JP4583968B2 - コンクリート締め固め検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、打設したコンクリートのバイブレータによる締め固めを検知するコンクリート締め固め検知装置に関する。

従来、建築物の構造体には、プレキャストコンクリートで作られた型枠の内部に鉄筋を配し、そこへフレッシュコンクリートを充填する方法が採られている。
近年、デザインの多様化などから型枠の形状も複雑になっていることもあって、その複雑な形状の末端部までコンクリートが正しく充填されているかどうかを非破壊検査で容易に検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、コンクリートの打設（コンクリートを型枠に流し込んでいく行為のことを言う）において、練られた直後のコンクリートは、固体で大きさも異なる砂や砂利及びセメント、液体である水、気体の空気泡など、全く異質なものの混合物にすぎず、各物質同士はそれぞれ摩擦力によって一応の形を成すものの、実際には他の物質と混ざり合うことに抵抗している。このようなことから、コンクリートの打設の際には、バイブレータによる振動を印加して締め固めを行うようにしている（例えば、特許文献２参照）。

打設直後のコンクリートに振動を与えることで、液状化によりコンクリート密度が高まり、不要な混入空気が除去されて、過密配筋部や狭い型枠部でも骨材が均等に分布した、強度が高く、且つ奇麗なコンクリート構造物（製品）を得ることができる。

特開２００３−２０２３２８号公報 特開２００２−５４３０２号公報

しかしながら、従来のバイブレーションによるコンクリートの締め固め方法にあっては、バイブレータによる締め固めの全てが人の管理に任されていて、実際にバイブレータをかけて締め固めを行ったか否かを自動的に記録する方法は無く、そのため、コンクリートが凝結して、脱型後、締め固め忘れによるコンクリートの品質低下がしばしば見られるという問題がある。なお、このバイブレータかけ忘れによる品質低下の問題は、モルタルの打設の場合も同様に生ずる。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、打設したコンクリートのバイブレータによる締め固めを検知することができるコンクリート締め固め検知装置を提供することを目的とする。

上記目的は下記構成により達成される。
（１） 打設したコンクリートの型枠内に設置し、前記型枠内におけるコンクリートの充填状況及び締め固め状況を検知するため、ダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの外側面に設けられる圧電検出素子と、前記ダイヤフラムの内側面に設けられ、前記ダイヤフラムの外圧による変形を検出する歪検出素子とを装備してなる１個のセンサ手段を有し、
前記コンクリートの充填状況の検知においては、前記センサ手段の圧電検出素子に周波数が経時的に変化する電気信号を印加して、前記型枠内のコンクリートが前記圧電検出素子に接触した際の周波数特性の変化を検出することで行い、
前記コンクリートの締め固め状況の検知においては、前記センサ手段の歪検出素子の歪出力値の変化を検出することで行い、
前記コンクリートの充填状況及び締め固め状況が１個の前記センサ手段で一度に検知可能であるコンクリート締め固め検知装置。

（２） 上記（１）に記載のコンクリート締め固め検知装置において、前記センサ手段の歪検出素子の歪出力値と前記型枠内でコンクリートが締め固められた状態を基準として値が決定された基準値とを比較し、その比較結果に基づいてコンクリートの締め固め状況を判定してその結果を報知する判定手段を備える。

上記（１）に記載のコンクリート締め固め検知装置では、センサ手段を歪検出素子とそれを取り付けたダイヤフラムを含む構成として、型枠内におけるコンクリートの締め固めによるコンクリート内の圧力の変化が検出できるので、型枠内におけるコンクリートの締め固め状況を検知することができる。また、このセンサ手段によって、型枠内のコンクリートの充填状況とコンクリートの締め固め状況とを一度に検知することができ、さらに型枠への取り付けが１個のセンサ手段で済むことから、検査作業の手間を軽減できると同時に、１個のセンサ手段で済むことから、その分、安価にできる。

上記（２）に記載のコンクリート締め固め検知装置では、判定手段が、センサ手段の歪検出素子の歪出力値と予め値が決定された基準値とを比較し、その比較結果に基づいてコンクリートの締め固め状況を判定し、結果を報知するので、打設後のコンクリートに対するバイブレーションのかけ忘れを確実に防止できる。これにより、締め固め忘れによるコンクリートの品質低下を無くすことができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るコンクリート締め固め検知装置の構成を示すブロック図である。

図１において、本実施の形態のコンクリート締め固め検知装置は、同期信号発生器１と、可変周波数発振器２と、増幅器３と、抵抗４と、センサ部５と、差動増幅器６と、４象限アナログ掛け算器７と、ローパスフィルタ８と、第１判定部９と、ブリッジ回路部１０と、増幅器１１と、比較器１２と、第２判定部１３とを備えている。

同期信号発生器１は、可変周波数発振器２を繰り返し動作させるための同期信号を発生する。可変周波数発振器２は、周波数が所定の周波数範囲（例えば１ｋＨｚから２０ｋＨｚ）で連続的に変化する正弦波の電気信号を発生する。この場合、同期信号発生器１から同期信号が出力される毎に、初期周波数（例えば１ｋＨｚ）から繰り返し正弦波信号を発生する。増幅器３は、可変周波数発振器２からの正弦波信号を、後述するセンサ部５の圧電セラミックス５０を駆動できるレベルまで増幅し、加振用信号Ｖｒとして出力する。

センサ手段となるセンサ部５は、図２の断面図に示すように、上述した圧電セラミックス５０と、ストレインゲージ５１と、有底円筒形状のダイヤフラム５２とを備えて構成される。ダイヤフラム５２は、一端が蓋部材５４で閉鎖され、他端には金属板５２ａが配置されている。金属板５２ａのダイヤフラム５２本体外側の面には、圧電検出素子として上述した圧電セラミックス５０が取り付けられており、その反対側の面、即ちダイヤフラム５２本体内側の面には、歪検出素子として上述したストレインゲージ５１が取り付けられている。

圧電セラミックス５０及びストレインゲージ５１夫々には電極線５３が配線されており、センサ部５から外側へ引き出されている。電極線５３はセンサ部５を配置した台座５５上の支柱５５ａに係止されている。圧電セラミックス５０は、電気信号を機械信号に変換して出力するものであり、コンクリートの型枠内への充填検知に用いられる。他方、ストレインゲージ５１は、歪による抵抗変化を起こすものであり、コンクリートの型枠内への締め固め検知に用いられる。

ここで、図３はコンクリートの締め固めのイメージを示す模式図である。図３（ａ）は、型枠に打設したコンクリートの締め固め前の状態であり、ダイヤフラム５２にコンクリート６０が接触しているが、締め固めされていないためダイヤフラム５２に加わる圧力は少なく、即ちダイヤフラム５２の変形量が小さく歪は少ない。

一方、図３（ｂ）は、型枠に打設したコンクリートの締め固め後の状態であり、ダイヤフラム５２に加わる圧力は大きく、即ちダイヤフラム５２の変形量が大きく歪は大きい。このようなことから、ダイヤフラム５２の歪量を検知することで締め固め有無の検知が可能である。

図１に戻り、抵抗４は、増幅器３とセンサ部５との間に直列に介挿され、その両端にはセンサ部５の圧電セラミックス５０に流れる電流に対応した電圧が発生する。圧電セラミックス５０に流れる電流は周波数の変化によって変化するので、抵抗４の両端に現れる電圧は圧電セラミックス５０の周波数特性を反映したものになる。差動増幅器６は、抵抗４の両端の電圧を増幅して電圧Ｖｉを出力する。

４象限アナログ掛け算器７は、加振用信号Ｖｒと電圧Ｖｉを乗算してこれらの電圧に対するノイズの影響を除去する。ローパスフィルタ８は、４象限アナログ掛け算器７の出力信号から以下で説明するｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）分を除去した信号（出力電圧Ｖｏ）を出力する。なお、本実施の形態では、抵抗４、差動増幅器６、４象限アナログ掛け算器７及びローパスフィルタ８を含めて周波数特性検出手段と呼ぶ。

第１判定部９は、図示せぬマイコンやＬＣＤ(液晶表示器)等の表示器を備えており、コンクリートがセンサ部５の圧電セラミックス５０に接触しないときの固有の振動周波数特性を基準として、ローパスフィルタ８から出力される信号から、圧電セラミックス５０に対する型枠内におけるコンクリートの接触・非接触を判定し、その結果（良否）を表示器に表示する。この場合、圧電セラミックス５０の固有の振動周波数特性を一度設定しておけば以後のメンテナンス時以外、再設定する必要はない。なお、この圧電セラミックス５０の固有の振動周波数特性はマイコンに記憶される。

上述した同期信号発生器１、可変周波数発振器２、増幅器３、抵抗４、センサ部５の圧電セラミックス５０、差増増幅器６、４象限アナログ掛け算器７、ローパスフィルタ８及び第１の判定部９は、コンクリートの型枠への充填を検知する充填検知回路を構成する。

ブリッジ回路部１０は、センサ部５のストレインゲージ５１の他、３つの抵抗Ｒ１〜抵抗Ｒ３によってブリッジを形成し、ブリッジの２つの入力端間には、ブリッジ電圧発生器１０ａからブリッジ電圧が印加される。ブリッジ回路部１０の出力端間には、ストレインゲージ５１の抵抗値に比例した電位差が現れる。増幅器１１は、ブリッジ回路部１０の出力端間の電位差により生ずる電流を増幅する。比較器１２は、増幅器１１からの歪出力と基準電圧Ｖrefとを比較し、歪出力が基準電圧Ｖrefを超えると出力がＨレベルになる。ここで、基準電圧Ｖrefは、型枠内においてコンクリートの締め固めが成された状態を基準として値が決定されており、歪出力が基準電圧Ｖrefを超えることは、締め固め状態にあることを示す。なお、本実施の形態では、基準電圧Ｖrefの設定を第２判定部１３にて自由に行えるようにしている。

第２判定部１３は、図示せぬマイコン、ＬＣＤ(液晶表示器)等の表示器、ブザー等の鳴動器、基準電圧Ｖrefの設定器等を備えており、比較器１２の出力を基に締め固めの有無を判定し、比較器１２の出力がＨレベルのときに、型枠内のコンクリートが締め固め状態にあると判断する。判断した結果はＬＣＤに表示し、また判断した結果、コンクリートが締め固め状態になければ警報音を発生して報知する。なお、この第２判定部１３を、上述した第１判定部９と１つの判定部としてまとめても構わない。まとめることで部品点数少なくでき、コストの削減が可能となる。

上述したセンサ部５のストレインゲージ５１、ブリッジ回路部１０、増幅器１１及び比較器１２は、コンクリート締め固め検知回路を構成する。

このような構成において、可変周波数発振器２にて発生した正弦波信号は、増幅器３で増幅して加振用電圧Ｖｒとしてセンサ部５の圧電セラミックス５０に入力され、圧電セラミックス５０にて機械的振動を発生する。加振用電圧Ｖｒは４象限アナログ掛け算器７へも入力される。圧電セラミックス５０に機械的振動が発生すると、抵抗４の両端には圧電セラミックス５０に流れる電流に対応する電圧が発生する。この電圧が差動増幅器６にて増幅されて電圧Ｖｉが出力される。電圧Ｖｉと増幅器３からの加振用電圧Ｖｒとが４象限アナログ掛け算器７にて乗算される。そして、その出力がローパスフィルタ８にてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）成分が除去されて出力電圧Ｖｏが得られる。

この出力信号Ｖｏは、加振用電圧Ｖｒの周波数変化に対する圧電セラミックス５０の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になる。このとき、圧電セラミックス５０の表面に充填物が接触していないと、圧電セラミックス５０の持つ固有振動数付近の周波数にピークを持った電圧が図４に示すように現れる。そして、この圧電セラミックス５０の周りにコンクリートが充填されると、圧電セラミックス５０の振動特性が変化して、図５に示すようにピーク電圧の位置と大きさが変化する。第１判定部９はこのピーク電圧の変化からコンクリートの充填状況を判定し、その結果を表示器上に表示する。これにより、容易にコンクリートの充填を判別することができる。

上記作動原理を、数式を用いて説明すると、以下のようになる。ここで、Ｖｒ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）、Ｖｉ＝Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）とする。但し、Ａ，Ｂは振幅、ωｔは周波数、αとβは位相のずれとする。

Ｖｒ×Ｖｉ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）×Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）
＝ＡＢ［ｃｏｓ（β−α）−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）］／２ （１）

式（１）のｃｏｓ（β−α）の部分は、位相差に合わせて変化する直流成分であり、ここに電圧Ｖｉの振幅成分も含まれる。また、ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の部分は、元の加振用電圧Ｖｒと電圧Ｖｉの２倍の周波数の信号である。必要とする周波数特性の情報は、電圧Ｖｉの振幅（大きさ）であるので、式（１）のｃｏｓ（β−α）のみで良い。

したがって、ローパスフィルタ２３を通過させてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の成分を除去すればよい。このようにして出力電圧Ｖｏには周波数特性が電圧の形で現れる。図４及び図５で示したように、型枠内にコンクリートが充填されると、ピークの周波数とレベルが変化することで、その状況を検知することができる。

一方、ブリッジ回路部１０の出力端間には、センサ部５のストレインゲージ５１の抵抗値に応じた電流が流れ、増幅器１１で増幅されて歪出力が得られる。この歪出力と基準電圧Ｖrefとが比較器１２で比較されて、歪出力が基準電圧Ｖrefを超える場合に比較器１２の出力がＨレベルになる。

比較器１２の出力は第２判定部１３に入力されて、第２判定部１３にて締め固めの有無が判定される。この場合、比較器１２に印加される基準電圧Ｖrefは、型枠内においてコンクリートの締め固めが成された状態を基準としてその値が決定されているので、第２判定部１３は、比較器１２の出力がＬレベルのときは、型枠内においてコンクリートの締め固めが未処理であると判断し、比較器１２の出力がＨレベルのときは、型枠内においてコンクリートの締め固めが行われたと判断する。

即ち、型枠内においてコンクリートの締め固めが行われていないときは、センサ部５のダイヤフラム５２に加わる圧力は図３（ａ）に示すように小さいので、ダイヤフラム５２の変形量は小さくストレインゲージ５１の歪量は小さい。ストレインゲージ５１の歪量が小さいときは、ブリッジ回路部１０のブリッジバランスの崩れが小さいことから、増幅器１１の歪出力は小さく基準電圧Ｖref未満であるので、比較器１２の出力はＬレベルのままである。

これに対して、型枠内においてコンクリートの締め固めが行われると、センサ部５のダイヤフラム５２に加わる圧力が徐々に大きくなって行き、ダイヤフラム５２の変形は大きくなって行く。ダイヤフラム５２の変形量が大きくなるに従ってストレインゲージ５１の歪量は大きくなって行くことから、ブリッジ回路部１０のブリッジバランスの崩れが大きくなって行き、増幅器１１の歪出力が大きくなる。そして、増幅器１１の歪出力が基準電圧Ｖrefを超えると、比較器１２の出力がＬレベルからＨレベルに変化する。これにより、第２判定部１３は、コンクリートの締め固めが行われたと判断する。

このように、本実施の形態のコンクリート締め固め検知装置によれば、所定の範囲で周波数が経時的に変化する正弦波の電気信号を発生させて、この電気信号をセンサ部５の圧電セラミックス５０に印加して振動周波数特性を検出し、この振動周波数特性をもとに型枠内に充填したコンクリートが圧電セラミックス５０に接触した際の周波数特性の変化を検出するようにしたので、コンクリートの型枠内における充填状況を検知することができる。

また、センサ部５を、ストレインゲージ５１と、それを取り付けたダイヤフラム５２を含む構成として、コンクリートの締め固めによるコンクリート内の圧力の変化を検出するようにしたので、型枠内におけるコンクリートの締め固め状況を検知することができ、締め固め忘れによるコンクリートの品質低下を無くすことができる。また、このセンサ部５によって、型枠内のコンクリートの充填状況とコンクリートの締め固め状況とを一度に検知することができ、さらに型枠への取り付けが１個のセンサ手段で済むことから、検査作業の手間を軽減できると同時に、１個のセンサ手段で済むことから、その分、安価にできる。

なお、上記実施の形態では、コンクリートの締め固め状況を検知するようにしたが、モルタルでも同様である。
また、上記実施の形態では、ダイヤフラム５２本体外側の面に圧電検出素子を取り付け、他方ダイヤフラム５２本体内側の面に歪検出素子を取り付ける構成としたが、歪検出素子の保護を図れば、圧電検出素子と歪検出素子とを逆に取り付けることも可能である。

コンクリート打設時における型枠内へのコンクリートの充填状況、型枠内におけるコンクリートの締め固め状況を検知する用途への適用が可能である。

本発明の一実施の形態に係るコンクリート締め固め検知装置の構成を示すブロック図である。 図１のコンクリート締め固め検知装置に用いられるセンサ部の構成を示す断面図である。 図１のコンクリート締め固め検知装置におけるコンクリート締め固め検知を説明するための図で、（ａ）は締め固め前を、（ｂ）は締め固め後の状態を示す。 図１のコンクリート締め固め検知装置の測定結果の一例を示す図で、型枠内にコンクリートが無い場合の出力電圧波形図である。 図１のコンクリート締め固め検知装置の測定結果の一例を示す図で、型枠内にコンクリートが充填された場合の出力電圧波形図である。

符号の説明

１ 同期信号発生器
２ 可変周波数発振器
３、１１ 増幅器
４ 抵抗
５ センサ部
６ 差動増幅器
７ ４象限アナログ掛け算器
８ ローパスフィルタ
９ 第１判定部
１０ ブリッジ回路部
１０ａ ブリッジ電圧発生器
１２ 比較器
１３ 第２判定部

Claims (2)

1. 打設したコンクリートの型枠内に設置し、前記型枠内におけるコンクリートの充填状況及び締め固め状況を検知するため、ダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの外側面に設けられる圧電検出素子と、前記ダイヤフラムの内側面に設けられ、前記ダイヤフラムの外圧による変形を検出する歪検出素子とを装備してなる１個のセンサ手段を有し、
   前記コンクリートの充填状況の検知においては、前記センサ手段の圧電検出素子に周波数が経時的に変化する電気信号を印加して、前記型枠内のコンクリートが前記圧電検出素子に接触した際の周波数特性の変化を検出することで行い、
   前記コンクリートの締め固め状況の検知においては、前記センサ手段の歪検出素子の歪出力値の変化を検出することで行い、
   前記コンクリートの充填状況及び締め固め状況が１個の前記センサ手段で一度に検知可能であるコンクリート締め固め検知装置。
2. 前記センサ手段の歪検出素子の歪出力値と前記型枠内でコンクリートが締め固められた状態を基準として値が決定された基準値とを比較し、その比較結果に基づいてコンクリートの締め固め状況を判定してその結果を報知する判定手段を備える請求項１に記載のコンクリート締め固め検知装置。

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