JP2005326152A - コンクリート構造物の鉄筋破断検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート内の鉄筋の破断部を短時間で非破壊的にかつ精度良く検知する。
【解決手段】（１）磁気センサ２と着磁コイル４とを鉄筋Ｒｘとの破断点Ｘを挟んで配置し、磁気センサ２でコンクリートＣの表面の磁界の大きさＤ１を得て記憶する。
（２）次に、着磁コイル４に一時的に通電し、着磁コイル４から発生する磁束により鉄筋Ｒｘを着磁する。
（３）再び、磁気センサ２により鉄筋Ｒｘの残留磁気の大きさを測定し、磁界の大きさＤ２を記憶する。
（４）信号の差分（Ｄ２−Ｄ１）を求め、この差分（Ｄ２−Ｄ１）が閾値よりも小さければ、鉄筋Ｒｘに破断があると判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート内に配設した鉄筋の破断を検知するためのコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法に関するものである。

近年、橋梁などのコンクリート構造物においてはアルカリ骨材反応（ＡＳＲ）が問題となっている。このアルカリ骨材反応とは、コンクリート中のアルカリ金属イオンと骨材中の特定の鉱物とが化学反応を生じ、その反応により生成するアルカリシリカゲルが水分の供給により膨張する現象である。

この反応に起因するコンクリート構造物の損傷は、コンクリートの膨張によるひび割れや、コンクリート内部の鉄筋が引きち切られて破断する現象となって現れる。

この鉄筋の破断をそのまま放置しておくことは構造強度上極めて危険であり、コンクリートを破壊せずに、非破壊検査によって検知することが強く望まれている。

しかし現在のところ、この鉄筋の破断を非破壊的に有効に検知する装置はなく、次のような方法で破壊検査による調査を行っている。

（１）定期点検によりコンクリートのひび割れを発見する。

（２）白色ゲル状物質の析出などといった特徴からアルカリ骨材反応が発生しているかを推定する。

（３）アルカリ骨材反応が発生していると判断された部位については、ひび割れ幅を測定するなどの詳細調査を行う。

（４）詳細調査に基づいて、構造上耐久性に影響を及ぼすと判断される部位のひび割れについて、ひび割れ幅が一定値以上の場合は全数、それ以外はサンプリングによりコンクリートを剥し、内部の鉄筋の破断状況を確認する。

本出願人は磁気センサを用いた非破壊測定方法を既に出願しているが、測定に際して磁気センサを移動させる必要があり、測定に時間がかかる、或いは高価な磁気センサを複数個使用しなければならないという問題がある。

また通常、鉄筋は格子状に配置されていることが多く、測定すべき鉄筋に沿って磁気センサを移動させて磁力を測定する際に、所々で測定すべき鉄筋と直角方向に敷設された鉄筋の上を横切ることになる。また、破断部の真下に直交する鉄筋がある可能性もあり、測定値はこれらの鉄筋から発生する磁力の影響を受けてしまい、この影響を排除することはなかなか至難である。

更に、鉄筋の残留磁気の大きさ方向は、製造時或いは施工時の要因により異なるため、殆ど磁化がなされていない個所が破断しても、その破断を検出することは難しい。

これらの磁気的測定の問題点を解決するため、周囲一帯を脱磁した後に、測定すべき鉄筋のみを着磁して測定する方法も提案されているが、測定に時間がかかる上に脱磁装置が必要になる。

本発明の目的は、少数の磁気センサを用い、磁気センサを移動することなく短時間で直交する鉄筋や、測定すべき鉄筋の製造、施工時に起因する残留磁気の影響を排除して検知を行うコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法は、コンクリート構造物内の鉄筋の磁束を基に鉄筋の破断部を検出する方法であって、鉄筋の残留磁気によるコンクリート表面上の磁界を検出する第１次磁界検出工程と、前記鉄筋を着磁する着磁工程と、着磁後の前記鉄筋の残留磁気によるコンクリート表面上の磁界を検出する第２次磁界検出工程と、前記第１次、第２次磁界検出工程で得られた信号の差分を所定値と比較して前記鉄筋の破断を検知する破断検知工程とから成ることを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法は、コンクリート構造物内の鉄筋の磁束を基に鉄筋の破断部を検出する方法であって、前記鉄筋を着磁する第１次着磁工程と、該第１次着磁工程後に前記鉄筋の残留磁気によるコンクリート表面上の磁界を検出する第１次磁界検出工程と、前記鉄筋を第１次着磁工程とは逆極性で着磁する第２次着磁工程と、該第２次着磁工程後に着磁後の前記鉄筋の残留磁気によるコンクリート表面上の磁界を検出する第２次磁界検出工程と、前記第１次、第２次磁界検出工程で得られた信号の差分を所定値と比較して前記鉄筋の破断を検知する破断検知工程とから成ることを特徴とする。

本発明に係るコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法によれば、コンクリート内の鉄筋の破断部を短時間で非破壊的にかつ精度良く検知することができる。

本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、コンクリートＣ内に配置され測定すべき鉄筋Ｒｘに沿って着磁装置１と磁気センサ２を破断が予想される破断点Ｘを挟んで配置する。着磁装置１は着磁用電源３に接続しコンクリートＣに近接する着磁コイル４を有している。なお、説明の都合上、測定すべき鉄筋Ｒｘは磁化されていないとし、これに直交する鉄筋Ｒｙは磁化されているものとする。

なお、鉄筋Ｒｘの残留磁気によるコンクリート表面の磁束密度は、５〜５００マイクロテスラ（μＴ）であり極めて微少である。このため、普及しているホール素子型の磁気センサでは精度良く検出するには十分でない。従って、磁気センサ２として高精度のフラックスゲート型磁気センサや磁気インダクタンス（ＭＩ）型磁気センサを用いることにより、より正確な検知が可能になる。

図２は本発明を実施するためのブロック回路構成図であり、磁気センサ２の出力はＡ／Ｄ変換器１１を経て、着磁前データメモリ１２と着磁後データメモリ１３に択一的に接続されている。着磁前データメモリ１２と着磁後データメモリ１３の出力は減算回路１４を経て比較回路１５、表示部１６に接続されている。また比較回路１５には、減算回路１４の出力と比較するために閾値メモリ１７の出力が接続されている。

基本的な測定の手順を説明すると、（１）先ず着磁装置１を作動させずに、磁気センサ２で鉄筋Ｒｘの残留磁気を測定する。

磁気センサ２でコンクリートＣの表面の磁界の大きさを電圧信号に変え、更にＡ／Ｄ変換器１１でデジタルデータ（Ｄ１）を得て、着磁前データメモリ１２に記憶する。

（２）次に、着磁用電源３により着磁装置１の着磁コイル４に一時的に通電し、着磁コイル４から発生する磁束により鉄筋Ｒｘを着磁する。

（３）再び、磁気センサ２により鉄筋Ｒｘの残留磁気を測定する。

着磁後の磁界の大きさを（１）と同様に検出し、デジタルデータ（Ｄ２）を着磁後データメモリ１３に記憶する。

（４）磁気センサ２による（１）、（３）で得られた信号Ｄ１、Ｄ２の差分を求めて鉄筋Ｒｘの破断の有無を検知する。

減算回路１４において差分Ｄ２−Ｄ１を計算し、この差分を比較回路１５で閾値メモリ１７の閾値と比較し、閾値よりも小さければ破断があると判断して表示部１６に表示する。

実際にコンクリートＣの表面の磁界を検出する際には、鉄筋Ｒｘの残留磁気による磁界だけが検出されるわけでなく、地磁気又は近くを通る送電線等を流れる電流による磁界などの外部磁界の影響を受けることになる。例えば、鉄筋Ｒｘから１００ｍｍ離れた磁気センサ２の位置における鉄筋Ｒｘの残留磁気による磁束密度は、前述したように５〜５００マイクロテスラ程度であるが、地磁気による磁束密度は、日本周辺では５０マイクロテスラ程度あり、無視できない値である。

着磁前後の磁界の差分Ｄ２−Ｄ１を求めると、地磁気や直交する鉄筋Ｒｙ等による磁界は着磁前後で一定であるため、このように差分を求めることによりこれらの影響は相殺され、鉄筋Ｒｘを着磁して増加した磁界のみが得られる。

鉄筋Ｒｘに破断部がない場合には、（１）の着磁装置１の作動前におけるコンクリートＣの表面の測定すべき鉄筋Ｒｘに沿った磁界の大きさは、例えば図３のデータＡに示すようになり、一定の地磁気による磁界と所々で直交する鉄筋Ｒｙの残留磁気による磁界との合成されたものになっている。

この状態で、（２）で着磁コイル４に一時的に直流電流を流して鉄筋Ｒｘを磁化させると、コンクリートＣの表面における磁界の大きさは、図３のデータＢに示すようになる。着磁の影響は磁気センサ２により検出されるが、データＡと同様に地磁気や鉄筋Ｒｙの残留磁気はそのまま上乗せされている。なお、図３のデータＤはデータＡとＢの差分を示している。

図４は鉄筋Ｒｘが破断している場合に、鉄筋Ｒｘに沿ったコンクリートＣの表面の磁界の大きさについて、着磁前のデータＡ、着磁後のデータＢ及び着磁前後の差分データＤを示している。

更に、図５は図３と図４の差分データＤ同士を比較するために、それぞれの差分データＤを同一のグラフ図に表現している。この図５からも明らかなように、着磁前後の磁界の差分は、着磁装置１の中心から破断点Ｘ付近までは破断の有無に拘わらずほぼ一致している。しかし、破断点Ｘから先においては、破断している場合の差分は破断していない場合と比べると極めて小さく、その大きさは破断がないときの十分の１以下になる。これは破断がないときは、着磁による影響が鉄筋Ｒｘを通じて遠くまで及ぶのに対し、破断していると破断部Ｘから先にはその影響が殆ど及ばないためである。

図３〜図５からも分かるように、鉄筋Ｒｘに沿った全ての磁界を測定しなくとも、破断点Ｘよりも離れた１個所に磁気センサ２を配置して、着磁前後の磁界の大きさの差を測定すれば、鉄筋Ｒｘの破断の有無を検知できる。この方法によれば、磁気センサ２を動かす必要もなく、或いは多数の磁気センサ２を配置することもなく、破断点Ｘの有無を検知できることになる。

しかし、コンクリート構造物に使用されている鉄筋Ｒｘは、一般に製造時或いは施工時の要因による残留磁気により、何らかの大きさで磁化されており、その大きさ、方向或いは分布は必ずしも一定でない。

一方、着磁装置１により鉄筋Ｒｘに着磁する際に、磁化の大きさを大きくしても、鉄筋Ｒｘの磁気飽和特性により或る値以上に着磁されることはない。このため、測定すべき鉄筋Ｒｘが着磁前に既に或る極性に、或る大きさに磁化されている場合には、それと同じ極性に着磁を行っても、着磁前後の残留磁気の変化は小さなものになる。

このように、実施例１のように単に着磁前後のコンクリートＣの表面上の磁界を大きさの変化を測定するだけでは、測定前の鉄筋Ｒｘの磁化状態の影響を受け、正確に破断の有無を検知ができない場合がある。

この問題を解決する方法として、着磁コイル４の極性つまり磁化の極性を、電流の方向を切換えることにより任意に切換えできるようにする。図６はこの実施例２において使用するブロック回路構成図であり、図２のブロック回路図と比較して、着磁前データメモリ１２、着磁後データメモリ１３が、それぞれ正着磁データメモリ２１、負着磁データメモリ２２に置換されている。

この場合の測定の手順は次の通りである。

（１１）実施例１と同様に、鉄筋Ｒｘの破断を測定すべき個所を挟んで、一方に着磁装置１を配置し他方に磁気センサ２を配置し、着磁装置１の極性切換回路を正にセットして、着磁コイル４により鉄筋Ｒｘが飽和するような大きさの磁界を一時的に加えて、鉄筋Ｒｘを着磁する。これにより、鉄筋Ｒｘは着磁前の磁化の極性、大きさとは関係なく一定の大きさで着磁される。

（１２）磁気センサ２により磁界の大きさを電圧信号に変え、更にＡ／Ｄ変換器１１でデジタルデータ（ＤＰ）を得て、正着磁データメモリ２１に記憶する。

（１３）着磁装置１の極性切換回路を負にセットして、着磁コイル４に（１１）と逆方向の電流を流して鉄筋Ｒｘが飽和するような大きさの磁界を一時的に加えて着磁する。

（１４）着磁後の磁界の大きさを（１２）と同様に求め、得られたデジタルデータ（ＤＭ）を負着磁データメモリ２２に記憶する。

（１５）減算回路１４で正着磁データメモリ２１と負着磁データメモリ２２の差分（ＤＭ−ＤＰ）を計算する。

（１７）この差分データＤＭ−ＤＰを比較回路１５で閾値メモリ１７の閾値と比較し、閾値よりも小さければ破断があると判断して表示部１６に表示する。

（１５）で得られる１回目と２回目の極性を変えた着磁による鉄筋Ｒｘの残留磁気による磁界の大きさの差分は、図５と比較して大きさが２倍になるだけで曲線の形状は同じである。従って、磁気センサ２で測定した正負逆極性で着磁したときの磁界の大きさの差分（ＤＭ−ＤＰ）を求めれば、測定前の鉄筋Ｒｘの磁化状態に関係なく破断の有無を検知することができる。

一般に、コンクリートＣの表面から測定すべき鉄筋Ｒｘまでの深さは一定ではない。このため、同じ着磁装置１を使っても鉄筋Ｒｘまでの距離が遠くなるほど、鉄筋Ｒｘが磁化される度合いは小さくなる。また、磁化された鉄筋Ｒｘの残留磁気による磁界の大きさも、鉄筋Ｒｘから磁気センサ２までの距離が大きくなるほど小さくなる。

一般に、磁気発生源から離れた個所の磁界の大きさは、その距離の三乗に反比例するので、鉄筋Ｒｘの深さが大きくなると、着磁装置１による着磁前後の鉄筋Ｒｘの残留磁気による磁界の大きさの差は、図７に示すように急激に小さくなる。

また、鉄筋Ｒｘの太さや材質によっても磁化による残留磁気の大きさは異なるので、鉄筋Ｒｘの深さ、太さや材質が分かっていないと、着磁前後の磁界の大きさの差の値からだけでは、破断の有無を判断することは難しい。

しかし、図７から分かるように、深さが異なっても着磁前後の磁界の大きさの差の曲線は、破断の有無が同じであれば相似形であり、大きさが異なるだけである。

このため、本実施例３においては、図７に示すように第２の磁気センサ２’を破断を測定する個所よりも着磁装置１側、例えば着磁コイル４の中心位置に配置する。磁気センサ２’は磁気センサ２と同様に着磁前後の磁界の大きさの差分を求め、その値（Ｄ０）を基準として、磁気センサ２で得られた着磁前後の磁界の大きさの差分（Ｄ１）を除算した値（Ｋ＝Ｄ１／Ｄ０）を求めれば、鉄筋Ｒｘの深さに関係なく、破断点Ｘの有無に応じてほぼ一定の値になる。鉄筋Ｒｘの直径、材質が異なる場合も同様である。

図８は本実施例３で使用するブロック回路構成図であり、磁気センサ２、２’は出力は択一的にＡ／Ｄ変換器１１に接続されている。Ａ／Ｄ変換器１１の出力は磁気センサ２、２’の切換え、着磁コイル４の正逆切換えに応じて、センサ２正着磁データメモリ３１、センサ２負着磁データメモリ３２、センサ２’正着磁データメモリ３３、センサ２’負着磁データメモリ３４に選択的に接続されている。センサ２正着磁データメモリ３１とセンサ２負着磁データメモリ３２の出力はセンサ２用減算回路３５に接続され、センサ２’正着磁データメモリ３３とセンサ２’負着磁データメモリ３４の出力はセンサ２’用減算回路３６に接続されている。

そして、センサ２用減算回路３５とセンサ２’用減算回路３６の出力は除算回路３７に接続されており、以降の構成は図２、図６のブロック回路図と同様である。

この場合の測定の手順は次の通りである。

（２１）鉄筋Ｒｘの破断を測定すべき個所を挟んで、一方に着磁装置１及び第２の磁気センサ２’を配置し、他方に磁気センサ２を配置する。着磁装置１の極性切換回路を正にセットして、大きな磁界を一時的に加えて鉄筋Ｒｘを着磁する。

（２２）磁気センサ２の出力をＡ／Ｄ変換器１１でデジタルデータ（Ｄ１Ｐ）を得て、磁気センサ２正着磁データメモリ３１に記憶する。

（２３）磁気センサ２’の出力をＡ／Ｄ変換器１１でデジタルデータ（Ｄ０Ｐ）を得て、磁気センサ２’正着磁データメモリ３３に記憶する。

（２４）着磁装置１の極性切換回路を負に切換え、着磁コイル４に（２１）と逆方向の電流を流して、大きな磁界を一時的に加えて鉄筋Ｒｘを着磁する。

（２５）磁気センサ２の出力をＡ／Ｄ変換器１１でデジタルデータ（Ｄ１Ｍ）を得て、磁気センサ２負着磁データメモリ３２に記憶する。

（２６）磁気センサ２’の出力をＡ／Ｄ変換器１１でデジタルデータ（Ｄ０Ｍ）を得て、磁気センサ２’負着磁データメモリ３４に記憶する。

（２７）センサ２用減算回路３５でＤ１＝Ｄ１Ｍ−Ｄ１Ｐを計算する。

（２８）センサ２’用減算回路３６でＤ０＝Ｄ０Ｍ−Ｄ０Ｐを計算する。

（２９）除算回路３７でＫ＝Ｄ１／Ｄ０＝（Ｄ１Ｍ−Ｄ１Ｐ）／（Ｄ０Ｍ−Ｄ０Ｐ）を計算する。

（３０）得られた値Ｋを比較回路１５で閾値メモリ１７の閾値と比較し、値Ｋが閾値よりも小さければ、破断があると判断して表示部１６に表示する。

このような手順により、図７のグラフ図の鉄筋Ｒｘで得られたデータは次の表１の通りである。

表１
Ｄ１ Ｄ０ Ｋ＝Ｄ１／Ｄ０
破断無し・深さ５０ｍｍ −１０２μＴ １７０μＴ −０．６
破断あり・深さ５０ｍｍ −９μＴ １４９μＴ −０．０６
破断無し・深さ７５ｍｍ −３０μＴ ５１μＴ −０．５９
破断あり・深さ７５ｍｍ −２．５μＴ ４４μＴ −０．０５７

このように値Ｋは破断の有無でほぼ１桁異なる値であり、容易に鉄筋Ｒｘの破断を判別することができる。

なお、値Ｋは磁気センサ２、２’の位置、着磁コイル４の直径などの着磁装置１の特性により異なるが、これらを常に一定にして測定すれば、鉄筋Ｒｘの深さ、太さ、材質に関係なく同じ値になるので、破断の有無を正しく検知することができる。

また、磁気センサ２’を着磁装置１の中心位置に置いた例を示したが、破断点Ｘよりも着磁装置１側にあれば、必ずしも着磁装置１の中心位置である必要はない。

なお、この実施例３は極性を切り換えることなく、２つの磁気センサ２、２’を用いて、実施例１のように検出することもできる。

本発明の方法においては、着磁装置１、磁気センサ２、２’を測定すべき鉄筋Ｒｘの真上に配置させることが好ましく、このため予め鉄筋Ｒｘの位置を知る必要がある。実際の検査現場では、コンクリート構造物の外観から鉄筋Ｒｘの敷設方向は容易に判断できるが、鉄筋Ｒｘが何処に埋設されているかは分からないことが多い。

この場合に、鉄筋Ｒｘの残留磁気による磁界を検出する磁気センサ２を、鉄筋Ｒｘの長さ方向と直角な方向に移動させ、鉄筋Ｒｘの残留磁気による磁界を測定する。得られる磁界の大きさは磁気センサ２と鉄筋Ｒｘまでの距離の三乗に反比例するので、図９に示すように着磁コイル４と磁気センサ２とを一体の筐体内等に配置して動かすと、着磁コイル４と磁気センサ２を結ぶ線が鉄筋Ｒｘの長手方向と一致したときが、磁気センサ２の出力は最も大きくなる。

従って、着磁コイル４と磁気センサ２を鉄筋Ｒｘの長さ方向と直角な方向に移動させながら、出力が最大になる位置を求めることにより、鉄筋Ｒｘの存在位置を知ることができ、その後に破断検知を行えばよい。

なお、着磁装置１として、コンクリートＣの表面に近接した着磁コイル４に着磁用電源３から一時的に直流電流を流す方法を示したが、必ずしも着磁コイル４を使う必要はなく、強力な永久磁石を一時的に近付けた後に、遠去ける方法でもよい。また、永久磁石は例えば裏返しにすることにより、簡便に極性を切換えることができる
更に、着磁装置１、磁気センサ２を直線的に配置した例を説明したが、鉄筋Ｒｘの折り曲げ加工部を検査する場合には、図１０に示すように配置することにより、平面の場合と同様に測定することができる。

測定原理の説明図である。 実施例１のブロック回路構成図である。 鉄筋に破断がない場合のデータの説明図である。 鉄筋に破断がある場合のデータの説明図である。 差分データの比較の説明図である。 実施例２のブロック回路構成図である。 鉄筋の破断の有無と深さが異なる場合のデータの説明図である。 実施例３のブロック回路構成図である。 実施例４の鉄筋を探索する場合の説明図である。 コンクリート角部における検知の説明図である。

符号の説明

１ 着磁装置
２、２’ 磁気センサ
３ 着磁用電源
４ 着磁コイル
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２、１３、２１、２２、３１〜３４ データメモリ
１４、３５、３６ 減算回路
１５ 比較回路
１６ 表示部
１７ 閾値メモリ
３７ 除算回路

Claims (6)

1. コンクリート構造物内の鉄筋の磁束を基に鉄筋の破断部を検出する方法であって、鉄筋の残留磁気によるコンクリート表面上の磁界を検出する第１次磁界検出工程と、前記鉄筋を着磁する着磁工程と、着磁後の前記鉄筋の残留磁気によるコンクリート表面上の磁界を検出する第２次磁界検出工程と、前記第１次、第２次磁界検出工程で得られた信号の差分を所定値と比較して前記鉄筋の破断を検知する破断検知工程とから成ることを特徴とするコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法。
2. コンクリート構造物内の鉄筋の磁束を基に鉄筋の破断部を検出する方法であって、前記鉄筋を着磁する第１次着磁工程と、該第１次着磁工程後に前記鉄筋の残留磁気によるコンクリート表面上の磁界を検出する第１次磁界検出工程と、前記鉄筋を第１次着磁工程とは逆極性で着磁する第２次着磁工程と、該第２次着磁工程後に着磁後の前記鉄筋の残留磁気によるコンクリート表面上の磁界を検出する第２次磁界検出工程と、前記第１次、第２次磁界検出工程で得られた信号の差分を所定値と比較して前記鉄筋の破断を検知する破断検知工程とから成ることを特徴とするコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法。
3. 前記第１次、第２次磁界検出工程はコンクリート表面上において第１の磁気センサにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法。
4. 前記着磁工程は着磁コイルに電流を流すことにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法。
5. 前記第１次、第２次磁界検出工程は、前記破断部よりも前記着磁工程で使用する着磁手段側に配置した第２の磁気センサを基準として前記第１の磁気センサの出力との比を求めることを特徴とする請求項３に記載のコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法。
6. 前記各工程に先立ち、前記第１の磁気センサを鉄筋方向と直角方向に動かして鉄筋の位置を予め検知しておくことを特徴とする請求項３に記載のコンクリート構造物の鉄筋破断検知方法。

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