JP2020056673A - コンクリート強度測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンクリートの強度を簡便かつ精度よく測定する。【解決手段】超音波接触インピーダンス法(UCI法)に基づくコンクリート強度測定方法は、鉄片に圧子が接していないときの振動数fE0と鉄片に圧子が押圧されているときの振動数fE1との変化量ΔfEを取得し、当該変化量ΔfEを利用してビッカース硬さHVEを得る工程S10と、ビッカース硬さHVEをコンクリートの弾性係数UCIEに変換する工程S20と、測定面に圧子が直接に接していないときの振動数fF0と測定面に圧子が押圧されているときの振動数fF1との変化量ΔfFを利用してビッカース硬さHVFを得る工程S30と、ビッカース硬さHVF及び含水比の補正係数を利用して、圧縮強度を得る工程S40と、を有する。【選択図】図1
Description
本発明は、コンクリート強度測定方法に関する。
圧縮強度は、コンクリートの重要な物性の一つである。コンクリートの圧縮強度は、建物から試験体としてコアを採取し、破壊試験である圧縮試験によって得られる。しかし、コアの採取は、建物の構造特性に影響を与える可能性があり得る。この点に鑑み、特許文献1、2は、超音波接触インピーダンス法(UCI法)を利用して、非破壊検査によってコンクリートの圧縮強度を得る方法を開示する。
未硬化の生コンクリートは、鋼材といった一般的な金属材料により構成された工業製品とは異なり、出荷時には所望の強度を有しておらず、経時とともに強度発現する。さらに、コンクリートの強度は養生の条件に強く依存する。そこで、コンクリートの強度を簡便かつ精度良く測定する測定技術が望まれていた。
そこで、本発明は、コンクリートの強度を簡便かつ精度よく測定するコンクリート強度測定方法を提供する。
本発明の一形態は、超音波接触インピーダンス法に基づき、圧子の振動数変化(Δf)を利用して、測定物の強度(UCIFC)を得るコンクリート強度測定方法であって、測定物の測定面に配置された中間部材に圧子が接していないときの振動数(fE0)と中間部材に圧子が押圧されているときの振動数(fE1)との変化量(ΔfE)を取得し、変化量(ΔfE)と予め設定される第1弾性係数(E0)とを利用して第1ビッカース硬さ(HVE)を得る第1工程と、第1ビッカース硬さ(HVE)を測定物が有する第2弾性係数(UCIE)に変換する第2工程と、測定面に圧子が直接に接していないときの振動数(fF0)と測定面に圧子が押圧されているときの振動数(fF1)との変化量(ΔfF)を取得し、変化量(ΔfF)と前記第1弾性係数(E0)とを利用して第2ビッカース硬さ(HVF)を得る第3工程と、前記第1弾性係数(E0)、前記第2弾性係数(UCIE)、測定物の含水比に基づく補正係数(μ0)及び第2ビッカース硬さ(HVF)を利用して、強度(UCIFC)を得る第4工程と、を有する。
この方法では、超音波接触インピーダンス法の原理を利用している。従って、測定物を建物などから採取する必要がないので、コンクリートの強度を簡便に測定することが可能である。さらに、第4工程において、測定物の含水比に基づく補正係数(μ0)を用いて、測定物の強度を得る。つまり、含水比の影響は、補正係数(μ0)によって評価することができるので、測定物の含水状態を追加的に測定することなく補正することもできる。その結果、含水比の影響を受け得るコンクリートの強度を簡便かつ精度よく測定することができる。
上記のコンクリート強度測定方法において、第4工程では、修正ビッカース硬さ(HV)を独立変数とし、強度(UCIFC)を従属変数とする変換式を利用し、修正ビッカース硬さ(HV)は、第2ビッカース硬さ(HVF)と補正係数(μ0)との和と、前記第1弾性係数(E0)及び前記第2弾性係数(UCIE)の比率と、を含んでもよい。コンクリートの強度(UCIFC)と修正ビッカース硬さ(HV)との関係は、比例関係として規定できる。この方法によれば、補正係数(μ0)を導入しつつ、コンクリートの強度(UCIFC)と修正ビッカース硬さ(HV)との比例関係を保存することができる。
上記のコンクリート強度測定方法において、変換式は、修正ビッカース硬さ(HV)を独立変数とし、強度(UCIFC)を従属変数とする一次関数であってもよい。この方法によれば、修正ビッカース硬さ(HV)からコンクリートの強度(UCIFC)を良好に測定することができる。
本発明によれば、コンクリートの強度を簡便かつ精度よく測定するコンクリート強度測定方法が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
金属の硬さ試験に用いられる方法として、超音波接触インピーダンス法(以下「UCI法」と呼ぶ)が知られている。UCI法は、電気的にビッカース硬さを得るものである。UCI法によれば、従来は目視で行っていた圧痕面積測定の作業を電気的に処理できる。従って、ビッカース硬さを得る試験は瞬時に完了でき、かつ、作業者による読み取り誤差といった影響を排除できる。
UCI法において重要な要素として、測定物の弾性係数がある。金属材料は、一般に材料組成や処理状態が同一であれば、ほぼ同一の弾性係数が得られる。しかし、弾性係数といったコンクリートの特性は、経時的に変化する要因を含む。従って、金属材料の測定に用いているUCI法をそのままコンクリートの測定に用いることは難しかった。
発明者らは、このUCI法による強度試験を、コンクリートの強度測定試験に適用する技術を検討している。図2の(a)部に示すように、UCI試験装置1は、装置本体2と圧子3とを有する。この圧子3をコンクリート100(測定物)に適宜設定される測定面101に押圧し、押圧前後の圧子3の振動数の変動量に基づいてコンクリート100の強度としての圧縮強度を得る。例えば、発明者らは、上述したコンクリートの弾性係数の問題を解決する技術として、特許文献1、2に開示した技術を開発した。
一方、コンクリート100の圧縮強度は、コンクリート100の含水比の影響を受ける。つまり、コンクリート100の圧縮強度を精度よく評価するためには、コンクリート100の含水比の影響も加味することが望ましい。そこで、以下の説明では、コンクリート100の含水比の影響も加味した、UCI法に基づくコンクリート100の強度測定方法を説明する。
なお、以下の説明では、いくつかの符号を用いる。本実施形態の説明に用いる主な符号は、以下のとおりである。
E0:鉄片の弾性係数(第1弾性係数)。
UCIE:コンクリートの弾性係数(第2弾性係数)。
UCIFC:コンクリートの圧縮強度。
ΔfE:振動数の変化量。鉄片を挟んで測定したもの。
ΔfF:振動数の変化量。鉄片を挟まないで測定したもの。
HVE:ビッカース硬さ(第1ビッカース硬さ)。鉄片を挟んで測定したもの。
HVF:ビッカース硬さ(第2ビッカース硬さ)。鉄片を挟まないで測定したもの。
HVA:ビッカース硬さ。コンクリートの弾性係数を考慮したもの。
HV:修正ビッカース硬さ。コンクリートの弾性係数及び含水比を考慮したもの。
μ0:含水比の影響を考慮するための補正係数。
α0:定数。
β0:定数。
k0:定数。
γ0:定数。
F0:圧子の押圧力。
θ0:定数。
A0:圧痕面積。
E0:鉄片の弾性係数(第1弾性係数)。
UCIE:コンクリートの弾性係数(第2弾性係数)。
UCIFC:コンクリートの圧縮強度。
ΔfE:振動数の変化量。鉄片を挟んで測定したもの。
ΔfF:振動数の変化量。鉄片を挟まないで測定したもの。
HVE:ビッカース硬さ(第1ビッカース硬さ)。鉄片を挟んで測定したもの。
HVF:ビッカース硬さ(第2ビッカース硬さ)。鉄片を挟まないで測定したもの。
HVA:ビッカース硬さ。コンクリートの弾性係数を考慮したもの。
HV:修正ビッカース硬さ。コンクリートの弾性係数及び含水比を考慮したもの。
μ0:含水比の影響を考慮するための補正係数。
α0:定数。
β0:定数。
k0:定数。
γ0:定数。
F0:圧子の押圧力。
θ0:定数。
A0:圧痕面積。
これより、図1及び図2を参照しつつ、コンクリート強度測定方法を詳細に説明する。はじめに、UCI試験装置1を動作させる(工程S1)。UCI試験装置1の動作条件として、圧子3の振動数f1と、押圧力F0とが設定される。
<第1工程:S10>
続いて、ビッカース硬さHVEを得る(工程:S10)。具体的には、まず、測定面101に鉄片102(中間部材)を設置する(工程S11)。次に、コンクリート100の測定面101に配置された鉄片102に圧子3が接していないときの振動数fE0を得る(工程S12、図2の(a)部参照)。この振動数fE0は、工程S10で設定した振動数f1であるとしてもよい。次に、鉄片102に圧子3を押し当てたときの振動数fE1を得る(工程S13、図2の(b)部参照)。次に、振動数fE0と振動数fE1との変化量(ΔfE=fE0−fE1)を得る(工程S14)。次に、ビッカース硬さHVEを得る(工程S15)。具体的には、変化量ΔfEと鉄片102の弾性係数E0と、を式(1)に代入することにより、ビッカース硬さHVEを得る。なお、本実施形態では、第1弾性係数E0として、鉄片102の弾性係数を例示している。この第1弾性係数とは、UCI法の測定器に予め入力されている内部パラメータであり、UCI法の測定器の内部においてビッカース硬さを計算する際に用いられるものである。つまり、第1弾性係数E0は、中間部材の弾性係数を採用しなくともよい。例えば、中間部材として非鉄金属や樹脂を採用した場合に、第1弾性係数E0を鉄片102のものとしてもよい。
続いて、ビッカース硬さHVEを得る(工程:S10)。具体的には、まず、測定面101に鉄片102(中間部材)を設置する(工程S11)。次に、コンクリート100の測定面101に配置された鉄片102に圧子3が接していないときの振動数fE0を得る(工程S12、図2の(a)部参照)。この振動数fE0は、工程S10で設定した振動数f1であるとしてもよい。次に、鉄片102に圧子3を押し当てたときの振動数fE1を得る(工程S13、図2の(b)部参照)。次に、振動数fE0と振動数fE1との変化量(ΔfE=fE0−fE1)を得る(工程S14)。次に、ビッカース硬さHVEを得る(工程S15)。具体的には、変化量ΔfEと鉄片102の弾性係数E0と、を式(1)に代入することにより、ビッカース硬さHVEを得る。なお、本実施形態では、第1弾性係数E0として、鉄片102の弾性係数を例示している。この第1弾性係数とは、UCI法の測定器に予め入力されている内部パラメータであり、UCI法の測定器の内部においてビッカース硬さを計算する際に用いられるものである。つまり、第1弾性係数E0は、中間部材の弾性係数を採用しなくともよい。例えば、中間部材として非鉄金属や樹脂を採用した場合に、第1弾性係数E0を鉄片102のものとしてもよい。
<第2工程:S20>
続いて、コンクリート100の弾性係数UCIEを得る(工程S20)。具体的には、工程S15で得たビッカース硬さHVEを式(2)に代入する。
ここで、定数γ0は式(3)により示される。
続いて、コンクリート100の弾性係数UCIEを得る(工程S20)。具体的には、工程S15で得たビッカース硬さHVEを式(2)に代入する。
ここで、定数γ0は式(3)により示される。
<第3工程:S30>
続いて、ビッカース硬さHVFを得る(工程:S30)。この工程S30の処理は、振動数fF1を得るとき(工程S33)に、圧子3を測定面101に対して直接に押圧する点で、工程S13と相違する。一方、振動数fF0及び振動数fF1を利用して、ビッカース硬さHVFを得る処理は、工程S14、S15と同じである。
続いて、ビッカース硬さHVFを得る(工程:S30)。この工程S30の処理は、振動数fF1を得るとき(工程S33)に、圧子3を測定面101に対して直接に押圧する点で、工程S13と相違する。一方、振動数fF0及び振動数fF1を利用して、ビッカース硬さHVFを得る処理は、工程S14、S15と同じである。
具体的には、まず、測定面101から鉄片102を取り外す(工程S31)。次に、コンクリート100の測定面101に圧子3が接していないときの振動数fF0を得る(工程S32、図3の(c)部参照)。なお、この振動数fF0は、工程S1における振動数f0を用いてもよい。次に、測定面101に圧子3が押圧されているときの振動数fF1を得る(工程S33、図3の(d)部参照)。次に、振動数fF0と振動数fF1との変化量(ΔfF=fF0−fF1)を得る(工程S34)。次に、ビッカース硬さHVFを得る(工程S35)。具体的には、変化量ΔfFと鉄片102の弾性係数E0と、を式(4)に代入することにより、ビッカース硬さHVFを得る。
式(5)において、k0及びθ0は、定数である。μ0は、含水比を考慮するための補正係数である。そうすると、式(5)は、k0が傾きであり、UCIE/E0(HVF+μ0)が独立変数であり、θ0が切片であり、UCIFCが従属変数である一次関数である。
上記の工程S10〜S40を実行することにより、コンクリート100の圧縮強度UCIFCが得られる。
ここで、含水比の補正係数μ0について、図3を参照しつつ説明する。図3は、コンクリート100の含水状態が圧縮強度UCIFCに及ぼす影響を示すグラフである。横軸は、修正ビッカース硬さHVである。縦軸は、圧縮強度UCIFCである。グラフG3aは、含水状態Aであるコンクリート100の修正ビッカース硬さHVと圧縮強度UCIFCとの関係を示す。グラフG3bは、含水状態Bであるコンクリート100の修正ビッカース硬さHVと圧縮強度UCIFCとの関係を示す。グラフG3cは、含水状態Cであるコンクリート100の修正ビッカース硬さHVと圧縮強度UCIFCとの関係を示す。ここで、含水比は、含水状態Aが最も大きく、含水状態Cが最も小さく、含水状態Bはこれらの中間であるとする。つまり、含水状態A、B、Cの順にコンクリート100が乾いた状態を示す。
グラフG3a、G3b、G3cに示すように、含水状態の違いに応じて、コンクリート100の修正ビッカース硬さHVと圧縮強度UCIFCとの関係が異なっている。より詳細には、グラフG3a、G3b、G3cの傾きが異なっている。
そうすると、圧縮強度UCIFCの測定において含水比を考慮する方法としては、まず、代表的な含水比の値を選択し、当該選択した含水比ごとにグラフG3a、G3b、G3cに示すような関係を事前に得ておく。そして、実際の測定時には、含水比を測定して圧縮強度の算出に用いる校正曲線(校正式)を選ぶ方法が考えられる。しかし、この方法では、含水比ごとに校正曲線を準備する必要がある。さらに、圧縮強度を測定するときに、含水比の測定を行う必要もある。
そこで、発明者らが鋭意検討したところ、補正係数μ0を導入することにより、上記の問題を解決できることを見出した。つまり、補正係数μ0によれば、一つの校正曲線(校正式:式(5))を用いて、あらゆる含水比の状態における圧縮強度を測定することができる。換言すると、補正係数μ0によれば、含水比ごとに校正曲線を準備する必要がない。さらに、補正係数μ0によれば、圧縮強度を測定するときに、含水比の測定を行う必要もない。
例えば、時間の経過によって、コンクリート100の状態が含水状態A、B、Cの順に変化した場合を仮定する。まず、含水状態Aであるとき、コンクリート100は点A1に示す状態であるとする。点A1は、ビッカース硬さが1.0であり、圧縮強度が1.0である。次に、含水状態Aから含水状態Bに変化する。そうすると、コンクリート100の状態は、点A1から点B1に移行する。点B1は、ビッカース硬さが1.4であり、圧縮強度が1.2である。そして、含水状態Bから含水状態Cに変化する。そうすると、コンクリート100の状態は、点B1から点C1に移行する。点C1は、ビッカース硬さが1.8であり、圧縮強度が1.4である。
ここで、ビッカース硬さの増加割合と圧縮強度の増加割合との関係に注目する。含水状態Aから含水状態Bへ変化したとき、ビッカース硬さは1.4倍となる。一方、圧縮強度は1.2倍である。つまり、乾燥に伴って含水状態が変化すると、ビッカース硬さの増加割合と圧縮強度の増加割合とにずれが生じる。具体的には、乾燥によってビッカース硬さが実際の圧縮強度よりも大きくなってしまう。これは、ビッカース硬さHVFが乾燥に伴って大きくなるためである。
従って、上述した乾燥に伴うビッカース硬さHVFの変化と圧縮強度の変化とのズレを補正するためには、ビッカース硬さHVFの変化が圧縮強度の変化と同じ傾向を示すようにすればよい。
一方、UCI法に基づく強度測定法は、測定の利便性を重視している。従って、乾燥状態(含水比の状態)を考慮する場合であっても、測定の手間を増やすことなく、所望の測定精度を確保する必要がある。つまり、含水状態を考慮する補正においては、含水状態の影響を新たに測定することなく補正できること、理論式を修正することになるので最低限のシンプルな補正であること、ビッカース硬さと圧縮強度とが比例関係にあるという望ましい性質を損なわないこと、を考慮すべきである。
式(6)を用いて、上述の点A1、B1、C1で示される状態を評価する方法を説明する。説明の便宜上、UCIE/E0は、1であるとする。今、点A1は、(ビッカース硬さHVF、圧縮強度=1.0、1.0)であった。ここで、補正係数μ0が1であるとする。そして、ビッカース硬さHVFに補正係数μ0を加算する。その結果、補正された点A2は、(修正ビッカース硬さ、圧縮強度=2.0、1.0)となる。次に、点B1は、(ビッカース硬さ、圧縮強度=1.4、1.2)であった。点A1と同様に、ビッカース硬さHVFに補正係数μ0として、1を加算する。その結果、補正された点B2は、(修正ビッカース硬さ、圧縮強度=2.4、1.2)となる。次に、点C1は、(ビッカース硬さ、圧縮強度=1.8、1.4)であった。点A1と同様に、ビッカース硬さHVFに補正係数μ0として、1を加算する。その結果、補正された点C2は、(修正ビッカース硬さ、圧縮強度=2.8、1.8)となる。
そうすると、補正された点A2、B2、C2をプロットすると、それぞれの点は、グラフG3d上に並ぶ。つまり、補正係数μ0を導入しないビッカース硬さHVFを用いた場合には、含水状態A、B、CごとにグラフG3a、G3b、G3cにより示されていた修正ビッカース硬さHVと圧縮強度UCIFCとの関係が、1本のグラフG3dによって示すことができる。換言すると、原点から点A2を結ぶ直線の傾き、原点から点B2を結ぶ直線の傾き及び原点から点C2を結ぶ直線の傾きが互いに等しくなる。従って、一つの校正曲線(式(5))で修正ビッカース硬さHVを圧縮強度UCIFCに変換できる。
本実施形態のコンクリート強度測定方法は、超音波接触インピーダンス法の原理を利用している。従って、コンクリート100を対象物である建物などから採取する必要がないので、コンクリート100の圧縮強度UCIFCを簡便に測定することが可能である。さらに、工程S40において、コンクリート100の含水比に基づく補正係数μ0を用いて、コンクリート100の圧縮強度UCIFCを得る。つまり、含水比の影響は、補正係数μ0によって評価することができるので、コンクリート100の含水状態を追加的に測定することなく補正することもできる。その結果、含水比の影響を受け得るコンクリート100の圧縮強度UCIFCを簡便かつ精度よく測定することができる。
また、コンクリート強度測定方法において、工程S40では、修正ビッカース硬さHVを独立変数とし、圧縮強度UCIFCを従属変数とする変換式(式(5))を利用する。修正ビッカース硬さHVは、ビッカース硬さHVFと含水比の補正係数μ0との和を含む。コンクリート100の圧縮強度UCIFCと修正ビッカース硬さHVとの関係は、比例関係である。この関係によれば、補正係数μ0を導入しつつ、コンクリート100の圧縮強度UCIFCと修正ビッカース硬さHVとの比例関係を保存することができる。
また、コンクリート強度測定方法において、変換式である式(5)は、修正ビッカース硬さHVを独立変数とし、圧縮強度UCIFCを従属変数とする一次関数である。この関係によれば、修正ビッカース硬さHVからコンクリート100の圧縮強度UCIFCを良好に測定することができる。
本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。
例えば、工程S40では、ビッカース硬さHVFから直接に圧縮強度UCIFCを求めた(式(7)参照)。例えば、ビッカース硬さHVFを第1補正ビッカース硬さHVAに変換した後に、含水比の影響を補正して修正ビッカース硬さHVとしてもよい。これは、式(7)、(8)によって示される。式(7)は、ビッカース硬さHVFを第1補正ビッカース硬さHVA)に変換する。式(8)は、第1補正ビッカース硬さHVAを修正ビッカース硬さHV)に変換する。要するに、式(6)の(HVF+μ0)×UCIE/E0を別処理として取り出したものであり、得られる結果は式(6)で得たものと全く同一である。
また、上記の説明では、中間部材として鉄片を例示した。しかし、中間部材は鉄片に限定されない。中間部材は、弾性係数が既知である材料を利用してよい。
1…UCI試験装置、2…装置本体、3…圧子、100…コンクリート(測定物)、101…測定面、102…鉄片(中間部材)。
Claims (3)
- 超音波接触インピーダンス法に基づき、圧子の振動数変化(Δf)を利用して、測定物の強度(UCIFC)を得るコンクリート強度測定方法であって、
前記測定物の測定面に配置された中間部材に前記圧子が接していないときの振動数(fE0)と前記中間部材に前記圧子が押圧されているときの振動数(fE1)との変化量(ΔfE)を取得し、前記変化量(ΔfE)と予め設定される第1弾性係数(E0)とを利用して第1ビッカース硬さ(HVE)を得る第1工程と、
前記第1ビッカース硬さ(HVE)を前記測定物が有する第2弾性係数(UCIE)に変換する第2工程と、
前記測定面に前記圧子が直接に接していないときの振動数(fF0)と前記測定面に前記圧子が押圧されているときの振動数(fF1)との変化量(ΔfF)を取得し、前記変化量(ΔfF)と前記第1弾性係数(E0)とを利用して第2ビッカース硬さ(HVF)を得る第3工程と、
前記第1弾性係数(E0)、前記第2弾性係数(UCIE)、前記測定物の含水比に基づく補正係数(μ0)及び前記第2ビッカース硬さ(HVF)を利用して、前記強度(UCIFC)を得る第4工程と、を有するコンクリート強度測定方法。 - 前記第4工程では、修正ビッカース硬さ(HV)を独立変数とし、前記強度(UCIFC)を従属変数とする変換式を利用し、
前記修正ビッカース硬さ(HV)は、前記第2ビッカース硬さ(HVF)と前記補正係数(μ0)との和と、前記第1弾性係数(E0)及び前記第2弾性係数(UCIE)の比率と、を含む、請求項1に記載のコンクリート強度測定方法。 - 前記変換式は、修正ビッカース硬さ(HV)を独立変数とし、前記強度(UCIFC)を従属変数とする一次関数である、請求項2に記載のコンクリート強度測定方法。
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稲葉洋平他: "UCI法によるコンクリートの圧縮強度推定に関する基礎的研究", 日本建築学会構造系論文集, vol. 80, no. 710, JPN6022001256, April 2015 (2015-04-01), JP, pages 519 - 526, ISSN: 0004684114 * |
Cited By (2)
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CN112014214A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-12-01 | 山东大学 | 一种水泥石微观单边劈裂测试装置与方法 |
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