JP2010019658A - 超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度を向上させ、長距離測定が可能な超音波を用いたコンクリート表面ひび割れ深さ測定装置とそれを用いた測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置において、入射縦波をモード変化させ縦波と横波が同時にコンクリート中に発生する入射角度で発信するようにコンクリート表面に配置された発信用超音波探触子と、前記発信用超音波探触子と所定間隔をおいてコンクリート表面に配置され、前記発信用超音波探触子からコンクリート中に発信された縦波と横波を受信する受信用超音波探触子と、前記受信用超音波探触子で受信した縦波と横波のデータに基づいてコンクリート表面ひび割れの深さを演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、超音波を利用してコンクリート構造物の表面ひび割れの深さを測定する測定装置とそれを用いた測定方法に関する。

超音波を含む弾性波を用いたコンクリートのひび割れの性状（深さ、方向、位置）を計測する従来技術として、図７に示されるように、コンクリート構造物１０の表面の目視で確認できた表面ひび割れに対して、表面ひび割れの一方に低周波数の垂直探触子１を設置し、探触子１からコンクリートの内部に縦波を発信し、表面ひび割れの反対側に設置した垂直探触子２でその縦波を受信し、探触子の位置関係、伝播時間差、位相などの情報から表面ひび割れの深さ、角度を推定する計測方法が開発されている。
また、特開２００１−１２９３３号公報には、ハンマーなどを用いて表面ひび割れ付近のコンクリート表面を打撃し、発生した衝撃弾性波のエネルギーが表面ひび割れを通過するときに減衰する程度により表面ひび割れの深さを推定する方法が開示されている。
また、ＡＥ法（アコースティックエミッション）という、コンクリートのひび割れ発生に伴った弾性波を検出し、ひび割れの発生や進展を計測する方法が知られている。
特開昭６３−２４７６５３号公報 特開２００１−１２９３３号公報

しかしながら、垂直探触子をコンクリートの表面ひび割れの両側に配置して計測する方法は、縦波弾性波が減衰しやすいため、ひび割れの有無を近くで目視して確認しないと計測できず、近距離計測しかできない。また、図８に示されるように表面ひび割れ１１上に装置や設備３などがある場合、ひび割れの有無を直接目視で確認することができず、装置や設備３を移動しない限り、ひび割れの計測は不可能になる。また、縦波弾性波の減衰が大きくなると、初動時間の判別が難しくなるという問題がある。

また、特開２００１−１２９３３号公報に開示された計測方法は、大きいエネルギーを持つ表面波を作り出すことができるが、先ず近くでひび割れの有無を目視で確認する必要がある。目視で確認できない個所や、遠方で目視できないコンクリートのひび割れには対応が困難である。また、人手によりハンマーを持ってコンクリート表面を打撃して表面波を作り出すため、打撃の場所、コンクリートの硬さ、ハンマーの打撃速度や打撃力などによってエネルギーの大きさを常に一定に維持するのは困難である。また、人がハンマーで打撃するため周波数の制御が困難であり、超音波計測より低い周波数しか生成できない。すなわち、エネルギーを一定に維持することができない表面波でエネルギー減衰の変化によってひび割れの深さを推定するため、計測データの信頼性が欠けている。

また、ＡＥ法（アコースティックエミッション）による計測方法は、コンクリートのひび割れ発生に伴った弾性を情報として計測するため、元々発生しているひび割れには対応できない。

本発明は、上記従来技術のもつ課題を解決する、測定精度を向上させ、長距離測定が可能な超音波を用いたコンクリート表面ひび割れ深さ測定装置とそれを用いた測定方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置は、前記課題を解決するために、入射縦波をモード変化させ縦波と横波が同時にコンクリート中に発生する入射角度で発信するようにコンクリート表面に配置された発信用超音波探触子と、前記発信用超音波探触子と所定間隔をおいてコンクリート表面に配置され、前記発信用超音波探触子からコンクリート中に発信された縦波と横波を受信する受信用超音波探触子と、前記受信用超音波探触子で受信した縦波と横波のデータに基づいてコンクリート表面ひび割れの深さを演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置は、前記発信用超音波探触子の先端にコンクリート表面と密着する接触媒体を取り付けたことを特徴とする。接触媒体の材質を変えることで、縦波入射角度を調整すると任意の縦波屈折角及び横波屈折角を作り出すことができ、多様な表面ひび割れの深さを測定できる。

また、本発明の超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置は、コンクリート中に発信された縦波の縦波屈折角が９０度になる縦波臨界角以下になるように、前記接触媒体の材質に応じた前記発信用超音波探触子からの縦波入射角度を設定したことを特徴とする。

また、本発明の超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定方法は、送信用超音波探触子から発信された縦波がコンクリート中で縦波と横波が同時に発生する入射角度になるようにコンクリート表面に配置する工程と、前記送信用超音波探触子の設置位置から所定距離をおいて受信用超音波探触子をコンクリート表面に配置する工程と、前記送信用超音波探触子からコンクリート中に縦波と横波を同時に発信する工程と、前記受信用超音波探触子で前記送信用超音波探触子から発信された縦波と横波を受信する工程と、前記受信用超音波探触子で受信した縦波と横波のデータを演算手段に送信する工程と、前記演算手段で受信した縦波と横波のデータに基づいてコンクリートの表面ひび割れの深さを演算する工程と、からなることを特徴とする。

本発明の入射縦波をモード変化させ縦波と横波が同時にコンクリート中に発生する入射角度で発信するようにコンクリート表面に配置された発信用超音波探触子と、前記発信用超音波探触子と所定間隔をおいてコンクリート表面に配置され、前記発信用超音波探触子からコンクリート中に発信された縦波と横波を受信する受信用超音波探触子と、前記受信用超音波探触子で受信した縦波と横波のデータに基づいてコンクリート表面ひび割れの深さを演算する演算手段と、を備えた構成により、コンクリート中での音速が異なる屈折縦波と屈折横波の両方を受信することが可能となり、従来の屈折縦波の情報だけでなく屈折横波の初動時間をひび割れの深さを測定できる情報として使うことができ、測定のダブルチェックすることにより、従来の測定精度より高い精度の測定ができる。さらに、横波の振幅は縦波の振幅の約３倍以上であるため減衰率が縦波より少なく、減衰率の少ない屈折横波を測定に利用することで長距離間の測定が可能になる。

また、発信用超音波探触子の先端にコンクリート表面と密着する接触媒体を取り付けた構成により、接触媒体の材質を変えることで、縦波入射角度を調整すると任意の縦波屈折角及び横波屈折角を作り出すことができ、多様な表面ひび割れの深さを測定できる。さらに、コンクリート表面との接触面に空気層の存在を無くすことにより、効率よくコンクリート中に超音波を伝搬可能にする。

また、コンクリート中に発信された縦波の縦波屈折角が９０度になる縦波臨界角以下になるように、前記接触媒体の材質に応じた前記発信用超音波探触子からの縦波入射角度を設定した構成により、モード変化によりコンクリート中に屈折縦波と屈折横波を同時に発生させることができ、コンクリート中での音速が異なる屈折縦波と屈折横波の両方を測定に利用できるので測定精度を向上させることができ、さらに、横波の振幅は縦波の振幅の約３倍以上であるため減衰率が縦波より少なく、減衰率の少ない屈折横波を測定に利用することで長距離間の測定が可能になる。

また、送信用超音波探触子から発信された縦波がコンクリート中で縦波と横波が同時に発生する入射角度になるようにコンクリート表面に配置する工程と、前記送信用超音波探触子の設置位置から所定距離をおいて受信用超音波探触子をコンクリート表面に配置する工程と、前記送信用超音波探触子からコンクリート中に縦波と横波を同時に発信する工程と、前記受信用超音波探触子で前記送信用超音波探触子から発信された縦波と横波を受信する工程と、前記受信用超音波探触子で受信した縦波と横波のデータを演算手段に送信する工程と、前記演算手段で受信した縦波と横波のデータに基づいてコンクリートの表面ひび割れの深さを演算する工程と、とからなる構成により、コンクリート中での音速が異なる屈折縦波と屈折横波の両方を受信することが可能となり、従来の屈折縦波の情報だけでなく屈折横波の初動時間をひび割れの深さを測定できる情報として使うことができ、測定のダブルチェックすることにより、従来の測定精度より高い精度の測定ができる。さらに、さらに、横波の振幅は縦波の振幅の約３倍以上であるため減衰率が縦波より少なく、減衰率の少ない屈折横波を測定に利用することで長距離間の測定が可能になる。

本発明の実施の形態を図により説明する。図１、図２は、本発明の超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定の原理を説明する図である。

図１は、超音波の伝搬速度の異なる２つ媒体Ａ、Ｂの境界面に超音波探触子から縦波が境界面の垂線に対してαＬの入射角度で入射した状態を示す図である。例えば、測定する媒体Ａをコンクリートとし、媒体Ｂを接触媒体としてアクリル樹脂を用いた場合、媒体Ａのコンクリートの縦波の伝搬速度４０００ｍ／ｓ、媒体Ｂのアクリル樹脂の縦波の伝搬速度２７００ｍ／ｓ程度で、測定媒体Ａの縦波伝搬速度が接触媒体Ｂの縦波伝搬速度より速。但し、コンクリートの縦波の伝搬速度はコンクリートの種類により相違するので上記に示したコンクリートの伝搬速度はその一例を示すものである。

媒体Ａと媒体Ｂの境界面に対する垂線に平行の超音波の縦波を入射すると反射縦波と屈折縦波が現れ、コンクリート中には屈折縦波のみが入射する。この屈折縦波を測定に用いたのが、従来例の超音波によるコンクリートのひび割れの測定に垂直探触子を用いたものである。

図１に示されるように、境界面との垂線に対してαＬの縦波入射角で媒体Ａに縦波を入射すると、モード変化によって反射縦波と屈折縦波だけでなく、反射横波と屈折横波が現れる。このとき、縦波屈折角θＬが縦波入射角αＬより大きくな角度になっているのは、媒体Ａの縦波伝搬速度が媒体Ｂの縦波伝搬速度より大きい。また、縦波反射角βＬが横波反射角βｓより大であり、縦波屈折角θＬが横波屈折角θｓより大であるのは、いずれの場合も、縦波音速が横波音速より大きいからである。

縦波入射角αＬを増加していくと、それにつれて縦波反射角βＬ、横波反射角βｓ、縦波屈折角θＬ及び横波屈折角θｓも大きくなっていくが、縦波入射角αＬがある角度に達すると、図２に示されるように縦波屈折角θＬが９０度になる。このときの縦波入射角αＬを縦波臨界角という。縦波入射角αＬが縦波臨界角を超えると、媒体Ａ中では屈折横波だけが現れるようになる。

さらに、縦波入射角αＬが増加していくと、それにつれて横波屈折角θｓも大きくなっていくが、縦波入射角αＬがある角度に達すると、横波屈折角θｓが９０度になる。このと時の縦波入射角αＬを横波臨界角という。縦波入射角αＬが横波臨界角を超えると、媒体Ａ中への屈折波は無くなり、表面波のみが存在するようになる。

横波臨界角は常に縦波臨界角より大きい。縦波臨界角と横波臨界角の値は、測定媒体Ａ及び接触媒体Ｂの材質により変化する。例えば、接触媒体Ｂとして黒ブチルゴム、ハネナイトＧＰ３５Ｌ、黒ネオプレンゴム、ウレタン９０、黒天然ゴムなどのゴム系を用い、ゴム系接触媒体Ｂの縦波伝搬速度が１５００ｍ／ｓ前後で、測定媒体Ａをコンクリートし、コンクリートの縦波伝搬速度が４０００ｍ／ｓの場合、縦波臨界角は２２度で、横波臨界角は３８度になる。

図３は、この超音波の性質を利用した超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置の一実施形態を示す図である。

図３に示されるように、コンクリート構造物１０に表面ひび割れ１１が存在する場合、コンクリート構造物１０の表面の表面ひび割れ１１のある位置から所定距離をおいて発信用超音波探触子１２を配置する。コンクリート構造物１０の表面の表面ひび割れ１１を挟んだ所定距離をおいて発信用超音波探触子１２の配置位置の反対側の受信用超音波探触子１３を配置する。発信用超音波探触子１２からは周波数１５０ｋＨ以下の低周波の超音波を発信する。低周波数の超音波を測定に用いることで減衰率が小さくなり、長距離計測が可能になる。

発信用超音波探触子１２は、コンクリート中でモード変化し屈折縦波と屈折横波が同時に発生する縦波臨界角以下の縦波入射角度でコンクリート表面に入射するように設置される。

図４は、発信と受信の可能な超音波探触子を、発信用超音波探触子１２として用いた一実施形態を示す図である。発信用超音波探触子１２は、その縦波入射角αＬを縦波臨界角以下の角度に設置するために斜角治具１４を用いる。斜角治具１４は、ケーシングの先端にくさび状の接触媒体１６が配置される。くさび状の接触媒体１６に振動子１７が配置される。くさび状の接触媒体１６の他方の面は、コンクリート表面に密着するように配置する。くさび状の接触媒体１６とコンクリート表面との接触面に空気が存在すると、発信用超音波探触子１２から発信された縦波が空気層で反射してしまい測定媒体であるコンクリート中に超音波が伝達されないので、くさび状の接触媒体１６をコンクリート表面に確実に密着させることが重要である。ケーシング内にはダンパー１５が配置される。図５は、発信と受信の可能な超音波探触子を、発信用超音波探触子１２として用いた他の実施形態を示す図である。

接触媒体１６の材質により縦波臨界角が相違する。接触媒体１６として、黒ブチルゴム、ハネナイトＧＰ３５Ｌ、黒ネオプレンゴム、ウレタン９０、黒天然ゴムなどのゴム系を用いた場合の縦波臨界角は２２度であり、接触媒体１６として、アクリル樹脂を用いた場合の縦波臨界角は４２度である。接触媒体１６の材質の相違による縦波臨界角の変化は、接触媒体１６の材質により縦波伝搬速度が相違するためである。上記の縦波臨界角は、ゴム系の縦波伝搬速度が１５００ｍ／ｓ、アクリル樹脂の縦波伝搬速度が２７００ｍ／ｓ、コンクリートの縦波伝搬速度が４０００ｍ／ｓとした場合である。

その結果、接触媒体１６がゴム系の場合、縦波入射角αＬを２２度以下とし、接触媒体１６がアクリル樹脂の場合、縦波入射角αＬを４２度以下とする。接触媒体１６の材質を変更することで任意の角度の屈折縦波と屈折横波を発生させることができるので、多様な表面ひび割れに対応できる。

図６は、受信用超音波探触子１３で受信された屈折縦波と屈折横波を示す図である。モード変化によりコンクリート中に発信された屈折縦波と屈折横波は、コンクリート中での伝搬速度が相違し、その振幅も相違する。コンクリート中での伝搬速度は屈折縦波の方が屈折横波より速く、コンクリート中を伝搬した屈折縦波は屈折横波より早く受信用超音波探触子１３により受信される。伝搬速度の相違により、受信用超音波探触子１３での屈折縦波の受信データと屈折横波の受信データとの区別が容易になる。受信用超音波探触子１３は、コンクリート表面に斜角配置しても良いし、垂直に配置しても良い。コンクリートの表面ひび割れの深さ測定に屈折縦波と屈折横波の両方を利用できるので、測定精度を向上できる。

また、コンクリート中に発信された屈折縦波と屈折横波は、屈折横波の振幅が屈折縦波の振幅の３倍以上であるため減衰率が屈折縦波より少ないため、測定距離が長くなり、屈折縦波が減衰しても屈折横波だけでひび割れの深さを測定でき、長距離間の測定が可能になる。

図示されていないが、発信用超音波探触子１２と受信用超音波探触子１３は、コンピュータと連結され、超音波の発信、受信はコンピュータにより制御される。受信用超音波探触子１３で受信された屈折縦波と屈折横波のデータはコンピュータに送信され、コンピュータの演算手段でひび割れの深さを演算で推定する。

以上のように、本発明の超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置及び測定方法は、接触媒体１６の材質に応じた縦波入射角度を縦波臨界角以下とし、コンクリート中にモード変化で屈折縦波と屈折横波を発生させ、その両方を表面ひび割れの深さ測定に用いることができるので測定精度を向上することができ、減衰率の少ない屈折横波を測定に利用できるので長距離間の測定が可能になる。また、接触媒体１６の材質を変更し、任意の角度の屈折縦波と屈折横波を作り出すことができ、多様なひび割れの深さの測定ができる。

本発明の原理を示す図である。 本発明の原理を示す図である。 本発明の超音波によるコンクリート表面ひび割れ測定装置の一実施形態を示す図である。 本発明の発信用超音波探触子の一実施形態を示す図である。 本発明の発信用超音波探触子の他の実施形態を示す図である。 本発明の受信用超音波探触子で受信したデータを示す図である。 従来の超音波によるコンクリート表面ひび割れ深さ測定装置を示す図である。 従来技術を示す図である。

符号の説明

１０：コンクリート構造物、１１：表面ひび割れ、１２：発信用超音波探触子、１３：受信用超音波探触子、１４：斜角治具、１５：ダンパー、１６：接触媒体１６、１７：振動子

Claims (4)

1. 入射縦波をモード変化させ縦波と横波が同時にコンクリート中に発生する入射角度で発信するようにコンクリート表面に配置された発信用超音波探触子と、
   前記発信用超音波探触子と所定間隔をおいてコンクリート表面に配置され、前記発信用超音波探触子からコンクリート中に発信された縦波と横波を受信する受信用超音波探触子と、
   前記受信用超音波探触子で受信した縦波と横波のデータに基づいてコンクリート表面ひび割れの深さを演算する演算手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置。
2. 前記発信用超音波探触子の先端にコンクリート表面と密着する接触媒体を取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置。
3. コンクリート中に発信された縦波の縦波屈折角が９０度になる縦波臨界角以下になるように、前記接触媒体の材質に応じた前記発信用超音波探触子からの縦波入射角度を設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定装置。
4. 送信用超音波探触子から発信された縦波がコンクリート中で縦波と横波が同時に発生する入射角度になるようにコンクリート表面に配置する工程と、
   前記送信用超音波探触子の設置位置から所定距離をおいて受信用超音波探触子をコンクリート表面に配置する工程と、
   前記送信用超音波探触子からコンクリート中に縦波と横波を同時に発信する工程と、
   前記受信用超音波探触子で前記送信用超音波探触子から発信された縦波と横波を受信する工程と、
   前記受信用超音波探触子で受信した縦波と横波のデータを演算手段に送信する工程と、
   前記演算手段で受信した縦波と横波のデータに基づいてコンクリートの表面ひび割れの深さを演算する工程と、
   からなることを特徴とする超音波によるコンクリート表面ひび割れの深さ測定方法。

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