JP5450177B2 - グラウト充填度の非破壊検査方法及び非破壊検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、グラウト充填度の非破壊検査方法及び非破壊検査装置に関する。さらに詳しくは、ポストテンション方式で建設されたプレストレスコンクリートにおけるグラウト充填度の非破壊検査方法及び非破壊検査装置に関する。

上述の如き非破壊検査方法として、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。この検査方法は、スペクトル解析を行うと共に、検査対象の断面を複数の要素に区切り、各要素の中心点での弾性波の理論周波数の振幅値の合計の大小を比較し、その合計の大小が視覚的に把握できるように図面化することで、シース空洞の有無及びその位置を可視化している。しかし、スペクトル解析を行う上に各要素毎に振幅値の合計を算出し比較するため、信号処理が煩雑なものとなっていた。

特開２００１−４６０４号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、グラウトの充填度を簡易な方法で高精度に判定し得るグラウト充填度の非破壊検査方法及び非破壊検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るグラウト充填度の非破壊検査方法の特徴は、プレストレスコンクリート（以下、「ＰＣ」という。）におけるグラウト充填度の非破壊検査方法において、ＰＣ表面から鋼製シースに向かって弾性波を入射すると共に反射波を受信し、以下の条件ａの場合は最大振幅値の反射波を含めた範囲の信号を周波数解析し、条件ｂの場合は前記最大振幅値の反射波を半波形分カットした範囲の信号を周波数解析し、前記ＰＣの板厚に相当する周波数である最大の低次側ピークの高次側にあらわれる周波数のピークによりグラウト充填度を判定することにある。
条件ａ：かぶり／シース径＜１
条件ｂ：かぶり／シース径≧１

上記条件において、かぶりとは、弾性波の入射面から鋼製シースの外面までの深さをいう。また、シース径とは、鋼製シースの内径である。鋼製シースの肉厚は１ｍｍ程度でほぼ一定しており、空隙の判定に対する影響は極めて小さい。入射された弾性波は、ＰＣの版厚（板厚）方向のみならず、ＰＣ表面に沿うように伝搬する表面波としても伝搬する。条件ａの場合、鋼製シースはＰＣ表面近傍に位置しており、最大振幅値の反射波には鋼製シースからの反射波のみならず表面波も含まれる。他方、条件ｂでは、鋼製シースがＰＣ表面からより離れた位置に存在しており、最大振幅値の反射波は主として表面波を含む。従って、上記構成によれば、上述の条件に応じて周波数解析の範囲を異ならせることで、鋼製シースの空隙に起因する周波数のピークを明瞭且つ確実に特定することができ、グラウト充填度を高精度に判定することが可能となる。

前記ＰＣの板厚に相当する周波数である最大の低次側ピークが所定の範囲外の場合には、再度弾性波の入射と反射波の受信を行うとよい。これにより、適切に入射した弾性波による反射波に対して周波数解析を行うことができ、検査精度をより向上させることができる。

前記周波数解析結果における所定周波数範囲での複数のピークの値を最小自乗法により処理して求めた曲線とこれら複数のピークのそれぞれとの隔たりによりグラウト充填度を判定するようにしても構わない。これにより、周波数解析結果において十分なスペクトル強度が得られない場合であっても、グラウト充填度を判定することが可能であり、さらに検査精度を向上させることができる。

前記反射波の受信子を前記弾性波の送信部よりも上側に配置するとよい。特に検査対象がＰＣの壁面である場合、上記構成の如く配置すると、対象となる空隙部はシースの上側に位置し、鋼製シースの当該上側からの反射波をより明瞭に得ることが可能となる。

上記目的を達成するため、本発明に係るグラウト充填度の非破壊検査装置の特徴は、ＰＣにおけるグラウト充填度の非破壊検査装置において、ＰＣ表面から鋼製シースに向かって入射された弾性波が前記ＰＣ内で反射した反射波を受信する受信子と、受信した反射波を解析する解析ユニットとを備え、前記解析ユニットは、以下の条件ａの場合は最大振幅値の反射波を含めた範囲の信号を周波数解析し、条件ｂの場合は前記最大振幅値の反射波を半波形分カットした範囲の信号を周波数解析し、前記ＰＣの板厚に相当する周波数である最大の低次側ピークの高次側にあらわれる周波数のピークによりグラウト充填度を判定することにある。
条件ａ：かぶり／シース径＜１
条件ｂ：かぶり／シース径≧１

上記本発明に係るグラウト充填度の非破壊検査方法及び非破壊検査装置の特徴によれば、グラウトの充填度を簡易な方法で高精度に判定することが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明に係るグラウト充填度の非破壊検査方法に用いられる検査装置のブロック図である。 検査手順を示すフローチャートである。 かぶりとシース径との関係を模式的に示す図である。 周波数解析範囲の決定を説明するグラフである。 板厚相当周波数のばらつきの一例を示すグラフである。 空隙ピーク周波数帯と基準値との関係を示すグラフである。 近似曲線の算出を説明するグラフである。 近似曲線と空隙ピーク周波数帯との関係を示すグラフである。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明に係るグラウト充填度の非破壊検査方法に用いる検査装置１は、図１に示すように、ＰＣ橋梁等のＰＣ構造物１００に弾性波Ｗｅを入力するインパクター２と、ＰＣ構造物１００内で反射した反射波を受信する受信子３と、受信した反射波に適宜信号処理を施し解析を行う解析ユニット４とからなる。解析ユニット４は、受信した反射波を増幅するアンプ５と、反射波をデジタル信号として記憶すると共に信号処理及び解析を行うパーソナルコンピュータ６と、反射波や周波数解析の各波形や検査結果等を表示するモニタ７とを備える。インパクター２には、例えば直径の異なる複数の鋼球２ａを用いる。

ＰＣ構造物１００は、図１に示すように、コンクリート製の基材１０１に貫通させた鋼製シース１０２にさらに鋼棒やより線等のＰＣ鋼材１０３を埋設させ、このＰＣ鋼材１０３にテンションを加えて図示省略する定着部を両端に取り付け、基材１０１にプレストレスを付与している。そして、鋼製シース１０２内にグラウト１０４を注入させ、ＰＣ鋼材１０３とＰＣ構造物１００との一体化とＰＣ鋼材１０３の腐食を防止している。このグラウト１０４の未充填部が空隙１０５となり、問題となるため、本検査方法によりその空隙１０５の有無を調査する。なお、鋼製シース１０２の肉厚は１ｍｍ程度でほぼ一定であり、ＰＣ構造物１００に対して十分に小さい値である。そのため、鋼製シース１０２の肉厚が空隙１０５の有無の判定精度に影響することは殆どない。

ここで、かぶりｄとは、ＰＣ構造物１００の表面１００ａから鋼製シース１０２の外面１０２ａまでの距離を指し、弾性波入射面から鋼製シース１０２までの深さである。また、シース径ｒとは、鋼製シース１０２の内面１０２ｂの直径を指し、鋼製シース１０２の内径である。なお、かぶりｄ及びシース径ｒの単位はいずれもｍｍである。

次に、図２を参照しながら、本検査方法の検査手順について説明する。
ＰＣ構造物１００では、構造物によって弾性波Ｗｅの伝搬速度が異なる。そのため、まず、検査対象となるＰＣ構造物１００の既知である版厚Ｔにおける弾性波Ｗｅの伝搬速度ｖを求める（Ｓ１）。鋼製シース１０２の存在しない部分のＰＣ構造物表面１００ａに受信子３を接触させると共にインパクター２によりＰＣ構造物１００へ弾性波を入力し、表面１００ａと裏面１００ｂとの間で生じる多重反射から最大ピーク周波数ｆｔを求める。その求めた周波数ｆｔを次式（１）に代入することで、ＰＣ構造物１００のコンクリート版厚Ｔにおける弾性波Ｗｅの伝搬速度が求められる。
ｖ＝ｆｔ×２Ｔ ・・・（１）
ここで、ｆｔはコンクリート版厚Ｔに相当する波長の周波数、Ｔは版厚（板厚）である。

次に、上記で求めた弾性波Ｗｅの伝搬速度ｖを用いて、次式（２）より空隙１０５に起因する反射波の空隙ピーク周波数ｆｄを求める（Ｓ２）。かぶりｄは、竣工図や鉄筋探査機による調査結果等から予め求めておく。そして、求めた空隙ピーク周波数ｆｄから空隙ピーク周波数帯ＦＤを設定する。空隙ピーク周波数帯ＦＤは、例えば、求めた空隙ピーク周波数ｆｄを中心に上下２．５ｋＨｚの範囲の周波数帯として設定される。
ｆｄ＝０．９６ｖ×２ｄ ・・・（２）
ここで、ｖは弾性波の伝搬速度、ｄはかぶり深さである。なお、０．９６は補正係数である。

次に、検査箇所において、受信子３を鋼製シース１０２の軸方向との直交方向にＰＣ構造物の表面１００ａに当接させ、鋼球２ａをその表面１００ａに衝突させて弾性波Ｗｅを入力すると共に反射波を受信する（Ｓ３）。例えば、検査箇所が壁面である場合、受信子３の位置を弾性波Ｗｅの送信部となる鋼球２ａの衝突位置よりも上方に位置させるとよい。図１に示すように、充填されたグラウト１０４は自重により鋼製シース１０２下側に位置し、空隙１０５は鋼製シース１０２内の上方に形成されると推測される。従って、鋼球２ａの衝突位置よりも上方に受信子３を位置させることにより、空隙１０５に起因する反射波を受信子３に近接させてより明瞭に受信することができる。なお、同一の検査箇所において、複数回測定を行う。

反射波を受信後、当該検査箇所におけるかぶりｄとシース径ｒの関係を判定する（Ｓ４）。具体的には、かぶりｄ／シース径ｒが１未満（条件ａ）、１以上（条件ｂ）又は３〜４より大であるかを判定する（Ｓ５）。かぶりｄ／シース径ｒが３〜４より大である場合、鋼製シース１０２がＰＣ構造物表面１００ａから大きく離隔して存在するため、反射波を明瞭に検出することが困難となるので、本検査方法が適用不可と判定する（Ｓ１６ａ）。

弾性波Ｗｅは版厚Ｔ方向への伝搬のみならず、ＰＣ構造物表面１００ａに沿うように伝搬する表面波Ｗｓとしても伝搬し、その表面波Ｗｓは受信子３への最短経路を伝搬する。図３（ａ）に示すように、かぶりｄ１／シース径ｒ１が１未満の場合、鋼製シース１０２はＰＣ構造物表面１００ａ近傍に位置する。係る場合、鋼製シース１０２からの反射波の伝搬距離と表面波Ｗｓの伝搬距離との差は小さく、第一波Ｑａには空隙１０５に起因する反射波及び表面波Ｗｓの双方の信号が含まれることとなる。従って、条件ａの場合に半波形分の第一波Ｑａを含めて後述の周波数解析を行うことで、空隙１０５に起因する反射波を明瞭に特定することができる。ここで、第一波Ｑａは、図４に示すように、受信波形Ｑの内、縦軸（振幅）の基準軸Ｘ（値零の軸）から最も大きく下がり、そのマイナス側頂点（最大振幅値（絶対値としての最大振幅値をいう。））から立ち上がって再び基準軸Ｘと交差する点までの波（半波形）をいう。すなわち、この第一波Ｑａが、最大振幅値を含む反射波（最初の大きな反射波）である。

一方、図３（ｂ）に示すように、かぶりｄ２／シース径ｒ１が１以上の場合、鋼製シース１０２は、同図（ａ）と比べＰＣ構造物表面１００ａから離隔して位置する。そのため、鋼製シース１０２からの反射波の伝搬距離と表面波Ｗｓの伝搬距離との差は大きくなる。よって、第一波Ｑａには主として表面波Ｗｓの信号が含まれ、空隙１０５からの反射波は含まれていない。従って、条件ｂの場合に半波形分の第一波Ｑａを除いて周波数解析を行うことで、表面波Ｗｓの影響を排除でき、空隙１０５に起因する反射波を明瞭に特定することが可能となる。

このように、かぶりｄ／シース径ｒの関係に応じて反射波における周波数の解析範囲Ｌを異ならせることで、空隙ピーク周波数ｆｄを正確且つ明瞭に検出することが可能となる。条件ａの場合、第一波Ｑａをカットせずに解析範囲Ｌの始点Ｌａを特定し（Ｓ６ａ）、条件ｂの場合、第一波Ｑａをカットして解析範囲Ｌの始点Ｌａを特定する（Ｓ６ｂ）。条件ａの場合、図４（ａ）に示すように、始点Ｌａは、第一波Ｑａの下がり部分と基準軸Ｘとの交点ｘ１となる。他方、条件ｂの場合、同図（ｂ）に示すように、始点Ｌａは、第一波Ｑａの立ち上がり部分と基準軸Ｘとの交点ｘ２となる。

解析範囲Ｌの始点Ｌａを決定した後、受信波形Ｑにおける解析範囲Ｌ内の信号に対し周波数解析（スペクトル解析）を行い、解析波形（スペクトル）Ｒを生成する（Ｓ７）。この周波数解析には、例えば、図４に示すように、解析範囲Ｌを始点Ｌａから５１２μｓｅｃの範囲とし、その範囲内の信号に対しＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行う。なお、周波数解析手法には、ＦＦＴに限らず、短時間フーリエ変換やＭＴＭ（マルチテーパー法）等の周波数解析手法が適用可能である。

次に、生成した解析波形Ｒにおいて、版厚Ｔに起因する反射波が明瞭に受信されているかを判定する（Ｓ８）。具体的には、版厚相当周波数ｆｔが所定の範囲内であるか否かを評価する。本実施形態では、図５に示すように、同一検査箇所で３回計測した受信波形の各解析波形Ｒ１〜３において、最大の低次側ピークとなる版厚相当周波数ｆｔ１〜３を求める。そして、これら版厚相当周波数ｆｔ１〜３が、予め入力設定した周波数の範囲内に収まるか否かを判定する。なお、設定される範囲は、例えば２ｋＨｚ以内とする。版厚相当周波数ｆｔ１〜３がその範囲内に収まらずにばらついている場合には、再度計測しなおすよう警告を発し（Ｓ８ａ）、同一箇所にて反射波を再計測する（Ｓ３）。このように、版厚相当周波数ｆｔが所定の範囲内であるかを判定することにより、誤測定に基づく判定を排除し、精度よく検査することができる。

版厚相当周波数ｆｔ１〜３が所定の範囲内であれば、解析波形Ｒにおける空隙ピーク周波数ｆｄを中心とする空隙ピーク周波数帯ＦＤ内で基準値Ｂを超えるピーク信号Ｐが無いか判定する（Ｓ９，Ｓ１０）。この基準値Ｂは、例えば、解析波形Ｒにおける版厚相当周波数ｆｔのスペクトル強度の４０％の値とする。

基準値Ｂを超えるピーク信号Ｐが存在する場合、その空隙ピーク周波数帯ＦＤにおいて基準値Ｂを超えるピーク信号Ｐが複数存在するか否かを判定する（Ｓ１１）。例えば、図６（ｂ）に示す如く、空隙ピーク周波数帯ＦＤにおいて基準値Ｂを超えるピーク信号Ｐが符号Ｐ１で示す単数のピークである場合、空隙１０５が存在すると判定する（Ｓ１６ｄ）。他方、図６（ｃ）に示す如く、基準値Ｂを超えるピーク信号Ｐが符号Ｐ２及びＰ３で示す複数のピークが存在する場合、空隙１０５に起因する信号か否かを判定することが困難なものとして、判定不能とする（Ｓ１６ｃ）。

一方、図６（ａ）に示す如く、基準値Ｂを超えるピーク信号Ｐが存在しない場合、近似曲線Ｃを算出する（Ｓ１３）。この近似曲線Ｃは、図７に示すように、まず、版厚相当周波数ｆｔと空隙ピーク周波数帯ＦＤの高次側の上限値との間において、解析波形Ｒの複数のピークＰ（図中、符号Ｐ１１〜Ｐ１６）を抽出し、それらピークＰの値（スペクトル強度）に基づいて最小自乗法により原近似曲線Ｃ’を算出する。そして、求めた原近似曲線Ｃ’において、各ピークＰのスペクトル強度を所定量増加させ、近似曲線Ｃとする。この近似曲線Ｃは、原近似曲線Ｃ’をＹ軸方向に平行移動した曲線となる。なお、本実施形態において、増加させる所定量は、各ピークＰのスペクトル強度の１０％に相当する値とする。

そして、空隙ピーク周波数帯ＦＤ内において、近似曲線Ｃを超えるピーク信号Ｐが存在するか否かを判定する（Ｓ１４）。図８（ａ）に示すように、近似曲線Ｃを超える信号Ｐが存在しない場合、空隙１０５が存在しないものと判定する（Ｓ１６ｂ）。他方、図８（ｂ）に示すように、近似曲線Ｃを超えるピーク信号Ｐ（Ｐ４）が存在する場合、判定不能とする（Ｓ１６ｃ）。このように、近似曲線Ｃと複数のピークＰとの隔たりにより解析波形Ｒを評価することにより、グラウト１０４が充填されている正常な鋼製シース１０２をより正確に把握することができる。

最後に、本発明の他の実施形態の可能性について言及する。なお、上述の実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
上記実施形態において、主として、ＰＣ構造物の壁部を検査対象に説明した。しかし、壁部に限られるものではなく、天井部や底部を検査対象とすることも可能である。また、検査対象面は平坦面に限られず、反射波を受信可能であれば湾曲面であってもよい。

また、上記実施形態において、インパクター２として鋼球２を用いた。しかし、インパクター２は、鋼球に限られるものではなく、例えばハンマー等の打撃装置を用いても構わない。また、弾性波の入力は、作業者が手で鋼球を衝突させる他、鋼球を落下させる方法、空気圧等により飛翔体を検査対象へ発射させる方法等を用いても構わない。すなわち、インパクターには、ＰＣに弾性波を入射可能な手法や装置が含まれる。

本発明は、ポストテンション方式で建設されたプレストレスコンクリートの各種構造物におけるグラウト充填度の非破壊検査方法として利用することができる。

１：検査装置、２：インパクター、２ａ：鋼球、３：受信子、４：解析ユニット、５：アンプ、６：パーソナルコンピュータ、７：モニタ、１００：ＰＣ構造物、１００ａ：表面、１００ｂ：裏面、１０１：基材（コンクリート版）、１０２：鋼製シース、１０２ａ：外面、１０２ｂ：内面、１０３：ＰＣ鋼材、１０４：グラウト、１０５：空隙、Ａ：最大振幅値、Ｂ：基準値、Ｃ’：原近似曲線、Ｃ：近似曲線、ｄ：かぶり、ＦＤ：空隙ピーク周波数帯、ｆｔ：板厚相当周波数（最大ピーク周波数）、ｆｄ：空洞ピーク周波数、Ｌ：解析範囲、Ｌａ：始点、Ｐ，Ｐ１〜４，Ｐ１０〜１６：ピーク、Ｑ：受信波形、Ｑａ：第一波、Ｒ：解析波形（スペクトル）、ｒ：シース径、Ｔ：版厚（板厚）、Ｘ：基準軸（値零の軸）、ｘ１，ｘ２：交点、Ｗｅ：弾性波、Ｗｓ：表面波

Claims (5)

1. プレストレスコンクリート（以下、「ＰＣ」という。）におけるグラウト充填度の非破壊検査方法であって、
   ＰＣ表面から鋼製シースに向かって弾性波を入射すると共に反射波を受信し、以下の条件ａの場合は最大振幅値の反射波を含めた範囲の信号を周波数解析し、条件ｂの場合は前記最大振幅値の反射波を半波形分カットした範囲の信号を周波数解析し、前記ＰＣの板厚に相当する周波数である最大の低次側ピークの高次側にあらわれる周波数のピークによりグラウト充填度を判定するグラウト充填度の非破壊検査方法。
   条件ａ：かぶり／シース径＜１
   条件ｂ：かぶり／シース径≧１
2. 前記ＰＣの板厚に相当する周波数である最大の低次側ピークが所定の範囲外の場合に、再度弾性波の入射と反射波の受信を行う請求項１記載のグラウト充填度の非破壊検査方法。
3. 前記周波数解析結果における所定周波数範囲での複数のピークの値を最小自乗法により処理して求めた曲線とこれら複数のピークのそれぞれとの隔たりによりグラウト充填度を判定する請求項１又は２記載のグラウト充填度の非破壊検査方法。
4. 前記反射波の受信子を前記弾性波の送信部よりも上側に配置する請求項１〜３のいずれかに記載のグラウト充填度の非破壊検査方法。
5. プレストレスコンクリート（以下、「ＰＣ」という。）におけるグラウト充填度の非破壊検査装置であって、
   ＰＣ表面から鋼製シースに向かって入射された弾性波が前記ＰＣ内で反射した反射波を受信する受信子と、
   受信した反射波を解析する解析ユニットとを備え、
   前記解析ユニットは、以下の条件ａの場合は最大振幅値の反射波を含めた範囲の信号を周波数解析し、条件ｂの場合は前記最大振幅値の反射波を半波形分カットした範囲の信号を周波数解析し、前記ＰＣの板厚に相当する周波数である最大の低次側ピークの高次側にあらわれる周波数のピークによりグラウト充填度を判定するグラウト充填度の非破壊検査装置。
   条件ａ：かぶり／シース径＜１
   条件ｂ：かぶり／シース径≧１