JP4672496B2

JP4672496B2 - コンクリート劣化因子検出方法

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Publication number: JP4672496B2
Application number: JP2005270833A
Authority: JP
Inventors: 勝哉戸田; 孝男倉田; 千枝福岡; 啓吾高岡
Original assignee: IHI Infrastructure Systems Co Ltd
Current assignee: IHI Infrastructure Systems Co Ltd
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007078657A

Description

本発明は、コンクリート構造物の劣化因子を、分光分析法を用いて非破壊非接触に検出するコンクリート劣化因子検出方法に関するものである。

従来、コンクリート構造物の劣化部分を検出するには、コンクリート構造物の一部をサンプルとして採取して劣化要因となる成分（劣化因子）の種類と濃度を分析する方法が一般的であった。

一方、劣化因子濃度の検出を、劣化因子が吸収する波長帯を含む光を、測定対象とするコンクリート面に照射し、そのコンクリート面での反射光（散乱光）を受光し、特定の物質の反射光が劣化因子の濃度に依存して特定波長域で減衰する現象を利用した分光分析法を利用して、コンクリート構造物の劣化因子の濃度分布状況を非破壊・非接触的に検出する方法が提案されている。

この劣化因子検出方法では、コンクリートの劣化について化学的な分析をサンプルを採取することなく行うことができる。これにより、検査の簡略化、低コスト化を図ることができるといった利点がある。

金田尚志（東京大学生産技術研究所），石川幸宏（芝浦工業大学大学院），魚本健人（東京大学生産技術研究所）「コンクリート工学」vol.43，No3，p.37-44

しかしながら、大抵、ビルや橋梁等のコンクリート構造物の劣化診断は屋外で行われる。そのため、分光分析法によるコンクリート構造物の劣化診断では、日射（照度）、温度、湿度或いは風速といった環境的な影響因子が検出される吸光度に影響する。すなわち、測定機会ごとに検出される反射光の吸光度が、劣化因子による吸収以外の要因で変化する（検出バックグラウンドに揺らぎが生じる）可能性があり、コンクリート構造物に含まれる劣化因子の定量的な評価をすることが困難である。

さらに、このような影響因子は環境的なものだけではなく、その他に、骨材やセメントの種類、表面の凹凸、汚れや含水等といったコンクリート自体が有する影響因子もある。したがって、これらの影響因子により正確なコンクリートの劣化度（劣化因子の濃度に依存する反射光の吸光度）を測定することは困難である。

また、ビルや橋梁等のコンクリート構造物を測定する際には、その測定する面積が大きく、測定時間が大幅に掛かってしまう。例えば、道路橋や鉄道橋の劣化診断を行う際には、交通規制をして行うため、診断時間を短くすることが必要とされる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、コンクリートの劣化因子を正確にかつ高速に検出することができるコンクリート劣化因子検出方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、測定対象とする構造物のコンクリート面の劣化を光学的に検出する方法において、コンクリート面に赤外線を照射し、コンクリート面からの反射光を分光器に入力し、上記分光器にて、入力された反射光を回折格子で所定波長毎に分光し、上記回折格子で所定波長毎に分光された反射光を、プログラマブル回折格子で所定の波長帯毎に偏向して反射し、上記プログラマブル回折格子で偏向、反射された反射光を、アパチャで波長帯毎に通過／遮断して光検出器に到達させ、上記光検出器にて、特定の劣化因子を検出するための特定波長の光と、その特定波長の前後の上記劣化因子による吸収がない波長の光とを交互に検出して、上記特定の劣化因子を検出するための特定波長の光と上記劣化因子による吸収がない波長の光の光強度の差を検出し、上記光検出器で検出した光強度の差と、予め求めた上記光強度の差と上記劣化因子の濃度の関係を表す検量線とを基に、劣化因子の濃度を検出するコンクリート劣化因子検出方法である。

請求項２の発明は、測定対象とする構造物のコンクリート面の劣化を光学的に検出する方法において、コンクリート面に赤外線を照射し、コンクリート面からの反射光を分光器に入力すると共に、上記赤外線をレファレンス光として分光器に入力し、上記分光器にて、入力された反射光とレファレンス光とを回折格子で所定波長毎にそれぞれ分光し、上記回折格子で所定波長毎に分光された反射光を、反射光用プログラマブル回折格子で所定の波長帯毎に偏向して反射し、上記反射光用プログラマブル回折格子で偏向、反射された反射光を、反射光用アパチャで波長帯毎に通過／遮断して光検出器に到達させると共に、上記回折格子で所定波長毎に分光されたレファレンス光を、レファレンス光用プログラマブル回折格子で所定の波長帯毎に偏向して反射し、上記レファレンス光用プログラマブル回折格子で偏向、反射された反射光を、レファレンス光用アパチャで波長帯毎に通過／遮断して光検出器に到達させ、上記光検出器にて、反射光とレファレンス光を交互に検出して、特定の劣化因子を検出するための特定波長での反射光とレファレンス光の光強度の差を検出し、上記光検出器で検出した光強度の差と、予め求めた上記光強度の差と上記劣化因子の濃度の関係を表す検量線とを基に、劣化因子の濃度を検出するコンクリート劣化因子検出方法である。

請求項３の発明は、上記赤外線を出射する光源と、上記分光器と、コンクリート面からの反射光を順次分光器に入力するスキャニング装置を移動手段に搭載し、その移動手段をコンクリート面に沿って移動させながら、コンクリート面の上記劣化因子の濃度を検出する請求項１または２に記載のコンクリート劣化因子検出方法である。

請求項４の発明は、上記劣化因子の濃度を検出すると共に、コンクリート面の静止画または動画を撮影し、その撮影した静止画または動画と上記コンクリート面から検出される劣化因子の濃度とを照合して、コンクリート面の劣化部分の位置を特定する請求項３記載のコンクリート劣化因子検出方法である。

請求項５の発明は、波長1410ｎｍ、2390ｎｍ、或いは3980ｎｍ付近の上記光強度の差を求めて中性化因子の濃度を検出する請求項１〜４いずれかに記載のコンクリート劣化因子検出方法である。

請求項６の発明は、波長2260ｎｍ付近の上記光強度の差を求めて塩害因子の濃度を検出する請求項１〜５いずれかに記載のコンクリート劣化因子検出方法である。

請求項７の発明は、波長1410ｎｍ、1750ｎｍ付近の上記光強度の差を求めて硫酸塩因子の濃度を検出する請求項１〜６いずれかに記載のコンクリート劣化因子検出方法である。

本発明によれば、コンクリートの劣化因子を正確にかつ高速に検出することができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

分光分析法を用いたコンクリート劣化因子検出方法は、図１に示すように、測定対象とする構造物Ｋのコンクリート面Ｃに光Ｌを照射し、その反射光を測定して、コンクリート面Ｃの劣化を光学的に検出する方法である。

本実施の形態のコンクリート劣化因子検出方法では、コンクリートを劣化させる原因となる成分（劣化因子）として、例えば、塩害因子、中性化因子、硫酸塩因子等があり、それら劣化因子が赤外領域（特に近赤外〜中間赤外）に吸収ピークを有するので、その吸収ピークの吸光度から劣化因子の濃度を求める分光分析法を用いている。まず、本検出方法に用いる分光分析装置について説明する。

図２（ａ）に示すように、分光分析装置１０は、測定の対象となるコンクリート面Ｃに光を照射して、その反射光からコンクリート面Ｃにおける劣化因子等の２次元分布を計測するシステムであり、光源１１と、スキャニング装置１２と、マルチチャンネル分光器（以下、分光器）１４と、演算手段１５とを備える。

光源１１は、コンクリート面Ｃに光を照射する部材である。光源１１から出射される光（光源出射光）Ｌとしては、塩害因子、中性化因子、硫酸塩因子の劣化因子を検出するため、これらの劣化因子が吸収ピークを有する赤外線（特に、近赤外線〜中間赤外線）を含む光であればよい。

スキャニング装置１２は、分光器１４と光ファイバ１３を介して光学的に接続され、コンクリート面Ｃから反射された光のうち、コンクリート面Ｃ内に並ぶ複数の点のうち一点（計測点ｐ）からの反射光を順次分光器１４に取り込むものである。具体的には、図２（ｂ）に示すように、スキャニング装置１２は、ポリゴンミラー１６及びガルバノミラー１７を備えている。ポリゴンミラー１６は、回転軸の周囲に一連の平面ミラーを備えた回転多面体からなる偏向器であり、ガルバノミラー１７は、単一のミラーに軸を付け、電気信号に応じてミラーの回転角を変えられるようにした偏向器である。分光分析装置１０では、ポリゴンミラー１６が図２（ｂ）中紙面に垂直な軸を回転軸として回転して、コンクリート面Ｃを横方向（図２（ａ）中ｉ方向）に走査し、ガルバノミラー１７が図２（ｂ）中紙面に平行な軸を回動軸として回動して、コンクリート面Ｃを縦方向（図２（ａ）中ｊ方向）に走査するように構成している。

演算手段１５は、分光器１４に電気的に接続され、分光器１４から出力されるデータを演算処理するものである。

図３に示すように、分光器１４は、光ファイバ１３の他端側に光学的に接続され、光の伝搬方向上流側から、回折格子３１、光反射偏向手段３２、アパチャ３３、集光手段３４、光検出器３５の順に設けられてなる。

回折格子３１には、光ファイバ１３を経て出射された光Ｌ１が照射され、反射されると共に、各所定の波長ごとに分光される。ここで、光Ｌ１は、光源１１から出射された光がコンクリート面Ｃに照射され、そのコンクリート面Ｃで反射（或いは散乱）されてスキャニング装置１２から導かれてなるものである。

光反射偏向手段３２には、回折格子３１で分光された光Ｌ１が照射され、反射、偏向される。この光反射偏向手段３２は、後に詳述するが、分光された光Ｌ１を所定の波長ごとに掃引、変調するMEMSアクチュエータを有する。

アパチャ３３は、偏向された光Ｌ１の通過／遮断を行う遮光絞りである。偏向された光Ｌ１が、遮断体３３ａに照射されると伝搬遮断となる。また、偏向された光Ｌ１が、隣接する遮断体３３ａ間の開口部に向けて照射されると通過となる。遮断体３３ａの形状は、特に限定するものではなく、矩形状の他に、円形状であってもよい。開口部は、遮断体３３ａ自体に設けた溝（スリット）であってもよい。

集光手段３４は、分光器１４内で拡径した光を光検出器３５に集光させる部材であり、慣用の集光レンズを用いている。

光検出器３５は、集光手段３４によって集光された光Ｌ１を検出し、光Ｌ１の光強度を出力するものである。光検出器３５には、ＡＣアンプ等を介して演算手段（例えば、データ演算装置）１５が電気的に接続されており、演算手段１５は光検出器３５の出力値を記憶し、その出力値に基づいて、コンクリート面Ｃの二次元分布を算出する。

本実施の形態のコンクリート劣化因子検出方法について説明する。

まず、光源１１からコンクリート面Ｃに光Ｌを照射する。光源１１から照射された光Ｌは、コンクリート面Ｃで反射され、反射光Ｌ１として出射する。その際、スキャニング装置１２は、ポリゴンミラー１６及びガルバノミラー１７の角度を調整してコンクリート面Ｃ内の計測点ｐ（１，１）からの反射光Ｌ１を捉える。具体的には、光ファイバ１３に反射光Ｌ１が入射されるようポリゴンミラー１６及びガルバノミラー１７と反射光Ｌ１の光軸が合致するように光軸の調整がなされる。

スキャニング装置１２によって光軸の合わせられた反射光Ｌ１は光ファイバ１３を経由して分光器１４へ入射される。分光器１４内へ入射した光Ｌ１は回折格子３１で所定波長ごとの光に分光されて、光反射偏向手段３２へ向かう。

分光された反射光Ｌ１は光反射偏向手段３２で反射、偏向される。光反射偏向手段３２は、例えば、MEMS型プログラマブル回折格子であり、このMEMS型プログラマブル回折格子はMEMSアクチュエータを備える（以下、MEMSと称する）。MEMSに到達した光Ｌ１は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向されアパチャ３３へと向かう。この反射、偏向によって、反射光Ｌ１のうち、分光された各波長の光ごとに光強度が調整される。

例えば、図４（ａ）に示すように、MEMSは、基板４１上に静止電極４２ａ…４２ｎ（図４（ａ）中では４２ａのみ図示）が設けられ、各静止電極４２ａ…４２ｎと離間して移動電極４３ａ…４３ｎ（図４（ａ）中では４３ａのみ図示）を設けられたものである。各移動電極４３ａ…４３ｎは、各静止電極４２ａ…４２ｎに対して当接、離間自在（図４（ａ）中では上下方向移動自在）に設けられる。また、各移動電極４３ａ…４３ｎは、基板４１に設けられる脚部４４ａ，４４ｂと、電極本体部（ミラー部）４５と、一端が脚部４４ａ，４４ｂに固定して設けられ、他端が電極本体部４５を吊設するフレキシブル接続部４６ａ，４６ｂとを有している。フレキシブル接続部４６ａ，４６ｂの厚さＤ１は、電極本体部４５の厚さＤ２よりも薄く（例えば、約１／３）形成しておくことで、フレキシブル接続部４６ａ，４６ｂは自在に屈曲される。電極本体部４５は剛直で、屈曲しない。各静止電極４２ａ…４２ｎは、それぞれが制御手段（例えば、コンピュータ（図示せず））に独立して接続されている。

各静止電極４２ａ…４２ｎと各移動電極４３ａ…４３ｎ間の電圧（電位差）を、制御手段によりそれぞれ制御することで、各移動電極４３ａ…４３ｎを独立させて駆動させることができる。その結果、各静止電極４２ａ…４２ｎと各移動電極４３ａ…４３ｎ間の離間距離Ｈ１…Ｈｎ（図４（ａ）中ではＨ１のみ図示）を、それぞれ無段階に自在に調節することができる。電圧と離間距離Ｈ１…Ｈｎとの関係は予め検量線を作成しておき、この検量線に基づいて、離間距離Ｈ１…Ｈｎを調節する。このように、静止電極と移動電極の各離間距離Ｈ１…Ｈｎを、それぞれ無段階に自在に調節することができる。また、MEMSは、各移動電極４３ａ…４３ｎが並ぶ方向と回折格子３１の溝が並ぶ方向とが平行になるよう配置され、回折格子３１で分光された光Ｌ１のうち、それぞれ波長の異なる光がそれぞれ異なる移動電極にて反射される。したがって、アパチャ３３を通過する光の強度を波長帯ごとに調節することができる。また、MEMSの各移動電極４３ａ…４３ｎの制御は、高速で、かつ、制御手段によって同期させて行われる。

具体的には、図４（ｂ）に示すように、全ての移動電極４３ａ…４３ｎを動かさず、静止電極４２ａ…４２ｎから離間させたままとすることで（全ＯＮ時）、アパチャ２３において、全ての波長帯の光（図４（ｂ）中では光４９ａ〜４９ｃ）が全て通過する。また、図４（ｃ）に示すように、全ての移動電極４３ａ…４３ｎを静止電極４２ａ…４２ｎと当接させることで（全ＯＦＦ時）、全ての波長帯の光（図４（ｃ）中では光４９ａ〜４９ｃ）がアパチャ３３間で遮断される。また、図４（ｄ）に示すように、移動電極４３ａ…４３ｎの一部を静止電極４２ａ…４２ｎと当接又は近接させ、残部の移動電極４３ａ…４３ｎを動かさず、離間させたままとすることで（光強度調整時）、当接又は近接させる静止電極と対応したある波長帯の光（図４（ｄ）中では光４９ｂ，４９ｃ）だけが、光強度を調整されてアパチャ３３を通過する。当接させたままの静止電極と対応したある波長帯の光（図４（ｄ）中では光４９ａ）は、アパチャ３３で遮断される。

アパチャ３３を通過した光Ｌ１は集光手段３４に入射する。集光手段３４に入射した光Ｌ１は、集光してMEMSの移動電極の上下により選択された所定の波長帯ごとの光が光検出器３５で受光される。受光された光Ｌ１は、演算手段１５に電気信号として出力される。演算手段１５では、この光Ｌ１に基づく電気信号から、コンクリート面Ｃの劣化因子に基づく吸光度が算出される。

ここで、劣化因子に基づく吸光度の求め方について説明する。

コンクリート面Ｃに光強度Ｉ０の光Ｌを照射し、反射させることで、光Ｌの一部の波長バンドがコンクリート面Ｃ内の劣化因子により吸光され、光強度Ｉ１の反射光Ｌ１として出射される。

この時、光源出射光Ｌと反射光Ｌ１との間には、
Ｌ１（λ）＝Ｌ（λ）×Ｔ（λ）
ここで、Ｔ（λ）は反射率
の関係が成り立つ。反射率Ｔ（λ）が小さい程Ｌ１（λ）の光強度は減衰し、光強度が減衰された波長帯から劣化因子の種類が、吸光度から劣化因子の濃度がわかる。ここで、一般的には、吸光度とは、光源出射光Ｌの光強度と反射光Ｌ１の光強度との比を対数で表したものと定義されているが、本明細書では、劣化因子により吸収された光強度（すなわち、図７（ａ）における光強度Ａ，Ｃの差ΔＩ）を、吸光度と呼称することとする。

本実施の形態では、コンクリート構造物の中性化による劣化を診断するために、反射光Ｌ１の波長1410ｎｍ，2390ｎｍ、或いは3980ｎｍ付近の波長帯の吸光度を計測する。なぜなら、CaCO₃等の中性化因子はこれらの波長に吸収ピークを有するためである。

また、コンクリート構造物の塩害（塩化物イオンの浸透による劣化）を診断する場合、塩害因子は、波長2260ｎｍ付近に吸収ピークを有するため、反射光Ｌ１の波長2260ｎｍ付近の波長帯の吸光度を計測する。

同様に、コンクリート構造物の硫酸塩による劣化を診断する場合、硫酸塩因子は、波長1410ｎｍ、或いは1750ｎｍ付近に吸収ピークを有するため、反射光Ｌ１の波長1410ｎｍ、或いは1750ｎｍ付近の波長帯の吸光度を計測する。

例えば、図５に示すように反射光Ｌ１の吸収スペクトル５０は、波長1410ｎｍ付近に吸収ピーク５１と波長2260ｎｍ付近に吸収ピーク５２が存在する。吸収スペクトル５０を得ることにより、吸収ピーク５１の吸光度から中性化因子の濃度を計測でき、吸収ピーク５２の吸光度から塩害因子の濃度を計測される。

一般に、特定波長付近の吸光度を得るには、吸収スペクトル５０を検出し、そのスペクトル５０から特定波長の吸光度を求める。しかし、コンクリートの劣化診断では、劣化因子の濃度測定に必要な吸収ピーク波長付近の吸光度さえ得られれば診断できる。

そこで、本実施の形態の検出方法では、図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、分光器１４で反射光Ｌ１の吸光スペクトルから特定の劣化因子を検出するための特定の波長に基づく吸光度を抽出しており、その検出方法について説明する。

まず、予め任意の光を分光器に入射させる。分光器１４内では、入射した光は、回折格子３１で分光され、分光された各光は波長毎に回折角が異なり、MEMSに到達する際に、それぞれ異なる移動電極４３ａ…４３ｎで反射される。したがって、分光器１４に導入された光の波長と移動電極４３ａ…４３ｎの位置との関係、すなわち、劣化因子の吸収ピークの波長に対応した移動電極の位置を知ることができる。

次に、コンクリート面Ｃで反射した反射光Ｌ１を分光器１４に入力し、計測対象とする劣化因子が有する吸収ピークの波長に対応した移動電極のみをＯＮにし、他の移動電極をＯＦＦにする。これにより、ＯＦＦの移動電極で反射された光は、アパチャ３３で遮断され、ＯＮの移動電極で反射された光のみが光検出器に到達する。

各移動電極４３ａ…４３ｎを制御することで、所定波長の光の光強度を選択的に計測することができる。この特徴を利用して、図６（ａ）に示すような反射光Ｌ１の吸収スペクトル６０から、それぞれ特定波長のみのスペクトル（吸収ピークの光強度）６１だけを抽出して検出することができる。具体的には、特定波長のスペクトル６１の波長付近に対応した移動電極のみをＯＮにし、残りの移動電極を全てＯＦＦにする。光検出器３５では、ＯＮの移動電極で反射された光のみが検出される。光検出器３５は順次１つの移動電極で反射した光を検出するために、高速でＯＮにする移動電極を順次切り換えている。

さらに、本実施の形態では、図６（ｃ）に示すように、吸収ピーク波長の光強度６１を抽出すると共に、その光強度６１から劣化因子以外の影響因子に基づく光強度分を補正して劣化因子分に基づく吸光度を検出しており、その具体的な検出方法について説明する。

図７（ａ）に示すように、分光器に導入された反射光Ｌ１の波長−光強度特性（スペクトル）がスペクトル線７０であるとする。スペクトル線７０では、反射光Ｌ１の吸光度は、波長λｃにおける光強度Ｃと光強度Ａとの差ΔＩで表され、波長λｂ、λｄでは劣化因子による吸収がないとする。ところで、光強度Ｉ０は影響因子により一定とは限らず、Ｉ０が変化するとＩ１も変化してしまい、波長λｃの吸光度を安定して計測できない（計測するごとに吸光度が変わってしまう）。また、差分ΔＩの値がＩ０に比べて非常に小さい場合、Ｉ０の誤差に埋もれてしまう。

そこで、劣化因子分の絶対量を計測するべく、波長λｃの光強度Ｃと同じ波長λｃの光強度Ａとの差分ΔＩを求めてその差分から吸光度を求める（なお、ここでいう吸光度とはΔＩそのものである）。これにより、光強度Ｉ０の大きさに関係なく劣化因子分の絶対量を計測することができる。ただし、光強度Ａは検出することができないので、波長λｃの近傍の波長λｄの光強度Ｄを光強度Ａの代わりとする。

具体的には、図７（ｂ）に示すように、分光器１４では、光反射偏向手段（MEMS）３２の移動電極４３ｃをＯＮにしたとき、波長λｃの光強度Ｃを計測し、移動電極４３ｄをＯＮにしたとき、波長λｃ近傍の波長λｄの光強度Ｄを計測するようにする。各移動電極４３ａ〜４３ｎは、数十ｋHzといった非常に高速で制御することができるので、移動電極λｃ及びλｄを交互に上下させることで、略同時刻の波長λｃ及びλｄの光強度の差を検出することができる。すなわち、影響因子が共に等しいときの光強度の差を計測しているので、正確な吸光度を検出することができる。また、光Ｌの揺らぎや環境の変化等に起因する光強度の時間的変化による誤差もなく吸光度を検出することができる。

図７（ａ）に示すスペクトル７０とは異なり、図８に示すスペクトル８０のように、吸収ピークの前後で基準（ベース）となる光強度が異なる場合には、スペクトル８０の吸光度の絶対値の検出は、波長λｂ及びλｄの光強度Ｂ、Ｄをそれぞれ検出し、それら光強度Ｂ、Ｄを結んだ直線をベースライン８１とし、波長λｃでの光強度Ｃとλｃのベースライン８１上の光強度Ａとの差分を求め、その差分から劣化因子分による吸光度を求めている。

さらに、求めた吸光度を劣化因子濃度に換算する。その換算方法は、予め吸収のある波長における劣化因子濃度と吸光度の関係が既知である検量線を作成し、その検量線から求めて方法であり、以下、中性化劣化因子の一種であるCaCO₃を例にして説明する。

図９はCaCO₃の吸光度（ΔＩ）と波長との関係（以下、吸収スペクトルという）をそれぞれ濃度別に示したものである。図９に示すように、波長1410ｎｍ，2390ｎｍ及び3980ｎｍ付近に吸収ピーク（図中、９１，９２，９３）が存在する。この3980ｎｍ付近の吸収スペクトルの拡大図を図１０に示す。図１０に示すように、各スペクトル線１０１、１０２…１０７はそれぞれ濃度2%，4%，6%，8%，10%，15%，20%，のときの吸収スペクトルを表している。これによれば、濃度2％のときピーク時の吸光度が最小となり、濃度が増える毎にピーク時の吸光度が略等間隔で大きくなり、濃度20%の時ピーク時の吸光度が最大になっているのがわかる。この濃度と吸光度との関係を図１１に示す。図１１に示すように、濃度が2%の時吸光度が最小で、濃度が高くなるにつれて徐々に吸光度が大きくなり、濃度20%の時最大となっている。この関係がCaCO₃の吸収ピーク波長3980ｎｍにおける吸光度からCaCO₃の濃度に換算する検量線となり、図１１の検量線と、劣化因子濃度が未知である反射光Ｌ１の吸光度とを比較して、劣化因子の濃度（絶対量）を求める。

同様に、塩害劣化因子分析としてNaClやAlCl₃等、硫酸塩劣化因子分析としてBaSO₄、CaSO₄等の濃度を求める場合にも、それぞれ劣化因子毎に検量線を予め作成しておき、各劣化因子の吸収ピーク波長における吸光度を計測し、その吸光度と検量線から劣化因子濃度を求めることができる。

本検出方法によれば、特定の劣化因子を検出するための光強度を抽出し、その抽出した光強度から、劣化因子以外の影響因子に基づく光強度分を補正してから劣化因子分による吸光度を得て、その吸光度から劣化因子の濃度を求めているので、検出バックグランドのばらつきに依存しない劣化因子の絶対量を得ることができ、その絶対量により定量的な劣化診断をすることができる。

また、本検出方法は、MEMSを用いて反射光Ｌ１の各波長の光強度を高速に制御しているので、計測点一点における計測を非常に速く行うことができる。よって、コンクリート面Ｃ上を高速スキャニングすることで面的に劣化因子の計測を行うことができ、大面積のコンクリート面を短時間で診断することができる。

次に、第二の実施形態のコンクリート劣化因子検出方法について説明する。

前実施の形態では、１つの光反射偏向手段３２を用い、隣接する移動電極４３ｃ，４３ｄを交互に可動させることにより吸光度を計測したが、本実施の形態は、分光器内にリファレンス光を導入し、そのリファレンス光の光強度を基準に吸光度を計測する方法である。

図１２に示すように、本検出方法に用いる分光分析装置は、分光器１２０内にリファレンス光Ｌ２を導入させるための基準光ファイバ１２１を光ファイバ１３と平行に設け、それぞれ光反射偏向手段３２，１２２及びアパチャ３３，１２３（反射光用アパチャ３３、レファレンス光用アパチャ１２３）をそれぞれ２段に平行に設け、集光手段として、集光レンズの代わりにプルーフプリズム１２４を設けた。基準光ファイバ１２１の他端は、光源１１の出射側近傍に配置され、光源からの光Ｌが直接基準光ファイバ１２１に入射するようにしている。ここで、反射光Ｌ１側の光反射偏向手段３２の備えるMEMSをMEMS１（反射光用プログラマブル回折格子）とし、リファレンス光Ｌ２側の光反射偏光手段１２２の備えるMEMSをMEMS２（レファレンス光用プログラマブル回折格子）とする。

例えば、図１３に、光源出射光Ｉ０及びコンクリート面Ｃでの反射光Ｉ１の各スペクトル１３１，１３２を示す。入射光Ｉ０は、ある一定の波長域で光強度がＰ１である。これに対して、出射光Ｉ１は、ある一定の波長域で光強度がＰ２（＜Ｐ１）であり、かつ、波長域λ１〜λ３（中心波長λ２）の範囲において光強度が減衰しており、波長λ２の時に光強度が最小（Ｐ３）となっている。Ｐ１は前述の式のＬ（λ）、Ｐ２は前述の式のＬ１（λ）に相当している。また、波長域λ１〜λ３（中心波長λ２）において、波長域から劣化因子の種類、光強度の差分ΔＰａ（＝Ｐ２−Ｐ３）から求めた吸光度から劣化因子の濃度がわかる。

ところで、光源から出射される光（入射光Ｉ０）の光強度が常に一定であれば、最初に入射光Ｉ０の光強度を測定しておくことで、常に正確に劣化因子検出を行うことができる。しかし、入射光Ｉ０の光強度は、周囲の気温の変化など環境的な影響因子等に応じて変動する。

そこで、本実施の形態のコンクリート劣化因子検出方法では、反射光Ｌ１の参照対象であるレファレンス光Ｌ２を、光源１１から直接、分光器１２０に導入し、コンクリート面Ｃからの反射光Ｌ１に基づく特定波長の光強度と光源出射光Ｌに基づく特定波長の光強度との差分を計測し、その差分から劣化因子の絶対量を測定する。この方法で測定されたリファレンス光Ｌ２の光強度を、常時、反射光Ｌ１の入射光Ｉ０の光強度としてフィードバックすることで、常に精度良く劣化因子検出を行うことができる。

具体的には、先ず、光源１１から光を出射し、反射光Ｌ１及びリファレンス光Ｌ２の各波長ごとのスペクトルの差を光検出器３５からＡＣ出力する。この時、各ＡＣ出力がゼロとなるように、MEMS２の各移動電極４３ａ…４３ｎを調節し、この状態をMEMSデータ１として記憶させておく。

その後、この状態で、光源１１から光強度Ｉ０の光を出射し、コンクリート面Ｃの反射光Ｌ１及び光源１１からの出射光Ｌ（リファレンス光Ｌ２）を分光器１２０に導入し、分光器１２０内で、各波長ごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２を、MEMS１，MEMS２で反射、偏向させる。MEMS１，MEMS２は、各波長ごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２が光検出器３５に達するように、各光Ｌ１，Ｌ２を反射、偏向させる。この時、MEMS１，MEMS２は、各光Ｌ１，Ｌ２の各スペクトルが交互に光検出器３５で検出されるべく、それぞれ制御手段により同期させて制御される。また、光Ｌ２が光検出器３５に達するように光Ｌ２をMEMS２で反射、偏向させる際、MEMS２は予め記憶しておいたMEMSデータ１の状態に制御される。

一方、光源１１から出射される光Ｌの光強度は、周囲の気温の変化など環境的な影響因子により変動する。しかし、光強度がＩ０からＩ０′に変動した場合でも、参照光Ｌ２は、MEMSデータ１の状態に調節されたMEMS２で反射、偏向される。その後、光検出器３５で、光強度Ｉ０′の参照光Ｌ２に対応した各光スペクトルを検出し、この新たな検出値と、光強度Ｉ０の参照光Ｌ２に対応した各光スペクトルとを比較することで、光強度の変動量が求められる。この光強度の変動量から新たな光強度Ｉ０′が決定され、この新たな光強度Ｉ０′は、即座に反射光Ｌ１の光強度Ｉ０′としてフィードバックされる。

本実施の形態の分光器１２０においては、実際にコンクリート面Ｃに照射される光Ｌの一部を参照光Ｌ２として、常時、反射光Ｌ１の入射光Ｉ０の光強度としてフィードバックしている。よって、常に光強度の変動を検出でき、常に吸光度の絶対値の計測を行うことができる。

また、屋外で劣化診断を行う際に、日射等の影響により光源出射光の光強度（例えば、図９中、光源出射光Ｉ０）が急上昇してしまう場合がある。これにより、出射光の光強度が、光検出器のダイナミックレンジ（ダイナミックレンジとは、測定できる最も小さい値と測定できる最も大きい値との比）を超えて測定不可能となってしまうことがある。

しかしながら、本検出方法では、MEMS１及びMEMS２の移動電極を上下させて検出する光強度を変調し、反射光Ｌ１の光強度とリファレンス光Ｌ２の光強度との差分を反射光の吸光度として出力している。したがって、光源出射光Ｉ０の光強度に関係なく、正確な反射光Ｌ１の吸光度を得ることができる。

次に、第三の実施の形態のコンクリート劣化因子検出方法について説明する。

図１４に示すように、本実施の形態で用いる分光器１４０の基本的な構成は、図１２に示した分光器１２０と同じである。図１４の分光器１４０が、図１２の分光器１２０と異なる点は、アパチャ３３とプルーフプリズム１２４との間に第２回折格子１４１を設け、各MEMS３２，１２２に制御演算手段１４２を接続した点である。

第２回折格子１４１としては、回折格子３１と同じものが使用可能である。第２回折格子１４１により、各波長帯ごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２が、単一光（白色光）に集光される。

制御演算手段１４２は、各MEMS３２，１２２の制御手段としての機能と、図２に示した光検出器３５に接続された演算手段１５としての機能を併せ持つものである。制御手段としての機能部と演算手段としての機能部は、一体に設けてもよく、又はそれぞれ別体に設けてもよい。

次に、第三の実施の形態のコンクリート劣化因子検出方法を、添付図面に基づいて説明する。

本検出方法は、基本的に図１２で説明した前実施の形態のコンクリート劣化因子検出方法と同じであるが、劣化因子濃度を演算する手法が異なる。本検出方法は、１つの波長帯に２種以上の劣化因子による吸収ピークが存在する（重なっている）吸収スペクトルから劣化因子濃度を検出する際に、特に有効である。

光源１１から出射され、コンクリート面Ｃで反射して光強度がＩ１に減衰された反射光Ｌ１と、光源から出射された光の一部が光ファイバから入射されたリファレンス光Ｌ２とが分光器に導入され、反射光Ｌ１及びリファレンス光Ｌ２が回折格子２１波長ごとのスペクトルに分光されて、それぞれMEMS１，MEMS２に向かって反射される。

分光されたサンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、上下二段に配置された２つの光反射偏向手段３２，１２２で反射、偏向される。光反射偏向手段３２，１２２におけるMEMS１，MEMS２に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向される。

ここで、MEMS１における反射、偏向は、以下に示す（１）式の演算結果に基づいてなされる。

ｙ＝ΔＩ₁（１）ｂ₁（１）＋ΔＩ₂（２）ｂ₂（２）＋…
＝ΣΔＩ（λ）・ｂ（λ）（１）
ここで、ｙは劣化因子の濃度、ΔＩ（λ）は反射光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の各波長ごとの光強度差、ｂ（λ）は、濃度算出用のスペクトルである。濃度算出用スペクトルｂとは、例えば、各成分（劣化因子）の組成比が異なるコンクリート材料から各吸収スペクトルを計測してデータベースを作成し、コンクリートに含まれる各成分が互いに干渉しない最適なパラメータモデルを演算して求められ、計測対象とする劣化因子の濃度が他の劣化因子の濃度に依存せずに得られる検量スペクトルである。

具体的には、(1)式の演算内容と同じことが、MEMS１において光学的に行われる。この時、濃度算出用スペクトルｂと同じ割合となるように、MEMS１の各移動電極４３ａ…４３ｎを調節して、アパチャ３３を通過する光強度を制御し、波長帯ごとのスペクトルに分光された反射光Ｌ１を、各波長帯ごとに反射率を変えて反射、偏向させる。すなわち、MEMS１において、分光された反射光Ｌ１の反射率の制御を波長帯ごとに行って、反射光Ｌ１の波長帯ごとのスペクトルに、予め作製しておいた濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、この状態で分光された反射光Ｌ１を反射、偏向させる。

MEMS１，MEMS２において、所定の角度範囲で高速で反射、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２は、交互にアパチャ３３，１２３へと向かう。アパチャ３３，１２３間を交互に通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、第２回折格子１４３で集光される。この集光によって、各光Ｌ１，Ｌ２の全波長バンドのスペクトルがまとめられる（足し合わされる）。

その後、集光された各光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれプルーフプリズム１２４で屈折させられ、波長バンドごとのスペクトルが光検出器３５に達するように出射される。

プルーフプリズム１２４を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に検出器１４５で受光される。検出器１４５でそれぞれ受光、検出されるのは、各光Ｌ１，Ｌ２の全波長バンドにおける光量の総和である。よって、光検出器１４５からの出力が、そのまま検出対象とする劣化因子の濃度となる。

多種類の成分の劣化因子を検出する場合、各成分（成分ｃ１、成分ｃ２、…、成分ｃｎ）の濃度演算をシーケンシャルに行う。具体的には、先ず、MEMS１において、反射光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃ１の濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃ１の濃度を光検出器から出力する。次に、MEMS１において、反射光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃ２の濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃ２の濃度演算を光検出器３５から出力する。

順次、各劣化因子毎にMEMS１を制御しながら劣化因子の濃度の計測を繰り返し、最後に、MEMS１において、反射光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃｎの濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃｎの濃度演算を検出器３５から出力する。

本検出方法では、MEMS１の各移動電極４３ａ…４３ｎに予め回帰分析等で解析して得られた濃度算出用スペクトルｂを反映させることで、１つの波長帯に２種以上の劣化因子による吸収ピークが存在する（重なっている）吸収スペクトルから正確な劣化因子濃度を検出することができる。

次に、第四の好適な実施の形態のコンクリート劣化因子検出方法について説明する。

本検出方法は、大面積のコンクリート面Ｃ’の劣化因子検出を検出する際に用いる方法である。コンクリート面Ｃ’は、道路橋、鉄道橋、道路沿いに設けられたコンクリート壁等、長いコンクリート構造物の測定対象面である。すなわち、コンクリート面Ｃ’は、一箇所に固定された分光分析装置では、測定対象とする面を走査しきれない程度に大面積なものである。

図１５に示すように、本検出方法では、分光分析装置１０を車等の移動手段１５０に搭載する。分光分析装置１０は、コンクリート面Ｃ’に対して、コンクリート面Ｃ’での反射光（散乱光）を受光できる程度の距離以内に設けられ、移動手段１５０にて分光分析装置１０をコンクリート面Ｃ’に沿って移動させながら、コンクリート面Ｃ’の劣化因子を検出する。

例えば、コンクリート面Ｃ’を少なくとも縦方向（図中ｊ方向）に走査できるスキャニング装置１２を用いて、コンクリート面Ｃ’の一点から縦方向に順次反射光Ｌ１を取り込む。反射光Ｌ１を受光すると、上述第一から第三いずれかの実施の形態の劣化因子検出方法を用いて、各点の劣化因子の濃度を出力する。

スキャニング装置１２は、コンクリート面Ｃ’の縦方向を走査し終えると、再び始めに測定した点に光軸を合わせる。ただし、分光分析装置１０は、横方向（図中ｉ方向）に移動しているので、隣りの計測点に光軸が合わさり、再び縦方向に順次劣化因子の計測を行う。

このように、スキャニング装置１２が一方向を走査すると共に、移動手段１５０により分光分析装置１０がスキャニング装置１２の駆動による走査方向と垂直方向に移動しているので、コンクリート面Ｃ’全体の劣化因子の検出を行うことができる。

本検出方法は、分光器１４が、MEMSにより高速に波長の掃引、変調を行い、劣化因子分の光強度（吸光度）を直接ＡＣ出力しているので、計測点１点における検出速度が非常に高速で行うことができるために、移動手段１５０の速度に関係なく実施することができるものである。

すなわち、自動車等の移動手段１５０の移動速度に対して、コンクリート面Ｃ’の縦方向の検出速度（計測点の走査速度）が非常に速く、分光分析装置１０による走査が縦方向の走査線Ｓのように捉えられ、この走査線Ｓが移動手段１５０により横方向に移動して、コンクリート面Ｃ’を面的に検査することができる。

本検出方法によれば、短時間で大面積のコンクリート面Ｃ’の劣化診断を行うことができるので、道路橋や鉄道橋等のコンクリート劣化診断をする際に要する交通規制の時間短縮を図ることができる。

さらに、本検出方法は、分光器内の吸光度の計測に関しては、上述の第一から第三いずれかの実施の形態の劣化因子検出方法と同様に行っており、検出バックグラウンドを除去した劣化因子分の絶対値を計測することができる。

本実施の形態では、道路橋等、地上方向に長いコンクリート構造物の劣化因子検出方法について説明したが、ビル等、鉛直方向に長いコンクリート構造物の劣化因子の検出にも適用できる。

本検出方法における劣化部分の位置の特定は、移動手段１５０でコンクリート面Ｃ’に沿って移動している間、コンクリート面Ｃ’の劣化部分を検出（所定濃度以上の劣化因子を検出）した時、コンクリート面Ｃ’に劣化部分の位置を表すマーカを付け、劣化部分の位置を特定する。

また、コンクリート面Ｃ’の劣化因子を検出すると共に、コンクリート面の静止画または動画を撮影し、その撮影した静止画または動画と上記コンクリート面から検出される劣化因子部分とを照合して、コンクリート面Ｃ’の劣化部分の位置を特定してもよい。この照合は、所定濃度以上の劣化因子を検出した時に、劣化部分の写真を時間と共に記録して照合してもよく、或いは、劣化因子検出と共にビデオカメラ等でコンクリート面Ｃ’を撮影して照合してもよい。

一般的なコンクリート劣化因子検出方法を説明する図である。（ａ）は、本発明に係るコンクリート劣化因子検出方法の好適な一実施形態に用いる分光分析装置の構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）中のスキャニング装置の概略図である。図２の分光器を示す透明斜視図である。 MEMSアクチュエータの概略図である。（ａ）は横断面図、図４（ｂ）は全ON時のモデル図、（ｃ）は全OFF時のモデル図、（ｄ）は光強度調整時のモデル図である。コンクリート面のスペクトルを示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態のコンクリート劣化因子検出方法の概念を説明するスペクトルを示す図である。吸光度の計測方法を説明する図であり、（ａ）は、吸収スペクトルの例を示す図であり、（ｂ）はMEMSアクチュエータの可動方法を説明する図である。吸光度の計測方法の変形例を説明する図である。 CaCO₃の濃度毎の吸収スペクトルを示す図である。図９の吸光度スペクトルの波長3.8μｍ付近の吸収ピークを示す図である。波長3.98μｍの吸光度とCaCO₃の濃度の関係を示す図である。コンクリート劣化因子検出方法の好適な第二の実施の形態に用いる分光器を示す透明斜視図である。図１２の分光器を用いた吸光度の計測方法を説明する図である。コンクリート劣化因子検出方法の好適な第三の実施の形態に用いる分光器を示す透明斜視図である。コンクリート劣化因子検出方法の好適な第四の実施の形態を示す模式図である。

符号の説明

１０分光分析装置
１１光源
１２スキャニング装置
１４分光器
１５演算手段
３１回折格子
３２光反射偏向手段（MEMS）
３５光検出器

Claims

測定対象とする構造物のコンクリート面の劣化を光学的に検出する方法において、
コンクリート面に赤外線を照射し、
コンクリート面からの反射光を分光器に入力し、
上記分光器にて、入力された反射光を回折格子で所定波長毎に分光し、
上記回折格子で所定波長毎に分光された反射光を、プログラマブル回折格子で所定の波長帯毎に偏向して反射し、
上記プログラマブル回折格子で偏向、反射された反射光を、アパチャで波長帯毎に通過／遮断して光検出器に到達させ、
上記光検出器にて、特定の劣化因子を検出するための特定波長の光と、その特定波長の前後の上記劣化因子による吸収がない波長の光とを交互に検出して、上記特定の劣化因子を検出するための特定波長の光と上記劣化因子による吸収がない波長の光の光強度の差を検出し、
上記光検出器で検出した光強度の差と、予め求めた上記光強度の差と上記劣化因子の濃度の関係を表す検量線とを基に、劣化因子の濃度を検出することを特徴とするコンクリート劣化因子検出方法。
測定対象とする構造物のコンクリート面の劣化を光学的に検出する方法において、
コンクリート面に赤外線を照射し、
コンクリート面からの反射光を分光器に入力すると共に、上記赤外線をレファレンス光として分光器に入力し、
上記分光器にて、入力された反射光とレファレンス光とを回折格子で所定波長毎にそれぞれ分光し、
上記回折格子で所定波長毎に分光された反射光を、反射光用プログラマブル回折格子で所定の波長帯毎に偏向して反射し、上記反射光用プログラマブル回折格子で偏向、反射された反射光を、反射光用アパチャで波長帯毎に通過／遮断して光検出器に到達させると共に、
上記回折格子で所定波長毎に分光されたレファレンス光を、レファレンス光用プログラマブル回折格子で所定の波長帯毎に偏向して反射し、上記レファレンス光用プログラマブル回折格子で偏向、反射された反射光を、レファレンス光用アパチャで波長帯毎に通過／遮断して光検出器に到達させ、
上記光検出器にて、反射光とレファレンス光を交互に検出して、特定の劣化因子を検出するための特定波長での反射光とレファレンス光の光強度の差を検出し、
上記光検出器で検出した光強度の差と、予め求めた上記光強度の差と上記劣化因子の濃度の関係を表す検量線とを基に、劣化因子の濃度を検出することを特徴とするコンクリート劣化因子検出方法。
上記赤外線を出射する光源と、上記分光器と、コンクリート面からの反射光を順次分光器に入力するスキャニング装置を移動手段に搭載し、その移動手段をコンクリート面に沿って移動させながら、コンクリート面の上記劣化因子の濃度を検出する請求項１または２に記載のコンクリート劣化因子検出方法。
上記劣化因子の濃度を検出すると共に、コンクリート面の静止画または動画を撮影し、その撮影した静止画または動画と上記コンクリート面から検出される劣化因子の濃度とを照合して、コンクリート面の劣化部分の位置を特定する請求項３記載のコンクリート劣化因子検出方法。
波長1410ｎｍ、2390ｎｍ、或いは3980ｎｍ付近の上記光強度の差を求めて中性化因子の濃度を検出する請求項１〜４いずれかに記載のコンクリート劣化因子検出方法。
波長2260ｎｍ付近の上記光強度の差を求めて塩害因子の濃度を検出する請求項１〜５いずれかに記載のコンクリート劣化因子検出方法。
波長1410ｎｍ、1750ｎｍ付近の上記光強度の差を求めて硫酸塩因子の濃度を検出する請求項１〜６いずれかに記載のコンクリート劣化因子検出方法。