JP2016095199A - コンクリート劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】初期段階のアルカリ骨材反応による劣化も評価可能であり、非破壊にて任意の部位でのアルカリ骨材反応の進行度評価を容易に行うことが可能なコンクリート劣化診断装置を提供する。【解決手段】測定対象となるコンクリートＣ表面の測定位置Ｍに光を照射する光源２と、光源２からの光が測定位置Ｍで反射された反射光のスペクトルを測定する分光器３と、分光器３で測定した反射光のスペクトルと、予めアルカリ骨材反応の進行度の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、測定位置Ｍでのアルカリ骨材反応の進行度を求める演算装置４と、を備えたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート劣化診断装置に関するものである。

代表的なコンクリートの劣化要因として、塩害、中性化、凍害、アルカリ骨材反応が知られている。

このうちアルカリ骨材反応は、コンクリートに含まれるアルカリ性の水溶液が砂利や砂などの骨材の特定成分と反応し、コンクリートの異常膨張とそれに伴うコンクリートのひび割れを引き起こす現象である。

そのため、アルカリ骨材反応が進行すると、コンクリートのはく離・はく落が発生したり、ひび割れを通して水分が浸透するなどして急速に構造物が劣化してしまうおそれがあり、アルカリ骨材反応の進行度を評価することはコンクリートの劣化を診断する上で重要である。

従来、コンクリートのアルカリ骨材反応の進行度を測定する方法として、超音波探査による方法が知られている（特許文献１）。

また、コンクリート構造物にドリルで穿孔し、穿孔先端面に近赤外光を照射しその反射光のスペクトルを測定し、所定波長の吸光度から劣化度を演算する方法も提案されている（特許文献２）。

特開２００５−３１５６２２号公報 特開２００９−１３９０９８号公報 特許第５０３１２８１号公報 特許第５５９１１５５号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、超音波パルスの反射波の音速比からアルカリ骨材反応度の進行度を測定する方法であるため、コンクリートの弾性係数がある程度低下した時点、すなわち、アルカリ骨材反応による劣化がある程度進行した状態にならないと検出が困難であり、アルカリ骨材反応による劣化が小さい初期の段階の評価を行うことが困難である、という問題がある。

また、特許文献２の方法では、ドリルによる穿孔を行う破壊検査であるため、汎用性が低く、例えばコンクリート製貯水タンクのような密閉性が求められる構造物に適用することができないという問題がある。また、穿孔を行った場所のみでの測定しか行えないため、構造物全体の評価が困難であるという問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、初期段階のアルカリ骨材反応による劣化も評価可能であり、非破壊にて任意の部位でのアルカリ骨材反応の進行度評価を容易に行うことが可能なコンクリート劣化診断装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、測定対象となるコンクリート表面の測定位置に光を照射する光源と、前記光源からの光が前記測定位置で反射された反射光のスペクトルを測定する分光器と、前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予めアルカリ骨材反応の進行度の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、前記測定位置でのアルカリ骨材反応の進行度を求める演算装置と、を備えたことコンクリート劣化診断装置である。

前記コンクリート表面に沿って移動可能に構成され、前記光源からの光を前記測定位置に照射し、前記測定位置からの反射光を前記分光器に入力するプローブヘッドを備え、前記演算装置は、前記プローブヘッドにより前記測定位置を移動させつつアルカリ骨材反応の進行度の測定を繰り返して、アルカリ骨材反応の進行度の分布を測定するように構成されてもよい。

前記演算装置は、前記アルカリ骨材反応の進行度の分布を、コンター図により表示する表示部をさらに備えてもよい。

前記演算装置は、前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予め膨張量の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、前記測定位置での膨張量を求めるように構成されてもよい。

前記演算装置は、前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予めアルカリ量の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、前記測定位置でのアルカリ量を求めるように構成されてもよい。

本発明によれば、初期段階のアルカリ骨材反応による劣化も評価可能であり、非破壊にて任意の部位でのアルカリ骨材反応の進行度評価を容易に行うことが可能なコンクリート劣化診断装置を提供できる。

本実施形態に係るコンクリート劣化診断装置の概略構成図である。 本発明において、材齢と表面ひずみの関係を示すグラフ図である。 本発明において、反射光のスペクトルの一例を示す図である。 本発明において、表示するコンター図の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施形態に係るコンクリート劣化診断装置の概略構成図である。

図１に示すように、コンクリート劣化診断装置１は、測定対象となるコンクリートＣの表面の測定位置Ｍに光を照射する光源２と、光源２からの光が測定位置Ｍで反射された反射光のスペクトルを測定する分光器３と、分光器３で測定した反射光のスペクトルと、予めアルカリ骨材反応の進行度の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、測定位置Ｍでのアルカリ骨材反応の進行度を求める演算装置４と、を備えている。

光源２としては、近赤外線を含む光を照射可能なものを用いる。本実施形態では、光源２としてハロゲンランプを用いた。本実施形態では、光源２からの光をコンクリートＣの表面のある程度広い範囲（ここでは５ｃｍ×１０ｃｍの範囲とした）に照射し、その照射範囲全体からの反射光を受光して分光器３に入力するように構成している。

コンクリート劣化診断装置１では、コンクリートＣの表面に沿って移動可能に構成され、光源２からの光を測定位置Ｍに照射し、測定位置Ｍからの反射光を分光器３に入力するプローブヘッド５を備え、このプローブヘッド５を移動させつつ測定を行うように構成している。

プローブヘッド５には、光源２と、測定位置Ｍからの反射光を受光する受光部６と、分光器３とが搭載され、受光部６で受光した反射光が光ファイバ７を介して分光器３に入力されるように構成されている。なお、本実施形態では、分光器３をプローブヘッド５に搭載しているが、分光器３をプローブヘッド５と別体に構成しても構わない。

プローブヘッド５には、プローブヘッド５をコンクリートＣの表面に沿って移動させるための車輪８が設けられ、この車輪８の回転数を検出するエンコーダ（図示せず）が搭載されており、エンコーダの出力からプローブヘッド５の移動距離が検出できるように構成されている。プローブヘッド５を安定して移動させるため、少なくとも３個以上（ここでは４個とした）の車輪８をプローブヘッド５に備えることが望ましい。

また、プローブヘッド５には、上方に延びるハンドル９が備えられており、作業者は、このハンドル９を把持してプローブヘッド５を移動させつつ、測定を行うことになる。本実施形態では、ハンドル９を伸縮自在に構成しており、高所での測定も可能としている。また、図示していないが、測定位置Ｍに外部からの光が入らないように、プローブヘッド５の下部には、測定位置Ｍの周囲を覆うように遮光用のスカートが設けられている。

プローブヘッド５は、インターフェイス１０を介して演算装置４に接続されている。演算装置４は、例えばパーソナルコンピュータから構成される。インターフェイス１０には、光源２に電源を供給するランプ電源１０ａや、エンコーダの出力をカウントするカウンタ１０ｂが搭載されている。インターフェイス１０とプローブヘッド５とは専用のケーブル１１で接続されており、ケーブル１１を介して光源２への電源信号、エンコーダからの出力信号、分光器３からの出力信号を有線通信にて入出力している。なお、プローブヘッド５にバッテリを搭載し、エンコーダからの出力信号や分光器３からの出力信号を無線通信によりインターフェイス１０に送信するように構成しても構わない。

インターフェイス１０と演算装置４とは、ＬＡＮケーブル等の通信ケーブル１２により接続されている。演算装置４は、インターフェイス１０を介して分光器３から入力された反射光のスペクトルと、予めアルカリ骨材反応の進行度の異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、測定位置Ｍでのアルカリ骨材反応の進行度を求めるように構成されている。

本実施形態では、演算装置４は、分光器３で測定した反射光のスペクトルを基に、ケモメトリックス手法により測定位置Ｍでのアルカリ骨材反応による膨張量を求めるように構成されている。ケモメトリックス手法とは、多変量解析技術、統計解析技術を基礎とする解析技術であり、特定波長の受光強度の変化だけでなく、スペクトル中の多くの波長の受光強度の変化を考慮して解析を行うことにより、複数の要因の中から対象とする要因（ここではアルカリ骨材反応の進行度）の影響のみを抽出する手法である。

以下、アルカリ骨材反応の進行度を求める手順について具体的に説明する。

アルカリ骨材反応は、コンクリートに含まれるアルカリ性の水溶液が骨材と特定成分と反応し、コンクリートの異常膨張を引き起こす現象であり、アルカリシリカ反応（ＡＳＲ）と、アルカリ炭酸塩反応と、アルカリシリケート反応とに分類することができる。

アルカリ骨材反応の中で国内での発生事例の大部分を占めるアルカリシリカ反応では、まず、コンクリートに含まれるアルカリ分に由来するアルカリ溶液が反応性シリカ成分を含む骨材と反応して骨材表面にアルカリシリケート層（水ガラス層）を形成し、このアルカリシリケート層がカルシウムイオンと反応して反応リムと呼ばれる硬質の層を形成する。その後、反応リムを浸透したアルカリ溶液が骨材の未反応シリカ成分と反応することにより反応リム内で体積膨張による膨張圧が蓄積され、その膨張圧が限界を超えると、周囲のコンクリートにひび割れが発生する。

したがって、アルカリ骨材反応の進行度の指標としては、コンクリートの膨張量と、コンクリートに含まれるアルカリ量（アルカリ総量）を用いることができる。つまり、コンクリート表面の膨張の度合い（表面ひずみ）や、コンクリートに含まれるアルカリ量の変化により、アルカリ骨材反応の進行度を評価することが可能である。なお、アルカリ量とは、一般に、Ｒ₂Ｏ量（等価Ｎａ₂Ｏ換算量）で整理される酸化アルカリの量を表すものである。

本実施形態では、一例として、アルカリ骨材反応の進行度の指標として膨張量を用いる場合を説明する。なお、図２に示すように、材齢が大きくなりアルカリ骨材反応が進行するほど、表面ひずみ、すなわちコンクリート表面の膨張量が大きくなることは、実測により確認されている。

まず、アルカリ骨材反応の進行度の異なる試料（ここでは膨張量の異なる試料）を作成し、各試料の近赤外線を照射したときの反射スペクトルを測定する。なお、反射スペクトルについては、波長域を９００ｎｍ〜１７００ｎｍとした。得られる反射スペクトルの一例を図３に示す。

その後、得られた各試料の反射スペクトルと膨張量のデータから、反射スペクトルの各波長の受光強度と膨張量の相関を回帰分析により解析する。本実施形態では、ＰＬＳ（Partial Least Square）回帰分析により分析を行い、膨張量以外の因子の影響を抑制した回帰スペクトルを求めた。その後、回帰スペクトルと各試料の反射スペクトルの内積をとった値（以下、単に受光強度という）と、膨張量の関係を検量線として求めた。

演算装置４では、このように求めた回帰スペクトルと検量線とを用いて、測定位置Ｍにおけるアルカリ骨材反応の進行度の指標となる膨張量を求めるように構成されている。具体的には、演算装置４は、測定位置Ｍにおける反射スペクトルと回帰スペクトルの内積を演算して受光強度を求め、その受光強度に対応する膨張量を予め求めておいた検量線より求めるように構成されている。

また、本実施形態では、演算装置４は、プローブヘッド５により測定位置Ｍを移動させつつ膨張量の測定を繰り返して、膨張量の分布を測定するように構成されている。演算装置４は、膨張量の分布を、コンター図により表示する表示部４ａをさらに備えている。

演算装置４で表示するコンター図の一例を図４に示す。図４に示すように、コンター図は、各測定位置Ｍでの膨張量の大きさを色や濃淡により表すものであり、膨張量の分布を視覚的に捉えることが可能になる。本実施形態では、構造物の膨張量の分布をより捉えやすくするため、構造物の写真にコンター図を重ねて表示するようにしている。なお、膨張量の分布の表示方法はこれに限定されるものではなく、例えばグラフ形式での表示も可能としてもよい。

なお、膨張量（表面ひずみ）には異方性があるため、プローブヘッド５を走査させる方向を異ならせて、同一の測定位置Ｍに対して異なる方向から複数回測定を行うことが望ましい。具体的には、測定方向を９０度異ならせて２度測定を行うことにより測定方向が９０度異なる２つのコンター図を取得し、当該２つのコンター図を参照することにより総合的にアルカリ骨材反応の進行度を評価するとよい。

ここでは、一例としてアルカリ骨材反応の進行度の指標として膨張量を用いる場合を説明したが、上述のように、アルカリ骨材反応の進行度の指標としてアルカリ量を用いることも可能であり、予め膨張量とアルカリ量の検量線をそれぞれ作成しておき、取得した反射スペクトルから膨張量とアルカリ量の両者を求め、膨張量とアルカリ量の分布を示すコンター図をそれぞれ作成するように演算装置４を構成しても構わない。

さらに、分光器３で測定した反射光のスペクトルを用いて、アルカリ骨材反応の進行度と同時に塩害の要因となる塩化物イオン濃度も測定するように演算装置４を構成しても構わない。つまり、演算装置４は、１つの反射光のスペクトルから、アルカリ骨材反応の進行度と塩化物イオン濃度の両者を測定するように構成されても構わない。

演算装置４における塩化物イオン濃度の演算方法は、上述のアルカリ骨材反応の進行度（膨張量）と同様であり、ケモメトリックス手法を用い、分光器３で測定した反射光のスペクトルと、予め塩化物イオン濃度の異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、測定位置Ｍでの塩化物イオン濃度を測定する。演算装置４では、アルカリ骨材反応の進行度の分布と同時に塩化物イオン濃度の分布も測定できることになるため、塩化物イオン濃度の分布もコンター図として表示部４ａに表示するように演算装置４を構成してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係るコンクリート劣化診断装置１では、測定対象となるコンクリートＣ表面の測定位置Ｍに光を照射する光源２と、光源２からの光が測定位置Ｍで反射された反射光のスペクトルを測定する分光器３と、分光器３で測定した反射光のスペクトルと、予めアルカリ骨材反応の進行度の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、測定位置Ｍでのアルカリ骨材反応の進行度を求める演算装置４と、を備えている。

このように構成することで、非破壊でアルカリ骨材反応の進行度を測定することが可能なコンクリート劣化診断装置１を実現できる。また、コンクリート劣化診断装置１では、特許文献２のように穿孔を行う必要もないため、任意の部位におけるアルカリ骨材反応の進行度評価を短時間に容易に行うことが可能である。

また、コンクリート劣化診断装置１では、特許文献１のようにコンクリートＣの弾性係数が低下せずともアルカリ骨材反応の進行度を測定することが可能であり、初期段階におけるアルカリ骨材反応による劣化も評価することが可能である。

また、本実施形態では、分光器３で測定した反射光のスペクトルを基に、ケモメトリックス手法により測定位置Ｍでのアルカリ骨材反応の進行度を求めているため、他の因子の影響を受けずにアルカリ骨材反応の進行度を精度良く求めることが可能になる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態では言及しなかったが、任意の測定位置Ｍでアルカリ骨材反応の進行度（膨張量やアルカリ量）の実測を行い、その実測値によりアルカリ骨材反応の進行度の分布を補正（オフセットゲインの調整）を行い、より正確なアルカリ骨材反応の進行度の分布を求めるように構成してもよい。

また、上記実施形態では言及しなかったが、図２に示したような膨張量と材齢の関係を予めもとめておき、反射スペクトルを基に求めた膨張量から材齢を推定するように演算装置４を構成してもよい。

さらに、上記実施形態では言及しなかったが、アルカリ骨材反応の進行度の指標として、アルカリ量に替えて反応性骨材量を用いても構わない。

１ コンクリート劣化診断装置
２ 光源
３ 分光器
４ 演算装置
Ｃ コンクリート
Ｍ 測定位置

Claims (5)

1. 測定対象となるコンクリート表面の測定位置に光を照射する光源と、
   前記光源からの光が前記測定位置で反射された反射光のスペクトルを測定する分光器と、
   前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予めアルカリ骨材反応の進行度の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、前記測定位置でのアルカリ骨材反応の進行度を求める演算装置と、
   を備えたことを特徴とするコンクリート劣化診断装置。
2. 前記コンクリート表面に沿って移動可能に構成され、前記光源からの光を前記測定位置に照射し、前記測定位置からの反射光を前記分光器に入力するプローブヘッドを備え、
   前記演算装置は、前記プローブヘッドにより前記測定位置を移動させつつアルカリ骨材反応の進行度の測定を繰り返して、アルカリ骨材反応の進行度の分布を測定するように構成される
   請求項１記載のコンクリート劣化診断装置。
3. 前記演算装置は、前記アルカリ骨材反応の進行度の分布を、コンター図により表示する表示部をさらに備える
   請求項２記載のコンクリート劣化診断装置。
4. 前記演算装置は、前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予め膨張量の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、前記測定位置での膨張量を求めるように構成される
   請求項１〜３いずれかに記載のコンクリート劣化診断装置。
5. 前記演算装置は、前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予めアルカリ量の異なる試料を用いて測定された反射光のスペクトルとを基に、ケモメトリックス手法により、前記測定位置でのアルカリ量を求めるように構成される
   請求項１〜４いずれかに記載のコンクリート劣化診断装置。