技術資料

パラメットリックソーナーによる水中コンクリートの劣化度調査
小林勇一

澤口重夫

岸寛人

寒地機械技術チームでは、水中構造物の定量的な調１．はじめに査技術として、既往の研究において、超音波のパラメ
高度成長期以降に集中的に整備されたインフラ施設

トリックソーナーを活用し、非接触、非破壊で鋼矢板が、今後一斉に老朽化することが懸念されている。例

岸壁の内部空洞を調査する技術を開発した 6)。一方、

えば、建設後50年を経過する橋梁は、2013年には約コンクリート内部の音速度と圧縮強度、弾性係数には18%だったが、2023年には約43%、2033年には約67%

相関性がみられることから7)、パラメトリックソーナと急激に増加する見込みである 1)（表－1）。これらのーにより水中部のコンクリート内部の音速度を計測す

インフラ施設は、今後、同時期に修繕や更新が必要とることができれば、定量的な検査に利用できる可能性なる恐れがある。予算の制約がある中で、インフラ施がある。

設の安全性・信頼性を確保するためには、構造物の状そこで、定量的な検査が困難であるコンクリート構態を的確に把握・診断し、計画的に対処する必要があ造物水中部の劣化評価につながる、非接触、非破壊調る。

査手法の提案に向けた基礎検討として、パラメトリッ

地上からの目視確認が困難である、コンクリート構造物の水中部（橋梁下部工、港湾構造物、河川構造物、クソーナーによる水中のコンクリート供試体の計測試
験を実施した。

ダム）についても、劣化や損傷が懸念されている。特に寒冷地では、凍結融解による劣化も加わることから、

２．パラメトリックソーナーの概要さらに厳しい状況にある。しかし、水中部のコンクリートの検査は、通常、潜水士の目視により行われておパラメトリックソーナーは、わずかに異なる高周波り、潜水士の主観に依存する部分が大きく、定量的な（一次波）の2つの信号を同時に高圧で送信すること検査が難しい。空気中のコンクリートの検査では、目で、非線形相互作用により低周波（二次波）を生成す

視や打音のほか、打撃試験や超音波などによる定量的るものである6)。この二次波は海底に浸透するのに十な調査手法が多くある2)。その一方、水中部のコンク分なほど低く、海底地層探査技術として利用されていリートでは、打撃試験 3)、超音波伝達法 4)、およびレる8)9)。写真－1にパラメトリックソーナーを示す。こーザー干渉法 5)があるが、その事例は非常に少ない。の装置は鋼矢板岸壁の内部空洞調査用に開発したもの

そのため、コンクリート構造物水中部の定量的な調査で、送受波器（トランスデューサ）とパワーアンプに手法が求められている。

より構成されている。

表－1

建設後50年を経過するインフラ施設1)

2013年

2023年 2033年

道路橋（橋長2m以上）［約70万のうち40万橋］

約18％

約43％ 約67％河川管理施設（水門等）［約1万施設］

約25％

約43％ 約64％港湾岸壁（水深-4.5m以深）
約8％［約5千施設］

約32％ 約58％※国土交通省ホームページ掲載データより抜粋

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2018年１月

写真－1

パラメトリックソーナー

17計測方法を図－1に示す。送受波器を海中に降ろし、計測方法を図－2に示す。送受波器から供試体に向岸壁に向け垂直に音波を伝達すると、透過音の一部はけ、鉛直下向きに超音波を送信し、供試体からの反射岸壁の表面で反射されるが、他は岸壁に浸透する。岸

波形を計測した。送受波器はラックピニオン式の横行壁内に空洞があると、音波は空洞背面の壁面で反射す装置に懸架し、水平方向に移動できるように設置した。

る。これらの反射波を受信することにより、岸壁裏の送受波器と供試体との距離は1cmと47cmの2通りと空洞の水平長さを測ることができる 。
6)した。距離1cmは、超音波を供試体背面へ透過させるため、送受波器と供試体をできるだけ近づけた条件であり、また47cmは、送受波器と供試体の距離をできるだけ遠ざけた条件である。水槽の大きさの制約により、47cmが最大の距離となった。
パラメトリックソーナーの設定値は、送信周波数の中心周波数を100kHz、2次波周波数を5kHz、サンプ
リング間隔を1μsとした。

図－1

鋼矢板岸壁の内部空洞の計測方法

３．パラメトリックソーナーによる透過波の計測
パラメトリックソーナーにより水中部のコンクリー
ト内部の音速度を計測することができれば、圧縮強度や弾性係数を推定できる可能性がある。

図－2

供試体背面からの反射波の計測方法

そこで、パラメトリックソーナーにより、水中のコンクリート供試体（以下、供試体という）を透過した
背面からの反射波の計測が可能であるかを確認するた

３．２

透過波の計測結果

図－3に反射波の振幅の計測結果画像を示す。横軸は超音波送信回数、縦軸は深度を表している。ここで、め、計測試験を実施した。

深度は、超音波の受信時間に水中音速を乗じ、2で除
３．１

透過波の計測方法

パラメトリックソーナーにより、水槽内に設置した供試体へ超音波を照射し、その反射波形を計測した（写真－2）。水槽の大きさは、幅2m、長さ3m、深さ1.8mである。また、供試体は幅40cm、長さ40cm、厚さ20cmの鉄筋コンクリートである。

写真－218計測状況

図－3

反射波の計測結果
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2018年１月

した値である。また、パラメトリックソーナーの調整により、縦軸の距離0.05mが送受波器の表面として表示されている。
コンクリート内部の音速度が水中の約3倍であることを考慮すると、供試体の厚さは20cmであるため、供試体背面からの反射波は、供試体表面からの反射波より7cm程度遠くに現れると考えられる。
図－3より、送受波器と供試体の距離が1cmの場合、送受波器表面である0.05mから0.3m付近にかけて大きな波形が現れた。これは、超音波を送信する際に生じた残響と見られる。供試体表面からの反射波は0.06m付近、供試体背面からの反射波は0.13m付近に現れる

図－4と考えられるが、残響に紛れてしまい、確認すること計測位置による反射波形の違いができなかった。
距離が47cmの場合には、残響と見られる0.05mから４．１

反射波形の計測方法

0.3m付近にかけての波形のほかに、0.5m付近、1.1m計測する供試体は、表面形状および強度の異なる2付近に大きな波形が現れた。供試体表面からの反射種類とし、それぞれを供試体A、供試体Bとした（写波は0.52m付近に現れると考えられるため、0.5m付近真－3）。供試体Aは前述の透過波計測で使用したものの波形は供試体表面からの反射波と見られる。また、と同じ鉄筋コンクリートであり、供試体Bは市販され1.1m付近の波形は、送受波器と供試体の間を超音波ているコンクリートブロックである。強度の違いをが2回往復したことによる多重反射波と見られる。

確認するため、シュミットハンマ（Silver Schmidt、供試体背面からの反射波は、0.59m付近に現れるとproseq社）を使用して反発強度を計測した（表－2）。

考えられるが、供試体表面からの反射波の小さな振幅反発強度はそれぞれ15箇所の平均値であり、供試体Aに紛れてしまい、明確に確認することができなかった。に比べ、供試体Bの方が低いことを確認した。

以上より、今回の計測では、供試体背面からの反射波を明確に確認することはできなかった。しかし、残響の小さい送受波器を使用する、もしくは、より厚いコンクリートを計測することにより、背面からの反射波を確認できる可能性がある。
４．パラメトリックソーナーによる反射波形の比較
前述の透過波を計測する過程で、送受波器の移動と停止を繰り返し計測したところ、計測位置の違いにより、反射波形に違いが現れることを確認した（図－4）。
この違いには再現性があったことから、供試体の表面形状、もしくは強度の違いなどにより、反射波形に写真－3違いが現れた可能性がある。そこで、異なる2つの供試体を用いて、パラメトリックソーナーによる計測を行い、反射波形の比較を行った。

表－2

供試体外観

シュミットハンマによる反発強度計測結果

反発強度（Ｑ）※

供試体Ａ

供試体Ｂ

53.3

28.2

※Ｑはシュミットハンマメーカー独自の単位

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19計測方法を図－5に示す。送受波器と各供試体の距

図－7に、供試体Aと供試体Bの各１箇所を抽出した

離は47cmとした。測定箇所数は、供試体Aが139箇所、生波形データを示す。生波形を比較したところ、供試供試体Bが17箇所の計156箇所とし、測定回数は各箇体表面からの反射波形に比較的大きな違いが見られる所50回とした。パラメトリックソーナーの設定値は、ことがわかった。この波形の違いを分析することで、送信周波数の中心周波数を100kHz、2次波周波数を供試体の違いを分類できる可能性がある。

10kHz、サンプリング間隔を1μs、サンプリングデータ数を32,768点とした。
４．２

５．まとめ
定量的な検査が困難であるコンクリート構造物水中試験結果

反射波形の計測結果を2次元等高線図で表したもの

部の劣化評価につながる、非破壊調査手法の提案に向を図－6に示す。横軸はサンプリングデータ番号、縦けた基礎検討として、パラメトリックソーナーによる軸は測定箇所番号である。振幅は絶対値としている。

水中のコンクリート供試体の計測試験を実施した。そ測定箇所番号は、1から139が供試体A、140から156がの結果、コンクリート供試体内部の音速度の測定は困供試体Bである。各箇所のデータは、ノイズ除去のた難であった。しかし、異なる2種類のコンクリート供め、計測回数である50回のデータを平均処理している。

試体の反射波形には違いが見られることがわかった。

計測結果からは、前述の透過波の計測結果と同様に、この波形の違いを分析することで、供試体の違いを分残響、供試体表面からの反射波、および多重反射波が類できる可能性がある。

確認された。

図－5

図－6

供試体からの反射波の計測方法

図－7

20

反射波形の計測結果（2次元等高線図）

生波形データ
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今後は、引き続き水中コンクリート供試体の透過波

pp.66-69、2011.

について計測試験を行うとともに、反射波形の分析手

5） 倉橋慎理、本越伸二、島田義則：レーザーによる法の検討、および水中コンクリートの物性値が反射波

水中コンクリート構造物の内部欠陥検査技術の開形に与える影響についての検証を行うなど、パラメト

発、LASER CROSS、No.344、pp.1-3、2016.

リックソーナーを活用した非接触・非破壊で定量的な

6） 岸寛人、山口和哉、大槻敏行：超音波を用いた岸コンクリート水中部の劣化度調査手法について、検討

壁水中部の内部点検技術について、寒地土木研究を進める。

所月報、No.761、pp.11-19、2016.
7） 葛目和宏、真鍋英規、小椋紀彦、山本貴士、宮川豊章：超音波トモグラフィによるASR劣化した

参考文献

コンクリート内部性状の把握に関する検討、コン
1） 国土交通省ホームページ：http://www.mlit.go.jp/
sogoseisaku/ maintenance/02research/02_01.

クリート構造物の補修、補強、アップグレード論
文報告集、第13巻、pp.181–188、2013.
8） 海洋音響学会：海洋音響の基礎と応用、成山堂書

html
2） 魚本健人：コンクリート診断学入門

構造物の劣化対策、朝倉書店、pp.52-54、2004.

店、pp.277-279、2004.
9） F. Madricardo, S. Buogo, P. Calicchia, G. B.

3） 水野剣一、小笠原哲也、杉本英樹、森谷陽一：水Cannelli, S. Donnici, A.Lezziero. : Acoustical

中調査ロボットのダム堤体点検・調査への適用、Prospecting in Extremely Shallow Water in

五洋建設技術年報、Vol. 46、pp.6-1 - 6-6、2016.

The Venice Lagoon, Proceedings of the Eigth4） 渡邉晋也：水中コンクリート構造物の非破壊検

European Conference on Underwater Acoustics,

査手法に関する研究、建設の施工企画、No.753、2006.

小林 勇一
KOBAYASHI Yuichi

澤口 重夫
SAWAGUCHI Shigeo

岸 寛人
KISHI Norihito

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
主任研究員

寒地土木研究所月報№776

2018年１月

北海道開発局
札幌開発建設部施設整備課（前 寒地土木研究所
技術開発調整官付
寒地機械技術チーム研究員）

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