JP2019174207A

JP2019174207A - 評価方法および評価システム

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Publication number: JP2019174207A
Application number: JP2018060755A
Authority: JP
Inventors: 聖史嶌田; Satoshi Shimada; 真弥城出; Maya Shirode; 達三佐藤; Tatsuzo Sato; 玲江里口; Rei Eriguchi
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2019-10-10

Abstract

【課題】非接触式の３Ｄスキャナを用いてコンクリート表面を計測し、その計測データから表面粗さを表すパラメータを算出することによって、表面粗さを定量化する。【解決手段】コンクリート５の表面粗さを評価する評価システム１であって、非接触式でコンクリート５の表面をスキャニングする３Ｄスキャナ３と、３Ｄスキャナ３で得られた点群データを用いて、コンクリート５の表面粗さを示すパラメータを算出するパラメータ演算部９と、算出されたパラメータを出力する出力部１１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリートの表面粗さを評価する技術に関する。

従来から、劣化したコンクリート構造物を補修・補強する工法が提案されてきた。これらの工法の多くは、劣化した一部分をはつり除去し、新たに補修材料を施工することが一般的である。既設部のはつり面および粗面の表面粗さは、補修材料との付着性能や補修後の耐久性に大きな影響を及ぼすのであるが、従来は、定量的な評価方法が確立されていないため、はつり処理の施工条件を定めることで表面粗さを管理している。例えば、ウォータージェット工法では、水圧や水量、処理時間などを定めることで、間接的にコンクリートの表面粗さを管理している。

特許文献１に開示されている「コンクリート壁の表面粗さ評価方法及び評価装置」では、コンクリート表面に摩擦抵抗体を押し当て、一定速度で面上を移動させることで、抵抗体が移動する時の抵抗荷重を測定する。そして、その抵抗荷重から粗さの程度を算出する手法が採られている。また、特許文献２に開示されている「コンクリート打継面の評価装」では、ラインレーザーとデジタルカメラと解析用パソコンを用いて、打継面の評価を行なっている。また、特許文献３に開示されている「下地コンクリート表面の凹凸記録方法及び凹凸評価方法」では、感圧記録シートをコンクリート表面に当ててハンマーで叩くことにより、感圧記録シートに凹凸を転写する手法が採られている。また、特許文献４に開示されている「コンクリートの表面粗さ及び劣化評価装置」では、コンクリートの表面粗さを、空中超音波を用いて計測する手法が採られている。

特開２０１１−１６４０６０号公報特開２０１３−０９６１７５号公報特開２０１２−２５１２９１号公報特開２０１５−２１５２１７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、大型の装置が必要であり、細かな凹凸が計測できないという課題がある。また、コンクリート側の条件（主に表面の濡れ）に計測値が大きく影響されるという課題もある。特許文献２記載の技術では、ラインレーザーとデジタルカメラの距離、角度を常に一定にするための固定枠が必須となっているため、床板には適用しやすいが、壁面や天井には適用が難しいという課題がある。また、粗さ評価が２次元であるため、打継面の全面評価には長時間を要するという課題もある。特許文献３記載の技術では、凹凸の形状は二次画像データとして記録できるが、定量化できるのは凹凸の面積だけであり、表面粗さを評価する方法には至っていないという課題がある。特許文献４記載の技術では、気象条件などの環境条件を受けやすく、また、計測値の標準偏差が小さくなるように複数回測定する必要があるという課題がある。

このように、従来の計測技術は、いずれも計測に長時間を要し、大型で携帯性が悪く、測定箇所が限定され、高価である、などの短所があり、コンクリートはつり面の表面粗さを定量的に、簡便に、短時間で評価できるものではない。

一方、触針式や非接触型の三次元計測機を表面粗さの評価に用いることは有効であることが知られているが、こうした機器は大型であり、卓上に設置して測定することが多く、施工現場で適用できないなどの課題があり、評価方法として標準化されていないのが現状である。また、接触式は、高精度であるが、測定範囲が狭く測定に長時間を要する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、非接触式の３Ｄスキャナを用いてコンクリート表面を計測し、その計測データから表面粗さを表すパラメータを算出することによって、表面粗さを定量化することができる評価方法および評価システムを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の評価システムは、コンクリートの表面粗さを評価する評価方法であって、非接触式の３Ｄスキャナを用いて、コンクリートの表面をスキャニングするステップと、前記３Ｄスキャナで得られた点群データを用いて、コンクリートの表面粗さを示すパラメータを算出するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする。

このように、非接触式の３Ｄスキャナを用いて、コンクリートの表面をスキャニングし、前記３Ｄスキャナで得られた点群データを用いて、コンクリートの表面粗さを示すパラメータを算出するので、表面粗さを定量化することが可能となり、はつり面等の品質を一定に保つことが可能となる。その結果、補修材料との付着性能や耐久性などの品質を確保することが可能となる。さらに、施工現場において、簡易かつ迅速に表面粗さの評価をすることが可能となる。

（２）また、本発明の評価方法において、前記３Ｄスキャナの測定範囲は、（コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍）×（コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍）から（５ｍ）×（５ｍ）であることを特徴とする。

このように、３Ｄスキャナの測定範囲は、（コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍）×（コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍）から（５ｍ）×（５ｍ）とした。測定範囲が広すぎると、測定データが増加するため、データを連結する際に、ずれが生じてしまうが、測定範囲を最適化することによって、データのずれを防止し、迅速な演算が可能となる。

（３）また、本発明の評価システムは、コンクリートの表面粗さを評価する評価システムであって、非接触式でコンクリートの表面をスキャニングする３Ｄスキャナと、前記３Ｄスキャナで得られた点群データを用いて、コンクリートの表面粗さを示すパラメータを算出するパラメータ演算部と、前記算出されたパラメータを出力する出力部と、を備えることを特徴とする。

このように、非接触式の３Ｄスキャナを用いて、コンクリートの表面をスキャニングし、３Ｄスキャナで得られた点群データを用いてコンクリートの表面粗さを示すパラメータを算出するので、表面粗さを定量化することが可能となり、はつり面等の品質を一定に保つことが可能となる。その結果、補修材料との付着性能や耐久性などの品質を確保することが可能となる。さらに、施工現場において、簡易かつ迅速に表面粗さの評価をすることが可能となる。

本発明によれば、表面粗さを定量化することが可能となり、はつり面等の品質を一定に保つことが可能となる。その結果、補修材料との付着性能や耐久性などの品質を確保することが可能となる。さらに、施工現場において、簡易かつ迅速に表面粗さの評価をすることが可能となる。

本実施形態に係る評価システムの概要を示すブロック図である。本実施形態に係る評価システムの動作の概略を示すフローチャートである。表面処理方法の条件を示す一覧表である。測定に使用したハンディタイプの３Ｄスキャナの一覧表である。比較例として用いた三次元計測器の一覧表である。測定時の走査速度を示す一覧表である。測定結果である「算術平均高さＳａ」を示す表である。測定結果である「最大高さＳｚ」を示す表である。測定結果である「二乗平均平方根偏差Ｓｑ」を示す表である。

本発明者らは、非接触型の三次元計測機を表面粗さの評価に用いることは有効であるが、施工現場で適用できていない点に着目し、非接触式の３Ｄスキャナを用いてコンクリート表面を計測し、その計測データから表面粗さを表すパラメータを算出することによって、表面粗さを定量化できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明の評価システムは、コンクリートの表面粗さを評価する評価方法であって、非接触式の３Ｄスキャナを用いて、コンクリートの表面をスキャニングするステップと、前記３Ｄスキャナで得られた点群データを用いて、コンクリートの表面粗さを示すパラメータを算出するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする。

これにより、本発明者らは、表面粗さを定量化することを可能とし、はつり面等の品質を一定に保つことを可能とした。その結果、補修材料との付着性能や耐久性などの品質を確保することを可能とし、さらに、施工現場において、簡易かつ迅速に表面粗さの評価をすることを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

［システムの構成］
図１は、本実施形態に係る評価システムの概要を示すブロック図である。この評価システム１は、非接触式でハンディタイプの３Ｄスキャナ３を用いて、コンクリート５の表面粗さを測定する。３Ｄスキャナ３の選定や使用条件等は、後述する。パラメータ演算部９は、３Ｄスキャナ３で得られた点群データに基づいて、コンクリート５の表面粗さを示すパラメータを算出する。出力部１１は、例えば、ディスプレイで構成され、パラメータ演算部９で算出されたパラメータを出力する。

［３Ｄスキャナによる測定］
本実施形態において、３Ｄスキャナ３の測定方式は、非接触方式を採用した。小型で携帯性に優れる非接触式の３Ｄスキャナ３が、はつり面の測定に適していると考えられる。３Ｄスキャナ３による測定原理は、“三角法方式”、“スポットレーザー投光法”または“光切断法”を用いることができる。はつり面の表面粗さの評価には、測定する範囲は、コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍〜５ｍ程度を想定し、なおかつ、少なくとも（０．１ｍｍ）〜（１ｍｍ）程度の測定精度が必要であることから、精度が高く、小さい対象物に適している三角法方式が好ましい。また、主に屋外での計測が想定されるため、明るい場所でも計測可能なスポットレーザー投光法または光切断法が好ましい。

また、測定精度は（０．１ｍｍ）〜（１ｍｍ）が好ましい。さらに、（０．３ｍ）〜（１ｍｍ）がより好ましいはつり面の表面を測定する際、測定精度が細かいと、測定した点群データ数が多くなりすぎてデータ容量が大きくなるためデータ処理が難しくなること、処理時間が長くなることから、測定精度は（０．１ｍｍ）以上が好ましい。また、測定精度が低すぎると、はつり面の表面形状が適切に計測できないため、（１ｍｍ）以下が好ましい。

［測定条件］
測定範囲は、評価精度を高めるために「（コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍）×（コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍）〜（５ｍ）×（５ｍ）」とする。さらに、「（コンクリートに使用される骨材の最大径の１０倍）×（コンクリートに使用される骨材の最大径の１０倍）〜（３ｍ）×（３ｍ）」がより好ましい。測定範囲が広いと、測定データが多くなるため、データ連結の際にデータのずれが生じる恐れがあることから、範囲を限定した。対象物からの距離は、評価精度を高めるために「（０．１ｍ）〜（２ｍ）」とする。さらに、「（０．２ｍ）〜（１．５ｍ）」がより好ましく、「（０．３ｍ）〜（１ｍ）」がさらに好ましい。測定時の走査速度は、評価精度を高めかつ処理時間が長くなり過ぎないよう「（３ｃｍ／ｓ）〜（３０ｃｍ／ｓ）」とする。さらに、「（３ｃｍ／ｓ）〜（２０ｃｍ／ｓ）」がより好ましい。

［測定対象物、対象箇所、目的等］
測定対象物は、橋梁である場合は、対象箇所は、床下地、床版、橋脚部、壁面、天井部などとする。これらの場合、粗面の粗さ評価は、打継ぎ、増厚、断面修復を目的としたものとなる。また、測定対象物が、舗装路面である場合は、対象箇所は、舗装表面とする。この場合、粗面の粗さ評価は、増厚、オーバーレイ、舗装面のすべり抵抗性評価を目的としたものとなる。測定対象物が、トンネル、下水道施設、建築物などのコンクリート構造物全般である場合は、粗面の粗さ評価は、打継ぎ、増厚、断面修復を目的としたものとなる。

［データの処理］
次に、３Ｄスキャナ３で測定した点群データの処理条件について説明する。ハンディタイプの３Ｄスキャナ３で計測された点群データからパラメータ演算部９にて表面粗さのパラメータを算出する。表面粗さのパラメータとして、「ＪＩＳＢ０６０１」に規定されるパラメータを用いることができる。計測された点群データは、ランダムに配置されているから変換部７にて、そのデータを行列に変換してもよい。行列変換のデータの処理には、例えば「Ｒｅｎｋａ−Ｃｌｉｎｅ法」や、「加重平均法」を用いることができる。

（１）Ｒｅｎｋａ−Ｃｌｉｎｅ法
このアルゴリズムの主要な計算は以下の通りである。すなわち、（ａ）三角分割により、ＸＹデータに対して三角分割法が実行され、三角形は可能なかぎりほぼ等角になる。（ｂ）傾斜推定により、二次関数の偏微分として、各格子におけるＸＹ方向の傾斜を推定する。（ｃ）補間法により、任意の点Ｐにおいて、データ値を使って補間された値と点Ｐを含む三角形の３つの頂点のそれぞれの位置での傾斜推定を計算する。

（２）加重平均法
１／ｒの重み付けを持つポイントの単純な加重平均を用いる方法である。ｒは、検索半径の範囲内にあるセルからの各ポイントの距離となる。検索半径の範囲内に値が無い場合、少なくとも１ポイント出現するまで半径を拡大する。

［粗さを評価するためのパラメータ］
（１）算術平均高さＳａ

（２）最大高さＳｚ

（３）二乗平均平方根偏差Ｓｑ（「ISO 25178-2」の規定の通りである。）

すなわち、上記の評価方法は、「ＪＩＳＢ０６０１」に示されている表面粗さのパラメータを面に適用した場合の評価方法であり、「ＪＩＳＢ０６０１」に示されている断面曲線から求めるパラメータも含まれている。このため、「ＪＩＳＢ０６０１」に示されている評価パラメータで評価することが可能であり、加えて面の粗さパラメータも評価可能である。

［システムの動作］
図２は、本実施形態に係る評価システムの動作の概略を示すフローチャートである。まず、図１に示した非接触式の３Ｄスキャナ３を用いて、コンクリートの表面をスキャニングする（ステップＳ１）。次に、３Ｄスキャナ３で得られたコンクリートの表面粗さを示すパラメータを算出する（ステップＳ２）。そして、算出したパラメータをディスプレイ等に出力する（ステップＳ３）。

［測定対象物］
（５０ｃｍ）×（５０ｃｍ）×（４ｃｍ：厚さ）のコンクリート平板を作製し、片面の（５０ｃｍ）×（５０ｃｍ）の範囲に、図３の表に示す表面処理をそれぞれ実施した。

［表面処理方法の条件］
図３は、表面処理方法の条件を示す一覧表である。図３に示すように、表面処理方法が「ウォータージェット」である場合、施工深さが１５ｍｍであり、施工の条件が「第一カッター工業（株）の“アクアブラスト”を使用し、水圧を２２０ＭＰａとする」である。また、表面処理方法が「ショットブラスト」である場合、施工深さが６ｍｍであり、施工の条件が「第一カッター工業（株）の“ＥＬＧＡＴＯＲ”を使用し、鉄球径が１．４ｍｍ、投射密度が１５０ｋｇ／ｍ^２」である。また、表面処理方法が「チッピングハンマー」である場合、施工深さが９ｍｍであり、施工の条件が「日本ニューマチック工業の“ＡＡ−０ＳＰ”を使用する」である。

［３Ｄスキャナ］
測定に使用したハンディタイプの３Ｄスキャナを図４Ａに示し、比較例として用いた三次元計測器を図４Ｂに示す。図４Ａに示すように、「３ＤＳＹＳＴＥＭＳ」製の「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」は、フラッシュバルブの原理を用いた三角法の方式を採用し、分解能は０．９ｍｍである。また、「Ａｒｔｅｃ」製の「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」は、フラッシュバルブの原理を用いた三角法の方式を採用し、分解能は０．１ｍｍである。また、「ＳＨＩＮＩＮＧ３Ｄ」製の「ＥｉｎＳｃａｎ-Ｐｒｏ」は、白色ＬＥＤの原理を用いた三角法の方式を採用し、分解能は０．３ｍｍである。

一方、図４Ｂに示すように、「東京精密」製のレーザ方式を採用した「ＸＹＺＡＸＳＶＡｆｕｓｉｏｎ」は、測定間隔が０．５ｍｍである。また、「東京精密」製の触針式方式を採用した「ＸＹＺＡＸＳＶＡｆｕｓｉｏｎ」は、測定間隔が０．５ｍｍである。

［測定条件］
測定範囲は、「（５０ｃｍ）×（５０ｃｍ）」とした。対象物からの距離は、４０ｃｍとした。測定時の走査速度は、図５に示す通り、「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」については、（５ｃｍ／ｓ）とし、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」については、（１２ｃｍ／ｓ）とし、「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」については、（１０ｃｍ／ｓ）とした。

［データの処理方法］
上述した通り、「Ｒｅｎｋａ−Ｃｌｉｎｅ法」を使用した。

［測定結果］
図６は、測定結果である「算術平均高さＳａ」を示す表であり、図７は、「最大高さＳｚ」を示す表であり、図８は、「二乗平均平方根偏差Ｓｑ」を示す表である。図６に示すように、「算術平均高さＳａ」については、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「ウォータージェット」である場合は、０．８８〜０．９０の範囲にあり、比較例が０．９０および０．９２とほぼ同じ結果が得られた。また、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「ショットブラスト」である場合は、０．５４〜０．５６の範囲にあり、比較例が０．５７および０．５８とほぼ同じ結果が得られた。また、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「チッピング」である場合は、０．５９〜０．６３の範囲にあり、比較例が０．６２および０．６４とほぼ同じ結果が得られた。

また、図６に示すように、「最大高さＳｚ」については、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「ウォータージェット」である場合は、１５．７〜１６．２の範囲にあり、比較例が１６．０および１６．２とほぼ同じ結果が得られた。また、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「ショットブラスト」である場合は、７．５１〜７．５７の範囲にあり、比較例が７．５４および７．５６とほぼ同じ結果が得られた。また、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「チッピング」である場合は、９．０７〜９．１１の範囲にあり、比較例が９．１０および９．１２とほぼ同じ結果が得られた。

また、図６に示すように、「二乗平均平方根偏差Ｓｑ」については、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「ウォータージェット」である場合は、３．２６〜３．３０の範囲にあり、比較例が３．３１および３．３５とほぼ同じ結果が得られた。また、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「ショットブラスト」である場合は、１．６３〜１．６６の範囲にあり、比較例が１．６８および１．７０とほぼ同じ結果が得られた。また、実施例である「３ＤＳｅｎｓｅＳｃａｎｎｅｒ」、「Ａｒｔｅｃ３ＤＥｖａ」、および「ＥｉｎＳｃａｎ−Ｐｒｏ」は、表面処理方法が「チッピング」である場合は、１．８１〜１．８３の範囲にあり、比較例が１．８５および１．８６とほぼ同じ結果が得られた。

このように、本実施例によれば、非接触式のいずれの３Ｄスキャナを用いた場合であっても、これまで一般的に使用されてきたレーザ方式や触針方式の三次元計測器に遜色のない結果を得ることができた。本実施形態によれば、表面粗さを定量化することが可能となり、はつり面等の品質を一定に保つことが可能となる。その結果、補修材料との付着性能や耐久性などの品質を確保することが可能となる。さらに、施工現場において、簡易かつ迅速に表面粗さの評価をすることが可能となる。

１評価システム
３３Ｄスキャナ
５コンクリート
７変換部
９パラメータ演算部
１１出力部

Claims

コンクリートの表面粗さを評価する評価方法であって、
非接触式の３Ｄスキャナを用いて、コンクリートの表面をスキャニングするステップと、
前記３Ｄスキャナで得られた点群データを用いて、コンクリートの表面粗さを示すパラメータを算出するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする評価方法。
前記３Ｄスキャナの測定範囲は、（コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍）×（コンクリートに使用される骨材の最大径の３倍）から（５ｍ）×（５ｍ）であることを特徴とする請求項１記載の評価方法。
コンクリートの表面粗さを評価する評価システムであって、
非接触式でコンクリートの表面をスキャニングする３Ｄスキャナと、
前記３Ｄスキャナで得られた点群データを用いて、コンクリートの表面粗さを示すパラメータを算出するパラメータ演算部と、
前記算出されたパラメータを出力する出力部と、を備えることを特徴とする評価システム。