JP6528197B2

JP6528197B2 - コンクリートの脆弱部分の識別方法

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Publication number: JP6528197B2
Application number: JP2015072634A
Authority: JP
Inventors: 彦次兵頭; 聖史嶌田; 昴雄落合; 伊藤　幸広; 幸広伊藤
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016191666A

Description

本発明は、コンクリートのデジタル画像を解析して、ブリーディングにより生じたコンクリートの脆弱部分を識別する方法に関する。

コンクリートの主な構成材料である水、セメント、および骨材の比重は、それぞれ１．０、３．２、および２．５程度と大きく異なる。したがって、フレッシュコンクリート内では、セメントと骨材が沈降し、水は上昇して構成材料が分離するブリーディングが生じ易い。この上昇した水により、コンクリートの上層部では水セメント比が大きくなり、またセメントペーストと、骨材および鉄筋との界面に空隙が生じて界面の付着力が弱くなり、コンクリートの強度や耐久性が低下する。そのため、ＪＡＳＳ５「水密コンクリート」では、ブリーディングの上限を０．３ｃｍ^３／ｃｍ^２と制限している。

従来、コンクリートの脆弱化の程度を測る方法として、現場透気試験方法やコア抜きしたコンクリートの中性化等の耐久性試験が知られている。ちなみに、現場透気試験方法とは、コンクリートに孔を設けて、空気を吸入するためのアタッチメントを取り付けるか、またはコンクリート表面にチャンバーを取り付けた後、空気を吸引または加圧して、所定の圧力に戻るまでの経過時間を測定し、透気性を評価する方法である。しかし、現場透気試験方法は相対的な評価であるため、異なる試験条件や試験装置による測定結果は比較できない。また、コア抜きしたコンクリートの耐久性試験では、コンクリートの中性化の進行等に時間がかかるほか、脆弱部分の定量化は困難である。
また、特許文献１では、打撃具によりコンクリート構造物の表面に打撃を加えながら、コンクリート構造物に沿って移動すると同時に、打撃具によるコンクリート表面の打撃時に発生する打撃音を検出し、検出した打撃音の処理により、コンクリート構造物の内部欠陥の有無を識別して診断する方法が提案されている。しかし、打撃音では、ブリーディングによる脆弱部分の深さを、定量的に把握するのは難しい。

特開２００２−０４８７７２号公報

したがって、本発明は、ブリーディングにより生じたコンクリートの脆弱部分を、簡易かつ定量的に識別できる方法を提供することを目的とする。

本発明者は、前記目的にかなうコンクリートの脆弱部分の識別方法を検討した結果、ブリーディングにより水セメント比が大きくなった脆弱部分は、乾燥ひずみが大きいこと、またデジタル画像相関法を用いれば、脆弱部分の識別が容易で、かつ脆弱部分の深さを簡易に定量できること等を見い出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は下記の構成を有するコンクリートの脆弱部分の識別方法である。

［１］下記（Ａ）〜（Ｄ）工程を経て得られた収縮ひずみの深さ方向の変化を調べて、収縮ひずみが変化している部分をコンクリートの脆弱部分として識別する、コンクリートの脆弱部分の識別方法（ただし、前記収縮ひずみが変化している部分は、各深さの収縮ひずみの値（ε）と、深さ方向の収縮ひずみが一定になる深さの収縮ひずみの値（ε _０）との比（ε／ε _０）が１．３以上となる部分である。）
（Ａ）コンクリート供試体、または、コンクリート構造物から採取したコア供試体を乾燥する前に、該供試体の深さ方向の面のデジタル画像を取得する、乾燥前の画像取得工程
（Ｂ）前記コンクリート供試体、または前記コア供試体を乾燥する、乾燥工程
（Ｃ）前記乾燥した後に、前記乾燥したコンクリート供試体、または前記乾燥したコア供試体の、深さ方向の面のデジタル画像を取得する、乾燥後の画像取得工程
（Ｄ）前記乾燥前および乾燥後のデジタル画像を用いて、デジタル画像相関法により収縮ひずみを算出する、収縮ひずみの算出工程
［２］前記乾燥期間が１日以上である、前記［１］に記載のコンクリートの脆弱部分の識別方法。

本発明のコンクリートの脆弱部分の識別方法によれば、脆弱部分を簡易かつ定量的に識別することができる。

供試体の深さ方向の面のデジタル画像であり、（ａ）は乾燥期間が１日、（ｂ）は乾燥期間が７日である。上面からの深さに対する収縮ひずみを示した図である。上面からの深さに対する収縮ひずみの比（ε／ε_０）を示した図である。

本発明のコンクリートの脆弱部分の識別方法は、前記のとおり、（Ａ）乾燥前の画像取得工程、（Ｂ）乾燥工程、（Ｃ）乾燥後の画像取得工程、および（Ｄ）収縮ひずみの算出工程を経て得られた収縮ひずみの深さ方向の変化を調べて、収縮ひずみが変化している部分をコンクリートの脆弱部分として識別する、コンクリートの脆弱部分の識別方法である。
以下、本発明を前記各工程に分けて詳細に説明する。

（Ａ）乾燥前および（Ｃ）乾燥後の画像取得工程
該工程は、コンクリート供試体、または、コンクリート構造物から採取したコア供試体を乾燥する前および乾燥した後に、該供試体の深さ方向の面のデジタル画像を取得する工程である。
ここで、乾燥前の供試体の画像取得時に、画像の取得面に水分が付着していると、色のコントラストが小さくなり、また色むらが生じて、乾燥後に取得した画像との相関性が著しく低下する場合がある。この相関性の低下を避けるため、画像取得前に、乾燥前の供試体の撮影面に圧縮空気等を噴射して撮影面の水分を除去するか、または撮影面から水分がなくなるまで静置して風乾するなどの前処理を行う。なお、当該前処理は、画像の取得面に水分が付着している場合に行う任意の処理であり、前記（Ｂ）乾燥工程には含まれない。
前記コンクリートは、特に制限されず、普通コンクリート、水密コンクリート、暑中コンクリート、寒中コンクリート、マスコンクリート、流動化コンクリート、高流動コンクリート、高強度コンクリート、低発熱コンクリート、膨張コンクリート、プレストレストコンクリート、低収縮コンクリート、繊維補強コンクリート、軽量コンクリート、およびポリマーコンクリート等が挙げられる。
また、前記供試体の大きさは、特に制限されないが、粗骨材の大きさを考慮すると、好ましくは、深さ方向で１０ｃｍ以上である。また、供試体の幅は、特に制限されないが、粗骨材の大きさや収縮ひずみの測定精度を考慮すると、好ましくは１０ｃｍ以上である。
好ましくは一辺が１０ｃｍ以上の直方体、または直径および高さが１０ｃｍ以上の円柱である。
良好なデジタル画像を取得するためには、前記供試体の切断時に生じる凹凸が±１ｍｍ以内になるように、平滑（平坦）に切断する。収縮ひずみが供試体の形状の影響を受けることなく、均等に生じるためには前記供試体の形状は、好ましくは平板である。また、前記供試体の厚さは、ひび割れによる破損の防止を考慮すると、好ましくは１ｃｍ以上であり、また、乾燥に要する期間を考慮すると、好ましくは５ｃｍ以下である。
既設の実構造物について評価を行う場合は、コンクリートの上面から深さ方向に沿ってコア抜きして供試体を採取する。
構築しようとするコンクリート構造物について評価を行う場合は、使用するコンクリートを用いて、別途、供試体を作製しておき、硬化後に断面を取得する。

（Ｂ）供試体の乾燥工程
該工程は、前記コンクリート供試体、または前記コア供試体を乾燥する工程である。
本発明における供試体の乾燥温度は、特に制限されないが、前記供試体の乾燥の速さを考慮すると、好ましくは１５℃以上、より好ましくは２０℃以上である。
また、本発明における供試体の乾燥期間は、特に制限されないが、前記切断された供試体の厚さや乾燥条件を考慮すると、好ましくは１日以上、より好ましくは３日以上、さらに好ましくは７日以上である。例えば、一般的なコンクリート供試体の乾燥条件である２０℃および相対湿度６０％の環境下であれば、供試体の乾燥期間は７日である。
後掲の図２に示すように、乾燥期間が７日で、ブリーディングがあった脆弱部分は、ブリーディングがなかった部分と比べて、乾燥による収縮ひずみが大きくなる。本発明は、この特異な知見に基づくものである。
また、乾燥期間が１日では、ブリーディングがあった脆弱部分の収縮ひずみの変化は、乾燥期間が７日の場合と比べ小さいものの、コンクリートの脆弱部分を識別することは可能である。

（Ｄ）収縮ひずみの算出工程、
該工程は、乾燥前および乾燥後の供試体のデジタル画像に基づき、デジタル画像相関法を用いて、乾燥後の供試体の収縮ひずみを算出する工程である。
前記デジタル画像相関法は、収縮ひずみによる変形の前後（乾燥の前後）に取得したデジタル画像の輝度値の分布に基づいて、供試体上の各位置の移動量を算出し収縮ひずみに変換する方法である。
具体的には、以下の計算過程を経て収縮ひずみを算出する。
（i）変形前（乾燥前）のデジタル画像において、任意の位置を中心とするサブセット内の輝度値分布を求める。
（ii）変形後（乾燥後）のデジタル画像の輝度値分布と最も相関性が高い輝度値分布を有する、変形前（乾燥前）のデジタル画像のサブセットを探索し、その中心点を着目点が変位した後の位置として捉えて、着目点から該中心点へ変位した量を算出し、さらに該変位した量を収縮ひずみに変換する。なお、変形前後（乾燥前後）のサブセットの相関性は、下記（１）式の相関係数Ｒを用いて表す。

ただし、実際は、矩形に設定した変形前（乾燥前）のサブセットに対し、変形後（乾燥後）のデジタル画像そのものが変形しているため、サブセットが矩形にならない場合がある。この場合、これを補正するため、サブセット内部において変位勾配が一定と仮定して、変形前後（乾燥前後）の座標(x,y)および(x^*,y^*)には下記（２）式を用いる。
以上の計算は市販の画像解析用ソフトウエアを用いて行なうことができる。

（Ｅ）コンクリートの脆弱部分の識別
本発明において、脆弱部分を識別するための指標は、以下の（１）収縮ひずみの変化と、（２）各深さの収縮ひずみの値（ε）／深さ方向の収縮ひずみ（深さ方向に沿って収縮ひずみ）が一定になる深さの収縮ひずみの値（ε_０）との比（ε／ε_０）の２つがある。
（１）収縮ひずみの変化（第１の指標）
収縮ひずみの変化を前記指標として用いて、収縮ひずみが変化している領域を、ブリーディングがあった脆弱部分として識別する。これを後掲の図２を例にして説明すると、収縮ひずみが変化している領域は、図２から深さが０〜６０ｍｍの領域であることが明確であり、したがって、該領域をコンクリートの脆弱部分として識別する。

（２）ε／ε_０（第２の指標）
前記ε／ε_０について、以下、順を追って説明する。
（i）深さ方向の収縮ひずみ（ε）に変化がなく、明らかに非脆弱部分である深さの収縮ひずみを基準値（ε_０）として採用する。
（ii）次に、ε／ε_０を算出して該比を指標に用い、コンクリートの脆弱部分を識別する。
これを、図２を例にして具体的に説明する。
（i）乾燥期間１日と乾燥期間７日の乾燥ひずみが一定になる６０ｍｍよりも、深い所に位置する上面から深さ８０ｍｍのところは、明らかに非脆弱部分であるから、該深さの収縮ひずみ２００μをε_０として採用する。
（ii）次に、ε／ε_０を算出する。ここで、εは、例えば、各深さ±５ｍｍで、かつ幅１０ｍｍの範囲の収縮ひずみの平均値を採用する。
次に、脆弱部分を識別するために用いるε／ε_０の値の決定方法について説明する。
図３は、前記算出したε／ε_０を縦軸に、上面からの深さを横軸にして作成したグラフである。図３から分かるように、ε／ε_０は、上面から深さ６０ｍｍよりも深いところでは約１．０であるが、上面から深さ６０ｍｍ未満では１．０よりも大きく、約１．３以上の値を示す。
ところで、材料設計の分野では、コンクリートを構成する各材料のばらつきを考慮して、一般に、安全係数として１．３を採用している。そして、材料設計に際し、当該数値を用いて圧縮強度等のコンクリートの物性を補正して、材料の安全性を担保している。
そこで、例えば、ε／ε_０の値の決定に、当該安全係数の技術思想と数値を取り入れて、脆弱部分を識別するための指標であるε／ε_０の値を１．３に定めると、上面から深さ６０ｍｍ未満の領域では、１．３を上回る収縮ひずみが生じているから、該領域を脆弱部分として明確かつ合理的に識別することができる。

（Ｆ）コンクリートの脆弱部分の補修方法
本発明の識別方法を用いて識別したコンクリートの脆弱部分の補修方法は、例えば、識別したコンクリートの脆弱部分を斫った後に、コンクリートやモルタルを用いて修復する方法、樹脂を用いて表面被覆する方法、撥水剤等を用いて表面改質する方法、および電気防食等の方法が挙げられる。また、コンクリートの脆弱部分に薬剤を浸透させて脆弱部分を強化することもできる。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
１．使用した材料および配合
表１に示す材料を使用して、表２に示すコンクリートを作製した。

２．コンクリートの脆弱部分の識別
以下、該識別を前記各工程等に分けて説明する。
（ａ）画像取得工程
表２に示す配合のコンクリートを型枠（縦４０ｃｍ、横４０ｃｍ、深さ４０ｃｍ）に打設した後、７日間湿布養生して脱型し、コンクリートを作製した。次に、該コンクリートを深さ方向に切断して、縦４０ｃｍ、横（厚さ）５ｃｍ、深さ４０ｃｍの供試体を採取した。
次に、該供試体の深さ方向の面を、圧縮空気を用いて付着している水分を飛ばした後、スキャナーを用いて走査してデジタル画像（縦２０ｃｍ、深さ４０ｃｍ）を取得した。その後、該供試体を２０℃、相対湿度６０％の恒温恒湿槽内に、１日および７日間載置して乾燥させ、再度、該供試体の深さ方向の面を、スキャナーを用いて走査してデジタル画像を取得した。

（ｂ）収縮ひずみの算出工程
前記取得したデジタル画像を、画像解析用ソフトウェアdigital（Correlated solutions社製）を用いて解析し、供試体の収縮ひずみを算出した。具体的には、以下の計算過程を経て収縮ひずみを算出した。
（i）乾燥前と乾燥後の供試体のデジタル画像において、任意の位置を中心とするサブセット内の輝度値分布を求めた。
（ii）乾燥後の供試体のデジタル画像の輝度値分布と最も相関性が高い輝度値分布を有する、乾燥前のデジタル画像のサブセットを探索し、その中心点を着目点が移動（変位）した後の位置として捉えて、着目点から該中心点へ移動した距離（変位量）を算出し、さらに該移動した距離を収縮ひずみに変換した。
なお、乾燥前および乾燥後の供試体のデジタル画像におけるサブセットの相関性は、前記（１）式の相関係数Ｒを用いた。また、乾燥前および乾燥後の座標(x,y)および(x^*,y^*)は前記（２）式を用いた。

乾燥期間が１日および７日の前記デジタル画像を図１に示す。乾燥期間が長い程、脆弱部分がより鮮明になる。次に、横軸が上面からの深さ、縦軸が該深さにおける収縮ひずみである図２のグラフを作成した。

（ｃ）脆弱部分の識別
脆弱部分を識別するための指標として、収縮ひずみの変化を用いると、前記のとおり、図２から、深さ方向の収縮ひずみが変化している領域の深さは０〜６０ｍｍの領域であるから、該領域が脆弱部分であると識別できる。また、脆弱部分を識別するための指標としてε／ε_０（値は１．３）を用いると、前記のとおり、図３から、上面から深さ６０ｍｍ未満の領域は１．３を上回るから、該領域が脆弱部分であると識別できる。

以上述べたように、本発明のコンクリートの脆弱部分の識別方法は、ブリーディングにより生じたコンクリートの脆弱部分を、簡易かつ定量的に識別することができる

Claims

下記（Ａ）〜（Ｄ）工程を経て得られた収縮ひずみの深さ方向の変化を調べて、収縮ひずみが変化している部分をコンクリートの脆弱部分として識別する、コンクリートの脆弱部分の識別方法（ただし、前記収縮ひずみが変化している部分は、各深さの収縮ひずみの値（ε）と、深さ方向の収縮ひずみが一定になる深さの収縮ひずみの値（ε _０）との比（ε／ε _０）が１．３以上となる部分である。）
（Ａ）コンクリート供試体、または、コンクリート構造物から採取したコア供試体を乾燥する前に、該供試体の深さ方向の面のデジタル画像を取得する、乾燥前の画像取得工程
（Ｂ）前記コンクリート供試体、または前記コア供試体を乾燥する、乾燥工程
（Ｃ）前記乾燥した後に、前記乾燥したコンクリート供試体、または前記乾燥したコア供試体の、深さ方向の面のデジタル画像を取得する、乾燥後の画像取得工程
（Ｄ）前記乾燥前および乾燥後のデジタル画像を用いて、デジタル画像相関法により収縮ひずみを算出する、収縮ひずみの算出工程
前記乾燥期間が１日以上である、請求項１に記載のコンクリートの脆弱部分の識別方法。