JP6691877B2 - ひび割れ検知システム及びひび割れ検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象に発生するひび割れを検知させるひび割れ検知システム及びひび割れ検知方法に関するものである。

特許文献１，２に開示されているように、鉄筋コンクリート製のコンクリート構造物の表面に導電塗料を塗布することによって、ひび割れなどの変状の発生を検知させる方法が知られている。

すなわち、導電塗料をコンクリート構造物の表面に塗布することによって電気回路を形成し、ひび割れの発生や拡大などによって電気回路が破断した場合に検知される構成となっている。

特開２０１６−２４１３９号公報 特開２０１６−２４１３８号公報

しかしながら導電塗料を塗布して形成された電気回路によってひび割れを検知させる場合、ひずみゲージなどによる検知よりも検知誤差が大きくなる場合があり、検知精度の向上が求められていた。

そこで、本発明は、導電塗料によって形成される検知部の検知精度を向上させることが可能なひび割れ検知システム及びひび割れ検知方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明のひび割れ検知システムは、測定対象に発生するひび割れを検知させるひび割れ検知システムであって、導電塗料によって破断し易い状態に形成された検知部と、前記検知部に接続される導線部と、前記導線部に接続されるデータ収集部とを備え、前記検知部は、前記測定対象のひび割れを検知させたい検知領域に複数列が設けられることを特徴とする。

ここで、前記導線部は、導電塗料によって破断しにくい状態に形成されることが好ましい。また、前記検知領域は、前記測定対象の複数箇所に設けられる構成とすることができる。例えば、前記測定対象はプレストレストコンクリート構造物であって、ＰＣ鋼材の配置パターン及び列車通過時に作用する動的な応答の再現計算に適用できるように前記検知領域を設けることができる。

また、ひび割れ検知方法の発明は、測定対象に発生するひび割れを検知させるひび割れ検知方法であって、導電塗料によって破断し易い状態の検知部を設ける工程と、前記検知部に連続して導電塗料によって破断しにくい状態の導線部を設ける工程と、前記導線部の端部にデータ収集部を接続して電気回路を形成する工程と、前記データ収集部において検知部による検知情報を収集する工程と、前記データ収集部に記憶された検知情報からひび割れの有無を判定する工程とを備えていることを特徴とする。

このように構成された本発明のひび割れ検知システムは、導電塗料によって破断し易い状態に形成された検知部が、測定対象のひび割れを検知させたい検知領域に複数列、設けられる。

このため、１列の検知部では検知誤差が発生したとしても、複数列の検知部による検知結果を併せることで、導電塗料によって形成される検知部の検知精度を向上させることができる。

また、検知部に加えて導線部も導電塗料によって破断しにくい状態に形成されている場合は、同じく導電塗料によって形成された検知部に接続させ易いうえに、外観を同質にすることができる。

このような検知部が設けられる検知領域は、測定対象の複数箇所に設けることができる。例えば、測定対象がプレストレストコンクリート構造物であって、ＰＣ鋼材の配置パターン及び列車通過時に作用する動的な応答の再現計算に適用できるように検知領域が設けられると、ＰＣ鋼材の不良箇所や破断箇所が推定できるようになる。

また、本発明のひび割れ検知方法では、導電塗料によって設けられる検知部に連続して導電塗料によって導線部を設け、検知部によって検知された検知情報をデータ収集部に記憶させ、その検知情報に基づいてひび割れの判定を行わせる。このため、目視などの検査よりも客観的にひび割れの判定を行うことができるようになる。

本実施の形態のひび割れ検知システムの概略構成を示した説明図である。 測定対象となるＰＣ桁の構成を説明する斜視図である。 導線部及び検知部の構成を説明する断面図である。 検知部及び導線部の配線パターンを例示する説明図である。 ひび割れが発生していないときの検知情報を例示した説明図である。 ひび割れが発生しているときの検知情報を例示した説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態のひび割れ検知システムの概略構成を説明するための斜視図、図２はひび割れ検知システムの測定対象となるＰＣ桁１の構成を説明するための斜視図である。

まず図２を参照しながら、ＰＣ桁１の構成について説明する。プレストレストコンクリート構造物であるＰＣ桁１には、複数のＰＣ鋼材１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄによってプレストレスト力が導入されている。

このＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄの周囲には、グラウトが充填されているが、施工時のグラウトの充填不足や劣化などが起因して、ＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄの一部が破断することがある。

ここで、ＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄの一部が破断しても、破断位置から離れた箇所ではプレストレスト力が残存しており、直ちに問題が発生することはない。しかしながら、ＰＣ桁１の耐力は、破断箇所周辺で低下することになるため、早期に補強などの対策を行うことが望ましい。

一方、ＰＣ桁１が鉄道橋梁に設けられている場合、列車が通過することによる列車走行荷重が動的に作用すると、ＰＣ桁１にたわみが生じて曲げひび割れなどのひび割れＣが瞬間的に発生することがある。この一時的にひび割れが発生する段階でＰＣ桁１の劣化度合いを判断できれば、早期に補強対策を行うことができるようになり、長寿命化が図れたり、劣化の拡大を抑えたりすることができるようになる。

そして、ＰＣ桁１にひび割れＣが発生する箇所によって、いずれのＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄが破断しているのか、どの位置に不良状態が存在しているのかなどがわかることがある。

特に、鉄道橋梁では、列車走行荷重が動的荷重として特定できるため、その影響によって発生するひび割れＣの位置から、耐力が低下している位置が再現計算によって推定でき、その位置に配置されたＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄが破断していることを特定することが可能になる。

そこで、ひび割れの発生箇所が特定できるように、本実施の形態のひび割れ検知システムでは、図１に示すように、検知部３，・・・をずらして複数箇所に配置する。ここで、ＰＣ桁１の曲げひび割れは、桁下面１２に最初に発生するため、検知部３を桁下面１２に設ける。

検知部３の端部からは、橋脚２上に設置されたＰＣ桁１の桁端部１４に向けて、導線部４を設ける。通常、橋脚２には、階段や足場が存在するなど管理者がアクセスしやすい状態となっている。

そこで、橋脚２の側面２１の上部にデータ収集部５を取り付け、導線部４の端子４ａ，４ｂにリード線５１，５１により繋げる。データ収集部５には、後述する検知部３の検知情報が記憶されることになる。

データ収集部５に記憶された検知情報は、例えば定期的に無線によって、管理棟などに設置された解析部６に送信される。解析部６は、パーソナルコンピュータなどによって構成されており、接続されたモニタ６１によって、検知情報やひび割れの判定結果などを確認することができる。

図３に、導線部４及び検知部３の構成を説明する断面図を示した。導線部４は、帯状に形成された伸縮性を有するテープ本体部４２と、そのテープ本体部４２の表面に形成された伸縮性を有する導電塗料層４３とによって主に構成される。

テープ本体部４２は、高い伸縮性を有する素材によって形成される。例えば、テープ本体部４２として、ポリオレフィン系樹脂材料が使用できる。具体的には耐熱性の高いファインラインテープ（製品番号2800、３Ｍ社製）などが使用できる。また、ナイロンなどの伸縮性のある素材によってテープ本体部４２を形成することもできる。

このような伸縮性に優れた合成樹脂材料で形成されたテープ本体部４２は、伸縮が繰り返されたとしても破断することなく、変形に追従することができる。また、導電塗料層４３及び後述する下塗り材４１との相性が良く、密着性を高め剥離し難くすることができる。

一方、導電塗料層４３は、伸縮性に優れた配合とされる。導電塗料によってひび割れを検知させるためには、引っ張り抵抗を小さくして破断しやすくする必要がある。例えば、検知箇所に使用される導電塗料には、伸縮性に乏しいポリエステルなどが配合される。

これに対して、導電塗料層４３には、伸縮性に優れた樹脂が配合される。例えば、フィラーとなる銀粉と、伸縮性の高いウレタン樹脂と、有機溶剤とが配合される。有機溶剤には、シンナーなどの希釈剤が使用される。

導電塗料層４３の配合としては、例えば銀粉の混合割合が55-65重量％、ウレタン樹脂の混合割合が5-15重量％、有機溶剤の混合割合が25-35重量％とすることができる。

さらに、導電塗料層４３の表面は、必要に応じてコーティング層４４によって被覆させることができる。アクリル樹脂などのコーティング層４４で被覆することで、耐紫外線性や防水性などの耐久性を向上させることができる。

また、導電塗料層４３の表面をコーティング層４４で被覆することで、導線部４が伸縮を繰り返しても、導電塗料層４３がテープ本体部４２から剥離しにくくすることができる。

テープ本体部４２と桁下面１２との間に介在させる下塗り材４１には、エポキシ樹脂などが使用できる。下塗り材４１をプライマーとして介在させることによって、ＰＣ桁１などのコンクリート表面（桁下面１２）のように凹凸がある測定対象との不陸が調整できるうえに、ＰＣ桁１側への漏電を防ぐことができる。

要するに導線部４は、導電塗料によって構成される電気回路を形成することが可能な帯状の導電素材となる。このため、データ収集部５のリード線５１，５１の端部を導線部４の導電塗料層４３の両端に接続すれば、通電状態にすることができる。

一方、ひび割れを検知させる検知部３は、導電塗料によって破断しやすい状態に形成される。すなわち検知部３は、帯状に形成された破断しやすいテープ部３２と、そのテープ部３２の表面に形成された破断しやすい検知塗料層３３とによって主に構成される。

テープ部３２には、不織布テープやポリエステル製のマスキングテープなどが使用できる。破断しにくい素材でテープ部３２を構成する場合は、スリットなどの切り込みを入れるなどして、所望する力が作用した際に破断されるようにしておく。

また、検知塗料層３３には、例えば、フィラーとなる銀粉と伸縮性に乏しいポリエステル樹脂と有機溶剤とが配合される。有機溶剤には、シンナーなどの希釈剤が使用される。

検知部３の下塗り材３１とコーティング層３４については、導線部４と同様の材料を使用することができる。例えば、下塗り材３１にはエポキシ樹脂、コーティング層３４にはアクリル樹脂が使用できる。

図４は、桁下面１２に設けられた検知部３及び導線部４の配線パターンを例示する説明図である。ここで、桁下面１２のひび割れを検知させたい領域を、桁端部１４からスパン中央１３に向けて複数の検知領域ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ，ＰＥに区画する。すなわち、検知領域ＰＡ−ＰＥのどこでひび割れが発生したかによって、どのＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄがどの位置で破断しているかを、解析によって推定することができるようにする。

検知領域ＰＡには、平行に３列の検知部３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３を設ける。検知部３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３は、それぞれコ字状に配線される。コ字状の検知部３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３の端部となる端子３ａ，３ｂは、それぞれデータ収集部５のリード線５１，５１に接続される。

３列の検知部３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３は、いずれも同じ検知領域ＰＡに発生するひび割れを検知させるために配置されるが、単独ではなく３列にすることで、検知精度を向上させることができる。以下、重複する説明は、適宜省略する。

検知領域ＰＡに隣接する検知領域ＰＢには、平行に３列の検知部３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３を設ける。検知部３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３は、それぞれコ字状に配線され、その両端にはそれぞれ導線部４Ｂ１，４Ｂ２，４Ｂ３が接続される。導線部４Ｂ１，４Ｂ２，４Ｂ３の端部となる端子４ａ，４ｂは、それぞれデータ収集部５のリード線５１，５１に接続される。

同様にして検知領域ＰＣには検知部３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｃ３が設けられて導線部４Ｃ１，４Ｃ２，４Ｃ３に接続され、検知領域ＰＤには検知部３Ｄ１，３Ｄ２，３Ｄ３が設けられて導線部４Ｄ１，４Ｄ２，４Ｄ３に接続され、検知領域ＰＥには検知部３Ｅ１，３Ｅ２，３Ｅ３が設けられて導線部４Ｅ１，４Ｅ２，４Ｅ３に接続される。このような配線パターンとすることによって、いずれの検知領域ＰＡ−ＰＥでひび割れが発生しても、高い検知精度でひび割れを検知することができるようになる。

ここで、図３に示すように、検知部３で検知したいひび割れＣ１が発生する前に、導線部４の敷設区間に亀裂Ｃ２が発生していたとする。亀裂Ｃ２に跨って配置された導線部４は、伸縮性に優れているため、亀裂Ｃ２が開閉を繰り返したり、幅が広がったりしても、破断されることなく通電し続けることができる。例えば、亀裂Ｃ２が1mm程度広がっても、導線部４は破断することなく通電状態を維持することができる。

一方、ひび割れＣ１が発生又は広がった場合は、検知部３が破断することで通電が遮断されて、その検知情報がデータ収集部５に記憶される。すなわち、検知部３のテープ部３２及び検知塗料層３３は、伸縮性に乏しいため、ひび割れＣ１の発生又は拡大によって作用する引張力に対抗しきれず、破断を起すことになる。例えば、0.3mm程度のひび割れＣ１が発生した場合に、検知部３は破断される。但し、25％程度の検知誤差があると言われている。

次に、本実施の形態のひび割れ検知システムを使用したひび割れ検知方法及びそれらの作用について説明する。
図２に示すように、測定対象となるＰＣ桁１に発生するひび割れＣを検知させるために、桁下面１２に検知部３及び導線部４を配置する。このＰＣ桁１には、鉛直方向に間隔を置いて４段のＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄが橋軸方向に向けて配置されている。

そこで、４段のいずれのＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄが破断したか、さらにはどの位置で破断したかが再現計算によって推定できるように、図４に示すように、桁下面１２の桁端部１４からスパン中央１３までを５つの検知領域ＰＡ−ＰＥに区画して、それぞれの検知領域ＰＡ−ＰＥでのひび割れの発生が検知できるようにする。なお、５つの検知領域ＰＡ−ＰＥに区画したのは一例であって、それよりも少なくても多くてもよい。

導線部４を敷設するためには、図３に示すように、まずＰＣ桁１の桁下面１２にエポキシ樹脂を下塗り材４１として塗布する。検知部３を設ける箇所の表面にも、同様にエポキシ樹脂を下塗り材３１として塗布する。

そして、検知部３とする箇所には、下塗り材３１の上に幅5mm程度のテープ部３２を貼り付ける。また、導線部４とする箇所には、下塗り材４１の上に幅5mm程度のテープ本体部４２を貼り付ける。

続いて、導電塗料層４３を形成するために、テープ本体部４２の表面に、銀粉とウレタン樹脂と有機溶剤とが配合された導電塗料を、小口径のスプレーガンで吹き付ける。また、テープ部３２の表面には、銀粉とポリエステル樹脂と有機溶剤とが配合された導電塗料を吹き付けて、検知塗料層３３を形成する。吹き付けによる検知塗料層３３の厚さ（膜厚）は、0.05mm程度である。導電塗料層４３の膜厚は、検知塗料層３３よりも厚くすることができる。

ここで、導電塗料層４３と検知塗料層３３は、配合は異なるが同質の導電塗料の吹き付けによって形成されるため、容易に連続性を確保することができる。導電塗料層４３と検知塗料層３３との接続箇所は、設置作業後は近付きにくくなる場合があるが、一体性の高い接続がされることで管理負担を減らすことができる。

さらに、導電塗料層４３と検知塗料層３３の表面には、アクリル樹脂を吹き付けることによってコーティング層４４，３４を形成する。コーティング層４４，３４を設けることで、耐久性を向上させることができる。

そして、導線部４の端子４ａ，４ｂ（検知部３Ａ１−３Ａ３については端子３ａ，３ｂ）には、図１に示すように、データ収集部５のリード線５１を接続させる。

リード線５１と導電塗料層４３（又は検知塗料層３３）との接続は、管理者がアクセスしやすい橋脚２近くで行われるため、リード線５１の腐食や外れなどの不具合などが発生すれば、すぐに見つけることができる。

そして、データ収集部５は、足場が存在する橋脚２の側面２１に取り付けられる。このようにして導線部４と検知部３とデータ収集部５とによって形成された電気回路を使用して、データ収集部５によるひび割れの検知情報の計測が行われる。

このデータ収集部５に記憶された検知情報のデータは、定期的、例えば１日に１回、無線で管理棟に設置された解析部６に送信される。あるいは、管理者がデータ取得用の端末（タブレット端末やスマートフォンなど）を持ってデータ収集部５の近くまで来たときに、無線(ZigBee（登録商標）や携帯電話のデータ通信機能など)によって検知情報のデータを取得する構成とすることもできる。

図５Ａ及び図５Ｂは、検知情報となる電気回路の電圧をＰＣ桁１に発生するたわみと合せて解析部６のモニタ６１に表示させた例を示している。図５Ａでは、ＰＣ桁１にたわみが発生してもすべての時刻で電圧値が一定の値を示しており、通電状態にあることがわかる。すなわち、いずれの検知部３Ａ１−３Ｅ３においても、ひび割れが検知されていない状態を示している。

これに対して図５Ｂでは、ＰＣ桁１に大きなたわみが発生した際に、電圧値が低下した（通電していない）表示となっており、破断が起きたことがわかる。すなわち、いずれかの検知部３Ａ１−３Ｅ３でひび割れが検知された状態であることを示している。いずれの検知部３Ａ１−３Ｅ３でひび割れが検知されたかは、検知情報に付与された識別子から容易に確認することができる。

そして、ひび割れが発生した箇所が特定できれば、その時間に通過した列車を動的荷重とした解析（再現計算）を行うことで、いずれのＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄがどの位置で破断した可能性が高いか（破断本数と破断位置）を推定することができる。

このように構成された本実施の形態のひび割れ検知システムは、導電塗料によって破断し易い状態に形成された検知部３が、測定対象となるＰＣ桁１の桁下面１２のひび割れを検知させたい検知領域ＰＡ−ＰＥのそれぞれに複数列（上述した例では３列ずつ）、設けられる。

このため、１列の検知部（例えば３Ａ１）では検知誤差が発生したとしても、複数列の検知部（例えば３Ａ２，３Ａ３）による検知結果を併せることで、導電塗料によって形成される検知部３の検知精度を向上させることができる。

一例を示すと、導電塗料によって形成された検知部３で0.3mm以上のひび割れが検知できない誤差率は25%程度である。これに対して一つの検知領域ＰＡに対して３列の検知部３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３を平行に設けることで、検知成功率を98％（＝1-(0.25)³×100＝98.4％）に向上させることができる。

さらに、導線部４が伸縮性を有するテープ本体部４２の表面に伸縮性を有する導電塗料層４３が形成された構成であることによって、検知を予定していない箇所でひび割れが発生したり、亀裂Ｃ２が開閉したりしても、破断することがなく、電気回路の通電状態を維持させることができる。

また、導電塗料を塗布することによって構成された検知部３と導線部４の導電塗料層４３とは馴染みが良く、容易に検知部３の検知塗料層３３に連続させることができる。

さらに、導電塗料層４３と検知塗料層３３とは同じ銀粉をフィラーとする導電塗料であるため、外観が同質になり、ＰＣ桁１の桁下面１２に露出していても美観が損なわれるのを抑えることができる。

そして、プレストレストコンクリート構造物であるＰＣ桁１の複数箇所に、ＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄの配置パターンに合わせて検知領域ＰＡ−ＰＥを設けることで、ＰＣ鋼材１１Ａ−１１Ｄの不良箇所や破断箇所が推定できるようになる。

このようにしてひび割れの発生箇所を迅速に特定することができれば、ひび割れの発生箇所のみを鋼板補強などで部分的に補強するなどして、合理的かつ経済的に補強対策を行うことが可能になる。

また、導電塗料によって設けられる検知部３に連続して導電塗料によって導線部４を設け、検知部３によって検知された検知情報をデータ収集部５に記憶させ、その検知情報に基づいてひび割れの判定を行わせる方法であれば、管理者が目視や打音によって検査する場合と比べて、客観的にひび割れの有無の判定を行うことができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば前記実施の形態では、各検知領域ＰＡ−ＰＥにコ字状の検知部３を３列ずつ配置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、２列又は４列以上の検知部３を設けることもできる。

また、前記実施の形態では、導電塗料によって破断しにくい状態に形成された導線部４について説明したが、これに限定されるものではなく、電線を導線部とすることもできる。

１ ＰＣ桁（プレストレストコンクリート構造物）
１１Ａ−１１Ｄ ＰＣ鋼材
１２ 桁下面（測定対象）
３ 検知部
４ 導線部
４ａ，４ｂ 端子（端部）
５ データ収集部
６ 解析部
Ｃ，Ｃ１ ひび割れ
ＰＡ−ＰＥ 検知領域

Claims (4)

1. 測定対象に発生するひび割れを検知させるひび割れ検知システムであって、
   導電塗料によって破断し易い状態に形成された検知部と、
   前記検知部に接続される導線部と、
   前記導線部に接続されるデータ収集部とを備え、
   前記導線部は、伸縮性を有するテープ本体部とその表面に形成された導電塗料層とによって破断しにくい状態に形成されるとともに、
   前記検知部は、前記測定対象のひび割れを検知させたい検知領域に、平行な複数列のコ字状の個別配線によって設けられることを特徴とするひび割れ検知システム。
2. 前記検知領域は、前記測定対象の複数箇所に設けられることを特徴とする請求項１に記載のひび割れ検知システム。
3. 前記測定対象はプレストレストコンクリート構造物であって、ＰＣ鋼材の配置パターン及び列車通過時に作用する動的な応答の再現計算に適用できるように前記検知領域が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のひび割れ検知システム。
4. 測定対象に発生するひび割れを検知させるひび割れ検知方法であって、
   導電塗料によって破断し易い状態の検知部を設ける工程と、
   前記検知部に連続して、伸縮性を有するテープ本体部とその表面の導電塗料によって破断しにくい状態の導線部を設ける工程と、
   前記導線部の端部にデータ収集部を接続して電気回路を形成する工程と、
   前記データ収集部において検知部による検知情報を収集する工程と、
   前記データ収集部に記憶された検知情報からひび割れの有無を判定する工程とを備え、
   前記検知部は、前記測定対象のひび割れを検知させたい検知領域に、平行な複数列のコ字状の個別配線によって設けられることを特徴とするひび割れ検知方法。