JCMA コンクリート構造物の補修・補強に関するフォーラム 2024

2050年に向けたコンクリート構造物の維持管理技術のイノベーション～ 非破壊検査技術を中心として ～大阪大学大学院 工学研究科 鎌田 敏郎

国土審議会： 「国土の長期展望」
中間とりまとめ（R2.10）

私は、1962年生まれで「現在61歳」です。このまま運良く生き永らえていれば、2050年には「88歳（米寿）」ですので、まだ、「これからの日本の将来のために、皆さんが頑張ってください！」 と無責任に言える立場でもありません。
そこで本日は、コンクリート構造物の維持管理技術に地道なイノベーションを起こすことで、我が国における人口減少の課題に少しでも貢献すべく、非破壊検査技術を中心として、①内部可視化による構造物の診断技術の向上②デジタルツインによる構造物診断手法の高度化③検査ロボットを適用した構造物点検の効率化④環境モニタリングを駆使した構造物劣化予測の高度化

①内部可視化による構造物の診断技術の向上②デジタルツインによる構造物診断手法の高度化③検査ロボットを適用した構造物点検の効率化④環境モニタリングを駆使した構造物劣化予測の高度化

内部可視化による構造物の診断技術の向上

日本コンクリート工学会(JCI)イノベーション戦略委員会報告書(2020.10)：「未来を守る・変える・創るコンクリートイノベーション」より

内部可視化の波及効果
・未解明の劣化のメカニズムや破壊のプロセスを明らかにできる可能性が高まる。
・これまで表面からの目視では確認の難しかった内部の潜在的な欠陥を発見できることから，第3者被害などの大幅な低減に役立ち，より安全・安心な社会の実現につながる。
・少子高齢化・人口減少の加速する我が国において，可視化技術の実現は，AIなどの援用により，専門技術者からの技術伝承や生産性向上・省力化に役立つ。
・可視化技術の向上により，構造物の置かれている状況を財務担当者や一般市民に説明することが容易となり，メンテナンスにお金を投じる必要性・重要性について理解が得られることになり，予算の確保などに役立つ。

内部可視化へ向けたイノベーションの進展の方向性（そのために必要な3つの要素）

たとえば、ＰＣグラウト充填不足による変状に対して横締めＰＣ鋼棒の破断

鉛直締めＰＣ鋼棒の破断

グラウト未充填箇所を非破壊で的確に検出したい

シースに沿ったひび割れ，エフロレッセンス

PCグラウト充填状況の非破壊評価方法として、評価原理が明解な手法の一つにインパクトエコー法がある。これは、コンクリートを直接叩いて弾性波で診る方法であり、適用実績も豊富である。

コンクリートf

充填

板厚

0 10 20 30 40 50 60ｄ

シース
PC鋼材

空隙
Ｔf

板厚

f

未充填
空隙

0 10 20 30 40 50 60

周波数（kHz）

ただし、シース径が小さくかぶりが大きい場合、あるいは、コンクリートにひび割れがある場合など、評価が難しくなる場合もある。

課題解決のためのイノベーションの例
電磁パルスにより非接触でシースを加振装置

さらに、電磁場応答センサで非接触での信号受信を可能に！
パルス電流発生装置
波形記録装置

励磁電流センサ

励磁コイル

センサにてコンクリートには非接触で検出
コンクリート磁場
電磁場応答

シースの振動が電磁場応答として伝播

シース
衝撃（電磁力）磁場によりシースに電磁力が発生

超音波エコーによるイメージングの事例
1 ch = 3 cm

10.5 cm21 cm

・3×8＝24の超音波センサを用いて、反射エコーの状況を可視化・ドライカップリング（接触媒質不要）により検査の迅速化が可能
12

未充填箇所が可視化可能
Ultrasound Pulse Echo (Pundit)

未充填
未充填
充填
充填
13

「内部可視化による構造物調査」に関する技術のロードマップ

①内部可視化による構造物の診断技術の向上②デジタルツインによる構造物診断手法の高度化③検査ロボットを適用した構造物点検の効率化④環境モニタリングを駆使した構造物劣化予測の高度化

デジタルツインによる構造物群の維持管理の高度化(構造物群全体でのバランスの取れた維持管理計画の立案)

たとえば、サイバー空間で構造物間で補修の優先度を比較

NEXCO, 阪神高速等
大規模更新・大規模修繕事業（NEXCO3社：床版取替のみで1.65兆円）

これは、叩いても、耳で聞く「音」ではわかりません！

舗装
増厚

既設
床版

対象とする水平ひび割れ

RC床版上面を叩いた時の弾性波の伝播の様子
水平ひび割れがある場合

インパクトエコー法(版厚: T, 欠陥深さ: d, コンクリートの弾性波伝播速度：Cp)
(d)

(a)

dT

(b )

(e )
td
voltage

VoltagetT

0

T im e ,  s

f T = 1 /t T2048(c )Amplitude

AmplitudefT = Cp/(2T)040
F req u en cy, k H z

0fT

T im e ,  sfT

f d = 1 /t d

fd = Cp/(2d)

02048
(f)

40
F req u en cy, k H z

しかし、ただ“叩けば良い”という訳ではない！

センサ

鋼球

鋼球直径により弾性波の周波数範囲が変化

したがって、見たいピーク周波数の大きさに合わせて鋼球直径をコントロールする必要あり

Amplitude

加速度センサf max＝291 / D
入力弾性波の上限周波数 (Hz)鋼球
Frequency鋼球直径D（mm）

4.0

6.4

11.0

上限周波数（kHz）

72.7

45.4

26.4

供試体を叩いて波形を取ってみよう！

1800mm

1800mm人工欠陥

人工欠陥の配置状況（フィジカル空間で、いろいろと試すのは大変！）

Ø400

Ø250

Ø200

Ø200

Ø250

Ø400

Ø400

Ø250

Ø200

単位：[mm]

100mm

130mm

250mm

280mm

深さ方向の人工欠陥の配置

水平ひび割れアスファルト舗装
増厚コンクリート

人工欠陥

既設コンクリート

鉄筋欠陥検出に適した鋼球直径の選定
欠陥なし（版厚280mm）

欠陥あり（深さ100mm）
f欠陥

0

鋼球直径
6.4mm
01020
周波数 (kHz)01020
周波数 (kHz)

鋼球直径
11.0mm301020
周波数 (kHz)

30

f欠陥

030

f 版厚

スペクトル強度鋼球直径11.0mm

30f 版厚スペクトル強度

鋼球直径
6.4mm

1020
周波数 (kHz)

スペクトル強度0スペクトル強度鋼球直径4.0mm

1020周波数 (kHz)30f欠陥スペクトル強度

鋼球直径
4.0mm

スペクトル強度f 版厚01020周波数 (kHz)30しかし、実際の道路橋RC床版では・・・
供試体での実験結果のように、必ずしも理想的なピークを得るのが容易ではない場合もある！
計測ごとに試行錯誤を繰り返して，①入力のための鋼球直径，②弾性波の受信方法／位置，などを決定するのは非効率的／信頼性にも問題

叩いて入力した
弾性波の特徴コンクリート中での散乱（骨材界面、微小空隙、鉄筋界面など）等による減衰の影響を受けにくく、伝播距離を長くすることができる。

超音波の場合は難しい
コンクリート中での波の伝播シミュレーションが活用可能（デジタルツインの活用が可能）

左右両者はデジタルツイン【実際の計測】スペクトル強度スペクトル強度

欠陥深さ130mm

スペクトル強度

01020周波数 (kHz)30ｆｄ01020周波数 (kHz)01020周波数(kHz)3001020周波数(kHz)30

スペクトル強度

欠陥深さ100mm【モデルでの計算結果】

30ｆｄ

【ケーススタディ】 実橋から切り出したRC床版（フィジカル空間）

6400mm
2000mm320mm
床版全厚： 320mm
アスファルト： 60mm
コンクリート： 260mm

サイバー空間において→ ２つのモデルの両方で有意なピークが得られる測定条件（鋼球直径，入力／出力間距離）を絞り込む。
①水平ひび割れがないモデル（健全モデル）2000mm：叩く位置
2000mm
アスファルト（60mm）
コンクリート（260mm）

320mm②最も浅い位置に水平ひび割れがあるモデル
2000mm（代表欠陥モデル）
320mm

2000mm鋼球で叩いた入力波の設定
荷重（Ｎ）

鋼球直径に応じて赤矢印部分の大きさを変化

m 2 gH
Fmax 0.637Tc

F max

m ：鋼球の質量（kg）
g ：重力加速度（m/s）
H ：鋼球の落下高さ（m）
Tc ：鋼球の接触時間（s）

Tc  0 . 0043 D
D ：鋼球直径（m）

0Tc

継続時間（µｓ）

弾性波伝播シミュレーションの実行（鋼球直径： 3, 6, 12mm／入力・出力間距離： 20, 50, 80mm）①健全モデル②代表欠陥モデル

A. 鋼球直径の選定（いずれも解析結果）①健全モデル

0102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

40

amplitude
スペクトル強度鋼球直径：12mm

スペクトル強度
amplitude

鋼球直径：6mm

amplitude
スペクトル強度鋼球直径：3mm0102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

040

102030frequency(kHz)
周波数（kHz）

40②代表欠陥モデル

0102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

40

スペクトル強度
amplitude

鋼球直径：12mm

スペクトル強度
amplitude

鋼球直径：6mm

スペクトル強度
amplitude

鋼球直径：3mm0102030
frequency(kHz)

周波数（kHz）

40

0102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

40

B. 弾性波の入力位置から受信位置までの距離の選定（いずれも解析結果）①健全モデル
20mm

80mm

0102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

40

スペクトル強度
amplitude

amplitude
スペクトル強度

amplitude
スペクトル強度50mm

0102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

40

0102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

40②代表欠陥モデル
50mm

0102030
frequency(kHz)

周波数（kHz）

40

amplitude
スペクトル強度80mm

amplitude
スペクトル強度

amplitude
スペクトル強度20mm

0102030
frequency(kHz)

周波数（kHz）

40

0102030
frequency(kHz)

周波数（kHz）

40

直径6mm, 入力－受信点間距離50mmでの推定結果の検証
舗装表面
amplitude
スペクトル強度

推定結果：
水平ひび割れあり（深さ125mm）

01020
frequency(kHz)
周波数（ｋHz）

30

水平ひび割れ120mm
底面

デジタルツインを援用したコンクリート内部欠陥の評価手法
サイバー空間フィジカル空間①内部可視化による構造物の診断技術の向上②デジタルツインによる構造物診断手法の高度化③検査ロボットを適用した構造物点検の効率化④環境モニタリングを駆使した構造物劣化予測の高度化

検査対象:トンネル覆工コンクリート
表面を打撃して、表面振動を直接受信する方法（打音ではありません。）
振動データ取得

受信センサ
振幅で評価

欠陥
打撃
コンク
リート
覆工

打撃装置
移動方向

JR東海提供ローラー型振動センサと波形判定ソフトを内蔵したコンクリート表層部の健全性評価システム

人の判断によらない客観的（定量的）評価
点検の自動化トンネル検査ロボットの構成
ロボットアーム
接触式検査装置
レーザ測量機
制御盤

コンプレッサ発電機
リフトテーブルベース車:大型トラック

検査箇所に大型トラックで移動し、そのまま検査が可能
JR東海提供内壁と本装置の位置関係や壁面の状態（ばらつき）を把握

壁面を打撃する前に、レーザ測量機によるトンネル内壁を自動計測JR東海提供

検査結果の可視化
変状の可能性:低検査範囲

コンクリート
内壁模擬欠陥
変状と判定

模擬欠陥

模擬欠陥
大きさ:500mm×250mm
深さ:25mm～40mm

変状の可能性:高〈検査結果〉

JR東海提供①内部可視化による構造物の診断技術の向上②デジタルツインによる構造物診断手法の高度化③検査ロボットを適用した構造物点検の効率化④環境モニタリングを駆使した構造物劣化予測の高度化

下水道コンクリート施設の硫酸腐食の劣化予測のためのpHモニタリング

硫黄酸化細菌
H2SO4
H2 S

H2 S

H2SO4

H2S H2SO4H
S
H2SO4硫化水素が管路内の水面より上部で2
H2S
H2S 硫酸を生成

表面水分に溶け込む
硫酸劣化が生じる

H2SO4

H2 S

SO42-

H2S

SO42-

硫酸還元細菌

H2SO4

32

大阪市内の各所でマンホール内の環境を調査

128 2726

大阪大学・日本建築総合試験所
パシフィックコンサルタンツ・大阪市の共同研究

293839404523GBRC

63132

地域別内訳
北 区 2箇所
福島区 1箇所
中央区 28箇所
西 区 8箇所
港 区 3箇所
計42箇所

24 25302221337201718 193534

916101112363715
予1,214138大阪市内の実態は？
pHとSO42-濃度の関係
10

表面水

抽出水

人工水滴

←劣化環境の目安(土木学会)

9

中性～強酸性に広く分布0.2%に相当する又は上回る環境が多く存在

87

コンクリートは様々な環境に曝されている
極めて厳しい環境条件

pH

6543

pH：0.4SO42-：5.24％

210

硫酸に含まれるSO42-の理論濃度↑

0 0.1 0.2
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11

SO42-濃度(％)

23456

SO42-濃度に加えてpHはどの程度の影響があるのか？
pH1硫酸

側面はシール

2×2×4cm

SO42-濃度
pH6pH3pH2pH1「硫酸イオン濃度」はもちろん、「pH」の影響も大きい！

表-1 pH 測定精度の確認に用いた溶液 溶液の pH 溶液の種類 10.01 炭酸塩 pH 標準液（第 2 種） 09.18 ほう酸塩 pH 標準液（第 2 種） 07.41 りん酸塩 pH 標準液（第 2種） 06.86 中性りん酸塩 pH 標準液（第 2 種） 04.01 フタル酸塩 pH 標準液（第 2 種）
01.68 しゅう酸塩 pH 標準液（第 2 種）クラウドサーバ

データ通信装置
微小信号増幅アンプ＋極－極Ｗ線参照電極
pHセンサ

ＰＣ・スマホ57pH等と劣化の関係

侵食シミュレーション
構造性能シミュレーション

５年以内に改修を要する。
１０年以内に補修を要する。
緊急の対策は必要なし。