離による発生磁界の差分を電圧変換することにより、この差分の電圧値から劣化との相関を取るものである。

被測定物の鉄筋コンクリート、または部材を第１コイル、または第２コイルの中に入れる構造においては、コイルが巻いてある面に対して垂直方向に発生する交流磁界で誘起される交流電流は被測定物の表面に励起される。この際、交流電流はコイルに流れている電流方向に対して、磁界の変化を相殺するために反対向きに流れる。このような電流の大きさは印加する交流磁界の大きさによって変化し、交流磁界が強くなると、被測定物の導電性にも依存するが、表面から深さ方向にも交流電流は流れる。この時の鉄骨材により発生する磁界によるインダクタンスの変化から劣化を評価するものである。但し、この際に被測定物の磁気特性は渦電流効果の影響と加味されたものとなるが、逆にクラック等の電流を遮断しない初期の金属疲労では交流電流による効果はほぼ一定となるので無視され、鉄筋コンクリートの鉄骨部材の磁気欠陥によるインダクタンス変化や透磁率の周波数依存性や交流磁界の大きさによる依存性から劣化を表現できるものである。

被測定物の鉄筋コンクリート、または部材を第１コイル、または第２コイルの中に入れない構造においては、コイルを被測定物に近付ける場合には、第２コイルは第１コイルの中心部に置くことが望ましく、第１コイルの外に出た状態では第１コイルに励磁される交流磁界を十分に測定できないので、望ましくは内側が良い。この際、第１コイルで被測定物に発生する交流電流は被測定物の面とコイルが形成する面が向き合った状態にし、コイルに流れる電流と被測定物に流れる電流はお互いに反対向きに流れる。このような誘起される電流の大きさも印加する交流磁界の大きさによって変化し、交流磁界が強くなると、被測定物の導電性にも依存するが、表面から深さ方向にも交流電流は流れ、この時のコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨部材のインダクタンスの変化から劣化を評価するものである。この際、第２コイルによる電圧変換素子と同様に、ホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等のいずれかの一つ以上を用いた磁気センサーでも同様である。但し、この際も被測定物の磁気特性は交流電流により誘起される渦電流効果の影響が加味されたものとなるが、逆にクラック等がないような、電流が遮断されない初期のコンクリート中の鉄骨部材の金属疲労では交流電流による効果はほぼ一定となるので無視され、コンクリート中の鉄骨部材の磁気欠陥によるインダクタンス変化や透磁率の周波数依存性や交流磁界の大きさによる依存性から劣化を表現できるものである。

このような第１コイル、または第２コイルによる電圧変換素子、ホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等のいずれかの一つ以上を用いたことを特徴とする磁気センサーを被測定物の表面で移動することにより、深さ方向と移動方向の二次元、または移動方向を二次元的な面とすることにより三次元的な劣化を推定するものである。

このように本発明に従えば、被測定物が磁性または導電性を持つ材料であれば良く、これらの交流磁界に対する磁化状態や渦電流効果の状態を調べることにより、被測定物コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨部材の鉄骨量の推定、更にはコンクリート表面に敷設した鉄板とコンクリート内部にある鉄骨部材の鉄骨量の各々の鉄量の推定や、コンクリート表面に敷設した鉄板やコンクリート内部にある鉄骨部材の各々の鉄材料の金属疲労状態を非破壊でもって診断することができる。

また、本発明方法では非破壊で検査する方法であるので、高速道路の橋梁や橋げた、鉄筋コンクリートビル、電柱、鉄道の高架橋等のコンクリート建築物を人が付帯して現地作業ができることが利点である。

本発明の方法によれば、被測定物の鉄筋コンクリートのコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨材量の酸化や歪等による金属疲労状態を評価するものである。この方法により非接触で且つ非破壊手法により検出評価することができ、現場での作業に対しても対応できる装置を提供できるものである。

コンクリート建造物には建築強度を維持するために、鉄筋コンクリート内部や表面には鉄筋、Ｈ鋼、鉄ワイヤー、鉄骨、鉄板等があり、溶接箇所やボルト固定により強化された構造を持っている。この鉄骨材量の測定や鉄骨材の酸化劣化、歪劣化等と磁気特性の相関関係を用いて非破壊検査方法を確立した。

鉄筋コンクリートの鉄骨材の金属疲労を評価する場合には、金属疲労が進むに従って結晶相転移、例えばマルテンサイト転移による磁気特性の変化や、歪を受けることにより結晶方位が変わることによる磁気特性の変化、さらには粒界組成や結晶相の組成の変化による磁気特性の変化、またクラック発生による磁気特性の変化に伴って、それらが初期品の磁気特性と異なるという意味での磁気欠陥を本発明では評価するものである。

鉄筋コンクリート中の鉄骨材の鉄骨量を評価する場合には、直流磁界や交流磁界による磁化や磁束密度、透磁率、磁気ヒステリシス損を測定することにより、コンクリートの鉄骨材の鉄骨量を評価するものである。

コンクリート中の鋼材としては、一般構造用圧延鋼材、鉄筋コンクリート用棒鋼、鉄筋コンクリート用再生棒鋼、ボルト用鋼材、鋼管、ワイヤーロープ等に使われている鋼材の規格記号のＳＳ，ＳＤ，ＳＭ，ＳＲ，ＳＲＲ，ＳＤＲ，ＳＳＣ，ＳＧＤ，ＳＴＲ，ＳＴＫ，Ｆ，ＳＴＰＧ，ＳＣ，ＳＦ，ＳＣＳ等があり、更にアルミ合金やチタン合金等非鉄材料もある。

具体的には被測定物に直流磁界や交流磁界を印加して、被測定物の直流磁気特性や、交流磁気特性を用いるものであるが、この場合には２つの方法で磁気特性を評価する。１つは被測定物のコンクリート全体に直流磁場や交流磁場が加わるようにコイルを被測定物のコンクリートの周囲に巻いたコイルを用いる測定方法である。２つ目は被測定物のコンクリートの周囲にコイルを巻くのではなく、被測定物であるコンクリートの、例えば側面にコイルを設置して局所的に磁場を発生させて、その応答を測定するものである。この場合、コイルは被測定物よりも小さくて良く、例えば１ｃｍ程度の径のコイルを用いるもので良い。このコイルで被測定物の測定するべき箇所にコイルを近付けて、局所的な応答から評価するものである。

このようなコイルとしては、コイルの持つインダクタンスを用いる場合と、二つ以上のコイルを用いて、一つのコイルを磁界の励磁コイルとして用いて、他のコイルを磁束密度、保磁力、磁化等の大きさを調べるためのピックアップコイルとして用いるものである。この際、ピックアップコイルと同様に、ホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等を用いても良い。

具体的には被測定物の鉄筋コンクリートに交流磁界の振幅強度を大きくすると、被測定物のコンクリートの鉄骨材が磁化されて、ピッアップコイルによる電圧変換素子、ホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子で測定される磁束は大きくなり、鉄骨材の量が少なければ、測定される磁束が小さくなる。この際に被測定物が金属疲労により透磁率が小さくなっても、測定される磁束は小さくなるために劣化状態も評価できる。また、励磁コイルのインダクタンスの変化として評価する時には透磁率が大きいとインダクタンスが大きくなり、透磁率が下がるとインダクタンスが低下することから、被測定物のコンクリートの鉄筋量や劣化状態を調べることが可能である。また、これらの磁気センサーを被測定物に一つだけではなく、同時に多数個、置くことにより、多数の情報を用いて解析して、金属配管の鉄骨量や金属劣化量の平均化処理、または分布の推定を行えるものである。

また、励磁コイル側ではなく、第２のコイルのピックアップコイル側では、ピックアップコイルの位置によるが、図１のように励磁コイルと被測定物の間にピックアップコイルを介在させる場合には、励磁コイルの発生磁界でピックアップコイルに通過する磁束の変化を測定するために、被測定物の透磁率が大きいとピックアップコイルで観測される電圧は大きくなる。また、被測定物のコンクリートにコイルを巻いた図２のような位置関係でも同様な関係が得られる。図１と図２の第２のコイルの位置にホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等を用いても同様な測定ができる。

交流磁界の振幅強度を一定にして直流磁界を印加して、同様にピックアップコイルによる電圧変換素子、ホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子で評価しても、励磁側コイルの交流インピーダンスを測定しても同様な結果が得られる。

被測定物に励磁磁界を印加した時の被測定物からの応答を測定するコイルとして、励磁の交流磁界をキャンセルするために同じピックアップコイルを逆に直列に繋ぎ、２つのコイルの電圧差分を取ることにより、距離による発生磁界の変化をより精度を高めて電圧変換することができる。

励磁コイルやピックアップコイル等磁気センサーをＸＹステージを用いて被測定物の上で移動させることにより、被測定物のコンクリートの移動方向に対する１次元または２次元的な位置で測定することにより鉄骨量や酸化や歪による金属疲労状態の評価を二次元的、または三次元的に推定するものである。

以下本発明の一実施例を、図面を参照して説明する。図３は本発明による鉄筋コンクリート柱に対する鉄骨量の評価検査装置の構成例を示す。図３において、被測定物の鉄筋コンクリート柱４に設置される励磁コイルを示す。この実施例では鉄筋コンクリート柱にコイルを巻き、柱の長さ方向に磁界を発生するための直流磁界用発生コイル８で直流磁界を発生させる。また同様に柱の長さ方向に磁界を発生するための交流磁界用発生コイル９で交流磁界を発生させる。ピックアップコイル７は差分コイルを用いており、励磁コイルの磁界をキャンセルするようにしている。この励磁コイルに電流を流して、被測定物に直流磁界と交流磁界を印加する。この時にピックアップコイルで発生する電圧は被測定物の情報を含み、この電圧を直流磁場の強度を大きくするか、または交流磁界の周波数を変えることにより発生電圧を確認して、コンクリート中の鉄骨部材の着磁量による磁束の変化をピックアップコイルで評価して、コンクリート中の鉄骨部材の量を推定する。この際、溶接による磁気的に不均一な部分や、歪や酸化による金属疲労がある場合には、その情報も得られるために、鉄骨部材の量を推定することだけにとどまらない。

実施例１においては、励磁コイルとピックアップコイルの対として評価する方法を示したが、この際に交流磁界を発生する励磁コイルだけを用いて、励磁コイルのインダクタンスをインピーダンス評価装置で測定してコンクリート中の鉄骨部材の量を推定する。励磁コイルに流す交流電流値や周波数を変えて得られるインダクタンスから交流の透磁率や磁化量、ヒステリシス損を用いて、鉄骨量との相関関係からコンクリート中の鉄骨部材の量を推定することもできる。この際、溶接による磁気的に不均一な部分や、歪や酸化による金属疲労がある場合には、その情報も得られるために、鉄骨部材の量を推定することだけにとどまらない。

実施例１では柱の長さ方向に磁界を発生するための励磁コイルによる励磁方法を示したが、局所磁界を発生させる場合を図１に示した。ここで、励磁コイル１を被測定物の鉄筋コンクリート板２に近接して磁界を印加するものであり、このコイルの中にピックアップコイル３を置く。この励磁コイルに直流電流と交流電流を同時に流す。ピックアップコイルは検出される交流磁界の変化を測定するためのものである。ピックアップコイルの位置に、ピックアップコイルではなく、例えばホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等を用いても同様な測定ができる。

実施例２では、励磁コイルによる局所磁界を発生させる場合を示したが、実施例３では電磁石を用いた例として図４に示す。ここでは励磁コイルとして、珪素鋼鈑にコイルを巻いて作製した電磁石を被測定物の鉄筋コンクリート板２に近付け、この電磁石に直流電圧、または交流電圧、直流電圧且つ交流電圧を加えて、直流磁界と交流磁界を発生させて被測定物に磁界を印加する。この電磁石の形状はコの字型で、図４に示すように被測定物を通して磁気回路が形成され、この際に被測定物から漏れる磁界の交流磁界をホールプローブで測定し、ホールプローブの出力電圧をフーリエ変換して印加している交流磁界の周波数での電圧を読み取り、コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨部材の鉄骨量や金属疲労状態を調べる。

ホールプローブで得られる電圧を一度アンプに通して増幅し、その後にロックインアンプを用いて、参照信号として交流磁界を発生する電圧源からの信号を入れ、その信号の周波数成分をロックインアンプから取り出すことで精度を上げられるが、ＦＦＴ装置で直接、測定周波数の信号電圧を読み取ることもできる。ホールプローブの信号には直流磁界も測定するので、透磁率の高いもののような、比較的に強磁性材料の場合には有効に直流磁界をコンクリート中の鉄骨部材の鉄骨量や金属疲労状態の評価方法として使うことができる。図４には磁気センサーとしてホールプローブを用いた例を示しているが、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等を用いても同様な測定ができる。また交流磁界の変化を測定する場合にはピックアップコイルを用いても同様な測定ができる。

図５のように被測定物として、例えば鉄筋コンクリート角柱１６に移動できる励磁コイルと磁気センサーを対に設置し、発生磁界を磁気センサーで計測する。この時、励磁コイルには直流磁界を発生するコイルと交流磁界を発生するためのコイルの２つから構成し、磁気センサーは励磁コイルで発生する交流磁界の周波数のみの電圧をＦＦＴ、またはロックインアンプで計測し、ノイズと分離する。この励磁コイルと磁気センサーの対をコンクリート柱の長手方向に移動することによりコンクリート柱の中の鉄骨材の量の情報を得ることができる。

図５において、鉄筋コンクリート角柱１６に移動できる励磁コイルとピックアップコイル等磁気センサーを対に設置したものを、コンクリート柱に加える発生磁界と柱の長手方向との角度を変えて計測する。印加磁界のベクトル方向に対して磁化する量が評価でき、コンクリートの長手方向と直角な方向に対するコンクリート柱の中の鉄骨材の量の情報を得ることができる。この際に励磁コイルのインダクタンスの変化や透磁率、磁化量の関係を用いても良い。

図６のように被測定物として、例えば金属管とコンクリートからなる円柱２０に移動できる励磁コイルと磁気センサーを設置し、発生磁界を磁気センサーで計測する。この時、励磁コイルは直流磁界を発生するコイルと交流磁界を発生するためのコイルの２つから構成されお互いに直角に配置され、また、磁気センサーは交流励磁コイルと直角に、直流励磁コイルと平行に配置されている。磁気センサーとしてピックアップコイルを用いる場合には励磁コイルで発生する交流磁界の周波数のみの電圧を検出するが、直流磁界が印加されない場合はピックアップコイルに電圧は発生しないように配置できる。配置の方法は、交流励磁コイルと直流励磁コイル、磁気センサーの位置が反対でも良い。ピックアップコイルを磁気センサーとして用いる場合には、交流磁界が印加された状態で直流磁界が印加されるとピックアップコイルに電圧が発生し、ＦＦＴ、またはロックインアンプで計測されノイズと分離される。ホールプローブの場合も同様にロックインアンプを通すことにより交流磁界の周波数成分を評価することによりノイズを分離できる。この励磁コイルと磁気センサーの対をコンクリート柱の長手方向に移動することによりコンクリート柱の中の鉄骨材の量の情報を得ることができる。

実施例２では、励磁コイルによる局所磁界を発生させる場合を示したが、実施例６では励磁コイルにより発生する局所磁界を被測定物に印加して、被測定物の背面に多数の磁気センサーを配置して評価する例として図７に示す。ここでは励磁コイルとして、珪素鋼鈑にコイルを巻いて作製した電磁石を被測定物の鉄筋コンクリート板２に近付け、この電磁石に直流電圧、または交流電圧、直流電圧且つ交流電圧を加えて、直流磁界と交流磁界を発生させて被測定物に磁界を印加する。この印加磁界により被測定物から漏れる磁界を多数の磁気センサーで測定し、フーリエ変換して印加している交流磁界の周波数での電圧を平均化して読み取り、コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨部材の鉄骨量や金属疲労状態の平均値として調べる。または各磁気センサーの数値より、各場所におけるコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨部材の鉄骨量や金属疲労状態を調べる。交流磁界を測定するのではなく、直流磁界の強度からも同様な評価ができる。

図８は本発明による鉄筋コンクリート柱に対する鉄骨量の評価検査装置の構成例を示す。図８において、被測定物の鉄筋コンクリート柱４に設置される励磁コイルを示す。この実施例では鉄筋コンクリート柱にコイルを巻き、柱の長さ方向に磁界を発生するための励磁コイル５で磁界を発生させる。この柱に沿ってピックアップコイルを並べて、被測定物から漏れる、または測定される磁界を評価するものである。被測定物から漏れる磁界を多数の磁気センサーで測定し、フーリエ変換して印加している交流磁界の周波数での電圧を平均化して読み取り、コンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨部材の鉄骨量や金属疲労状態の平均値として調べる。または各磁気センサーの数値より、各場所におけるコンクリート内部及びコンクリート表面に敷設した鉄骨部材の鉄骨量や金属疲労状態を調べる。交流磁界を測定するのではなく、直流磁界の強度からも同様な評価ができる。

実施例１の装置を用いて励磁コイルのインダクタンスの変化を用いて評価を行った。試料は長さ１００ｃｍ、直径１０ｃｍのコンクリート柱の中に直径１０ｍｍ程度のＳＵＳ４０１−Ｂの鉄骨を二本入れて固めたものと、一本入れて固めたもので比較した。この際に用いたコイルは直径１５ｃｍで、単位長さ１ｃｍ当りの巻き数は１００で、コイルの中心磁界が２００Ａ／ｍになるようにした。この結果、コンクリート内にＳＵＳ４０１−Ｂの鉄骨を二本入れたもののインダクタンスを１として規格化した場合には一本の場合には、ほぼ半分の０．５程度となった。
この鉄骨の棒の本数を変えて、コンクリートの断面積に占める鉄骨材の断面積と測定される磁化の大きさの関係を調べた結果を表１に示す。磁化の大きさは測定で得られた最大値で規格化した。表では鉄筋コンクリートの断面に対する鉄筋が占める断面積率と磁化の大きさの関係を示した。この結果、コンクリート内の鉄筋量を磁化の大きさから推定できることが分かった。

また、ＳＵＳ４０１−Ｂの鉄骨を酸化して錆を多くしたものを用いて、同様に評価した場合には、酸化した量に対してインダクタンスとの関係を調べると以下の表２に示されるように小さくなり、酸化量をインダクタンスの変化から調べられることが分かった。インダクタンスから計算される磁束、または磁束密度とも、同様な関係が得られた。インダクタンスは酸化量０ｗｔ％を基準に１に規格化した数値で示した。更にこの酸化腐食した鉄筋コンクリートにＳＵＳ４０５でできた厚み３ｍｍ板を巻いたものを同様に測定したが、同様な傾向を持つ結果が得られ、コンクリート中に埋設されている鉄筋の状態を調べることができた。

次にコンクリート内にＦｅ−Ｓｉ合金（Ｆｅが９８重量％、Ｓｉが２重量％）の鉄骨を二本入れたものにおいて、Ｆｅ−Ｓｉ合金（Ｆｅが９８重量％、Ｓｉが２重量％）の鉄骨を繰り返し折り曲げて、鉄骨の長手方向の中心に歪ませたものと、未処理のものを比較した結果、折り曲げたもののインダクタンスは未処理のものに比較して、絶対値として表３のように変化が確認され、歪による評価が確認できた。また、インダクタンスから計算される磁束密度の変化も同様な関係を示した。折り曲げ回数０回のインダクタンスを基準に取った。折り曲げたときのインダクタンス変化量は以下の計算式から出した。折り曲げ回数０回のインダクタンスＬ０、歪のあるもののインダクタンスＬとしたときに、変化量Ｘは下記の数式１で示したもので計算した。

Ｆｅ−Ｓｉ合金（Ｆｅが９８重量％、Ｓｉが２重量％）の鉄骨を繰り返し折り曲げて、鉄骨の長手方向の中心に歪ませたものと、未処理のものを比較した結果、折り曲げたものの保磁力は未処理のものに比較して、絶対値として表４のように変化が確認され、歪による評価が確認できた。折り曲げ回数０回の保磁力を基準に取った。折り曲げたときの保磁力変化量は以下の数式２から計算したものである。測定では直流磁界を加えて評価した場合と、交流磁界で評価を行ったが、多少の数値の違いはあったが、傾向はおなじであった。歪を保磁力の変化からも評価できることが分かった。折り曲げ回数０回の保磁力Ｈｃ０、歪のあるものの保磁力Ｈとしたときに、変化量Ｄは下記の式で示したものである。表では交流磁界の周波数を１８０Ｈｚに固定し、交流磁界の磁界強度を変えて評価した。

実施例１において、励磁コイルによる発生磁界をコイルの中心で０．１Ａ／ｍから大きくして、発生磁界の大きさとピックアップ用の二次コイルの発生電圧を測定した。試料として長さ２００ｃｍ、直径２０ｃｍのコンクリート柱の中に直径１０ｍｍ程度、長さ２００ｃｍの純Ｆｅの鉄骨を五本入れて固めたものを用いた。一次の励磁コイル、二次のピックアップコイルの径は３０ｃｍで単位長さ１ｃｍ当り２００回巻いたものを使用した。交流磁界の周波数としては１ｋＨｚとした。この結果、以下の表５のようになり、少なくともコイルの中心磁界としては１０Ａ／ｍ以上の大きさが必要であることが分かった。これ以下であると、二次コイルで観測される電圧が小さくなり、感度的に問題があった。測定電圧は磁界の大きさが５００Ａ／ｍを基準に１に規格化した数値で示した。

次に励磁コイルによる発生磁界をコイルの中心で１０Ａ／ｍで固定して、交流磁界の周波数を変えてピックアップ用の二次コイルの発生電圧を測定した。交流磁界の周波数としては１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚとした。この結果、以下の表６のようになり、大きくとも１０ＭＨｚ以下であることが望ましいことが分かった。これ以上であると、二次コイルで観測される電圧が小さくなり、感度的に問題があった。測定電圧としては、発生電圧が周波数に比例するので、測定電圧を周波数で割った値を用いて、更に１０ｋＨｚの周波数を基準として１に規格化した数値で示した。この結果、周波数が低すぎても、高すぎても感度が低下することが分かり、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚ程度が望ましいことが分かった。

実施例７において、試料として長さ２００ｃｍ、直径２０ｃｍのコンクリート柱の中に直径１０ｍｍ程度、長さ２００ｃｍの純Ｆｅの鉄骨を五本入れて固めたものを用いた。一次の励磁コイルの径は３０ｃｍで単位長さ１ｃｍ当り２００回巻いたものを使用した。交流磁界の周波数としては１ｋＨｚとした。励磁コイルによる発生磁界をコイルの中心で１０Ａ／ｍで固定した。ピックアップコイルの径は１ｃｍで単位長さ１ｃｍ当り５００回巻いた。このピックアップコイルを円柱の中心軸に対称に４個セットした。各ピックアップコイルの発生電圧を測定した。この結果、以下の表７のようになり、各位置において測定される数値が異なり、中の分布状態に変化があることが示された。測定電圧としては、測定される最大の電圧値を基準として１に規格化した数値で示した。

ロックインアンプを用いて特定周波数だけで評価する場合には装置の大きさは数十センチ程度の立方体に収まるので、搬送には問題なく、現場作業に用いることができるものである。

本発明の方法により鉄筋コンクリートをベースに作製された建造物の欠陥工事の調査や建造物の劣化状態を判定できる上に、残存寿命への推定も可能になるものである。更には機械構造体への応用も可能である。

本発明の実施の形態に係る被測定物に対する励磁コイルとピックアップコイルの位置の関係を示したものである。 本発明の実施の形態に係る被測定物に対する励磁コイルとピックアップコイルの位置の関係を示したものである。 本発明の実施の形態に係る被測定物に対する交流磁界発生用コイル、直流磁界発生用コイルとピックアップコイルの位置の関係を示したものである。 本発明の実施の形態に係る被測定物に対する励磁コイルを巻いたコの字型電磁石とホールプローブの位置の関係を示したものである。 本発明の実施の形態に係る被測定物に対する磁気センサーとコイルの対と柱の角度を変えて測定する場合の位置関係を示したものである。 本発明の実施の形態に係る被測定物に対する直流磁界発生用コイル、交流磁界発生用コイルと磁気センサーを用いた測定方法の位置関係を示したものである。 本発明の実施の形態に係る被測定物に対する励磁コイルと多数の磁気センサーを用いた測定方法の位置関係を示したものである。 本発明の実施の形態に係る被測定物に対する励磁コイルと多数の磁気センサーを用いた測定方法の位置関係を示したものである。

符号の説明

１ 励磁コイル
２ 鉄筋コンクリート板
３ ピックアップコイル
４ 鉄筋コンクリート柱
５ 励磁コイル
６ ピックアップコイル
７ ピックアップコイル
８ 直流磁界用発生コイル
９ 交流磁界用発生コイル
１０ コの字型電磁石
１１ 励磁コイル
１２ 珪素鋼鈑鉄芯
１３ ホールプローブ
１４ 磁気センサーとコイルの対と柱の角度
１５ 磁気センサーと励磁コイルの対
１６ 鉄筋コンクリート角柱
１７ 交流磁界用発生コイル
１８ 直流磁界用発生コイル
１９ 磁気センサー
２０ 金属管とコンクリートからなる円柱

Claims (10)

1. 鉄筋コンクリートの鉄骨材状態の非破壊検査方法において、被測定物の鉄筋コンクリートに対して交流磁界や直流磁界を印加して、鉄筋コンクリートのインダクタンスや透磁率、磁化量を磁気センサーで測定して、鉄筋コンクリートの鉄骨材の状態を調査して、鉄筋コンクリートの鉄骨材の劣化状態や鉄筋コンクリートのコンクリート量に対する鉄骨材の量を測定することを特徴とする方法。
2. 請求項１において、鉄筋コンクリートの周囲に磁気センサーを置いて、インダクタンス、透磁率、磁化量、磁束密度、保磁力の中の一種以上の特性を測定しながら静止、または移動して、鉄筋コンクリートの鉄骨量、または鉄骨材の酸化された量、未酸化の量のいずれか一つ以上の量を評価することを特徴とする方法。
3. 請求項２において、鉄筋コンクリートの周囲にコイルを巻いて形成される磁界ベクトルの向きを変えて、そのコイルのインダクタンス、透磁率、磁化量、磁束密度、保磁力の中の一種以上の特性を測定しながら静止、または移動して、鉄筋コンクリートの鉄骨量、または鉄骨材の酸化された量、未酸化の量のいずれか一つ以上の量を磁界ベクトルの方向に対して評価することを特徴とする方法。
4. 請求項１において、鉄筋コンクリートのインダクタンス、透磁率、磁化量、磁束密度、保磁力の中の一種以上の特性を測定する磁気センサーとして、コイルによる電圧変換素子、ホール効果による電圧変換素子、磁気インピーダンスの評価素子、量子干渉素子、磁場勾配を力に変換する素子等のいずれかの一つ以上を用いたことを特徴とする磁気センサー。
5. 請求項１において、鉄筋コンクリートに加える磁界の大きさとしては、鉄筋コンクリートに巻いたコイルの磁界強度が１０Ａ／ｍ以上であるか、またはこの交流磁界を周波数１０Ｈｚから１０ＭＨｚにしたものであることを特徴とする測定方法。
6. 請求項１において、被測定物に対して直流磁界を印加した状態で、更に交流磁界の周波数と交流磁界の強度を変えて印加する時に、被測定物に磁界を印加するための第１のコイルの持つインダクタンス変化、または磁気センサーで測定されるインダクタンス、透磁率、磁化量、磁束密度、保磁力またはコイルから得られる発生電圧値等の中から一種以上の値を用いて鉄筋コンクリートの鉄骨材の表面から深さ方向に対して金属材料特性を評価し、鉄筋材の劣化を推定することを特徴した疲労診断方法。
7. 請求項６において、コイルを用いた磁気センサーとしてコイルが二個の同型コイルを逆に繋いで作製したものを用いて、距離による発生磁界の差分を電圧変換することを特徴とするコイル。
8. 請求項６記載の第１コイルと磁気センサーを被測定物の表面で移動して、移動方向の１次元、または２次元に対して鉄筋コンクリートの鉄骨材の深さ方向の劣化を推定することを特徴した疲労診断方法。
9. 請求項１において、鉄筋コンクリートの鉄骨材と同質の金属片を用いて直流磁界の大きさや交流磁界の周波数及び磁界強度に対する応答特性をあらかじめ測定し、その応答特性を用いて請求項１記載の方法で得られる特性値との相関を取り、鉄筋コンクリートの鉄骨材の種類を推定し、且つ鉄骨量や酸化量、または鉄筋コンクリート量に対する鉄骨材の量を測定する方法。
10. 請求項１において、鉄筋コンクリートの鉄骨材と同質の金属片を用いて、金属片の歪量の大きさの変化に関して直流磁界の大きさや交流磁界の周波数及び磁界強度に対する応答特性をあらかじめ測定し、その金属片の歪量に対する応答特性を用いて、請求項１記載の方法で得られる特性値との相関を取り、欽筋コンクリートの鉄骨材の歪量から鉄骨材に加わる応力や劣化を推定する方法。