JP7075658B2

JP7075658B2 - 収縮評価方法およびコンクリート試験体

Info

Publication number: JP7075658B2
Application number: JP2018137770A
Authority: JP
Inventors: 博幸早野; 真弥城出; 昂雄落合
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2022-05-26
Anticipated expiration: 2038-07-23
Also published as: JP2020016464A

Description

本発明は、光ファイバセンサを用いて、コンクリートの収縮ひずみを測定する技術に関する。

ＲＣ（Reinforced-Concrete）造やＳＲＣ（Steel Reinforced Concrete）造などのコンクリート構造物において、ひび割れが発生した場合、ひびから内部に劣化因子が浸入しやすくなり、コンクリート構造物の構造性能を大きく低下させると共に、かぶりコンクリートの剥落につながり、第三者被害を発生させることになる。従って、ひび割れ発生を予見することは、構造物の維持管理に極めて有用である。コンクリートのひび割れは、自己収縮、乾燥収縮、鉄筋腐食、温度応力や外力によるものが存在する。

このようなコンクリートのひび割れを検知する方法として、特許文献１では、コンクリート構造物中の鉄筋や表面にひずみゲージを貼り付け、ひび割れを検知している。

また、特許文献２では、計測対象となる構造物に、螺旋状に整形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３では、コンクリート構造物の内部において、スペーサ部材に掛け渡されて螺旋状に巻回されるテープ部材と、このテープ部材に沿って巻回される光ファイバとを用いる。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、コンクリートの「収縮ひび割れ」の原因は、コンクリートの自己収縮と乾燥収縮である。コンクリート試験体を用いてコンクリートの収縮を測定する一般的な方法は、コンクリート内部に埋め込み型ゲージを設置する方法や、コンクリート試験体にゲージプラグを埋め込んだり後から接着したりする方法や、所定の材齢で測定する「ＪＩＳＡ１１２９」のコンタクトゲージ法や、ダイヤルゲージ法などがある。

特許第４９７５４２０号明細書特開２０００－０９７６４７号公報特許第４００８６２３号公報

しかしながら、コンクリート試験体を用いてコンクリートの収縮を測定しようとする場合、埋め込み型ゲージは、直径が１ｃｍ以上となるため、コンクリート断面（例えば、φ10cm、または10cm×10cm）に対する割合が大きくなってしまうと共に、ブリーディングの影響により、埋め込み型ゲージの下側に欠陥が生じてしまう。また、型枠に埋め込み型ゲージを事前に固定しなければならない。「ＪＩＳＡ１１２９」による方法では、連続的な測定はできず、実構造物に適用したとしても、表面の収縮ひずみしか測定することができない。

コンクリート構造物の収縮ひずみを測定しようとする場合、断面が大きくなるため、測定範囲も広くなる。また、コンクリート構造物の内部と外部とで湿度が異なることから、湿度勾配が生じ、深さ方向で収縮ひずみが異なる。このように、広範囲の測定や、深さ方向の測定を連続的に実施するためには、埋め込み型ゲージを用いる手法では、測定箇所ごとに埋め込み型ゲージを入れて、それらの複数の接続ケーブルを実構造物から取り出す必要がある。その結果、配線の数が増加して煩雑になると共に、ケーブル長が大きくなると測定値に悪影響を及ぼしてしまう。

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、コンクリート構造物の収縮ひずみを測定する方法および光ファイバセンサを用いて、コンクリート試験体の収縮を評価する収縮評価方法およびコンクリート試験体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、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の光ファイバセンサを用いて、コンクリートの収縮を評価する収縮評価方法であって、光ファイバが設置される高さまでコンクリートを打設する工程と、鉛直方向に対して直交する方向に光ファイバセンサを敷設する工程と、前記光ファイバセンサが設けられたコンクリート上に、さらにコンクリートを打設する工程と、前記光ファイバセンサ内を伝搬する光波の特性変化に基づいて、前記コンクリートのひずみを測定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

このように、光ファイバセンサを用いるので、水平方向の収縮ひずみの分布を連続的に測定することが可能となる。また、光ファイバセンサは極めて細いため、構造物に対する強度特性に及ぼす影響が小さくなる。さらに、光ファイバセンサはある程度の高温にも耐え得るため、コンクリートの内部温度が高くなっても、ひずみの測定が可能となる。また、光ファイバセンサを用いるので、ＪＩＳ規格に定められているコンクリート試験体（φ10cm×20cm、または10cm×10cm×40cm）だけでなく、さらに小さいφ５ｃｍ×１０ｃｍ等のモルタル試験体の収縮を測定することも可能となる。また、この手順によれば、光ファイバセンサの破損を回避することが可能となる。

（２）また、本発明の収縮評価方法は、型枠に挿通孔を設ける工程と、前記挿通孔の高さまでコンクリートを打設する工程と、前記挿通孔に光ファイバセンサを挿通することで、鉛直方向に対して直交する方向に光ファイバセンサを敷設する工程と、をさらに含むことを特徴とする。

この構成により、光ファイバセンサを適切な位置に敷設することができると共に、光ファイバセンサの破損を回避することが可能となる。

（３）また、本発明の収縮評価方法は、光ファイバセンサを用いて、コンクリートの収縮を評価する収縮評価方法であって、前記光ファイバセンサが鉛直方向に起立した状態で、コンクリートを打設する工程と、前記光ファイバセンサ内を伝搬する光波の特性変化に基づいて、前記コンクリートのひずみを測定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

このように、光ファイバセンサを用いるので、鉛直方向の収縮ひずみの分布を連続的に測定することが可能となる。また、光ファイバセンサは極めて細いため、構造物に対する強度特性に及ぼす影響が小さくなる。さらに、光ファイバセンサはある程度の高温にも耐え得るため、コンクリートの内部温度が高くなっても、ひずみの測定が可能となる。また、光ファイバセンサを用いるので、ＪＩＳ規格に定められているコンクリート試験体（φ10cm×20cm、または10cm×10cm×40cm）だけでなく、さらに小さいφ５ｃｍ×１０ｃｍ等のモルタル試験体の収縮を測定することも可能となる。また、この手順によれば、光ファイバセンサの破損を回避することが可能となる。

（４）また、本発明の収縮評価方法は、中空の円筒内に光ファイバセンサを挿通する工程と、前記光ファイバセンサが挿通された円筒が鉛直方向に起立した状態で、コンクリートを打設する工程と、前記円筒を除去する工程と、をさらに含むことを特徴とする。

（５）また、本発明の収縮評価方法は、上記（１）から（４）のいずれかにおいて、温度計を設置する工程と、前記測定したコンクリートのひずみから温度変化によるひずみを除去する工程と、をさらに含むことを特徴とする。

このように、コンクリートに温度計を埋設し、測定したコンクリートのひずみから温度変化によるひずみを除去するので、特定の温度におけるひずみを予め測定しておく必要がなくなり、汎用性が高くなる。

（６）また、本発明のコンクリート試験体は、コンクリートの収縮を評価するために用いられるコンクリート試験体であって、打設されたコンクリートと、前記コンクリート内部に鉛直方向または鉛直方向に対して直交する方向の少なくとも一方に敷設された光ファイバセンサと、を備えることを特徴とする。

このように、光ファイバセンサを用いるので、ＪＩＳ規格に定められているコンクリート試験体（φ10cm×20cm、または10cm×10cm×40cm）だけでなく、さらに小さいφ５ｃｍ×１０ｃｍ等のモルタル試験体の収縮を測定することも可能となる。

本発明によれば、光ファイバセンサを用いるので、水平方向の収縮ひずみの分布を連続的に測定することが可能となる。また、光ファイバセンサは極めて細いため、構造物に対する強度特性に及ぼす影響が小さくなる。さらに、光ファイバセンサはある程度の高温にも耐え得るため、コンクリートの内部温度が高くなっても、ひずみの測定が可能となる。また、光ファイバセンサを用いるので、ＪＩＳ規格に定められているコンクリート試験体（φ10cm×20cm、または10cm×10cm×40cm）だけでなく、さらに小さいφ５ｃｍ×１０ｃｍ等のモルタル試験体の収縮を測定することも可能となる。また、この手順によれば、光ファイバセンサの破損を回避することが可能となる。

本実施形態に係るひび割れ検知方法において、光ファイバセンサを設置する方法を示す図である。本実施形態に係るひび割れ検知方法において、光ファイバセンサを設置する方法を示す図である。光ファイバセンサをコンクリート構造物に埋設する例を示す図である。矩形のコンクリート１４に光ファイバセンサ１６を設けた例を示す図である。本実施例に係るコンクリート試験体の使用材料を示す表である。本実施例に係るコンクリートの配合を示す表である。本実施例に係るコンクリート試験体の概要を示す図である。熱電対内蔵埋め込み型ひずみ計で測定した温度から、温度ひずみを補正した後の収縮ひずみの測定結果を示す図である。

本発明の収縮評価方法は、光ファイバセンサを用いて、コンクリートの収縮を評価する収縮評価方法であって、光ファイバが設置される高さまでコンクリートを打設する工程と、鉛直方向に対して直交する方向に光ファイバセンサを敷設する工程と、前記光ファイバセンサが設けられたコンクリート上に、さらにコンクリートを打設する工程と、前記光ファイバセンサ内を伝搬する光波の特性変化に基づいて、前記コンクリートのひずみを測定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

これにより、本発明者らは、水平方向の収縮ひずみの分布を連続的に測定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。

本実施形態では、コンクリートに光ファイバセンサを埋設することにより、コンクリートの収縮ひずみを測定する。この光ファイバセンサのひずみには、温度影響により生じるひずみも含まれるため、光ファイバセンサのひずみから、温度影響により生じたひずみを除去したひずみが、収縮ひずみとなる。光ファイバセンサは、１本の細いケーブルに複数のセンサを設置することができるため、実構造物で使用する場合、１本の光ファイバセンサで複数の部位の測定を連続的に行なうことが可能となる。

図１は、本実施形態に係る収縮評価方法において、光ファイバセンサを設置する方法を示す図である。ここでは、光ファイバセンサを水平方向（鉛直方向と直交する方向）に設置する場合を示す。図１に示すように、型枠１０に、予め光ファイバ挿通孔１２を設けておく。そして、挿通孔１２の高さまでコンクリート１４ａを打設する（ａ）。次に、挿通孔１２に光ファイバセンサ１６を通して、コンクリート１４ａ上に設ける（ｂ）。ここで、光ファイバセンサ１６と同じ高さに熱電対などの温度計１３を設ける。次に、バイブレータＡやハンマＢなどを用いて振動を与え、光ファイバセンサ１６が見えなくなる程度にコンクリート１４ａに沈ませる（ｃ）。次に、光ファイバセンサ１６上に、さらにコンクリート１４ｂを打設する（ｄ）。このような工程を経ることによって、コンクリートの打設の際に、光ファイバセンサが損傷することを回避することができる。

なお、面積の広い構造物においては、光ファイバセンサを水平方向に設置して、挿通孔を設けずにコンクリートの外にケーブルを排出しても良い。

本実施形態では、光ファイバセンサとして、ＦＢＧセンサを用いる。光ファイバセンサは、センサ部（FBG部）を、１本の光ファイバケーブルに複数設置することによって、１本の極細いケーブルを外部に引き出すだけでコンクリートの収縮ひずみの分布を連続的に測定可能となる。広範囲の連続的なモニタリングにより、離散的な値が生じたり、ある部位と他の部位との間に大きなひずみの乖離が生じたりしていることが分かると、ひび割れの発生を検知することも可能となる。また、光ファイバセンサは極めて細いため、構造物に対する強度特性に及ぼす影響が小さくなる。さらに、光ファイバセンサはある程度の高温にも耐え得るため、コンクリートの内部温度が高くなっても、ひずみの測定が可能となる。

なお、コンクリートとの付着を良くすることを目的として、光ファイバセンサに接着剤で凹凸を作ったり（とくに両端部）、予め硬化体で光ファイバセンサを被覆して養生しておいたりしても良い。また、光ファイバセンサそのものの表面を異形にしたものを用いても良い。

図２Ａは、本実施形態に係る収縮評価方法において、光ファイバセンサを設置する方法を示す図である。ここでは、光ファイバセンサを鉛直方向に設置する場合を示す。図２Ａに示すように、直径が１０ｍｍ～５０ｍｍ程度の中空の円筒体１８を用いる。円筒体１８は、溝部１９によって、円筒体１８ａと１８ｂとに二分割されるように構成されている。円筒体１８の高さは、設置場所に応じて適宜定めるものとする。円筒体１８が小さい場合は、光ファイバセンサ１６のセンサ部が円筒体１８の中心付近に位置するように、円筒体１８に光ファイバセンサ１６を挿通し、光ファイバセンサ１６が挿通された円筒体１８が鉛直方向に起立した状態でコンクリートを打設する。その後、コンクリートが柔らかいうちに、円筒体１８を半分に割るように離しながら抜き取ることによって、光ファイバセンサ１６をコンクリート内部に鉛直方向（垂直方向）に埋め込むことができる。また、円筒体１８が長く太い場合、例えば、直径が２０ｍｍ以上となる円筒体１８を用いる場合や、深さ方向が大きい場合や、実構造物に設置する場合などでは、光ファイバセンサ１６のセンサ部が円筒体１８の中心付近に位置するように、円筒体１８に光ファイバセンサ１６を挿通し、円筒体１８の中にコンクリートをゆっくりと打設し、コンクリートが柔らかいうちに、円筒体１８を抜き取るようにしても良い。なお、図２Ａに示すように、温度計１３を円筒体１８の内部に入れることも可能である。

なお、円筒体を用いることに限らず、光ファイバセンサを底部に接着したり、重石をつるした状態でコンクリートを打設したりすることで、光ファイバセンサを鉛直方向に設置しても良い。

温度計は、熱電対を用いても良いし、コンクリート内部の温度を測定できれば、熱電対に限らない。光ファイバセンサのひずみには、温度影響により生じるひずみも含まれるため、光ファイバセンサのひずみから、温度影響により生じたひずみを除去したひずみが、収縮ひずみとなる。したがって、温度計は光ファイバセンサ１６の近傍に設置すると良い。温度計として第２の光ファイバセンサは、コンクリート構造物内の温度変化によるひずみを測定する光ファイバセンサとしても良い。第２の光ファイバセンサは、コンクリート構造物内の温度変化によるひずみを測定する光ファイバセンサであるため、保護チューブ等でコンクリートと切り離し、拘束のない状態で埋設される。なお、温度計は必須ではなく、温度が一定である試験室や恒温槽の内部で収縮評価を行なう場合は、温度計は不要となる。

図２Ｂは、光ファイバセンサをコンクリート構造物に埋設する例を示す図である。ここでは、鉛直方向に光ファイバセンサ２０ａを設け、深さの異なる位置に、水平方向に光ファイバセンサ２０ｂ、２０ｃをそれぞれ設けた例を示している。収縮評価方法として、光ファイバセンサ２０ａ、２０ｂ、２０ｃをコンクリート構造物に埋設する場合は、埋設する光ファイバセンサ２０ａは、１本（１つのセンサ部２２（以下、ＦＧＢ部２２またはひずみ検知部２２ともいう））でも、複数本でも良い。また、ＦＢＧ部２２は、１本の光ファイバセンサ２０ａに１つであっても良いし、複数備えていても良い。コンクリート１０７の表面と内部では、乾湿状態、温度、拘束状態が異なるので収縮ひずみも異なってくる。図２Ｂに示すように、表層部から異なる深さに、異なる方向から、短い間隔で光ファイバセンサ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを設置することで、構造物の状態をより詳細に把握することができる。好ましくは、コンクリートの表面部や表面部から１～４ｃｍの深さ、またはコンクリート部材の中間の深さなどにも光ファイバセンサを埋設すると良い。

上述したように、第２の光ファイバセンサ２３は、コンクリート構造物内の温度変化によるひずみを測定する光ファイバセンサであるため、保護チューブ２６等でコンクリート１０７と切り離し、拘束のない状態で埋設される。また、第２の光ファイバセンサ２３を埋設する深さは、光ファイバセンサ２０ｃの近傍であり、同じ深さとする。第２の光ファイバセンサ２３は、温度検知部２４において、温度変化により生じるひずみを測定するためのものであり、コンクリート構造物内の温度の測定およびその測定した温度から温度変化により生じるひずみを測定できれば良い。そのため、温度計としては、熱電対を用いても良く、光ファイバセンサに限らない。

図２Ｃは、矩形のコンクリート１４に光ファイバセンサ１６を設けた例を示す図である。矩形のコンクリート１４は、点線２７で示すように、ひび割れは、矩形のコンクリート１４の隣り合う辺を斜めに切るように発生することが多い。このため、図２Ｃに示すように、光ファイバセンサ１６を各辺に沿うように一周させることで、ひずみを検出する確率を高めることが可能である。また、一点鎖線２８で示すように、矩形のコンクリート１４の対角線上に２本の光ファイバセンサを設けても良い。この配置によってもひずみを検出する確率を高めることが可能である。
［実施例］

（１）実験の概要
次に、光ファイバセンサを用いて、コンクリート試験体の収縮を評価する方法について説明する。図３は、本実施例に係るコンクリート試験体の使用材料を示す表である。この表のうち、記号Ｃは、普通ポルトランドセメントであり、密度（表乾）が３．１６（ｇ／ｍ^３）である。また、記号Ｓは、掛川市産の山砂であり、密度（表乾）が２．５８（ｇ／ｍ^３）である。また、記号Ｇは、桜川市産の砕石であり、密度（表乾）が２．６５（ｇ／ｍ^３）である。

図４は、本実施例に係るコンクリートの配合を示す表である。この表に示すように、「ｓ／ａ」は「細骨材率（％）」であり、「Ｗ」は「水道水（ｋｇ／ｍ^３）」であり、「Ｃ」は「単位セメント量（ｋｇ／ｍ^３）」であり、「Ｓ」は「単位細骨材量（ｋｇ／ｍ^３）」であり、「Ｇ」は「単位粗骨材量（ｋｇ／ｍ^３）」である。

図５は、本実施例に係るコンクリート試験体の概要を示す図である。本実施例に係るコンクリート１４の空気量は２％、スランプフローは６７ｃｍであった。１００ｍｍ×１００ｍｍ×４００ｍｍの中心に、熱電対内蔵埋め込み型ひずみ計２０（KM-100BT：東京測器製）を設置し、併せてその近傍に光ファイバセンサ１６（FBGセンサ）を設置した。本実施例では、上述した「光ファイバセンサを水平方向（鉛直方向と直交する方向）に設置する場合」の方法を採用した。

コンクリート１４を打設した後、材齢１３日までは封緘養生し、材齢がそれ以降は、「温度が２０℃、湿度が６０％」で乾燥状態とした。すなわち、材齢１３日までは自己収縮ひずみが生じ得る状態であり、材齢がそれ以降は乾燥ひずみが生じ得る状態である。

（２）実験結果
図６は、熱電対内蔵埋め込み型ひずみ計で測定した温度から、温度ひずみを補正した後の収縮ひずみの測定結果を示す図である。図６に示すように、コンクリート打設直後、一時的にひずみが急増するが、それ以降、材齢が１３日までは安定した様子を示す。その後、材齢が１３日を超えてからはひずみが次第に大きくなっていく。図６に示すように、埋め込み型ひずみ計および光ファイバセンサ（FBGセンサ）の測定結果は、ほぼ同一となり、光ファイバセンサによって、コンクリートの自己収縮および乾燥収縮によるひずみを測定できることが判明した。

１０型枠
１２光ファイバ挿通孔
１３温度計
１４コンクリート
１４ａコンクリート
１４ｂコンクリート
１６、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２３光ファイバセンサ
１８円筒体
１８ａ円筒体
１８ｂ円筒体
１９溝部
２２ＦＢＧ部
２４温度検知部
２６保護チューブ
Ａバイブレータ
Ｂハンマ

Claims

光ファイバセンサを用いて、コンクリートの収縮を評価する収縮評価方法であって、
型枠に挿通孔を設ける工程と、
光ファイバが設置される高さである前記挿通孔の高さまでコンクリートを打設する工程と、
前記挿通孔に光ファイバセンサを挿通することで、鉛直方向に対して直交する方向に光ファイバセンサを敷設する工程と、
前記光ファイバセンサが設けられたコンクリート上に、さらにコンクリートを打設する工程と、
前記光ファイバセンサ内を伝搬する光波の特性変化に基づいて、前記コンクリートのひずみを測定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする収縮評価方法。
光ファイバセンサを用いて、コンクリートの収縮を評価する収縮評価方法であって、
中空の円筒内に光ファイバセンサを挿通する工程と、
前記光ファイバセンサが挿通された円筒が鉛直方向に起立した状態で、コンクリートを打設する工程と、
前記円筒を除去する工程と、
前記光ファイバセンサ内を伝搬する光波の特性変化に基づいて、前記コンクリートのひずみを測定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする収縮評価方法。
前記コンクリートに振動を与え、前記光ファイバセンサを前記コンクリートに沈ませる工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の収縮評価方法。
温度計を設置する工程と、
前記測定したコンクリートのひずみから温度変化によるひずみを除去する工程と、をさらに含む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収縮評価方法。