JP2008309523A - コンクリート内部の鉄筋腐食度測定方法ならびにその測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄筋の腐食領域を精度良く把握できる鉄筋腐食度測定方法ならびにその測定装置を提供する。
【解決手段】この発明では、各回の測定において少なくとも３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３で囲まれた領域の鉄筋腐食度の大小を把握でき、この鉄筋腐食度の大小から当該領域における鉄筋腐食度の傾向を平面的に把握できる。したがって、仮に、或る測定時に得られた測定結果が外部要因による影響を受けていた場合であっても、平面的に把握された鉄筋腐食度の傾向同士を相対的に対比することにより外部要因による影響を実質的に排除することができる。そして、これを全ての測定対象領域について繰り返し行なうことにより、測定対象領域全域における鉄筋の腐食度を誤判断なく正確に把握することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流インピーダンス法を利用した鉄筋コンクリート構造物の鉄筋腐食度測定方法ならびにその測定装置の改良に関する。

鉄筋コンクリート構造物内部の鉄筋を補修するためには、鉄筋の腐食領域を予め把握しておく必要がある。そして、測定対象領域における鉄筋の腐食領域を把握するために、交流インピーダンス法を利用して鉄筋腐食度を測定することが従来から行なわれている（特許文献１）。

この交流インピーダンス法を利用した従来の鉄筋腐食度の測定方法は、コンクリート内部に埋設されている鉄筋とコンクリート母材の表面に設けた対極との間に周波数を変えながら交流電圧を印加し、鉄筋と対極との間に形成される等価回路の応答特性（具体的には、鉄筋と対極との間のインピーダンス）を測定するというものである。そして、等価回路の応答特性を解析すれば（具体的には、測定により得られたインピーダンスから位相角を算出し、得られた位相角の大小を解析すれば）、鉄筋の腐食度を判定することができ、鉄筋の腐食領域を把握することが可能となる。
特開２００４−１７７１２４号公報

鉄筋コンクリート構造物の内部に埋設されている鉄筋の補修を的確に行なうためには、鉄筋の腐食領域を正確に把握する必要がある。そこで、従来は、上述した交流インピーダンス法を用い、以下の要領で鉄筋の腐食度を把握していた。すなわち、鉄筋コンクリート構造物の表面を碁盤の目状に区切り、各区域を１つの対極を用いて１箇所づつ順に測定し、得られた測定結果の大小を直接比較することによって（具体的には、各測定点において得られた位相角の大小を比較することによって）鉄筋の腐食度を把握していた。

ところが、この方法では、測定時に印加される電圧が数ｍＶと非常に微弱であることから外部要因による影響（たとえば、雷による電圧上昇障害や、鉄塔付近の電磁誘導障害など）を受けやすく、測定結果に誤差を生じさせることがあった。

そのため、得られた測定結果の大小を直接比較した場合、測定時の外部要因による影響が原因で測定結果間に大小差が生じているにもかかわらず「鉄筋の腐食が原因で測定結果の大小差が生じている」と誤って判断してしまう場合があり、鉄筋の腐食度を正確に把握することができないという問題があった。

それゆえに、本願発明の目的は、測定結果同士を比較する際の誤判断を防止して鉄筋の腐食度をより精度良く把握できる鉄筋腐食度測定方法ならびにその測定装置を提供することである。

請求項１に記載した発明は、「コンクリート母材１４中に埋設されている鉄筋１２を作用電極とし、測定点であるコンクリート母材１４の表面に対極２０を設置し、鉄筋１２と対極２０との間に二種以上の周波数の交流電圧を印加することによって鉄筋１２の腐食度を測定する鉄筋腐食度の測定方法において、対極２０は少なくとも３つ設置されており、鉄筋腐食度を測定する際には、鉄筋１２と各対極２０ａ〜２０ｃとの間のインピーダンスＺ１〜Ｚ３がそれぞれ同時に測定され、前記同時に測定されたインピーダンスＺ１〜Ｚ３がコール・コールプロット図として表示装置４８に同時且つリアルタイムに表示される」ことを特徴とするコンクリート内部の鉄筋腐食測定方法である。

この発明では、少なくとも３つの対極２０ａ〜２０ｃを用いることにより、少なくとも３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３における鉄筋腐食度を同時に測定できるので、同時に測定された少なくとも３つの測定結果については、その測定条件が同一であるものとして取り扱うことができる。このように、少なくとも３つの測定結果の測定条件が同一であれば、外部要因による影響が測定結果間の大小差として反映されることはなく、鉄筋腐食度による影響だけが測定結果間の大小差として反映されることになる。

つまり、少なくとも３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３で囲まれた領域においては、同時に測定される少なくとも３つの測定結果同士を直接比較することにより、当該領域における鉄筋腐食度の大小を外部要因による影響を受けることなく把握することができる。

また、例えば１回目の測定の測定結果と２回目の測定の測定結果とを対比する場合のように測定タイミングが異なる測定結果同士を対比する場合には、上述したように、外部要因による影響が測定結果間の大小差として反映され、鉄筋腐食度の判断に誤りを生じさせる可能性がある。

しかしながら、本願発明では、上述したように、各回の測定では少なくとも３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３で囲まれた領域の鉄筋腐食度の大小が把握できており、この鉄筋腐食度の大小から当該領域における鉄筋腐食度の傾向を平面的に把握できる。したがって、仮に、或る測定時に得られた測定結果が外部要因による影響を受けていた場合であっても、平面的に把握された鉄筋腐食度の傾向同士を相対的に対比することによって外部要因による影響を実質的に排除することができ、鉄筋腐食度の判断を正確に行なうことができる。

さらに、１回の測定で少なくとも３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３を同時に測定できるので、その分、測定対象領域全体を測定するのに要する時間を短縮することができる。

そして、同時に測定された少なくとも３つのインピーダンスＺ１〜Ｚ３をコール・コールプロット図として表示装置４８に同時且つリアルタイムに表示するようにしているので、測定者は、測定中にコール・コールプロット図を確認することで、鉄筋腐食度の測定状況を確認することが可能となる。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明を実施するための測定装置に関するものであり、「コンクリート母材１４中に埋設されている鉄筋１２の腐食度を測定するのに用いられる鉄筋腐食度測定装置２２であって、測定点であるコンクリート母材１４の表面に設置される少なくとも３つの対極２０ａ〜２０ｃと、鉄筋１２と各対極２０ａ〜２０ｃとの間に二種以上の周波数の交流電圧Ｖを印加するアンプ２８と、アンプ２８にて印加された各周波数毎の交流電圧Ｖに対応するインピーダンスＺ１〜Ｚ３を演算する演算装置４４と、演算装置４４にて演算されたインピーダンスＺ１〜Ｚ３をコール・コールプロット図として表示する表示装置４８とを備えるコンクリート内部の鉄筋腐食度測定装置２２」である。

本願発明によれば、各測定において、少なくとも３つの測定点で囲まれた領域の鉄筋腐食度の大小を把握でき、この鉄筋腐食度の大小から当該領域における鉄筋腐食度の傾向を平面的に把握できる。したがって、仮に、或る測定時に得られた測定結果が外部要因による影響を受けていた場合であっても、平面的に把握された鉄筋腐食度の傾向同士を相対的に対比することにより外部要因による影響を実質的に排除することができる。

そして、以上を全ての測定対象領域について繰り返し行なうことにより、測定対象領域全域における鉄筋の腐食度を誤判断することなくより正確に、しかも、より短時間で把握することが可能となる。

本発明が適用された「鉄筋腐食度の測定方法」は、図１に示すように、鉄筋コンクリート構造物１０を構成する鉄筋１２の腐食の程度を交流インピーダンス法を利用して測定する方法の改良に関するものである。

鉄筋コンクリート構造物１０の内部には、図１に示すように、複数の鉄筋１２が互いに導通するように縦横に配設され、かつ、結束されており、これらの鉄筋１２がコンクリート母材１４中にほぼ一定の深さで埋設されている。

コンクリート母材１４中には水分子が存在しているため、鉄筋１２の表面では、酸化還元反応が進行する。つまり、鉄筋１２からコンクリート母材１４に向かって鉄イオンが移動し、鉄筋１２中には電子が残留することによって鉄筋１２の腐食が徐々に進行するのである。

このようにして鉄筋１２とコンクリート母材１４との界面に腐食が生じると、鉄筋１２から飛び出した鉄イオンと電子とが界面において対峙した形態をとり、図２に示すような抵抗１６とコンデンサ１８との並列回路、すなわち電気二重層等価回路ａが界面に構成される。このような電気二重層等価回路ａを構成する部分は、一般に「電気二重層部」と称される。

また、図１に示すように、鉄筋１２を作用電極とし、測定点Ｐ１〜Ｐ３におけるコンクリート母材１４の表面に対極２０（２０ａ〜２０ｃ）を設置すると、或る対極２０（例えば、対極２０ａ）に着目した場合、鉄筋コンクリート構造物１０においては、鉄筋１２とコンクリート母材１４との界面だけでなく、コンクリート母材１４中や、コンクリート母材１４と対極２０ａとの界面にも電気二重層等価回路ａが構成されることになる。したがって、計測系の全体（鉄筋１２と対極２０ａとの間）では、図３に示すように、３つの電気二重層等価回路ａ（ａ₁〜ａ₃）が直列に接続された等価回路Ａが構成されることになる（同様に、対極２０ｂや対極２０ｃについても鉄筋１２との間で等価回路Ａがそれぞれ構成されることになる）。そして、この等価回路Ａに交流電圧を印加することにより、測定点Ｐ１における鉄筋腐食度を測定するのであるが、この測定方法について説明する前に鉄筋腐食度を測定するための測定装置２２について説明する。

鉄筋腐食度測定装置２２は、図１に示すように、３つの対極２０（２０ａ〜２０ｃ）と、アンプ２８と処理端末３０とで大略構成されている。ここで、本実施例では、対極２０が３つ設けられているが、これは、１回の測定で得られる測定結果から鉄筋腐食度の傾向を平面的に把握することを目的としているからである（この点については後述する）。したがって、この目的を達成するためには、少なくとも３つ以上の対極２０が必要であり、上述のように対極２０を３つ設ける場合の他、例えば４つ（或いはそれ以上）設けるようにしてもよい。

アンプ２８は、鉄筋１２と対極２０との間に所定の交流電圧を付与するとともに、インピーダンスＺの計測に必要な各種信号（電流値等）を取得するものであり、このアンプ２８には、図３に示した電流計３２が組み込まれている（本実施例では、電流計３２が対極２０の数に合わせて３つ組み込まれている）。なお、交流電圧の付与ならびに各種信号の取得は、各対極２０ａ〜２０ｃに対して個別に行なうことができる。

このアンプ２８には、出力端子３４が対極２０の数に合わせて３つ設けられており、これら３つの出力端子３４のそれぞれに各対極２０ａ〜２０ｃが接続線３６を介して接続されている。

さらにこのアンプ２８からは、アンプ２８と鉄筋１２とを電気的に接続するための接続線３８が導出されている。また、アンプ２８の背面であって接続線３８の近傍には、接続端子４０が設けられており、この接続端子４０に処理端末３０が接続ケーブル４２を介して接続されている。なお、アンプ２８にて取得された各種信号は、接続ケーブル４２を介して処理端末３０に取り込まれる。

処理端末３０は、各種演算を実行する演算装置４４と、制御または測定に必要な種々のデータを入力する入力装置（キーボードまたはマウス等）４６と、データを記憶する記憶装置（ハードディスク等）と、データを表示するための表示装置（液晶ディスプレイ等）４８とを備えている。そして、測定の際には、印加電圧Ｖ、計測周波数、検波数、電流レンジ等の設定データが入力装置４６から入力され、これらの設定データに基づいて、アンプ２８の出力が制御される。また、演算装置４４では、印加電圧Ｖならびにアンプ２８にて取得された各種信号（電流値Ｉなど）をもとにインピーダンスＺが演算・測定され、記憶装置では、各周波数における生波形データ、電流値（実効値）およびインピーダンスＺ等が記憶され、表示装置４８では、交流インピーダンスＺの軌跡がコール・コールプロット図として描画される。なお、これら一連の動作は、各対極２０ａ〜２０ｃについてそれぞれ個別に行なわれる。

演算装置４４において各測定点Ｐ１〜Ｐ３における周波数毎のインピーダンスＺ１〜Ｚ３が算出されると、各測定点Ｐ１〜Ｐ３におけるインピーダンスＺ１〜Ｚ３の値が、その算出の都度、コール・コールプロット図として表示装置４８に順次描画される。したがって、測定者は、鉄筋腐食度の測定をしながら、その測定経過を表示装置４８にてリアルタイムに確認することができる。

なお、図５は、測定点Ｐ１〜Ｐ３におけるインピーダンスＺ１〜Ｚ３の値をコール・コールプロット図として表示装置４８に描画した状態を示した図であり、その表示画面には、測定点Ｐ１〜Ｐ３における各測定結果がコール・コールプロット図としてそれぞれ表示されている（図５中、測定点Ｐ１についての測定結果をコール・コールプロット図として表したものがＱ１であり、測定点Ｐ２についての測定結果をコール・コールプロット図として表したものがＱ２であり、測定点Ｐ３についての測定結果をコール・コールプロット図として表したものがＱ３である）。

鉄筋腐食度測定装置２２を用いて鉄筋１２の腐食度を測定する際には、まず、測定点Ｐ１〜Ｐ３に対極２０ａ〜２０ｃをそれぞれ設置するとともに、接続線３８を鉄筋１２と接続する。これにより、各測定点Ｐ１〜Ｐ３と鉄筋１２との間において等価回路Ａがそれぞれ構成されることになる。なお、測定点Ｐ１〜Ｐ３の位置（すなわち、各対極２０ａ〜２０ｃが設置される位置）は、測定誤差を防止するために鉄筋１２の直上となるよう位置決めされる。

以上のようにして測定の準備が完了すると、アンプ２８を駆動させて各対極２０ａ〜２０ｃと鉄筋１２との間に一定の交流電圧を印加し、鉄筋腐食度の測定を開始する。なお、アンプ２８の出力は、入力装置４６を用いて入力された印加電圧Ｖ、計測周波数、検波数、電流レンジ等の設定データに基づいて決定される。

ここで、測定点Ｐ１に設置された対極２０ａに着目して説明すると、対極２０ａと作用電極となる鉄筋１２との間に一定の交流電圧（数ｍＨｚ〜数ｋＨｚという極めて広い周波数領域の間の２０〜３０程度（勿論、この数字に限定されるものではない。）の周波数が選択される）が印加されると、鉄筋１２と対極２０ａとの間のインピーダンスを測定（演算）するのに必要な各種信号（電流値Ｉ等）がアンプ２８にて取得される。演算装置４４では、アンプ２８にて取得された各種信号が取り込まれ、この各種信号を元にしてそれぞれの周波数において鉄筋１２と対極２０ａとの間における全体のインピーダンスＺ１＝Ｘ＋ｊＹ（ｊは虚数単位）が演算される。インピーダンスＺを測定するための具体的方法については、たとえば先行技術１に開示されているため、ここではその説明を省略する。

なお、コンクリート母材１４中における鉄筋１２の界面に生じる電気二重層部の静電容量Ｃ３は、１ｃｍ²当たり数十マイクロファラドといわれており、対極２０ａとコンクリート母材１４との間の静電容量Ｃ１やコンクリート母材１４の静電容量Ｃ２に比べて十分大きい。そのため、大きな電気二重層部の静電容量Ｃ３に対して静電容量Ｃ１、Ｃ２を無視する事が出来、演算により得られたインピーダンスＺ１の値を、測定点Ｐ１における鉄筋１２とコンクリート母材１４との界面に生じた電気二重層部のインピーダンスの値として取り扱うことができる。

以上のようにして得られたインピーダンスＺ１のうち、実数部Ｘを横軸に、虚数部Ｙを縦軸にとり、インピーダンスの各点（Ｘ，Ｙ）を曲線で結んだコール・コールプロット図の模式図が図４である。

コール・コールプロット図の曲線は、鉄筋１２とコンクリート母材１４との界面において発生する並列接続された電荷移動抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３の組、コンクリート母材１４中において発生する並列接続された抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２の組、コンクリート母材１４と対極２０との界面において発生する並列接続された抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の組毎に半円を繋いだ３つの山状態を示す（図４においては、左側から右側に行くほど低周波領域となる）。

なお、第１の半円部Ｓ１は電荷移動抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の組であり、第２の半円部Ｓ２は電荷移動抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２の組であり、第３の半円部Ｓ３が電荷移動抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３の組である。

こうして得られたコール・コールプロット図を参照し、原点（０，０）から第３の半円部Ｓ３上の測定点（Ｘ、Ｙ）を結ぶ直線と、Ｘ軸とが成す角度（これが位相角φである。）を求める。

位相角φは、抵抗値Ｒ１、Ｒ２の影響を受けるものの電気二重層部の静電容量Ｃ３の大小に依存しているので、その値が小さくなるほど、鉄筋１２の腐食が進行していないことを示す。換言すれば、或る測定点Ｐ１において、適当な低周波数ｆにおける位相角φを測定し、基準となる腐食が生じていない鉄筋の位相角φと比較することで鉄筋１２の状態を推測する事が出来るようになる。

なお、これまでの経験から基準となる腐食を生じていない鉄筋１２の位相角φは５°〜８°であった。位相角φがこれ以上である場合、鉄筋１２に腐食が発生しているか発生し得る状態にある事を示している。

そして、上述と同様の腐食度測定が測定点Ｐ２およびＰ３についても同時に行なわれることとなり、鉄筋腐食度測定装置２２の全体としては、１回の測定で３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３についての鉄筋腐食度の測定が同時に行われるのである。

ここで重要な点は、本実施例では、３つの対極２０ａ〜２０ｃを用いることによって３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３における鉄筋腐食度を同時に測定でき、得られた３つの測定結果についてはその測定条件が同一であるものとして取り扱うことができる、という点である。

少なくとも３つの測定結果の測定条件が同一であれば、外部要因による影響が測定結果間の大小差として反映されることはなく、鉄筋腐食度による影響だけが測定結果間の大小差として反映されることになる。

したがって、少なくとも３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３で囲まれた領域の腐食度については、同時に測定される少なくとも３つの測定結果同士を直接比較することにより、その大小を正確に把握することができるのである。

また、例えば１回目の測定の測定結果と２回目の測定の測定結果とを対比する場合のように測定タイミングが異なる測定結果同士を対比する場合には、上述したように、外部要因による影響が測定結果間の大小差として反映され、鉄筋腐食領域の判断に誤りを生じさせる可能性がある。

しかしながら、本実施例では、各回の測定において少なくとも３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３で囲まれた領域の鉄筋腐食度の大小を把握できているので、この鉄筋腐食度の大小から当該領域における鉄筋腐食度の傾向を平面的に把握できる。したがって、仮に、或る測定時に得られた測定結果が外部要因による影響を受けていた場合であっても、平面的に把握された鉄筋腐食度の傾向同士を相対的に対比することにより外部要因による影響を実質的に排除することができ、鉄筋腐食度の判断を正確に行なうことができる。そして、これを全ての測定対象領域について繰り返し行なうことにより、測定対象領域全域における鉄筋の腐食度を正確に把握することが可能となるのである。

さらに、１回の測定で少なくとも３つの測定点を同時に測定できるので、測定対象領域全域を測定するのに要する時間をその分短縮することが可能となる。

そして、同時に測定された少なくとも３つのインピーダンスＺ１〜Ｚ３をコール・コールプロット図として表示装置４８に同時に表示するようにしているので、測定者は、測定点Ｐ１〜Ｐ３における鉄筋腐食度の測定状況を確認しながら測定することができる。

なお、本願発明は、その前提として交流インピーダンス法を利用さえしていれば、他の統計的手法による腐食度測定法にも適用が可能である。

たとえば、特開２００７−１７４０５号のように静電容量に基づく統計的手法によって鉄筋の腐食度を評価するような場合であっても、その前提として交流インピーダンス法を利用して鉄筋の腐食度を測定するものであれば適用が可能である。

交流インピーダンスの測定方法を示す図である。 鉄筋とコンクリート母材との界面における等価回路図を示す図である。 鉄筋コンクリート構造物全体の等価回路図を示す図である。 交流インピーダンス法を利用して作成されたコール・コールプロット図の模式図である。 測定結果である交流インピーダンスの値を表示装置にコール・コールプロット図として表示させた状態を示す図である。

符号の説明

１０…鉄筋コンクリート構造物
１２…鉄筋
１４…コンクリート母材
１６…抵抗
１８…コンデンサ
２０…対極
２２…腐食度測定装置
２８…アンプ
３０…処理端末
３２…電流計
４４…演算装置
４８…表示装置

Claims (2)

1. コンクリート母材中に埋設されている鉄筋を作用電極とし、測定点であるコンクリート母材の表面に対極を設置し、前記鉄筋と前記対極との間に二種以上の周波数の交流電圧を印加することによって前記鉄筋の腐食度を測定する鉄筋腐食度の測定方法において、
   前記対極は少なくとも３つ設置されており、
   鉄筋腐食度を測定する際には、前記鉄筋と前記各対極との間のインピーダンスがそれぞれ同時に測定され、前記同時に測定されたインピーダンスがコール・コールプロット図として表示装置に同時且つリアルタイムに表示されることを特徴とするコンクリート内部の鉄筋腐食度測定方法。
2. コンクリート母材中に埋設されている鉄筋の腐食度を測定するのに用いられる鉄筋腐食度測定装置であって、
   測定点であるコンクリート母材の表面に設置される少なくとも３つの対極と、
   前記鉄筋と前記各対極との間に二種以上の周波数の交流電圧を印加するアンプと、
   前記アンプにて印加された各周波数毎の交流電圧に対応するインピーダンスを演算する演算装置と、
   前記演算装置にて演算された前記各インピーダンスをコール・コールプロット図として表示する表示装置とを備えるコンクリート内部の鉄筋腐食度測定装置。