中性子とマイクロ波を利用したコンクリート
水分量計測法の検証
田中秀樹

福典 †泉田藤田 浩史 ††Inspection of Moisture Measurement Method for a Concrete
Using Neutron and Microwave
Hideki TANAKA

Fukunori IZUMIDA

Hiroshi FUJITA

It is well known that strength and durability of concrete are greatly influenced on a moisture in fresh concrete. Though various types of method have been suggested for measuring
the moisture in the fresh concrete using each neutron or microwave system, independently,
the systematic researches have not be reported. In this study, both neutron and microwave
systems wer used, simultaneously, and the moisture level of the fresh concrete were mesured.
Keywords: Fresh Concrete, Moisture, Non-Destructive Measurement, Neutron, Microwave
フレッシュコンクリートの水分量は、コンクリートの強度および耐久性などに大きな影響をおよぼすことはよく知られている。これを計測する手法として、さまざまな方式が提案されており、本研究で実施する中性子ならびにマイクロ波を利用した水分量計測法もその一つである。
これまで、個々の方式を用いた報告例は多いが、中性子とマイクロ波を相互に体系づけた研究はなされていない。そこで、同じ配合計画のもとに製作したフレッシュコンクリートに対し、中性子とマイクロ波それぞれの手法で水分量を計測し、相互の適用性について検証した。
キーワード: フレッシュコンクリート、水分量、非破壊計測、中性子、マイクロ波

1

まえがき

る水分量を計測できず、作業者の経験に基づいてコフレッシュコンクリートの水分量は、コンクリー

ンクリートの配合比を調節しているのが現状である。

トの強度および耐久性などに大きな影響をおよぼす

また、コンクリートに対する報告であっても、個々ことはよく知られている(1),(2) 。コンクリート製造工の方式ついてのみの提案であり複数の方式を体系づ場ならびに打設現場において、フレッシュコンクリーけた事例はないようである。

トの水分量の定量的な検査が、コンクリート構造物

これまで筆者らは、中性子の水素に対する減速効の品質を確保するためには理想的とされる。しかし、果を利用したセンサ(8) 、ならびに、マイクロ波の誘フレッシュコンクリートの水分量の計測によく用い電率を利用したセンサ(9) を開発し、それぞれ、密封られる手法では、計測方法、計測に要する時間、計容器内のスケール量、米の水分量の計測へ適用可能測精度に問題が残されている。これまでモルタルのであることを実験により明らかにしてきた。本報告

水分量を検査する方法については多くの提案(3)–(7)では各センサの特徴を踏まえたうえで、各センサのがされきたが、フレッシュコンクリートに対する計フレッシュコンクリートの水分量計測への適用性に測を簡単かつ迅速に計測する方法についての報告はついて検討を行った。検証方法として、同じ配合計少ない。したがって、現場ではコンクリートにおけ画のもとに製作したフレッシュコンクリートに対し、各センサを用いた水分量の計測実験を行い、両者を†岩手県工業技術センター, 盛岡市††比較した。また実験結果より各センサの特徴を明ら

中国生コンクリート (株), 広島市かにした。

– 66 –

2
2.1(3) 粗骨材 (砕石、25mm 以下)

計測原理

本実験では減水剤は使用しない。

中性子式

計測対象物の外側に、放射線源 (以下、線源) と放コンクリートの配合は、土木学会コンクリート標

射線検出器 (以下、検出器) を近接させ配置する。線

準示方書に準じ、スランプの範囲 12cm、空気量の範源から放出される中性子は、フレッシュコンクリー

囲 5%、細骨材率 32%を目標値とした。実験で用いト中の水との間で相互作用を生じ減速する。検出器た配合比を表 1 に示す。

は減速した熱中性子を検出し、入射した中性子のエ

表 1 の水分量は、コンクリート総質量に対する水ネルギに比例した電圧パルス信号を発生する。本研の質量を百分率で表わしたものである。

究に用いる線源には、微量 (3.7MBq 以下) の放射性

3.2

同位元素

252

Cf を用い、検出器には熱中性子に感度中性子式による実験

3.2.1

実験方法

図 1 に中性子式の実験構成図を示す。の高い 3 He 比例計数管を使用する。
検出器の後段にはマルチ・チャネル・アナライザ

配合計画では表 1 のように、水分量を 5%から 12%(以下、MCA) を置き、電圧パルスを波高値ごとに分となるよう水と粗骨材を調整した。水セメント比は、別する。この MCA の分別結果より、後方散乱とフ配合計画において水分量と同様に重要な要因である。

レッシュコンクリートの水分量との相関関係を明ら

そこで、本実験では水セメント比を水分量に対し 35%かにし、水分量の推定を可能とする。

から 70%となるように設定した。

2.2

コンクリートを入れる容器はポリプロピレン製で、マイクロ波式

2 台のダブルリジッド・ホーンアンテナ (EMCO

寸法は開口径 140mm、底面径 113mm、高さ 195mm3115) 間に計測対象物を置く。ベクトルネットワーである。検出器には比例計数管を用い、これと線源クアナライザ (HP 8720D) とホーンアンテナとを接とを密着させ、コンクリートを入れた容器側面から続し、一方のホーンアンテナからマイクロ波を照射10mm 離したところに配置した。

し、他方のホーンアンテナで計測対象物からの透過検出器からの出力は入射した放射線エネルギに比波を受信する。マイクロ波において水の減衰係数は
表 1 コンクリートの配合比大きく、水分量と透過波のゲインとの間の相関関係を明らかにすることで水分量を推定することが可能である。なお、受信アンテナには送信アンテナからの直達波や反射波など、計測対象物の透過波以外のマイクロ波も受信される。この不要なマイクロ波を除去するため、タイムドメイン計測を用いて透過波のみの計測を行う。
ここで、マイクロ波の外乱や反射波の影響を極力

水分量 (%)

水セメン
ト比 (%)

567891011123540455055606570

水111127143159
175191207223

単位量 (kg/m3 )セメント 細骨材

318579

粗骨材

1218
1096
1004
932
871
820
775735少なくするため、ホーンアンテナおよび計測対象物はカーボン含浸ウレタン電波吸収体で覆われた電波供試体

線源

無響室に配置する。
検出器

33.1

水分量計測実験

使用材料および配合

実験に用いたコンクリート材料は次のとおりであアンプる。

MCA

コンピュータ(1) 普通ポルトランドセメント
図 1 中性子式の実験構成図(2) 細骨材 (川砂)– 67 –

1400

表 3 コンクリートの配合

Radiation value

1300
1200
1100
1000

水分量 (%)

水セメン
ト比 (%)

7911455055

水229
254
279

単位量 (kg/m3 )セメント 細骨材

509

粗骨材

1607
1390
829

926

900
800

1250
56789
Moisture (%)

1011120012

図 2 後方散乱におよぼすコンクリート中の水分量の影響

Radiation value

700

13001150
11001050
1000
950
900

水分量

解析データ

水分推定値

(%)

ResultCalibration curve850

表 2 中性子式による水分の推定

800

差異

567(%)

89Moisture (%)

101112図 3 水分推定に対する評価

5804.44.5

0.5

6901.46.1-0.1

7991.2

7.6-0.681025.0

8.1-0.1

91062.2

8.80.2101132.6

9.90.1

本実験において、範囲 a, b はそれぞれ 100,300 と111198.0

11.00.0する。また、放射線検出計数時間は 60 秒間とする。

121256.8

12.00.0

3.2.2

R=bXCi(0 ≤ a ≤ m, 0 ≤ b ≤ m)

(2)

i=a

実験結果

コンクリートの水分量を変化させ後方散乱を計測
例した電圧値であるが、入力した電圧は MCA におした結果を図 2 に示す。

いてその値に対応したチャネルと呼ばれるメモリに水分量が増すにしたがい多少のばらつきはあるが、その出現回数を蓄積させた。チャネル数 m の MCA

後方散乱数は 800 から 1250 までほぼ直線的に増大に電圧 E が入力されるとき、チャネル C は次式で表した。

わされる。

次に、カウント数の水分量への回帰直線を求め、

Ci = Ci + 1(1)

これを校正曲線とする。回帰直線を次式とおく。

y = a0 + a1 x

ここで、i = E/m である。

(3)

検出器で放射線を検出すると、全てのチャネル (C0

実験結果から係数 a0 , a1 を求めると、係数はそれぞから Cm まで) にデータが蓄積される。しかし、決れ 60.85, 529.25 であった。また、寄与率は 0.992 とまった計測対象物の計測において、特定のチャネルなりデータの回帰直線への当てはまりがよいことがにデータが蓄積されるという計測特徴が現われるこわかる。このあてはまりを具体的に数値化するため、とが分かっている。そのため、特定のチャネルデー放射線数から校正曲線にしたがって水分量を推定しタを加算し、それを基に認識を行った。この特定チャた。この結果は表 2 であり、表の差異は配合計画にネルの範囲を a, b としたとき、解析データ R は次式おける水分量と推定結果との差を示したものである。

で表わされる。

表において差異は 1%以下となり、高い精度で水分量の推定が可能となることが示された。

– 68 –

前述の実験結果を基に算出した校正曲線の評価のトワークアナライザにより 0.5GHz から 3GHz の周ため、表 3 に示す配合計画でコンクリートを製作し、波数帯域で周波数掃引して周波数スペクトルを測定

本システムを用いた水分量の推定を行った。

し、これをタイムドメインパルス波形に変換した。

前述同様に校正曲線より水分量を推定し、配合計画における水分量との差異を求めた。その結果は図 3

このパルス強度によりコンクリートによる吸収量を評価した。

であり、どの水分量も近似直線の近傍に位置し、水分

図 4 のような透過型での測定の際は、試料を回り量 7,9,11%に対し差異はそれぞれ-0.1,-0.5,0.2 であっ

込む信号も受信されるため、レスポンスのスルー校た。これより、本実験で得た校正曲線においてフレッ正およびアイソレーション校正の組み合わせでネッシュコンクリートの水分量計測が可能であることがトワークアナライザの校正を実施した。レスポンス示された。のスルー校正は空の容器を設置して行った。また、

ところで、全体的に後方散乱数が少ないのは、線12%のフレッシュコンクリートを入れた容器を設置源が半減期を迎え、単位時間に放出する放射線数がしてアイソレーション校正を実施することで、アン減少したためと考えられる。そこで、計測感度の向テナ間のクロストークを補正した。

上として計数時間を増す、また新しい線源を使うこ

なお、試料作成では、配合表の単位量を容器の体とでこの問題が改善されるものと期待される。

積 (4.9L) 当たりの配合量に換算した。

3.33.3.2

3.3.1

マイクロ波式による実験

実験結果

図 5 に 5%から 12%のフレッシュコンクリートで実験方法

本実験で用いたフレッシュコンクリートは水を多測定したタイムドメイン波形を示す。

量に含み、マイクロ波の吸収量が大きいため、でき水分量が減少するにつれ、パルスの強度が大きくるだけ低い周波数帯域を使い、なおかつ透過型の測なった。パルスの強度 (dB) と水分との関係を図 6定としてマイクロ波が試料内を通過する距離をできに示す。5%から 11%の水分量では、水分とパルス強るだけ小さくした。

度との関係はほぼ直線的であった。一方、12%の水

図 4 に本実験の構成図を示す。フレッシュコンク分量は直線から大きく外れた。水分量 12%におけるリートをポリプロピレン製容器 (374 × 274 × 62mm)

パルス強度は約-34dB と非常に小さいため、タイムに入れて発泡スチロール製試料台の上に設置した。フ

ドメイン変換におけるサイドロープの影響が大きくレッシュコンクリートの上部と下部にそれぞれホーなったものと考えられる。

ンアンテナを設置し、ネットワークアナライザによ5%から 11%の実験結果と式 (3) より回帰直線を求めた結果を図 6 中に示す。また、この回帰直線を用りマイクロ波の吸収量の測定を行った。
マイクロ波は試料下部のアンテナより送信され、いてパルス強度から推定した水分量、および配合設試料上部のアンテナで受信される。測定では、ネッ計上の水分量との差異を表 4 に示す。これより、水図 4 マイクロ波式の実験構成図

図 5 タイムドメイン波形– 69 –

• タイムドメイン法により、計測対象物以外からの乱反射をある程度除外可能• リアルタイム計測が可能• 安価で小型化の可能性がある[マイクロ波式の短所]• 水分量の少ない方が精度が良い• 計測機器が高価• 電波法への抵触の問題を有する• 計測対象物の大きさは波長以上であること

図 6 水分量とパルス強度の関係• 計測対象物の厚さは均一であること• 外乱により計測値がばらつく

表 4 マイクロ波式による水分の推定
水分量

パルス強度

水分推定値(%)

(dB)

(%)

低水分量の計測にはマイクロ波式、高水分量には差異

中性子式と、水分量により計測方法を切り替えるこ

5-2.589

4.80.2とで、精度の高い計測が可能であることを示した。

6-5.833

5.90.1

ここで、計測時間に着目すると、入射放射線数を7-8.651

6.80.2

計数する中性子式は計測に時間がかかるためリアル

8-14.015

8.6-0.6

タイム処理には向かない。一方、マイクロ波式は数9-15.510

9.1-0.1秒で計測結果が得られる。しかし、インプロセス計

10-18.431

10.1-0.1

測に着目すると、これとは異なる結果となった。中11-19.962

10.60.4性子式では遮蔽物がある場合でも内容物の水分量を12-33.326

15.0-3.0

計測でき、計測時間が経過すれば計測結果のデータを出力できる。マイクロ波式では試料の大きさ、厚分量 11%以下のフレッシュコンクリートでは 1%以さ、位置、形状などの影響を受け、また、遮蔽物のあ下の誤差で水分量を推定できることが示された。

る場合には計測できないといった短所がある。このため、コンクリートを形状の等しい容器に移し換え、4考察

これを計測しなければならず、インプロセス計測の中性子、マイクロ波を利用したフレッシュコンク実施には問題がある。このように、インプロセス計

リート水分量計測方法において、本研究により得ら測では、装置が高価であることを除外すれば、遮蔽れた各手法の特徴を次に示す。

物のある場合でも計測可能となる中性子式が適していると考えられる。

中性子による計測法の特徴を述べる。

[中性子式の長所]
5• 金属などの遮蔽物のある場所でも計測可能

むすび

同配合条件のフレッシュコンクリートの水分量計• 水分量の多い方が精度が良い

測を中性子式およびマイクロ波式で実施した。その[中性子式の短所]• 計測に時間がかかる (30 秒から 60 秒)

結果、中性子式において水分量と後方散乱の間に、• 線源の半減期が短い (2.5 年)

またマイクロ波式において水分量とタイムドメイン• 線源・計測装置が高価

パルス強度の間に直線的な強い相関があることを示• 計測ごとのばらつきが大きいした。このことから本手法を用いることで、コンク• 計測装置の小型化が困難

リート製造現場や打設現場においてコンクリートの次に、マイクロ波の場合の特徴を述べる。

水分量計測が可能であることを明らかにした。また、計測時間に着目する場合にはマイクロ波式、オンラ[マイクロ波式の長所]

イン計測においては中性子式が適しているとの知見– 70 –

を得た。
謝 辞本研究の一部は、中小企業技術開発産学官連携促進事業 (中小企業庁補助金) のもとで実施した。
記して関係各位に感謝の意を表する。
参考文献(1) 河野清, 田澤栄一, 門司唱, 新しいコンクリート工学, 朝倉書店, 1987.

(2) 戸祭邦之, コンクリートの実務, 理工図書, 2000.
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究論文誌, vol.5, no.1, pp.9–13, 1996.

(6) 瀬古繁喜, 田村博, 鈴木一雄, 熊原義文, “Ri 水分計を用いたポンプ配管中のコンクリートの水量連続モニタリング,” コンクリート工学年次論文
報告集, vol.20, no.1, pp.125–130, 1998.

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クリート単位水量管理への適用,” コンクリート
工学年次論文報告集, vol.20, no.1, pp.119–124,1998.
(8) 田中秀樹, “光切断法による細管内面の損傷計測(第 2 報),” 広島市工業技術センター年報, vol.14,pp.64–70, 2000.
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