JP2017111030A - モニタリングタグの設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート構造物のようなモニタリング対象物を非破壊で容易に経年変化を把握することができるモニタリングタグと、移動しながら通信する場合に通信距離を大きくできるようにするモニタリングタグの設置方法を提供すること。【解決手段】モニタリングタグ１０は、ＩＣチップ２２と一方向に長い送受信アンテナ３０と腐食因子検知部６０を有し、このモニタリングタグをコンクリート構造物１２０内に床面に対して立てた向きで設置することにより、構造物近傍を水平に移動しながら通信する場合に通信距離が伸び、モニタリングタグ１０と良好な通信が可能になる。【選択図】図１

Description

本発明は、所定の健全状態から所定の経年変化状態へと変化するモニタリング対象物に埋め込まれるモニタリングタグのモニタリング構造物への設置方法に関する。

一般に、コンクリートや樹脂のような材料で形成した構造物は、風雨や日光等に曝され、経年変化により、構造物にひび割れが生じたり、構造物の内部の化学的性質が変化したりし、構造物に要求されていた機能が低下する場合がある。特に、コンクリートで形成した構造物が風雨や日光等に曝されると、その強度は、中性化や塩害の進行により低下する。
そこで、構造物の所有者等は、構造物の内部の経年変化の状態を把握したいと考えている。

特許文献１には、コンクリートで形成した構造物の測定対象を構造物全体の広域に亘って、しかも専門家を必要とせず、簡素な方法でコンクリートの経年変化を把握する非破壊検査方法を開示している。すなわち、特許文献１に記載の非破壊検査方法は、コンクリート中に少なくとも２本の電気絶縁鉄筋を電極として配筋し、各電極にリード線により導電することでインピーダンス等の電気的特性値を測定装置により定期的に測定することにより、コンクリートの経年変化を把握する。
特許文献２には、コンクリート構造物へ腐食センサの設置方法が示されている。すなわち、コンクリート構造物中の鉄筋の腐食環境を検出するセンサであって、支柱部の軸方向の異なる位置に複数のセンサ部を、支柱部の軸を中心に配置し、支柱を鉄筋に固定することが記載されている。

特開平０８−２０１３２４号公報 特開２０１３−７２６７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の非破壊検査方法では、検査の度に電気的にインピーダンスアナライザ等の測定器と接続する必要が生じ、測定器の移動、設置、等の手間を要し、簡易に、経年変化のモニタリングをすることができない。更には、鉄筋から構造物外部につなげるためのリード線の配線が必要になり、リード線に沿って水が浸入したり、コンクリート強度が低下したりするなどの不具合につながる可能性もある。
また、特許文献２に記載の設置方法では、アンテナの向きについては記載しておらず、回転体とするなど、アンテナの向きに関して利得の違いへの配慮は見られない。また、センサ間隔を詰めると上から見たときにセンサが占める面積が大きく、コンクリートを打設した際にセンサの下にコンクリートが回り込まない不具合が生じる可能性がある。また、上方から投入された砂利入りのコンクリートがセンサに当たり破損する危険性もある。また、上記のように配置されたセンサは体積が大きくなり、コンクリートの強度が低下するとの課題もある。
本発明の目的は、モニタリング対象物を非破壊で容易に経年変化を把握することができるモニタリングタグのモニタリング構造物内への設置方法を提供することにある。

本発明者らは、モニタリング対象物が所定の健全状態から所定の経年変化状態に変化することを検知し無線によって対象物外と通信するモニタリングタグを用い、このモニタリングタグをモニタリング対象物に埋め込む場合において、アンテナの向きによって通信距離が異なることを見出し、さらに設置する際に生じる課題を解決する以下の発明をした。

（１）ＩＣチップと、所定の経年変化状態に変化したことにより変化する検知部と、電波を用いて通信するための一方向に長くなった送受信アンテナとを備えたモニタリングタグが、前記送受信アンテナの長手方向を、モニタリング対象物の配置される地面又は床面に対して垂直であり、モニタリング対象物の側壁面に対して平行として設置される、モニタリングタグの設置方法。
（２）項（１）において、モニタリング対象物が、鉄筋を有するコンクリート構造物であり、モニタリングタグが、腐食因子によりコンクリート構造物表面から奥へと腐食が進行することを検知し、無線によって腐食の進行を通信する、モニタリングタグの設置方法。
（３）項（１）又は（２）において、モニタリングタグが、間隔をもって複数個並んだ状態でコンクリート、モルタル若しくはペーストによって埋め込まれ成形されたセメント硬化体である、モニタリングタグの設置方法。
（４）項（３）において、セメント硬化体の厚みが、１０ｍｍ以下である、モニタリングタグの設置方法。
（５）項（３）又は（４）において、セメント硬化体が、モニタリングタグに直接接する部分にてコンクリート構造物の腐食因子の拡散係数より大きな拡散係数を有するコンクリート、モルタル若しくはペーストを用い、それ以外の部分では、コンクリート構造物の腐食因子の拡散係数と同程度かそれより小さいコンクリート、モルタル、若しくはペーストを用いる、モニタリングタグの設置方法。
（６）項（５）において、モニタリングタグに直接接する部分に用いたコンクリート、モルタル若しくはペーストが、セメント硬化体の表面に露出する、モニタリングタグの設置方法。
（７）項（３）〜（６）の何れかにおいて、セメント硬化体が、このセメント硬化体の設置時に上部となる部分に保護部材を有する、モニタリングタグの設置方法。
（８）項（７）において、保護部材が、耐腐食性を有する、モニタリングタグの設置方法。
（９）項（７）又は（８）において、保護部材が、直径１０ｍｍ以上の鉄骨である、モニタリングタグの設置方法。
（１０）項（７）〜（９）の何れかにおいて、保護部材が、モニタリング対象物内の鉄筋に固定される、モニタリングタグの設置方法。

本発明によれば、モニタリング対象物に埋め込まれたモニタリングタグとモニタリングタグ近くを水平に移動しながら通信を行う場合において、アンテナの利得の指向性がなくなることにより、モニタリングタグ正面だけでなく、斜めの位置からも通信できるようになり、良好な通信が可能になる。また、モニタリングタグを一旦セメント硬化体に埋めてそれを用いることにより簡易にコンクリート構造物内に設置することが出来る。

本発明に係るモニタリングタグ設置方法の概念図である。 図１に示したモニタリングタグの概略図である。 本発明に関わるモニタリングタグに用いる送受信アンテナの利得の指向性の説明図である。 本発明に係る別のモニタリングタグの概念図である。 モニタリングタグを埋め込んだセメント硬化体の概略斜視図である。 本発明に係る別のモニタリングタグを埋め込んだセメント硬化体の概念図である。 本発明に係る別のモニタリングタグを埋め込んだセメント硬化体の概念図である。 モニタリングタグを埋め込んだセメント硬化体の設置方法を示す概念図である。 本発明に係る別のモニタリングタグを埋め込んだセメント硬化体の概念図である。 本発明に係るモニタリングタグの埋設した状態の説明図である。

図１及から図３を参照して、本発明に係るモニタリング対象物へのモニタリングタグの設置方法を説明する。
図１にはモニタリング対象物として内部に鉄筋１１０を有するコンクリート構造物１００を表している。コンクリート構造物１００の内部には、コンクリート構造物表面１４０の近くに複数個のモニタリングタグ１０が埋設されている。モニタリングタグ１０は、図２に示すように、ＩＣチップ２２と送受信アンテナ３０と検知部６０を有する。送受信アンテナの形状は色々な形が報告されているが、最も一般的なものはダイポールアンテナと呼ばれるものであり、図２に示すような一方向に長細い形をしている。
図１に示すようにモニタリングタグは、アンテナの長手方向がコンクリート構造物表面１４０に平行且つ地面１５０に対して垂直になるように設置されている。モニタリングタグ１０は、検知部６０が鉄筋１１０の腐食因子を検知する前は、コンクリート構造物１００の外側からリーダ２００からの電波を受信すると、リーダ２００に電波を発信する。ここで、反射による通信も電波を発信することに含まれる。モニタリングタグ１０が、腐食因子を検知すると、リーダ２００からの電波を受けても通信しないことで検知を伝えたり、検知したことをリーダ２００に電波を発信し伝える。

図１では、モニタリングタグ１０は１箇所にのみ設置しているが、例えば道路に面したコンクリート構造物に、モニタリングタグ１０を１０ｍ間隔で設置することがある。このような場合には、リーダ２００を検査車両２１０に載せて検査を行う。
リーダ２００は、効率良くモニタリングタグと通信するため、モニタリングタグの正面に来る前に斜め方向に広がった電波によって通信できると良い。そのためには、送受信アンテナの利得の指向性を考慮する必要がある。図３にモニタリングタグ１０の送受信アンテナ３０として用いられるダイポールアンテナの指向性を示した。図１では、送受信アンテナ３０を地面１５０に対して垂直になるようにして設置しているが、水平にして設置した場合、図３では水平面内指向性のような利得の指向性を持ち、正面から斜めになるほど利得が下がることを示している。利得が下がると通信距離が短くなり検査車両２１０で移動しながら検査することが困難になる。一方、図１に示したように送受信アンテナ３０を地面１５０に対して垂直になるようにして設置すれば、図３の垂直面内指向性に示すように指向性がなくなり、斜めでも利得が下がらず、通信距離が長くなり検査車両２１０で移動しながら検査することができる。
図１では、モニタリングタグは地面に垂直な面に平行に設置されているが、トンネルの天井のような場所にも設置しても良い。この場合には天井面に平行且つ検査車両の進行方向に対して垂直になるように設置する。このように設置することにより斜め方向の指向性が無くなり通信距離が伸びる。図１では、モニタリングタグを複数個設置した状態を示している。モニタリングタグの埋め込む深さを変えることにより腐食因子の進入深さを知ることが出来る。

モニタリングタグは、図２に示した形の他、図４に示すようなＲＦＩＤパッケージと送受信アンテナを組合せた形でもよく、また、アンテナが一方向に長い形であれば別の形でも良い。図４に示したモニタリングタグ１０は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）パッケージ２０と、送受信アンテナ３０と、接続回路４０と、送受信停止手段５０とを備え、基材２８によって一体化されている。
ＲＦＩＤパッケージ２０は、電池を内蔵しないパッシブタイプのタグである。ＲＦＩＤパッケージ２０は、ＩＣチップ２２と、内蔵ＩＣアンテナ２４と、内蔵回路２６とを有する。ＩＣチップ２２と、内蔵ＩＣアンテナ２４と、内蔵回路２６とは、樹脂によって一体化されている。ＩＣチップ２２は、例えば、０．４ｍｍから１ｍｍ角程度の小さな半導体チップであり、特定のＩＤ等を格納する媒体として機能するように、ＩＣチップ２２にはメモリ（図示せず）が搭載されている。
内蔵ＩＣアンテナ２４は、ＩＣチップ２２の周りを螺旋状に巻くように形成されている。
内蔵回路２６は、ＩＣチップ２２と内蔵ＩＣアンテナ２４とを電気的に接続する回路である。
図４に示すように、送受信アンテナ３０は、モニタリングタグ１０がコンクリート構造物１００（図１参照）に埋め込まれた状態において、コンクリート構造物１００の外側にあるリーダ２００からの電波を受信し、内蔵ＩＣアンテナ２４を介してＩＣチップと通信し、また、内蔵ＩＣアンテナ２４を介して電波をコンクリート構造物１００の外側にあるリーダ２００に届くように発信又は反射するアンテナである。

図４に示すように、接続回路４０は、内蔵ＩＣアンテナ２４と送受信アンテナ３０とを電気的に接続する回路である。ここで言う電気的に接続するというのは、金属の線がつながるだけでなく、電波による近接通信やそれぞれがアンテナとして機能するという機能としてのつながりを含む。接続回路４０は、後述する送受信停止手段５０の作用によって、内蔵ＩＣアンテナ２４と送受信アンテナ３０との電気的な接続を切断されたり、他の回路に短絡されたりする。つまり接続回路４０が検知部６０として機能する。

送受信停止手段５０は、モニタリング対象物が所定の経年変化状態に変化した際に、送受信アンテナ３０の送受信機能を停止させる機能を有する。
具体的には、送受信停止手段５０は、モニタリング対象物が所定の健全状態から所定の経年変化状態になった際に、内蔵回路２６及び接続回路４０の少なくとも一方の回路を切断し又は他の回路に短絡させるように、内蔵回路２６及び接続回路４０の少なくとも一方の回路に設けられる。送受信停止手段５０は、モニタリング対象物が所定の健全状態から所定の経年変化状態になった際に刺激応答する、刺激応答性部を有する。

刺激応答性部は、刺激応答性材料であり、公知の刺激応答性樹脂材料又は刺激応答性無機材料であることが好ましい。
刺激応答性樹脂材料としては、熱応答性樹脂材料、ｐＨ応答性樹脂材料、応力応答性樹脂材料、光応答性樹脂材料、特定の物質に応答する樹脂材料、またこれら複数を組み合わせた樹脂材料等を例示することができる。また、刺激応答性無機材料としては、熱応答性無機材料、ｐＨ応答性無機材料、応力応答性無機材料、光応答性無機材料、特定の物質に応答する無機材料、またこれら複数を組み合わせた無機材料等を例示することができる。

図１に示すようにモニタリングタグ１０をコンクリート構造物１００の中の正確な位置に所定の間隔で埋めるには、コンクリートを型枠内に流し込む途中でモニタリングタグ１０をコンクリート内に差し込むことが考えられるが、コンクリートには砂利が含まれており非常に難しい。
そこで図５に示すように、モニタリングタグ１０を埋め込んだコンクリート、モルタル、若しくはペーストからなるセメント硬化体１６０を作製し、これを鉄筋等に固定しコンクリートを流すことを考えた。このとき、セメント硬化体１６０の厚さｔが大きくなるとセメント硬化体１６０の下にコンクリートが回りこまなくなる。鉄筋の太さは一般的に１０ｍｍ以上であり、セメント硬化体１６０の厚さｔは、１０ｍｍ以下であることが好ましく、本実施例では９ｍｍとした。

上記は新設のコンクリート構造物にモニタリングタグを設置する場合について述べたが、既設のコンクリート構造物に対しても、モニタリングタグを埋め込んだセメント硬化体１６０を用いることで設置が容易になる。
具体的には、既設のコンクリート構造物１００（図１参照）から円柱形状のコアを抜く。これにより、風雨や塩害がコンクリート構造物表面１４０から複数の鉄筋１１０へ進行する経年変化進行方向に向けた凹部が形成される。
次に、複数のモニタリングタグ１０を所定の間隔になるように、埋め込んだセメント硬化体を凹部に配置する。
そして、凹部にコンクリート、モルタル、若しくはペーストを充填する。この充填物はコンクリート構造物１００のコンクリートと同じ腐食因子の拡散係数であることが好ましい。拡散係数が大きすぎるとコンクリート構造物より早く腐食因子がモニタリングタグに到達し、コンクリート構造物の鉄筋の腐食が始まる時期を予測できなくなる。また、逆に拡散係数が小さすぎると腐食因子の検知が遅れ、コンクリート構造物の鉄筋の腐食が始まる時期を予測できなくなる。

セメント硬化体１６０を鉄筋等に固定し、コンクリートを上から流し込む際には砂利等の硬いものがセメント硬化体にぶつかることになり破損する可能性がある。そのため、図６に示すように、少なくともセメント硬化体１６０の送受信アンテナ３０の長手方向と垂直な面の少なくとも片面（設置時において上側となる面）に、鉄を主成分とする保護部材１７０を有する構造とすることが好ましい。保護部材１７０は、セメント硬化体１６０を保護できるものであれば、特に限定されるものではないが、鉄製のものを好ましく用いることができ、コンクリート構造物１００に用いられている鉄筋でも良い。鉄骨としては、直径が１０ｍｍ以上のものを用いることにより、セメント部分を確実に保護することが出来る。鉄を主成分とする保護部材１７０の場合は、腐食防止の表面処理や防錆塗料が塗られたものが好ましい。

図７には保護部材１７０の一部を伸ばしたセメント硬化体１６０を示している。図８に示すように、セメント硬化体１６０を新設のコンクリート構造物内に設置するには、セメント硬化体１６０の有無に関わらず配筋される鉄筋１１０に固定するのがコストが抑えられ好ましい。その際にはまた、安定した固定状態にするため図７に示すように送受信アンテナ３０の長手方向と垂直な２面に保護部材１７０を設けた。また、保護部材１７０を長めにしておくことで、必要に応じて保護部材１７０を切って設置することで所定の位置にモニタリングタグを設置することが出来る。

腐食因子が何処まで進行しているかを検知するには、セメント硬化体の腐食因子の拡散係数とコンクリート構造物の腐食因子の拡散係数が同じであることが好ましい。しかし、コンクリート構造物ごとに用いるコンクリートが異なり腐食因子の拡散係数が変わり、また、環境によってもコンクリート構造物内部の水分量が変わるなどコンクリート構造物の腐食因子の拡散係数とセメント硬化体の腐食因子の拡散係数を同じにすることは難しい。
そこで図９に示すように、セメント硬化体１６０のモニタリングタグ近傍は腐食因子の拡散係数が大きいセメント硬化物Ａ１８０を用い、それ以外の部分には腐食因子の拡散係数が小さいセメント硬化物Ｂ１９０を用いた。ここで、セメント硬化物Ａ１８０はセメント硬化体の表面に露出させている。このようにすることで、コンクリート構造物内に入った腐食因子は、モニタリングタグの埋め込まれた深さに達すると腐食因子の拡散係数が大きいセメント硬化物Ａ１８０を通ってモニタリングタグに達し、腐食を検知することが出来る。そのため、セメント硬化体の腐食因子の拡散係数と無関係にコンクリート構造物内の腐食因子の進行深さを検知することが出来る。

コンクリート構造物１２０内にモニタリングタグが複数個設置されている場合、コンクリート構造物表面１４０から見て送受信アンテナ３０が重なっていると、奥に設置したモニタリングタグと通信しづらくなる。そこで図１０に示すように、斜めに並べるとコンクリート構造物表面１４０から見て送受信アンテナ３０が重ならず良好な通信が可能になる。しかし、斜めにしたことでモニタリングタグ間の距離ｄと、表面から見たモニタリングタグ間の距離の差に違いが生じ分かりにくくなったり、誤りが生じる可能性がある。
そこで、表面からの距離が５ｍｍの整数倍の所定の値になるようにモニタリングを設置するには、モニタリングタグの所定の間隔が５ｍｍを斜めにした角度（θ）の余弦で割ったものの整数倍になれば良い。よって、モニタリングタグの所定の間隔が５ｍｍを斜めにした角度（θ）の余弦で割ったものの整数倍になるようにセメント硬化体を作製し、一番コンクリート構造物表面１４０側に近いモニタリングタグが、コンクリート構造物表面１４０からの距離が５ｍｍの整数倍になるようにセメント硬化体の保護部材の長さを調整して鉄筋に固定し、コンクリートを流し込めばよい。斜め角度θは送受信アンテナ３０形状や幅、モニタリングタグ間の距離によって最適化を図る。アンテナ形状が直線状で幅が２ｍｍ、コンクリート表面１４０からの距離のピッチｐが２０ｍｍの場合、θは６°以上あれば送受信アンテナの重なりを防ぐことが出来るため、余裕を見て１０°で設置した。

１０ モニタリングタグ
２０ ＲＦＩＤパッケージ
２２ ＩＣチップ
２４ 内蔵ＩＣアンテナ
２６ 内蔵回路
２８ 基材
３０ 送受信アンテナ
４０ 接続回路
５０ 送受信停止手段
６０ 検知部
１００ コンクリート構造物
１１０ 鉄筋
１４０ コンクリート構造物表面
１５０ 地面（床面）
１６０ セメント硬化体
１７０ 保護部材
１８０ セメント硬化物Ａ
１９０ セメント硬化物Ｂ
２００ リーダ
２１０ 検査車両

Claims (10)

1. ＩＣチップと、所定の経年変化状態に変化したことにより変化する検知部と、電波を用いて通信するための一方向に長くなった送受信アンテナとを備えたモニタリングタグが、前記送受信アンテナの長手方向を、モニタリング対象物の配置される地面又は床面に対して垂直であり、モニタリング対象物の側壁面に対して平行として設置される、モニタリングタグの設置方法。
2. 請求項１において、モニタリング対象物が、鉄筋を有するコンクリート構造物であり、モニタリングタグが、腐食因子によりコンクリート構造物表面から奥へと腐食が進行することを検知し、無線によって腐食の進行を通信する、モニタリングタグの設置方法。
3. 請求項１又は２において、モニタリングタグが、間隔をもって複数個並んだ状態でコンクリート、モルタル若しくはペーストによって埋め込まれ成形されたセメント硬化体である、モニタリングタグの設置方法。
4. 請求項３において、セメント硬化体の厚みが、１０ｍｍ以下である、モニタリングタグの設置方法。
5. 請求項３又は４において、セメント硬化体が、モニタリングタグに直接接する部分にてコンクリート構造物の腐食因子の拡散係数より大きな拡散係数を有するコンクリート、モルタル若しくはペーストを用い、それ以外の部分では、コンクリート構造物の腐食因子の拡散係数と同程度かそれより小さいコンクリート、モルタル、若しくはペーストを用いる、モニタリングタグの設置方法。
6. 請求項５において、モニタリングタグに直接接する部分に用いたコンクリート、モルタル若しくはペーストが、セメント硬化体の表面に露出する、モニタリングタグの設置方法。
7. 請求項３〜６の何れかにおいて、セメント硬化体が、このセメント硬化体の設置時に上部となる部分に保護部材を有する、モニタリングタグの設置方法。
8. 請求項７において、保護部材が、耐腐食性を有する、モニタリングタグの設置方法。
9. 請求項７又は８において、保護部材が、直径１０ｍｍ以上の鉄骨である、モニタリングタグの設置方法。
10. 請求項７〜９の何れかにおいて、保護部材が、モニタリング対象物内の鉄筋に固定される、モニタリングタグの設置方法。

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