JP5246786B2 - コンクリートの内部検査方法 - Google Patents

Description

本発明はコンクリートの内部品質を電磁波を用いて非破壊により解析及び検査する検査装置に関する。

ビル等の建築物の壁や、高速道路の橋脚等を構成するコンクリートの機械的強度は、コンクリートの成分配合率のみならず、コンクリート打設時の工法及び条件による影響もある。
また、そのコンクリート強度は設置環境の影響により、経年変化する。
従って、コンクリート建築物の地震等に対する力学的耐性を確保するためには、コンクリートの品質を評価することが必要である。

コンクリートの品質を評価する方法として、被検体の一部を切り取って破壊試験をする直接法では、サンプルによる推定法であるために被検体の全体を検査することは容易でない。
そこで、非破壊診断法として、文献１には超音波によるコンクリート建造物等の遠隔式内部検査方法を開示する。
しかし、超音波法にて被検体の全体を検査するには多大な労力を要する。
また、Ｘ線による非破壊診断法では安全管理上の制約もあって数１０ｃｍ以上の厚さのあるコンクリートは透過しないのが現状である。

特許文献２には、電磁波による鉄筋コンクリート構造物の非破壊検査装置及び方法を開示する。
しかし、同公報に開示する技術は、交差鉄筋からの反射波の影響を除去するために、検査範囲を６つの区間に分割し、各区間の受信信号の平均波形を求めなければならないので電磁波を走査移動しなければならず、装置が大がかりになるものである。

なお、コンクリート内の鉄筋を調べる装置として、電磁波パルスの反射時間を計測する方式の鉄筋探査レーダ（ＲＣレーダ）が市販されているが、これはコンクリートの品質を検査できるものではない。
即ち、このＲＣレーダは鉄筋の検知を目的とするものであり、その深さは３０ｃｍ程度が限界である。

特開２００１−２８９８２７号公報 特開２００８−３９４２９号公報

本発明は、コンクリート構造物のコンクリート壁の両側に送受信アンテナを配置するだけで、広範囲にかつ短時間にコンクリートの内部品質を検査できる非破壊式検査装置及びその方法の提供を目的とする。

本発明に係るコンクリートの内部検査方法は、内部品質を検査する対象となるコンクリート壁の一方の壁面に配置する送信アンテナと、他方の壁面に配置する受信アンテナとを備え、送信アンテナ及び受信アンテナは複数のアンテナエレメントをマトリックス状に配置したアレイアンテナになっているとともに、水平偏波と垂直偏波との少なくとも二方向の偏波を送受信可能になっていて、送信アンテナと受信アンテナとをコンクリート壁の両側に概ね対向配置し、当該送受信アンテナ間に電磁波を送受信する送受信制御手段と、透過特性又は／及び反射特性を計測し、内部品質を解析する内部品質解析手段とを有し、送信アレイアンテナは、アンテナエレメントからマーカー信号を送信し、このマーカー信号を受信した受信アレイアンテナのアンテナエレメントを検出し、対向するアンテナエレメントを自動検出するための対向アンテナエレメント自動検出手段を有し、前記送受信アンテナ間に周波数１．０〜３．０ＧＨｚの範囲であって複数の準マイクロ波を送受信させることで、コンクリートの密実性の違いによる周波数依存性に基づいて内部品質を解析することを特徴とする。

ここで、複数のアンテナエレメントをマトリックス状に配置した送受信アンテナを用いたのは、受信アンテナの指向性の影響を抑えるために送信及び受信する個々のアンテナエレメントを例えば水平方向と垂直方向とに複数、マトリックス状に配置し、コンクリート壁面の両側に送信アンテナと受信アンテナとを概ね対向配置する趣旨である。
これにより、対向配置した各アンテナエレメント間にてコンクリートの壁面に直角な方向の透過特性及び反射特性を計測することが可能になる。
また、送受信アンテナを２次元等のアレイアンテナとしたことにより、短時間で広範囲にわたる計測ができる。
内部品質の解析に用いる電磁波は、電波法の規制を考慮し、コンクリートへの透過特性が高い１．０〜３．０ＧＨｚ帯の準マイクロ波を用いるのが好ましい。
この準マイクロ波を用いるとコンクリートの測定深度（かぶり）約１００ｃｍ程度まで検査が可能である。
なお、コンクリートの密実性の違い、ジャンカと称される砂利の周囲に充分に生コンが充填されなかった部位、及び鉄筋等による電磁波の透過度及び反射度は周波数に依存するから、この周波数依存性を調べるには複数の周波数による計測を行うとよい。

本発明においては、送受信アンテナを２次元アレイアンテナにしたことにより、送信アレイアンテナは、アンテナエレメントからマーカー信号を送信し、このマーカー信号を受信した受信アレイアンテナのアンテナエレメントを検出し、対向するアンテナエレメントを自動検出するための対向アンテナエレメント自動検出手段を有するようにしてもよい。
このようにすると、送信アンテナと受信アンテナを概ね対向配置するだけで対向するアンテナエレメントが自動検出される。
なお、マーカー信号を３つ以上設けると、Ｘ，Ｙ方向の位置が定まる。
また、電磁波の透過度及び反射度はコンクリートの密実の方向性、ジャンカの構造及び鉄筋の方向により異なることが想定されるから、送受信アレイアンテナのアンテナエレメントは、水平偏波と垂直偏波との少なくとも二方向の偏波を送受信可能になっていてもよい。
さらには、送信電力がコンクリート表面で反射されないように、送信アレイアンテナの送信面はコンクリート壁面に概ね密着可能になっているともに、当該送信面を形成する材質のインピーダンスがコンクリートのインピーダンスに概ね一致するようにするとよい。
ここで、送信面がコンクリート壁面に概ね密着可能になっているとはコンクリート表面に多少の凹凸が存在しても、その上に重ねることができればよいという趣旨である。

本発明においては、２次元アレイアンテナからなる送受信アンテナを用いたことにより、コンクリートの壁面に直角な方向の透過特性及び反射特性を計測することで短時間に広範囲にわたる計測が実現し、コンクリート構造物全体の密実性を調査し、内部品質を検査できる。
これにより、コンクリートの顕著な劣化、ジャンカ、電気配線用の塩ビ管等の非金属物、空洞の存在の検出が可能である。
なお、鉄筋の検知に関しても従来のＲＣレーダの２倍以上のかぶりに対応できる。

また、２次元アレイアンテナを対向配置したことにより、対向するアンテナエレメントの上下左右を含め、合計９点の計測を行うことで斜め方向の透過特性も得られ、平均操作によりアンテナエレメントが存在しない場所における透過特性を得ることもできる。

本発明に係る検査装置の構成例を示す。 送受信の二次元アレイアンテナのエレメント配置例を示す。 コンクリートの内部品質の検査例を示す。

本発明に係るコンクリートの内部の検査装置１０の構成例を示す。
コンクリート壁１の一方の壁面に重ねるように配置する送信アンテナ１１と、他方の壁面に重ねるように配置する受信アンテナ１２とを有する。
送受信アンテナ１１，１２は、図２に示すようにアンテナエレメント２０を上下、左右にマトリックス状に複数配置した２次元アレイアンテナになっている。
アンテナエレメント２０の大きさや数は解析能に影響を与え、要求される精度に合せて設定する。
本実施例では、ａ＝３０ｍｍ，ｂ＝３０ｍｍのアンテナエレメント２０を中心間距離ｃ＝３５ｍｍのピッチで上下左右８×８＝６４素子の配置例になっている。
また、アンテナエレメント２０を内蔵した送受信アンテナ１１，１２のコンクリート壁面に重ねる部分の材質はコンクリートのインピーダンスに概ね合せてある。
送受信制御手段として、パソコン等からなる制御部１４に制御された電磁波発生器１３より準マイクロ波を発生させ、送信アンテナ１１の２次元アレイを構成する各アンテナエレメントに順次印可する。
これに同期して、対向する受信アンテナの二次元アレイを構成するアンテナエレメント２０により１つずつ透過波の強度と位相を計測器１５にて計測する。
また、同時に反射波の反射度と位相も計測する。
計測に用いる電磁波は、複数の準マイクロ波（１．０〜３．０ＧＨｚ）を用いるのがよく、本実施例では１．８，２．１，２．４ＧＨｚの周波数を用いた。
計測したデータに基づいて内部品質解析手段としての解析部１６にて内部品質を解析する。
なお、計測を開始する前に送信アンテナからマーカー信号を発信し、これを受けた対向する受信アンテナのアンテナエレメントの位置座標に基づいて予め対向する一対のアンテナエレメント２０を検出しておくのがよい。
また、図１に示した装置の構成例では、送受信アンテナの信号をケーブルで伝送する構成例になっているが、ケーブル接続できない例えは高所検査等の場合には、通信用の無線電波回線を用いることができる。

上記送受信アンテナ１１，１２を用いてコンクリートの内部品質を検査した実施例を図３に示す。
図３（ａ）は対象となるコンクリート壁の平面図で、図３（ｂ）は側面透視図である。
コンクリート壁１は試験的に製作したものであり、φ１９ｍｍ鉄筋２，３，４及び空洞の例としてφ３５ｍｍ塩ビ管５を埋設してある。
図３に断面Ａ及び面Ｂの測定結果を示す。
断面Ａの測定結果のグラフにおいて、横軸はコンクリート壁１の左端からの距離を示し、単位はｃｍである。
縦軸は受信アンテナで受信した透過電波強度を示し、単位はｄＢである。
グラフ中、アンテナＡ，Ｂは、本発明に係るアレイアンテナの例を示す。但しコンクリートとのインピーダンスを合わせてない例である。
市販無線ＬＡＮアンテナは、株式会社ナテック社製ＰＡ２４０９Ａで、それぞれのアンテナを用い、周波数２．４ＧＨｚで測定したデータである。
鉄筋や塩ビ管を検知すると透過電波強度が相対的に下がっているのが分かり、検知能力はアンテナＡ，Ｂの方が市販品より高い。
面Ｂの測定結果は、本発明に係るアレイアンテナをコンクリートの壁面Ｂに当て、反対側の壁面で受信した２次元の電波強度分布を示す。
黒い部分が、透過電波強度の弱い部分を示し、鉄筋３，４を検知しているのが分かる。
これにより、コンクリートの内部品質を検査できることが実証できた。

１ コンクリート壁
２ 鉄筋
５ 塩ビ管
１０ 検査装置
１１ 送信アンテナ
１２ 受信アンテナ
１３ 電磁波発生器
１４ 制御部
１５ 計測器
１６ 解析部

Claims (2)

1. 内部品質を検査する対象となるコンクリート壁の一方の壁面に配置する送信アンテナと、他方の壁面に配置する受信アンテナとを備え、
   送信アンテナ及び受信アンテナは複数のアンテナエレメントをマトリックス状に配置したアレイアンテナになっているとともに、水平偏波と垂直偏波との少なくとも二方向の偏波を送受信可能になっていて、
   送信アンテナと受信アンテナとをコンクリート壁の両側に概ね対向配置し、
   当該送受信アンテナ間に電磁波を送受信する送受信制御手段と、透過特性又は／及び反射特性を計測し、内部品質を解析する内部品質解析手段とを有し、
   送信アレイアンテナは、アンテナエレメントからマーカー信号を送信し、このマーカー信号を受信した受信アレイアンテナのアンテナエレメントを検出し、対向するアンテナエレメントを自動検出するための対向アンテナエレメント自動検出手段を有し、
   前記送受信アンテナ間に周波数１．０〜３．０ＧＨｚの範囲であって複数の準マイクロ波を送受信させることで、コンクリートの密実性の違いによる周波数依存性に基づいて内部品質を解析することを特徴とするコンクリートの内部検査方法。
2. 送受信アレイアンテナの送受信面はコンクリート壁面に概ね密着可能になっているともに、当該送受信面を形成する材質のインピーダンスがコンクリートのインピーダンスに概ね一致していることを特徴とする請求項１に記載のコンクリートの内部検査方法。