JP6518939B2 - Method of estimating moisture of concrete structure and system of estimating moisture of concrete structure - Google Patents
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Description
本発明は、コンクリート構造物の水分推定方法及びコンクリート構造物の水分推定システムに関する。 The present invention relates to a method of estimating moisture of a concrete structure and a system of estimating moisture of a concrete structure.
コンクリート構造物にはジャンカやひび割れ等の欠損が生ずる可能性があり、そこに水が溜まってコンクリート構造物を構成する鉄筋や構造材を腐食したり脆弱化するおそれがある。したがって、コンクリート構造物内の水分の分布を推定できる技術の実現が望まれている。 In concrete structures, defects such as junk and cracks may occur, and water may be accumulated therein to corrode or weaken reinforcing bars and structural materials that constitute the concrete structure. Therefore, it is desirable to realize a technology that can estimate the distribution of water in a concrete structure.
例えば、コンクリート構造物を挟むように中性子線源とパネル型高感度中性子検出器を配置し、コンクリート構造物を透過させて中性子線源から放射された中性子を検出器によって検出することによりコンクリート構造物の欠損を検出する技術が開示されている(特許文献1)。
For example, a neutron beam source and a panel type high sensitivity neutron detector are disposed so as to sandwich the concrete structure, and the concrete structure is transmitted by the concrete structure and the neutron emitted from the neutron beam source is detected by the detector.
また、セメントを硬化材としてホウ素化合物等のトレーサを添加した注入剤をセメントの裏側に注入し、セメント表面側から中性子を照射してトレーサに救出された熱中性子の数を測定してセメントの注入度合を検出する技術が開示されている(特許文献2)。 Also, inject the cement into the back side of the cement with an injection agent added with a tracer such as a boron compound as a hardening material, irradiate neutrons from the cement surface side, measure the number of thermal neutrons rescued by the tracer, and inject cement. A technique for detecting the degree is disclosed (Patent Document 2).
ところで、照射する中性子を発生させる中性子線源は、原子炉を使用する方式と加速器を使用する方式がある。透過型の中性子線検出では中性子線源とセンサとで測定対象物を挟み込む配置が必要であり、主として屋外に存在するコンクリート構造物を測定対象物とする場合には中性子線源やセンサの移動が不可能又は困難であったり、測定対象物の形状や厚みによっては背面側への配置が不可能であったりする。また、中性子線源と検出器との配置の関係において原理的にシステムが大型化してしまう。最近では屋外でも使用できる移動可能な加速器を開発している研究機関もあるが開発途上である。 By the way, as a neutron source for generating neutrons to be irradiated, there are a method using a nuclear reactor and a method using an accelerator. In the transmission type neutron beam detection, it is necessary to arrange the object to be measured between the neutron beam source and the sensor, and when using a concrete structure existing mainly outdoors as the object to be measured, movement of the neutron beam source or sensor is required. It is impossible or difficult, and depending on the shape and thickness of the object to be measured, placement on the back side may not be possible. In addition, in principle, the size of the system is increased due to the arrangement of the neutron source and the detector. Recently, some research institutes are developing mobile accelerators that can be used outdoors, but they are still developing.
また、ホウ素化合物等をトレーサとする技術は、トレーサが添加されていない既存のコンクリート構造物には適用することが原理的に不可能である。 Moreover, it is impossible in principle to apply the technique which makes a boron compound etc. a tracer to the existing concrete structure to which the tracer is not added.
本発明は、コンクリート構造物内のジャンカやひび割れ等に溜まった水分を検知するコンクリート構造物の水分推定方法及びコンクリート構造物の水分推定システムを提供する。 The present invention provides a method for estimating the moisture of a concrete structure and a system for estimating the moisture of the concrete structure, which detect moisture accumulated in junka, cracks, etc. in the concrete structure.
本発明の請求項1に係る中性子を用いたコンクリート構造物の水分推定方法は、コンクリートの元素密度組成及び結合水の含有量を条件として、中性子の線源の位置と計測点の位置との関係に基づいて前記線源から放射された中性子が前記コンクリートにより構成された調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答をモデル化してモンテカルロ法及びSN法を含む放射線輸送計算コードにより解析する第1のステップと、前記線源から放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答を実測する第2のステップと、前記実測された応答と前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定する第3のステップとを備えることを特徴とする。
In the method of estimating moisture of a concrete structure using neutrons according to
ここで、前記第3のステップは、前記第1のステップにおいて複数の前記元素密度組成及び前記結合水の含有率の組み合わせであるコンクリートの種別毎に解析した前記解析された応答を記憶させたデータベースを参照して、前記実測された応答と前記調査対象であるコンクリート構造物を構成するコンクリートの種別に対して前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定することが好適である。 Here, the third step is a database storing the analyzed response analyzed for each type of concrete, which is a combination of a plurality of the element density compositions and the content of the binding water in the first step. The presence of moisture in the concrete structure to be investigated using the measured response and the analyzed response to the type of concrete constituting the concrete structure to be investigated. It is preferable to estimate
また、前記第1のステップは、前記調査対象であるコンクリート構造物にそれぞれ検査対象領域及び周辺領域を設定してモデル化し、前記検査対象領域をm個の分割対象領域k(mは2以上の整数、k=1,…,m)にメッシュ分割して、複数の前記線源の位置i(iは2以上の整数)及び複数の前記計測点の位置j(jは2以上の整数)の組み合わせの各々についての前記分割対象領域kの各々からの寄与ri,j,kを求め、前記線源の位置iから放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点の位置jにおいて計測されるときの前記解析された応答Ri,jを
また、前記第1のステップは、前記線源の位置i及び前記計測点の位置jの組み合わせの各々について、前記分割対象領域kに前記コンクリートが体積率100%で存在するときの寄与rci,j,k、及び、前記分割対象領域kに前記水が体積率100%で存在するときの寄与rwi,j,kを求め、前記第2のステップは、前記線源の位置i及び前記計測点の位置jの組み合わせの各々について、前記線源から放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答Di,jを実測し、前記第3のステップは、
の関係を用いて前記分割対象領域kにおける水分の体積率ωkを推定することが好適である。
In the first step, for each combination of the position i of the radiation source and the position j of the measurement point, contribution rc i when the concrete is present at a volume ratio of 100% in the division target area k j, k , and a contribution r w i, j, k when the water is present at a volume ratio of 100% in the division target area k , and the second step determines the position i of the radiation source and the measurement For each combination of point positions j, the response D i, j is measured when neutrons emitted from the radiation source are measured at the measurement point via the concrete structure to be investigated,
It is preferable to estimate the volume fraction ω k of water in the division target region k using the relationship of
また、前記数式(2)の誤差が最小となる前記分割対象領域kにおける水分の体積率
ωkを推定することが好適である。
Further, it is preferable to estimate the volume fraction ω k of water in the division target region k which minimizes the error of the equation (2).
また、前記第3のステップにおいて推定された前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を可視化する第4のステップを備えることが好適である。 In addition, it is preferable to include a fourth step of visualizing the presence of water in the concrete structure to be investigated, which is estimated in the third step.
また、前記第2のステップにおいて使用される前記線源は、前記調査対象であるコンクリート構造物に対面する領域以外を中性子遮蔽手段で覆った構造を有することが好適である。 Further, it is preferable that the radiation source used in the second step has a structure in which a region other than a region facing the concrete structure to be investigated is covered with a neutron shielding means.
また、前記第2のステップは、前記調査対象であるコンクリート構造物の表面上を前記線源及び前記計測点を順次移動させて前記実測された応答を実測することが好適である。 In the second step, it is preferable to move the radiation source and the measurement point sequentially on the surface of the concrete structure to be examined to measure the actually measured response.
本発明の請求項9に係る中性子を用いたコンクリート構造物の水分推定システムは、コンクリートの元素密度組成及び結合水の含有量を条件として、中性子の線源の位置と計測点の位置との関係に基づいて前記線源から放射された中性子が前記コンクリートにより構成された調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答をモデル化して解析した結果をデータベースとして記憶する記憶手段と、前記線源から放射された中性子が調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答を実測する実応答計測手段と、前記実測された応答と前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定する水分推定手段とを備えることを特徴とする。 According to the ninth aspect of the present invention, there is provided a system for estimating the moisture content of a concrete structure using neutrons, wherein the relationship between the position of the radiation source of neutrons and the position of the measurement point is conditional on the element density composition of concrete and the content of bound water. And store the results of modeling and analyzing the response when neutrons emitted from the radiation source are measured at the measurement point through the concrete structure formed by the concrete based on the above. Storage means, actual response measurement means for measuring the response when neutrons emitted from the radiation source are measured at the measurement point through the concrete structure to be investigated, the measured response, and the analysis Water estimation means for estimating the presence of water in the concrete structure to be investigated using the determined response To.
ここで、前記水分推定手段において推定された前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を可視化して表示する表示手段をさらに備えることが好適である。 Here, it is preferable to further include display means for visualizing and displaying the presence of the water in the concrete structure to be surveyed estimated by the water estimation means.
本発明の請求項1に係る中性子を用いたコンクリート構造物の水分推定方法によれば、コンクリートの元素密度組成及び結合水の含有量を条件として、中性子の線源の位置と計測点の位置との関係に基づいて前記線源から放射された中性子が前記コンクリートにより構成された調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答をモデル化してモンテカルロ法及びSN法を含む放射線輸送計算コードにより解析する第1のステップと、前記線源から放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答を実測する第2のステップと、前記実測された応答と前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定する第3のステップとを備えることによって、前記評価対象であるコンクリート構造物内の水分の分布を精度よく推定することができる。また、コンクリート構造物の一方向からの水分の存在の推定が可能となり、トレーサが不要で既存のコンクリート構造物への適用も可能となる。
According to the method of estimating the moisture content of a concrete structure using neutrons according to
また、前記第3のステップは、前記第1のステップにおいて複数の前記元素密度組成及び前記結合水の含有率の組み合わせであるコンクリートの種別毎に解析した前記解析された応答を記憶させたデータベースを参照して、前記実測された応答と前記調査対象であるコンクリート構造物を構成するコンクリートの種別に対して前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定することによって、予め前記データベースとして登録された前記解析された応答に基づいて前記実測された応答に対応する前記コンクリート構造物内の水分の存在を推定することができる。 In the third step, a database storing the analyzed response analyzed for each type of concrete, which is a combination of a plurality of the element density compositions and the content of the binding water in the first step Referring to the measured response and the analyzed response to the type of concrete constituting the concrete structure to be surveyed, the presence of water in the concrete structure to be surveyed is determined. By estimating, the presence of water in the concrete structure corresponding to the measured response can be estimated based on the analyzed response registered in advance as the database.
また、前記第1のステップは、前記調査対象であるコンクリート構造物にそれぞれ検査対象領域及び周辺領域を設定してモデル化し、前記検査対象領域をm個の分割対象領域k(mは2以上の整数、k=1,…,m)にメッシュ分割して、複数の前記線源の位置i(iは2以上の整数)及び複数の前記計測点の位置j(jは2以上の整数)の組み合わせの各々についての前記分割対象領域kの各々からの寄与ri,j,kを求め、前記線源の位置iから放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点の位置jにおいて計測されるときの前記解析された応答Ri,jを前記数式(1)により求めることにより、前記コンクリート構造物を分割した分割対象領域kにおける水分の体積比を求めることができる。 Further, in the first step, the inspection target area and the peripheral area are respectively set and modeled in the concrete structure to be investigated, and the inspection target area is divided into m division target areas k (m is 2 or more). The mesh is divided into integers, k = 1,..., M), and the positions i (i is an integer of 2 or more) of the plurality of radiation sources and the positions j (j The contribution ri , j, k from each of the division target regions k for each of the combinations is determined, and the neutrons emitted from the position i of the radiation source are measured via the concrete structure to be investigated The volume ratio of water in the division target area k obtained by dividing the concrete structure can be determined by determining the analyzed response R i, j when measured at the position j of .
また、前記第1のステップは、前記線源の位置i及び前記計測点の位置jの組み合わせの各々について、前記分割対象領域kに前記コンクリートが体積率100%で存在するときの寄与rci,j,k及び、前記分割対象領域kに前記水が体積率100%で存在するときの寄与rwi,j,kを求め、前記第2のステップは、前記線源の位置i及び前記計測点の位置jの組み合わせの各々について、前記線源から放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答Di,jを実測し、前記第3のステップは、上記数式(2)の関係を用いて前記分割対象領域kにおける水分の体積率ωkを推定することによって、前記寄与rci,j,k及び前記寄与rwi,j,kに基づいて前記分割対象領域kにおける水分の体積率ωkを推定することができる。 In the first step, for each combination of the position i of the radiation source and the position j of the measurement point, contribution rc i when the concrete is present at a volume ratio of 100% in the division target area k j, k and contributions r w i, j, k when the water is present at a volume ratio of 100% in the division target area k are obtained, and in the second step, the position i of the radiation source and the measurement point The response D i, j when neutrons emitted from the radiation source are measured at the measurement point through the concrete structure to be examined is measured for each of the combinations of the position j of In the step of, by estimating the volume ratio ω k of the water in the division target area k using the relationship of the equation (2), the contribution rc i, j, k and the contribution r w i, j, k can be obtained . On the basis of It is possible to estimate the volume fraction omega k of the moisture in the serial division target region k.
また、前記数式(2)の誤差が最小となる前記分割対象領域kにおける水分の体積率ωkを推定することによって、前記数式(2)から導かれる連立方程式の完全解を解くことなく、前記寄与rci,j,k及び前記寄与rwi,j,kに基づいて前記分割対象領域kにおける水分の体積率ωkを推定することができる。 Further, by estimating the volume ratio ω k of water in the division target region k which minimizes the error of the equation (2), the solution of the simultaneous equations derived from the equation (2) is not solved. Based on the contribution rc i, j, k and the contribution r w i, j, k , it is possible to estimate the volume fraction ω k of water in the division target area k.
また、前記第3のステップにおいて推定された前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を可視化する第4のステップを備えることによって、推定された水分の分布をユーザの視覚によって把握し易い態様で表示させることができる。 Further, by providing a fourth step of visualizing the presence of water in the concrete structure to be surveyed estimated in the third step, the distribution of the estimated water can be easily grasped by the user's vision It can be displayed in an aspect.
また、前記第2のステップにおいて使用される前記線源は、前記調査対象であるコンクリート構造物に対面する領域以外を中性子遮蔽手段で覆った構造を有することによって、中性子線源から前記コンクリート構造物内に入射・散乱せずに中性子検出器106に直接到達する中性子を低減することができる。
Further, the radiation source used in the second step has a structure in which the neutron shielding means covers a region other than the region facing the concrete structure to be investigated, so that the concrete structure from the neutron beam source Neutrons that directly reach the
また、前記第2のステップは、前記調査対象であるコンクリート構造物の表面上を前記線源及び前記計測点を順次移動させて前記実測された応答を実測することが好適である。 In the second step, it is preferable to move the radiation source and the measurement point sequentially on the surface of the concrete structure to be examined to measure the actually measured response.
本発明の請求項9に係る中性子を用いたコンクリート構造物の水分推定システムは、コンクリートの元素密度組成及び結合水の含有量を条件として、中性子の線源の位置と計測点の位置との関係に基づいて前記線源から放射された中性子が前記コンクリートにより構成された調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答をモデル化して解析した結果をデータベースとして記憶する記憶手段と、前記線源から放射された中性子が調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答を実測する実応答計測手段と、前記実測された応答と前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定する水分推定手段とを備えることによって、前記評価対象であるコンクリート構造物内の水分の分布を精度よく推定することができる。また、コンクリート構造物の一方向からの水分の存在の推定が可能となり、トレーサが不要で既存のコンクリート構造物への適用も可能となる。 According to the ninth aspect of the present invention, there is provided a system for estimating the moisture content of a concrete structure using neutrons, wherein the relationship between the position of the radiation source of neutrons and the position of the measurement point is conditional on the element density composition of concrete and the content of bound water. And store the results of modeling and analyzing the response when neutrons emitted from the radiation source are measured at the measurement point through the concrete structure formed by the concrete based on the above. Storage means, actual response measurement means for measuring the response when neutrons emitted from the radiation source are measured at the measurement point through the concrete structure to be investigated, the measured response, and the analysis And means for estimating the presence of moisture in the concrete structure to be investigated using the determined response. , The distribution of moisture in the evaluation in the concrete structure is the object can be estimated accurately. In addition, it becomes possible to estimate the presence of water from one direction of the concrete structure, and it becomes possible to apply the present invention to an existing concrete structure without requiring a tracer.
ここで、前記水分推定手段において推定された前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を可視化して表示する表示手段をさらに備えることによって、推定された水分の分布をユーザの視覚によって把握し易い態様で表示させることができる。 Here, by further comprising display means for visualizing and displaying the presence of the water in the concrete structure to be investigated estimated by the water estimation means, the distribution of the estimated water can be grasped by the user's vision It can be displayed in an easy manner.
本発明の実施の形態における中性子を用いたコンクリート構造物の水分推定システム100は、図1に示すように、水分推定装置102、中性子線源104及び中性子検出器106を含んで構成される。中性子線源104及び中性子検出器106は、調査対象であるコンクリート構造物200の同一表面側に配置されている。
The
水分推定装置102は、図2に示すように、一般的なコンピュータの基本構成である処理部10、記憶部12、入力部14、出力部16及びインターフェース部18を含んで構成される。
The water | moisture-
処理部10は、CPU等の演算手段を含み、記憶部12に記憶された水分推定プログラムを実行することによって水分推定装置102において行われるコンクリート構造物200内の水分の推定処理を実現する。記憶部12は、処理部10からアクセス可能に接続された半導体メモリやハードディスク等の記憶装置を含んで構成される。記憶部12は、水分推定プログラム、各種パラメータ、測定データ等を記憶する。入力部14は、キーボードやマウス等の入力装置を含んで構成される。入力部14は、水分推定装置102によって使用される各種パラメータ等の入力に用いられる。出力部16は、ディスプレイやプリンタ等の出力装置を含んで構成される。出力部16は、水分推定装置102において得られた処理結果を可視化して表示する表示手段として機能する。出力部16は、水分推定装置102における処理に関する情報をユーザに提示する。インターフェース部18は、アナログ/デジタル変換器等を含んで構成される。インターフェース部18は、中性子検出器106で検出された中性子線の線量を示すデータを水分推定装置102に取り込むために用いられる。
The
中性子線源104は、中性子発生管や252Cf等のRI線源等の中性子発生源を含んで構成される。中性子線源104は、図3の断面図に示すように、中性子発生源20の周りを遮蔽することが好適である。遮蔽は、調査対象物であるコンクリート構造物200に向く方向以外、すなわちコンクリート構造物200に対面する領域以外を覆うように設けられる。中性子発生源20を遮蔽することによって、中性子線源104を調査対象であるコンクリート構造物200の表面に設置した場合に中性子やγ線がコンクリート構造物200内に入射及び散乱せず、中性子検出器106に中性子やγ線が直接到達することを抑制することができる。
The
例えば、複数種の遮蔽壁22,24,26を設けることが好適である。遮蔽壁22は、高速中性子を熱化させるために設けられる。遮蔽壁22は、例えばパラフィンを含む材料で構成される。遮蔽壁24は、熱化された中性子を吸収するために設けられる。遮蔽壁24は、カドミウムを含む材料で構成される。遮蔽壁26は、γ線を吸収するために設けられる。遮蔽壁26は、例えば鉛を含む材料で構成される。遮蔽壁22〜26は、例えば、それぞれ25cm、1mm、5cmの厚さとすればよい。
For example, it is preferable to provide multiple types of shielding
中性子検出器106は、中性子線源104から放出され、コンクリート構造物200によって反射又は散乱された中性子を検出する。中性子検出器106は、He−3計数管、BF3検出器等とすることができる。中性子検出器106は、中性子を検出すると、インターフェース部18を介して水分推定装置102へ出力する。水分推定装置102の処理部10は、中性子検出器106の検出信号を受けると単位時間当たりの中性子の検出数をカウントする。これにより、中性子線の線量率(計数率)が測定される。
The
本実施の形態における水分推定システム100では、図4に示すように、中性子線源104から放射される中性子をコンクリート構造物200の1つの表面側から入射させ、コンクリート構造物200から反射された中性子を同一の表面側に設けた中性子検出器106で検出することによってコンクリート構造物200内の水分の分布を評価する。このため、コンクリート構造物200の同一表面側、すなわち一方向からの水分の分布の評価が可能となる。中性子線源104から発生した高速中性子は、コンクリート構造物200やジャンカX等で反射又は散乱されて中性子検出器106に到達する。このとき、ジャンカX等に水が溜まった「水溜まり」が存在すると、中性子は水内の水素によって減速され、「水溜まり」が存在しない場合に比べて熱中性子化され易くなる。この核反応の違いに着目することによってコンクリート構造物200内の水分の分布を評価する。水分推定システム100によれば、コンクリート構造物200の表面から中性子の数平均自由行程程度の深さまでの水分の分布を推定することができる。
In the
水分推定システム100では、図5に示すように、評価対象であるコンクリート構造物200を検査対象領域202とその周辺領域204に分けて、検査対象領域202内の水分の分布を評価する。このとき、検査対象領域202を複数(m個:mは2以上の整数)の分割対象領域k(kは領域番号:k=1,…,m)に分割して、それぞれの分割対象領域k内の水分を推定することによってコンクリート構造物200内の水分の分布を評価する。
In the water | moisture-
図5の例では、コンクリート構造物200の一つの表面(X−Y平面)を測定面として、測定面の検査対象領域202を6つの領域にメッシュ分割し、さらに深さ方向(Z方向)に2層に分割している。すなわち、検査対象領域202の測定面から遠い層は分割対象領域k(1≦k≦6)に分割され、測定面から近い層は分割対象領域k(7≦k≦12)に分割されている。もちろん、検査対象領域202の分割数は、これに限定されるものではなく、表面内の分割数は6以外でもよく、深さ方向の層数も2以外でもよい。
In the example of FIG. 5, with one surface (X-Y plane) of the
水分推定システム100では、コンクリート構造物200の測定面側の分割対象領域kに中性子線源104と中性子検出器106を配置して応答を測定し、実測された応答に対応する水分の分布を水分推定装置102により解析する。すなわち、中性子線源104を配置した分割対象領域kの位置iと中性子検出器106を配置した分割対象領域kの位置jとの組み合わせ毎に実際の応答Di,jと解析された応答Ri,jとが合致する水分の分布を求める。
In the
例えば、図5の検査対象領域202において、領域番号7の分割対象領域に中性子線源104を配置すると共に、領域番号10,11,12の分割対象領域にそれぞれに中性子検出器106を順に配置した場合の実際の応答D7,10,D7,11,D7,12を測定する。また、領域番号8の分割対象領域に中性子線源104を配置すると共に、領域番号10,11,12の分割対象領域にそれぞれに中性子検出器106を順に配置した場合の実際の応答D8,10,D8,11,D8,12を測定する。また、領域番号9の分割対象領域に中性子線源104を配置すると共に、領域番号10,11,12の分割対象領域にそれぞれに中性子検出器106を順に配置した場合の実際の応答D9,10,D9,11,D9,12を測定する。さらに、中性子線源104の位置と中性子検出器106の位置を入れ替えて実際の応答を測定する。すなわち、領域番号10の分割対象領域に中性子線源104を配置すると共に、領域番号7,8,9の分割対象領域にそれぞれに中性子検出器106を順に配置した場合の実際の応答D10,7,D10,8,D10,9を測定する。また、領域番号11の分割対象領域に中性子線源104を配置すると共に、領域番号7,8,9の分割対象領域にそれぞれに中性子検出器106を順に配置した場合の実際の応答D11,7,D11,8,D11,9を測定する。また、領域番号12の分割対象領域に中性子線源104を配置すると共に、領域番号7,8,9の分割対象領域にそれぞれに中性子検出器106を順に配置した場合の実際の応答D12,7,D12,8,D12,9を測定する。
For example, in the
なお、測定時には、測定データの統計誤差が十分に小さくなるような測定時間で測定を行うことが好適である。 At the time of measurement, it is preferable to perform the measurement in such a measurement time that the statistical error of the measurement data is sufficiently reduced.
一方、水分推定装置102では、放射線輸送計算コードに基づく解析を行う。水分推定装置102は、コンクリート構造物200の分割対象領域kについて3次元形状を扱える放射線輸送計算コード、例えば汎用コードであるモンテカルロ法に基づくMCNPやSN法に基づくTORT等を使用して解析する。
On the other hand, the
例えば、中性子線源104の位置iから毎秒1個の中性子が発生するものとし、中性子検出器106の位置jで得られる応答(計数率や線量率)は、分割対象領域kの各領域からの寄与を領域毎に評価する必要がある。また、周辺領域204からの影響も考慮する必要がある。
For example, it is assumed that one neutron is generated per second from the position i of the
すなわち、中性子線源104の位置i及び中性子検出器106の位置jとした場合の応答Ri,jは、数式(3)により表わされる。
コンクリート構造物200に入射した中性子の挙動は、図6に示すように、中性子線源104から反射点Aに至るまでの高速中性子の減衰と、反射点Aにおける散乱を非衝突の透過と衝突による散乱とによって表現される。
The behavior of neutrons incident on the
反射点Aにおける中性子線の非衝突線束ΦA(E)は、数式(4)によって表現できる。ここで、Eは中性子の初期エネルギー、Sは中性子の初期強度、P1は中性子線源104から反射点Aまでの距離、σT(E)はエネルギーEの中性子の全断面積である。
反射点Aにおける初回散乱線源FS(E’)は、数式(5)によって表現できる。ここで、σS(E,E’,θ1,θ2)は入射エネルギーEから反射エネルギーE’にエネルギー変化し、入射角θ1から反射角θ2に角度変化するときの微分散乱断面積である。
中性子検出器106における線束ΦB(E’)は、数式(6)によって表現できる。ここで、B(E’)はエネルギーE’を有する中性子が反射点Aから中性子検出器106に至る経路における散乱成分の寄与を示すビルドアップ係数、P2は反射点Aから中性子検出器106までの距離、σT(E’)はエネルギーE’の中性子の全断面積である。
中性子線源104の位置iからエネルギーEの中性子が放射され、各分割対象領域kを反射点Aとして散乱されて中性子検出器106の位置jにてエネルギーE’の中性子として検出される中性子の寄与ri,j,kは、数式(6)の線束ΦB(E’)において中性子の初期強度Sを1にして算出することができる。すなわち、コンクリート構造物200の形状及び寸法と中性子線源104の位置i及び中性子検出器106の位置jとの関係から中性子線源104から反射点A(各分割対象領域k)までの距離P1、反射点Aから中性子検出器106までの距離P2、反射点Aに対する入射角θ1及び反射角θ2は幾何学的に定められるので、これらの値を数式(6)に代入することにより線束ΦB(E’)を中性子の寄与ri,j,kとして求めることができる。
Neutrons of energy E are emitted from the position i of the
ここで、数式(4)及び数式(6)における全断面積σT(E),σT(E’)はコンクリート構造物200を構成するコンクリートの元素密度組成に基づいて定められる。また、反射点Aにおける微分散乱断面積σS(E,E’,θ1,θ2)は、コンクリート構造物200の元素密度組成に加えてジャンカ等に溜まった水分の原子数密度に基づいて定められる。近似的には、コンクリート構造物200を構成するコンクリートの微分散乱断面積と水の微分散乱断面積をそれぞれの反射点Aにおける体積比(体積率)から定めることができる。すなわち、コンクリート構造物200を構成するコンクリート以外に相当量の水分が含まれている対象領域の微分散乱断面積は、コンクリート構造物200を構成するコンクリートの微分散乱断面積と水の微分散乱断面積にそれぞれの体積比を掛けて加算すればよい。
Here, the total cross-sectional areas σ T (E) and σ T (E ′) in Equation (4) and Equation (6) are determined based on the element density composition of the concrete that constitutes the
そこで、反射点Aがコンクリート構造物200を構成するコンクリートである(コンクリートの体積比100%)として、コンクリート構造物200の元素密度組成に基づいて定められた反射点Aにおける微分散乱断面積σSC(E,E’,θ1,θ2)を適用したときの寄与ri,j,kを寄与rci,j,kとして求める。また、反射点Aが水である(水の体積比100%)として、水の反射点Aにおける微分散乱断面積σSW(E,E’,θ1,θ2)を適用したときの寄与ri,j,kを寄与rwi,j,kとして求める。そして、分割対象領域kに含まれる水の体積比ωkを水分量とすると、中性子検出器106で計測される応答は、数式(7)で表わされる。
数式(7)を展開すると数式(8)が得られる。
評価対象であるコンクリート構造物200に中性子線源104及び中性子検出器106をそれぞれ位置i及び位置jに順次移動させて実測した応答Di,jを数式(8)に代入することにより、未知数を水の体積比ωkとする連立方程式が得られる。したがって、この連立方程式を解くことにより分割対象領域kにおける水の体積比ωk、すなわちコンクリート構造物200の検査対象領域202を分割した分割対象領域kの各々における水分の分布を求めることができる。
By substituting the measured response Di, j into the equation (8) by sequentially moving the
しかしながら、寄与rci,j,k、寄与rwi,j,k及び周辺領域204からの寄与Ari,jを算出するミュレーションには計算誤差などが含まれ、実測された応答Di,jにも統計誤差等の不確かさが含まれる。したがって、数式(8)は厳密には成立しない。そこで、数式(8)の誤差が最小になるような水の体積比ωkを求めれば、コンクリート構造物200の分割対象領域kの水分量を推定することができる。
However, the contribution rc i, j, k, contributing rw i, j, the contribution Ar i from k and the peripheral region 204, the simulation of calculating the j includes such calculation error, measured responses D i, j Also include uncertainty such as statistical error. Therefore, Equation (8) does not hold strictly. Then, if the volume ratio ω k of water such that the error of Expression (8) is minimized is obtained, the water content of the division target area k of the
例えば、最小二乗法を適用してコンクリート構造物200内の水分の分布を推定することができる。数式(8)について左辺の定数項Ci,jと右辺の計算値の残差Rを最小二乗法に基づく目的関数として数式(9)のように定義する。
この目的関数を最小にするために最急降下法を適用する。制約条件として水の体積比ωkが0以上であるという条件を設定する。一般に数式(9)で与えられる問題を閉じた形の演算で解くことは不可能であり、何らかの繰り返し計算を行う必要がある。そこで、数式(10)となり、且つこの数列が目的関数の最小値に収束するようなベクトル列ωk (0), ωk (1),・・・,ωk (n)を求めるアルゴリズムを用いる。
このアルゴリズムは一般に次の三つのステップで構成される。
(1)適当な水の体積比ωkの初期点ωk (0)を与え、繰り返し回数を表すパラメータnを0とする。
(2)現在のパラメータnに対して得られた水の体積比ωk (n)が数式(9)の解であるか否かの判定を行う。水の体積比ωk (n)が判定の条件を満たせば、計算を終了して水の体積比ωk (n)を解とする。条件を満たさなければ次のステップに進む。
(3)パラメータnに対する計算結果を基にして、目的関数f(ω)を減少させる新しい水の体積比ωk (n+1)を求める。パラメータnを1増加させてステップ(2)に戻る。
This algorithm generally consists of the following three steps:
(1) An initial point ω k (0) of a suitable volume ratio of water ω k is given, and a parameter n representing the number of repetitions is 0.
(2) It is determined whether the volume ratio ω k (n) of water obtained with respect to the current parameter n is a solution of equation (9). If the volume ratio of water ω k (n) satisfies the determination condition, the calculation is ended and the volume ratio of water ω k (n) is solved. If the condition is not satisfied, the process proceeds to the next step.
(3) Based on the calculation result for the parameter n, the volume ratio ω k (n + 1) of new water for reducing the objective function f (ω) is obtained . The parameter n is incremented by 1 and the process returns to step (2).
n回目の繰り返し計算で次の水の体積比ωk (n)を定めるには、現在の水の体積比ωk (n−1)からの探索方向とその方向に沿った歩み幅を決める必要がある。その結果、n+1回目の水の体積比ωk (n+1)は数式(11)により得られる。
ここで、pk (n)は方向を表す単位ベクトル、αk (n)は歩み幅を表す正のスカラー値である。探索方向pk (n)は、数式(12)を用いた最急降下法によって求められる。
このように、最小二乗法を適用して数式(8)の連立方程式の左辺と右辺との差(誤差)を最小とする水の体積比ωkを求める。これによって、コンクリート構造物200を分割した分割対象領域kの各々における水の体積比ωkを推定することができる。
As described above, the least squares method is applied to determine the volume ratio ω k of water that minimizes the difference (error) between the left side and the right side of the simultaneous equations of Equation (8). By this, it is possible to estimate the volume ratio ω k of water in each of the division target regions k obtained by dividing the
水分推定装置102は、上記の方法により求められた水の体積比ωkを出力部16に出力する。このとき、調査対象であるコンクリート構造物200の検査対象領域202を分割対象領域kに分割して表示し、分割対象領域kの各々の水の体積比ωkを可視化して表示することが好適である。例えば、水の体積比ωkを0%〜100%の範囲で色を変化させて表示させる等、ユーザが視覚から水の体積比ωkを容易に把握できるような態様で表示させることが好適である。
The
具体的には、水分推定装置102は、図7に示すフローチャートに沿ってコンクリート構造物の水分推定を行う。ステップS10では、コンクリート構造物200に検査対象領域202及び周辺領域204を設定すると共に、検査対象領域202を分割して分割対象領域kを設定する。ステップS12では、各分割対象領域kを反射点Aとして、分割対象領域kのコンクリートの体積比が100%である場合のパラメータを用いて中性子線源104の位置iと中性子検出器106の位置jの組み合わせ毎に寄与rci,j,kを算出する。このとき、計算に用いられるパラメータは評価対象であるコンクリート構造物200を構成するコンクリートの元素密度組成に基づいて定める。ステップS14では、各分割対象領域kを反射点Aとして、分割対象領域kの水の体積比が100%である場合のパラメータを用いて中性子線源104の位置iと中性子検出器106の位置jの組み合わせ毎に寄与rwi,j,kを算出する。ステップS16では、中性子線源104の位置iと中性子検出器106の位置jの組み合わせ毎に応答Di,jを実測する。ステップS18では、ステップS12及びS14で解析された寄与rci,j,k及び寄与rwi,j,k並びにステップS16において実測された応答Di,jにより表わされる数式(8)の連立方程式に基づいて最小二乗法により分割対象領域kの各々における水の体積比ωkを推定する。ステップS20では、ステップS18において得られた水の体積比ωkを可視化して表示する。
Specifically, the
なお、コンクリート構造物200のコンクリートの種別(コンクリートの元素密度組成)、形状及び大きさ、さらに予めコンクリート構造物200の検査対象領域202を分割した分割対象領域kの水の体積比ωkを設定したときの応答Di,jを解析してデータベース化しておくことも好適である。データベースは、水分推定装置102の記憶部12に記憶させておけばよい。これにより、実際に中性子線源104及び中性子検出器106を設置して実測された応答Di,jとデータベースに登録されている解析された応答Di,jを比較することにより、コンクリート構造物200内の水分の分布を推定することができる。
In addition, the type (concrete elemental density composition), shape and size of
データベースの構築に当たっては、検査対象のコンクリート構造物200の元素密度組成や結合水の含有量を予め調査してデータベース化すること、複数のコンクリート構造物の元素密度組成や結合水の含有量を予め調査してデータベース化すること、またコンクリート構造物の設計書から元素密度組成や結合水の含有量を予測してデータベース化すること等が可能である。
In constructing the database, the element density composition of the
また、上記の記載から明らかなように本実施の形態における水分推定方法においては、特にトレーサを用いずにコンクリート構造物200内の水分の分布を推定することができる。このためトレーサが添加されていない既存のコンクリート構造物に適用することが可能である。また、本実施の形態においては、中性子線源104及び中性子検出器106は、調査対象であるコンクリート構造物200の同一表面側に配置されている例を示したが、コンクリート構造物の一方向からの水分の存在の推定が可能な範囲において、同一表面側でなくてもよい。なお、コンクリート構造物200の一方向とは、コンクリート構造物200の周囲の空間を2つ以上に分けた場合の1つの側からをいう。
Further, as is clear from the above description, in the water estimation method in the present embodiment, the distribution of water in the
10 処理部、12 記憶部、14 入力部、16 出力部、18 インターフェース部、20 中性子発生源、22,24,26 遮蔽壁、100 水分推定システム、102 水分推定装置、104 中性子線源、106 中性子検出器、200 コンクリート構造物、202 検査対象領域、204 周辺領域。
Claims (10)
前記線源から放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答を実測する第2のステップと、
前記実測された応答と前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定する第3のステップと
を備えることを特徴とする中性子を用いたコンクリート構造物の水分推定方法。 Under the condition of the element density composition of the concrete and the content of bound water, the neutron emitted from the radiation source based on the relationship between the position of the neutron radiation source and the position of the measurement point is the survey target composed of the concrete A first step of modeling a response measured at the measurement point through a concrete structure and analyzing it by a radiation transport calculation code including a Monte Carlo method and an SN method;
A second step of measuring a response when neutrons emitted from the radiation source are measured at the measurement point through the concrete structure to be investigated;
A concrete structure using neutrons, comprising: a third step of estimating the presence of water in the concrete structure to be investigated using the measured response and the analyzed response. Moisture estimation method.
前記第3のステップは、前記第1のステップにおいて複数の前記元素密度組成及び前記結合水の含有率の組み合わせであるコンクリートの種別毎に解析した前記解析された応答を記憶させたデータベースを参照して、前記実測された応答と前記調査対象であるコンクリート構造物を構成するコンクリートの種別に対して前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定することを特徴とする中性子を用いたコンクリート構造物の水分推定方法。 A method of estimating water content of a concrete structure using neutrons according to claim 1, wherein
The third step refers to a database storing the analyzed response analyzed for each type of concrete, which is a combination of a plurality of the element density compositions and the content of the binding water in the first step. Estimate the presence of moisture in the concrete structure to be investigated using the measured response and the analyzed response to the type of concrete constituting the concrete structure to be investigated Method of estimating moisture of concrete structure using neutrons characterized by
前記第1のステップは、
前記調査対象であるコンクリート構造物にそれぞれ検査対象領域及び周辺領域を設定してモデル化し、
前記検査対象領域をm個の分割対象領域k(mは2以上の整数、k=1,…,m)にメッシュ分割して、複数の前記線源の位置i(iは2以上の整数)及び複数の前記計測点の位置j(jは2以上の整数)の組み合わせの各々についての前記分割対象領域kの各々からの寄与ri,j,kを求め、
前記線源の位置iから放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点の位置jにおいて計測されるときの前記解析された応答Ri,jを
により求めることを特徴とするコンクリート構造物の水分推定方法。 A method of estimating water content of a concrete structure using neutrons according to claim 1 or 2,
The first step is
Each of the concrete structures to be surveyed is modeled by setting the inspection target area and the surrounding area,
The inspection target area is divided into m division target areas k (m is an integer of 2 or more, k = 1,..., M), and the positions i of the plurality of radiation sources (i is an integer of 2 or more) And a contribution ri , j, k from each of the division target regions k for each combination of positions j (j is an integer of 2 or more) of the plurality of measurement points,
The analyzed response R i, j when neutrons emitted from the position i of the radiation source are measured at the position j of the measurement point through the concrete structure to be investigated
The moisture estimation method of the concrete structure characterized by calculating by
前記第1のステップは、
前記線源の位置i及び前記計測点の位置jの組み合わせの各々について、前記分割対象領域kに前記コンクリートが体積率100%で存在するときの寄与rci,j,k及び、前記分割対象領域kに前記水が体積率100%で存在するときの寄与rwi,j,kを求め、
前記第2のステップは、
前記線源の位置i及び前記計測点の位置jの組み合わせの各々について、前記線源から放射された中性子が前記調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答Di,jを実測し、
前記第3のステップは、
の関係を用いて前記分割対象領域kにおける水分の体積率ωkを推定することを特徴とするコンクリート構造物の水分推定方法。 The method of estimating moisture of a concrete structure according to claim 3, wherein
The first step is
For each combination of position i of the radiation source and position j of the measurement point, contributions rc i, j, k when the concrete is present at a volume ratio of 100% in the division target area k, and the division target area The contribution r w i, j, k when the water exists at a volume ratio of 100% is obtained in k ,
The second step is
For each combination of position i of the source and position j of the measurement point, the response D when neutrons emitted from the source are measured at the measurement point via the concrete structure to be investigated Measure i, j ,
The third step is
A method of estimating water content in a concrete structure, comprising: estimating a volume ratio ω k of water in the division target area k using the relationship of
前記数式(2)の誤差が最小となる前記分割対象領域kにおける水分の体積率ωkを推定することを特徴とするコンクリート構造物の水分推定方法。 A method of estimating moisture of a concrete structure according to claim 4, wherein
A moisture estimation method for a concrete structure, comprising: estimating a volume fraction ω k of moisture in the division target region k which minimizes the error of the equation (2).
前記第3のステップにおいて推定された前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を可視化する第4のステップを備えることを特徴とするコンクリート構造物の水分推定方法。 It is the moisture estimation method of the concrete structure of any one of Claims 1-5, Comprising:
A method of estimating moisture of a concrete structure, comprising the fourth step of visualizing the presence of moisture in the concrete structure to be surveyed estimated in the third step.
前記第2のステップにおいて使用される前記線源は、前記調査対象であるコンクリート構造物に対面する領域以外を中性子遮蔽手段で覆った構造を有することを特徴とするコンクリート構造物の水分推定方法。 It is a moisture estimation method of the concrete structure according to any one of claims 1 to 6,
The method of estimating moisture of a concrete structure according to claim 1, wherein the radiation source used in the second step has a structure in which a neutron shielding means covers a region other than a region facing the concrete structure to be investigated.
前記第2のステップは、前記調査対象であるコンクリート構造物の表面上を前記線源及び前記計測点を順次移動させて前記実測された応答を実測することを特徴とするコンクリート構造物の水分推定方法。 It is a moisture estimation method of the concrete structure according to any one of claims 1 to 7,
In the second step, the water source and the measurement point are sequentially moved on the surface of the concrete structure to be surveyed to measure the measured response, and the water structure of the concrete structure is estimated. Method.
前記線源から放射された中性子が調査対象であるコンクリート構造物を介して前記計測点において計測されるときの応答を実測する実応答計測手段と、
前記実測された応答と前記解析された応答とを用いて前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を推定する水分推定手段と
を備えることを特徴とする中性子を用いたコンクリート構造物の水分推定システム。 Under the condition of the element density composition of the concrete and the content of bound water, the neutron emitted from the radiation source based on the relationship between the position of the neutron radiation source and the position of the measurement point is the survey target composed of the concrete Storage means for storing, as a database, the results of modeling and analyzing responses when measured at the measurement points via a concrete structure;
An actual response measurement means for measuring a response when neutrons emitted from the radiation source are measured at the measurement point via a concrete structure to be investigated;
A concrete structure using neutrons, comprising: water estimation means for estimating the presence of water in the concrete structure to be investigated using the measured response and the analyzed response. Moisture estimation system.
前記水分推定手段において推定された前記調査対象であるコンクリート構造物内の水分の存在を可視化して表示する表示手段をさらに備えることを特徴とするコンクリート構造物の水分推定システム。 It is a moisture estimation system of the concrete structure according to claim 9, which is
A moisture estimation system for a concrete structure, further comprising display means for visualizing and displaying the presence of moisture in the concrete structure to be surveyed estimated by the moisture estimation means.
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