(57)【要約】【課題】コンクリート構造物の剛性を効率的に且つ精度良く測定することができるボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定装置および方法を提供する。【解決手段】コンクリート構造物１０の表面に打撃を加えるボール型のハンマー１と、このハンマー１で打撃を加えたときの衝撃信号を採取するためのセンサ２と、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づいて、センサ２で採取した衝撃信号からコンクリート構造物１０の剛性を導き出す制御装置３とを備える。【選択図】        図１
2004150946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート構造物の剛性を非破壊で測定する非破壊測定装置であって、
コンクリート構造物の表面に打撃を加えるボール型のハンマーと、
このハンマーで打撃を加えたときの衝撃信号を採取するためのセンサと、
ヘルツの衝撃理論に基づいて、上記センサで採取した衝撃信号からコンクリート構造物の剛性を導き出す制御装置とを備えることを特徴とするボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定装置。
【請求項２】
上記センサは、上記衝撃信号として加速度信号を採取する加速度センサであり、上記ハンマーに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定装置。
【請求項３】
上記ハンマーは、取手の先端部に鋼球が着脱自在に取り付けられたハンマーであることを特徴とする請求項１または２に記載のボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定装置。
【請求項４】
コンクリート構造物の剛性を非破壊で測定する非破壊測定方法であって、
ボール型のハンマーでコンクリート構造物の表面を叩いて、そのときの衝撃信号をセンサで採取するステップと、
ヘルツの衝撃理論に基づいて、上記センサで採取した衝撃信号からコンクリート構造物の剛性を導き出すステップとを備えることを特徴とするボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法。
【請求項５】
上記センサとして、上記ハンマーに取り付けられた加速度センサを用いることにより、上記衝撃信号として加速度信号を採取することを特徴とする請求項４に記載のボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法。
【請求項６】
上記ハンマーとして、取手の先端部に鋼球が着脱自在に取り付けられたハンマーを用いるようにしたことを特徴とする請求項４または５に記載のボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート構造物の剛性を非破壊で測定するための非破壊測定装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンクリートの力学特性においては、その変形係数と強度が最も重要なパラメータである。コンクリート打設後の品質管理や検査、既存のコンクリート構造物の健全性診断などにおいては、その力学特性を把握することが必要である。コア採取によるコンクリート試験では、精度の面で優れるものの、コストや代表性の面で問題点を有している。また、コンクリートの劣化の進行度合を測定する場合、コア採取によるコンクリート試験は不向きであり、通常は、非破壊試験が採用される。
コンクリートの圧縮強度を非破壊的に測定する方法としては、例えば、反発度法（シュミットハンマー法）、超音波（音速）法、複合法などが一般に知られている。
【０００３】
シュミットハンマー法は、測定が簡便で、被測定物の形状や寸法に関わらず適用できるために、現在最も広く使われている。図７は、このシュミットハンマー法で用いられるシュミットハンマーの内部構造の一例を示すもので、図中符号１１がハンマー、１２がガイドバー、１３がプランジャー、１０がコンクリート構造物である。このシュミットハンマー法においては、シュミットハンマーのプランジャー１３先端でコンクリート構造物１０の表面を打撃し、そのときの反発硬さを測定することにより、圧縮強度を推定するようになっている。
【０００４】
しかしながら、上記シュミットハンマー法には、例えば、次に示すような問題点があった。
先ず、第一に、圧縮強度を測定する際に、ハンマー１１とガイドバー１２との間の摩擦や摩耗による影響を受け易い。実際の測定作業では、粉塵やセメントミルクなどが内部に入るために、一定の打撃回数以上になると、ハンマー１１の分解調整が必要となる。
第二に、ハンマー１１の重さやガイドバー１２との接触状態などが、打撃方向により大きく変化する。そのため、シュミットハンマー法では、ハンマー１１を水平方向に打撃する必要がある。
第三に、測定結果（反発度）が、コンクリートの材料特性のみならず、機械の構造（例えば、ハンマー１１の重さ、プランジャー１３先端の形状、曲率半径など）や、ハンマー１１とガイドバー１２との間の摩擦などに大きく影響される。そのため、測定結果と圧縮強度との相関関係がシュミットハンマーの種類毎に異なってしまう。
【０００５】
なお、従来のシュミットハンマー法としては、例えば特許文献１に開示されるコンクリート構造物の強度等の測定方法が知られている。この測定方法においては、コンクリート構造物の表面の同一箇所を一定のエネルギーで複数回連続して打撃し、当該打撃に対するコンクリート構造物の反発度の初期値、最終値、変化率からコンクリート構造物の強度等を推定することにより、コンクリート構造物の表面の性状（凹凸や付着物など）による影響を排除して、強度の推定精度を高めるようにしている。
【０００６】
一方、超音波法は、超音波パルス（Ｐ波）の伝播速度および伝播時間に基づいて、コンクリート内部の欠陥の推定、材料動弾性係数の測定および圧縮強度の推定等を行う方法として一般に知られている。
【０００７】
この超音波法においては、図８（Ａ）に示すように、測定対象となるコンクリート部材を間に挟んで音波を発振・受信することが要求されている。例えば、図８（Ｂ）に示すように、ダム、トンネル、埋設基礎、床、広い壁表面などのように同じ表面でしか測定できない場合には、音速の測定精度がかなり低下し、計測することが非常に困難となる。その原因は、次のように考えられる。
先ず、第一に、発振してから横方向へ伝搬していく波の中には、Ｐ波の成分が非常に少ない。発生した波の中で、Ｐ波成分が全エネルギーに占める割合は、わずか数パーセントにしか過ぎない。更に、Ｐ波は構造物表面に沿って伝達して行くと、その減衰（幾何減衰）が非常に大きいので、ある程度離れると、Ｐ波成分はほとんどなくなってしまう。
第二に、Ｐ波受信子の構造によれば、接触端面に対して垂直方向の振動成分以外の振動成分を殆ど採取することができない。図８（Ｂ）に示すように、受信子と発振子を同じ表面上に貼り付けると、発生したＰ波の振動方向は受信子の接触端面と平行になる。したがって、このような状態では、Ｐ波成分を直接的に採取することは相当に困難であることがわかる。実際に採取した信号は、動ポアソン比効果による膨らみ成分であると考えられる。
【０００８】
これを確認するため、１つの試験を行った。具体的には、あるコンクリート構造物の床に対して発振子から超音波を出力し、その速度を超音波計測器（受信子）を用いて測定した。図９は、発振子と受信子間の距離と、超音波の走行時間の測定値との関係を示すグラフ、図１０は、発振子と受信子間の距離と、超音波の測定速度との関係を示すグラフである。これらグラフに示すように、測定した結果には、次のような特性がある。先ず、第一に、超音波の測定速度は、発振子と受信子間の距離の増加に伴い、減少していく。第二に、超音波の測定速度の最大値は、２．５ｋｍ／ｓにも至っていない。平均的には１．７ｋｍ／ｓ前後である。
一般的に、コンクリート材料におけるＰ波速度は３．０ｋｍ／ｓ以上であることから、測定したものはＰ波ではないことが明らかである。
【０００９】
日本建築学会では、超音波法について、図８（Ａ）の方法（いわば直接法）以外に、図１１に示すような”半直接法”および”反射法”を提案している。しかしながら、半直接法については、「超音波の指向性のため、一般には受信が困難であり、また発振子や受信子の寸法との関係で被測定距離を特定し難く、正確な測定値を得難い。」と指摘されている。一方、反射法についても、「一般には直接法よりも測定が困難であるため標準方法として推奨し難い。」となっている。
【００１０】
なお、超音波法を用いたコンクリート構造物の内部診断方法としては、例えば特許文献２に開示される診断方法が知られている。この診断方法においては、コンクリート構造物の壁面に２つの調査孔を設け、各調査孔内にそれぞれ超音波発信子と超音波受信子とを設置してコンクリート壁内部で超音波を発信・受信することにより、コンクリート構造物に鉄筋等の金属物が埋設されていても、これに妨げられずにコンクリート構造物内部の欠陥（ひび割れや腐食、強度低下、空洞部など）を調査できるようにしている。
【００１１】
また、測定精度を向上させるために、２種類以上の非破壊試験法（例えば、上記シュミットハンマー法と上記超音波法）を組み合わせて使用する、いわゆる複合非破壊試験法も提案されている。しかしながら、このような複合法による強度判定式は未だ確立されておらず、各方法自体固有の問題点も残っている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１０−１４２１２５号公報（段落番号００１６〜００２０）
【特許文献２】
特開２００１−１１６７３０号公報（段落番号００１１〜００１８）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コンクリート構造物は、次のような特性を持っている。第一に、トンネルやダムなどのように構造物の寸法が大きい場合が多い。したがって、コンクリート構造物を非破壊試験する場合、作業効率が要求される。第二に、作業できる箇所が構造物の一部表面（例えばダムの下流面、トンネル覆工の内面等）に限られる場合が多い。
【００１４】
このため、上記従来の非破壊試験法においては、前述したような種々の問題点のみならず、上記特性のコンクリート構造物を非破壊試験する場合に、多大な手間と時間を要するという問題点や、測定部位によって測定精度にバラツキが生じ易いという問題点などがあった。
【００１５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、コンクリート構造物の剛性を効率的に且つ精度良く測定することができるボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定装置および方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、コンクリート構造物の剛性を非破壊で測定する非破壊測定装置であって、コンクリート構造物の表面に打撃を加えるボール型のハンマーと、このハンマーで打撃を加えたときの衝撃信号を採取するためのセンサと、ヘルツの衝撃理論（以下、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論と称する。）に基づいて、上記センサで採取した衝撃信号からコンクリート構造物の剛性を導き出す制御装置とを備えることを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、コンクリート構造物の剛性を非破壊で測定する非破壊測定方法であって、ボール型のハンマーでコンクリート構造物の表面を叩いて、そのときの衝撃信号をセンサで採取するステップと、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づいて、上記センサで採取した衝撃信号からコンクリート構造物の剛性を導き出すステップとを備えることを特徴とするものである。
【００１８】
ここで、衝撃信号は、打撃時におけるハンマーとコンクリート構造物との接触時間や、接触する寸前の打撃速度を導き出すために用いられる信号である。この衝撃信号としては、例えば、打撃時にハンマーに作用する力や、打撃過程におけるハンマーの位置、速度、加速度などを示す信号が挙げられる。例えば、請求項２または５に記載の発明のように、衝撃信号が加速度信号である場合には、この加速度信号から、上記接触時間と上記打撃速度を求め、これら接触時間および打撃速度から、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づいて（すなわち、後述する数１および数２の関係式を用いて）コンクリートの剛性を導き出すようにする。
【００１９】
すなわち、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論によれば、落下球体と弾性体平面との接触時間は、弾性体の変形特性（ヤング率とポアソン比）、球体の変形特性（ヤング率とポアソン比）、球体の密度、直径および落下高によって決定される。例えば、質量Ｍ１  、半径Ｒ１  の球体を速度（上記打撃速度）ν０  で弾性体表面に衝突させたとき、球体と弾性体との接触時間Ｔｃ  は、次のようになる。
【００２０】
【数１】
2004150946.tif 000003
【００２１】
ここで、δは材料の特性であり、この特性は次式で表される。
【００２２】
【数２】
2004150946.tif 000004
【００２３】
ここで、Ｅは材料の弾性係数、μは材料のポアソン比である。各変数（Ｅ、μ、δ）の添字の１は球体を示し、２は弾性体を示している。
数１および数２に示すように、球体と弾性体との接触時間Ｔｃ  は、球体の半径Ｒ１  、質量Ｍ１  、変形特性（Ｅ１  とμ１  ）、衝突瞬間の速度ν０  および弾性体の変形特性（Ｅ２  とμ２  ）によって決定される。したがって、ハンマーのボール型の打撃部（鋼球）を上記球体とし、測定対象となるコンクリート構造物を上記弾性体と仮定すれば、接触時間Ｔｃ  、ハンマーの打撃部の半径Ｒ１  、質量Ｍ１  、材質（Ｅ１  とμ１  ）および打撃速度ν０  から、数１および数２の関係式を用いてコンクリート構造物の変形特性（Ｅ２  とμ２  ）を導き出すことができる。
【００２４】
請求項１または４に記載の発明によれば、ボール型のハンマーでコンクリート構造物の表面を叩いて、そのときの衝撃信号をセンサで採取し、その後、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づいて、センサで採取した衝撃信号からコンクリート構造物の剛性を導き出すようにしたので、コンクリート構造物の剛性を効率的にしかも精度良く測定することができる。
したがって、ダムやトンネルなどの巨大なコンクリート構造物の各部における剛性を測定する場合や、コンクリート打設後の品質管理や既存のコンクリート構造物の健全性診断などを行う場合において、本発明に係るコンクリートの非破壊測定装置および方法を好適に用いることができる。
【００２５】
周知のように、コンクリートの剛性は、その力学特性の代表的なパラメータの１つである。一般的に、その剛性が大きくなる程、材料の強度特性、浸透特性、耐久性などの材料性能も良くなることが知られている。したがって、その剛性を測ることによって、他の材料特性を推測することも可能になる。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定装置において、上記センサは、上記衝撃信号として加速度信号を採取する加速度センサであり、上記ハンマーに取り付けられていることを特徴とするものである。
【００２７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法において、上記センサとして、上記ハンマーに取り付けられた加速度センサを用いることにより、上記衝撃信号として加速度信号を採取することを特徴とするものである。
【００２８】
請求項２または５に記載の発明によれば、センサとして加速度センサを用い、この加速度センサがハンマーに取り付けられているので、シュミットハンマー等と比べて装置構成が簡素となり、しかも測定精度にバラツキが生じ難くなる。
【００２９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定装置において、上記ハンマーは、取手の先端部に鋼球が着脱自在に取り付けられたハンマーであることを特徴とするものである。
【００３０】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載のボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法において、上記ハンマーとして、取手の先端部に鋼球が着脱自在に取り付けられたハンマーを用いるようにしたことを特徴とするものである。
【００３１】
請求項３または６に記載の発明によれば、取手の先端部に鋼球が着脱自在に取り付けられたハンマーを用いるようにしたので、鋼球を交換することによって、鋼球の質量や大きさを容易に調整することできる。したがって、測定対象となる部位などに応じて、コンクリート構造物に与える打撃力を適宜に調整することが可能になる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定装置の一実施形態を示す概略構成図である。
この非破壊測定装置は、取手１Ａの先端部に鋼球１Ｂが着脱自在に取り付けられたボール型のハンマー（以下、ボールハンマー１と略称する。）と、このボールハンマー１の鋼球１Ｂに取り付けられた加速度センサ２と、この加速度センサ２からの加速度信号（衝撃信号）に基づいて、コンクリート構造物１０の剛性を導き出す制御装置３とを備えている。
【００３３】
制御装置３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ  ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、記憶装置、入力装置、表示装置およびインターフェース等を備えた周知のパーソナルコンピュータにより構成されている。この制御装置３と加速度センサ２との間には、加速度センサ２から出力された信号を増幅するためのチャージアンプ４と、このチャージアンプ４により増幅された信号に含まれるノイズ成分を除去するターミナルパネル５と、このターミナルパネル５によりノイズ成分が除去された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄボード６とが設けられている。
【００３４】
次に、上記構成からなる非破壊測定装置を用いて行われる本発明に係るボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法の概要を、図２のフローチャートに基づいて説明する。
先ず、測定対象となるコンクリート構造物１０の表面をボールハンマー１で叩き（ステップＳ１）、その打撃過程において加速度センサ２から出力される加速度信号をチャージアンプ４で採取する（ステップＳ２）。次いで、採取した加速度信号をチャージアンプ４で増幅した後、この加速度信号に含まれるノイズ成分を除去し（ステップＳ３）、これをＡ／Ｄ変換して制御装置３に出力する。
【００３５】
制御装置３は、チャージアンプ４、ターミナルパネル５およびＡ／Ｄボード６を介して加速度センサ２から送られた加速度信号に基づいて、ボールハンマー１の鋼球１Ｂとコンクリート構造物１０との接触時間Ｔｃ  、並びに鋼球１Ｂの打撃速度ν０  を求め（ステップＳ４）、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づいて、接触時間Ｔｃ  および打撃速度ν０  からコンクリートの剛性（変形特性）を導き出し（ステップＳ５）、この演算結果を記憶して保存する処理を実行する（ステップＳ６）。
【００３６】
次に、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づいてコンクリート構造物１０の剛性を導き出す方法について詳細に説明する。
Ｈｅｒｔｚ衝撃理論によれば、落下球体と弾性体平面（例えば、コンクリート）との接触時間は、弾性体の変形特性（ヤング率とポアソン比）、球体の変形特性（ヤング率とポアソン比）、球体の密度、直径および落下高によって決定される。
すなわち、質量Ｍ１  で半径Ｒ１  の球体を弾性体表面に衝突させたとき（衝突瞬間の速度ν０  ）、球体と弾性体との接触時間Ｔｃ  は、次のようになる。
【００３７】
【数１】
2004150946.tif 000005
【００３８】
ここで、δは材料の特性であり、この特性は次式で表される。
【００３９】
【数２】
2004150946.tif 000006
【００４０】
ここで、Ｅは材料の弾性係数、μは材料のポアソン比である。なお、各変数（Ｅ、μ、δ）の添字の１は球体を示し、２は弾性体を示している。その単位は国際単位系である。
【００４１】
数１に示すように、球体と弾性体との接触時間Ｔｃ  は、球体の半径Ｒ１  、質量Ｍ１  、材質（Ｅ１  とμ１  ）、衝突瞬間の速度ν０  および弾性体の材質（Ｅ２  とμ２  ）によって決定される。この中で、接触時間Ｔｃ  、球体の半径Ｒ１  、質量Ｍ１  、材質（Ｅ１  とμ１  ）および衝突瞬間の速度ν０  が既知であれば、未知量は弾性体の材質（Ｅ２  とμ２  ）のみとなる。したがって、同じ場所で、打撃条件を変えて２回落下させれば、理論的には、この２つの未知量すなわち弾性体の材質を推定することが可能となる。
【００４２】
例えば、上記弾性体をコンクリートとした場合、コンクリートのポアソン比μをそれぞれ０．１５、０．２０、０．２５に設定すると、δの分子はそれぞれ０．９７７５、０．９６００、０．９３７５となる。したがって、ポアソン比μに関して０．２０を基準とすれば、ポアソン比μの変化によるδの変化は、＋１．８３％（μ＝０．１５）〜−２．３４％（μ＝０．２５）に収まるようになる。そこで、本実施形態では、コンクリートのポアソン比μを０．２０に設定するようにした。これにより生じる弾性係数Ｅの誤差は、２％程度しかないことになり、実用性の面では十分であると考えられる。
【００４３】
また、接触時間Ｔｃ  の測定については、図３に示すように、加速度センサ２をボールハンマー１に直接固定し、そのハンマー１の打撃加速度を計測する。このように計測した加速度過程と接触過程とは常に一致している。なぜなら、鋼球１Ｂがコンクリート構造物１０の表面に接触すれば、常時反力を受け続けることになり、打撃と反対方向の加速度が生じるためである。
【００４４】
数１の関係式によれば、コンクリートの弾性係数Ｅを求めるためには、鋼球１Ｂの打撃速度（衝突瞬間の速度）ν０  を確定しなければならない。すなわち、ボールハンマー１とコンクリート構造物１０が互いに接触する寸前の打撃速度ν０  を把握する必要がある。
鋼球１Ｂが自由落下する場合には、次式により落下速度を求めることができるが、取手１Ａを付けてハンマーとして叩く場合には、その速度を直接的に求めることが非常に困難である。
【００４５】
【数３】
2004150946.tif 000007
【００４６】
この実施形態では、ボールの速度変化を得ることによって、ハンマー１打撃時の速度を求める。先ず、リバウンド係数ｅ（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｒｅｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）を導入する。
【００４７】
【数４】
2004150946.tif 000008
【００４８】
ここで、νｆ  は鋼球１Ｂがコンクリートから離れるとき、すなわち接触が完了するときの速度である。この方向は、打撃するときと逆の方向になる。
リバウンド係数ｅは、材料の塑性も反映している。すなわち、その値が１に近いほど、材料は理想弾性体に近づく。一方、リバウンド係数ｅが０に近いほど、材料が理想塑性体に近いことを示している。
測定した鋼球１Ｂの加速度ａ（ｔ）を用いることで、νｆ  は次のように求められる。
【００４９】
【数５】
2004150946.tif 000009
【００５０】
このνｆ  を数４の式に代入すると、打撃速度ν０  は次のようになる。
【００５１】
【数６】
2004150946.tif 000010
【００５２】
したがって、リバウンド係数ｅが分かれば、上式により打撃速度ν０  を求めることができるわけである。
コンクリート材料は、理想弾性材料ではないので、リバウンド係数ｅは、打撃カ（すなわち打撃速度ν０  ）および材質に影響される。打撃力が強いほど、あるいは材質が悪いほど（すなわち塑性が強いほど）、リバウンド係数ｅは小さくなる。
【００５３】
金属材料の研究結果によると、落下速度が一定値以上（例えば、φ２５．４の鋼球の場合、１ｍ／ｓｅｃ以上）であれば、リバウンド係数ｅの変化は殆ど無くなるとされている。図４は、コンクリートブロック供試体の弾性係数とリバウンド係数（鋼球１Ｂを自由落下させたときのリバウンド高さから逆算して求めたもの）との関係を示している。
【００５４】
今回の試験で用いたコンクリートブロックは、比較的に硬質であるために、本実施形態では、リバウンド係数ｅ＝０．５と設定している。そこで、その設定値による誤差範囲について検討してみる。
【００５５】
一般的には、コンクリート材料に対して鋼球１Ｂで打撃を与える場合には、リバウンド係数ｅは０．２５〜０．７５の範囲にあることが殆どである。φ５０の鋼球１Ｂを２ｍ／ｓの速度（落下高０．２０４ｍに相当、実際の打撃に近い）で打撃する場合において、リバウンド係数ｅの変化によりもたらされるコンクリートの弾性係数Ｅの相対誤差については、表１に示されるとおりである。これによれば、コンクリート材料として、リバウンド係数ｅを固定することによってもたらされる弾性係数の推定誤差は、数パーセントに過ぎないことが分かる。
【００５６】
【表１】
2004150946.tif 000011
【００５７】
さらに、材料が劣化すればするほど、すなわち実際のリバウンド係数ｅが小さいほど、本発明に係る測定方法で計算した材料の弾性係数はより低下していく。言い換えれば、実際の材質の変化をより鮮明に捉えることができ、測定感度を高めることができるわけである。したがって、本実施形態のように、コンクリート材料に対するリバウンド係数ｅ＝０．５という設定は、精度的にも測定感度の面においてもバランスが取れていることが分かる。
【００５８】
このようにして設定したリバウンド係数ｅ（ｅ＝０．５）を用いて、数６の式から打撃速度ν０  を求める。そして、求めた打撃速度ν０  、接触時間Ｔｃ  を用いて、数１および数２の式からコンクリート構造物の弾性係数Ｅ１  を導き出す。
なお、ボールハンマー１の力学パラメータについては、加速度センサ２の質量や取手（ホルダー）１Ａの質量の影響を考慮して、表２に示すように、鋼球１Ｂの等価質量を計算し、この等価質量を鋼球１Ｂの質量Ｍ１  として用いるようにする。
【００５９】
【表２】
2004150946.tif 000012
【００６０】
以上のように、本実施形態によれば、ボールハンマー１でコンクリート構造物１０の表面を叩いて、そのときの加速度信号（衝撃信号）を加速度センサ２で採取し、その後、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づいて、加速度センサ２で採取した加速度信号からコンクリート構造物１０の剛性（変形特性）を導き出すようにしたので、コンクリート構造物１０の剛性を効率的にしかも精度良く測定することができる。
したがって、ダムやトンネルなどの巨大なコンクリート構造物の各部における剛性を測定する場合や、コンクリート打設後の品質管理や既存のコンクリート構造物の健全性調査などを行う場合において、本実施形態の非破壊測定装置および方法を好適に用いることができる。
【００６１】
また、加速度センサ２をボールハンマー１に直接取り付けるようにしたので、シュミットハンマー等と比べて装置構成が簡素となり、しかも測定精度にバラツキが生じ難くなる。
また、取手１Ａの先端部に鋼球１Ｂが着脱自在に取り付けられたボールハンマー１を用いるようにしたので、鋼球１Ｂを交換することによって、鋼球１Ｂの質量や大きさを自由に調整することできる。したがって、測定対象となる部位などに応じて、コンクリート構造物１０に与える打撃力を適宜に調整することが可能になる。
【００６２】
さらに、本実施形態の非破壊測定方法は、従来のシュミットハンマー法と比べて、次に示すような利点を有している。
先ず、第一に、本実施形態の非破壊測定方法は、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づきコンクリートの剛性（変形特性）を測定する方法であることから、測定結果に影響を及ぼす因子が明確であり、測定精度を向上させることが相対的に容易である。また、測定対象や探査深度等に応じて、ボールハンマー１の最適化（例えば鋼球１Ｂのサイズなど）が可能である。一方、従来のシュミットハンマー法は、キャリブレーション試験の結果に基づいて、コンクリートの力学特性を測定する方法であることから、測定結果に影響を及ぼす因子がわかり難く、測定精度を向上させることが難しい。
【００６３】
第二に、測定対象となる物理量が、ボールハンマー１とコンクリート構造物１０表面の接触時間Ｔｃ  であり、その接触過程に圧縮部分とリバウンド部分が含まれていることから、コンクリート構造物１０の圧縮特性とリバウンド特性の両方を反映した測定結果を得ることができる。これに対し、シュミットハンマー法では、コンクリート構造物１０のリバウンド特性のみを反映した測定結果しか得られない。
【００６４】
第三に、測定装置の構成が簡素であり、測定結果が測定装置に殆ど影響されることがない。一方、シュミットハンマー法による測定結果は、ハンマーとガイドバーとの摩擦などに影響を受ける。
【００６５】
第四に、本実施形態の非破壊測定方法において、打撃速度ν０  は、加速度センサ２により検出した加速度信号を積分することにより求められ、ボールハンマー１の打撃方向に影響されないという特徴がある。そのため、測定結果は打撃方向にほとんど依存しないことが分かる。一方、従来のシュミットハンマー法では、打撃方向によって打撃力が大きく変化することから、測定結果にバラツキが生じ易い。
【００６６】
第五に、本実施形態の非破壊測定方法では、鋼球１Ｂのサイズを自由に選ぶことができる。コンクリート構造物１０の深い範囲に注目するのであれば、より大きな鋼球１Ｂを使えば良い。例えば、表２の５＃の鋼球をベースとしたボールハンマー１を用いて、２．０ｍ／ｓの速度でコンクリート構造物１０の表面を叩く場合、衝撃エネルギーは約１１．６ｋｇｆ・ｃｍとなる。これは、Ｎ型シュミットハンマーの衝撃エネルギー（０．２２５ｋｇｆ・ｃｍ）よりはるかに大きいことから、その分、測定の対象範囲は相対的に大きくなると考えられる。
【００６７】
第六に、本実施形態の非破壊測定方法では、測定装置の種類に測定結果が依存しないのに対して、シュミットハンマー法では、測定装置の種類に測定結果が依存する。そのため、測定装置毎に、予めキャリブレーション試験を行わなければならないという煩わしさがある。
【００６８】
第七に、本実施形態の非破壊測定方法においては、測定量の特性に合わせて測定装置の最適な設計（例えば鋼球１Ｂの大きさなど）が可能である。例えば、加速度センサ２やチャージアンプ４、Ａ／Ｄボード６などは、特定のメーカーに依存することがない。理論的には、測定量（弾性波の走行速度）は材料の特性のみに依存する。なお、エレクトロニクス技術は相当に速いスピードで発展しつつあるので、これに追随して、測定精度を容易に向上させることができるという利点がある。
【００６９】
また、本実施形態の非破壊測定方法は、従来の超音波法に比べても、次に示すような利点を有している。
先ず、第一に、従来の超音波法では、発信したエネルギーが弱く、受信側のコンクリート表面の状態が好ましくない場合（例えば凸凹、砂粒等が有る場合）に、音波の減衰が著しく、受信パルスの誤読や、測定不能の原因となる虞がある。一方、本実施形態の非破壊測定方法においては、操作がボールハンマー１による打撃だけで済み、その計算は全自動化できることから、測定結果に個人差が少なく、作業効率に優れている。
第二に、本実施形態の非破壊測定方法においては、コンクリート構造物１０の表面を打撃するだけで済むことから、従来の超音波法では測定し難かった構造物の表面や、不可能であった場所での測定が可能となる。
【００７０】
なお、本実施形態の非破壊測定方法を適用した場合の影響範囲について検討を行った結果、コンクリート材料に対しては、φ５０の鋼球１Ｂを用いてボールハンマー１を２．０ｍ／ｓの速度で打撃すれば、その影響範囲がおよそ３ｃｍ以内であることが分かった。
【００７１】
コンクリート材料の劣化調査を行う際において、影響範囲（すなわち探査範囲）は、ユンクリート材料の中性化や凍結融解の影響範囲とほぼ一致している。コンクリート打設の品質管理に使われる際には、特に側壁などでは、コンクリート表層と内部の差異が少ないと考えられる。但し、上部の表面にブリージングがある場合には、表層が柔らかくなるので、注意する必要が出てくる。
【００７２】
【実施例】
本発明に係るボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法の測定精度を検証するために、コンクリートブロックを製作した。その製作条件については表３に示すとおりである。
【００７３】
【表３】
2004150946.tif 000013
【００７４】
各ブロック供試体の上部表面および側壁に対して、表２の５＃の鋼球をベースとしたボールハンマー１を用いて２５回ずつ打撃試験を行った。１回分の打撃測定時間は１分もかからないので、作業効率が非常に優れていることが明らかになった。その際に、制御装置３において加速度信号を計測した結果、例えば、図５に示すような波形が得られた。なお、図５の例では、接触時間Ｔｃ  が「０．２７７ｍｓ」、打撃速度ν０  が「１．３７ｍ／ｓ」、コンクリートブロックの変形係数が「３６．８１ＧＰａ」という計算結果が得られた。
【００７５】
各ブロック供試体に対する測定結果の平均値と標準備差を求め、これらを室内一軸圧縮試験の結果と対比したところ、表４に示すような数値と図６に示すようなグラフが得られた。
【００７６】
【表４】
2004150946.tif 000014
【００７７】
これら検証試験の結果により、次のようなことが明らかとなった。
先ず、第一に、コンクリートブロックの上部表面と側壁に対する測定結果は、ほぼ一致している。実際には、側壁の値は上部表面の値よりもやや小さく、その傾向は貧配合の方がより顕著であった。コンクートブロックの側壁には、小さい空隙が多少見受けられたことから、これによる影響がその原因として考えられる。
【００７８】
第二に、良質（Ｗ／Ｃ＝３５％、Ｗ／Ｃ＝５０％）のコンクリートブロックに対する測定結果は、室内一軸試験の結果とほぼ一致した。一方、貧配合（Ｗ／Ｃ＝７５％、Ｗ／Ｃ＝１００％）のコンクリートブロックに対する測定結果は、傾向として、室内一軸試験の結果より小さい値となった。
【００７９】
その原因としては、水セメント比の大きいコンクリートは、その表層にブリージング量が多くなる結果、強度や剛性が低くなるということが考えられる。さらに、前述したように、リバウンド係数ｅを固定することによって、コンクリート材質の差がより明確に反映されるためでもある。つまり、この測定結果は、本発明に係るボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法の有効性を忠実に示しているものと考えられる。コンクリート構造物１０の内部特性を調べる場合には、そのような表層部の影響は望ましくない。このような場合、打撃場所の変更や、他の測定方法との併用なども考えられる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または４に記載の発明によれば、ボール型のハンマーでコンクリート構造物の表面を叩いて、そのときの衝撃信号をセンサで採取し、その後、Ｈｅｒｔｚ衝撃理論に基づいて、センサで採取した衝撃信号からコンクリート構造物の剛性を導き出すようにしたので、コンクリート構造物の剛性を効率的にしかも精度良く測定することができる。
したがって、ダムやトンネルなどの巨大なコンクリート構造物の各部における剛性を測定する場合や、コンクリート打設後の品質管理や既存のコンクリート構造物の健全性調査などを行う場合において、本発明に係るコンクリートの非破壊測定装置および方法を好適に用いることができる。
【００８１】
請求項２または５に記載の発明によれば、センサとして加速度センサを用い、この加速度センサがハンマーに取り付けられているので、シュミットハンマー等と比べて装置構成が簡素となり、しかも測定精度にバラツキが生じ難くなる。
【００８２】
請求項３または６に記載の発明によれば、取手の先端部に鋼球が着脱自在に取り付けられたハンマーを用いるようにしたので、鋼球を交換することによって、鋼球の質量や大きさを容易に調整することできる。したがって、測定対象となる部位などに応じて、コンクリート構造物に与える打撃力を適宜に調整することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコンクリート剛性の非破壊測定装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係るコンクリート剛性の非破壊測定方法を説明するフローチャートである。
【図３】図１の加速度センサの取付構造と加速度信号の推移を説明する模式図である。
【図４】コンクリートの変形係数とリバウンド係数との関係を示すグラフである。
【図５】加速度信号の波形の表示例と、コンクリートの変形係数の計算例を示す図である。
【図６】本発明に係るボール打撃によるコンクリート剛性の非破壊測定方法による測定結果と、室内一軸圧縮試験の結果とを対比させたグラフである。
【図７】従来のシュミットハンマー法で用いられるシュミットハンマー（Ｎ型ハンマー）の内部構造の一例を示す断面図である。
【図８】従来の超音波法を説明する模式図である。
【図９】発振子と受信子間の距離と、超音波の走行時間の測定値との関係を示すグラフである。
【図１０】発振子と受信子間の距離と、超音波の測定速度との関係を示すグラフである。
【図１１】図８の超音波法の変形例（半直接法および反射法）を説明する模式図である。
【符号の説明】
１    ボールハンマー
１Ａ  取手
１Ｂ  鋼球
２    加速度センサ
３    制御装置
１０  コンクリート構造物
【図１】
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【図２】
2004150946.tif 000016
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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