JP2013134165A

JP2013134165A - コンクリート等弾性係数が不知の材料のｕｃｉ法による測定方法

Info

Publication number: JP2013134165A
Application number: JP2011284868A
Authority: JP
Inventors: Yohei Inaba; 洋平稲葉
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-08
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP5947036B2

Abstract

【課題】事前に弾性係数を十分な精度で把握することができないのでそれまで不可能とされた天然材料、材料が不明の合金、硬化前の半製品の硬化後の状態の測定をＵＣＩ法を用いて可能とするものであり、それにより十分な測定精度を確保できるとともに、ポータブルな試験機で測定が可能であり、現場での測定が容易で、さらに、１回の測定時間が短くてすむというＵＣＩ法の利点を活用できるコンクリート等弾性係数が不知の材料のＵＣＩ法による測定方法を提供する。
【解決手段】測定材料の硬さを測定センサー接触前後の共振周波数の変化から推定する手法であるＵＣＩ(Ultrasonic Contact Impedance)法を使用するもので、測定材料表面とロッドの間に、圧痕面積が一定となる、また、測定材料に圧痕がつかない程度の厚さを確保できるような厚さである、工業製品の薄い挿入材料を挟み込んで測定し、振動数変化から、事前に用意した振動数と弾性係数の相関を用いて、弾性係数を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、天然材料（石材、骨材、木材、土など）や材料が不明の合金や、硬化材料（生コンクリート、モルタル、セメントペースト、石膏、漆喰、硬化前の樹脂等）等硬化前の半製品の硬化後の状態のものなど、弾性係数が事前に十分な精度で把握不可能な材料のＵＣＩ(Ultrasonic Contact Impedance)法による測定する方法に関するものである。

材料の力学的性質として重要な物性は、弾性係数と強度である。この２つの物性が分かっていれば、基本的な設計は可能となるため、各種試験により、これらを正確に計測する方法がこれまでに確立されてきている。

弾性係数と強度を計測する試験方法には（１）破壊試験、（２）非破壊試験と大きく分けて２種類ある。このうち、（１）の破壊試験は、材料を破壊するまで行う試験であり、測定精度は一般的に高くなるが試験に用いた材料は再度使用することができないため、実際に使用した材料そのものを試験できない。一方、（２）の非破壊試験は、材料を破壊させずに行う試験であり測定精度は一般的に低くなるが、試験に用いた材料は再度使用できるため、実際に使用した材料そのものを試験することができる。

工業製品のように、高度に管理された条件で製造された材料であれば、実際に使用した材料と破壊試験する試験片の物性にばらつきが少ないため、破壊試験によって計測することが望ましいと考えられる。

一方、天然材料（石材、骨材、木材、土など）や硬化材料（生コンクリート、モルタル、セメントペースト、石膏、漆喰、硬化前の樹脂等）は、材料の採取位置、温度履歴および材齢等により物性が変化する（材料のばらつきが大きい）ため、実際に使用した材料そのものを試験できる非破壊試験が望ましいと考えられる。

例えばコンクリートを例に取ると、非破壊・微破壊によるコンクリート強度推定方法に関連する技術非破壊・微破壊によるコンクリート強度推定方法の従来技術としては、反発度法、引っかき傷法、ピン貫入法、針貫入法、超音波法、衝撃弾性波法、共振法など多くの種類がある。

反発度法は、リバウンドハンマーでコンクリート表面を打撃し、重錘のはね返り距離からコンクリートの表面硬度を測定し、換算式を用いて強度を推定する非破壊検査法で簡易な手法として多く用いられている。しかしこの方法は、検査員の熟練を必要とするので、その応用例として、1948年スイスのシュミット博士により開発されたシュミットハンマー法があり、内蔵されているハンマーが、バネの力でコンクリート表面を打撃し、その反発度（Ｒ値）を強度推定式に代入し、圧縮強度を推定する。

また、衝撃弾性波法は、コンクリート構造物の表面に衝撃を加え、内部欠陥や構造物裏面で反射された応力波を受信センサーで受信し、受信波の強度やフーリエ変換による周波数特性等から内部欠陥等を判定するものである。

超音波法は、コンクリート構造物の表面に接触させた圧電素子から放射した超音波の構造物からの反射波や透過波を受信して構造物の内部欠陥や厚さを検査する。

下記特許文献は、この超音波法の応用として、レーザー超音波探査法［探査対象にパルスレーザ光を照射して探査対象の表面又は表面近傍に急激な熱膨張を発生させ、熱弾性効果により熱膨張の歪を弾性波（超音波）として探査対象内に伝搬する方法である。弾性波を観察することにより探査対象内の欠陥を検出し、また物性を計測することができる（山中一司「レーザー超音波法の原理と応用」非破壊検査、第49巻５号、p292-299）］を取り入れたものである。
特開２００２−２９６２４４号公報

この特許文献１は、コンクリート構造物の被診断部位の表面にパルスレーザ光を照射して熱膨張による弾性波を発生させ、被診断部位の表面を視準するレーザー干渉計により前記照射時の表面波と弾性波とを経時的に検出し、表面波の検出から最終の弾性波の検出までの波形変化から被診断部位におけるコンクリート構造物の内部欠陥又は埋設物の有無を診断してなる。

また、下記特許文献２のようなコンクリートの強度推定方法も提案されている。
特許第３６７２５２７号公報

この特許文献２は、コンクリートのサンプルを複数採取し、採取した複数のサンプルについて、中性化の影響を受けていない部分のビッカース硬さＨＶを各々測定すると共に圧縮強度Ｆｃを各々測定し、ビッカース硬さＨＶ及び圧縮強度Ｆｃの測定結果に基づいて、コンクリートのビッカース硬さＨＶと圧縮強度Ｆｃとの関係を予め求めておき、圧縮強度Ｆｃを推定すべきコンクリートのうち中性化の影響を受けていない部分を対象としてビッカース硬さＨＶを測定し、前記圧縮強度Ｆｃを推定すべきコンクリートのビッカース硬さＨＶの測定結果から、前記予め求めた関係を用いて前記圧縮強度Ｆｃを推定すべきコンクリートの圧縮強度Ｆｃを推定する。

特許文献２は、コンクリートの中性化部分の影響を受けることなく、広い強度範囲に亘り、コンクリートの圧縮強度を高精度に推定できる、という効果を有する。

前記非破壊・微破壊によるコンクリート強度推定方法に関連する従来技術は、主に２つに分けることができ、１つは超音波や衝撃波などの振動を与えて、材料の弾性係数を推測し、弾性係数から強度推定する方法であり、他の１つは釘や針などでコンクリート表面に傷をつけて強度推定する微破壊試験である。

一般にコンクリートの弾性係数と強度とは正の相関を持つが、比例するわけではないため、弾性係数から強度推定する場合の精度には限界がある。そのため、精確な強度を推定するためには、破壊試験を行う必要がある。しかし、表面を傷つける方法は低い強度のコンクリートでなければ適用が困難であり、現在一般に使用されているコンクリート強度レベルでは十分な精度が確保できない。また、現場で測定することを念頭に、測定時間の短さや試験機の可搬性も重要である。

前記特許文献２では、コンクリートのサンプルを複数採取し、採取した複数のサンプルについて測定を行うものであり、円柱状の小型のコンクリート・コアを採取し、採取したコアをコンクリート・カッタによって円柱の軸線に平行に切断することで厚み10mmの略平板状の試験片を切り出し、測定面（切断面）を研磨して鏡面仕上げにする。また、コンクリート表面の中性化している部分がビッカース硬さＨＶの測定に及ぼす影響を排除するために、例えば前述の切断によって試験片から切り離されたコンクリート片にフェノールフタレイン溶液を塗布し、変色が発生した領域を確認する（中性化している部分は変色しない）等により、コンクリート表面から進行する中性化がどの程度進行しているかを表す中性化深さＣを測定する。

ところで、測定材料の硬さを測定センサー接触前後の共振周波数の変化から推定する手法として、ＵＣＩ（Ultrasonic Contact Impedance）法がある。このＵＣＩ法によれば、ポータブルな試験機で測定が可能であり、現場での測定が容易で、さらに、１回の測定時間が短くてすむ。

ＵＣＩ法とは、一定周波数で振動するロッドを材料に接触させた場合、圧痕面積および弾性係数に応じて周波数が変化することを利用して、周波数の変化から圧痕面積を逆算し、硬度（＝荷重／圧痕面積）を推定する手法である。実際の測定は、ビッカースダイアモンドのついたロッド先端を測定材料に押し付けることにより行う。

しかし、前記ＵＣＩ法で、周波数の変化から圧痕面積が逆算が可能となるのは、測定材料の弾性係数が既知だからである。すなわち、ＵＣＩ法により硬度を推定できるのは、弾性係数の値が十分な精度で事前に把握できている必要がある。ただし、このように弾性係数が事前に把握可能な場合とは、前述したように工業製品などの高度に管理されて製造された材料に限られる。

一方、天然材料や硬化材料は、事前に弾性係数を十分な精度で把握することができない。石材などの天然材料は、少しの採取位置の違いにより弾性係数が大きく変化する可能性があり、コンクリートは養生条件（温度、湿度、脱型時期等）や材齢の違いにより弾性係数は大きく異なる。そのため、精度の良い結果を得るためには、材料そのものの弾性係数を測定する必要があり、事前に弾性係数を定めておくことはできない。

以上から、ＵＣＩ法は本来、工業製品を対象とする試験法であり、天然材料や硬化材料に適用するには困難が伴うといえる。そして、これらの困難は弾性係数が条件により不定（材料そのものを測定しない限り、十分な精度で計測できない）であることに起因する。

さらに、ＵＣＩ法によりコンクリートの強度推定を行う場合において言及すると、前記のように、ＵＣＩ法による測定値は、材料の硬さのほか、材料の表面粗さや弾性係数にも依存するため、材料の弾性係数が時々刻々と変化し、木製型枠を転用するために表面粗さが一定ではないコンクリート表面に適用するには困難を伴う。コンクリートは、金属材料などと異なり、強度と弾性係数が経時によって変化する。

また、コンクリートは骨材およびセメントマトリックスの複合材料であるため、ＵＣＩ法のような局所的な測定では測定点数が少ないと、全体を代表した測定にならない可能性がある。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、事前に弾性係数を十分な精度で把握することができないのでそれまで不可能とされたＵＣＩ法を用いての天然材料や硬化材料の硬度または強度の測定を可能とするものであり、それにより十分な測定精度を確保できるとともに、ポータブルな試験機で測定が可能であり、現場での測定が容易で、さらに、１回の測定時間が短くてすむというＵＣＩ法の利点を十分活用でき、これを応用することで、コンクリート表面の強度推定もＵＣＩ法で可能となり、建設現場での施工管理が格段に飛躍できるコンクリート等弾性係数が不知の材料のＵＣＩ法による測定方法を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１記載の本発明は、測定材料の硬さを測定センサー接触前後の共振周波数の変化から推定する手法であるＵＣＩ(Ultrasonic Contact Impedance)法を使用するもので、測定材料表面とロッドの間に、圧痕面積が一定となる、また、測定材料に圧痕がつかない程度の厚さを確保できるような厚さである、工業製品の薄い挿入材料を挟み込んで測定し、振動数変化から、事前に用意した振動数と弾性係数の相関を用いて、弾性係数を決定することを要旨とするものである。

前述したようにUCI法とは、一定周波数で振動するロッドを材料に接触させた場合、材料の圧痕面積と弾性係数に応じて周波数が変化することを利用して、周波数の変化から圧痕面積を逆算し、硬度（＝荷重/圧痕面積）を推定する手法である。

一般的なＵＣＩ試験機は、ビッカースダイアモンドのついたロッド先端は、先端が鋭角であり、測定材料が天然材料や硬化材料では、常に同じ面積で接触するようにすることができない。

請求項１記載の本発明によれば、ビッカースダイアモンドのついたロッド先端を平らな先端に交換することなく、（一般的なＵＣＩ試験機ではロッドの交換が不可能である。）圧痕面積が常に一定になるようにすることができ、挿入材料を介して測定された振動数の変化値は、測定材料の弾性係数に応じて変化するので、挿入材料を介して測定された振動数の変化値と弾性係数の相関（コンクリートの上に挿入材料を載せて得たデータ）を得ておけば、弾性係数を推定することが可能となる。

請求項２記載の本発明は、事前にある挿入材料を用いた場合の振動数変化と弾性係数の相関を把握しておき、挿入材料を介して、ＵＣＩ試験機により測定材料の振動数変化を測定し、振動数変化から、事前に用意した振動数と弾性係数の相関を用いて、弾性係数を決定する請求項１の測定方法を用いて、挿入材料を介さず、直接に測定材料の振動数変化を測定し、振動数変化と弾性係数から圧痕面積を推定し、圧痕面積から、事前に同様の材料により把握しておいた圧痕面積と硬度または強度の相関をもとに、硬度または強度を推定することを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、前記請求項１の弾性係数を推定することを用いて、ＵＣＩ法によりの天然材料や硬化材料の硬度または強度の測定を可能とすることができる。

請求項３記載の本発明は、コンクリート表面の強度推定方法として、測定予定位置のコンクリート型枠表面に工業製品の薄い挿入材料を貼り付け、事前に測定予定のコンクリートと同調合のコンクリートについて、種々の材齢における圧縮強度、弾性係数についてＵＣＩ試験機による硬さ計測を行っておき、キャリブレーションカーブを用意し、表面硬さの測定値および弾性係数の推定値から、キャリブレーションカーブを用いてコンクリートの強度推定を行うことを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、ＵＣＩ法による測定値は、材料の硬さのほか、材料の表面粗さや弾性係数にも依存するため、材料の弾性係数が時々刻々と変化し、木製型枠を転用するために表面粗さが一定ではないコンクリート表面に適用するには困難を伴う、さらに、コンクリートは骨材およびセメントマトリックスの複合材料であるため、ＵＣＩ法のような局所的な測定では測定点数が少ないと、全体を代表した測定にならない可能性があるという不都合を解消できる。

コンクリートの場合は、コンクリートの表面強度および弾性係数を非破壊・微破壊試験により精度良く推定することが可能となる。そのため、新築建物の強度確認などを行うことができるようになる。局所的な強度が推定できるため、コンクリートの表面と内部の強度などのように数cmの違いによる強度分布を把握することが可能となる。

以上述べたように本発明のコンクリート等弾性係数が不知の材料のＵＣＩ法による測定方法は、事前に弾性係数を十分な精度で把握することができないのでそれまで不可能とされたＵＣＩ法を用いての天然材料や硬化材料の硬度または強度の測定を可能とするものであり、それにより十分な測定精度を確保できるとともに、ポータブルな試験機で測定が可能であり、現場での測定が容易で、さらに、１回の測定時間が短くてすむというＵＣＩ法の利点を十分活用できるものである。

これを応用することで、コンクリートの場合は、コンクリートの表面強度および弾性係数を非破壊・微破壊試験により精度良く推定することが可能となる。そのため、新築建物の強度確認などを行うことができるようになる。局所的な強度が推定できるため、コンクリートの表面と内部の強度などのように数cmの違いによる強度分布を把握することが可能となる。本手法により強度推定を行うことで、間接的に耐久性の推定も可能になる。

また、弾性係数を局所的に高精度で計測することができるため、圧縮試験片などを整形して圧縮試験を行うことなく、弾性係数の計測が可能となる。骨材やタイルなどの無機材料でそのままでは圧縮試験のできない材料の弾性係数計測に利用することができる。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明は測定材料の硬さを測定センサー接触前後の共振周波数の変化から推定する手法であるＵＣＩ（Ultrasonic Contact Impedance）法を、材料が不明の合金の硬度および弾性係数の計測等、天然材料および硬化前の半製品の硬化後の硬度・強度および弾性係数の計測等に使用するものである。

ＵＣＩ法は測定材料の硬さを測定センサー接触前後の共振周波数の変化から推定する手法であり、一定周波数で振動するロッドを材料に接触させた場合、材料の圧痕面積と弾性係数に応じて周波数が変化することを利用して、周波数の変化から圧痕面積を逆算し、硬度（＝荷重/圧痕面積）を推定する手法である。

ＵＣＩ法は、1970年までには確立された技術としてまとまった論文が発表されている。試験機としても、ゼネラル・エレクトリック社やＪＦＥアドバンテック社が販売している。また、試験方法として、ＡＳＴＭのＡ１０３８に規定されている。ただし、これらは材料の硬さを測定する手法であるが、本発明のように強度を測定する手法ではない。

ＵＣＩ法の測定原理は以下となっている。接触センサー（ある周波数で振動している）を測定試料表面に接触させると、接触面積（Ａ）および弾性係数（Ｅ）に依存した周波数変化（△ｆ）を生じる。すなわち、ｆ（ｘ）を周波数変化の関数として、△ｆ＝ｆ（Ａ、Ｅ）が成立する。

そこで、ＵＣＩ試験機では周波数変化を測定し、これを次の関係により、硬さに変換している。ビッカース硬さ（ＨＶ）は荷重（Ｆ）と接触面積（Ａ）の関係から求められ、ＨＶ：Ｆ／Ａである。ＨＶは硬さの指標であるが、Ｆ／Ａは強度の式と同一であり、強度とも高い相関があると考えられる。よって、硬さの指標を用いることにより、強度推定もできる可能性が高い。

ＵＣＩ試験機としては、GE Inspection Technology社製のポータブル硬さ計を使用することができる。測定器の型番はＭＩＣ−２１０１、ＭＩＣ−２１０３である。

なお、ＵＣＩ法で硬度（＝荷重／圧痕面積）を推定するために、周波数の変化から圧痕面積を逆算できるのは、測定材料の弾性係数が既知だからである。すなわち、ＵＣＩ法により硬度を推定できるのは、弾性係数の値が十分な精度で事前に把握できている必要がある。しかし、このように弾性係数が事前に把握可能な場合とは、前述したように工業製品などの高度に管理されて製造された材料に限られていた。

本発明は、あらかじめ同調合の試験体による強度と弾性係数のデータを得ておき、これに基づいてＵＣＩ法の測定値から弾性係数および強度を推定するものである。

先に弾性係数の推定手法について述べる。ＵＣＩ法が、天然材料や硬化材料を測定するのは困難であることから、これを解決するための手段として、原位置で材料そのものを測定可能な非破壊による弾性係数測定方法が考えられる。この方法としては、超音波法や反発硬度法（シュミットハンマー）などの既存技術があるが、これらはそのための計測機器が必要になること、ＵＣＩ法の弾性係数との相関を別途検討する必要があるなどの問題点がある。そのため、以下でＵＣＩ法の試験機で計測するのに、本発明は測定材料表面に金属板等の挿入材料をあて、その上からロッドを接触させることで、圧痕面積が常に一定になるようにして測定する。

ここで挿入材料とは、以下の性質をもつものであり、具体的には金属薄片、薄い樹脂などである。
１．測定材料の弾性係数の違いがロッドの周波数変化に影響を与える程度の薄さを備えていること。また、挿入材料の圧痕が下の測定材料に届かない程度の厚みがあること。
２．圧痕面積が一定となるような工業製品であること。

挿入材料の材質や厚みは、測定対象とする材料の弾性係数によって、最適とされるものが異なる。一般的な傾向としては、材質としては圧痕面積が小さい材料（樹脂よりは金属）であり、薄さは下の測定材料に圧痕がつかない程度の厚さを確保できれば、薄いほどよい。このように測定材料によって、挿入材料を変更できる。

このように、挿入材料を介して測定された振動数の変化値は、測定材料の弾性係数に応じて変化する。事前に、挿入材料を介して測定された振動数の変化値と弾性係数の相関を得ておけば、弾性係数を推定することが可能となる。この場合、例えば、コンクリートの上に挿入材料を載せて得たデータである。

次に、硬度および強度の推定手法について説明する。前記天然材料や硬化材料であっても弾性係数が推定できるようになったため、従来のUCI法と組みあわせることにより、硬度および強度を推定することが可能となる。

すなわち、以下のステップを経ることで材料の硬度および強度を推定できる。
１．事前にある挿入材料を用いた場合の振動数変化と弾性係数の相関を把握しておく。
２．挿入材料を介して、ＵＣＩ試験機により測定材料の振動数変化を測定する。
３．振動数変化から、事前に用意した振動数と弾性係数の相関を用いて、弾性係数を決定する。
４．挿入材料を介さず、直接に測定材料の振動数変化を測定する。
５．振動数変化と弾性係数から圧痕面積を推定する。
６．圧痕面積から、硬度または強度を推定する。なお、圧痕面積と硬度または強度の相関は事前に同様の材料により把握しておく。

前記ＵＣＩ試験機（ＭＩＣ２０）を用いた具体的計測方法および結果は下記の通りである。
使用する試験機はKrautkramer MIC20という名称で、General Electric社の試験機である。なお、試験機は世界中において数種類あるが、基本的には同じ機器であるため、他の試験機については省く。
機器の一般的な使用方法は以下のようになる。
（１）本体の電源を入れると起動し、測定が可能な状態となる。
（２）測定材料の種類を選択し、弾性係数（Ｅ）を決定しておく。
（３）ロッドを測定材料表面に一定荷重（Ｆ）で押し付ける。
（４）試験機の内部で、振動数の変化量（Δｆ）を測定する。
（５）試験機の内部で、Ａ＝ｆ（Ｅ、Δｆ）およびＨＶ＝Ｆ／Ａの２式の関係から、ＨＶの値を計算し表示する。

本発明の実施では、前述の一般的な使用方法における（２）測定材料の種類を選択し、弾性係数（Ｅ）を決定しておくことができない状態を前提とする。この場合、（５）においてＨＶの値を計算できないことになるので、この問題を以下で具体的に解決する。
（１）本体の電源を入れると起動し、測定が可能な状態となる。
（２）測定材料の種類を仮に鋼材（Ｅ）などに設定しておき、内部計算で用いる弾性係数を指定しておく。これは、ＨＶを表示させるために必要なだけであり、測定材料の弾性係数とは無関係に指定してよい。
（３）測定材料とロッドの間に挿入材料を介して、挿入材料の上から一定荷重（Ｆ）で押し付ける。
（４）試験機の内部で、振動数の変化（Δｆ）を測定する。
（５）試験機の内部で、Ａ＝ｆ（Ｅ、Δｆ）およびＨＶ＝Ｆ／Ａの２式の関係から、ＨＶの値を計算し、表示する。ただし、このように挿入材料を介して測定されたＨＶの値の大小は、前述した一般的な使用法のようにＡの値に従属するのではなく、Ｅの値に従属することに注意が必要である。挿入材料の影響により、Ａの値はほぼ一定値となっているからである。
（６）（５）ＨＶの値は、Ｅの関数（Ｅ＝Ｇ（ＨＶ））となっているため、この関数を事前にキャリブレーションにより把握していれば、材料の弾性係数Ｅが決定できる。
（７）挿入材料を介さずに、挿入材料の上から一定荷重（Ｆ）で押し付ける。
（８）試験機の内部で、振動数の変化（Δｆ）を測定する。
（９）試験機の内部で、Ａ＝ｆ（Ｅ、Δｆ）およびＨＶ＝Ｆ／Ａの２式の関係から、ＨＶの値を計算し、表示する。ただし、このときの内部計算に使用されている弾性係数Ｅは（２）で定めた仮の弾性係数であるため、ＨＶの値は正しい値となっていない。（６）で得られた正しい弾性係数を用いて、ＨＶの値を再計算する。以上で、弾性係数が不定の場合の硬度を高い精度で計測できる。
（１０）ＨＶと強度Ｆｃは、ある関数（Ｆｃ＝Ｈ（ＨＶ））の関係にあるため、この関数を事前にキャリブレーションにより把握していれば、材料の強度Ｆｃが決定できる。

弾性係数および強度の異なる材料の測定結果の一例を図１、図２に示す。図１は弾性係数と挿入材料を介したＨＶの相関、図２は強度とＨＶの相関（凡例の数値は材齢（日）、測定材料はコンクリート）を示す。

試験機の表示値であるＨＶと弾性係数および強度の間には一定の相関が成立し、測定により弾性係数および強度を推定できることが分かる。なお、「強度とＨＶの相関」におけるＨＶの値は、測定値そのままでは仮の弾性係数で計算された値であるため、測定により得られた弾性係数の二乗を乗じて修正している。なお、修正の方法（弾性係数の二乗を乗ずるなど）は、試験機によって異なる。

次に、コンクリートの強度推定を行う手法について説明する。ＵＣＩ法による測定値は、材料の硬さのほか、材料の表面粗さや弾性係数にも依存するため、材料の弾性係数が時々刻々と変化し、木製型枠を転用するために表面粗さが一定ではないコンクリート表面に適用するには困難を伴う。コンクリートは、金属材料などと異なり、強度と弾性係数が経時によって変化する。

さらに、コンクリートは骨材およびセメントマトリックスの複合材料であるため、ＵＣＩ法のような局所的な測定では測定点数が少ないと、全体を代表した測定にならない可能性がある。

本発明は、これを解決するために、あらかじめ同調合の試験体による強度と弾性係数のデータ（同調合のコンクリートの強度と弾性係数のデータ）を得ておき、それらとＵＣＩ法による硬さの測定値との対応をつけておき、この対応を用いてＵＣＩ法の測定値から弾性係数および強度を推定する。

コンクリートの強度は、コンクリートの耐久性とも相関が高いことが一般に認められている。そのため、本発明手法により強度推定を行うことで、間接的に耐久性の推定も可能になる。耐久性の推定を行う際には、あらためて耐久性と強度の相関のキャリブレーションカーブを取得し、これに従って耐久性の推定を行えばよい。

ＵＣＩ法は測定試料の表面粗さに影響を受けるため、測定試料の表面粗さを均一に調整する必要がある。しかし、施工現場では木製型枠が転用されるため、転用が繰り返された型枠は表面が荒れ、表面粗さがそれぞれ異なってくる。

そこで、本発明は、事前に測定箇所の型枠面に挿入材料として、薄い鉄片等の金属板もしくはビニールシート等の平滑体を挿入材料として貼り付けることで、コンクリート表面の表面粗さが均一になるようにした。さらに、測定点数は最低でも１０点以上とする。ビニールシートはアルミテープとは異なり、コンクリートと化学反応を起こさないので、木製型枠表面に貼り付ける材料としては好適である。

ＵＣＩ法による硬さの測定値は、硬さと弾性係数を含んだ指標であるが、ＵＣＩ法試験機の接触センサーと試料の間に金属板等の挿入材料をはさみこんで測定をした場合、その硬さ測定値は弾性係数と相関の高い値となるため、弾性係数の測定も可能となる。

このように、ＵＣＩ試験機の硬さ測定値は、接触センサーと測定試料の間に金属薄板などの材料をはさみこんだ場合、接触面積が一定値となる。試験機が測定する振動数変化は、前述したように△ｆ＝ｆ（Ｅ、Ａ）の相関があるため、Ａが一定値であれば、測定値はＥのみに依存した値となり、弾性係数を推定することが可能である。あらかじめ、弾性係数と振動数の変化量の相関を得ておけば、弾性係数を高い精度で推定することができる。

さらに表面粗さの統一について説明すると、キャリブレーションカーブ作成のデータには強度試験の結果を用いるが、強度試験の試験体はサミットモールドなどのように鋼製型枠であることが一般的であるため、表面粗さが異なる。そのため、表面粗さを木製型枠か鋼製型枠に統一する必要がある。測定の見地からは、表面粗さが小さいほうが精度の高いデータが得られるため、鋼製型枠に統一することが望ましい。そこで、前記のように、測定予定位置の木製型枠表面に金属板またはビニールシート等の平滑体を挿入材料として貼り付けることにより、この問題を解決する。

測定の流れを以下に示す。
（１）ＵＣＩ試験機は市販の試験機を用いる。
（２）事前に測定予定のコンクリートと同調合のコンクリートについて、材齢３、７、１４、２８、５６、９１日における圧縮強度、弾性係数、ＵＣＩ試験機による硬さ計測を行っておき、キャリブレーションカーブを用意する。

キャリブレーションカーブの範囲内に今後測定する硬さ測定値が入るように、圧縮強度と弾性係数の範囲を定める必要がある。そのため、弱材令からのデータ取得を標準とする。このときの圧縮試験に用いる試験体の養生方法は封緘養生または標準水中養生を標準とする。コンクリートは乾燥すると表面から水分が逸散し、表面と内部で異なる強度および弾性係数となる。ＵＣＩ法により測定できるのは表面だけであり、内部と表面が異なる強度の試験体ではキャリブレーションカーブを正確に得ることができないため、封緘養生または水中養生を標準とする。

（３）測定予定位置のコンクリート型枠表面に金属板やビニールシート等の平滑体を貼り付ける。
表面粗さが測定値に影響をあたえるため、表面粗さが均一になるように測定位置の型枠表面に金属板等を挿入材料として貼り付けるものである。

（４）ＵＣＩ試験機により表面硬さを測定する。１箇所について１０点以上の測定を行う。弾性係数を測定する場合は、金属薄板やビニールシート等の平滑体を挟んだ測定を行う。
ＵＣＩ試験機は、金属表面の測定であれば、測定値のばらつきも少ないため数点の計測で足りる。しかし、コンクリートのように局所的な強度が大きくことなる複合材料の場合は、測定値のばらつきが大きいため、多数の測定が不可欠となる。

（５）表面硬さの測定値および弾性係数の推定値から、キャリブレーションカーブを用いてコンクリートの強度推定を行う。
表面硬さの測定値から、キャリブレーションカーブを用いてコンクリートの強度推定を行う。

図２に、Ｅ²・ＨＶと圧縮強度の相関の実験データを示す。Ｅは測定時における試料の弾性係数であり、ＨＶはＵＣＩ試験機によるビッカース硬さの測定値である。試験体にはモルタル試料を用いている。図より、Ｅ²・ＨＶと圧縮強度には比例関係があり、ＵＣＩ試験機によりＨＶを測定すれば、強度推定が可能となる。Ｅの値は、事前に把握するか、試料との間に金属薄板などを挟んで計測したビッカース硬さの値から推定する。

なお、実験データはＷ／Ｃ＝６５、５５、４５％の試料のデータであり、測定材齢も打設後３日、７日、１４日と異なっている。それにも関わらず、すべてのデータが概ね一直線上にあることは、調合や材齢の違いは強度推定に大きな影響を与えないことを示す。そのため、測定時の材齢や調合の違いについては、特に気にすることなく測定できる。

図１は、弾性係数と金属薄板やビニールシート等の平滑体を挟んだ測定値ＨＶ´との相関を示すグラフで、この相関を用いることで、測定材料の弾性係数を推定することができる。

なお、コンクリートの耐久性については、コンクリートの強度は、コンクリートの耐久性とも相関が高いことが一般に認められているので、本手法により強度推定を行うことで、間接的に耐久性の推定も可能になると考えられる。耐久性の推定を行う際には、あらためて耐久性と強度の相関のキャリブレーションカーブを取得し、これに従って耐久性の推定を行えばよい。

前記弾性係数を推定する場合は、挿入材料を介して測定するが、一方、強度および硬度を測定する場合には、挿入材料を介さずに測定する。（ただし、強度および硬度を測定する場合には、弾性係数が必要となるので、併せて挿入材料を介した測定も必要となる。

測定している物性が異なるので、強度を推定する場合には、挿入材料を介さずに測定する。

本発明のコンクリート等弾性係数が不知の材料のＵＣＩ法による測定方法で、弾性係数と挿入材料を介したＨＶの相関図である。本発明のコンクリート等弾性係数が不知の材料のＵＣＩ法による測定方法で、強度と挿入材料を介さないＨＶの相関図（凡例の数値は材齢（日）、測定材料はモルタル）である。

Claims

測定材料の硬さを測定センサー接触前後の共振周波数の変化から推定する手法であるＵＣＩ(Ultrasonic Contact Impedance)法を使用するもので、測定材料表面とロッドの間に、圧痕面積が一定となる、また、測定材料に圧痕がつかない程度の厚さを確保できるような厚さである、工業製品の薄い挿入材料を挟み込んで測定し、振動数変化から、事前に用意した振動数と弾性係数の相関を用いて、弾性係数を決定するコンクリート等弾性係数が不知の材料のＵＣＩ法による測定方法。
事前にある挿入材料を用いた場合の振動数変化と弾性係数の相関を把握しておき、挿入材料を介して、ＵＣＩ試験機により測定材料の振動数変化を測定し、振動数変化から、事前に用意した振動数と弾性係数の相関を用いて、弾性係数を決定する請求項１の測定方法を用いて、
挿入材料を介さず、直接に測定材料の振動数変化を測定し、振動数変化と弾性係数から圧痕面積を推定し、
圧痕面積から、事前に同様の材料により把握しておいた圧痕面積と硬度または強度の相関をもとに、硬度または強度を推定することを特徴としたコンクリート等弾性係数が不知の材料のＵＣＩ法による測定方法。
コンクリート表面の強度推定方法として、測定予定位置のコンクリート型枠表面に工業製品の薄い挿入材料を貼り付け、事前に測定予定のコンクリートと同調合のコンクリートについて、種々の材齢における圧縮強度、弾性係数、ＵＣＩ試験機による硬さ計測を行っておき、キャリブレーションカーブを用意し、表面硬さの測定値および弾性係数の推定値から、キャリブレーションカーブを用いてコンクリートの強度推定を行う請求項１または請求項２記載のコンクリート等弾性係数が不知の材料のＵＣＩ法による測定方法。