JP4295334B2 - 応力履歴測定方法 - Google Patents

Description

本発明は応力履歴測定方法に関する。

現在、例えば、コンクリートにおける内部応力の測定方法としては、予めマーカーやセンサーになるものを設置しておき現有応力を測定する方法（例えば特許文献１参照）、あるいはコア採取してリバウンド量やＡＥカイザー効果から推定する方法（例えば特許文献２，３参照）などが利用されている。

特開２００４−１０１３２２号公報 特開平１１−２９５１９８号公報 特開平７−６３６２４号公報

而して、例えばコンクリート構造物に対して、地震および竜巻などの自然災害や、高速交通機関の衝突などの事故によって瞬間的に大きな力がかかっても、コンクリート構造物自体が破壊にまで至らず弾性的に変形するにとどまり、その後、外力が開放されて弾性変形が回復する場合には、コンクリート構造物が受けた力の大きさおよび分布が正確にわからないのが実情である。
このような場合においては、例えば、シミュレーションによる推定を行うことにより、あるいは、予想重要ポイントをコア採取し、それをアコースティックエミッション（ＡＥ測定）により最大応力量を推定することにより、コンクリート構造物の応力履歴を解析することが考えられるが、いずれの方法によっても、高い信頼性をもって評価することができない。
すなわち、シミュレーションによる推定方法においては、そもそも突発的に作用した外力の大きさと方向が推測の域を出ないので、シミュレーションの結果はより曖昧なものとなる、という問題がある。
また、ＡＥ測定においては、コア材料を力学試験機に載荷し、その微小破壊音の増加点から先行最大応力を推定するものであるので、高い精度を得ることができず、しかも、イベント発生時の最大応力方向がわからないので再現試験にならないばかりか、破壊検査であるため、構造物全体であまり多数の検査を行うことができない、などの問題がある。

さらにまた、多数の歪み計をコンクリート構造物全体に設置し、常時モニタリングすることにより、コンクリート構造物における応力履歴を解析する方法も考えられるが、通常の建築物では実際的ではなく、しかも、コンクリートに異物たるセンサーを埋包することは、不均質性を発生させることになるため、破壊の原因となり得る。

以上のような事情に鑑みて、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、コンクリート等の複合材料において、カルサイトの双晶密度の変化が応力指標と成りうる特徴的な分布を示し、カルサイトの双晶密度を分析することにより応力履歴を解析することが可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明の目的は、外力を受けて一時的に生じた弾性変形が回復した場合であっても、応力履歴を高い信頼性をもって測定することのできる方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、セメントを主体とした複合材について、材料それ自体の強度を低下させることがなく、しかも、破壊を伴うことなしに、応力履歴を高い信頼性をもって測定することのできる応力履歴測定方法を提供することにある。

本発明の応力履歴測定方法は、外力を受けて弾性的に変形し得る、カルサイト粒子を含む被測定対象物について、当該カルサイト粒子の双晶密度の初期値を取得しておき、当該被測定対象物が外力を受けた後における、カルサイト粒子の双晶密度の変化の程度に基づいて、当該被測定対象物が受けた応力履歴を測定することを特徴とする。

本発明の応力履歴測定方法においては、双晶密度が既知のカルサイト粒子を予め被測定対象物に分散状態で混入させておくことにより、カルサイト粒子の双晶密度の初期値が取得することできる。
このような場合には、カルサイト粒子が双晶のないものであることが好ましい。

また、本発明の応力履歴測定方法においては、被測定対象物における少なくとも一部の領域を検査対象領域とし、当該検査対象領域において結晶面が露出された複数のカルサイト粒子の各々について双晶密度を測定して平均値を算出し、これにより得られた平均双晶密度の、双晶密度の初期値に対する変化の程度に基づいて、被測定対象物全体に作用した外力の大きさおよび分布が推定される。

本発明においては、双晶密度が既知のカルサイト粒子が骨材の一部に替えて分散状態で混入されてなるセメントを主体とした複合材を被測定対象物とすることができる。

本発明の方法によれば、外力が開放されることに伴って、被測定対象物、例えばコンクリートそれ自体の弾性変形が回復した後においても、作用した外力に応じて生成された双晶がカルサイト粒子に残存されているので、カルサイト粒子の双晶密度の初期値を取得しておくことにより、双晶密度の変化に基づいて、応力履歴具体的には例えば最大応力、現有応力、瞬間応力を含む応力の絶対値、および力の分布を高い精度で測定することができる。
また、所定の大きさの領域内に存在する複数のカルサイト粒子についての平均双晶密度が外力に依存して増加する傾向を有するという特長的分布を示すことを利用することによって、被測定対象物全体の応力履歴を推定することができ、従って、顕微鏡スケールから例えばコンクリート構造物などの被測定対象物全体までマルチスケールの応力履歴を検出することができ、また、クラック先端などの局所的な現象の解析を行うこともできる。
さらに、被測定対象物それ自体の強度に影響を及ぼすことのない程度に表面処理を行うだけでよいので、測定を行うこと自体が測定結果に影響を及ぼすことがなく、しかも、非破壊で測定を行うことができるため、例えば経年変化や事故等の発生前後の比較などの継続的観測を行うこともできる。

さらにまた、最初から双晶のない（双晶密度の初期値が０である）カルサイト粒子が用いられることにより、十分な大きさの測定可能範囲が得られると共に、応力が作用していない部分を測定する場合には、双晶を全くカウントしないですむので、高い効率が得られる。

本発明において、双晶密度が既知のカルサイト粒子が骨材の一部に替えて分散状態で混入されてなるセメントを主体とした複合材を被測定対象物とすることにより、カルサイト粒子それ自体の特性、すなわち常温（低温）環境下であっても、ある程度のせん断力を受けると塑性流動（双晶）が生じること、セメントとの親和性が高いことなどの理由から、異物たるカルサイト粒子が混入されることに起因して、当該複合材からなる製品または構造物自体の強度が低下するなどの問題が生ずることがなく、しかも、破壊を伴わずに、当該被測定対象物について、応力履歴の測定が可能である。

以下、本発明について、セメントを主体とした複合材であるコンクリートからなる製品（被測定対象物）の応力履歴を測定する場合を例に挙げて説明する。
本発明の方法を実施するに際しては、コンクリートが、せん断力を含む力を受けて双晶を示す結晶性粒子であるカルサイト粒子が、予め、実質的に均一に分散された状態で混入されてなり、カルサイト粒子の双晶密度の初期値が既知であるものであることが必要とされる。このようなコンクリートは、コンクリートの製造時において、コンクリートを構成する骨材としての砂の一部をカルサイト粒子で置換しておくことにより、得られる。なお、「双晶密度」は、ある程度の大きさのせん断力を受けることによって双晶が生成されるｅ面に直交する軸方向における所定長さ当たりに含まれる双晶の数をいう。

カルサイト粒子は、双晶密度が既知のものであれば特に限定されないが、双晶のない（双晶密度が０である）ものが用いられることが好ましい。この理由は、後述するように、双晶密度の変化を検出するという測定原理上の理由から、十分な大きさの測定可能範囲（双晶密度の変化の程度についての許容量）が確保されると共に、応力が作用していない部分を検査する場合には、双晶を全くカウントしないですむので、高い効率を得ることができるからである。

カルサイト粒子の粒径は、コンクリートを構成する骨材としての砂の粒径と同一の大きさであることが好ましく、具体的には、例えば６３〜２０００μｍである。ここに、「カルサイト粒子の粒径」とは、最大投影面に外接する長方形の短径をいうものとする。
カルサイト粒子の粒径が過大である場合には、得られるコンクリート製品または構造物は必要とされる十分な強度を有さないものとなりやすく、一方、カルサイト粒子の粒径が過小である場合には、結晶面における双晶密度の測定が困難となる。

また、カルサイト粒子の含有割合は、例えば０．３〜１０体積％であることが好ましく、より好ましくは１〜５体積％である。これにより、得られるコンクリート製品または構造物の強度が低下することを確実に防止しながら、所期の応力測定（検査）を確実に行うことのできるものが得られる。

以上のようなカルサイト粒子が混入されてなるコンクリートにおいては、例えば、当該コンクリートからなるコンクリート製品または構造物それ自体が破壊されるまでには至らずに、弾性的な変形が生ずる程度の、せん弾力を含む外力が作用されると、カルサイト粒子の特定の結晶面に双晶が形成され、外力が解放されて弾性的変形が回復した後においても、カルサイト粒子に形成された双晶は消失しないため、カルサイト粒子がいわばマイクロ応力計として機能し、カルサイト粒子の双晶密度の変化を測定することにより、コンクリート製品または構造物が受けた応力履歴を測定することができる。

応力履歴測定方法の一例について具体的に説明すると、先ず、被測定対象物から切り出して薄片化したコンクリート試験片の表面の一部を検査対象領域として選定し、もしくは被測定対象物から試験片を切り出すことなく、そのままの状態において表面の一部を検査対象領域として選定し、当該検査対象領域の表面を研磨することにより複数個のカルサイト粒子の結晶面を露出させ、検査面とする。ここに、一の検査対象領域の大きさは、特に限定されるものではなく、目的に応じて適宜に設定することができる。
次いで、例えば光学顕微鏡により検査面全面を走査して、結晶面が露出されて双晶の有無を確認可能な複数のカルサイト粒子の各々について、画像解析を行うことにより双晶密度を測定し、これにより得られた複数個のカルサイト粒子についての双晶密度の平均値、平均双晶密度を算出する。
そして、上述したように、所定の大きさの検査対象領域内に存在する複数のカルサイト粒子の平均双晶密度は、外力の大きさに依存し、外力が大きくなるに従って平均双晶密度が増加する傾向、具体的には、平均双晶密度と外力の大きさとが比例関係にあることから、得られた平均双晶密度の、双晶密度の初期値（例えば０）に対する変化の程度に基づいて、被測定対象物全体が受けた応力の絶対値および分布を推定することができる。

而して、上記方法によれば、外力が開放されることに伴って、被測定対象物、例えばコンクリートそれ自体の弾性変形が回復した後においても、作用した外力に応じて生成された双晶がカルサイト粒子に残存されているので、カルサイト粒子の双晶密度の初期値を取得しておくことにより、双晶密度の変化に基づいて、応力履歴具体的には例えば最大応力、現有応力、瞬間応力を含む応力の絶対値、および力の分布を高い精度で測定することができる。
また、所定の大きさの領域内に存在する複数のカルサイト粒子についての平均双晶密度が外力に依存して増加する傾向を有するという特長的分布を示すことを利用することによって、被測定対象物全体の応力履歴を推定することができ、従って、顕微鏡スケールから例えばコンクリート構造物などの被測定対象物全体までマルチスケールの応力履歴を検出可能とすることができ、また、クラック先端などの局所的な現象の解析を行うこともできる。
さらに、被測定対象物それ自体の強度に影響を及ぼすことのない程度に表面処理を行うだけでよいので、測定を行うこと自体が測定結果に影響を及ぼすことがなく、しかも、非破壊で測定を行うことができるため、例えば経年変化や事故等の発生前後の比較などの継続的観測を行うこともできる。

また、最初から双晶のない（双晶密度の初期値が０である）カルサイト粒子が用いられることにより、十分な大きさの測定可能範囲が得られると共に、応力を受けてない部分を検査する場合には、双晶を全くカウントしないですむので、高い効率が得られる。

以下、本発明の効果を実証するために行った実験例を示す。
＜実験例＞
（セメント＋シリカフューム）：（砂＋カルサイト粒子）：水＝１：２．５：０．３５の質量比で練り混ぜて高強度モルタルを製造した。ここに、シリカフュームの割合はセメントの質量に対して１０％であり、カルサイト粒子は、双晶のないカルサイト塊から１．６〜２ｍｍ径（砂の粒径と同等の大きさ）に切り出して得られたものであって、その添加割合は砂の質量に対して１％である。
これにより得られた高強度モルタルを成形した試料を、２０℃の水中で養生し、材齢２８日の曲げ強度および圧縮強度を測定したところ、曲げ強度試験においては、最大荷重が４９０５．０〔Ｎ〕（０．５〔ｔ〕）、曲げ強度が１１．５〔Ｎ／ｍｍ² 〕であり、圧縮強度試験においては、最大荷重が１３１４５４．０〔Ｎ〕（１３．４〔ｔ〕）、圧縮強度が８２．２〔Ｎ／ｍｍ² 〕であった。
ここに、曲げ強度試験はＪＩＳ Ｒ ５２０１に準じて行い、圧縮強度試験は４×４×８ｃｍに成形したものを用いて行った。

以上のような物性を有する高強度モルタルを成形した試料の、無載荷の状態におけるカルサイト粒子の双晶密度（初期値）を測定したところ、双晶密度は実質的に０／ｍｍであった。双晶密度の測定は、試料の一部の領域を検査対象領域とし、表面を研磨することにより複数のカルサイト粒子の結晶面を露出させ、各カルサイト粒子について光学顕微鏡により双晶を測定し平均値を算出することにより、行った。
そして、上記圧縮強度試験と同様にして破壊強度の６０％程度の荷重を載荷した後、同一の検査対象領域におけるカルサイト粒子の双晶密度を測定したところ、双晶密度（３個の粒子の平均値）は２．１／ｍｍであり、破壊強度の荷重を載荷（破壊）した後、カルサイト粒子の双晶密度を測定したところ、双晶密度（平均値）は２１．３／ｍｍであり、双晶密度の平均値が載荷重に比例して増加することが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明の方法が適用可能な被測定対象物としては、カルサイト粒子を混入させることができるものであればよく、具体的には、例えばモルタルなどのセメントを主体とする建築用材料（複合材）や、建築物の基礎部分を構成する土台（土が押し固められてなる構造物）、あるいは樹脂成形品などを例示することができる。
また、一の被測定対象物において選定される検査対象領域の数および位置、並びに平均双晶密度を算出するために必要とされるカルサイト粒子の数などの具体的な条件は、目的に応じて適宜に設定することができる。

以上においては、双晶密度の初期値が既知、例えばゼロのカルサイト粒子をコンクリート打設時に混ぜ込んでおき、例えば外力を受けて一時的に生じた弾性変形が回復した後などにおいて、被測定対象物が受けた応力履歴を測定する方法について説明したが、例えば、双晶密度は未知ではあるが、砂状カルサイト粒子が既設のコンクリート構造物に含まれている場合においては、（イ）この先起きうる応力イベントを測定する、（ロ）建設から現在までの構造物内部の局所的な応力集中を探査することができる。
上記（イ）のケースについて具体的に説明すると、天然のカルサイト粒子は、すでにある程度の応力イベントを経験し、これにより、既に双晶を有するものであると考えられるが、この状態における双晶密度を初期値として取得しておき、双晶密度を継続的に測定することにより、応力イベントによる初期値からの増加の程度を監視することができる。
また、上記（ロ）のケースについては、カルサイト粒子の双晶密度が例えば構造物全体である程度一定であると仮定したとき、比較的応力が低いと思われる部分の平均双晶密度を測定し、これにより得られた値を構造物全体の初期値とし、この初期値よりも双晶密度が高いカルサイト粒子が局所的に集中している部分を探すことにより、構造物の評価を行うことができる。

本発明は、例えばダムや発電所などの常時応力が生じている構造物や、小さな橋や港湾の防波堤、あるいはマンションなどの小規模な構造物などに好適に適用することができ、特に、小規模な構造物が破壊しない程度に力、例えば震度５強あるいは震度６といった、決して破壊は生じない程度の地震による揺れを受けた後に、所定の強度を保っているかどうかを検査する場合や、構造物それ自体の劣化に伴う局所的な応力集中を監視する場合などに、極めて有用なものとなることが期待される。
また、例えばコンクリート構造物、特に鉄筋が配筋されてなるものの強度評価を行うに際しては、本発明によれば、コンクリートそれ自体の強度を測定することができるので、鉄筋の配筋方法の適否だけでなくコンクリートの材質そのものの適否を含めて適正な評価を行うことができるものと期待される。

Claims (5)

1. 外力を受けて弾性的に変形し得る、カルサイト粒子を含む被測定対象物について、当該カルサイト粒子の双晶密度の初期値を取得しておき、当該被測定対象物が外力を受けた後における、カルサイト粒子の双晶密度の変化の程度に基づいて、当該被測定対象物が受けた応力履歴を測定することを特徴とする応力履歴測定方法。
2. 双晶密度が既知のカルサイト粒子を予め被測定対象物に分散状態で混入させておくことを特徴とする請求項１に記載の応力履歴測定方法。
3. 被測定対象物に予め混入されるカルサイト粒子が、双晶のないものであることを特徴とする請求項２に記載の応力履歴測定方法。
4. 被測定対象物における少なくとも一部の領域を検査対象領域として、当該検査対象領域において結晶面が露出された複数のカルサイト粒子の各々について双晶密度を測定して平均値を算出し、これにより得られた平均双晶密度の、双晶密度の初期値に対する変化の程度に基づいて、被測定対象物全体に作用した外力の大きさおよび分布を推定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の応力履歴測定方法。
5. 被測定対象物が、双晶密度が既知のカルサイト粒子が骨材の一部に替えて分散状態で混入されてなるセメントを主体とした複合材であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の応力履歴測定方法。