JP6488659B2 - コンクリート劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート劣化診断装置に関するものである。

代表的なコンクリートの劣化要因として、塩害、中性化、凍害、アルカリ骨材反応が知られている。近年、コンクリート製貯水タンク等においては、中性化による劣化が問題となっている。

中性化とは、ｐＨが１２〜１３の強アルカリ性であるコンクリートに大気中に存在する二酸化炭素が侵入し、水酸化カルシウムなどのセメント水和物と炭酸化反応を起こすことによって、ｐＨを低下させる劣化現象である。

コンクリート内部の鉄筋表面には不動態膜が形成されているが、ｐＨが概ね１１より低くなると不動態膜が破壊されて鉄筋が腐食してしまう。そのため、鉄筋付近まで中性化が進行すると、鉄筋表面の不動態膜が破壊されて鉄筋に腐食が発生しやすくなり、鉄筋の腐食による膨張によりコンクリートにひび割れが発生し、コンクリートの剥落が発生したり、ひび割れを通して水分が浸透するなどして急速に構造物が劣化してしまうことになる。よって、中性化がどの程度進行しているか、すなわち中性化深さを測定することはコンクリートの劣化を診断する上で重要である。

従来、コンクリートの中性化深さを測定する方法として、コンクリートの一部を取り出すコア抜きと呼ばれる作業を行い、取り出したコアにフェノールフタレイン溶液を塗布し、赤く変色しない部分（すなわち中性化している部分）の表面からの深さを測定することで、中性化深さを測定する方法が知られている。

近年では、ドリルで削孔しつつ落下した削孔粉のフェノールフタレイン溶液による呈色反応を行い、赤く変色したときに削孔を停止して削孔の深さを測定することで、中性化深さを求める方法も行われている。

特許文献１では、ドリルでコンクリート構造物に穿孔し、穿孔先端面に近赤外線光線を照射し、その反射光を分析して中性化の程度を測定する方法が提案されている。

また、本発明者らは、特許文献２，３において、コンクリート表面の炭酸カルシウム濃度を分光分析により測定することで、中性化の程度を評価する方法を提案している。

特開２００９−１３９０９８号公報 特開２０１２−１８５００２号公報 特開２０１０−２７１０６２号公報 国際公開第２０１０／０４６９６８号

しかしながら、フェノールフタレイン溶液を用いる方法や特許文献１の方法では、コンクリートの一部を取り出す破壊検査であるため、汎用性が低く、例えば上述のコンクリート製貯水タンクのような密閉性が求められる構造物に適用することができないという問題がある。

また、特許文献２，３のようにコンクリート表面の炭酸カルシウム濃度を測定する方法では、コンクリート表面の炭酸カルシウム濃度から中性化深さを推定することは可能であるが、コンクリート表面の炭酸カルシウム濃度は比較的短い供用時間で飽和してしまうため、それ以降の中性化深さの推定ができなくなってしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、非破壊で中性化深さを測定することが可能なコンクリート劣化診断装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、測定対象となるコンクリート表面の測定位置に光を照射する光源と、前記光源からの光が前記測定位置で反射された反射光のスペクトルを測定する分光器と、前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予め中性化深さの異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、前記測定位置での中性化深さを求める演算装置と、を備え、前記検量線は、中性化深さおよび含水率の異なる試料を用いて作成されるコンクリート劣化診断装置である。

前記演算装置は、前記分光器で測定した反射光のスペクトルを基に、ケモメトリックス手法により前記測定位置での中性化深さを求めるように構成されてもよい。

前記コンクリート表面に沿って移動可能に構成され、前記光源からの光を前記測定位置に照射し、前記測定位置からの反射光を前記分光器に入力するプローブヘッドを備え、前記演算装置は、前記プローブヘッドにより前記測定位置を移動させつつ中性化深さの測定を繰り返して、中性化深さの分布を測定するように構成されてもよい。

前記演算装置は、前記中性化深さの分布を、コンター図により表示する表示部をさらに備えてもよい。

前記演算装置は、前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予め塩化物イオン濃度の異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、前記測定位置での塩化物イオン濃度も測定するように構成されてもよい。

本発明によれば、非破壊で中性化深さを測定することが可能なコンクリート劣化診断装置を提供できる。

本実施形態に係るコンクリート劣化診断装置の概略構成図である。 本発明において、反射光のスペクトルの一例を示す図である。 本発明において、中性化促進週に対する中性化深さの関係を示すグラフ図である。 本発明において、表示するコンター図の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施形態に係るコンクリート劣化診断装置の概略構成図である。

図１に示すように、コンクリート劣化診断装置１は、測定対象となるコンクリートＣの表面の測定位置Ｍに光を照射する光源２と、光源２からの光が測定位置Ｍで反射された反射光のスペクトルを測定する分光器３と、分光器３で測定した反射光のスペクトルと、予め中性化深さの異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、測定位置Ｍでの中性化深さを求める演算装置４と、を備えている。

光源２としては、近赤外線を含む光を照射可能なものを用いる。本実施形態では、光源２としてハロゲンランプを用いた。本実施形態では、コンクリートＣに含まれる骨材等の影響を避けるために、光源２からの光をコンクリートＣの表面のある程度広い範囲（ここでは５ｃｍ×１０ｃｍの範囲とした）に照射し、その照射範囲全体からの反射光を受光して分光器３に入力するように構成している。

コンクリート劣化診断装置１では、コンクリートＣの表面に沿って移動可能に構成され、光源２からの光を測定位置Ｍに照射し、測定位置Ｍからの反射光を分光器３に入力するプローブヘッド５を備え、このプローブヘッド５を移動させつつ測定を行うように構成している。

プローブヘッド５には、光源２と、測定位置Ｍからの反射光を受光する受光部６と、分光器３とが搭載され、受光部６で受光した反射光が光ファイバ７を介して分光器３に入力されるように構成されている。なお、本実施形態では、分光器３をプローブヘッド５に搭載しているが、分光器３をプローブヘッド５と別体に構成しても構わない。

プローブヘッド５には、プローブヘッド５をコンクリートＣの表面に沿って移動させるための車輪８が設けられ、この車輪８の回転数を検出するエンコーダ（図示せず）が搭載されており、エンコーダの出力からプローブヘッド５の移動距離が検出できるように構成されている。プローブヘッド５を安定して移動させるため、少なくとも３個以上（ここでは４個とした）の車輪８をプローブヘッド５に備えることが望ましい。

また、プローブヘッド５には、上方に延びるハンドル９が備えられており、作業者は、このハンドル９を把持してプローブヘッド５を移動させつつ、測定を行うことになる。本実施形態では、ハンドル９を伸縮自在に構成しており、高所での測定も可能としている。また、図示していないが、測定位置Ｍに外部からの光が入らないように、プローブヘッド５の下部には、測定位置Ｍの周囲を覆うように遮光用のスカートが設けられている。

プローブヘッド５は、インターフェイス１０を介して演算装置４に接続されている。演算装置４は、例えばパーソナルコンピュータから構成される。インターフェイス１０には、光源２に電源を供給するランプ電源１０ａや、エンコーダの出力をカウントするカウンタ１０ｂが搭載されている。インターフェイス１０とプローブヘッド５とは専用のケーブル１１で接続されており、ケーブル１１を介して光源２への電源信号、エンコーダからの出力信号、分光器３からの出力信号を有線通信にて入出力している。なお、プローブヘッド５にバッテリを搭載し、エンコーダからの出力信号や分光器３からの出力信号を無線通信によりインターフェイス１０に送信するように構成しても構わない。

インターフェイス１０と演算装置４とは、ＬＡＮケーブル等の通信ケーブル１２により接続されている。演算装置４は、インターフェイス１０を介して分光器３から入力された反射光のスペクトルと、予め中性化深さの異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、測定位置Ｍでの中性化深さを求めるように構成されている。

本実施形態では、演算装置４は、分光器３で測定した反射光のスペクトルを基に、ケモメトリックス手法により測定位置Ｍでの中性化深さを求めるように構成されている。ケモメトリックス手法とは、多変量解析技術、統計解析技術を基礎とする解析技術であり、特定波長の受光強度の変化だけでなく、スペクトル中の多くの波長の受光強度の変化を考慮して解析を行うことにより、複数の要因の中から対象とする要因（ここでは中性化深さ）の影響のみを抽出する手法である。

以下、中性化深さを求める手順について具体的に説明する。

まず、異なる期間中性化を促進させた試料を作成し、各試料の近赤外線を照射したときの反射スペクトルと中性化深さを測定する。中性化深さは、各試料から取り出したコアにフェノールフタレイン溶液を塗布し、赤く染まらない部分、すなわちフェノールフタレイン溶液の呈色域であるｐＨ１０以下となっている領域の表面からの深さを測定することにより行った。また、反射スペクトルについては、波長域を９００ｎｍ〜１７００ｎｍとした。得られる反射スペクトルの一例を図２に示す。

ここで、本実施形態では、中性化深さのみでなく、含水率も異なる試料を作成し、各資料の反射スペクトルを測定した。これは、コンクリートＣは含水率によっても反射スペクトルが変化するためであり、含水率による影響を除き中性化深さの影響のみを抽出するためである。

その後、得られた各試料の反射スペクトルと中性化深さのデータから、反射スペクトルの各波長の受光強度と中性化深さの相関を回帰分析により解析する。本実施形態では、ＰＬＳ（Partial Least Square）回帰分析により分析を行い、含水率の影響を抑制した回帰スペクトルを求めた。その後、回帰スペクトルと各試料の反射スペクトルの内積をとった値（以下、単に受光強度という）と、中性深さの関係を検量線として求めた。

演算装置４では、このように求めた回帰スペクトルと検量線とを用いて、測定位置Ｍにおける中性化深さを求めるように構成されている。具体的には、演算装置４は、測定位置Ｍにおける反射スペクトルと回帰スペクトルの内積を演算して受光強度を求め、その受光強度に対応する中性化深さを予め求めておいた検量線より求めるように構成されている。

本実施形態の効果を検証するため、中性化を促進させた期間（中性化促進週）が異なり、かつ含水率も異なる試料について、コンクリート劣化診断装置１により求めた中性化深さの演算結果を図３に示す。

図３に示すように、演算により求めた中性化深さは、含水率によらず中性化促進週に比例して増加しており、含水率の影響を抑制して非破壊で中性化深さを測定できていることが分かる。今回の検証により、含水率が１０％以内であれば、含水率の影響を受けずに中性化深さが測定可能であることが確認された。含水率が１０％を超える場合、コンクリートＣ表面に水分が付着して濡れた状態となってしまうので、表面の水分による光の吸収の影響が大きく正確な測定は困難であった。なお、コンクリートＣの通常の含水率は４〜５％程度である。

本実施形態では、演算装置４は、プローブヘッド５により測定位置Ｍを移動させつつ中性化深さの測定を繰り返して、中性化深さの分布を測定するように構成されている。演算装置４は、中性化深さの分布を、コンター図により表示する表示部４ａをさらに備えている。

演算装置４で表示するコンター図の一例を図４に示す。図４に示すように、コンター図は、各測定位置Ｍでの中性化深さの大きさを色や濃淡により表すものであり、中性化深さの分布を視覚的に捉えることが可能になる。本実施形態では、構造物の中性化深さの分布をより捉えやすくするため、構造物の写真にコンター図を重ねて表示するようにしている。なお、中性化深さの分布の表示方法はこれに限定されるものではなく、例えばグラフ形式での表示も可能としてもよい。

さらに、本実施形態では、演算装置４は、分光器３で測定した反射光のスペクトルを用いて、中性化深さと同時に塩害の要因となる塩化物イオン濃度も測定するように構成されている。つまり、演算装置４は、１つの反射光のスペクトルから、中性化深さと塩化物イオン濃度の両者を測定するように構成されている。

演算装置４における塩化物イオン濃度の演算方法は、上述の中性化深さと同様であり、ケモメトリックス手法を用い、分光器３で測定した反射光のスペクトルと、予め塩化物イオン濃度の異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、測定位置Ｍでの塩化物イオン濃度を測定する。演算装置４では、中性化深さの分布と同時に塩化物イオン濃度の分布も測定できることになるため、塩化物イオン濃度の分布もコンター図として表示部４ａに表示するように演算装置４を構成してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係るコンクリート劣化診断装置１は、測定対象となるコンクリートＣ表面の測定位置Ｍに光を照射する光源２と、光源２からの光が測定位置Ｍで反射された反射光のスペクトルを測定する分光器３と、分光器３で測定した反射光のスペクトルと、予め中性化深さの異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、測定位置Ｍでの中性化深さを求める演算装置４と、を備えている。

このように構成することで、非破壊で中性化深さを測定することが可能なコンクリート劣化診断装置１を実現できる。また、コンクリート劣化診断装置１では、特許文献１のように穿孔を行う必要もないため、短時間での測定が可能である。

また、本実施形態では、分光器３で測定した反射光のスペクトルを基に、ケモメトリックス手法により測定位置Ｍでの中性化深さを求めており、かつ、中性化深さおよび含水率の異なる試料を用いて検量線を作成している。

これにより、含水率が１０％以下であれば、含水率の影響を受けずに中性化深さを求めることが可能になる。

また、本実施形態では、中性化深さと同時に塩化物イオンの濃度も測定しており、１度の計測で２つの劣化因子を測定することが可能である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態では言及しなかったが、任意の測定位置Ｍで中性化深さの実測を行い、その実測値により中性化深さの分布を補正（オフセットゲインの調整）を行い、より正確な中性化深さの分布を求めるように構成してもよい。

また、供用年数をｔ、中性化深さをｙとすると、下式
ｙ＝ａ・ｔ^1/2
但し、ａ：係数
の関係が成立するため、測定対象のコンクリートＣの供用年数ｔと測定した中性化深さｙから係数ａを求め、任意の供用年数ｔにおける中性化深さｙを推定できるように演算装置４を構成してもよい。

１ コンクリート劣化診断装置
２ 光源
３ 分光器
４ 演算装置
Ｃ コンクリート
Ｍ 測定位置

Claims (5)

1. 測定対象となるコンクリート表面の測定位置に光を照射する光源と、
   前記光源からの光が前記測定位置で反射された反射光のスペクトルを測定する分光器と、
   前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予め中性化深さの異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、前記測定位置での中性化深さを求める演算装置と、
   を備え、
   前記検量線は、中性化深さおよび含水率の異なる試料を用いて作成される
   ことを特徴とするコンクリート劣化診断装置。
2. 前記演算装置は、前記分光器で測定した反射光のスペクトルを基に、ケモメトリックス手法により前記測定位置での中性化深さを求めるように構成される
   請求項１記載のコンクリート劣化診断装置。
3. 前記コンクリート表面に沿って移動可能に構成され、前記光源からの光を前記測定位置に照射し、前記測定位置からの反射光を前記分光器に入力するプローブヘッドを備え、
   前記演算装置は、前記プローブヘッドにより前記測定位置を移動させつつ中性化深さの測定を繰り返して、中性化深さの分布を測定するように構成される
   請求項１または２記載のコンクリート劣化診断装置。
4. 前記演算装置は、前記中性化深さの分布を、コンター図により表示する表示部をさらに備える
   請求項３記載のコンクリート劣化診断装置。
5. 前記演算装置は、前記分光器で測定した反射光のスペクトルと、予め塩化物イオン濃度の異なる試料を用いて作成された検量線とを基に、前記測定位置での塩化物イオン濃度も測定するように構成される
   請求項１〜４いずれかに記載のコンクリート劣化診断装置。