JP4550628B2 - コンクリートの強度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート構造物におけるコンクリートの圧縮強度やヤング率などの、強度測定方法に関するものである。

近年、建造物の長寿命化志向に伴い、既存の鉄筋コンクリート構造物のコンクリート素材の構造的劣化現象の把握が非常に重要になりつつある。ところで、コンクリート構造物の劣化は、以下のようにして起こる。まず、コンクリート構造物は、空気中の二酸化炭素によってコンクリート中の水酸化カルシウムが炭酸カルシウムに変化するため、時間の経過とともにコンクリートの中性化が進む。このコンクリートがアルカリ性の場合は、コンクリート構造物中の鉄筋は錆びないが、コンクリートが中性化し、水と空気が存在すると徐々に錆び始めて構造物の品質に重大な影響を及ぼすことになるのである。

このため、従来より、既存構造物のコンクリートの諸性状(圧縮強度、ヤング率、変質程度など)を調査するための各種非破壊検査手法(シュミットハンマー、超音波測定、打音測定など)が提案されている。

しかしながら、測定精度や評価精度の点で満足できる調査方法は提案されていない。例えば、シュミットハンマーによる強度測定方法は、ハンマーの打撃による反発硬さである反発硬度と、コンクリートの圧縮強度との相関関係を予め求めておき、試験対象となるコンクリートに対してシュミットハンマーにより反発硬度を計測して、上記相関関係を表す所定の計算式によりコンクリートの品質管理や圧縮強度の判定を行うものであるが、反発度を用いる手法であるため、打撃が適切に行われない状況では推定値に誤差が生ずる可能性があり、部材厚が１０cm以下の場合や、部材幅が１５cm以下となるような箇所では、適切な評価が困難となる。

また、超音波測定や打音測定による方法としては、例えば、構造物内部を超音波が伝搬する速度（音速）を測定する方法や、インパルスハンマーを使ってコンクリート構造物を叩いて打撃音を測定する方法が一般に用いられているが、コンクリート構造物におけるアルカリ骨材反応の進行段階によって、伝搬速度への影響の程度が異なるため、測定結果の信頼性が低い。

このため、現状では評価精度が比較的高い方法として、対象部分から直接コンクリートのテストピースを採取するコア抜きという破壊型の方法が最も一般的に利用されている。対象部分から直接採取したテストピースについて圧縮試験を行うことで、調査部分のコンクリートの圧縮強度、ヤング率が測定でき、またテストピース側面について中性化試験を行うことで、深さ方向の中性化範囲の測定を行うことが出来る。

しかし、通常のコア抜きによる試験方法では、コンクリート構造物の対象部分から直接テストピースを採取しなければならず、コア抜き作業に多くの手間が掛かるだけでなく、さらに圧縮試験等は、試験機のある適切な試験機関までテストピースを運搬して、後日試験を実施する必要があり、多くの時間・費用を要するという問題がある。

また、一般にコンクリートのテストピースの試験結果はバラツキが大きいとされ、またコア抜きの際に作業が適切でないと、テストピース自体に強度的な劣化を与えてしまい、適切な試験結果が得られない場合もある。

このようなことから、同一箇所から複数のテストピースを採取することが望ましいが、コア抜きするテストピースは少なくても直径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍ以上のサイズが必要であるため、同一箇所から一度に多数のテストピースを採取すると、コンクリート構造物に大きな損傷を与えてしまう。

このように、躯体に与える影響が大きいことや、コストの面などから、最小限のテストピース採取数となってしまうことが避けられなかった。

これに対して、僅かな測定面積でコンクリートの圧縮強度を測定できるコンクリートの強度測定方法が、以下の特許文献において開示されている。
特開平１０−３０７０９４号公報

これは、垂直荷重を連続的に増加させつつ引掻針を試験対象となるコンクリートの表面に沿って移動させ、前記引掻針がコンクリートの表面に沿って滑動する状態からコンクリートの表面を削り始める状態に移行する変曲点における前記引掻針の引掻強度を計測し、該計測された引掻強度を、予め求められている、前記変曲点における引掻強度とコンクリートの圧縮強度との相関関係にあてはめて、前記試験対象となるコンクリートの圧縮強度を求めるというものである。

しかし、前記特許文献１において提案されている方法は、面に水平方向の「引掻強度」から、面に垂直方向の「圧縮強度」を推定する方法であり、「引掻強度」と「圧縮強度」は、異なる破壊現象であって、コンクリート種類によって相関性が大きく異なるものと考えられる。すなわち、前記特許文献１において提案されている方法によっては、面に垂直方向の圧縮強度を正確に把握することは困難であると考えられる。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、コンクリート面に対して垂直方向に加える押圧力により、コンクリートの圧縮強度を算出することで、低コストでコンクリート構造物に大きな損傷を与えることなく、同一個所近傍で複数の測定データを得ることが出来るため、圧縮強度をより正確に把握することができるコンクリートの強度測定方法を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、圧縮強度が既知のコンクリートにおいて予め支圧耐力係数を求めておき、コンクリート面に対して剛性の棒体より垂直方向からの押圧力を連続的に増加させながら加え、コンクリート面に支圧破壊が生じる変曲点での、棒体とコンクリート面との接触面における単位面積あたりの前記押圧力（以下、支圧耐力）を測定し、この測定値を、コンクリートの強度と支圧耐力との相関関係にあてはめて、コンクリートの強度を算出することを要旨とするものである。

請求項１記載の本発明によれば、コンクリート面に対して剛性の棒体より垂直方向からの押圧力を連続的に増加させながら加え、コンクリート面に支圧破壊が生じる変曲点での支圧耐力を測定して、この測定された支圧耐力から、コンクリートの強度を推定するようにしたから、圧縮強度と同じく面に垂直方向の強度である支圧耐力の測定データにより、コンクリートの強度の中でも特に重要な圧縮強度をより正確に把握することができる。

また、通常は、コンクリート強度の測定結果にはバラツキが大きいとされるが、本発明の方法では、支圧破壊時のめり込み変形量は２〜５ｍｍ程度と非常に小さく、試験部分が局部的で損傷が小さいため、コンクリート構造物に大きな損傷を与えることがない。そしてこのため、同一箇所近傍で複数回の試験を行うことができる。

例えば、１カ所辺り複数回（例えば５回以上）の測定を行い、有為差検定により有為差のある測定結果を除いた残りの測定結果の平均値によりコンクリートの強度を評価することで、テストピースの採取・運搬といった手間と時間とコストのかかる作業を行わなくとも、バラツキの影響を排除した精度の高いコンクリート強度を測定現場において直ちに知ることができる。

請求項２記載の発明は、前記相関関係は、以下の相関関係式によることを要旨とするものである。
Ｎ＝Ｐｍａｘ／（Ａｂ×Ｆｃ）
Ｐｍａｘ：支圧耐力
Ａｂ：棒体とコンクリート面との接触面積
Ｆｃ：コンクリートの圧縮強度
Ｎ：支圧耐力係数

請求項２記載の本発明によれば、式Ｎ＝Ｐｍａｘ／（Ａｂ×Ｆｃ）で表される相関関係に基づいて、圧縮強度が既知であるコンクリートについての支圧耐力と、棒体とコンクリート面との接触面積と、圧縮強度とから支圧耐力係数Ｎを予め求めた上で、測定対象となるコンクリートについての支圧耐力と、棒体とコンクリート面との接触面積とを測定することにより、容易に圧縮強度を求めることができる。

例えば、圧縮強度が既知であるコンクリートについての支圧耐力をＰｍａｘ１、棒体とコンクリート面との接触面積をＡｂ１、圧縮強度をＦｃ１とすると、支圧耐力係数ＮはＰｍａｘ１／（Ａｂ１×Ｆｃ１）となる。次に、測定対象となるコンクリートについて測定した支圧耐力をＰｍａｘ２、棒体とコンクリート面との接触面積をＡｂ２とすると、このコンクリートについての圧縮強度Ｆｃ２は、Ｎ＝Ｐｍａｘ２／（Ａｂ２×Ｆｃ２）より、Ｆｃ２＝Ｐｍａｘ２／（Ａｂ２×Ｎ）となり、支圧耐力係数Ｎは予め求められているから、容易に圧縮強度Ｆｃ２を知ることが出来る。

請求項３記載の発明は、コンクリートの強度測定を行うことにより、支圧破壊によってコンクリート面に生じる孔の内部の破壊片を除去してから、同一箇所において更にコンクリートの強度測定を繰り返し、コンクリートの深さ方向の強度を連続して求めることを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、コンクリートの強度測定のための支圧破壊によって生じる孔を利用して、コンクリートの同一箇所において深さ方向に繰返し支圧破壊を行い、強度を測定するようにしたから、別途削孔等を行わなくとも、当該箇所における深さ方向の強度の変化の有無について詳細に把握することができる。なお、コンクリートの劣化は時間とともに表面から深さ方向に徐々に進んでいくものであるが、これにより、劣化がどの程度の深さまで進んでいるかを容易に知ることが出来る。

本発明のコンクリートの強度測定方法は、コンクリート面に対して垂直方向に加える押圧力により、コンクリートの圧縮強度を算出することで、低コストでコンクリート構造物に大きな損傷を与えることなく、同一個所で複数の測定データを得ることが出来るとともに、圧縮強度などをより正確に把握することができる。

以下、図面について本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明のコンクリートの強度測定方法の１実施形態を示す側面図である。図１に示すように、鉄筋コンクリートのブロック（以下、コンクリート）１の１面に対して、剛性の棒体として例えば先細りの鋼棒２より垂直方向（図中、矢印方向）からの押圧力を連続的に増加させながら加え、この押圧力が一定以上になると、以後は押圧力は一定の状態で鋼棒２がコンクリート１にめり込んでいくコンクリートの支圧破壊と呼ばれる現象が生じる。

実験の結果、図２に示すように、支圧破壊時のめり込み変形量δは２〜５ｍｍ程度と非常に小さいことが分かった。なお、図の縦軸Ｐは、鋼棒２よりコンクリート１に加える押圧力を示す。ここで、支圧破壊が生じる変曲点での前記押圧力（以下、支圧耐力）をＰｍａｘ（単位：ｋＮ）とすると、支圧耐力Ｐｍａｘは、図３に示すように、ほぼ鋼棒２の直径（鋼棒直径）に比例して大きくなることが分かった。

ここで、鋼棒断面積をＡｂ、コンクリート圧縮強度をＦｃとし、支圧耐力係数をＮとして次式Ｎ＝Ｐｍａｘ／（Ａｂ×Ｆｃ）により支圧耐力係数を計算すると、図４に示すように、支圧耐力係数Ｎは鋼棒２の直径（鋼棒直径）に反比例して値が小さくなるが、ほぼコンクリートの圧縮強度Ｆｃの１０倍前後になることが分かった。

これらのことから、事前にコンクリートの圧縮強度が既知な部分で、ある直径の棒体を用いてコンクリートの支圧耐力Ｐｍａｘを測定する試験（以下、支圧破壊試験）を行うことで、当該コンクリートの棒体に対する支圧耐力係数Ｎを求めることができ、支圧耐力係数Ｎを既知として、測定対象となるコンクリートについて支圧破壊試験を行えば、測定対象となるコンクリートの圧縮強度Ｆｃ(Ｆｃ＝Ｐｍａｘ／（Ａｂ×Ｎ）)を求めることが出来る。

また、コンクリートの支圧耐力Ｐｍａｘを測定すれば、支圧破壊までの荷重・変形関係の剛性に補正係数αを乗じた値から、ヤング率を求めることも出来る。例えば、コンクリート１に加える押圧力が１／３Ｐｍａｘでのコンクリート１のめり込み変形量をδ_Ｂ、押圧力が２／３Ｐｍａｘでのめり込み変形量をδ_Ａとすると、ヤング率Ｅは、次式：Ｅ＝｛（δ_Ｂ−δ_Ａ）×α｝／｛（２／３Ｐｍａｘ−１／３Ｐｍａｘ）／Ａｂ｝により求められる。ただし、補正係数αは鋼棒断面積Ａｂの大きさによって異なるため、別途素材試験等で求めるようにする。

なお、コンクリートの支圧破壊試験を行うと、コンクリート面に孔が生じるが、コンクリートの支圧耐力Ｐｍａｘを測定するために生じる孔の深さは２〜５ｍｍ程度と浅く、支圧破壊が生じてから鋼棒２よりコンクリート１に押圧力を加える時間を調節することにより、孔の深さを調節することもできる。このことを利用して、コンクリート１の深さ方向の圧縮強度を調べることが出来る。

例えば、コンクリートの支圧破壊試験を行った後に、これによってコンクリート面に生じた孔の内部の破壊片を除去してから、同一箇所において更に支圧破壊試験を繰り返し、コンクリートの深さ方向の強度を連続して求めることができる。

次に、既存のコンクリート構造物において、前記支圧破壊試験を行う方法について説明する。図５に示すように、コンクリート構造物の鉄筋コンクリート柱脚部３に対して、ジグ５により固定した油圧ジャッキ６の先端に、先細りの鋼棒２を取り付ける。このとき、鉄筋コンクリート柱脚部３のコンクリート面に対して、鋼棒２及び油圧ジャッキ６からの押圧力が垂直にかかるよう、鋼棒２及び油圧ジャッキ６の取り付け角度を設定する。

そして、鉄筋コンクリート柱脚部３に対して、鋼棒２から垂直に押圧力を加えるとともに、この押圧力を連続的に増加させる。そして、コンクリート面において支圧破壊が起こった段階で押圧を停止する。

これにより、鉄筋コンクリート柱脚部３に孔４が生じるが、その深さは２〜５ｍｍ程度であり、コンクリート構造物に与えるダメージは少なくて済むから、上下に少しだけ位置をずらして、再び支圧破壊試験を行う。これを５回以上繰り返すことにより、測定対象個所において複数（５以上）の測定データを得ることが出来、有為差検定により有為差のある測定結果を除いた残りの測定結果の平均値により評価することで、より精度の高い測定結果が得られる。

なお、鋼棒２の形状を先細りとすることにより、支圧破壊により生じた孔４から鋼棒２を引き抜くのが容易となる。また、支圧破壊試験を行った後、鋼棒２の位置をずらさずに同一個所において再度支圧破壊試験を行うことにより、鉄筋コンクリート柱脚部３の深さ方向の強度を連続的に測定するようにしても良い。

本発明のコンクリートの強度測定方法の１実施形態を示す側面図である。 棒体からの押圧力と棒体のめり込み量との関係を示すグラフである。 支圧耐力と棒体の直径との関係を示すグラフである。 支圧耐力係数と棒体の直径との関係を示すグラフである。 本発明のコンクリートの強度測定方法に基づき支圧破壊試験を行う１実施形態を示す説明図である。

１ コンクリート ２ 鋼棒
３ 鉄筋コンクリート柱脚部 ４ 孔
５ ジグ ６ 油圧ジャッキ

Claims (3)

1. 圧縮強度が既知のコンクリートにおいて予め支圧耐力係数を求めておき、コンクリート面に対して剛性の棒体より垂直方向からの押圧力を連続的に増加させながら加え、コンクリート面に支圧破壊が生じる変曲点での、棒体とコンクリート面との接触面における単位面積あたりの前記押圧力（以下、支圧耐力）を測定し、この測定値を、コンクリートの強度と支圧耐力との相関関係にあてはめて、コンクリートの強度を算出することを特徴とするコンクリートの強度測定方法。
2. 前記相関関係は、以下の相関関係式による請求項１記載のコンクリートの強度測定方法。
   Ｎ＝Ｐｍａｘ／（Ａｂ×Ｆｃ）
   Ｐｍａｘ：支圧耐力
   Ａｂ：棒体とコンクリート面との接触面積
   Ｆｃ：コンクリートの圧縮強度
   Ｎ：支圧耐力係数
3. コンクリートの強度測定を行うことにより、支圧破壊によってコンクリート面に生じる孔の内部の破壊片を除去してから、同一箇所において更にコンクリートの強度測定を繰り返し、コンクリートの深さ方向の強度を連続して求める請求項１または請求項２記載のコンクリートの強度測定方法。

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