JP6833587B2

JP6833587B2 - 腐食検出方法

Info

Publication number: JP6833587B2
Application number: JP2017065453A
Authority: JP
Inventors: 愛吉田; 早野　博幸; 博幸早野; 幸俊井坂; 玲江里口
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: JP2018169228A

Description

本発明は鋼材の腐食環境を検出する技術に関する。

従来から、腐食環境を検出する技術として、鉄等の細線が腐食することで変化する電気特性を検出する電気的腐食センサが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。また、鉄筋の腐食を検知する方法としては、コンクリート構造物中の鉄筋にひずみゲージを貼り付け、鉄筋が損傷した場合のひずみを検知している（特許文献３）。

一方、従来から、構造物に生ずるひずみを検出する光ファイバセンサが提案されている。例えば、特許文献４では、計測対象となる構造物に、螺旋状に形成した光ファイバセンサを取り付け、この光ファイバセンサの光伝搬特性の変化を電気光学的測定装置により測定する。これにより、構造物に変位が生じた場合、構造物を破壊せずに変位を計測することを可能としている。

また、特許文献５では、コンクリート内部において、スペーサ部材に掛け渡されて螺旋状に巻回される光ファイバが用いられている。これにより、コンクリート部材のせん断ひび割れを検出することを可能としている。

また、特許文献６では、予めテンション（引張応力）を掛けた光ファイバセンサを監視用部材で挟み、光ファイバセンサのひずみによる応力の変化から腐食を検出することを可能としている。

特開平８−０９４５５７号公報特開２０１２−１４５３３０号公報特許第４９７５４２０号明細書特開２０００−０９７６４７号公報特許第４００８６２３号明細書特開２００８−１９１０７６号公報

光ファイバセンサを用いて鋼材の腐食環境を検知しようとする場合、種々の課題が存在する。例えば、直接、構造物内の鉄筋に光ファイバを巻き付ける手法は、構造物全体に光ファイバを設置し、構造物の損傷や変形を検知するものであり、腐食環境を検知するものでない。たとえ、腐食によるひずみを検知したとしても、鉄筋が腐食損傷してから検知することとなるため、手遅れになりかねない。このため、手遅れになる前に腐食環境を予想できることが望ましい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバセンサを用いて鋼材の腐食環境を早期かつ正確に検出する方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手法を講じた。すなわち、本発明の腐食検出方法は、鋼材の腐食環境を検出する腐食検出方法であって、光ファイバセンサに対して圧縮応力を与える状態で、前記光ファイバセンサに腐食性の金属を設けるステップと、前記腐食性の金属が設けられた光ファイバセンサを前記鋼材の腐食環境と実質的に同一の腐食環境に設置するステップと、前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の波長を検出するステップと、を少なくとも含み、経過時間と前記検出した波長との関係に基づいて、鋼材の腐食環境を推定することを特徴とする。

このように、光ファイバセンサに対して圧縮応力を与える状態で、光ファイバセンサに腐食性の金属を設け、腐食性金属が設けられた光ファイバセンサを鋼材の腐食環境と実質的に同一の腐食環境に設置し、光ファイバセンサ中を伝搬する光波の波長を検出し、経過時間と前記検出した波長との関係に基づいて金属そのものの腐食を検知するので、ケーブルを這わせたり、電圧をかけたりする必要なく、波長を検出するだけで、鋼材の腐食環境を検知することが可能となる。

（２）また、本発明の腐食検出方法において、前記腐食性の金属は、金属箔または金属線であることを特徴とする。

このように、腐食性の金属は、金属箔または金属線であるので、光ファイバセンサに対して、常に一定の圧縮応力を掛けることが可能となる。これにより、腐食性の金属の腐食による光ファイバセンサに対する圧縮応力の変化を、光ファイバセンサ中を伝搬する光の波長の変化として正確に捉えることが可能となる。

（３）また、本発明の腐食検出方法において、光ファイバセンサは、棒材に固定されていることを特徴とする。

このように、光ファイバセンサは、棒材に固定されているので、鉄線金属箔または金属線を緩むことなく巻き付けることが可能となる。

（４）また、本発明の腐食検出方法において、前記腐食性の金属が設けられていない光ファイバセンサを前記腐食性の金属が設けられた光ファイバセンサに併設し、前記腐食性の金属が設けられていない光ファイバセンサ中を伝搬する光波の波長を検出することによって、前記腐食性の金属が設けられた光ファイバセンサで検出された光波の波長変動から、前記腐食性の金属の腐食以外の要因による波長変動を補正することを特徴とする。

このように、光ファイバセンサは、温度または湿度、並びに腐食性の金属の腐食以外の要因によっても波長が変動するため、これを補正することによって、より正確な腐食によるひずみを検知することが可能となる。

本発明によれば、腐食の進展状態を予測することが可能となる。

ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）の概略を示す図である。本実施形態に係る腐食検知センサの概略を示した図である。光ファイバセンサに腐食性の金属を巻き付ける方法の一例を示す図である。光ファイバに掛かる圧縮応力の状態を示す図である。腐食環境下における光ファイバセンサの波長の変化を示すグラフである。

本発明者らは、光ファイバセンサを用いて鋼材の腐食環境を検知するためには、光ファイバセンサに常に一定の圧縮応力を与える必要があることに着目し、光ファイバセンサを鋼材に巻き付けるのではなく、鋼材（鉄線）を光ファイバセンサに巻き付けることによって、光ファイバセンサに常に一定の圧縮応力を与えることができ、鋼材の腐食環境を検知できることを見出し、本発明に至った。すなわち、本実施形態に係る腐食検出方法は、光ファイバセンサに鉄線を巻き付け、構造物内に光ファイバセンサを設置し、光ファイバ中を伝搬する光波の波長を計測する。これにより、本発明者らは、鉄筋等の鋼材が腐食する環境にあるか否かを検知することを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本実施形態では、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）方式の光ファイバセンサを用いた例を説明するが、外部から圧縮力が加わることで波長が変化する方式の光ファイバセンサであれば他の方式を用いても良く、ＦＢＧ方式に限定されるわけではない。

図１は、ＦＢＧを備えた光ファイバセンサ１の概略を示す図である。ＦＢＧは、温度やひずみの変化を光波長の変化として検出するものであり、光が伝搬するコア１１とその周囲を覆う同心円状のクラッド１３の２種類の透明な誘電体から構成される光ファイバに回折格子（Grating）１５を刻んだものである。ＦＧＢは、コア１１に周期的な屈折率変化が形成されたセンサであり、屈折率変化は、回折格子の役割を果たす。ＦＢＧに光を入射させると、Ｇｒａｔｉｎｇ周期に応じた特定波長の反射光が戻ってくる。その反射光の波長（ブラッグ波長）を、計測機器を用いて測定する。なお、本実施形態では、光ファイバセンサ１として、ＦＢＧを用いた例を一例として示すが、本発明ではＦＢＧに限定されるわけではなく、センサ部を有していれば良い。

図２は、本実施形態に係る腐食検知センサ１００の概略を示した図である。腐食検知センサ１００は、光ファイバセンサ１と鉄線３から構成されている。光ファイバセンサは、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部を有している。ＦＢＧ部が光ファイバコアの屈折率の周期的な変化を有し、ひずみの変化を光波長の変化として検出する。ＦＢＧ部は、第１のＦＢＧ部５および第２のＦＢＧ部７を備える。第１のＦＢＧ部５は、錆びていない健全な鉄線が巻回されている。一方、第２のＦＢＧ部７は、鉄線３が巻回されていないダミーセンサである。温湿度や外力によってひずみが変動するため、第１のＦＢＧ部５の近くに第２のＦＢＧ部７を設け、腐食以外のひずみの変動を補正することが好ましい。なお、本実施形態では、第１のＦＢＧ部５を１つ備える例を説明するが、第１のＦＢＧ部５を複数備えていても良い。

鉄線３は、光ファイバセンサ１を巻回するのに適合したサイズを有する。鉄線３の直径が太すぎると、光ファイバセンサ１への巻回が困難となるため、例えば、鉄線３の直径は０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が好ましい。また、鉄線３の長さは、光ファイバセンサ１に巻回でき、圧縮応力を掛けることができる程度の長さであれば良い。ＦＢＧセンサであれば、鉄線３の長さは、ＦＢＧ部全体を覆う長さ、もしくはＦＢＧ部を中心とした長さ１ｃｍ以上の範囲を覆う長さが好ましい。巻き数は、緊張がかけやすく、また検知域が広くなって腐食感度が上がるため、センサ部を複数巻くことが好ましい。また、本実施形態では、鉄線３を用いた例を説明するが、これに限定されるわけではない。例えば、鉄箔などを用いても良い。

また、本実施形態に係る腐食検知センサ１００は、光ファイバセンサ１を芯状のもの（例えば、設置用棒材）に、一旦沿わせるまたは螺旋状に巻き付けるなど固定した上で、さらにその周りを鉄線３で巻き付けても良い。光ファイバセンサ１を芯状のものに固定することで全体として太くなり、光ファイバセンサ１に鉄線を巻回しやすくすることができる。設置用棒材の材質は、硬く変形せず、腐食しないものが好ましく、例えば、ステンレスが挙げられる。また、異なる太さの棒材を準備すれば、コンクリート中に設置する場合には容易にコンクリート表面からのかぶり深さを変えることができ、腐食環境の進行状況を知ることができる。

図３は、光ファイバセンサに腐食性の金属を巻き付ける方法の一例を示す図である。まず、図３（ａ）に示すように、光ファイバセンサ１に金属線（例えば、鉄線３等）または金属箔を巻き付け、金属線または金属箔の両端部を巻き付け用棒材１７に接着させる。次に、図３（ｂ）に示すように、金属線または金属箔の両端部を接着させた巻き付け用棒材１７を回転させ、金属線または金属箔を巻き取ることで、光ファイバセンサ１に巻き付けた金属線または金属箔が光ファイバセンサ１を締め付け、光ファイバセンサ１に圧縮応力が掛かる。光ファイバセンサ１に圧縮応力が掛かった状態で巻き付け用棒材１７と光ファイバセンサ１を接着固定する。金属線または金属箔は、腐食性の金属であれば良い。

図４は、光ファイバセンサ１に掛かる圧縮応力の状態の概略を示す図である。図４の紙面に対して左側に示すように、光ファイバセンサ１（ＦＢＧ部）に鉄線３を巻き付けることで、光ファイバセンサ１に圧縮応力が掛かる。光ファイバセンサ１に圧縮応力が掛かることにより、光ファイバセンサの径は小さくなり、反射光の波長の値は大きくなる。鉄線３が錆びていない健全な状態であれば、光ファイバセンサ１に一定の圧縮応力を掛け続けることができ、その結果、測定される反射光の波長の値も安定したほぼ一定の状態を保つ。

しかし、図４の紙面に対して右側に示すように、光ファイバセンサ１に巻き付けた鉄線３が腐食し始めると、鉄線３に断面欠損が生じる。鉄線３に断面欠損が生じると、光ファイバセンサ１に掛かっていた圧縮応力が低下するため、光ファイバセンサの径が元に戻ろうとするため相対的に大きくなり、反射光の波長の値は徐々に小さくなる。さらに、腐食により鉄線３が切断すると、光ファイバセンサ１に掛かっていた圧縮応力は、急減する。

つまり、腐食環境に曝されていない健全な鉄線であれば、光ファイバセンサに一定の圧縮応力を掛け続けることができ、ある一定の値の反射光の波長が検出される。一方、腐食環境に曝されている鉄線は、断面欠損が生じてくるため、光ファイバセンサに掛かる圧縮応力が低下し、反射光の波長の値も、徐々に低下してくる。

このように、本実施形態に係る腐食検知センサは、ＦＢＧ部などのセンサ部を有する光ファイバセンサに鉄線を巻き付け、構造物内に埋設し、光ファイバセンサから出力される波長を測定することで、構造物内の腐食環境を早期かつ正確に検出することが可能となる。

また、本実施形態に係る腐食センサは、コンクリートの表面に対し平行になるように腐食検知センサを設置しても良いし、構造物のかぶり方向に対し平行となるように腐食検知センサを設置しても良い。複数のＦＢＧ部を直列に設け、かぶり方向に対し平行となるように腐食検知センサを設置することにより、腐食の進展状況を把握することが可能となる。また、鉄線の巻回数や厚さの異なる複数のＦＢＧ部を設置することで、腐食環境の状態を把握することも可能となる。

［検証例］
次に、図２に示す腐食検知センサを用いて、波長の変化を検証する。本検証では、鉄線は、直径０．１ｍｍ、長さ１０００ｍｍのものを使用した。光ファイバセンサは、直径１５０μｍ、ＦＧＢ部幅７ｍｍ、中心波長１５４８．０７ｎｍ、ポリイミドで素線被覆されたフジクラ社製のＦＧＢセンサを用いた。

光ファイバセンサに対する鉄線の巻き方は、光ファイバセンサの第１のＦＢＧ部を中心とした１ｃｍの範囲に圧縮応力を与える程度に巻き付けを行ない、鉄線の端部は、ＣＮなどの接着剤で固定した。光ファイバに鉄線を巻き付けた状態の波長は、１５４９．１６ｎｍであった。

腐食検知センサを腐食環境下（温度３０℃、湿度７０％）におき、４日経過後に、鉄線にＮａＣｌ：１０％水溶液を付着させ、計測機器により波長の変化を計測した。

図５は、第１のＦＢＧ部および第２のＦＢＧ部の波長変化を示すグラフである。測定開始直後は、第１のＦＢＧ部は、錆びていない健全な鉄線によって、圧縮応力が掛けられているため、波長の値は大きい値を示している。しかし、鉄線にＮａＣｌを付着させた４日以降から、徐々に波長の値が低下し始め、１２日目に波長の値が大きく変化した。つまり、４日目以降は、第１のＦＢＧ部に巻き付けられている鉄線に断面欠損が生じ始め、鉄線が腐食する環境にあると知ることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、構造物内の腐食環境を早期かつ正確に検出することが可能となる。

１００腐食検知センサ
１光ファイバセンサ
３鉄線
５第１のＦＢＧ部
７第２のＦＢＧ部
１１コア
１３クラッド
１５回折格子（Grating）
１７巻き付け用棒材

Claims

鋼材の腐食環境を検出する腐食検出方法であって、
光ファイバセンサに対して圧縮応力を与える状態で、前記光ファイバセンサに腐食性の金属を巻回するステップと、
前記腐食性の金属が巻回された光ファイバセンサを前記鋼材の腐食環境と実質的に同一の腐食環境に設置するステップと、
前記金属の腐食により生じる断面欠損によって、前記圧縮応力が低下することで変化する前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の波長を検出するステップと、を少なくとも含み、
経過時間と前記検出した波長との関係に基づいて、鋼材の腐食環境を推定することを特徴とする腐食検出方法。
前記腐食性の金属の厚さは、前記光ファイバセンサの直径より小さいことを特徴とする請求項１記載の腐食検出方法。
前記腐食性の金属は、金属箔または金属線であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の腐食検出方法。
前記光ファイバセンサは、棒材に固定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の腐食検出方法。
前記腐食性の金属が巻回されていない光ファイバセンサを前記腐食性の金属が巻回された光ファイバセンサに併設し、前記腐食性の金属が巻回されていない光ファイバセンサ中を伝搬する光波の波長を検出することによって、前記腐食性の金属が巻回された光ファイバセンサで検出された光波の波長変動から、前記腐食性の金属の腐食以外の要因による波長変動を補正することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の腐食検出方法。