一般財団法人新潟県建設技術センター研究助成事業報告書

令和 2 年 3 月

新潟大学自然科学系（農学部）
鈴木哲也

1．概要
本報告書は，一般財団法人新潟県建設技術センター令和元年度研究助成事業に係わる研究成果を取りまとめたものである．
1-1. 申請課題名
弾性波計測によるコンクリート構造物の損傷度診断法の開発～弾性波を用いた圧縮強度試験の高度化によるコンクリート損傷度診断～
1-2. 申請者
新潟大学自然科学系（農学部） 教授 鈴木哲也
1-3. 研究目的
本申請は，弾性波計測と画像解析を組み合わせたコンクリート損傷度評価法の開発を提案することを目的とする。特に新潟県建設技術センターなどにおいて頻繁に行われている圧縮強度試験に開発手法を適用し，一般的に行われている圧縮強度試験でコンクリート損傷度を定量的に評価診断する検査手法を開発する。
1-4. 研究成果
本申請課題に関連する研究成果を以下に列挙する．
（1） 論文1） Tetsuya Suzuki, Saki Nishimura, Yuma Shimamoto, Tomoki Shiotani and Masayasu Ohtsu: Damage Estimation ofConcrete Canal due to Freeze and Thawed Effects by Acoustic Emission and X-ray CT Methods, Constructions andBuilding Material, 2020 (accepted).
2） 鈴木哲也，島本由麻：鉄筋コンクリート表層に発達した欠陥の非破壊検出に関する基礎的研究，農業農村工学会論文集，2019（掲載可）
3） 鈴木哲也，島本由麻，西田浩之，大嶋雅光：ひび割れ損傷の顕在化した補修コンクリート水路橋の実態評価，コンクリート工学年次論文集，Vol. 41, No.2, pp. 1345-1350, 2019.
4） Tetsuya Suzuki and Yuma Shimamoto: On-site damage evaluation of cracked irrigation infrastructure by acousticemission and related non-destructive elastic wave method, Paddy and Water Environment, Vol. 17, No.3, pp. 315-321,2019.

（2） 口頭発表
1） 野村麻由子，島本由麻，鈴木哲也：弾性波エネルギを指標としたコンクリート損傷度評価法の開発，平成 31
年度農業農村工学会講演会講演要旨集，CD-R，2019.
2） 島本由麻，鈴木哲也，馬場光久，杉浦俊弘：X 線 CT 法によるひび割れ損傷状況の可視化・定量化，平成 31
年度農業農村工学会講演会講演要旨集，CD-R，2019.
3） 島本由麻，鈴木哲也，馬場光久，杉浦俊弘：機械学習を活用した X 線 CT 画像処理によるひび割れ損傷の抽出，平成 31 年度農業農村工学会講演会講演要旨集，CD-R，2019.
4） Shimamoto, Y. and Suzuki, T.: Use of X-ray CT and Elastic Wave Method for Evaluation of Cracking Damage in ServiceStructure, the 14th International Symposium on Advanced Science and Technology in Experimental Mechanics,November 1-4, 2019, Tsukuba, Japan, pp. 71.

2．研究成果（概要）2-1．はじめにる．いずれの先行研究においても，ひび割れ損傷の材料損傷の蓄積は，有効断面の減少に伴う力学幾何学的特徴とコンクリート物性との関連につい特性の低下として顕在化する 1)．既存施設の適切なて，より具体的な技術的議論の必要性を言及して維持管理には材料損傷の実態評価が不可欠であるいる．

が，その検査精度に関する議論は途上である．既往本報ではひび割れ損傷が内在化しているコンク研究では SEM2)や X 線 CT3)による可視化が試みら

リート水利施設（竣工後 53 年経過）より採取したれており，いずれも計測手法の特徴を生かして数コア供試体を対象に，X 線 CT による損傷実態の可μm 以上の損傷を対象に実証的検討が試みられて視化と圧縮応力場における AE エネルギ強度の関いる．日本国内では大塚ら

4)～7)に代表される造影係から，損傷蓄積とコンクリート物性との関連に剤を援用した X 線 CT 画像とひび割れ損傷の発達ついて明らかにし，弾性波計測によるコンクリーとの関連や，橋本ら 8)による X 線 CT による凍害コト構造物の損傷度診断法の開発に関する基礎的検

ンクリートの空隙構造に関する詳細評価などを先討結果を報告する．

行研究として確認することができる．コンクリー
ト水利施設を対象とした検討には，石神ら 9)による

2-2． AE エネルギの発生特性評価

凍害損傷の顕在化したコンクリート水利施設より圧縮載荷過程の AE エネルギの特徴量は，式（3）採取したブロック供試体中に発達したひび割れ損に示す AE エネルギ発生頻度割合 fe(ε)とひずみε

傷の X 線 CT 画像による可視化・定量化に関するの関係から，fe(ε)のピーク値により評価する．

試みや筆者 10) ～12)によるひび割れの幾何学的特徴

f e   と圧縮応力場における AE（Acoustic Emission）発生との関連に関する実証的検討を挙げることができE AE  
E AE(3)

ここで，Δε：単位ひずみ（本論では 20 μ），Δ

表-1 示方配合（無損傷サンプル）
粗骨材のセメント

普通ﾎﾟﾙﾄﾗﾝﾄﾞ

単位量(kg/m3)

最大寸法

W/Cs/a(mm)

(%)

(%)

WCS

254735.7

154328656

AE 剤

ｽﾗﾝﾌﾟ

空気量

G

(cc)

(cm)

(%)

1154

131

105

AE sensor

CCD camera（a）AE 計測システム（b）AE センサ設置位置
図-1 AE 計測条件

表-2 コンクリート力学特性一覧
Case 1，無損傷サンプル(n=5）
圧縮強度

最大ひずみ

弾性係数

（N/mm2）

（μ）

（GPa）

30.8［21.0～38.0］

1,459［795～1,860］

21.8［19.7～26.4］

λP 波速度(m/s)

1.3［0.5～2.8］

4,112［4,056～4,166］* 表中の数値は平均値［最小～最大］を示す．

Case 2，既設コンクリートサンプル（n=14）
圧縮強度

最大ひずみ

弾性係数

（N/mm2）

（μ）

（GPa）

15.1［6.5～31.7］

605［235～1,160］

26.2［13.6～36.7］

λ
3.1［0.8～6.5］P 波速度（m/s）
3,978［3,770～4,142］

EAE(ε)：単位ひずみにおいて発生した AE エネル

ンプで行った．AE センサには 150 kHz 共振型セン

ギ，EAE：一連の圧縮載荷過程で発生する総 AE エサを用いた．

ネルギである．

2-3． 結果および考察
2-3. 実験方法（1） 供試コンクリート(１)

コンクリート物性検討に用いたコンクリート・コアの力学特性を供試したコンクリート・コアは，1963 年に北海

表-2 に示す． なお，表中の損傷力学指標 λ は，弾道において建設された既設コンクリート水利施設性係数の相対値であり，標準的な圧縮強度試験（圧の側壁部と底版部より採取したものである．サン

縮強度 24 N/mm2，最大ひずみ 2,000 μ）の場合，プルサイズは，φ100 mm×200 mm の円柱供試体がλ=1.0 となり，損傷蓄積に伴いλ値は増加傾向を14 本である．実験に供試したコア供試体の端面は示す 14)．

実験精度を確保する観点から端面に平滑化処理を実験的検討の結果，無損傷サンプルは，圧縮強度施した．サンプルの外観目視の結果，ひび割れ損傷

30.8 N/mm2（最大値～最小値：21.0～38.0 N/mm2），の顕著な顕在化は確認されなかった．本研究では，

最大ひずみ 1,459 μ（796～1,860 μ），割線弾性係既設コンクリートサンプルとの比較を行うことを

数 21.8 GPa（19.7～26.4 GPa）であった．損傷力学目的に実験室内で無損傷コンクリートを打設した

指標λは，平均 1.3（0.5～2.8）であった．圧縮強度（以後，「無損傷サンプル」と記す）．配合設計の概試験前に実施した P 波速度の計測（条件：入力周

略は，水セメント比 47%，空気量 5%，粗骨材率

波数 54kHz，超音波法（透過法））では，平均値 4,11235.7%，スランプ 10 ㎝および粗骨材寸法 25 ㎜であm/s（4,056～4,166 m/s）であり，コンクリートの標る（表-1）．

準値である 4,000 m/s に近い値であった．

（2） AE 計測を援用した圧縮強度試験

既設コンクリートサンプルでは，コンクリート・AE 計測は，破壊過程における AE 発生頻度に加コアの目視調査の結果，顕著なひび割れ損傷は確えて，AE 源の位置標定を試みた．試験装置は認されなかった．圧縮強度 15.1 N/mm2（6.5～31.7SAMOS（PAC 社製）である．AE センサは，コンクN/mm2），最大ひずみ 605 μ（235～1,160 μ），割リート・コアの側面部に設置した（図-1）．閾値を線弾性係数 26.2 GPa（13.6～36.7 GPa）であった．

42 dB とし，60 dB の増幅をプリアンプとメインア

損傷力学指標λは，平均 3.1（0.8～6.5）であった．

2500

3525
12027156

131012111500
12100071410500

y = 32.565e-0.021x
R² = 0.755

5

無損傷

00.00

112000

無損傷

累計AEエネルギ(V2)

圧縮強度(N/mm2)3010

y = 34.104x- 576.66
R² = 0.673

1420.00

40.00

60.00

80.00

00.00

100.001620.00

空隙外周長(cm)13240.00

60.00

80.00

100.00空隙外周長(cm)

図-2 空隙外周長と圧縮強度の関係

図-3 空隙外周長と累計 AE エネルギの関係（ひずみ 0～100μ区間）
0.080

0.140

0.070

0.120

0.060

0.100

fe(ε)

fe(ε)

0.050

0.080
0.060

0.040
0.030

0.040

0.020

0.020

0.010

0.000

0.000

0300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000

0200400600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

ひずみ (µ)ひずみ (μ)(a) 無損傷コンクリート 12)(b) 既設コンクリートサンプル（No. 14，最大強度，31.7 N/mm2）

図-4 AE エネルギ発生割合とひずみの関係
使用骨材などの材質が異なる既設コンクリートサ関を明らかにしている．筆者の既往研究 11)においンプルと無損傷サンプルとの単純比較は困難であても，ひび割れ密度と圧縮強度との間に負の相関るが，既設コンクリートサンプルでは，力学特性のが認められ，幸左らの研究と同様の傾向が確認さ最大値と最小値の範囲の増加傾向が確認された．

れた． 圧縮強度以外の物性値は，最大ひずみ 605

損傷力学指標λにおいても同様に，既設コンクリμ（平均値）であり，ひび割れ損傷の発達に伴う力ートサンプルにおいて増加傾向が確認された．

学特性の低下が懸念される結果となった．

コンクリート構造物の耐久性とひび割れ損傷と既存施設より採取したコンクリート・コアでは，の関係については，既往研究の多くがひび割れ発農業水利施設であることから 21 N/mm2 が基準強度達の目視による幾何学的状況と強度特性についてとなる 16)．耐久性を必要とする場合は 24 N/mm2 で考察している．一例として幸左ら 15)はアルカリ骨ある 16)．圧縮強度のみを基準値とした場合，強度材反応によりひび割れの発達した T 型単柱式橋脚

特性が低下したコンクリートでは損傷を検出できを対象に，ひび割れ損傷の発達形態とコンクリーるが，微細損傷のみで強度が低下していない供試

ト・コアを用いた力学特性の関連について実証的体では無損傷と診断され，補修が遅れることにな検討を行い，ひび割れ密度と圧縮強度との負の相る．ひび割れ損傷が顕在化していない既設コンク

リートサンプルでは，基準値よりも高い圧縮強度を有する供試体では損傷蓄積を強度特性のみで精緻に検出することは困難であると考えられる．
(２)

コンクリート特性と空隙の関係

図‐2 に空隙外周長と圧縮強度の関係を示す．なお，図中の無損傷サンプルは平均値を示す．既設コンクリートサンプルでは，耐久性を必要とする水利施設の標準強度 24 Ｎ/mm2 を上回るものは，14サンプル中 1 サンプルのみであった．空隙外周長の増加は，コンクリート内部にひび割れ損傷が蓄積していることを意味しており，評価値の増加と圧縮強度の低下との密接な関連が示唆された．
図‐3 に空隙外周長とひずみ 0～100μ区間における累計 AE エネルギの関係を示す．累計 AE エネルギとは，圧縮載荷過程において検出した AE の図-5 既設コンクリートサンプル No.14（→：ひび割れ損傷と推定される部位を示す）エネルギ評価を行い，その累計値を算出したものである．本検討では，検出波の最大振幅値の 2 乗エネルギ特性を考察した．図‐4 に AE エネルギ発を AE エネルギとして評価した 13)．損傷度評価に

生割合 fe(ε)とひずみの関係を示す．既往研究 12)における，ひずみ 0～100μ区間の累計 AE エネルギ

より評価した無損傷コンクリートの圧縮過程では，の意味は，載荷初期における高エネルギ強度の弾一連の載荷過程で規模の異なる複数の AE エネル性波の発生がひび割れの発生や進展と密接に関連ギ放出が検出された．ひずみ 620 μ，1,060 μ，していることである．

1,500 μおよび 2,020 μにおいて AE エネルギが検討の結果，無損傷サンプルと比較して，既設コ頻出した．本供試体の最大ひずみは 2,180 μであンクリートサンプルにおいて空隙外周長の増加にることから，ひずみレベルの 28 %，49 %，69 %お伴い，載荷初期における AE エネルギの増加が見よび 93 %である．複数の AE エネルギのピーク値られた．この関係性は，概ね圧縮強度と類似していは，各ひずみレベルにおける圧縮破壊が段階的にるが，既設コンクリートサンプルにおいて最大強進行したものを検出していると推察され，コンク度を記録した No. 14 は，圧縮強度とは異なる傾向

リートの圧縮破壊に関する理論 17)と一致し，本論が累計 AE エネルギにおいて見られた．これは，圧で供試した無損傷サンプルにおいても同様の傾向

縮強度がコンクリートの圧縮載荷過程における最が確認された．

終破壊時の応力値であるのに対して，検出した AE

それに対して，既設コンクリートサンプル No.のエネルギ強度は微視的な局所破壊過程を詳細に14 では，載荷初期から AE エネルギ放出が確認さ評価したものであり，圧縮強度と比較して，より詳れた．同様の傾向は，凍害によりひび割れ損傷が顕細に供試コンクリートの材質を反映したものであ

在化したコンクリート・コアを用いた筆者らによると考えられる．

る既往研究 11), 12)においても確認されている．このこれらのことを踏まえて，載荷過程における AEことから，既設コンクリートサンプルにおいても

コンクリート物性に及ぼす蓄積損傷の影響は明らかであり，圧縮強度が基準値を上回っていたとし

PUBLISHERS, 1986.

2)

Shi, X., Fay, L., Peterson, M. M., Yang, Z.: Freeze-ても，ひび割れ損傷の蓄積は進行していたものとThaw Damage and Chemical Change of Portland

推察される．No.14 サンプルの X 線 CT 画像を図

Cement Concrete in the Presence of Diluted‐5 に示す．X 線 CT 画像より，ひび割れ損傷の蓄Deicers, Materials and Structures, 43, pp. 933-946,積が明らかである．

2010.

これらのことから，既存施設の実態評価や補修

3)

Arambula, E., Garboczi, E. J., Masad, E., Kassem,工，補強工の選定に用いる圧縮強度などに加えて，E.: Numerical Analysis of Moisture Vapor

AE エネルギ強度を用いることでより詳細な損傷Diffusion in Asphalt Mixtures using Digital度評価が可能になるものと推察される．その際，蓄Images, Materials and Structures, 43, pp. 897-911,

積損傷の可視化と定量化には，X 線 CT 計測が有用

2010.

であり，それらから求められたひび割れ指標とコ4)

大塚浩司：X 線造影撮影による鉄筋コンクリ

ンクリート物性との密接な関連から損傷度評価がート内部の微細ひびわれ検出に関する研究，可能であると推察される．

土木学会論文集，451，pp. 169-178，1992．

なお，今後の技術的課題としては図‐5 に示す骨5)

武田三弘，大塚浩司：Ｘ線造影撮影によるコ材中に発達したひび割れ損傷の原因やその発生時

ンクリート劣化の数値化と凍結融解抵抗性の期等の情報と本論で議論したコンクリート損傷実判定，土木学会論文集 E，62（4），pp. 728-738,態とを合わせることにより，精緻なコンクリート

2006.

損傷度評価が可能になるものと推察される．

6)

武田三弘，大塚浩司：Ｘ線造影撮影によるコンクリート強度の推定，土木学会論文集 E，2-5．おわりに

62（2），pp. 376-384, 2006.

本報では，ひび割れ損傷が内在化している竣工後

7)

武田三弘，大塚浩司：X 線造影撮影法による53 年が経過したコンクリート水利施設より採取しコンクリートの性状評価手法の開発と応用，たコア供試体を対象に，X 線 CT による損傷実態の土木学会論文集 E2（材料・コンクリート構造），可視化と圧縮応力場における AE エネルギ強度の68（3），pp. 146-156, 2012.

関係から，蓄積損傷とコンクリート物性との関連

8)

橋本勝文，横田弘，杉本隆文，吉川昂純：凍について考察した．検討の結果，コンクリート物性結融解作用を受けたモルタルの X 線 CT 撮影に加えて，AE エネルギ強度を用いることでより詳による空隙構造評価，材料，62（8），pp.492-

細な損傷度評価が可能になるものと推察された．

497, 2013.

その際，蓄積損傷の可視化と定量化には，X 線 CT

9)

石神暁郎，佐藤智，中村和正，緒方英彦，周計測が有用であり，それらから求められるひび割

藤将司：X 線 CT によるコンクリート内部変れ指標とコンクリート物性との密接な関連が示唆状の評価，第 62 回農業農村工学会北海道支部された．

研究発表会講演集，pp. 60-63, 2013.

参考文献
1)

10) Suzuki, T., Ogata, H., Takada, R., Aoki, M. andKachanov, L. M.: Introduction to Continuum

Ohtsu, M.: Use of Acoustic Emission and X-Ray

DamageComputed Tomography for Damage Evaluation ofMechanics,

MARTINUSNIJHOFF

Freeze-ThawedConcrete,Construction

andBuilding Materials, 24, pp. 2347-2352, 2010.

11) Suzuki, T., Shiotani, T., and Ohtsu, M.: Evaluationof Cracking Damage in Freeze-Thawed Concrete

35，2008．

14) 鈴木哲也：コンクリートの圧縮載荷時の AE 発
生挙動に基づく損傷度評価の試み，土木構造・材料論文集，30，pp. 157-165，2014.

using Acoustic Emission and X-ray CT Image,15) 幸左賢二，久利良夫，川島恭志，三浦正嗣：

Constructions and Building Materials, 136, pp.

ASR 構造物より採取したコアの力学的特性に

619-626, 2017.

関する研究，構造工学論文集 A，55A，pp. 1036-12) Shimamoto, Y. and Suzuki, T.: Detection ofCracking Damage in-Service Concrete by AE1047，2009.

16) 農林水産省農村振興局整備部水利整備課施設International管理室監修：第 4 章 鉄筋コンクリート構造物

RILEM/COST Conference on Early Age Cracking

における適用，農業水利施設の機能保全の手and Serviceability in Cement-based Materials and引き，p. 54，2007.

EnergyParameter,

2ndStructures - EAC2, Brussels, 2017.

13) 日本非破壊検査協会編：3 AE パラメータ，アコースティック・エミッション試験Ⅱ，pp. 22-17) 谷川恭雄監修：第 1 章 圧縮荷重を受けるコン
クリート，硬化コンクリートの性質，セメン
トジャーナル社，pp. 10-11, 2004.