(57)【要約】【課題】水路において水理機能、道路においてグリップ力を評価する上で重要な指標となるコンクリート表面の粗さを計測し、コンクリートの劣化を判断し、機能の回復・向上を目的にした効果的な補修を実現する。【解決手段】コンクリート表面の粗さを計測するコンクリート表面粗さ計であって、超音波による反射波を用いて、コンクリート表面の粗さを定める計測器と、前記計測器の計測結果を用いて劣化曲線により劣化指数を定める工程と、前記計測器に内蔵されたデジタルカメラの撮影画像を用いて骨材の代表サイズを表示する工程と、を少なくとも含む。【選択図】図１
2015215217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート表面の粗さを計測するコンクリート表面粗さ計であって、超音波発振部が前記コンクリート表面に超音波を照射し、超音波受信部が前記コンクリート表面からの反射波を受信し、受信された超音波の強さと、周波数に基づいて前記コンクリート表面の粗さを定めることを特徴とするコンクリート表面粗さ計。
【請求項２】
請求項１に記載のコンクリート表面粗さ計を用い、コンクリートの劣化状況を判定するコンクリート劣化評価装置であって、超音波発振部の照射波に対する反射波の周波数、振幅の平均値、バラツキに基づき劣化指数（安全度係数）を定めることを特徴とするコンクリート劣化評価装置。
【請求項３】
前記コンクリート劣化評価装置がデジタルカメラを内蔵し、超音波照射領域のコンクリート表面を撮像し、コンクリート表面に露出する砂利の形状、分布、サイズを表示することを特徴とする請求項２に記載のコンクリート劣化評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
超音波センサを用いてコンクリート表面の表面粗さを測定する表面粗さ測定分野、更に詳しくは、超音波センサを用いたコンクリート表面の粗さ測定と、コンクリートの劣化程度を評価するコンクリートの劣化評価装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
わが国の主要な農業用水路は、総延長約４００，０００ｋｍあり、膨大なストックを有している。これらの水路は、高度経済成長期以降に集中して整備されたものが多く、築造から数十年経過しているため、今後順次補修・更新を行う必要がある。このような主要な農業用水路の多くはコンクリートにより作られている。コンクリート製の農業用水路では、機能診断において水理機能の低下を補修・更新の要因とすることが多い。水理機能の低下は、流水によって水路コンクリート表面の凹凸である“粗さ”が増大し、粗度係数を上昇させることに起因する。しかし、機能診断における粗さの判定は目視に依存していることが多い。
【０００３】
文献１には、粘土を用い評価対象となるコンクリート表面の型取りを行い、レーザ変位計で表面形状を測定し（平均粗さ、標準偏差、曲線長さ）コンクリート表面の劣化状態を推定評価する発明が開示されている。この方法は確実ではあるが、粘土による型取りに手間が掛り、広域を短時間で評価することは困難である。
【０００４】
文献２には、凍結障害で割れの発生したコンクリートを架台に固定させて、表面を超音波距離測定器でスキャンして得られるデータから、劣化深さを判定する発明が開示されている。この発明では、割れなど細部に注目するデータが重要であって、表面粗さなど、広い領域を平均化して求めるデータでは、劣化の判定は困難である。
【０００５】
文献３には、コンクリートの表面粗さの計測装置として、コンクリート表面までの距離を計測するレーザ距離センサを水平方向と円周方向に移動させるアクチュエータで駆動させコンクリート表面をスキャンして表面粗さを測定する発明が開示されている。なお、この文献３には距離センサとして、超音波の使用も可能性があるとのとの記載があるが、文言だけで具体的な発明の開示はない。
【０００６】
文献４には、コンクリート表面までの距離を電磁波距離センサで計測し、コンクリート表面をスキャンして表面粗さを測定する発明が開示されている。
しかし、これら従来技術の装置は、何れも計測に長時間を要したり、大型であったり、高価であったりするなどの欠点があり、農業用水路の機能診断におけるコンクリート表面の粗さによる粗度係数を簡便、且つ短時間内に定量評価できる実用装置への応用は困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−３６５９０
【特許文献２】特開平８−１５１２６
【特許文献３】特開２０１４−１０００１
【特許文献４】特開平０５−２６４２５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
農業用水路は広域であるので、計測装置は運搬が容易であって、短時間で広域を計測できる装置でなければならない。しかし、先行技術の発明は、何れも表面を細分化して個々の表面形状を正確に計測し、この形状データを平均化して表面粗さを求めるものであり、計測に長時間を要するのみならず、装置に高い精度が求められ、しかも大型で、高コストである。
農業用水路の表面粗度係数から劣化状態を定量的に評価できる劣化評価装置の出現は、ストックマネジメントの観点からも強く望まれており、本発明では、装置が簡便で、
一回の測定で広い範囲を計測できる計測装置の提供を行う。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、コンクリート表面の粗さを計測するコンクリート表面粗さ計である。本発明のコンクリート表面粗さ計は、超音波発振部と、超音波受信部と受信した超音波波形から超音波の強さを求め、超音波周波数に応じて、予め作成された変換式や変換テーブルを用いて表面粗さを算出する表面粗さ算出部を含んで構成される。即ち、所定の周波数の超音波が、超音波発振部から発信され被計測対象のコンクリート表面に照射され、コンクリート表面からの反射波を超音波受信部が受信する。この時観測される超音波反射波の強さと、周波数に基づいて、表面粗さ算出部がコンクリート表面の粗さを定める。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のコンクリート表面粗さ計を用い、コンクリートの劣化状況を判定するコンクリート劣化評価装置である。
農業用水路の表面粗さと水路の劣化には一定の関係が見出されており、本発明のコンクリート劣化評価装置は、これら水路の劣化評価に必要なデータを予めデータベースとして劣化評価部に蓄積している。本発明のコンクリート劣化評価装置は、請求項１に記載のコンクリート表面粗さ計から出力される超音波発振器の照射波に対する反射波の周波数、反射波の強さ（振幅の平均値）、バラツキと、データベースに基づいて劣化評価部が劣化指数（安全度係数）を求める。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のコンクリート劣化評価装置にデジタルカメラを内蔵させたものである。超音波発振部が超音波を照射する方向と、デジタルカメラの撮像方向は一致させており、デジタルカメラは、超音波照射領域のコンクリート表面を撮像する。デジタルカメラの画像データはカメラ画像処理部で汎用画像処理技術を用い、コンクリート表面に露出する砂利の形状、分布、サイズなどが分析される。これら画像情報は、超音波計測データとセットで管理されるので、コンクリート劣化評価結果を人が視覚的に理解する上で有用であり、劣化評価の高精度化を図る上での補助データとしても有効に活用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の構成部品である空中超音波センサは、車のバックソナー等に使用されるなど普及度が高く、安価なセンサである。また、本発明は空中超音波による反射強度というシンプルな指標で、コンクリート表面の粗さを計測している。これにより高度な解析ソフトを必要とせず、測定現場でコンクリート表面の粗さの計測を容易にした。
また、面的な粗さの平均を計測するので、計測は１箇所当たり１秒以下と計測時間が極めて短い。従って、本発明のコンクリート劣化評価装置は、コンクリート製農業用水路の表面の粗度係数を従来手法に比べ、面的情報を安価に簡便で、短時間に取得できる装置と言え、しかもコンクリート劣化評価を実施できる装置である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】コンクリート劣化評価装置の装置構成
【図２】超音波反射波の測定
【図３】反射強度（最大振れ幅）
【図４】距離と最大振れ幅の関係
【図５】照射エリアの調整
【図６】照射エリアと最大振れ幅の関係
【図７】最大振れ幅の標準偏差
【図８】測定器とコンクリート面のなす角と最大振れ幅の関係
【図９】二値化後のコンクリート壁面のデジタルカメラ画像例
【図１０】健全度と、灌漑水位以下の水路の算術平均粗さ
【図１１】コンクリート劣化評価装置の正面図と一部断面図
【図１２】水路外設置による測定状況
【図１３】水路内設置による測定状況
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に本発明によるコンクリート劣化評価装置の装置構成を示す。
コンクリート劣化評価装置１０は超音波発振部１１の出力部と、超音波受信部１２と、カメラ画像処理部１３の入力部を有し、これらの入出力値に基づいて表面粗さ評価部１７と、劣化評価部１８で評価を行う。これら評価部は、コントローラ１６内部に組込まれる。また本装置は台車１４に搭載されレール上を走行しながら計測を行うため、台車制御部１５もコントローラ１６の一部の機能として組込まれる。
【００１５】
次に、本コンクリート劣化評価装置の計測・評価原理について以下に説明する。
まず、空中超音波によるコンクリート壁面の粗さを測定する表面粗さ測定原理について説明する。粗さの異なる２つの面に対し空中超音波を発振すると、滑らかな面に対し、粗い面では超音波が乱反射し超音波の反射強度が低下する。図２に概略図を示す。空中超音波の反射強度は、図３に示すように受信用の超音波素子から電圧として検出され、得られた反射波の最大振れ幅が反射強度と定義される。
【００１６】
次に、空中超音波によるコンクリート壁面の粗さ計測の精度と、その測定距離について説明する。計測精度については、空中超音波発振受信素子からコンクリート壁面までの距離を５５０ｍｍ、１０００ｍｍ、１５００ｍｍとした条件において、空中超音波を粗さの異なるコンクリート面に発射し、受信波の最大振れ幅を計測した。
このとき、粗さの指標として算術平均粗さを用いた。算術平均粗さとは、コンクリート面の凹凸を型取りゲージなどを用いて計測し、その凹凸の基準線からの距離を関数f(x)としたときの、凹凸の平均値であり、以下の式で表される。
【数１】
2015215217.tif 000003
【００１７】
ここで、f(x)は凹凸の基準線からの距離であり、lは型取りゲージの長さとなる。
図４に、空中超音波発振受信素子からコンクリート壁面までの距離を５５０ｍｍ、１０００ｍｍ、１５００ｍｍとした条件における、受信波の最大振れ幅と対象となるコンクリート壁面の算術平均粗さを示す。算術平均粗さ０．０５ｍｍから０．７ｍｍまでの計測結果は、曲線で近似されＲ２値０．８程度の高い相関が見られた。この結果、空中超音波によるコンクリート壁面の粗さ計測の有効性が確認されるとともに、計測はコンクリート面から５５０ｍｍから１５００ｍｍの距離において精度の高い計測が可能であることが確認できた。また、コンクリート壁面の粗さが、受信波の最大振れ幅のみを計測することで定量的に計測できることを確認できた。本知見は、本発明が簡便な計測を実現するに至った基礎になっている。
【００１８】
次に、計測領域について説明する。空中超音波でコンクリート壁面の粗さ計測を行う場合、計測範囲には当然適正範囲がある。空中超音波によってコンクリート壁面の計測する領域を確認するために、滑らかなコンクリート面に粒径（粗さ）の異なる砂利を、超音波送受信機の直下から同心円上に徐々に広げて配置しながら空中超音波の受信波の最大振れ幅を計測した。空中超音波発振受信素子からコンクリート面までの距離は１０００ｍｍとした。実験の概要を図５に示す。用いた砂利は、粒径８から１２ｍｍのもの、３から５ｍｍのもの、２ｍｍのものの３種とした。
【００１９】
図６に拡大させた同心円の直径と受信波の最大振れ幅の関係を示す。直径０ｃｍの最大振れ幅は砂利がないときの受信波の反射強度を示している。砂利を直径２０ｃｍ、４０ｃｍと増やすに従い、最大振れ幅は減少する。これは滑らかなコンクリート面に粗い砂利が敷かれたため反射波が散乱したことを示している。また、砂利の粒径が大きいほど粗い面となるため受信波の最大振れ幅の減少が大きい。しかし、いずれの砂利においても同心円の直径が６０ｃｍを超えると受信波の最大振れ幅の値は一定に収束した。この結果、空中超音波によるコンクリート壁面の粗さ計測の範囲は超音波送受信機直下の直径６０ｃｍの領域であることが確認できた。ただし、超音波送受信機の種類が異なる場合、計測領域について若干の補正が必要である。以上より本発明の空中超音波により「面的な情報」の得られることは明白である。
【００２０】
次に、空中超音波によるコンクリート壁面の粗さ計測に要する時間について説明する。
空中超音波の反射波は印加電圧のノイズや気象条件など様々な要因で毎回変動する可能性がある。安定した計測結果を得るために数回の計測結果の平均値をとる必要がある。粗さの異なる３つのコンクリート面において受信波の最大振れ幅の取得回数ごとの標準偏差と、取得回数の平均の標準偏差を測定した。対象としたコンクリート面は算術平均粗さRa＝０．００ｍｍ、Ra＝０．４０ｍｍ、Ra＝１．６７ｍｍの面とした。
図７に各回数の実測値の標準偏差と各回数の平均値の標準偏差を示す。
【００２１】
この結果、測定回数が増すにつれ、実測値の標準偏差の値、各回数の平均値の標準偏差の値とも安定するのが確認できる。しかし、実測値の標準偏差は１０回を超えても２０〜５０ｍVの標準偏差が残った。一方、各回数の平均値の標準偏差は、１０回程度で標準偏差１０ｍV程度に収束することが確認できた。即ち、空中超音波による粗さ測定では、約１０回の測定結果の平均値を算出することで、標準偏差約１０ｍVの精度が得られる。実験に使用した超音波素子のサンプリング速度は４０回／秒であるので、標準偏差約１０ｍVの精度を得るための計測時間は０．２５秒である。これにより、本発明はコンクリート表面の粗さの短時間計測を可能にした。
【００２２】
次に、超音波測定器とコンクリート壁面とのなす角について説明する。
空中超音波によるコンクリート壁面の粗さ計測では、測定器がコンクリート壁面の正面に設置されるという保証はない。このため、測定器とコンクリート面とのなす角が受信波の最大振れ幅に及ぼす影響を検討する必要がある。そこで、算術平均粗さRa＝０．１４７ｍｍと算術平均粗さRa＝０．４９７ｍｍの２つのコンクリート面に対して、測定器とのなす角を０〜３０度まで変化させて測定を行った。
【００２３】
図８に測定器とコンクリート面のなす角と最大振れ幅の関係を示す。図８では、測定器とコンクリート面のなす角が増すに伴い、最大振れ幅が線形に減少する。また、減少の傾きは算術平均粗さが異なってもほぼ平行に減少する。つまり、測定器とコンクリート面のなす角が３０度程度までは、角度０度の場合と同程度の精度で算術平均粗さを計測できることが明らかである。本発明では、測定器とコンクリート面のなす角度を入力することで、コンクリート表面の粗さを正確に計測でき、計測環境の自由度を高めている。
【００２４】
次に、デジタルカメラによる画像処理について説明する。
本発明の空中超音波によるコンクリート表面粗さ測定では、計測精度を向上させるため、必要に応じてデジタルカメラによる補充を行う。空中超音波測定器によるコンクリート壁面に露出する骨材には様々な大きさがある。コンクリート壁面の粗さを検討するときには、空中超音波による粗さを計測するだけでなく、露出した骨材の状況や大きさを把握することで、更に測定精度を向上させることができる。本発明の空中超音波測定器はデジタルカメラを搭載する。露出した骨材の状況はこのデジタルカメラの画像を使用することで得ることができる。また、コンクリート壁面に露出した骨材のサイズ情報は、以下の画像処理で入手できる。即ち、コンクリートに使用される骨材にはさまざまな石材が使用される。これらの石材には様々な色があるが、ほとんどの骨材には黒から濃青色、濃赤色の暗色系と、白から黄、緑白色の明色系が含まれる。この性質を利用して取得画像の明度を１００まで上昇させて濃淡を強調し、コントラストを１００まで上昇させ、輝度値１で二値化することで暗色系の骨材は黒色、明色系の石材は白色に分別する。
【００２５】
図９に二値化後のコンクリート壁面の画像例を示す。この画像から黒色および白色のピクセルの隣接の必要ピクセルを判別し、すべてが同色の連続する領域を探査抽出することで基質であるセメントや細骨材の領域と、粒径の大きい粗骨材の領域を分離することができる。分離された粗骨材領域の両端を検出することで骨材の大きさを画像から得られる。デジタルカメラ画像を用いた本コンクリート劣化評価装置では、反射波の最大振れ幅と、粗骨材の領域比率と、粗骨材のサイズに基づいて表面粗さを算出することもできる。
【００２６】
次に、算術平均粗さから粗度係数を求める変換式と、劣化指数（健全度）について説明する。
粗度係数の計算には、中矢らが提案（摩耗したコンクリート水路表層形状からの粗度係数推定手法，農業農村工学会論文集，258，pp.23-28）する数２を用いる。
【数２】
2015215217.tif 000004
ここで、ｎは粗度係数、Ｒａは本発明のコンクリート表面粗さ計で計測される表面粗さ（Ｒａの算術平均粗さ）である。
【００２７】
また、水路の劣化指数には、本間ら（農業用会水路壁面の健全度評価指標構築の課題，農工研技報，210，pp.255-264）が報告する健全度を用いる。健全度と、灌漑水位以下の水路の算術平均粗さには図１０に示す関係がある。
【００２８】
健全度の具体的数値の意味は、水利施設の劣化過程を表す指標で、健全度５はほとんど変状が認められない状態（対策不要）、健全度４は軽微な変状が認められる状態（要観察）、健全度３は変状が顕著に認められる状態で、劣化の進行を遅らせる補修工事などが適用可能な状態（補修）、健全度２は施設の構造的安定性に影響を及ぼす変状が認められる状態で、補強を伴う工事により対策が可能な状態（補強）、健全度１は施設の構造的安定性に重大な影響を及ぼす変状が認められる状態で近い将来に施設機能が失われる、または著しく低下するリスクが高い状態（改築）とされている。
なお、粗度係数と劣化指数との関係は数２以外にテーブルで与えることができる。テーブルは、粗度係数と劣化指数が非線形特性であったり、粗骨材の領域比率や、粗骨材サイズなどをパラメータとして取り込む場合に使用する。
【００２９】
図１１に本発明によるコンクリート劣化評価装置の平面図（Ａ）と、一部断面図（Ｂ）を示す。計測装置本体２０は台車１４に搭載され、台車１４は複数の三脚３８を足場として水平に設置されるレール３０上に搭置され、コントローラ２２の指令を受けて、レール３０上を走行しながら計測を行う。また、計測装置本体２０は超音波発振部１１と、超音波受信部１２からなる超音波センサユニット２１がホルダー２３により、コントローラ２２の外装に、取付け角度自在に支持される。なお、図１１（Ａ）には割愛したが、超音波センサユニット２１に並置して図示されないデジタルカメラが設置され、台車１４には、電源として図示されないバッテリーが搭載される。
【００３０】
コントローラ２２は台車への取付け部２４を介して、台車フレーム２５に固定される。台車１４は４つのガイドローラ３３と、１つの走行ローラ３５でレール３０の内側を走行する。４つのガイドローラ３３はそれぞれ、ガイドローラ軸３４により台車フレーム２５に回動自在に取り付けられ、レール３０のレール側面３１に当接し、走行ローラ３５の走行に従動して回動する。走行ローラ３５は台車への取付け部２４に軸受を介して走行モータ３７に軸着される。走行モータ３７もモータ支持フレーム２６を介して、台車への取付け部２４に固定され、台車フレーム２５に一体化される。
三脚３８は脚の開度と高さ調整が自在で、少なくとも一対が準備され、レール３０の両端に配置され、簡単な水準器を用いて、レール３０の水平を確保できるよう開度及び高さ調整される。
【００３１】
図１２は、水路外に本発明によるコンクリート劣化評価装置設置を設置し、水路側壁面のコンクリート劣化評価の実施状況を説明する図である。水路４０の水路側面４１には、コンクリート面４２や、砂利露出面４３などが混在する。計測装置本体２０は三脚３８が水路４０の外部に設置された一対の三脚間に敷設されたレール３０上を台車１４に搭載され、レール３０の一端から他端まで、６００ｍｍ間隔で走行・停止を繰り返し、停止中に計測を行い、計測後再び６００ｍｍ走行して停止して測定する動作を繰り返す。なお、図１０では割愛したが、超音波センサユニット２１が取付けられるホルダー２３を上下方向に移動自在なボールネジ機構のテーブルに変更したり、回転方向に回動自在なテーブル構造に変更し、水平方向への移動と同時に、高さ方向に計測位置を変更することで、水路側面４１の全体を面計測してもよい。
【００３２】
図１３は水路内の水路底面４４に一対の三脚３８を設置して実施する計測例である。基本的には図１２と同じであるが、図１２に比べ、超音波を水路側面４１の近傍から、壁面に垂直に照射できるメリットがある。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、超音波素子を使用するので装置がコンパクト、安価、しかも短時間計測が可能である。また、農業用水路壁面に沿ってセンサ移動が容易であり、現地での計測・評価が容易であるので、広域に分布する農業用水路の劣化評価に好適である。
一方、一般道路にも道路表面粗さ計測のニーズがあり、本発明の応用展開が可能と思われる。具体的には、一般道路におけるブラスト処理の粗さ計測と歩道のすべり抵抗値である。ブラスト処理工法は路面の粗さを増して路面のグリップ力を上げる工法である。ブラスト処理の仕上がりも粗さを指標としており、算術平均粗さが用いられる。本発明の最大振れ幅から算術平均粗さを推定することで、一般道路の診断が可能となる。歩道のすべり抵抗値は４０以上（湿潤状態）と規定されており、本発明の最大振れ幅からすべり抵抗値を推定することで、歩道の診断が可能であり、本発明装置を道路表面粗さ計測装置として活用できるものと考える。
【符号の説明】
【００３４】
１０  コンクリート劣化評価装置
１１  超音波発振部
１２  超音波受信部
１３  カメラ画像処理部
１４  台車
１５  台車制御部
１６  コントローラ
１７  表面粗さ評価部
１８  劣化評価部
２０  計測装置本体２１  超音波センサユニット
２２  コントローラ
３０  レール
３１  レール側面
３３  ガイドローラ
３５  走行ローラ
３７  走行モータ
３８  三脚
４０  水路
４１  水路側面
４２  コンクリート面
４３  砂利露出面
【図１】
2015215217.tif 000005
【図２】
2015215217.tif 000006
【図３】
2015215217.tif 000007
【図４】
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【図５】
2015215217.tif 000009
【図６】
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【図７】
2015215217.tif 000011
【図８】
2015215217.tif 000012
【図９】
2015215217.tif 000013
【図１０】
2015215217.tif 000014
【図１１】
2015215217.tif 000015
【図１２】
2015215217.tif 000016
【図１３】
2015215217.tif 000017