サーモソニック法による超音波加振条件と内部ひび割れの発熱挙動

1
研究背景

老朽化

打音法

補修の遅れ

属人的・人材不足

正確かつ効率的な手法が検査手法が求められている
上記の要件を満たす可能性のある手法がサーモソニック法である

2
サーモソニック法

加振ホーン
サーモカメラ
供試体①ホーンで供試体を
超音波加振

摩擦熱

②ひび割れで摩擦熱が発生③サーモカメラで発熱を撮影

表面の情報から内部の欠陥を確認でき、所要時間も短い

3
研究目的

正確かつ効率的な非破壊検査手法としてサーモソニック法の確立を目指す。
しかし、セメント系材料への適用の先行研究は少ない。
そこで実用化の前段階として本研究では以下の事項を目的とする。

サーモソニック法の加振条件と損傷部の発熱挙動の関係性を分析する。

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加振条件と発熱挙動の関係性(Relationship of excitation conditions to exothermic)

加振条件①超音波の周波数②ホーンによる応力

これらを変化させて発熱がどう変化するか実験した

撮影の様子

周波数応力20kHz30kHzの2パターン

7kPa
34kPa50kPaの3パターン

加振条件は6パターン

5
データのとり方(How to choose a sample)

実際の供試体熱画像

供試体A→フィルム2枚を設置して打設ひび割れ幅を変化させた
供試体B→フィルム4枚を設置して打設サンプル点は供試体の発熱部分から選択
分析にはその中からそれぞれ20点を使用

6
結果①：圧力による発熱の傾向変化
30kHzでの加振による温度上昇

マーカーの多くは右下のエリアに分布供試体A（ひび割れ幅小）の方が下部に分布34kPaの場合の温度上昇(℃)

12108

供試体A
供試体B
補助線

6

ひび割れ幅大42

ひび割れ幅小0024681050kPaの場合の温度上昇(℃)

1250kPaでの発熱＞34kPaでの発熱
つまり、応力が高いほど温度上昇が大きい
ひび割れ幅が小さい方がその傾向が強い7
結果①(Result1)：圧力による発熱の傾向変化
20kHzでの加振による温度上昇

マーカーの多くは同じく右下に分布
こちらでは供試体A（ひび割れ幅小)が補助線付近に移動する

34kPaの場合の温度上昇(℃)

12108供試体A
供試体B
補助線

6ひび割れ幅小42ひび割れ幅大0024681050kPaの場合の温度上昇(℃)

12周波数が変わると応力に対する発熱の傾向が変化する
幅の小さいひび割れではその変化が大きくなる

8
結果②：周波数による発熱の傾向変化
34kPaの拘束応力下での温度上昇
30kHzの超音波による温度上昇(℃)

12108供試体A
供試体B
補助線

634kPaの拘束応力下での2種類の超音波に対する発熱をまとめた
供試体Aと供試体Bではプロットの分布が異なる特徴を見せている

420024681020kHzの超音波による温度上昇(℃)

12912

供試体A

10ひび割れ幅小8642002468101220kHzの超音波による温度上昇(℃)

30kHzでの超音波による温度上昇(℃)

30kHzでの超音波による温度上昇(℃)

結果③：周波数による発熱の傾向変化
12供試体B

108

ひび割れ幅大642002468101220kHzの超音波による温度上昇(℃)

20kHzでの発熱＞30kHzでの発熱一定の傾向は確認できない
ひび割れの幅が小さい方が周波数による発熱の変化が顕著になる
幅の小さいひび割れは20kHzの超音波に対して発熱が大きくなる

10結果のまとめ• 拘束応力が高いほどひび割れ界面での発熱は大きくなる• ひび割れが狭い場合，加える超音波の周波数が変化すると上記の傾向の強さは変動する• 幅の狭いひび割れは34kPaの応力下では20kHzの超音波に対する発熱が30kHz の超音波に対する発熱と比較して大きくなる• 比較的幅の大きいひび割れでは周波数を変化させたときの発熱の変化
はサンプル点ごとに傾向が異なる

ひび割れの形状、特にひび割れの幅が損傷部での発熱に大きく影響するサーモソニック法の適用によるひび割れ界面の可視化

北海道大学 〇 橋本勝文
塩谷智基
京都大学

コンクリート内部の非破壊検査による調査
コンクリート中のひび割れや空隙、浮き・はく離に関する情報を得るために、弾性波法や電磁波法が利用される事例が増えている。

弾性波法

電磁波法

例：打音法、超音波法、衝撃弾性波法、AE法・・・

例：電磁波レーダ、X線、赤外線サーモグラフィ・・・

内部の損傷および欠陥部の可視化結果

測定（計測）結果の収集＋数値計算処理や情報処理アルゴリズム

1

X線CTによる内部構造の観察
コンクリートの断面連続画像

X線CT撮影の様子

X線検出器

X線発生器

試料ステージ

システム構成と原理

適切な画像処理（二値化）⇒ひび割れを可視化

2

X線CTの現場適用事例

提供：株式会社CORE技術研究所

適用箇所や事例は限られる（時間・費用）

3

サーモソニック法とは熱伝導率の高い材料の場合、この温度上昇現象を赤外線サーモグラフィで画像化・ひび割れ部を可視化できることは知られている。
（以下、サーモソニック法（他に、Sonic-IR、Vibro-Thermography））
Ultrasonictransducer

Thermography camera

Ultrasonichorn

Ultrasonicvibration

Crack

周波数：数十kHz
振幅：～µm

ひび割れの検知を目的として同手法をコンクリートに適用した研究事例は見当たらない。

4

本研究の目的と概要
サーモソニック法◆ 圧縮試験により損傷を生じたモルタル供試体◆ エポキシ樹脂により模擬ひび割れを充填したコンクリート供試体◆ 内部ひび割れ（損傷）の可視化および圧縮応力に伴う供試体の損傷程度◆ 模擬ひび割れ補修箇所における樹脂充填状況の定量化
超音波加振条件
最高出力1000W
周波数35kHz
入力電圧200V

赤外線サーモグラフィによる熱画像の撮影条件

解像度640×512
Thermography camera ピクセルサイズ15µm
1.0～5.0µmの波長帯で動作する冷却型インジウムアンチモン（InSb）検出素子を搭載した温度分解能0.02℃未満の赤外線カメラ

5本研究の目的と概要◆ 内部ひび割れ（損傷）の可視化および圧縮応力に伴う供試体の損傷程度
27.6MPa（n=3）の圧縮強度が得られた材令3日の時点で、圧縮強度の10%、30%、50%、70%、90%および100%（α=0.0～1.0）となるまで載荷することで、ひび割れ（損傷）発生程度の異なる供試体を作製した。
水セメント比（W/C）：0.5 砂セメント比（S/C）：3.0◆ 模擬ひび割れ補修箇所における樹脂充填状況の定量化

水セメント比（W/C）：0.5 砂セメント比（S/C）：2.0
細骨材率（s/a）：0.56

実験結果

マイクロフォーカスX線CT：KYOTO-GEOµXCT（TOSCANER-32250µHDK）
最小ボクセルサイズは縦56.3 µm、横56.3 µm、高さ62.0µm（1024×1024画素で出力）
ひび割れや空隙（空気）を示すGSV（Gray Scale Value）の閾値は、下限をGSV = 0として上限をモルタルおよび骨材を表すヒストグラムのピークのGSVの半分の値として二値化処理

7

実験結果
5mm30mm65mm95mm

マイクロフォーカスX線CT：KYOTO-GEOµXCT（TOSCANER-32250µHDK）
最小ボクセルサイズは縦56.3 µm、横56.3 µm、高さ62.0µm（1024×1024画素で出力）
ひび割れや空隙（空気）を示すGSV（Gray Scale Value）の閾値は、下限をGSV = 0として上限をモルタルおよび骨材を表すヒストグラムのピークのGSVの半分の値として二値化処理

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実験結果
No.1：5mm（上面（超音波加振面）からの距離）
No.2：30mm

No.3：65mm

No.4：95mm

超音波加振時間（最大3秒間）の経過とともに表面温度が上昇している。
せん断すべり面に沿って熱画像から得られる温度上昇は3秒間で0.3〜0.8℃程度であることが確認できる。
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実験結果
5010
5000

0sec

ピクセル（カウント）

4010
4000

1sec
2sec

3010
3000

3sec
2010
2000

1010
1000

100
19.7

19.9

20.120.320.5

温度（℃）

熱画像を構成するピクセルのヒストグラム⇒分布形状を保ちながら温度上昇

損傷度が大⇒超音波加振による温度上昇差分の値が大

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実験結果
温度検出位置No.1
温度検出位置No.2a）1cm
樹脂注入深さ：1cm

Temp. ℃

Temp. ℃

Temp. ℃

23.0

23.0

23.0

22.5

22.5

22.5

22.0

22.0

22.0

21.5

21.5

21.5

21.0

21.0

21.0

20.5

20.5

20.5

20.0

20.020.0b）3cm
樹脂注入深さ：3cmc）5cm
樹脂注入深さ：5cm

11まとめ
材料内部の欠陥箇所やひび割れを検出することができる非破壊検査手法であるサーモソニッ
ク法をモルタルおよびコンクリートに適用した。その結果、以下の知見が得られた。
1) サーモソニック法を圧縮破壊したモルタルに適用することで、X線CT画像と同様に一軸圧縮試験により応力の集中やひずみの局所化に伴って形成される破壊領域を可視化することができる。
2) サーモソニック法を応力履歴の異なるモルタル供試体に適用することで、歪みの局所化やひび割れの発生を伴う損傷の進展を供試体全体の温度上昇として定量的に把握することができる。

3) 5mm幅の模擬ひび割れを有するコンクリート供試体にサーモソニック法を適用した場合、エポキシ系樹脂材料の充填深さが浅いほど超音波加振時の温度上昇速度が速くなる。
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