JP2013231743A - コンクリートの診断方法、データベース装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コンクリート面に近赤外線を照射し、そのコンクリート面から反射される光を分光分析してコンクリートの劣化を診断する方法において、採取した吸収スペクトルをケモメトリックス手法のPLS回帰分析法で処理して吸収スペクトルから塩害因子、中性化因子、アルカリ骨材反応因子或いは硫酸塩腐食因子等を検出する。
【選択図】図1
Description
中性化は、コンクリートが大気中の二酸化炭素(炭酸ガス)と化学反応を起こして、炭酸カルシウムに変化することによって起こる。この中性化が鉄筋のある部分まで進むと、鉄筋の表面の保護被膜が失われて鉄筋腐食が生じてしまう。
また塩害による鉄筋の腐食は、海水などによりコンクリートの表面から塩化物が浸透する等、コンクリート内に多量の塩化物を含み、塩化物イオンの作用により鉄筋の保護被膜が破壊され、鉄筋腐食が生じてしまう。
アルカリ骨材反応は、骨材中のある種反応性成分がセメント中に含まれているアルカリ分と反応し、生成物がコンクリート中の水分で吸収膨張することで、コンクリートにひび割れを発生させるものである。
第1の発明は、コンクリート面に近赤外線を照射し、そのコンクリート面から反射される光を所定の波長域で分光分析してコンクリートの劣化を診断する方法において、採取した吸収スペクトルをケモメトリックス手法のPLS回帰分析法で処理して塩害因子又は塩化物イオン濃度を検出する際に、前記所定の波長域として、2.26μm近傍の波長域を用いずに、1.0μm〜2.0μmの波長域を用いることを特徴とする。
第4の発明によれば、コンクリートの劣化を正確かつ効率的に診断できるという優れた効果を発揮する。
a)中性化および塩害測定用試験体
試験体種類:セメントペースト,モルタル,コンクリート
水セメント比:48.5%
形状:4×4×16cm(セメントペースト,モルタル),10×10×40cm(コンクリート)それぞれ粉砕および未粉砕で使用
塩化物イオン濃度:0,1,3,5,10,20kg/m3
中性化促進期間:0,1,3ヶ月(二酸化炭素濃度:7%,温度40℃,湿度50%)
b) 実構造物模擬試験体
配合強度:30N/mm2
スランプ:10cm
空気量:3.9%
形状:0.5×0.5×0.1m 4体,1×1×0.1m 1体
塩化物イオン濃度:0,1,5,10kg/m3
(形状:0.5×0.5×0.1mに混入)
試験項目:
a)中性化計測
セメントペースト,モルタル,コンクリートの中性化度を測定した。さらに中性化度は、フェノールフタレンを用いて中性化深さ,水酸化カルシウムの量をTG/DTAにて定量化して評価も行った。中性化に関しては、主に試験体を未粉砕で行った。
セメントペースト,モルタル,コンクリートにある塩化物イオン濃度の計測を実施した。
解析方法は、従来の差スペクトルと本発明のケモメトリックス手法を用いた解析の双方で行い、その測定結果から評価を行った。
中性化および塩化物イオンの吸光ピークは既知の値であるので、吸収帯のあるピークの裾を通る直線をベースラインとして、図12の塩化物イオン濃度のピークを求めるのであれば,吸収ピークの吸光度が0となるようにスペクトルを書き直し、その裾の部分を通るベースラインと吸収ピークの差分から2265nmの吸光度を求めた。
本発明の手法であり、スペクトルを統計的に解析する技法(ツール)で,吸収スペクトルの解析を実施した。
中性化測定結果
コンクリートが中性化すると,以下の反応が起こることが知られている。
塩害測定用試験体
a)差スペクトルで求めたセメントペースとモルタルの測定結果を図17,図18に示した。
図15,図16に,セメントペースト粉,セメントペーストはつり面におけるケモメトリックスによる出力結果を示す。
中性化は、水酸化カルシウム中の水酸化イオン(OH−)が失われる反応である。コンクリートのpHが下がると言うことは,鉄筋の表面に保護被膜が形成されにくくなるために鉄筋腐食が起こりやすくなる。1.42μmの吸光ピークは、−OH基の伸縮振動の第1倍音に帰属し,中性化する事によりこの波長域の吸光ピークが低下することが分かっている。言い換えれば,中性化の測定をすることは水酸化カルシウムの量を分光器により直接測ることが可能であると言える。
塩化物イオンに起因する吸収のピークは,中性化の場合とは異なりセメント中のC3A(アルミン酸三カルシウム)に依存していると考えられる。このために,C3A水和物が塩化物イオンを固定化し2.26μmにピークが現れると考えられる。また,コンクリート中に塩化物イオンがあると固定化されフリーデル氏塩(3CaO・Al2O3・CaCl2・10H2O)として存在する。しかし,二酸化炭素と介在することにより,以下のような化学反応が起こる。
3CaCO3 + 2Al(OH)3 + CaCl2 + 7H2O
PLS回帰分析法は、partial least squaresの略語で 日本語では、「部分最小二乗法」と約されている。
PLS回帰分析法は、採取した吸収スペクトルをベクトル表示に変換したほうがわかりやすい。ベクトル表示とは、採取した波長(200nm、201nm・・・等)をそれぞれ軸にとった点で示すことである。つまり、波長分解能が100個のデータなら100次元の空間に1ポイント出来る。しかし、4次元以上の空間はとても理解しがたいので3つの波長データで3次元で表したのが、図2である。
tは、N軸に変換したあとのxの座標である。このtのことをPLS回帰分析では潜在定数と呼んでいる。tはNに比例するので、
y = tq
qは比例定数、yは目的物質の濃度である。
このことから、PLS回帰分析は、「潜在定数tを介した回帰分析」と呼ばれている。
軸に変換(その座標がt1、t2・・・)して、それを元にもう一度回帰分析を行なって
いる構造となっている。
PLS回帰分析ではt成分の数aをたくさんとればとるほど、回帰直線にのり、予測誤差が小さくなる。しかし、必要量以上成分を多くとって作成した検量線は、再現性が悪くなる。このことをオーバーフィッティングと呼ぶ。オーバーフィッティングは検量線作成時のみに生じた特殊な条件ノイズ成分まで回帰の説明に使われてしまうためである。
(1)外部バリデーション:
サンプル集団を、二つわけ、一方を検量線作成用、もう一方をチェック用とする方法である。
サンプルデータを有効に使った方法である。
分数とする。
PLS回帰分析法の計算アルゴリズムは、大きくわけて3つある。NIPALS法、固値法、BIDIAGONALIZATION法である。
Xを説明変数、yを目的変数とすると、スペクトルは、数1で表される(数1では、マトリックス中にスペクトルもあわせて示してある。)
taはXの線形結合であるとすれば、数7であらわされる。
まず、成分が一つの場合(a=1)を計算する。
第二成分のモデル式は以下のように書ける。
これは、成分番号が一つ増えた以外は数9、数10と同じ式である。
必要な成分数A回繰り返し計算をしたモデル式は以下のように書ける。
以上、PLS1法のアルゴリズムは図7のようにまとめられる。
図7において、先ずPLS法による計算開始30から、成分をa=1に設定して第1成分を求め、次に数22で説明した第1成分の重みベクトルwaを演算32した後、そのwaを基に潜在変数tを演算33し、数24のローディングベクトルPaを演算34し、数25から係数qaを演算子、次に、数28,数29で説明した第2成分のモデルを設定36し、成分aをa=a+1とインクリメントし、step1で、次の成分の演算があるかどうかを判断し、あれば(yes)、すなわち第2成分の重みベクトルwaの演算に戻して、上述の演算32〜35を行った後、次の成分の設定36を行うと共に順次インクリメント37し、step1、成分の演算が必要数行った後(no)、数38で説明した回帰ベクトルbを演算して終了39する。
すなわち、コンクリートは、塩害又は中性化の劣化要因によって劣化するのみでなく、複数の劣化要因によって、複合劣化がおこり、例えば、中性化した先端部分に塩化物イオンが集中して、鉄筋の腐食が早まること等がある。
すなわち、吸収スペクトルから総アルカリの濃度(総アルカリ量)や、反応性成分(いわゆる反応リム)の濃度を検出して、アルカリ骨材反応を診断するようにしてもよい。なお、総アルカリの濃度と反応性成分の濃度の両方を単独・同時に検出してもよい。
すなわち、吸収スペクトルから硫酸の濃度を検出して硫酸化を診断するようにしてもよい。なお、硫酸の波長ピークは、約1.75μm付近である。
つまり、ある劣化因子を直接検出することができると知られている波長域とは異なる波長域において、吸収スペクトルの波長ピークの相関をとって、その劣化成分を検出するようにしてもよい。
すなわち、コンクリート内に含まれる骨材種類(砂、砂利、石の種類・採取地)に起因する吸収スペクトルの吸収ピークの変動を考慮して、上述した劣化成分を検出するようにしてもよい。
また、コンクリート内に含まれる水分量に起因する吸収スペクトルの吸収ピークの変動を考慮して、上述した劣化成分を検出するようにしてもよい。
更に、コンクリート内に含まれるセメント量に起因する吸収スペクトルの吸収ピークの変動を考慮して、上述した劣化成分を検出するようにしてもよい。
これにより、コンクリートの劣化要因(劣化成分)を高精度に検出することが可能とな
る。
これにより、コンクリート面に近赤外線を照射し、そのコンクリート面から反射される光を所定の波長域で分光分析してコンクリートの劣化を診断する際に、その検出結果とデータベースに保持されたデータとを対比することで、より正確かつ効率的に、コンクリートの劣化を高精度に判断することが可能となる。また、各劣化要因同士の影響関係、すなわち、複数の劣化要因による相乗作用を判断することも可能となるので、より正確かつ効率的に、コンクリートの劣化を高精度に判断することが可能となる。
11…コンクリート面
13…光ファイバ
16…MEMS
17…光検出器
Claims (4)
- コンクリート面に近赤外線を照射し、そのコンクリート面から反射される光を所定の波長域で分光分析してコンクリートの劣化を診断する方法において、
採取した吸収スペクトルをケモメトリックス手法のPLS回帰分析法で処理して塩害因子又は塩化物イオン濃度を検出する際に、前記所定の波長域として、2.26μm近傍の波長域を用いずに、1.0μm〜2.0μmの波長域を用いることを特徴とするコンクリートの診断方法。 - コンクリート面に近赤外線を照射し、そのコンクリート面から反射される光を所定の波長域で分光分析してコンクリートの劣化を診断する方法において、
採取した吸収スペクトルをケモメトリックス手法のPLS回帰分析法で処理して中性化因子、炭酸カルシウム濃度又は水酸化カルシウム濃度を検出する際に、前記所定の波長域として、1.42μm近傍の波長域を用いずに、2.0μm〜2.5μmの波長域を用いることを特徴とするコンクリートの診断方法。 - コンクリート面に近赤外線を照射し、そのコンクリート面から反射される光を所定の波長域で分光分析してコンクリートの劣化を診断する方法において、
採取した吸収スペクトルをケモメトリックス手法のPLS回帰分析法で処理して硫酸塩腐食因子又はその濃度を検出する際に、前記所定の波長域として、1.75μm近傍の波長域を用いずに、2.0μm〜2.5μmの波長域を用いることを特徴とするコンクリートの診断方法。 - コンクリート面に近赤外線を照射し、そのコンクリート面から反射される光を所定の波長域で分光分析してコンクリートの劣化を診断する際に用いられるデータベース装置であって、
請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載のコンクリートの診断方法により得られた検出データを保持することを特徴とするデータベース装置。
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