JP2007121123A - 超音波法によるコンクリート構造物内の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法及び検査装置 - Google Patents
超音波法によるコンクリート構造物内の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法及び検査装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】次の処理により求めた加算スペクトルSS(f)により腐食程度を判定するコンクリ−ト中の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法。
(1)鉄筋からの反射波を平均化して平均化波形Fn(t)を求める処理、(2)平均化波形Fn(t)において、鉄筋反射波を含む時間間隔での波形を抽出して成型波形FFn(t)を求める処理、(3)成型波形FFn(t)をFFTにより周波数領域に変換しパワースペクトルSn(f)を求める処理、(4)加算スペクトルΣSn(f)(n=1〜k)を求める処理
【選択図】 図1
Description
その測定模様を図17に示す。まず人為的にコンクリートを除き鉄筋を露出させる。その後電極Aを露出した鉄筋に取り付ける。電極Bはコンクリート構造物表面2に設置される。自然電位計測器は電極Aと電極B間の電位を計測する。その測定値によって鉄筋3の腐食を検査する。
超音波による測定原理を図18に示す。送信探触子12および受信探触子13をコンクリート構造物表面2に設置し、超音波11を発生させる。受信された波形を演算部18にて処理し、その結果を表示部19に表示する。
『コンクリート構造物の検査・診断―非破壊検査ガイドブック―、理工図書株式会社、発行日:2003年8月11日、監修 魚本健人、編著 加藤佳孝 非破壊検査研究会』
(1)90%以上の確率で腐食なし
(2)不確定
(3)90%以上の確率で腐食あり
という判断であり、非常に曖昧で、定性的かつ腐食の有無の判断しかできない。適切な腐食範囲を知るためには初期〜中程度の腐食の検査も必要である。
人為的にコンクリートに穴をあけるため、その位置から水が浸入し鉄筋腐食が発生するという懸念もある。
また、超音波法を使用すれば鉄筋深さDo、コンクリート厚さ等の計測は可能であるが鉄筋腐食の検査はできない、という問題点があった。
N回受信した波形について次の処理を行うことにより加算スペクトルSS(f)を求め、
前記加算スペクトルから鉄筋の腐食程度を判定することを特徴とする。
(1)N回の反射波を平均化して平均化波形Fn(t)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(2)前記平均化波形Fn(t)において、鉄筋反射波を含む時間間隔の波形のみを抽出して成型波形FFn(t)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(3)前記成型波形FFn(t)をFFTにより周波数領域に変換しパワースペクトルSn(f)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(4)
送信探触子と、
受信探触子と、
前記送信探触子と受信探触子の移動を制御するための制御部と、
送信探触子と受信探触子との間隔Ln(n=1,2,3,・・k)を一定として送受信探触子を探触子移動線に沿って移動させながら鉄筋から受信したN個の波形について次の処理を行うことにより加算スペクトルSS(f)を求める演算部と、
を有することを特徴とする。
(1)N回の反射波を平均化して平均化波形Fn(t)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(2)前記平均化波形Fn(t)において、鉄筋反射波を含む時間間隔の波形のみを抽出して成型波形FFn(t)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(3)前記成型波形FFn(t)をFFTにより周波数領域に変換しパワースペクトルSn(f)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(4)
なお、演算部における演算結果を表示するための表示部を設けてもよい。
(1)コンクリート構造物の鉄筋腐食を非破壊で検査することが可能である。
(2)鉄筋の腐食度合いを、健全、軽微の腐食、中程度の腐食、重度の腐食の4段階に分けての非破壊検査が可能である。
(3)鉄筋から成長するクラックがコンクリート構造物表面まで達していない場合は、目視ではクラックの観察が不可能であるが、本手法を用いれば鉄筋腐食を非破壊で検査することが可能である。
(4)鉄筋から成長するクラックがコンクリート構造物表面まで達していない場合は、目視ではクラックの観察が不可能である。そのため従来では補修工事の対象外であった。そのため補修工事を実施してから1,2年後に再びコンクリートの剥落、クラックの発生が起こり、再度補修工事を行うことを強いられてきた。そのため保守コストが膨大な額となっていた。本発明を用いれば鉄筋から成長するクラックがコンクリート構造物表面まで達していない場合でも鉄筋の腐食程度を非破壊で検査することができ、真に適切な補修範囲を選定し補修工事が実行できる。そのため保守コストを大幅に減少させることが可能である。
(5)従来はコンクリート構造物表面のコンクリートが剥離してから補修するのが常であった。補修範囲は剥離のみか、または剥離部周辺を少々含む程度であった。しかし、コンクリートの剥離が発生しなくとも鉄筋の腐食は進行しており、コンクリート構造物全体としての耐力が減退してゆく。この耐力が大幅に減退した場合には、コンクリート構造物の一部損壊、地中構造物であれば一部損壊により道路陥没、地上建築物の傾斜などなど、さまざまな影響が発生し、社会問題化する可能性がある。本発明を用いれば、コンクリートが剥離していなくても鉄筋の腐食程度を非破壊で検査することが可能である。本手法を用いて定期的にコンクリート構造物の検査・補修を行えば、従来に比較して格段とコンクリート構造物全体の耐力を維持できる。
(6)従来行われている補修方法は、鉄筋深さ以上までコンクリートを掘削し新たに鉄筋を配置するなど大掛かりなものであり、コストも大幅に必要であった。本発明を用いれば鉄筋の腐食程度が非破壊で計測できるため、鉄筋腐食程度に応じた適切な補修工法を選択でき、補修コストの削減が可能となる。
(7)地震、施工不良によりコンクリート構造物に強い応力が加わった場合にもクラックが発生する。この場合、鉄筋からクラックが発生することが多い。鉄筋は健全であるのにコンクリート構造物表面では目視でクラックが観測される。クラックが発生しているため数年、数十年後には鉄筋が腐食する可能性が高いが補修方法としは簡易な方法、たとえばコンクリート表面の止水処理、で十分である。しかし、従来では鉄筋の腐食が検知できなかったため、上記場合でも本格的な補修が施されてきた。本発明を用いれば、クラックが発生していても鉄筋が腐食していないことが非破壊で計測できるため、簡易な補修方法を選択でき、補修・保守コストの大幅な減少となる。
本発明は超音波法により従来は不可能であった鉄筋3の腐食程度の計測を可能とした手法である。
図1に波形収集におけるフローチャートを示す。本フローチャートにそって説明を行う。
(STEP1)
変数nを1とする。
(STEP2)
図2および図3において、送信探触子12、受信探触子13、および鉄筋3の相対的位置関係を示す。
図2(a)はコンクリート構造物1を上面から観測した上面図である。中央に鉄筋3が示されている。同図(b)は、図2(a)においてA側面から観測した、図2(a)の側面図である。
図2(a)に示されているように、送信探触子12、受信探触子13は鉄筋真上の位置に設置される。なお送受信探触子の中央位置は後述する探触子移動線と一致するように配置する。ここで送信探触子12と受信探触子13との距離を探触子間隔LAn(n=1,2,3)と定義する。本実施例では探触子間隔、LAnは、LA1、LA2、LA3の3種類である。また、図2(b)に示されているように送受信探触子は鉄筋3からの垂線に対し同じ距離(LAn/2)となるよう配置される。
上述した探触子配置を『鉄筋沿場合の探触子配置』と定義する。
図3(a)に示されているように、送信探触子12、受信探触子13は鉄筋を挟んで左右対称となるように配置する。送信探触子の中央位置は後述する送信用探触子移動線と一致するように配置する。また、受信探触子の中央位置は後述する受信探触子移動線と一致するように配置する。ここで送信探触子12と受信探触子13との距離を探触子間隔LBn(n=1,2,3)と定義する。
本例では探触子間隔LBnは、LB1、LB2、LB3の3種類である。また、図3(b)に示されているように送受信探触子は鉄筋3からの垂線に対し同じ距離(LBn/2)となるよう配置される。上述した探触子配置を『鉄筋挟場合の探触子配置』と定義する。
本発明では、送信探触子と受信探触子との配置関係は、『鉄筋沿場合の探触子配置』と『鉄筋挟場合の探触子配置』との両方の場合を含むものである。
つぎに、送受信探触子を図2,3に示されている探触子移動線にそって移動させる。このとき送受信間隔LAn、LBnが一定となるよう保持しながら移動させてゆく。
送受信探触子の間隔を一定とするために治具などを利用すると効果的である。探触子の移動区間をLoと定義する。送受信探触子が移動区間Loに到達したら逆方向に探触子を移動させる。図2に示される『鉄筋沿場合の探触子配置』の探触子移動線は鉄筋真上中央に位置する。図3に示される『鉄筋挟場合の探触子配置』の探触子移動線は、送信探触子用と受信探触子用とに分けられる。双方の探触子移動線も鉄筋に対し平行である。
探触子を移動しながら超音波を送受信し反射波をN回受信する。通常ではNは1000回から3000回程度である。次にN個の波形を時間軸上で平均化する。
平均化した波形をFn(t)(n=1,2,3,・・k)と定義する。この平均化処理によりコンクリート構造物内に含まれている骨材、気泡からの反射波を除去でき、SNの良好な波形を収集できる。
(STEP4)
STEP2〜STEP3までを、変数nを1,2,3として3回実行する。nは3に限定されるものではないが、3の場合が最も良好な結果が得られる。
STEP1〜STEP4を実行した結果『鉄筋沿場合の探触子配置』の場合では、探触子間隔LAn、すなわちLA1、LA2、LA3のそれぞれに応じて平均化波形Fn(t)、すなわちF1(t)、F2(t)、F3(t)、が3個得られる。また『鉄筋挟場合の探触子配置』の場合では、探触子間隔LBn、すなわちLB1、LB2、LB3のそれぞれに応じて平均化波形Fn(t)、すなわち、F1(t)、F2(t)、F3(t)、が3個得られる。Fn(t)の例を図5(a)に示す。横軸は伝播時間、縦軸は波形振幅値である。丸で囲った波形が鉄筋反射波である。
以上、波形収集までの方法を述べた。次に波形の信号処理方法を詳細に記述するが、以下の実施例では『鉄筋沿場合の探触子配置』を代表させて説明を行う。図4に信号処理のフローチャートを示す。記述の便宜上、処理開始はSTEP10からとする。
(STEP10)
変数nを1とする。
(STEP11)
図5(a)に示されている平均化波形Fn(t)において、時間Ts〜Teの時間隔にある波形を平均化波形から抽出する。図5(b)に示されているように、その他の時間位置での波形振幅値は『0』とする。本処理により成型された波形をFFn(t)と呼称する。
Ts=(To−Ms) (1)
Te=(To+Me) (2)
ここで、MsおよびMeは実験および現場計測により求められた定数である。変数としては,鉄筋深度、鉄筋径、鉄筋種別、コンクリート表面粗さなど、さまざまな側面から検討を行い、得られた知見である。従って、あらかじめ実験などで求めておけばよい。
STEP11により成型された波形FFn(t)をFFTにより周波数領域に変換する。
得られたパワースペクトルをSn(f)と呼称する。図5(c)にその模様を示す。同図の横軸は周波数、縦軸は強度である。本実施例である図5では、変数nを1とした場合の例を示している。
(STEP13)
STEP11〜STEP12までを、変数nを1,2,3として3回実行する。
STEP10〜STEP13までの処理により、探触子間隔LAn、すなわちLA1、LA2、LA3のそれぞれに応じてパワースペクトルSn(f)、すなわち、S1(f)、S2(f)、S3(f)、が3個得られる。これらパワースペクトルS1(f)、S2(f)、S3(f)を周波数領域にて加算を行う。その模様を図7に示す。横軸は周波数、縦軸は強度である。実施例では周波数fがf10の場合の加算例を示している。
スペクトルS1(f)の周波数f10の時の強度はS1(f10)となる。同様にS2(f)ではS2(f10)に、S3(f)ではS3(f10)となる。これらの和を計算する。すなわち、SS(f10)=S1(f10)+S2(f10)+S3(f10)である。ここでSS(f)は加算スペクトルと呼称される。
次に、図4のフローチャートに従って、加算スペクトルSSm(f)(m=1,2,3,・・7)を算出する。
図10には、D領域である測定位置1、C領域である測定位置2、B領域である測定位置4、A領域である測定位置6の4箇所で算出された加算スぺクトルSS1(f)、SS2(f)、SS4(f)、SS6(f)、のスぺクトルを示している。加算スぺクトルSS6(f)の強度がもっとも大きく、鉄筋腐食が進行するにつれて、加算スペクトルSSm(f)の強度が小さくなっていくのが観測できる。
加算スペクトルSSm(f)のスペクトルピーク周波数Pmを算定する。図12に示されているように、SS1(f)、SS2(f)、SS4(f)、SS6(f)に対しそれぞれ、P1、P2、P4、P6のスペクトルピーク周波数を算定できる。
図9に示されるように測定位置を決め、その測定位置において順番に測定を行い図13のグラフを作成すれば、鉄筋が健全である領域を非破壊で検査可能である。
図13の縦軸に示されている値、β1、β2について説明を行う。
図15の横軸は測定位置m、縦軸は加算スペクトルSSm(f)を積分した値Im(m=1,2,3・・,7)である。
すなわち、
fe=fp−△f
fs=fp+△f
で規定される。
ここで、△fは数々の実験及び現場計測によって実際の腐食度合との近似性を判定して見出した値である。本実験例では、△f=3/5×fp である。
のエネルギーを意味すると考えられる。すなわち、鉄筋腐食が進行するにしたがって鉄筋および鉄筋周辺からの反射波のエネルギーが小さくなっていくと解釈できる。これは、鉄筋周辺の環境が腐食環境に変化していくにつれて、超音波の吸収、散乱減少が激しくなることを意味すると考える。
上記のように本発明によれば、超音波をもちいてコンクリート構造物1の鉄筋3の腐食状態を、健全、軽微の腐食、中程度の腐食、重度の腐食の4段階に分けての判別が可能である。
2:コンクリート構造物表面
3:鉄筋
4:腐食した鉄筋
5:クラック
6:コンクリートの剥離
7:人為的にコンクリートを除去した穴
8:自然電位計測機
9:電極A
10:電極B
11:超音波
12:送信探触子
13:受信探触子
14:電圧発生器
15:受信機
16:圧電素子
17:制御部
18:演算部
19:表示部
20:接触媒質
21:鉄筋リブ
Claims (7)
- 送信探触子と受信探触子との間隔Ln(n=1,2,3,・・k)を一定として送受信探触子を探触子移動線に沿って移動させながら鉄筋からの反射波をN回受信し、
N回受信した波形について次の処理を行うことにより加算スペクトルSS(f)を求め、
前記加算スペクトルから鉄筋の腐食程度を判定することを特徴とするコンクリ−ト構造物中の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法。
(1)N回の反射波を平均化して平均化波形Fn(t)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(2)前記平均化波形Fn(t)において、鉄筋反射波を含む時間間隔の波形のみを抽出して成型波形FFn(t)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(3)前記成型波形FFn(t)をFFTにより周波数領域に変換しパワースペクトルSn(f)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(4)
- 測定位置mを複数個設定することを特徴とする請求項1記載のコンクリ−ト構造物中の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法。
- m箇所の測定位置で算出された加算スペクトルSSm(f)(m=1,2,3,・・)からスペクトルピークの強度が最大である周波数fmaxを算出し、
SSm(fmax)に基づき鉄筋腐食程度を判定することを特徴とする請求項2記載のコンクリ−ト構造物中の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法。 - m箇所の測定位置で算出された加算スペクトルSSm(f)(m=1,2,3,・・)において、それぞれのスペクトルピーク周波数Pm(m=1,2,3,・・)を算定し、
SSm(Pm)に基づき鉄筋腐食程度を判定することを特徴とする請求項2記載のコンクリ−ト構造物中の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法。 - m箇所の測定位置で算出された加算スペクトルSSm(f)(m=1,2,3,・・)において、周波数軸上での、それぞれの加算スペクトルSSm(f)(m=1,2,3,・・)に対応する積分値Im(m=1,2,3,・・)を算定し、
Imに基づき鉄筋腐食程度を判定することを特徴とする請求項2記載のコンクリ−ト構造物中の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法。 - 前記積分を、fsから開始し、feまで行うことを特徴とする請求項5記載のコンクリ−ト構造物中の鉄筋腐食程度の非破壊検査方法。
ただし、
fs=fp−△f
fe=fp+△f
fpは加算スペクトルのうち最もスペクトルピーク強度が大きな周波数である。
△fは、定数。 - 送信探触子と、
受信探触子と、
前記送信探触子と受信探触子の移動を制御するための制御部と、
送信探触子と受信探触子との間隔Ln(n=1,2,3,・・k)を一定として送受信探触子を探触子移動線に沿って移動させながら鉄筋から受信したN個の波形について次の処理を行うことにより加算スペクトルSS(f)を求める演算部と、
を有することを特徴とするコンクリ−ト構造物中の鉄筋腐食程度の非破壊検査装置。
(1)N回の反射波を平均化して平均化波形Fn(t)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(2)前記平均化波形Fn(t)において、鉄筋反射波を含む時間間隔の波形のみを抽出して成型波形FFn(t)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(3)前記成型波形FFn(t)をFFTにより周波数領域に変換しパワースペクトルSn(f)(n=1,2,3,・・k)を求める処理
(4)
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