(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象コンクリート内に埋設して該コンクリートに生じるひずみを検出するひずみゲージにおいて、ひずみゲージ素子を低弾性のシリコーン樹脂でモールドして、混練直後のコンクリートの挙動に追従して変位する程度のヤング率となして、混練直後の被測定対象コンクリート内に埋設することで混練直後からのコンクリート硬化体の膨張または収縮の挙動を測定し得るように構成したことを特徴とするコンクリート埋込型ひずみゲージ。
【請求項２】
ひずみゲージ素子は、金属箔または金属線からなり、そのひずみゲージ素子端には塩化ビニール等で被覆されたリード線が接続され、これらひずみゲージ素子全体および該リード線の接続部近傍を、シリコーン樹脂中に埋設したことを特徴とする請求項１に記載のコンクリート埋込型ひずみゲージ。
【請求項３】
ひずみゲージ素子は、シリコーンモールド体の厚さ方向の略中間に埋設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンクリート埋込型ひずみゲージ。
【請求項４】
シリコーン樹脂は、シリコーン樹脂中に鉄粉を混入させ比重をコンクリートの比重に近い１．８〜２．２に調整したものを用いたことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載のコンクリート埋込型ひずみゲージ。
【請求項５】
ひずみゲージ素子と、その近傍に配設された熱電対とを前記低弾性のシリコーン樹脂でモールドしたことを特徴とする請求項１ないし４に記載のコンクリート埋込型ひずみゲージ。
【請求項６】
上端を開口された型枠の内側にフッ素樹脂からなる低摩擦係数のシートを敷設するステップと、
水セメント比その他の条件が既知のセメントを混練してなるセメントペーストを前記型枠に打設するステップと、
この打設直後または打設中にひずみゲージ素子とこのひずみゲージ素子の近傍に配置された熱電対とを低弾性のシリコーン樹脂でモールド被覆して、混練直後のコンクリートの挙動に追従して変位する程度のヤング率となした熱電対付きひずみゲージを前記型枠中央部に埋め込むステップと、
前記ひずみゲージが埋め込まれた前記型枠の上部端面を封止するステップと、
前記ひずみゲージ素子と前記熱電対とを測定器に接続し、前記コンクリートの打設直後から硬化に至るまでのひずみを、その近傍の温度と共に連続的に測定するステップと、
からなることを特徴とするコンクリートのひずみ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート埋込型ひずみゲージおよびそのひずみゲージを用いたコンクリートのひずみ測定方法に関し、より詳細には、コンクリートの自己収縮によるひび割れ現象等のメカニズムを解明するために有用な、セメントの混練直後の初期から硬化に至るまでの過程におけるひずみを連続的に測定し得るコンクリート埋込型ひずみゲージおよびそのひずみゲージを用いたコンクリートのひずみ測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に構造物に用いられているコンクリートは、その打設時における流動状態（セメントペースト状）から時間の経過に伴って次第に固化して行き、コンクリートの種類によって数日から数十日の後に、略硬化し、数年後に完全硬化するものである。そして、セメント系材料は、打設直後から自己収縮が生じるが、この自己収縮を測定するためには、コンクリートにひずみ計を直接接触してそのひずみを測定する方法が最も望ましい。
しかしながら、従来の埋込型ひずみゲージを用いた場合、ひずみゲージ自体のヤング率が大きいために、強度およびヤング率が低いコンクリートの打設直後からの収縮挙動は測定できない、という致命的な欠点があった。
【０００３】
即ち、従来の埋込型ひずみ計のヤング率は３９Ｎ／ｍｍ2あり、またモールド型のひずみゲージのヤング率にあっては、約２７５０Ｎ／ｍｍ2もあり、打設直後の自己収縮の初期挙動は到底測定し得ないという難点があった。
そのため、レーザや渦巻き電流を用いた非接触型の測定方式が提案されている（「土木学会論文集」）Ｎｏ．５７１／Ｖ−３６、ｐｐ．２１１−２１９、１９９７．８「コンクリートの自己収縮ひずみの予測法に関する研究」および「コンクリート工学年次論文報告集、Ｖｏｌ．２０、Ｎｏ．２、１９９８、（「高強度コンクリートの収縮および拘束応力に関する研究」）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの非接触型の測定方式は、測定のための基準点が必要であり、実際の構造物の収縮挙動を観測することは不可能である。
また、日本コンクリート工学協会の提案する自己応力を測定する場合には、ゲージプラグをコンクリート中に埋設することができないため、埋込型ひずみゲージが使用されている（日本コンクリート工学協会：「自己収縮研究委員会報告書、ｐｐ．２２−４５、１９９６）。しかしながら、従来の埋込型ひずみゲージは、上述したようにヤング係数が大きいためコンクリート打設直後からの収縮挙動を測定できない、という問題点があった。
一方、最近、高強度・高流動コンクリートなどの高性能コンクリートの加工実績が伸びている状況にある。
【０００５】
しかしながら、このような高性能コンクリートであっても、水結合比が小さく単位結合材料の多いコンクリートの場合、自己収縮が顕著化し、ひび割れの制御や耐久設計に自己収縮を考慮する必要がある、との指摘がなされている。このような背景から、自己収縮に及ぼす使用材料、養生条件など種々の要因が検討されてきているが、自己収縮のメカニズムを解明する上で重要な混練直後からの収縮性状についての研究報告は極めて少ない。
これは、従来、コンクリートの混練・打設直後からの自己収縮を正確に且つ安定的に測定し得るものがないかあるいは乏しいことが要因となっているとも考えられる。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、セメント系材料の打設直後から、コンクリートの自己収縮の挙動が測定可能であり、コンクリートの自己収縮によるひび割れ現象のメカニズムの解明を行うと共にひび割れの制御や設計を行うのに極めて有用なコンクリート埋込型ひずみゲージおよびコンクリートのひずみ測定方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るコンクリート埋込型ひずみゲージは、上記の目的を達成するために、被測定対象コンクリート内に埋設して該コンクリートに生じるひずみを検出するひずみゲージにおいて、ひずみゲージ素子を低弾性のシリコーン樹脂でモールドして、混練直後のコンクリートの挙動に追従して変位する程度のヤング率となして、混練直後の被測定対象コンクリート内に埋設することで混練直後からのセメント硬化体の膨張または収縮の挙動を測定し得るように構成したことを特徴とするものである。
また、請求項２に係るコンクリート埋込型ひずみゲージにおけるひずみゲージ素子は、金属箔または金属線からなり、そのひずみゲージ素子端には塩化ビニール等で被覆されたリード線が接続され、これらひずみゲージ素子全体および該リード線の接続部近傍を、シリコーン樹脂中に埋設したことを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項３に係るコンクリート埋込型ひずみゲージにおけるひずみゲージ素子は、シリコーン樹脂の厚さ方向の中間に埋設されていることを特徴とするものである。
また、請求項４に係るコンクリート埋込型ひずみゲージにおけるシリコーン樹脂は、シリコーン樹脂中に鉄粉を混入させ比重をコンクリートの比重に近い１．８〜２．２に調整したものを用いたことを特徴とするものである。
また、請求項５に係るコンクリート埋込型ひずみゲージは、ひずみゲージ素子と、その近傍に配設された熱電対とを低弾性のシリコーン樹脂でモールドしたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項６に係るコンクリートのひずみ測定方法は、上記の目的を達成するために、上端を開口された型枠の内側にフッ素樹脂からなる低摩擦係数のシートを敷設するステップと、
水セメント比その他の条件が既知のセメントを混練してなるセメントペーストを前記型枠に打設するステップと、
この打設直後または打設中にひずみゲージ素子とこのひずみゲージ素子の近傍に配置された熱電対とを低弾性のシリコーン樹脂でモールド被覆して、混練直後のコンクリートの挙動に追従して変位する程度のヤング率となした熱電対付ひずみゲージを前記型枠中央部に埋め込むステップと、
前記ひずみゲージが埋め込まれた前記型枠の上部端面を封止するステップと、
からなり
前記ひずみゲージ素子と前記熱電対とを測定器に接続し、前記コンクリートの打設直後から硬化に至るまでのひずみを、その近傍の温度と共に連続的に測定するステップと、
からなることを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
上記のような構成とすることにより、シリコーン樹脂で被覆されてなるひずみゲージは、低弾性であるため、埋設されたコンクリート内で混練直後のセメントの挙動に追従（応動）して変位し、その抵抗値が変化するので、その抵抗変化をひずみ測定器を用いて、測定することにより、コンクリートの硬化状態のみならず、打設直後から硬化前の流動状態であってもその挙動、すなわちひずみを測定することができる。
特に、ひずみゲージ素子と、その近傍に配設された熱電対とを低弾性のシリコーン樹脂で被覆してなる熱電対付きのひずみゲージにあっては、自己収縮の測定中におけるセメントの水和熱によって被測定対象のコンクリートの温度上昇を伴うが、同一個所の温度情報と共にひずみ情報が得られるので、温度変化に伴うひずみへの影響を適正に補正することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係るコンクリート埋込型ひずみゲージについて、添付図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るコンクリート埋込型の外観構成を示すもので、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、その正面図を示す。
図１において、１はひずみゲージ素子で、薄いシート状のペーパー、ポリエステル、フェノール等のゲージホルードシート上に、Ｃｕ−Ｎｉ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金等よりなる金属箔または金属線などの抵抗材料を、例えば、図示は省略したが蛇行状のグリット部とその端部に形成された幅広のゲージタブとがフォトエッチング、等の方法により加工されている。
【００１１】
２は、ひずみゲージ素子１の端部に形成したゲージタブに半田付けなどの手段により接続された塩化ビニール等で被覆されたリード線である。
３は、低弾性（低弾性係数）のシリコーン樹脂で、ひずみゲージ素子１全体およびリード線２の接続部近傍を、囲繞するように被覆（モールド）して、混練直後のコンクリートの挙動に追従して変位する程度のヤング率となしたシリコーンモールド体である。このシリコーンモールド体３は、厚さは薄く、幅は比較的狭いが受感方向には長い長方体を呈する（因みに図１に示すものは、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ８０ｍｍである。）
これらひずみゲージ素子１およびシリコーンモールド体３とを総称してひずみゲージ４と称することとする。
【００１２】
次に、ひずみゲージ４の製作方法を、図２を参照して説明する。
図２において、５は、１つのシリコーンモールド体３を成型するための単位型枠で、この単位型枠５が、５′，５″……と複数連接されている。実際には、上端が開口された大きな型枠６を仕切板７で仕切るようにしている。型枠６を構成する面のうち、リード線２を引き出す面（図２においては、前面）は、上、下に均等に２分割して取外しパネル６ａ、６ｂを設けてある。この取外しパネル６ａ、６ｂには、上下で円形をなすリード線２引出用の開口６ｃが形成されるように、半円形の切欠き開口を設けてある。
各単位型枠５，５′，５″……の内面には、フッ素樹脂（いわゆるテフロン：商標）加工が施され、充填するシリコーンが付着しないように処理してある。
【００１３】
このような構成よりなる型枠６を構成する単位枠５，５′，５″……の中に低弾性のシリコーン樹脂を充填するが、当初は上半分の取外しパネル６ａを取外した状態で下側の取外しパネル６ｂの上端面に達するまでシリコーン樹脂を充填する。この状態で、１／２の厚さのシリコーンモールド体が形成されるので、ゲージホールドシート上に添着されたひずみゲージ素子１とそのゲージタブに接続されたリード線２とを平坦になるように載置し、リード線２は、先ずは取外しパネル６ｂに形成された半円形の開口を介して外部へ導出する。
次いで、上方の取外しパネル６ａを型枠６の前面上部に装着してから、再び低弾性シリコーン樹脂を、型枠６の各単位型枠５，５′，５″……に順次または同時的に充填し、シリコーン樹脂が型枠６の上面に達するまで持続する。必要に応じ、型枠６の上面より盛り上がったシリコーン樹脂は、天板を冠せて除去するか平板で掻き落とすようにして、上面が平面上になるように処理する。
【００１４】
シリコーン樹脂が固化した後、取外しパネル６ａおよび６ｂを取外し、成型されたシリコーンモールド体３を型枠６のそれぞれの単位型枠５，５′，５″……から取り出せば、シリコーンモールド体３が完成することになる。
尚、型枠６の中に仕切板７を設けずに、型枠６全体に上述した要領でシリコーン樹脂をモールドした後、個々のモールド体の単位に裁断するようにしてもよい。
また、型枠６の天板は、開閉可能とし、モールド体の下半分を成型する時には開蓋しておき、下半分が成型され、ひずみゲージ素子１などを載置した後、閉蓋するようにしてもよい。
【００１５】
尚、シリコーンモールド体３の成型方法は、上述の方法に限るものはなく、例えば型枠の中にリード線付きのひずみゲージ１を予め所定位置を保持するように配置しておき、シリコーン樹脂を注入または圧入するようにしてもよく、このようにした場合、量産化が容易となる。
このようにして製作されたひずみゲージ４は、低弾性（図示の例のものは、ヤング率が、１．２Ｎ／ｍｍ2）であり、従来の埋込型のひずみ計（ヤング率３９Ｎ／ｍｍ2）に比べ極端に小さなヤング率のものが得られるので、セメントの混練直後から自己収縮変化を測定することができる。
【００１６】
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図３において、ひずみゲージ素子１、リード線２およびシリコーンモールド体３は、基本的構成において、図１に示す第１の実施の形態と共通している。
異なっているところは、ひずみゲージ素子１の近傍に熱電対９を配設し、熱電対用リード線１０を温度変化のない個所で熱電対９と半田付、ロー付け等の手段により接続した点であり、シリコーンモールド体３として成型するに際して、このような構成よりなるひずみゲージ素子１と熱電対９の全体およびこれらに接続されたリード線２と熱電対用リード線１０の接続部近傍を、囲繞するように成型する点が異なるが、モールド成型法は、上述したところと同様である。
このようにしてモールド体として成型された熱電対付きひずみゲージ８は、その厚さ方向（図３の（ｂ）において上下方向）の中央部にひずみゲージ素子１および熱電対９が理設されることになる。
【００１７】
また、ひずみゲージ素子１およびリード線２、熱電対用リード線１０の接続部近傍が、シリコーンモールド体３により一体的に封止されるため、外気および液体がリード線２、１０の部分を介して侵入することがないから、ひずみゲージ素子１は吸湿によりあるいは外気の接触により絶縁低下を生じたり酸化による劣化を生じる虞れがない。
また、図には示していないが、第３の実施の形態として、シリコーンモールド体３を構成する材料としてのシリコーン樹脂中に、鉄粉を混入させ、シリコーンモールド体３の比重をコンクリートの比重に近い１．８〜２．２に調整したものを用いることが望ましい。何となれば、シリコーン樹脂中に鉄粉を混入させた場合、モールド体３の比重がコンクリートの比重に近づくことになり、馴染みができると共に、鉄とコンクリートの反応でシリコーン樹脂だけでシリコーンモールド体３を構成した場合よりひずみ伝達効率が向上し、延いてはコンクリートの打設直後の自己収縮の初期挙動がより正確に測定できるからである。
【００１８】
次に、このように構成された、例えば図３に示す熱電対付きひずみゲージ８を用いて、コンクリートのひずみを測定する方法について図４および図５を参照して説明する。
図４は、本発明に係るコンクリート埋込型ひずみゲージを用いてコンクリートのひずみを測定する装置を模式的に示す縦断面図である。
図４において、セメント供試体（コンクリート供試体でも同様）１３を充填する型枠１１は、上端が開口された円筒状を呈し、その内周壁面には、フッ素樹脂から成る低弾性シート、例えば、テフロンシート１２（「テフロン」は商標）を敷設し、型枠１１と被測定対象たるセメント供試体１３との間に生じる摩擦を低減させるように構成してある。
【００１９】
測定に際し、熱電対付きひずみゲージ８を型枠１１の略中心部に位置付ける。但し、セメント供試体１３の打設中または打設後に埋め込んでもよい。
セメント供試体１３は、水セメント比、（例えば、０．３）、セメント材料（例えば、普通ポルトランドセメント）、練り混ぜ水（例えばイオン交換水）、コンクリートの場合、骨材の種類、等の条件を定め（その条件を既知とする）セメントを水、その他と共に混練し、型枠１１の内部に充填（打設）する。
熱電対付きひずみゲージ８の埋設するタイミングは、セメント供試体の条件にもよるが、セメントペーストが軟らければ、打設後でもよいが、鉛直状態を保持させるためには、打設の途中で配設することが望ましい。
セメントペーストが型枠１１内に所定量充填されたならば、水分の逸散を防ぐため上部端面をシールする。本実施の形態においては、セメント供試体１３の上端面に流動パラフィンを滴下し、水分の逸散を防ぐようにしている。
【００２０】
セメントの打設後、直ちに、リード線２および熱電対用リード線１０をそれぞれひずみ測定器および温度測定器（いずれも図示せず）に接続し、セメントペーストの打設直後からのひずみおよびそのひずみ測定部位近傍の温度を連続的に測定する。
本発明に係る上記第１および第２の実施の形態に係る埋込型ひずみゲージは、低弾性（低ヤング率）であるため、セメント（あるいはコンクリート）の混練・打設直後からの自己収縮変化を正確に測定することができる。
図５は、コンクリートのひずみを測定する装置であるが、図４の場合と異なるのは、埋込型ひずみゲージを水平に載置する場合を示している。
セメント供試体１３の打設において、型枠１１の半分位打設したところで、熱電対付きひずみゲージ８を横向き（水平）に載置し、その後、上半分についてセメントペーストを型枠１１の上端近傍まで打設し、次いで、型枠１１の上端面をシールし、その後のステップは、図４について説明したところと同様である。
【００２１】
このように、ひずみゲージ４または８を、鉛直方向を向けて配設するか水平方向を向けて配設するかによって、次のようなことが判明した。
即ち、水平方向のセメント供試体と垂直方向のセメント供試体の間には、いずれの水セメント比でも差異が認められたが、水セメント比（Ｗ／Ｃ）が０．３，０．３５，０．４０の３種のうち、ブリーディングの多いＷ／Ｃ＝０．４０で最も著しい差異が認められた。しかし、ブリーデイングや沈下は、セメントの水和により、モルタル中に水和生成物による架橋構造が形成される以前に生じる長さ変化であり、本来はひずみゲージに対し応力を作用させない現象であると考えられる。埋設方向による上記の差異は、ペースト中の水セメント比の分布の変化によるものと推定される。従って、水平埋設の場合は、その測定位置により水セメント比が異なり、測定誤差が生じることが予想され、垂直埋設の場合は、ゲージ長の平均的な水セメント比の収縮ひずみが測定でき、部材全体の自己収縮を反映するものと考えられる。
【００２２】
ところで、本発明に係るひずみゲージ素子４および熱電対付きひずみゲージ８によるひずみ測定結果と、従来のレーザ変位計およびバネ式変位計の測定結果とを対比したものを図６に示す。この図６より、レーザ変位計およびバネ式変位計を用いたものは、初期のひずみが非常に大きくなっているが、レーザ式変位計を用いたものは、レーザの標点がセメントペーストが硬化する以前に沈降したことにより、また、バネ式変位計を用いたものは、バネの反力を受けるための鋼板が沈降したことにより、初期のひずみが過大に評価されてしまったためと思われる。しかし、沈降が停止したと考えられる材令１２時間以降の値として評価した場合、これらに大差なく、概ね一致した値を示している。
【００２３】
図７は、本発明に係るひずみゲージを構成するシリコーン樹脂に、鉄粉を混入させた場合と混入させない場合の効果を表すグラフである。
図７より分るように、シリコーン樹脂中に鉄粉を入れたものの方が、大きなひずみ出力（ひずみ出力変化）が得られ、より高精度なひずみ測定が実現されることを示している。
これは、シリコーン樹脂中に混入した鉄粉がコンクリート（またはセメント）との結合力が増大し、シリコーンモールド体３とコンクリートとの密着性が増大した結果、ひずみゲージとしてのひずみ伝達率の向上に結びついたものである。
尚、本発明は、上述し且つ図面に示したものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更実施が可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、測定対象がコンクリートの硬化状態は勿論のこと、コンクリート打設直後の流動性を有している状態であってもそのときのコンクリートのひずみを連続的に正確に測定し得るコンクリート埋込型ひずみケージを提供することができる。
よって、本発明に係るコンクリート埋込型ひずみゲージを用いることにより、打設直後のセメント系材料の自己収縮の挙動を測定することができ、延いては、自己収縮のメカニズムの解明を行うと共にひび割れの制御や耐久設計を行うことができる。
【００２５】
また、請求項４の発明に係るコンクリート埋込型のひずみゲージによれば、シリコーン樹脂中に鉄粉を混入させることで、コストを然程上昇させることなく、ひずみゲージ出力特性を大幅に向上させることができ、より正確なコンクリートのひずみ測定が可能となる。
また、請求項５の発明に係るコンクリート埋込型ひずみゲージによれば、ひずみ測定と同時に、コンクリート内のひずみ測定部位における温度を測定できるので、温度補償を加えた、正確なひずみ測定結果が得られる。
また、請求項６の発明によれば、セメント系材料の打設直後から、コンクリートの自己収縮の挙動が正確に測定でき、コンクリートの自己収縮によるひび割れ現象のメカニズムの解明を行うと共にひび割れの制御や設計を行うのに極めて有用なコンクリートのひずみ測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るコンクリート埋込型ひずみゲージの外観構成を模式的に示すもので、そのうち、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】図１に係るコンクリート埋込型ひずみゲージの製造方法を説明するための斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るコンクリート埋込型ひずみゲージの外観構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図４】本発明に係るコンクリート埋込型ひずみゲージを縦方向に配設したときのコンクリートのひずみを測定する装置を模式的に示す縦断面図である。
【図５】本発明に係るコンクリート埋込型ひずみゲージを横（水平）方向に配設したときのコンクリートのひずみを測定する装置を模式的に示す縦断面図である。
【図６】本発明に係るコンクリート埋込型ひずみゲージと従来のひずみ計のひずみ出力特性とを対比して示すグラフである。
【図７】本発明に係るひずみゲージを構成するシリコーン樹脂に鉄粉を混入させた場合と混入させない場合の効果を表すグラフである。
【符号の説明】
１  ひずみゲージ素子
２  リード線
３  シリコーンモールド体
４  ひずみゲージ
５，５′，５″  単位型枠
６，１１，１４  型枠
６ａ，６ｂ  取外しパネル
６ｃ  開口
７  仕切板
８  熱電対付きひずみゲージ
９  熱電対
１０  熱電対用リード線
１２  テフロンシート
１３  セメント供試体
【図１】
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【図２】
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【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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