JP5083694B2

JP5083694B2 - 非破壊診断方法

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Publication number: JP5083694B2
Application number: JP2008319011A
Authority: JP
Inventors: 康之長岡; 秀雄三輪; 雅則高鍋; 優介堀江; 光男橋本
Original assignee: 株式会社アミック
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP2010139492A

Description

本発明は、鉄筋コンクリート構造物を診断する非破壊診断方法に関する。

近年、トンネル、橋梁、建物、ダムなどの各種鉄筋コンクリート構造物を非破壊で診断することが社会的に重要視されている。そこで、我々は、非破壊でコンクリート強度や手鉄筋の位置を測定することができる、電磁パルスによる音響診断技術を開発してきた（例えば特許文献１及び２）。この音響診断技術では、鉄筋コンクリート構造物に対して電磁パルスを照射し、鉄筋コンクリート中の鉄筋を励振し、その音響を鉄筋コンクリート構造物表面で検出している。

国際公開ＷＯ０２／４０９５９号公報特開２００４−１２５６７４号公報

しかし、鉄筋コンクリート構造物中における鉄筋の音響を検出しても、その検出波形をどのように解析すれば鉄筋の腐食度合いを精度良く簡便に求められるかについては明らかになっていない。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、簡便に精度良く、鉄筋コンクリート構造物中の鉄筋の腐食度合いを診断する非破壊診断方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、一方向に鉄筋が埋設された鉄筋コンクリート構造物表面から照射素子により電磁パルスを照射してその鉄筋を励振し、その鉄筋を音源とする音響を鉄筋コンクリート構造物表面で検出素子により受信し、受信波形を解析する非破壊診断方法において、照射素子を鉄筋コンクリート構造物表面上で上記鉄筋が埋設されている位置に配置し、照射素子と検出素子との位置関係を保ちながら照射素子及び検出素子を鉄筋コンクリート構造物表面上で鉄筋の埋設方向に沿って順次移動して、照射素子により電磁パルスを照射しつつ検出素子により音響を受信し、各受信波形をフーリエ変換してスペクトラムを求め、各スペクトラムを低周波成分と高周波成分とに分離し、低周波成分と高周波成分との面積比のばらつきの度合いからコンクリートのひび割れが生じていない状態での鉄筋の腐食を診断することを特徴とする。
特に、鉄筋の腐食度を判定するための基準として、スペクトラムにおける低周波成分と高周波成分との面積比−鉄筋腐食度との関係を参照データとして準備しておき、この参照データとの比較から、鉄筋の腐食度を診断するとよい。

本発明によれば、鉄筋コンクリート構造物中の鉄筋を励振しコンクリート表面に到達する音響を電気信号として受信し、この信号を周波数変換し、スペクトラムのうち低周波成分と高周波成分とを分離し、それらの面積比から鉄筋の腐食度合いを判定する。よって、熟練者でなくても、容易に鉄筋の腐食を判定することができる。

図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は特許請求の範囲に記載した発明の範囲において適宜変更して実施することができることはいうまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係る非破壊診断装置１を模式的に示す図である。
本発明の実施形態に係る非破壊診断装置１は、鉄筋コンクリート構造物１０に電磁パルスを照射する照射素子２と、照射素子２にパルス電流を供給する電源部３と、音響を受信し電気信号に変換する検出素子４と、検出素子４から入力された電気信号を解析する解析処理部５と、を有する。

照射素子２はパルサーとも呼ばれ、例えばコイル素子などの励磁素子を用いることができる。励磁素子は、複数のコイルを同軸状に密着して構成され、各コイルは例えばφ１．６ｍｍの導線を５０×３０ｍｍの矩形状の枠内に７ターン巻回してなる。
電源部３は照射素子２に所定のパルス電流を供給するものである。電源部３はケーブル２ａにより照射素子２に接続されている。
検出素子４は、例えば音響変換器であり、解析処理部５にケーブル４ａでもって解析処理部５に接続されており、微弱な振動を検出して電気信号に変換して解析処理部５に出力する。
解析処理部５はコンピュータにより構成され、コンピュータ内の解析プログラムを実行することにより、以下に示す各機能を実現する。即ち、解析処理部５は、検出素子４から入力された電気信号を蓄積する波形受信部５ａと、波形受信部５ａに蓄積されている時間軸の波形を周波数軸の波形に変換しペクトラムを求めるフーリエ変換部５ｂと、フーリエ変換部５ｂで変換されたスペクトラムをデータ処理するスペクトラムデータ処理部５ｃと、鉄筋の腐食度合いを求める際参照すべきデータを格納した参照データ蓄積部５ｄと、鉄筋の腐食度合いを判定する判定部５ｅと、を有する。なお、解析処理部５には、図示しないモニターやキーボードなどの各種入出力手段が接続されていると診断作業上好ましい。

図示を省略するが、検出素子４と解析処理部５との間に、プリアンプやフィルターを介在させることで、プリアンプにより検出素子４から出力された電気信号を増幅したり、フィルターにより検出素子４から出力された電気信号のうち不要な信号成分を除去したりして、解析処理部５に入力してもよい。

図１に示す非破壊診断装置をさらに詳細に説明しながら、本実施形態に係る非破壊診断方法について詳細に説明する。
鉄筋コンクリート構造物１０の同一面上に照射素子２と検出素子４を載せる。図２（Ａ）は鉄筋コンクリート構造物１０と照射素子２及び検出素子４との配置関係を示す平面図であり、（Ｂ）は鉄筋コンクリート構造物１０と照射素子２及び検出素子４との配置関係を示す正面図である。なお、説明の便宜上、鉄筋１２の配設方向をｘ軸、鉄筋コンクリート構造物１０表面のうち、照射素子２と検出素子４とが載置される面内でｘ軸に直交する方向をｙ軸、ｘ軸及びｙ軸に直交する方向をｚ軸とする。ここで、鉄筋コンクリート構造物１０は、試験体として、コンクリート１１中に鉄筋１２が一方向であるｘ軸に沿って設けられているものとするが、実際には非破壊診断対象となる建物、トンネル、橋梁、建物、ダムなどである。なお、コンクリート１１のかぶり深さをｄとする。

ここで、本発明の前提となる、電磁パルスによる非破壊検査手法について説明する。
図１に示すように、鉄筋コンクリート構造物１０の上面に照射素子２を載置し、同じ上面に検出素子４を配置し、電源部３から照射素子２に対してパルス電流を供給する。すると、照射素子２から鉄筋１２に対して電磁パルス波が印加され、鉄筋１２が励振する。この励振により鉄筋１２からコンクリート１１中を音響が伝搬する。伝搬した音響を検出素子４が受信し電気信号に変換する。この電気信号には鉄筋１２の状態、コンクリート１１の状態、鉄筋１２とコンクリート１１との界面の状態に関する情報が含まれている。この電磁パルスによる非破壊検査手法は外部から音響を与えて鉄筋からの反射波を検出する手法とは根本的に異なっている。我々はこの電磁パルスによる非破壊検査手法を改良発展させ、鉄筋コンクリート構造物１０の鉄筋１２の腐食状態を判定する手法を見出した。

照射素子２と検出素子４との位置関係が所定の範囲に設定されるとよい。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、所定の位置関係を有するように、照射素子２と検出素子４とを、鉄筋コンクリート構造物１０のある面（図示の例では上面）上に配置する。ここで、所定の位置関係については後述の実施例において具体的に説明する。

この状態で、電源部３から照射素子２にパルス電流を供給する。すると、照射素子２からパルス磁場が生じ、鉄筋コンクリート構造物１０の表面から鉄筋１２に電磁パルスが照射され、鉄筋１２が励振する。この鉄筋１２はコンクリート１１内部を伝搬する。検出素子４はこの伝搬した音響を受信し電気信号に変換し、解析処理部５に入力する。

解析処理部５で行われる処理について説明する。
検出素子４から入力された電気信号は波形受信部５ａに蓄積される。
その後、フーリエ変換部５ｂは、波形受信部５ａに蓄積されている受信波形のうち、一回のパルス照射により検出された波形を周波数軸のスペクトラム（スペクトルともいう。）に変換し、スペクトラムデータ処理部５ｃに出力する。この変換処理は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プログラムにより行うとよい。その際、時間軸の波形をリニアスペクトルに変換しても、時間軸の波形の自己相関関数に対応するパワースペクトラムに変換してもよい。
続いて、スペクトラムデータ処理部５ｃは、フーリエ変換部５ｂで変換されて得られたスペクトラムを低周波成分と高周波成分とに分離する。図３は、スペクトラムデータ処理部５ｃでのスペクトラム処理の様子を模式的に示すグラフである。横軸は周波数（ｋＨｚ）であり、縦軸は任意強度である。図３に示すように２０〜３０ｋＨｚの間、図示の例では２５ｋＨｚを境に、２５＜ｆ≦５０（ｋＨｚ）の範囲の高い周波数成分と、０≦ｆ≦２５（ｋＨｚ）の範囲の低い周波数成分とに、スペクトラムを分離する。そして、図３に示す横軸とスペクトラムとの間の面積を高い周波数成分と低い周波数成分とに分けて求める。即ち、高い周波数成分の面積Ｓ_Ｈと低い周波数成分の面積Ｓ_Ｌとを求める。そして、この面積比Ｓ_Ｌ／Ｓ_Ｈを算出する。
ここで、参照データ蓄積部５ｄには、鉄筋１２の腐食度を判定するための基準として、鉄筋の腐食度合いと前述と同様の手順で求めた面積比Ｓ_Ｌ／Ｓ_Ｈとの関係が参照データとして格納されている。
よって、判定部５ｅは、スペクトラムデータ処理部５ｃで求めた面積比Ｓ_Ｌ／Ｓ_Ｈを参照データ蓄積部５ｄ内の参照データと照らせ合わせ、診断対象となる鉄筋コンクリート構造物１０中の鉄筋１２の腐食度合いを判定する。

実施例を示し、さらに詳細に説明する。
次のような試験体を作製した。試験体の寸法は、横の長さａを３００ｍｍ、縦の長さｂを２００ｍｍ、高さｃを１００ｍｍとした。鉄筋１２は直径９ｍｍとした。コンクリート１１の表面から鉄筋１２までの最短距離、即ち、かぶり深さｄを３０ｍｍとした。なお、ａ，ｂ，ｃ，ｄは図１及び２に示す部分の長さである。
各試験体において鉄筋１２の両端に電流を流して鉄筋１２を腐食させた。その際、試験体毎に積算電流値を変えることにより、鉄筋１２の腐食度合いを変化させた。
積算電流量を１０００，１５００，２０００，２０６７．５（ｍＡ・時）とした各試験体をＮｏ．１，Ｎｏ．２，Ｎｏ．３，Ｎｏ．４として区別する。鉄筋１２に電流を一切流さなかったものを試験体Ｎｏ．５、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７とした。
各試験体をレントゲン撮影し、レントゲン像から試験体における減肉の範囲とコンクリートのひび割れの状況を求めた。表１に、積算電流値、最大ひび割れ幅、最大減肉量、減肉範囲を示す。

最大ひび割れ幅、最大減肉量、減肉範囲は、それぞれ試験体Ｎｏ．２では０．６ｍｍ、０．６ｍｍ、ｘ＝６０ｍｍ〜１００ｍｍであり、試験体Ｎｏ．３では０．８ｍｍ、１．９ｍｍ、ｘ＝４０ｍｍ〜８０ｍｍであり、試験体Ｎｏ．４では１．５ｍｍ、１．４ｍｍ、ｘ＝４０ｍｍ〜１２０ｍｍであったが、試験体Ｎｏ．１、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７では０ｍｍ、０ｍｍ、なしであった。

各試験体の上面に次のような要領で照射素子２と検出素子４とを配置し、照射素子２としての励磁コイルに対してパルス電流を供給し、検出素子４から出力される検出信号を解析処理部５にデータを取り込んだ。励磁コイルには、外周直径が３０ｍｍとなるよう円筒状に導線を巻いたものを用いた。
その際、照射コイルと検出素子４との配置は次のようにした。外枠１２０×１２０（ｍｍ）の照射コイルを、各試験体の上面であって下側に鉄筋１２が埋設されている位置に、励磁コイルの中心が座標（ｘ，ｙ，ｚ）＝（８０，０，０）となるよう配置した。この状態で、検出素子４を座標（ｘ，ｙ，ｚ）＝（２０，１２０，０）の位置に配置し、励磁コイルにパルス電流を流し、検出素子４で音響を検出した。なお、明細書に記載する座標の各成分の値は、実際のｍｍ単位の寸法に一致しており、符号２ｃは励磁コイルの底面中心を示している。
以下、照射素子２としての励磁コイル、検出素子４の各位置をｘ軸方向に次のように移動して同様に励磁コイルにパルス電流を流し、検出素子で音響を検出した。
検出素子４を、その下面中心が座標（３０，１２０，０）から（１１０，１２０，０）まで、ｘ座標が１０ｍｍ刻みとなるよう移動した。その移動に対応するよう、照射素子２としての励磁コイルも、その下面中心が座標（９０，０，０）から（１７０，０，０）まで＋ｘ方向に１０ｍｍ刻みで移動した。
また、検出素子４を、その下面中心が座標（１２０，１２０，０）から（１８０，１２０，０）の範囲で、ｘ座標が１０ｍｍ刻みとなるよう移動した。その移動に対応するよう、照射素子２としての励磁コイルも、その下面中心が座標（６０，０，０）から（１２０，０，０）まで＋ｘ方向に１０ｍｍ刻みで移動した。

図４は検出素子４による検出信号をフーリエ変換したスペクトラムの各図であり、（Ａ）は試験体がＮｏ．５の場合のスペクトラムであり、（Ｂ）は試験体がＮｏ．２の場合のスペクトラムである。横軸は周波数（ｋＨｚ）であり、縦軸は任意強度である。前述したように試験体Ｎｏ．５は積算電流量が０（ｍＡ・時）であり、試験体Ｎｏ.２は積算電流量が１５００（ｍＡ・時）である。
図４（Ａ）に示すように、試験体Ｎｏ.５に関するスペクトラムには、周波数２５ｋＨｚよりも高い成分も低い成分も存在する。しかしながら、図４（Ｂ）に示すように、試験体Ｎｏ.２に関するスペクトラムには、周波数２５ｋＨｚよりも高い成分が急激に減少している。図４（Ａ）と（Ｂ）とを比較すると、積載電流量が大きい試験体Ｎｏ．２は、低周波成分が高周波成分と比べて大きいことが分かる。よって、低周波成分の面積Ｓ_Ｌ／高周波成分の面積Ｓ_Ｈを求め、その面積比Ｓ_Ｌ／Ｓ_Ｈから鉄筋の腐食を診断することができることが分かる。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は試験体をパラメータとして、検出素子４の位置に対する面積比Ｓ_Ｌ／Ｓ_Ｈの関係を示すグラフである。横軸は検出素子４の位置座標ｘを示し、縦軸は面積比Ｓ_Ｌ／Ｓ_Ｈである。△プロットは試験体Ｎｏ．１、□プロットは試験体Ｎｏ．２、◇プロットは試験体Ｎｏ．３、■プロットは試験体Ｎｏ．４、○プロットは試験体Ｎｏ．５、◎プロットは試験体Ｎｏ．６、○プロットは試験体Ｎｏ．７に関する。
図５（Ｂ）から分かるように、○、◎、●の各プロットの健全試験体Ｎｏ．５〜７では、検出素子４の位置に拠らず面積比が１付近を推移している。
図５（Ａ）から分かるように、鉄筋１２が腐食しているが、ひび割れが観測されていない、△プロットの試験体Ｎｏ．１では、面積比１．５付近を推移しており、検出素子４の位置により多少のばらつきがある。
鉄筋１２が腐食し、ひび割れが生じている試験体Ｎｏ．２〜４（□、◇、■プロット）では大きくバラツキがある。

図６は、特定の位置に検出素子４を配置した時の各試験体での面積比を示すグラフである。ここで、◇プロット、◆プロット、○プロットは、それぞれ検出素子４下面中心の位置座標が（６０，１２０，０）（７０，１２０，０）（８０，１２０，０）であるときのデータである。横軸は積算電流量（ｍＡ・時）であり、縦軸は面積比である。
図６から、積算電流量が増加するに伴い、面積比が１よりも大きく、直線的に増加している。積算電流量が増加するに従い、検出素子４の位置によりばらつきも大きくなっている。積算電流量が２０６７．５（ｍＡ・時）で面積比がわずかに減少している。これは、検出素子４からの検出信号が小さいためであり、鉄筋１２が大きく腐食し、コンクリート１１と鉄筋１２とが剥離し、鉄筋１２の励振がコンクリート１１に伝搬されないためと考えられる。積算電流量が２０６７．５（ｍＡ・時）では、目視により、鉄筋１２が錆びて腐食していると推察される程度である。このグラフから、本発明による非破壊診断方法は、目視ではなかなか判断の付き難い鉄筋の腐食度合いを判定できることが分かった。また、積算電流量の増加に伴い面積比が直線的に増加していることは注目に値し、鉄筋の腐食度合いを容易に推定することができる。即ち、励磁コイルの下面中心から見て検出素子４の下面中心が真横ではなく、励磁コイルと検出素子４とが同一平面上でｘ方向距離に対してｙ方向距離が半分程度の相対的な位置関係にあり、かつ検出素子４が外周からの距離が６０〜８０（ｍｍ）程度がよいことが分かった。

図５（Ｂ）から、積算電流量が０（ｍＡ・時）であるサンプルＮｏ．５〜Ｎｏ．７において、面積比は、検出素子４の位置が試験体の端に近くなるほど僅かではあるが増加している。検出素子４が試験体の端に近い場合には、鉄筋１２の励振がコンクリート１１中を伝播し、検出素子４に直接到達する波とコンクリート側面に当たって反射した波とが重なり合うためと推察した。

そこで、コンクリート１１の端で反射する波を検出素子４が検出しないよう端の影響が出にくい大きな試験体を用意して同様の実験を行った。
図７は別の実施例の様子を模式的に示す図である。図７に示すように、別の試験体として寸法５００×５００×１２０（ｍｍ）で、コンクリート表面から鉄筋までの距離（かぶり）が３０ｍｍのものを用意し、検出素子４をその下面中心座標が（１７０，１２０，０）〜（３３０，１２０，０）となるよう順次移動して測定した。なお、照射素子２としての励磁コイルは、検出素子４の移動に併せ、その下面中心座標が（２３０，０，０）〜（３９０，０，０）となるよう順次移動した。試験体において、コンクリート１１の左右側面は、鉄筋１２の位置から＋ｙ方向に距離３５０ｍｍ離れた位置と、−ｙ方向に１５０ｍｍ離れた位置となるよう座標系を設定している。

図８は、図７に示す別の実施例の結果について、検出素子４の位置による面積比の関係を示すグラフである。図８から、鉄筋１２を腐食させていない試験体では、検出素子４の位置に拠らずほぼ面積比Ｓ_Ｌ／Ｓ_Ｈは１．０付近を推移した。よって、前述の推察が正しいことが実証された。また、鉄筋１２の両端に電流を流した試験体においても、コンクリートの端に寄っている検出素子４の値のばらつきが減少していることを確認した。よって、本発明の実施形態による非破壊診断方法を用いることで、実際の鉄筋コンクリート構造物における鉄筋の腐食を診断することが可能となることが判った。

以上のことから、鉄筋コンクリート構造物中の鉄筋を励振し、コンクリート表面に到達する音響を電気信号として受信し、この信号を周波数変換し、スペクトラムを低周波成分と高周波成分とに分離し、それらの面積比から鉄筋の腐食度合いを判定することで、熟練者でなくても、容易に鉄筋の腐食を判定することができる。ここで、低周波成分と高周波成分とを分離するための周波数の値、即ち基準周波数の値は前述の実施例では２５ｋＨｚとしたが、本発明の実施形態によれば、この値に限らず、任意に設定することができることはいうまでもない。
即ち、基準周波数ｆ_０を２０ｋＨｚ≦ｆ_０≦３０ｋＨｚの範囲の任意の値ｆ_１とし、このｆ_１としたとき高周波成分と低周波成分との面積比を求めることを、ｆ_１を上記の範囲で変化させ、面積比が最も顕著に変化する周波数を採用すればよい。その際、照射素子２に供給されるパルス電流幅の逆数を基準に基準周波数を決定してもよい。
また、検出信号波形の大小関係も考慮すると、鉄筋の腐食診断をより正確に行うことができる。

本発明の実施形態に係る非破壊診断装置を模式的に示す図である。（Ａ）は鉄筋コンクリート構造物と照射素子及び検出素子との配置関係を示す平面図であり、（Ｂ）は鉄筋コンクリート構造物と照射素子及び検出素子との配置関係を示す正面図である。図１に示すスペクトラムデータ処理部でのスペクトラム処理の様子を模式的に示すグラフである。実施例の結果について、検出素子による検出信号をフーリエ変換したスペクトラムの各図であり、（Ａ）は試験体がＮｏ．５の場合のスペクトラムであり、（Ｂ）は試験体がＮｏ．２の場合のスペクトラムである。（Ａ）及び（Ｂ）は実施例の結果のうち検出素子の位置に対する面積比Ｓ_Ｌ／Ｓ_Ｈの関係を示し、（Ａ）は試験体Ｎｏ.１〜Ｎｏ.４について、（Ｂ）は試験体Ｎｏ.５〜Ｎｏ.7についてのグラフである。実施例の結果のうち、特定の位置に検出素子を配置した時の各試験体における面積比を示すグラフである。別の実施例として５００×５００×１２０（ｍｍ）の大きさの試験体を作製し、同様の方法で面積比を測定したときの様子を示す図である。図７に示す測定の結果に関し、検出素子の位置と面積比の関係を示すグラフである。

符号の説明

１：非破壊診断装置
２：照射素子
２ａ，４ａ：ケーブル
３：電源部
４：検出素子
５：解析処理部
５ａ：波形受信部
５ｂ：フーリエ変換部
５ｃ：スペクトラムデータ処理部
５ｄ：参照データ蓄積部
５ｅ：判定部
１０：鉄筋コンクリート構造物（試験体）
１１：コンクリート
１２：鉄筋

Claims

鉄筋を一方向に埋設した鉄筋コンクリート構造物表面から照射素子により電磁パルスを照射してその鉄筋を励振し、その鉄筋を音源とする音響を鉄筋コンクリート構造物表面で検出素子により受信し、受信波形を解析する非破壊診断方法において、
上記照射素子を上記鉄筋コンクリート構造物表面上で上記鉄筋が埋設されている位置に配置し、上記照射素子と上記検出素子との位置関係を保ちながら該照射素子及び検出素子を上記鉄筋コンクリート構造物表面上で上記鉄筋の埋設方向に沿って順次移動して上記照射素子で電磁パルスを照射しつつ上記検出素子で音響を受信し、
各受信波形をフーリエ変換してスペクトラムを求め、各スペクトラムを低周波成分と高周波成分とに分離し、該低周波成分と高周波成分との面積比のばらつきの度合いからコンクリートのひび割れが生じていない状態での鉄筋の腐食を診断することを特徴とする、非破壊診断方法。
鉄筋の腐食度を判定するための基準として、上記スペクトラムにおける低周波成分と高周波成分との面積比と鉄筋腐食度との関係を参照データとして準備しておき、この参照データとの比較から、鉄筋の腐食度を診断する、請求項１に記載の非破壊診断方法。