平成23年度

コンクリート部材の凍害診断への表面走査法の適用に関する研究(独)土木研究所寒地土木研究所(独)土木研究所寒地土木研究所(独)土木研究所寒地土木研究所

耐寒材料チーム
耐寒材料チーム
耐寒材料チーム○遠藤 裕丈田口 史雄
林田宏

コンクリート構造物の凍害診断では、凍害が疑われる箇所からコアを採取し、コアの分析を行って劣化の程度を把握、評価するのが一般的である。しかし、コア採取は、部材とりわけ鉄筋の損傷が懸念される。また、調査範囲が広範に及ぶ場合、調査に多大な時間と労力を要する。
そこで、通常の日常管理の範囲で簡便かつ迅速に凍害の程度を評価できる診断技術の確立を目指し、コンクリート表面からの劣化層の厚さを非破壊で推定できる表面走査法の凍害診断への応用について検討を行った。さらに、北海道内の道路橋のコンクリート部材を対象に、表面走査法による凍害診断を試みた。
キーワード：コンクリート、凍害、超音波伝播速度、表面走査法、非破壊調査

受振子

1. はじめに

2. 表面走査法
表面走査法は、コンクリート表面近傍に存在する劣化
Hirotake Endoh, Fumio Taguchi, Hiroshi Hayashida

劣化t

健全

超音波伝播時間

我が国では、これまでに多くのコンクリート構造物が建設されてきた。これらの構造物は、今も住民の安全と生活を支える重要な役割を担っている。一方で老朽化および劣化が進行している構造物も存在している。これか
らは構造物を適切に維持管理し、うまく使いこなすことが強く求められている1)。とりわけ厳しい財政事情の下で合理的に維持管理を行うには、劣化の程度を経済的かつ効率的に診断できる技術の充実が望まれる。
寒冷地のコンクリート構造物が受けやすい代表的な劣化に凍害が挙げられる。一般に凍害の診断では、凍害が疑われる箇所からコアを採取し、コアの側面に超音波の発・受振子をあててコア内部の超音波伝播速度の分布を調査し、その結果をもとに凍害の範囲や程度の把握、評価が行われる。しかし、コア採取はコンクリート部材や鉄筋を損傷させる可能性があることや、部材の広範囲で調査を行うには多大なコストと時間および労力を要する等の課題を有している。
そこで、本研究ではコンクリートの凍害の程度を簡便かつ迅速に把握できる診断技術の確立を目指し、表面からの劣化層の厚さを非破壊で推定できる表面走査法2)の凍害診断への応用について検討を行った。

発振子

X01Vs1Vd
発・受振子間距離図-1 表面走査法の概念

層の厚さを超音波により非破壊で推定する方法である2)。
超音波は損傷の程度が小さい組織を伝播経路に選びながら最短時間で受振子に到達する性質がある。図-1に示すような劣化層が表面近傍に存在する場合、表面に超音波の発振子と受振子を配置し、受振子を一定の間隔で発振子から遠ざけていくと、発・受振子間距離がある値以上になると超音波の伝播経路は健全層の縁端面に一本化され、発・受振子間距離に対する伝播時間の増加率は小さくなる。このため、発・受振子間距離と超音波伝播時間の関係は図に示すような折れ線グラフとなる。
ここで、原点から変曲点までの距離をX0、劣化層と健全部縁端面における超音波伝播速度をそれぞれVd、Vs（直線の傾きの逆数）とすると、劣化層の厚さtは次式

表-1 コンクリートの配合
配合
番号1234W/C(%)

Gmax(mm)使用
セメント55555555－204020

普通普通普通高炉B

単位量 (kg/m3)
セメント
細骨材
4861551280893280893280889

水267154154154

粗骨材
－1119
11231115【略称】 W/C：水セメント比、Gmax：粗骨材の最大寸法
試験水を張って凍結融解試験

t=X02

V s − Vd
Vs + Vd(1)

なお、コンクリートが全体的に健全もしくは劣化している場合は品質が均質なため、発・受振子間距離と超音波伝播時間の関係は折れ線ではなく、直線グラフとなる。その場合のtは0か部材の全厚のいずれかとなる。
本研究は、この理論を凍害診断に応用することを目指したものである。図に示す劣化層を凍害で損傷した範囲に見立て、凍害の深さおよび程度を表面走査法により非破壊で診断できるかを調べた。はじめに、表面走査法の適用性について基礎的な検討を行うため、室内実験を実施した。次に、この検討結果をふまえて、北海道内の道路橋のコンクリート部材を対象に実証的な検討を行った。

表面走査法による測定

コンクリート内部における超音波伝播速度の分布の測定（透過法）

10cmのように表される2)。

10cm※奥行きは40cm

図-2 実験の流れ

写真-1 表面走査法による測定の状況

3. 室内実験による基礎的検討(1) 実験概要a) コンクリートの配合
表-1にコンクリートの配合を示す。水セメント比は、北海道開発局道路設計要領のRC-4に準じて55%とした。
セメントは、普通ポルトランドセメントと高炉セメントB種の2種類とした。細骨材は、除塩処理を施した苫
小牧錦岡産の海砂（密度2.70g/cm3、吸水率0.89%）を使用した。粗骨材は、小樽見晴産の砕石（密度2.68g/cm3、吸水率1.07%）を使用した。粗骨材の最大寸法は、非混入（モルタル）、20mm、40mmの3種類とした。なお、凍害を促進させるねらいでAE剤は使用しなかった。
b) 供試体および養生供試体の寸法は100×100×400mmとした。打設後、材齢7日まで湿った麻布で覆い、その後は材齢28日まで恒温恒湿室（温度20℃、湿度60%）に静置した。凍結融解作用面は打設面（100×400mm）とし、打設面には試験水を溜めるための囲いを設置した。
c) 凍結融解試験および測定
凍結融解試験はASTM C 672に準じて行った。図-2に示
Hirotake Endoh, Fumio Taguchi, Hiroshi Hayashida

すように、打設面に試験水として淡水を深さ6mm程度張り、-18℃で16時間、23℃で8時間の1日1サイクルの凍結融解作用を120サイクル与え、途中、おおむね30サイクルに1回の割合で、周波数28kHzの超音波測定器を用いて表面走査法による測定と、コンクリート内部の超音波伝播速度の分布の測定（以下、透過法と記す）を行った。写真-1に表面走査法による測定の状況を示す。発・受振子の径はともに20mmである。表面走査法における発・受振子間距離は、50、100、150、200、250、300、350、400mmとした。折れ線回帰は既往のプログラム3)を使用し、原点通過を前提に行った。透過法では、深さ10、20、…、80、90mm位置の動弾性係数を式(2)4)より計算し、式(3)から各位置の相対動弾性係数を求めた。
E dn = 4.0387V n 2 − 14.438V n + 20.708
RE =E dn× 100
Ed 0(2)(3)

ここに、Ednはnサイクルの動弾性係数(GPa)、Vnはnサイクルの超音波伝播速度(km/s)、REはnサイクルの相対動表面走査法

透過法

150

傾き=0.39500200150

傾き=0.55

100500200

表面からの深さ(mm)

超音波伝播時間(μsec)

100150100500200

傾き=0.69150
100500

傾き=0.62
0 100 200 300 400
発・受振子間距離(mm)傾き1

表面からの深さ

0サイクル

傾き210mm
最も浅い
測定位置

tRE10発・受振子間距離REt

相対動弾性係数条件t の算出不可（折れ線なし）t＞10mmの場合
t≦10mmの場合整理する関係傾き1とRE10(品質は全体的に均質)
傾き1とRE10、傾き2とREt
傾き2とRE10

図-4 直線の傾きと相対動弾性係数の関係の整理の考え方

0 20 40 60 80 100
相対動弾性係数(%)

図-3 試験結果の一例（配合番号3）

弾性係数(%)、Ed0は凍結融解試験前の動弾性係数(GPa)である。
(2) 実験結果・考察
図-3に試験結果の一例（配合番号3）を示す。透過法のグラフより、表面から内部にかけて凍害が経時的に進展していることがわかる。これに連動する形で、表面走査法のグラフに顕著な折れ線が出現した。表面走査法のグラフにおける原点からの直線の傾きは、サイクル数の増加に伴って大きくなっている。この傾きの逆数は劣化層の超音波伝播速度を表しており、劣化層では凍害が進展していることが表面走査法のグラフから明確に読み取れる。
ここで、式(1)から求めたtを透過法のグラフに破線で書き入れた。一般に相対動弾性係数が60%を下回ると、凍結融解作用を受けた際の長さ変化率は急速に大きくなるとされ5)、土木学会コンクリート標準示方書［設計編］では凍害に関する性能を満足するための相対動弾性係数の最小限界値が60～85%に設定されている6)。しかし、120サイクルの結果をみると、表面走査法では相対動弾性係数が60%よりも小さい40%以上の範囲が健全と診断されている。各サイクルにおける破線の位置に着目すると、破線は相対動弾性係数が増加に転じた位置の近傍（30、120サイクル）、もしくは増加している途中の位置（59、91サイクル）に描かれていることがわかる。このことから、凍害診断においては、表面近傍に存在する劣化層から、劣化層に比べると劣化の程度
Hirotake Endoh, Fumio Taguchi, Hiroshi Hayashida100
透過法から求めた相対動弾性係数(%)

020030サイクル

5059サイクル

100020406080
100020406080
100020406080
100020406080
100020406080
10091サイクル

150

傾き=0.30120サイクル

200

超音波伝播時間（破線は式(1)から得たt値）

深さ10mm位置
80

深さt位置

60-0.8135

y = 21.691x2
R = 0.6626

40

20000.2

0.4

0.60.81.0

図-4に示す傾き1もしくは傾き2

図-5 表面走査法のグラフから求まる直線の傾きと透過法から求めた相対動弾性係数の関係（深さ10mm位置と深さt位置）が相対的に小さい品質の層へ転じる位置の近傍がtと診断される傾向にあることが確認された。
次に、Vd、Vsの逆数に相当する表面走査法のグラフから求まる直線の傾きと、透過法から求めた劣化層に相当する表層および深さt位置の相対動弾性係数との関係について考察する。考察は、図-4に示す考え方に基づいて行った。ここでは、透過法における測定が可能な最浅位置が発・受振子の径の1/2に相当する深さ10mmである理由から、10mmの位置の値を表層の値とした。ただし、tが10mm以下になる場合は10mm位置は劣化層に属さないことになるため、折れ線以降の直線の傾きとの関係をとることとした。図-5に整理した結果を示す。表
面走査法におけるグラフの傾きが大きくなると相対動弾性係数が小さくなる形の分布が示された。
図-3の透過法の結果からわかるように、凍害の程度は内部よりも表面側の方が大きい。これは、表面から内部にかけて相対動弾性係数が大きくなることを意味している。すなわち、表面走査法による診断を行うと、図-6に示すように深さ10mm位置と深さt位置（折れ線が生じる場合のみ）の相対動弾性係数の近似値は相関が最も高い回帰式である式(4)から算出され、それ以外の位置の相対動弾性係数は図-6に示す塗りつぶした範囲にプロットされる旨の推定結果が得られることになる。

表面走査法のグラフで折れ線が出現

表面走査法のグラフで折れ線が出現せず（t＞10mmの場合）

美幌
芦別

上部：4箇所
下部：13箇所

表面からの深さ

上部：実施せず
下部：14箇所

10mm

10mm

最も浅い
測定位置

最も浅い
測定位置

中山峠
上部：3箇所
下部：未実施t

白糠

喜茂別
RE10RE10REt

鹿部

相対動弾性係数相対動弾性係数

上部：8箇所
下部：8箇所

上部：11箇所下部：未実施上部：4箇所
下部：7箇所

透過法から求められる相対動弾性係数は、の範囲にプロットされる可能性が高い

図-8 調査対象構造物（道路橋）の位置

図-6 表面走査法から推定される透過法から求められる相対動弾性係数の予測範囲

美幌・下部（橋座面）

白糠・下部（擁壁面）透過法から求めた相対動弾性係数(%)

100806040

深さ10mmおよびt位置20それ以外の位置

写真-2 構造物での表面走査法による測定の状況

0020406080100

表面走査法から推定した相対動弾性係数の予測範囲の下限

図-7 相対動弾性係数の予測範囲の下限（図-6の線上の値）と透過法から求めた相対動弾性係数の関係

RE = 21.7 x −0.81(4)ここに、xは表面走査法によるグラフの傾き1もしくは傾き2（図-4）である。
図-7はこの妥当性を検証した結果である。図に示すように、透過法から求めた○印のデータは全体（N=114）の約8.6割が塗りつぶした範囲にプロットされ、図-6で述べた考え方の妥当性を概ね確認することができた。

写真-3 透過法による測定を行うための試料の採取の状況

250、300、350、400mmとした。透過法による測定は深さ10、20、…、90、100mm位置で行った。透過法で実施する相対動弾性係数の算出は室内実験と同様に式(2)、式(3)により行った。式(3)のEd0は緒方らの研究4)にならい、健全とみなせる箇所の値を使用することとした。ここでは各橋で採取したコアの最深位置にあたる深さ100mm位置の全ての動弾性係数の値の平均を各橋のEd0とした。
4. 実構造物での実証的検討b) 調査結果の整理の方法
図-4、図-5にもとづき、表面走査法のグラフから傾き1および折れ線が生じた場合は傾き2を求め、式(4)より深(1) 調査概要
さ10mmおよび深さtの相対動弾性係数を算出した。このa) 調査箇所
結果をもとに図-6と同じ形の図を作成し、この図に透過
次に、3章で述べた室内実験の結果をふまえ、実構造法から求めた相対動弾性係数を重ね合わせることで構物で実証的な検証を行った。図-8に調査対象構造物の位造物での適用性を評価した。
置を示す。対象は道路橋で、ここでは北海道内の6橋でc) 超音波伝播時間の補正調査を行った。調査は、凍害が疑われる上部工30箇所と一般に、超音波伝播速度はコンクリートの水分率に下部工42箇所の計72箇所で行った。写真-2に表面走査法大きく依存する7)。表面走査法による診断を行う際の構による測定の状況、写真-3に透過法による測定を行うた
造物の表面は乾燥している場合もあれば濡れている場めの試料の採取の状況を示す。表面走査法における発・受振子間距離は室内実験同様、50、100、150、200、 合もあって一様ではないことに鑑み、超音波伝播時間
Hirotake Endoh, Fumio Taguchi, Hiroshi Hayashida

m-2σ

012
96m+2σm (=3.4)
m-2σ

360

90120150
番号1

番号391サイクル

59サイクル

30サイクル

91サイクル

59サイクル

30サイクル

91サイクル

番号2120サイクル

30

乾燥させた供試体の超音波伝播時間(μsec)

120サイクル

0120サイクル

059サイクル

030サイクル

30m (=6.2)

330サイクル

60691サイクル

2R = 0.9537

m+2σ

9120サイクル

y = 0.9533x - 18.329

90m ：平均値、σ：標準偏差1259サイクル

試験直後の表面水分率(%)

120

乾燥後の表面水分率(%)

凍結融解試験直後の供試体の超音波伝播時間(μsec)

150

番号4

図-10 乾燥させた供試体と凍結融解試験直後の供試体における表面水分率の測定結果（室内実験）の補正を行うこととした。
図-9は、3章の室内実験の供試体を乾燥させた場合の表面走査法による超音波伝播時間と、凍結融解試験直後の表面走査法による超音波伝播時間を比較したものである。乾燥温度は細孔に大きな変化を与えない温度とされる40℃8)とし、乾燥日数は7日間とした。データを回帰分析したところ、式(5)が得られた。

140
透過法から求めた乾燥させたコンクリートの相対動弾性係数(%)

図-9 乾燥させた供試体と凍結融解試験直後の供試体における超音波伝播時間の関係（室内実験）

120
100806040

室内実験
室構造物

2000

ここに、Twは凍結融解試験直後の伝播時間(µsec)、Tdは乾燥させた場合の伝播時間(µsec)である。
図-10は、高周波容量式のコンクリート水分計で調べた供試体の表面水分率を示している。凍結融解試験直後の平均は6.2%、乾燥後の平均は3.4%であった。データは、ばらつきが少なく安定とされる概ね±2σ9)の範囲にプロットされた。前掲した図-3は、凍結融解試験直後の測定値を用いて整理したものである。そこで、これにあわせる形で、構造物調査では表面水分率が6.2%の時の超音波伝播時間を解析に用いることとした。図-9、図10より表面水分率の増減に対する超音波伝播時間の変化率を調べ、その結果をもとに式(6)に示す補正式を導出した。

20406080100120140

透過法から求めた乾燥させていないコンクリートの相対動弾性係数(%)

図-11 乾燥させていない場合と乾燥させた場合の透過法から求めた相対動弾性係数の関係（室内実験と実構造物、深さ10、20、…、90、100mm位置の値）
表面走査法から求めた線（図-6）
透過法の測定値がプロットされると予想される範囲（図-6）
透過法による測定値

調査事例1（鹿部）調査事例2（白糠）

調査事例3（芦別）

0
表面からの深さ(mm)Tw = 0.95Td − 18.3(5)20406080100406080 100 406080 1006080 100 40
相対動弾性係数(%)
相対動弾性係数(%)
相対動弾性係数(%)

図-12 構造物での調査結果の一例(2) 調査結果・考察
図-12に調査結果の一例を示す。調査事例1と2は表面走査法のグラフで折れ線が生じたケースであり、傾き1
ここに、Trは補正後の伝播時間(µsec)、Tsは構造物でのと傾き2（図-4）を式(4)に代入し、その計算値を用いて実測の伝播時間 (µsec)、Wは表面水分率(%)である。
図-6の左と同じ形に整理した。調査事例3は表面走査法
現場では式(6)を用いて伝播時間の補正を行った。のグラフで折れ線が生じなかったケースであり、品質
図-11は凍結融解試験直後に調べた透過法による相対は均質と判断して傾き1（図-4）を式(4)に代入し、その動弾性係数と乾燥させた後に調べた相対動弾性係数を計算値を用いて図-6の右と同じ形に整理した。仮に、鉄比較したものである。多少ばらついているが概ね45度線筋の埋設位置を50mmとした場合、表面走査法において上にプロットされた。そこで相対動弾性係数に及ぼすは、調査事例1は鉄筋位置の相対動弾性係数が60%5)を下乾燥の影響は小さいと考え、補正の対象は伝播時間の回っておらず耐凍害性能は保持されていると推定され、みとし、式(4)は補正せずそのまま適用することとした。 調査事例2と3は60%を下回っており、耐凍害性能は低下
Tr = Ts × (−0.09W + 1.53)(6)

Hirotake Endoh, Fumio Taguchi, Hiroshi Hayashida透過法から求めた相対動弾性係数(%)

100
美幌80
白糠60喜茂別鹿部40芦別20

中山峠

0020406080100

表面走査法から推定した相対動弾性係数の予測範囲の下限

図-13 相対動弾性係数の予測範囲の下限（図-6の線上の値）と透過法から求めた相対動弾性係数の関係（構造物）

め、上記の結論を得るためには72箇所全てにおいてコア採取を実施する必要がある。一方、表面走査法を適用した場合、調査対象の72箇所の中からコア採取が望ましい箇所を33箇所に絞り込むことができる。これによって、部材の損傷を最小限にとどめることができ、さらにはコア本数の縮小が図れるため調査時間の短縮による省力化および調査費の縮減効果が期待される。
表-2は今回の調査を例に従前の診断による調査費と表面走査法を適用した場合の調査費を比較したものである。従前を1とすると、表面走査法を適用した場合は0.55となり、45%のコスト縮減が図れる結果となった。

5. まとめ図-14 従前および表面走査法の適用による調査の流れの比較
表-2 調査費の縮減効果の評価
従前の診断表面走査法適用
72×8＝576点
超音波 (表面走査法)－数
33孔
コア採取 (補修込み) 72孔
量72×10＝720点
33×10＝330点
超音波 (透過法)
1.000.55
調査費 (従前を1とする)

本研究では、通常の日常管理の範囲で簡便かつ迅速に凍害の程度を評価できる診断技術の確立を目指し、表面走査法の凍害診断への応用を試みた。得られた知見をまとめると、以下の通りである。
(1) 表面走査法は、ある一定の精度で耐凍害性能が低下している範囲を非破壊で推定することができる。
(2) 表面走査法の適用により、凍害診断に要する調査費の縮減効果が期待できる。
参考文献
1)※交通規制に必要な費用や諸経費は含まれていない
2)

していると推定される。
ここで、この図に透過法の結果を重ね合わせてみた。 3)
調査事例1と2における鉄筋位置の相対動弾性係数は81%と61%、調査事例3は57%であった。事例1において、構4)造物でも耐凍害性能が保持されていることを表面走査法により非破壊で推定できる知見を得ることができた。
図-13は構造物調査で取得した全データを図-7と同じ要領で整理した結果である。全体（N=685）の約8.8割が5)塗りつぶした範囲にプロットされ、図-6で述べた考え方は構造物でも概ね適用できることが確認できた。
6)(3) 調査費の縮減効果の評価
図-12では代表して3箇所の結果を示したが、今回の調査で行った表面走査法では、全72箇所のうち33箇所で深さ50mm位置の相対動弾性係数が60%を下回っていると推定された。実際に透過法で調べたところ、この33箇所のうち11箇所で60%を下回っていることが確認された。
残りの61箇所は60%以上であった。
従前の凍害診断の流れでは、図-14に示すように、コンクリート内部の状態を把握するにはコアが必要なた
Hirotake Endoh, Fumio Taguchi, Hiroshi Hayashida

7)

8)

9)

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