技術紹介

分光分析法による実橋梁の診断システムの開発
倉田 孝男＊
Kurata

戸 田 勝 哉 ＊＊Ta k a o

To d aKatsuya

コンクリート製橋梁の健全性評価指標の一つに塩化物イオン濃度がある。
塩化物イオン濃度の計測は、コア抜きによる試験体やコンクリートドリルによる粉末試料を用いて行うのが一般的であるが、結果が出るまでに時間がかかることや破壊検査であり広範囲の測定が困難である。
これらの課題を解決するために、表面塩化物濃度を非破壊で計測できる近赤外線分光方式による装置を開発してきた。今回センサー部にエンコーダ付の車輪を設けて広範囲を効率的に計測できる装置を開発し、橋梁の表面塩化物イオン濃度分布マップが作成できたので報告する。
キーワード：分光分析、小型分光器、コンクリート、塩化物イオン濃度、橋梁

これは、水溶液中の溶解塩分濃度や糖分などの1. はじめに近赤外線分光で観察される現象に類似している。

コンクリート表面に近赤外線を当てて反射光を果物等も近赤外線分光により糖度が計測されてい分光したところ、波長 2257nm 付近に塩化物イオるが、糖度の大小により水の吸収の大きさが変化

ン濃度に影響される吸収ピークがみつかったことすることを利用している。しかし、伝統的な一つによりコンクリート診断に近赤外線分光法が適用の吸収波長での濃度計算では、水の吸収の温度にできることは、金田らの研究によって報告されてよる変化や他成分の混入に影響されるため、ケモ（1）いる 。

メトリックス法と呼ばれる多変量解析が使われてしかし、2257nm 付近の吸収は硬化直後またはいる。そこで、筆者らは、コンクリートの塩化物切断直後の面に現れるが、空気に触れて時間が経イオン濃度計算においてケモメトリックス法を試

つと小さくなることから、実際の構造物の表面のしたところ、中性化の影響を受けずに計算できる計測には使用できないことがわかった。

ことを確認した（2）。

2257nm の吸収の減少はコンクリートの中性化

その後、実際の橋梁で計測できることが確認での度合いと相関があることから、観察している吸きた（3） ので、本装置をどのように活用すべきか

収は水酸化物イオンによる吸収であること、塩化を検討した。

物イオン濃度の大小により水酸化物イオンの吸収

実際のコンクリート構造物は巨大であり、劣化の大きさが変化していると考えられる。

＊＊＊

箇所も分散していることから、広大な範囲を短期

研究開発事業部 基盤技術部 光応用・プロセスグループ 次長
株式会社 IHI インフラシステム 技術本部 開発部 博士（工学）—28—

間に計測できることが望まれている。既存の計測が内蔵されており、走行距離をカウントする。プ

手法は、コア抜きやドリルによるポイント計測であローブヘッドの上面にはハンドルがついており、るため広範囲を短時間に計測するのは困難である。

この部分を手でもって走査する。ハンドル部分は一方、近赤外線分光法は非破壊非接触で計測時長さを延長することができるので、手の届かない間も比較的速い。また、プローブヘッドと呼んで高い床版下面の計測も可能である。

いるセンサー部分を測定面に接触させることにより簡単に計測できる。そこで、プローブヘッドに車輪をつけて、プローブヘッドを移動しながら、ライン上を一度に計測できれば、広範囲を効率的に計測できるものと考えた。隣り合った複数本のラインを計測すれば、対象面の濃度分布が得られる。
今回、車輪のついた試作装置を製作して、実際の橋梁で計測して、測定面の塩化物イオン濃度分布が得られた。一部のポイントで、既存の計測法で計測した濃度と比較して、計測結果の妥当性を

図1得ることができた。

装置の構成図近赤外線はコンクリート内部にはほとんど浸透しないことから、計測濃度は表面の濃度である。
またコンクリート種類・表面処理、測定条件で測定値が影響されることなどの課題もあるが、構造物全体の劣化傾向の把握、初期診断、コア抜き検査のスクリーニングなどの用途として有望であると考えている。

2. 測定装置

図2

装置の構成は、図 1 に示すようにプローブヘッド（センサー部分）と制御ボックス、パソコンかプローブヘッドの図

制御ボックスには分光器とカウンタ、ハロゲンら構成される。

ランプ用電源が内蔵されている。コンクリート表

プローブヘッドの拡大図を図 2 に示す。プロー面を反射した光は光ファイバを通して分光器に送ブヘッドは太陽光など外乱光が入らないように箱られ、分光スペクトルが走行距離のカウント値とになっており、内部に近赤外光を照射するハロゲ一緒にノートパソコンに保存される。ノートパソ

ンランプと対象コンクリート表面から反射した光コンには、本装置の制御、データの保管、濃度計を受光する光ファイバの端面が設置されている。

算を行うための専用ソフトウェアがインストール

測定対象コンクリート表面に密着させて走査できしてあり、分光器の設定、測定開始終了などの制るように車輪がついている。車輪にはエンコーダ

御はパソコンで行う。

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IIC REVIEW/2011/10. No.46

測定中は、5cm 間隔でスペクトルを採取するよ条件

塩化物イオン濃度：

6 種類（0、1、3、5、うに設定している。1 個のスペクトルから対象成10、20kg/m3）分の濃度が求められる。プローブヘッドを走査す

水

セメント比：

3 種類

れば、移動したライン上の濃度分布が計測できる。

中性化促進日数：

3 種類

本装置は、1 つのスペクトルの採取から保存までに約 0.05 秒ほどであり、1m を最速で約 1 秒程度の速度で走査することができる。ラインの長さは、パソコンの保存できる範囲まで可能だが、データ処理の効率を考えると 10m 程度が限度である。

図4

コンクリート試験片の計測

各試験片は、化学分析にて塩化物イオン濃度、炭酸カルシウム濃度を計測した。
採取したスペクトルを用いてケモメトリックス法で検量線を作成した。図 5 は、横軸は化学分

図3

ライン上の測定析法で得られた塩化物イオン濃度、縦軸は近赤外
線スペクトルから計算で得られた塩化物イオン濃また、並んだ複数ラインを計測して、面的な濃度である。プロットの■▲●は、中性化促進日数度分布を計測することができる。プローブヘッドの違いである。■は硬化直後のコンクリート試験の幅が約 100mm なので、通常は 100mm 間隔でラ片。▲は中性化促進 2 週間、●は中性化促進 13

インを走査する。測定面の格子状の各区画で濃度週間の試験片である。中性化促進日数が長くなるが算出されるので、これより等高線図（コンターと、コンクリートが中性化して、コンクリート主マップ）が作成できる。

成 分 の Ca(OH) 2 が CaCO3 に 変 化 し て い く た め、橋梁の形や測定条件にもよるが、標準で 1 日にコンクリート中の水酸化物イオンが減少していく。塩化物イオンの吸収の大きさは、水酸化物イ

200m 程度計測が可能である。
2オンの吸収に影響される。中性化の進行が進むと水酸化イオンの吸収も小さくなり、同時に塩化物

3. 検量線の作成

イオンの吸収の大きさも小さくなるため、一般的

コンクリートの近赤外線吸収スペクトルと塩化な方法だと塩化物イオン濃度は低濃度として算出

物イオン濃度を対応させるために、既知の濃度のされる。しかしケモメトリックス法による計算で試験片を全部で 54 体を製作して、検量線を作成は中性化の進行状況に影響されずに濃度計算できした。図 4 にコンクリート試験片の計測状況をることが示された。
図 6 は、横軸に化学分析法で得られた炭酸カ示す。

—

30—

ルシウムの濃度、縦軸は近赤外線スペクトルから4. 実橋梁の測定

ケモメトリックス法により計算した炭酸カルシウム濃度である。使用した近赤外線スペクトルは塩

北陸地方の海岸に近い橋梁で、本装置を用いて化物イオン濃度を求めたときと同じものである。

塩化物イオン 濃度を計測した。図 7 は床板下部

この結果、横軸の炭酸カルシウム濃度に比例したの測定の例、図 8 は橋脚部の測定の例である。

計算値が得られていることから、近赤外線吸収スペクトルから、炭酸カルシウムの濃度が計算できることが示された。
中性化促進日数と、炭酸カルシウム濃度の関係
は、■の硬化直後のコンクリート試験片では、炭酸カルシウム濃度 4 ～ 6％で、中性化促進 13 週

図7のものが 9 ～ 10％となっている。▲の中性化促

床版下部の計測風景

図8

橋脚部の測定進 1 週間の試験片が、炭酸カルシウムの測定値が10cm 間隔でプローブヘッドを走査してスペク7 ～ 10％とばらついているが、これは水セメントトルデータをパソコンに蓄積する。測定終了後に、比の違いで中性化の速度が違っているためであ専用のソフトウェアで濃度計算を行い、濃度分布る。今回使用のコンクリートの中性化が完了したのコンターマップを作成する。

ときの炭酸カルシウム濃度は 10％程度であると推測される。

プローブヘッド

図5

図9

塩化物イオン濃度の検量線
4.1

測定ラインの例

A橋（PC桁）の計測

A 橋は、海岸に面した 31 径間単純ポステン T桁で、供用 36 年、橋長 991.6m、全幅員 11.25m である。測定は、
A 橋のうち陸上部分の 1 径間（30m）の桁下面と桁側面と床版の一部で実施した。
外観は、飛来塩分や融雪剤の影響を受けているため桁端部に塩害による断面剥離が生じていた。

図6

炭酸カルシウム濃度の検量線

図 10 に本装置による測定結果を示す。最も塩化物—

31—

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4.2 B橋の床板コンクリート部の測定

イオン濃度が高い箇所は 8.44kg/m3 であり、海側から二番目に入った桁下面（図 10 の G5）であった。

B 橋は、海岸より 1km 離れた 2 径間連続箱桁

最大濃度近傍で表面のコンクリートをグライン

お よ び 3 径 間 連 続 鋼 桁 で、 供 用 27 年、 橋 長

ダーで採取して、塩化物イオン濃度を測定した。

264.6m、全幅員 26.0m である。今回は、1 径間（60m）

結果は 6.30kg/m であった。同位置での分光分析の床版下面を計測した。外観は、張出しや桁間にによる結果では、6.80kg/m であり、ほぼ同等の軽微なひび割れが見られるが、大きな損傷は生じ値であった。ていなかった。図 11 に本装置による測定結果を33示す。最も塩化物イオン濃度が高い箇所は 4.76kg/m3 であり、コンクリートの打継ぎ付近であった。
しかし、その箇所以外は 3kg/m3 以下であり、飛来塩分の影響はあまり受けていないことが確認された。A 橋と同様にコア抜きにより塩化物イオン濃度を測定した結果、0.70kg/m3 であった。同位置での分光分析による測定結果では、2.00kg/m3であった。測定値の違いは従来測定法が表面から内部に入った部分の分析であったため、誤差が出たものと考えられる。分光分析による分布のマップは、濃度の高い点の位置、低い点の位置が把握に役立つことがわかった。

図 10A 橋（PC 桁）測定結果

図 11—

B 橋測定結果
32—

5. まとめ

参考文献

近赤外線分光分析法によって、実橋梁のコンク

⑴

金田尚志

マルチスペクトル法によるコンク

リート表面の塩化物イオン濃度分布を、非破壊かリートの劣化物質検出手法の開発、東京大学

つ短時間で計測できることを示すことができた。

学位論文、2004 年 9 月

計測された濃度は、既存の計測手法の値とほぼ一⑵

倉田孝男

戸田勝哉

ケモメトリックス手法

致し、計測方法や計測装置の実用性が検証できた。

を用いた近赤外線小型分光器によるコンク

本装置は構造物全体の劣化傾向の把握、初期診断、リート診断装置開発

コア抜き検査のスクリーニングなどの用途として2008 年 4 月

有望であると考えられる。

⑶

IIC REVIEW

39 巻pp.36-42

戸田勝哉、中村善彦、倉田孝男

分光分析法を用いた非破壊コンクリート診断システムの開 発、 土 木 学 会 第 65 回 年 次 学 術 講 演 会
2010 年

研究開発事業部

基盤技術部

pp.521-522

株式会社 IHI インフラシステム

光応用・プロセスグループ

技術本部次長

戸田 勝哉

倉田 孝男

開発部

博士（工学）

TEL. 03-3769-8604

TEL. 045-759-2121

FAX. 03-3769-8608

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