光ファイバセンサによるコンクリートの凍害劣化モニタリング
Frost Deterioration Monitoring of Concrete using Optical Fiber Sensor○早野 博幸 *1，城出 真弥 *2，関根 麻里子*3
Hiroyuki Hayano＊1, Shinya Shirode＊2 and Mariko Sekine＊3*1 太平洋セメント株式会社 中央研究所 第 2 研究部 インフラ保全技術チーム リーダー

博士(工学)

Manager, Infrastructure Management Technology Team, DepartmentⅡ, R&D, Taiheiyo Cement Corporation, Ph.D.
*2 太平洋セメント株式会社 中央研究所 第 2 研究部 インフラ保全技術チーム 研究員
Researcher, Infrastructure Management Technology Team, DepartmentⅡ, R&D, Taiheiyo Cement Corporation
キーワード：センシング; モニタリング; 光ファイバセンサ; コンクリート; 凍害劣化
Keywords: sensing; monitoring; optical fiber sensor; concrete; frost deterioration1. はじめに
近年のインフラ老朽化の顕在化に伴い，予防保全を目に設置しても異物感がなく，コンクリート強度の低下など悪影響を及ぼすことなく連続計測ができる。

的とした構造物のモニタリングに関する研究開発が盛んに行われている。構造物に関する点検・モニタリング・

2.2. 試験体概要

診断技術の研究開発から社会実装に至るまでの検討が行

試験体の概要を Figure 1 に示す。光ファイバの FBG セ

われ，インフラ構造物のモニタリングの重要性が認識さンサ部が φ100×200mm の試験体の中心に位置するようれている。に配置し，W/C60%のコンクリート試験体を作製した。

コンクリート構造物の劣化の多くはひずみの変化に表

また，温度変化による光ファイバ自体のひずみ変化をキれ，そのひずみをモニタリングすることで劣化状況を把ャンセルするために，温度計測用の試験体も作製した。

握することができる。筆者らは光ファイバセンサを利用

試験水準は，Table 1 に示すようにコンクリートの空気量し，RC 構造物の腐食ひび割れの直接的要因である鉄筋が 1.3，3.0，4.8％の 3 水準とした。の腐食膨張を連続的に捉えることにより，鉄筋腐食の発Optical fiber cable

生～進展～腐食ひび割れ発生をモニタリング可能な技術

5050を開発した 1)。現在は，光ファイバセンサを用いたコンクリート構造物の凍害劣化モニタリングを視野に入れた

100FBG sensor

研究を行っており，本報では，コンクリートの凍結融解試験による実験的検討を行った結果について報告する。
1002. 実験概要
2.1. 光ファイバセンサ(mm)Figure 1. Optical fiber sensor and concrete specimen

光ファイバセンサの特長としては，光信号を利用しているため長距離伝送が容易，外部の電磁ノイズによる影挙げられる。本検討では数ある光ファイバセンサの中かTable 1. Outline of specimens
Specimen
Air content (%)
Number of specimens
1.32Air_1.3

ら FBG センサ 2)を選定し，コンクリート中におけるひずAir_3.0

3.03

みのモニタリングが可能となる仕様にして実験に用いた。

Air_4.8

4.82

響がない，１本の光ファイバで多点計測が可能，などが測定原理は，光ファイバケーブルの一部に回折格子が形成されたセンサ部において，外力や温度変化によって

2.3. 凍結融解試験

回折格子間距離が変わることで，それに応じた反射光の凍結融解試験は JIS A 1148 A 法に準拠し，凍結融解試波長変化を物理量としてひずみに変換する仕組みを利用験槽を用いて実施した。測定項目については，所定のサしている。光ファイバセンサは，Figure 1 に示すようにイクルごとに一次共鳴振動数による相対動弾性係数およ直径が約 150μm と極めて細いため，コンクリート内部び試験体の質量を測定し，光ファイバセンサによるひず日本建築学会情報システム技術委員会
第 42 回情報･システム･利用･技術シンポジウム論文集， 280-283 ， 2019 年 12 月，東京
Proceedings of the 42nd Symposium on Computer Technology of Information ，Systems and Applications ， AIJ ， 280-283 ， Dec. ， 2019 ， Tokyo－ 280 －みは常時モニタリングした。また，それぞれの測定は同ンクリート試験体全体の融解時における長さ変化をダイ一の試験体を利用した。

ヤルゲージで測定し，凍害による劣化損傷の指標としている。本検討では，コンクリート内部に光ファイバセン

3. 実験結果および考察サを設置しているが，光ファイバセンサとコンクリート3.1. 光ファイバセンサによるひずみ挙動と相対動弾性係は完全に付着して一体となっており，コンクリートの温数の関係度変化に伴う挙動や，凍害による劣化損傷をひずみとし空気量 1.3%のコンクリートの各凍結融解サイクルでて捉えていることが確認できる。また，光ファイバセン計測した試験体の温度－ひずみ曲線（ヒステリシスルー

サでモニタリングした残留ひずみは，内部の微細なひびプ）を Figure 2 に示す。なお，凍結融解試験の温度管理割れに起因するものであると考えられるため，これを凍用試験体は 10×10×40cm の角柱試験体としたため，本害劣化の評価指標として検討を行った。

検討のφ10×20cm 試験体の融解時温度がやや低くなっ空気量 3.0%のコンクリートの残留ひずみと相対動弾たが，各試験体は完全に融解していたことを確認した。

性係数の試験体 3 体の結果を Figure 3 に示す。図より，2凍結融解サイクルが進むことで残留ひずみが徐々に増加3するとともに，相対動弾性係数の低下が認められた。

0-100-200-300-20-15-10-50
Temperature in specimen (℃)

201000

21522

①100

②③80

4000
3000

Relative dynamicmodulus of elasticity

60200040100020

Residual strain
0600
90000

Residual strain (μ)

Strain (μ)

100Relative dynamic modulus of elasticity (%)

1200300Cycles

Strain (μ)

Figure 3. Relative dynamic modulus of elasticity and Residual
800

strain of specimen (Air_3.0)600

空気量 1.3%のコンクリートにおける残留ひずみと相対動弾性係数の結果を Figure 4 に示す。本試験体では早期のサイクルで劣化損傷したため，その過程において相400対動弾性係数の測定ができていない試験体もあるが，空気量 3.0%と同様に残留ひずみの増加に伴って相対動弾

200-20-15-10-50
Temperature in specimen (℃)

5Figure 2. Hysteresis loop of specimen (Air_1.3)

性係数が低下した。また，試験体②では残留ひずみが4000μ程度を示した後に急激に低下した。これは，Figure5 に示すようにコンクリートが破断したことによって，コンクリートと光ファイバセンサの一部付着が喪失した

図の上側に示す健全なコンクリートにおいては，光フものと考えられる。

ァイバセンサのひずみは凍結融解 1 サイクル目ではコン凍結融解試験を実施した全試験体の残留ひずみと相対クリート自体の吸水膨張の影響により融解後のひずみが動弾性係数の関係を Figure 6 に示す。相対動弾性係数は，若干増加傾向を示すが，2 および 3 サイクル目ではほぼJIS A 1148 において測定値が有効と考えられる 50％以原位置に戻るために残留ひずみはほとんど生じない。一上の試験体を対象とした。光ファイバセンサを用いて計方，図の下側に示すように，多くの凍結融解サイクルを測した残留ひずみと相対動弾性係数の関係に一定の相関受けて劣化損傷が生じると融解時のひずみが原位置に戻があることが認められ,相対動弾性係数 60％で残留ひずらずに増加していくため，残留ひずみが生じてヒステリみは 1000μ程度を示すと考えられる。既往の研究 3)でコシスループが徐々に上方へ移動することがわかる。これ

ンクリート試験体の融解時の凍伸度（残留ひずみ）をダらの現象は既往の研究 3)においても確認されており，コイヤルゲージで計測した場合においても，残留ひずみが報告 H20－ 281 －1000μ程度で相対動弾性係数が 60％程度となっており，3.2. 光ファイバセンサで測定したヒステリシスループの光ファイバセンサによって計測した残留ひずみの値は妥

特徴
光ファイバセンサを用いて測定したひずみのヒステリシスループの挙動から，コンクリートの劣化性状につい100②とに特徴的なヒステリシスループの挙動を Figure 7 に示

Relative dynamicmodulus of elasticity

80ての検討を行った。劣化の指標である相対動弾性係数ご

5000
4000

603000402000201000Residual strain

000204060Cycles

80100す。

100
Relative dynamic modulus ofelasticity : more than 90％

0Strain (μ)①

Residual strain (μ)

Relative dynamic modulus of elasticity (%)

当であるといえる。

-100-200

Figure 4. Relative dynamic modulus of elasticity and Residualstrain of specimen (Air_1.3)

-300
-20

Optical fiber sensor-15-10-5
Temperature in specimen (℃)

0650
Relative dynamic modulus
of elasticity：about 80％

Strain (μ)

600
550
500
450
Figure 5. Optical fiber sensor in specimen (Air_1.3)

400-20-15-10-5
Temperature in specimen (℃)

2000

1250

1500

1200
1000

Strain (μ)

Residual strain (μ)

y = -23.98x + 2473.5
R² = 0.846500

0Relative dynamic modulusof elasticity：about 60％

1150
11001050

01009080706050
Relative dynamic modulus of elasticity (%)

Figure 6. Residual strain vs. Relative dynamic modulus of

1000-20-15-10-5
Temperature in specimen (℃)

0elasticity

報告 H20－ 282 －きることを明らかにした。また，ヒステリシスループの2000挙動から，内部の劣化程度が推定できる可能性を示した。
光ファイバセンサによる実構造物でのモニタリングはStrain (μ)

1800

まだそれほど多くはない。筆者らは既往の研究 1)で開発した光ファイバセンサを用いた鉄筋腐食膨張モニタリン

1600

グの実証実験を Figure 8 のように実施している。補修後における補修効果の検証を想定したものある。短い鉄筋

1400に光ファイバセンサをらせん状に巻き付け，モルタル被Relative dynamic modulus
of elasticity：less than 60％

覆した小型センサをはつり部に設置し，鉄筋の腐食に伴う膨張挙動をモニタリングしている。今後，様々なセン

1200-20-15-10-5
Temperature in specimen (℃)

0

シング・モニタリング技術の実構造物における有効性の検証が望まれる。

Figure 7. Characteristic hysteresis loop of specimens
相対動弾性係数 90%以上，あるいはサイクル初期の健
全なコンクリートは，凍結過程で収縮ひずみ，融解過程で膨張ひずみが生じている。これは，コンクリートの線膨張係数に基づいた温度変化による収縮・膨張ひずみが支配的であることが要因である。一方で，凍害劣化が進行した相対動弾性係数 80%程度になると，凍結直後に膨張ひずみが生じることが確認された。さらに，劣化が進んだ相対動弾性係数 60%程度では凍結に伴う膨張挙動が大きくなり，最終的に 60%を下回ると凍結過程全体で膨張ひずみ，融解過程で収縮ひずみが生じ，健全時と逆の挙動が生じている。これは，劣化の進行に伴う内部損
傷とともに凍結可能水が増加し，凍結過程ではコンクリートの温度変化による収縮ひずみを上回る膨張ひずみが生じているためと考えられる。したがって，内部では大きく劣化が進行していることが予想され，これらのヒステリシスループの挙動から，劣化の程度を推定できる可能性を示すものである。
光ファイバセンサは，センサ部でコンクリートとの付着をなくすことによって温度センサとしても有効である
ことから，温度ひずみをキャンセルすることも容易である。コンクリートひずみは埋め込み型ひずみ計でも計測可能であるが，光ファイバセンサの特長である髪の毛ほFigure 8. Verification experiment using optical Fiber Sensors

どの極細径のためコンクリート性状への悪影響が小さい
ことや，電気式と異なり多点・長距離計測が可能であることなどを考慮すると，実構造物のモニタリングという観点からは利便性が高いと考えられる。
4. まとめ本研究では，光ファイバセンサによるコンクリートの凍害劣化評価について実験的検討を行った。その結果，光ファイバセンサを用いて凍結融解過程におけるコンクリートのひずみをモニタリングすることが可能で，融解［参考文献］
1） 早野博幸，井坂幸俊，吉田愛，江里口玲：光ファイバセン
シングによる鋼材の腐食膨張挙動に関する研究，コンクリ
ート工学年次論文集，Vol.38，pp.1206-1211，2016.7
2） Alan D. Kersey et al：Fiber Grating Sensors，JOURNAL OF
LIGHTWAVE TECHNOLOGY，Vol.15，No.8，pp.1442-1463，
1997.83）洪悦郎，鎌田英治：コンクリートの凍害と初期凍害－そのメカニズムについて－，コンクリート工学，Vol.16，No.5，
pp.1-11，1978時の残留ひずみより，コンクリートの凍害劣化が評価で

報告 H20－ 283 －