コンクリート工学年次論文集，Vol.27，No.1，2005

報告

静電容量によるＰＣグラウト充填度確認手法の基礎的研究
辛軍青*1・堅田茂昌*2・立石和雄*3・鈴木誠*4

要旨：PC 構造物における PC グラウトの充填度検査が必要となっている。そこで，静電容量測定による検査システムを考案した。これは，PC グラウトの充填度によりシース管内の誘電的、導電的変化を利用したものである。本システムの性能確認に関する基礎実験を実施し，その有効性を確認した。
キーワード：PC グラウト，充填度，静電容量，センサー
2. 計測原理

1. はじめにプレストレストコンクリート構造物における本センサーシステムは，シース管外壁に取りPC グラウトは，PC 鋼材の防食および PC 鋼材付けたセンサーにより，シース管内の空気およとコンクリート部材間の一体性を確保する重要びグラウトの誘電率と導電率の違いを電気的手な役割を担っており，その品質や施工の良否に法で計測することによって，グラウトの充填状より PC 構造物の耐久性に大きな影響を与える。

況を把握するものである。

これらの役割を果たすためには，シース管内に計測原理については，図－１のシステム概念

PC グラウトを完全に充填することが要求され図に示すように，シース管に一定距離を隔ててる。

二つのセンサー電極を取り付け，片方（送信側）

近年，国内外で PC グラウトの充填不良に起に高周波発信器によって交流電圧 Vs を印加し，因した既存構造物の劣化事例が報告されており，もう一方（受信側）から検出器のアンプにより新設工事時に PC グラウトの充填状況をリアル

受信信号強度に比例した電圧 Vr を出力する。

タイムで確認することが望まれている。
これまで，シースに取り付けたセンサーによ送信電極る充填確認手法が報告され，すでに橋梁の新設

Vs工事に応用されている事例もある

受信電極VrVo1），2），3）。しかし，これらの確認手法では，グラウトの充填度発信器~検出器C判別にある程度有効であったが，グラウトの充填率などまでは判別できていない。

図－１

システム概念図

VsV０

そこで本研究は，より正確に，容易に判別できるグラウト充填度確認手法を開発する目的で，~グラウト充填時にシース管内の誘電的、導電的C

R1変化を利用した検査システムの適用性について検討した。

図－２

*1

（株）安部工業所

技術開発部

*2

（株）安部工業所

技術開発部次長（正会員）*3（株）横浜システム研究所

*4

東北大学

工修（正会員）代表取締役

大学院工学研究科金属工学専攻教授-1789-

工博

システムの等価回路

この場合，受信信号強度は二つの電極間の静電容量に依存する。具体的には，図－２の等価信号発生・出力高周波発信器

回路図に示す受信信号電圧 V0 と発信器信号電圧 Vs の関係は次式となる：

=

R1 +

1jω C

センサー電極

受信側

Vs

R1

送信側

Vo

高周波信号

（C は誘電率成分と導電率成分を含む）検出された信号

ここで，アンプの入力抵抗 R1 と発信信号の角信号検出・変換検出器

速度ω（ω=2πf）は一定値であるため，V0 は電極対間の静電容量 C にしか左右されない。

電圧 V

空気の誘電率 1 に対してフレッシュグラウト

読取り・記録データロガーは水（80）に近い誘電率を持つため，グラウト充填時に電極対間の静電容量が大幅に変化するパソコンことになる。本センサーシステムはこの原理を利用したものであり，出力電圧値より非接触かつリアルタイムで充填状況を判断できる。

図－３

グラウトセンサーシステムの構成

3. 確認実験

センサー電極3.1 測定装置及び測定方法

1010シース

シールド銅箔

20

図－３に示すように，本センサーシステムは変換および読取り・記録の四つの部分からなっ3（2）信号発生・出力，センサー電極，信号の検出・（1）20ている。
高周波発信器からセンサー電極の送信側に周8012020（1）断面図

波数 455kHz の交流電圧を与え，受信側を経由

センサー電極シース

シールド銅箔

10およびパソコンにより記録する。
1080203.2 供試体概要10020

供試体図を図－４に示す。また，主な使用材

12020して検出器により電圧を出力し，データロガー料は以下となる。
300（1）センサー電極：1 セットは 2 枚の銅箔を使

リード線（2）平面図用し，シース外壁にて軸方向に取り付ける。寸法は長さ 100mm×幅 10mm×厚み 0.03mm であ

図－４

供試体図

（単位：mm）

り，電極間距離は 20mm とした。また，リード線は 1.5ｍの同軸ケーブルを使用した。

表－１（2）シース：充填状況を確認しやすいため，ア水セメント

水セメント

混和剤

クリル樹脂製の透明パイプを使用し，寸法は外比(kg)(kg)GF-1700(kg)

径 80mm×厚み 3mm×長さ 300mm とした。

45％

451001.0

グラウト配合（参考文献 4）により）注）混和剤は材料分離を抑制する目的で使用した。

-1790-

（3）シールド銅箔：外界のノイズを遮断する目

解析により得られた，空気の高さ 27mm，的でシースの外側に設置し，シースとの間にス17mm，7mm，0mm の 4 つの場合の電位分布をポンジ材を充填している。寸法は直径 120mm×図－５に示す。また，図における濃淡の違いは厚み 0.1mm である。

電位分布の変化を表している。

（4）グラウト：配合設計を表－１に示す。供試

4.1.2 グラウト充填実験による検討

体を水平状態に設置し，グラウト充填作業は自図－４に示した供試体シース管内に，グラウ然流下式により行い，グラウト液面とセンサートを未充填からフル充填まで徐々に充填した場

電極の距離を一定に保持しながら充填した。

合，出力電圧値によりグラウトの充填度の違い（5）PC 鋼材：12S12.7 の鋼より線を使用した。

を検知できるかを確認した。
充填実験の結果として，グラウトの高さと出4. 実験結果

力電圧値の関係を解析結果と併せて図－６に示

4.1 グラウト充填時の検討す。ここで示す解析結果は出力電極位置の電位

PC グラウトを充填する際にセンサー電極対分布を電圧に変換したものであり，また，比較間の静電容量の変化を把握するため，解析的シしやすいため初期値（充填率 0％）は実験結果

ミュレーションおよび充填実験を行い，両者のの初期値と一致させた。

結果を比較した。
4.1.1 解析による検討

10布を求める目的で解析を行い，センサー電極対-1

出力電圧（V）

PC グラウトの充填度が変化する時の電位分間の静電容量変化を調べた。解析は図－４に示す実機の幾何形状をモデル化し，差分計算によって静電容量を計算した。ここで，プラスチック製シース管の誘電率は 2.5 とした。

-2-3-4

計測結果

-5

解析結果

-6
送信電極

010

受信電極

20304050607080

グラウトの高さ（mm）

図－６

グラウト

実験結果と解析結果の比較

実験結果によると，シース管内のグラウト高さが高くなるにつれて，出力電圧値が小さくな(1)空気高さ 27mm
グラウト高さ 47mm(2)空気高さ 17mmグラウト高さ 57mmっていく傾向が見られる。これはグラウトの誘電率は空気の誘電率よりはるかに大きいため，静電遮蔽効果により出力電圧値が小さくなったと考える。
さらに，解析結果は実験結果とほぼ同じ傾向を示すことが分かる。したがって，シース直径(3)空気高さ 7mm
グラウト高さ 67mm(4)空気高さ 0mm
グラウト高さ 74mmなどを考慮した事前解析によってあらかじめ未充填部の出力電圧値の特性曲線を把握し，実測値との比較によりその位置の充填度を推測する

図－５

グラウト充填時の電位分布コンター図

ことができる。

-1791-

4.2 グラウト充填後の実験結果の経時変化

表－２

グラウト充填度が異なった供試体をそれぞれ作成し，グラウト硬化後までの出力電圧値の経時変化を確認した。各供試体のパラメーターを表－２に，実験状況を図－７の写真に示す。
実験により得られた各供試体の出力電圧値の経時変化を図－８に示す。ここで，各供試体に各供試体のパラメーター
空隙の空隙率
高さ充填状況グラウトの高さ

半分充填

37mm

37mm

50%

空隙 10mm

64mm

10mm

13%

空隙 5mm

69mm

5mm

7%

フル充填

74mm

0mm

0%

おけるグラウト充填前の初期値は 0±0.5V の範囲内であったが，比較の簡便性を考え，すべて0.0V とした。また，初期値の差異はセンサーなどの供試体の製作時に発生するバラツキによるものと考える。
まず，充填直後の各供試体の出力電圧値を見るといずれも急激に減少し，充填率が高いほうが減少量が大きくなることを確認した。この結果は図－６の充填時実験結果と一致している。

図－７

実験状況の写真

次に，グラウト充填後から硬化までの経時変化を見ると，出力電圧値は多少増加する動きを1示した。ただし，増加量は材令 2 日間で最大 0.5V

0出力電圧（V）程度であり，また時間とともに安定化していく特徴があり，グラウト充填による出力電圧値の減少量と比べて極めて小さく，充填度を判別する時に無視できると考える。

空隙大半分充填-1
空隙10mm-2-3

空隙5mm-4-5

この出力電圧値増加の原因については，充填後のグラウトに水和反応と伴って水分が減少し，0誘電率が変化したと考える。また，グラウトの水和反応に必要な水分以外に，余剰水分は硬化

フル充填

空隙無-6

0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75
材令（日）

図－８2

出力電圧値の経時変化

後のグラウトにも残っており，硬化後のグラウ
トの誘電率はフレッシュ状態と大きく変化して底部いなかったため，出力電圧値の増加量が小さかPC鋼材中央上部った原因であると考える。
4.3 PC 鋼材配置の影響

図－９PC 鋼材の配置図

PC 鋼材は接地された導体であり，グラウト内実験結果を図－10 に示す。ここで，参考のたの電位分布に大きく影響するため，その影響をめ，PC 鋼材を配置しない供試体の実験結果も示実験により確認し，対策を検討した。
供試体については，図－９に示すように，PC鋼材配置位置を底部，中央，上部の 3 種類を作成し，グラウト充填実験を行った。

した。これによると，PC 鋼材は底部，中央に配置する場合，グラウト充填前後の出力電圧値変化量は鋼材なしの場合と若干差があるが，グラウト充填度の判断に影響しないと考える。

-1792-

一方，PC 鋼材をシース管上部に配置すると，4.4 温度の影響

グラウト充填量に対して出力電圧値の変化量が外気温の変化はセンサー電極対間の静電容量小さく，グラウト充填度が不明確となるため，にどんな影響を及ぼすかを実験で検証した。シ

計測手法やデータ処理手法を見直す必要がある。

ース管内にグラウトをフル充填して約１週間に上記三種類の供試体実験を実施する時，PC渡って計測した結果を図－12 に示す。

鋼材の配置位置に係らず信号検出器には同じ増実験した結果，出力電圧値は外気温の日変動幅率を設定していた。しかし，センサーごとでによって波状となり，その原因は供試体を構成増幅率を設定すると，各計測位置の出力電圧値

する材料自体の線膨張特性と関連すると考える。の変化量を最大化することができる。つまり，さらに，出力電圧値と外気温の関係を調べると

図－11 に示すように「鋼材は上部」の実験デー（図－13），今回の実験の範囲内に限られるが，タを増幅校正すると，「鋼材は底部」と近い結果両者はおおよそ以下の線形関係が成り立つ。

が得られる。

V（出力電圧値）＝0.06×T（温度）

このように，本確認手法を現場計測に応用する場合，PC 鋼材緊張後，グラウト充填前に，各よって，本確認手法を現場計測に応用する場

計測位置の出力電圧値が最大となるように検出

合，計測期間中の温度変化が小さい場合，温度器の増幅率を設定すると，PC 鋼材の有無，配置の影響が無視できる。温度変化が激しい場合に位置によらずグラウトの充填度を十分な精度でも，上式のように出力電圧値から温度が影響す検出できる。

る部分を線形補正することが可能である。

0-2-3-4-5-640-236-332-428-524-601020304050607080

20012グラウトの高さ（mm）

図－10

図－12

底部
上部（校正前）上部（校正後）0出力電圧（V）-1-2-3-4-5-601020304050

4567607080

出力電圧値と外気温の経時変化-4.5-4.6-4.7-4.8-4.9-5.0-5.1-5.2-5.3-5.4-5.5

出力電圧
線形 (出力電圧)2829

グラウトの高さ（mm）

図－113

時刻（日）

PC 鋼材の影響（校正前）1

出力電圧（V）

44

出力電圧（左軸）
外 気 温 （右軸）-1
出力電圧（V）-148

外気温（℃）

0
出力電圧（V）

1

底部
中央
上部
鋼材なし

1PC 鋼材の影響（校正後）

図－13-1793-

3031 32 33
外気温（℃）

343536出力電圧値－外気温の関係

5. 実施工時の本確認手法の適用

6. まとめ

実施工において，PC グラウトの充填を管理す

本研究は PC グラウト充填時のセンサー電極る目的で，本センサーシステムを現場計測に適対間の静電容量の変化を利用するグラウト充填用できる。

度確認手法について検討を行い，本システムは

図－14 に一例として，新設橋梁の PC 上部工充填度検知に有効であることが確認できた。

を計測対象とした計測イメージ図を示す。セン（1）グラウト充填実験の結果，出力電圧値はグサー電極と一体化されるカップラーシースを，ラウト充填度により変化することを確認

充填不良が発生しやすいとされる個所にあらかし，解析の結果と比較して両者は一致した。

じめ設置しておき，信号発生・検出器を経由し（2）出力電圧値の経時変化について，水和反応て，市販のデータロガーおよびパソコンで計測に起因する水分変化により，計測結果は若管理が容易にできる。

干変化したが，時間と共に安定化になるため，充填度判別に影響しない。
（3）シース管内の PC 鋼材配置は計測結果に影信号発生・検出器
入力

出力データロガー響することを確認したが，充填前の検出器パソコン設定により校正することが可能である。
（4）外気温は出力電圧値に多少影響するが，温気泡センサー電極度変化が大きい場合に，出力電圧値を線形

グラウト
カップラー
シース

シース
コンクリート内部

図－14補正することができる。
グラウト
充填方向

以上の確認実験の結果を踏まえ，本センサーシステムは性能が優れてかつ容易に判別するものであり，十分実用化になる可能性があると考実施工時の計測イメージ図える。
センサー電極は使い捨てとなるが原理が簡単のため，同じく使い捨て型のセンサーと比べて，参考文献

容易に入手できる銅箔の簡単な加工によって，

1）正司明夫ほか：センサーによるグラウト充填センサーを容易に生産でき，取り付け作業も特の確認方法に関する検討，第 12 回プレスト別のノウハウを必要としない。

レストコンクリートに関するシンポジウム

また，現状で実用化しているセンサーには，論文集，pp49-52，2003

直接グラウトと接触しなければ計測できない特2）立田修司ほか：鳥取自動車道 千代川橋 グラ徴があり，センサーを必ずシース壁の内側に取ウト施工の報告，第 13 回プレストレストコり付けるため，グラウト充填前，PC 鋼材挿入時

ンクリートに関するシンポジウム論文集，にセンサーが破損することなどがある。一方，

pp561-564，2004

本センサーシステムはカップラーシース壁の外

3）坂田康行ほか：超低粘性型 PC グラウトの第側に取り付けるか壁に埋め込むため，現場作業二東名高速道路矢作川橋主桁部への適用，第による破損が発生しにくく，長期計測にも適用

13 回プレストレストコンクリートに関する可能である。

シンポジウム論文集，pp129-132，2004

今後，実用化実験によりセンサー電極の最適4）（社）プレストレスト・コンクリート建設業

寸法を検討し，よりコンパクトなセンサーが作

協会：PC グラウト＆プレグラウト PC 鋼材施られると予想する。

工マニュアル，pp16，2002-1794-