JP6286340B2 - コンクリート強度の推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート強度の推定方法に関する。

既存建物等のコンクリートの圧縮強度を推定する場合には、複数のコア供試体を採取して、これらのコア供試体に対して強度試験を実施することで、コンクリートの圧縮強度分布を推定するのが一般的であった。
特に、既存建物の階層や部位ごとに異なる調合強度のコンクリートが用いられる事も多く、既存建物から複数のコア供試体を採取して、材料強度試験が実施されてきた。
また、既存建物のコンクリートは、建設当時のコンクリートの打設方法や建物完成後の使用環境など、多数の要因が影響して強度が発現するために、複数の供試体を採取して推定されてきた。
しかしながら、既存建物から採取した複数のコア供試体を使用して推定するコンクリートの強度推定方法は、ＲＣ造躯体に多数の削孔穴を空けることになり、既存建物に損傷を及ぼす恐れがあった。また、複数のコア供試体を採取した後、材料強度の試験結果を得るまでには１〜２日程度の材料試験期間が必要であった。
一方、コンクリートの強度推定方法として、超音波などの弾性波の伝搬速度に基づいて、コンクリートの圧縮強度を推定する非・微破壊検査方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
これは、コンクリート中を伝搬する弾性波の伝搬速度（例えば、超音波伝搬速度）は、コンクリートの圧縮強度が高くなるほど大きくなる傾向にあることに基づいている。なお、弾性理論によれば、コンクリート中の弾性波の縦波伝搬速度は、弾性係数、密度およびポアソン比等により決まるものである。伝搬速度と圧縮強度の関係については、多くの実測データをもとに多数の強度推定式が提案されている。
しかしながら、従来のコンクリートの圧縮強度推定式では、超音波伝搬速度と圧縮強度は殆どが一対一の関係（一価関数）で評価されており、コンクリートを構成する粗骨材や混和材の種類によって、コンクリートの圧縮強度と超音波伝搬速度との関係が大きく変化するコンクリート特有の強度特性は評価されていなかった。
また、様々な種類の粗骨材や混和材を使用したコンクリートを対象とした圧縮強度と超音波伝搬速度との関係については、直接、実験データに基づいた双方の工学指標を結びつける精度の高い強度推定式は得られていなかった。

木村芳幹他１名、「超音波速度法による高強度コンクリート構造体の品質の推定」、２００１年、コンクリート工学年次論文集、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．１、第５７７頁から第５８２頁

以上の手法では、様々な種類の粗骨材や混和材を使用したコンクリートについては、超音波伝搬速度に基づく圧縮強度推定式の信頼性は低く、また、多数のコア供試体を用いた圧縮強度推定方法では、既存建物に損傷を及ぼす、という問題があった。
本発明は、前記の問題点を解決することを目的とするものであり、コンクリートを構成する骨材や混和材の影響を考慮した既存建物のコンクリート強度を、短時間で、かつ精度良く推定することを可能とした、コンクリートの圧縮強度推定方法（コンクリート強度の推定方法）を提案することを課題とする。

本発明者らは、既存建物のコンクリートの圧縮強度の推定方法として、既存建物から複数のコア供試体を採取し、そのコア供試体の材料強度試験結果より推定するのではなく、非破壊検査によるコンクリートの超音波伝搬速度測定値と、最低限１本のコア供試体の材料試験結果から推定されるコンクリートの特性とを対応付けることで、精度良くコンクリートの圧縮強度が推定できることに着眼し、殆どＲＣ躯体に損傷を与えることのないコンクリートの圧縮強度推定方法（コンクリート強度の推定方法）を発明した。
このような課題を解決する本発明は、既存構造物のコンクリート強度の推定方法であって、既存構造物のコンクリートの超音波伝搬速度測定値Ｖ_ｃを測定するステップと、前記既存構造物のコンクリート密度ρ_ｃおよび前記超音波伝搬速度測定値Ｖ_ｃを利用して、式１により前記コンクリートの静弾性係数Ｅ_ｃを推定するステップと、前記静弾性係数Ｅ_ｃを利用して、式２により前記既存構造物のコンクリートの圧縮強度Ｆ_ｃを推定するステップと、を備えることを特徴としている。
前記コンクリート強度の推定方法は、既存構造物からコア供試体などの試験片を採取するステップと、前記試験片のコンクリートの圧縮強度測定値Ｆ_０、超音波伝搬速度測定値Ｖ_０およびコンクリート密度測定値ρ_０を測定するステップと、前記圧縮強度測定値Ｆ_０、前記超音波伝搬速度測定値Ｖ_０および前記コンクリート密度測定値ρ_０を利用して、式３により修正係数ｋを推定するステップとをさらに備えていてもよいし、式４を利用して前記修正係数ｋを推定するステップをさらに備えていてもよい。
コンクリート密度ρ_ｃは、一般的な材料定数２.３（g/cm³）、或いは、既存構造物から採取した試験片より測定して得られる測定値であっても良い。コンクリート密度ρ_ｃは、一般的な材料定数に比べて、試験片の測定値のほうが、既存建物のコンクリートの実際の材料特性をより精度良く捉えることができる。
そして、前記コンクリートの圧縮強度Ｆ_ｃの推定において、推定した構造体内のコンクリート密度ρ_cと修正係数ｋを利用すればよい。

かかるコンクリート強度の推定方法によれば、多数の供試体を利用することを要しないため、簡易にコンクリートの材料の種類等を考慮して、コンクリート圧縮強度を高精度に推定することができる。また、コア供試体を採取することによる既存構造物等への影響を最小限に抑えることができる。

本発明のコンクリート圧縮強度の推定方法（コンクリート強度の推定方法）によれば、殆ど既存建物に損傷を与えることなく、短時間で精度よく、既存建物のコンクリート圧縮強度を推定することができる。

コンクリートの弾性理論による弾性係数推定値と静弾性係数実測値との関係を示すグラフである。

本発明は、既存建物のコンクリート圧縮強度を殆ど既存建物に損傷を与えることなく、短時間で、かつ数多くの建物部位について、精度よく推定する強度推定方法に係る発明である。
本発明では、非破壊検査法で確認した既存建物のコンクリートの超音波伝搬速度測定値からコンクリートの圧縮強度を推定している。
第一実施形態では、コア供試体から圧縮強度、超音波伝搬速度、コンクリート密度を算出し、その各種の測定値を用いて、粗骨材および混和材による影響を修正係数として評価し、修正係数を静弾性係数と圧縮強度を対応付ける評価式に乗じることで、コンクリートを構成する材料特性の違いが圧縮強度に及ぼす影響を一義的に評価するものである。
また、第二実施形態は、コンクリートを構成する粗骨材または混和材が圧縮強度に及ぼす影響を、直接、修正係数として評価して、コンクリートを構成する材料特性の違いが圧縮強度に及ぼす影響を一義的に評価するものである。
以下では、各実施形態における既存建物（既存構造物）内のコンクリートの圧縮強度を推定する場合について説明する。
各実施形態のコンクリート強度の推定方法は、試験片採取ステップ、密度測定ステップ、修正係数算出ステップ、超音波伝搬速度測定ステップ、弾性係数推定ステップおよび圧縮強度推定ステップを備えている。

［第一実施形態］
試験片採取ステップは、既存建物からコア供試体（試験片）を採取するステップである。
本実施形態ではコアボーリングを実施することで、１本のコア供試体を採取する。なお、コア供試体の本数は１本に限定されるものではなく、２本以上採取してもよい。また、コア供試体の採取方法や形状（径、長さ等）等は限定されるものではない。

密度測定ステップは、コア供試体のコンクリート密度（コンクリート密度測定値）ρ_ｃ（＝ρ_０）を測定するステップである。
コンクリート密度ρ_ｃ（＝ρ_０）の測定は、コア供試体に対して、密度試験を実施することで測定する。
既存建物のコンクリート密度ρ_ｃは、既存建物から採取したコア供試体から測定しなくても、現場での非破壊検査（例えば、Ｘ線による密度推定方法など）で確認してもよい。
なお、コア供試体は、評価対象となる既存建物と同種のコンクリートからなるコンクリート構造物から採取してもよい。

修正係数算出ステップは、コア供試体により定まる修正係数を算出するステップである。
まず、超音波伝搬速度測定装置を利用して、コア供試体の超音波伝搬速度（超音波伝搬速度測定値）Ｖ_０を測定する。
次に、強度試験装置を用いてコア供試体の圧縮強度（圧縮強度測定値）Ｆ_０を測定する。
そして、コア供試体の圧縮強度測定値Ｆ_０、超音波伝搬速度測定値Ｖ_０および密度測定値ρ_０を測定したら、圧縮強度測定値Ｆ_０、超音波伝搬速度測定値Ｖ_０および密度測定値ρ_０を式３に代入して修正係数ｋを算出（推定）する。なお、式３は、後記する式１および式２に基づく修正係数ｋの算出用の式である。

超音波伝搬速度測定ステップは、既存構造物のコンクリートの超音波伝搬速度（超音波伝搬速度測定値）Ｖ_ｃを、コンクリート表面から測定するステップである。表面からの測定であっても、例えば壁の両面から超音波が内部を透過するように測定を行えば、壁の内部のコンクリートの超音波伝搬速度の測定が可能である。
超音波伝搬速度は、超音波伝搬速度測定装置を利用して測定する。

弾性係数推定ステップは、コンクリートの静弾性係数Ｅ_ｃを推定するステップである。
静弾性係数は、構造体内のコンクリート密度ρ_ｃと超音波伝搬速度測定値Ｖ_ｃを利用して、式１により算出する。
なお、式１は、弾性理論における弾性体中の弾性波の縦波伝搬速度の推定に用いられる式（式４）をコンクリート用に修正した式である。
ここで、一般的なコンクリートにおけるポアソン比は０．２程度であるため、式１ではρ_ｃ・Ｖ^２に乗じる値を０．９としている。また、コンクリートは完全弾性体ではなく、その静弾性係数は圧縮強度の１／３応力時の割線弾性係数として与えられるため、コンクリートの静弾性係数は弾性波伝搬時における微小変形領域での弾性係数よりも小さい値となる。そのため、式１では、修正係数α、βにより補正を行っている。なお、一般的なコンクリートにおける修正係数α、βは、α＝１．０４、β＝１２．０程度となる（図１参照）。

圧縮強度推定ステップは、既存構造物のコンクリートの圧縮強度Ｆ_ｃを推定するステップである。
圧縮強度Ｆ_ｃは、静弾性係数Ｅ_ｃおよび修正係数ｋを利用して、式２により算出する。
なお、式２は、「建築工事標準仕様書・同解説ＪＡＳＳ ５ 鉄筋コンクリート工事」（日本建築学会）に紹介されているＮｅｗＲＣ式（式５）をもとに作成した式である。

第一実施形態のコンクリート強度の推定方法によれば、以下のような効果がある。
（１）複数の供試体を利用することを要しないため、簡易にコンクリートの材料の種類等を考慮して、コンクリート圧縮強度を高精度に推定することができる。
また、コア供試体を多数採取することによる既存構造物等への影響を最小限に抑えることができる。
（２）既存建物のコンクリートの圧縮強度を、非破壊試験装置（超音波伝搬速度測定装置）を用いた超音波伝搬速度の測定値と、既存建物から採取したコア供試体の測定値とに基づき、短時間で広範囲にわたって推定することができる。
（３）修正係数ｋを利用することで、コンクリートの材料の種類等による影響を評価することが可能となり、従来よりも高い推定精度が期待できる。

以下、本実施形態のコンクリート強度の推定方法について行った実験結果について説明する。
まず、表１に示す材料を使用して、水セメント比４０、４５、５５％の３調合（Ａ〜Ｃ）のコンクリートを製造し、それぞれについて２個ずつ、計６個のφ１００×２００ｍｍの２０℃封緘養生供試体（Ａ１〜Ｃ１およびＡ２〜Ｃ２）を作成した。これらの供試体のうち、水セメント比が中間的な値である４５％の調合Ｂの材齢３日で測定を行う供試体Ｂ１を特許請求の範囲における「既存構造物から採取した試験片」に相当するものとし、その他の供試体を特許請求の範囲における「既存構造物」に相当するものと位置付けた。
次に、材齢３日で供試体Ａ１〜Ｃ１、材齢９１日で供試体Ａ２〜Ｃ２について、超音波伝搬速度、密度、圧縮強度および静弾性係数の測定を行った。測定結果は、表２に示す通りである。

表２に示すように、供試体Ｂ１の超音波伝搬速度、密度および圧縮強度の測定結果を用いて式３により算出した修正係数ｋは、１．０８となった。
式１および式２に修正係数ｋ＝１．０８を代入して他の５個の供試体の静弾性係数Ｖ_ｃおよび圧縮強度Ｆ_ｃを推定したところ、静弾性係数の測定値２０．１〜３３．５ｋＮ／ｍｍ^２、圧縮強度の測定値１４．９〜５１．９Ｎ／ｍｍ^２に対して、それぞれ測定値に近い値として推定値が得られた。

［第二実施形態］
第二実施形態では、既存構造物のコンクリートの粗骨材の種類や混和材の種類を把握している場合について説明する。
第二実施形態では、式４により算出した修正係数を利用する。

第二実施形態のコンクリート強度の推定方法によれば、第一実施形態と同様の効果がある。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、既存建物のコンクリート強度を推定する場合について説明したが、本発明のコンクリート強度の推定方法が適用可能な既存構造物は建物に限定されない。また、既存構造物の使用目的、形状、規模等も限定されない。

Claims (3)

1. 既存構造物のコンクリート強度の推定方法であって、
   既存構造物のコンクリートの超音波伝搬速度測定値Ｖ_ｃを測定するステップと、
   前記既存構造物のコンクリート密度ρ_ｃおよび前記超音波伝搬速度測定値Ｖ_ｃを利用して、式１により前記コンクリートの静弾性係数Ｅ_ｃを推定するステップと、
   前記静弾性係数Ｅ_ｃを利用して、式２により前記既存構造物のコンクリートの圧縮強度Ｆ_ｃを推定するステップと、を備えることを特徴とする、コンクリート強度の推定方法。
   

   
2. 既存構造物から試験片を採取するステップと、
   前記試験片のコンクリートの圧縮強度測定値Ｆ_０、超音波伝搬速度測定値Ｖ_０およびコンクリート密度測定値ρ_０を測定するステップと、
   前記圧縮強度測定値Ｆ_０、前記超音波伝搬速度測定値Ｖ_０および前記コンクリート密度測定値ρ_０を利用して、式３により修正係数ｋを推定するステップと、をさらに備え、
   前記修正係数ｋを利用して、前記既存構造物のコンクリートの圧縮強度Ｆ_ｃを推定することを特徴とする、請求項１に記載のコンクリート強度の推定方法。
   

   
3. 式４を利用して修正係数ｋを推定するステップをさらに備え、
   前記修正係数ｋを利用して、前記既存構造物のコンクリートの圧縮強度Ｆ_ｃを推定することを特徴とする、請求項１に記載のコンクリート強度の推定方法。
   

   

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