論文

即発γ線分析によるコンクリートの配合推定に関する基礎的検討
岡崎慎一郎*1・氏家

勲*2・山手望知世*3・松江秀明*4

要旨：非破壊で試料の多元素同時定量が可能な即発γ線分析手法を用いて，コンクリートの配合推定手法を行った。種々の配合のモルタル供試体を用いて検量線を作成し，それを基にコンクリートの円柱供試体の打設面から深さ方向へ 1cm ピッチの局所的な水セメント比を推定した。その結果，低水セメント比においては，示方配合による水セメント比とおよそ一致したこと，水量指数法による推定結果と比較して同程度の精度を得ることが確認された。
キーワード：即発γ線分析，配合推定，水量指数法
1. はじめに我が国における社会基盤ストックは主としてコンクリートが用いられている。コンクリート構造物は外力の励起状態
即発γ線

作用や有害物質の侵入によってその構造性能と耐久性

放射線検出器能が劣化するため，構造物を一定の期間安全に使用するためには，コンクリートの品質やコンクリートの有する熱中性子を原子核に当てる

健全性の検査・診断を実施し，適切なメンテナンスを施安定状態に戻るすことが必要不可欠である。
コンクリートの強度および物質移動抵抗性はコンク標的核種リートの水セメント比が支配要因のひとつである。これ

熱中性子を知ることは，既設構造物の高精度な品質評価に資する
図－1

ことができるため，硬化コンクリートの配合を推定する技術は，社会基盤の維持管理に重要とされている。

2.2 即発γ線分析のコンクリートへの適用例

コンクリートの配合推定法は，セメント協会法 1) ，ASTM 法 2)，水量指数法 3)など数多く提案されているが，いずれもコアを採取ののち，試料の調製を要する破壊試験であるため，構造コンクリートに損傷を与えない手法
による配合推定手法の確立は，構造物の耐久性能維持と即発線分析のコンクリートへの適用の利点として，試料の調整が不要であること，線がコンクリート中を透過するためコンクリートの深部の情報を非破壊で取得できること，さらに中性子をビーム状にして照射するので局所分析が可能である点が挙げられる。

検査に要するコストの低減の観点から極めて重要であると考えられる。
そこで本研究では，即発線分析という非破壊検査手法の，配合推定への適用に関する基礎的な検討を，精度の観点から行ったものである。即発線分析は透過性にも優れているため，表層からコンクリート内部の情報をも取得できる可能性をも有しており，本手法の実用化は耐久性能診断の大きな進歩となりうるであろう。

図-2 にセメント，細骨材およびコンクリートの即発
線スペクトルの一例を示す。横軸は線エネルギーを，縦軸は計数を示している。あらゆる元素それぞれ固有の線エネルギーを有しているため，線エネルギーと計数から元素分析が可能となるのである。著者らはこれまでに，鉄筋コンクリートの腐食の要因となる塩化物イオン濃度を，測定された Ca と Cl のピークの比と，あらかじめ設定された較正曲線を用いて，推定することに成功した
3)

2. 即発γ線分析

即発γ線の原理。さらに，コンクリート中に不均一に分布する塩化物イオン濃度を，表層からの中性子照射のみで同定するこ

2.1 即発γ線分析の原理
即発線分析は，物体に中性子を照射したときに放出される線を分析することで，多原子を同時に定量測定できとにも成功している 4）。本論文では，Ca と Si のピークに着目して，計数からコンクリートの配合を推定することを目的としている。

る手法である。図－1 にその概念図を示す。
*1 愛媛大学大学院

理工学研究科生産環境工学専攻環境建設工学コース助教

博(工)

(正会員)

*2 愛媛大学大学院

理工学研究科生産環境工学専攻環境建設工学コース教授

博(工)

(正会員)

*3 愛媛大学大学院

理工学研究科生産環境工学専攻環境建設工学コース*4 日本原子力研究開発機構

理学博士

1000

セメント
Ca
100

CountsCa
Si
10Si CaCa

CaSiCa

10

2000

4000

6000

8000

Gamma ray energy (keV)

10000010000

図－3

供試体寸法とビーム照射位置

骨材（砂）

表－1
Si

Si

Counts

モルタル板の示方配合

Al H

10000

ケース名Si

Si

1000

Si

Fe

W/C(%)

S/C(%)

W/C40-S/C444440

100Fe10102000

10000

4000

6000

8000

Gamma ray energy(keV)

10000

W/C40-S/C102

102

W/C50-S/C00

W/C50-S/C50

50

W/C50-S/C76

コンクリート7650

Ca1000

SiCountsCa

Si
Si100

Ca

W/C50-S/C100

100

W/C50-S/C150

150

W/C50-S/C200

200

CaCa
Ca Si

F, Al, K

W/C60-S/C50

1050
60

W/C60-S/C108

108

10

2000

4000

6000

8000

10000

Gamma ray energy (keV)

図－2

即発γ線スペクトル

はじめに種々の配合のモルタル供試体を用いて，即発

線スペクトルの特徴を確認した。モルタル供試体によ3. 研究の方法
はじめに種々の配合のモルタル供試体を対象に即発
線分析を行い，検量線を作成する。その検量線を使用して，示方配合で水セメント比が 40%，65％のコンクリーる実験には普通ポルトランドセメント(密度 3.16g/cm3)，細骨材には豊浦標準砂(表乾密度 2.64g/cm3)を使用した。
表－1 に本研究で用いたモルタルの配合を示す。水セメ

トを対象に配合推定を実施する。推定結果の検証には，ント比は 40，50，60(%)の 3 水準，S/C は表の通り 0%か示方配合での水セメント比，および水量指数法による水ら 200%までの値を設定した。供試体のサイズは 4cm×セメント比の推定結果を用いる。

4cm×16cm であり，図－3 のように供試体の側面から中性子を透過させ，即発線スペクトルを得た。

4. モルタル供試体を対象としたの実験と検量線の作成

配合推定にはコンクリート中に主として含有されている Ca の計数と Si の計数に着目した。スペクトル中に4.1 実験概要
本実験では日本原子力研究開発機構の研究用原子炉
JRR-3 に設置されている即発ガンマ線分析装置を用いて行った。この分析装置では炉心から熱中性子を中性子ガイド管で導くことによって中性子をビーム状で用いる2ことができる。ビーム形状は約 2.0×2.0cm であり，中性子束は約 108 n/cm2/s である。中性子ビームは直径 5mm

は Ca と Si の示すピーク位置が複数存在する。本研究では Ca のピーク位置として 1942keV，Si のピーク位置として 3540keV の値を採用した。
図－4 に単位セメント量と Ca 計数の関係，図－5 に単位セメント量と Ca 計数の関係を示す。示す。両グラフ
共に単位量の増加に伴って線形に計数が増加しているの円形に絞って使用した。中性子ビームの照射により試ことが確認される。また，図－5 の単位骨材量と Si 計数

料から放出される即発ガンマ線を，ビーム入射方向に対の関係において，ケース W/C50_S/C0 が示すプロット，して直角方向に設置された高純度ゲルマニウム検出器で検出する。

つまり骨材の含まないセメントペースト供試体においても Si 計数がカウントされている。これはセメント中のSi 元素が計測されたものである。

800

2000
1600

W/C40_S/C44
W/C40_S/C102
W/C50_S/C0
W/C50_S/C50
W/C50_S/C76
W/C50_S/C100
W/C50_S/C150
W/C50_S/C200
W/C60_S/C50
W/C60_S/C108

1200
800
40000
図－45001000
単位セメント量(kg/m3)

Si計数(Counts)

Ca計数(Counts)

2400

600
W/C40_S/C44
W/C40_S/C102
W/C50_S/C0
W/C50_S/C50
W/C50_S/C76
W/C50_S/C100
W/C50_S/C150
W/C50_S/C200
W/C60_S/C50
W/C60_S/C108

400

200001500

5001000
単位骨材量(kgm3)
図－5単位セメント量と測定された Ca 計数値

1500

単位骨材量と測定された Si 計数値

4.2 配合推定法の検討
ここで，配合推定に必要な検量線の作成方法について検討する。骨材は石灰岩由来ではないため，Ca が含まれないと仮定すると，測定された Ca 計数はセメント由来のものとすることができる。つまり，図－4 に示す単位
セメント量と Ca 計数の関係を一対一に規定できる検量線を設定すると，コンクリートに即発線を照射して得られる Ca 計数から単位セメント量が推定することが出来る。切片が 0 とした線形近似により，単位セメント量と骨材由来のSi計数(Counts)

800

600
W/C40_S/C44
W/C40_S/C102
W/C50_S/C0
W/C50_S/C50
W/C50_S/C76
W/C50_S/C100
W/C50_S/C150
W/C50_S/C200
W/C60_S/C50
W/C60_S/C108

400

20000500
1000
単位骨材量(kg/m3)

図－6単位骨材量と骨材由来の Si 計数の関係

Ca 計数に関する以下の式を得た。なお，決定係数はR2=0.66 であった。
C*=a×

ここに，a：中性子発生装置の出力，供試体の厚みに依存する係数であり，本試験では a=0.569，C*：推定された単位セメント量，：計測された Ca の計数である。
次に単位骨材量の推定を検討する。図－5 に示した Si
計数は，骨材およびセメント由来の Si 計数が含まれる。
先程の検討に置いてセメントの単位量が推定されたので，この結果を使用して骨材由来の Si 計数を算出する。

1500の式を施すによって骨材由来の Si 計数が算出される。

 _agg= - _cem

(3)

ここに， _agg：骨材由来の Si 計数値， ：モルタル供試体の Si 計数値である。単位骨材量と骨材由来の Si 計
数値の関係を図－6 に示す。この関係を線形近似し，切片を 0 とすると，以下の式が得られた。なお，近似直線の決定係数は R2=0.90 であった。

ケース W/C50_S/C0 の結果を用いると，以下の式により

S*=b× _agg

1kg あたりのセメントに含まれる Si 計数 _cement /C*がここに，b：中性子発生装置の出力，供試体の厚みに依算出される。

存する係数であり，本試験では b=1.56 である。

 _cem/C=0/C0(2)

ここに， _cem：単位セメント量あたりの，セメント由来の Si 計数値， _cem/C：セメント 1kg あたりの Si 計数値であり，本計測においては 0.106，0：骨材を含まないセメントペーストにおける Si 計数値，C0：骨材を含まないセメントペーストにおける単位セメント量の示方配合での値である。各ケースにおいて， _cem/C*を推定された単位セメント量に乗ずると， _cem が求められる。
この値を図－5 における Si 計数から減ずる，つまり以下(4)以上整理すると，Ca 係数からセメントの単位量が推定され，Si の計数値から単位セメント量に含まれる Si 計数値を減じることによって，骨材由来の計数値が求まり，単位骨材量が推定される。以上の手順で得られた 2 本の近似直線を検量線とする。
4.3 中性子源の出力の大きさが検量線に与える影響試験に用いた中性子源の出力は種々の影響を受ける
ため，試験実施日によって検量線の係数値が異なる。そのためコンクリートの配合推定の前に検量線を求めるための予備実験を実施する必要がある。

600

C* = 0.900
R² = 0.922

骨材由来のSi計数(Counts)

Ca計数(Counts)

1600

1200800400

S* = 2.53
R² = 0.9548

450

300

150000500
1000
単位セメント量(kg/m3)

図－71500

単位セメント量と Ca 計数値

0500
1000
単位骨材量(kg/m3)
図－84.2 節で実施した試験日とは異なる時刻に，同じ供試体の単位セメント量と骨材由来の単位骨材料の関係を図－7，図－8 に示す。なお，使用した供試体は，W/C=50%で S/C=0，50，100，150，200 の 5 体であり，それぞれ 5点のプロットから検量線を作成した。式(1)および式(4)の係数はそれぞれ a=0.900，b=2.53 と決定された。

1500

単位骨材量と Si 計数値

表－2

ケース名
W/C50_S/C0
W/C50_S/C50
W/C50_S/C100
W/C50_S/C150
W/C50_S/C200

水セメント比の推定結果

C*1144998
890765633

S*
0467
1007
959
1249

W*637505333391323

W*/C*
0.557
0.506
0.374
0.5110.510

4.4 単位水量の算出法および水セメント比の算出法
検量線の作成に用いたモルタル供試体の配合推定を100mm

行い，特に水セメント比の推定結果と示方配合における水セメント比の比較を行うこととする。以下，単位水量の算出法について説明する。即発線計数値から 1m3 中のセメント量 C*が式(1)から，骨材量は式(4)から推定さThermal neutron
Prompt γ-rayれる。単位水量は，1m3 空間からセメントの体積，骨材の体積および空気量を除いた体積に，水の密度を乗じる
図－9以下の式によって推定される。
W*=w(1000-C*/C -S*/S -Va)

(5)

ここに，W*：推定された単位水量，w：水の密度，C：セメントの密度，S：細骨材の密度，Va：モルタル中の空気量である。これらの値をもとに，推定された水セメント比 W*/C*を算出する。モルタル中の空気量は即発
線分析では推定することができないため，Va=5%と仮定した。表－2 に推定された水セメント比を示す。
W/C50_S/C100 以外は高い精度で推定されているため，Va=0%との仮定は妥当であったことが確認された。また，
W/C50_S/C100 の推定結果が配合よりも過小評価された
理由として，図－8 における W/C50_S/C100 の点(単位骨供試体のサイズとビーム照射位置

5. コンクリートの配合推定
5.1 材料及び配合4.3 節で決定された係数をもつ検量線を用いて，コンクリートの配合推定を行った。表-1 に供試体の示方配合を示す。実験には普通ポルトランドセメント(密度3.16g/cm3)，細骨材には佐賀県唐津市産の海砂(表乾密度2.58g/cm3，粗粒率 2.5)および愛媛県西条市丹原町産の砕砂(両者とも表乾密度 2.58g/cm3，粗粒率 2.8)を，粗骨材には愛媛県東温市山之内産の砕石(表乾密度 2.62g/cm3，実積率 59.5%)である。粗骨材の最大寸法は 20mm であり，混和材として AE 減水剤を使用した。

材量が 831kg/m3 に存在する点)が検量線よりも上方にあ水セメント比は 40，65％の 2 種類であり，直径 100mm，り，骨材量が過大評価され，式(5)で算出される単位水量

高さ 200mm の円柱供試体の上面から 2 層に分けて当該の推定値が過小に評価されたため，水セメント比が小さのコンクリートを打ち込んだ。打ち込み後 3 日後に脱型くなったためと考えられる。

し，封かん養生を 28 日間施したのちに封かんを解き，およそ 2 年経過気中に暴露したものを，表層から 10cmの位置を湿式カッターで切断し，さらに図－9 のように供試体を 4 等分したのち，供試体の側面からビーム透過

表－3 コンクリートの示方配合組骨材の最大寸法
(mm)

スランプ

空気量

細骨材率(cm)

(%)

(%)

水W

201240538.917744366410225.32201265545.5168258834

1006

2.71

60%

W/C=65%50%

100%

40%30%

ρs=2.5020%

ρs=2.5510%ρs=2.60

0%

80%
60%
40%
W/C=40%

20%
図－10

混和剤
A

120%

推定されたW/C

推定された水セメント比

単位量 (kg/m3)
セメント
細骨材
粗骨材
CSG

水セメン
ト比(%)

骨材密度を変化させたときの水セメント比の推定結果

厚さが 4cm となる部分を，表層から深部へ向かう方向

0%0246810

打ち込み⾯からの距離(cm)
図－11

水セメント比分布の推定結果

へ 1cm ずつ移動させて，深さ方向 1cm ごとの即発線スペクトルを得た。

ートの場合，スランプ調整のために AE 減水剤を使用し5.2 材料及び配合ているため，空気量 Va=5%と仮定した。

コンクリートとモルタルとは異なり，粗骨材を含むた5.3 配合推定結果

めコンクリートの配合推定手法を確立させるためには，図-11 に配合推定結果を示す。水セメント比が 40％と粗骨材の扱いについての検討を加えなければならない。

65％の供試体の両者ともに，示方配合の値よりも水セメ

本研究で使用した粗骨材は，細骨材と産地および密度ント比を過大評価している。これは単位水量を過大評価が異なる。産地が異なるものの，主成分は主としてシリしたためであると考えられる。高水セメント比においてカであると考えられることから，粗骨材において着目すは，単位セメント量を過小評価しているか，もしくは単べき即発線スペクトルはモルタル同様に Si 計数である。

位水量を過大評価しているためと考えられる。この要因

このため，細骨材と粗骨材の分離抽出が即発線分析ではとしては，高水セメント比は空隙率が高いため，ビーム不可能であることを意味する。しかしながら，細骨材と透過厚さは 4cm であっても，実質透過したセメントもし粗骨材の密度が異なれども，その差がわずかであり，水くは骨材のマトリックス部分は 4cm よりも薄く，このたセメント比の推定結果に与える影響が小さいこと確認

め計測された計数が小さくなったと考えられる。即発

できれば，細骨材と粗骨材を分離せずに同一の密度を用線により，高水セメント比と推定された場合は，高水セいて，骨材の総量として推定が可能となると考える。そメント比のモルタル供試体を用いて作成された検量線

こで，骨材密度の相違が水セメント比の推定結果与えるを用いて再評価すれば，精度が向上すると考えられる。

影響を検討した。4.3 節で使用したモルタルを対象に，また，両供試体ともに表層から深部に向かって水セメ

骨材密度を 2.50，2.55，2.60 とした場合において，推定ント比が低下し，さらに深部に向かうにつれて再び水セされた水セメント比の感度分析結果を図－10 に示す。骨

メント比が増加している。これは，コンクリートを円柱材密度の相違の影響を最も受ける W/C50_S/C200 の場合モールドに 2 層に分けての打ち込んだ際，下層打ち込みにおいても，推定された水セメント比は 47.4%～50.4%の時にブリーディング水が上昇し，下層と上層の打ち継程度の変動であるため，骨材密度が推定結果に与える影ぎ目に水が残ったために表層から 10cm 付近の水セメン響は限定的であると考えられる。よって，本研究では，ト比が大きくなり，また自重による圧密とブリーディンモルタル供試体で得られた検量線を用いて，コンクリー

グ水の影響で表層付近の水セメント比も大きくなった

トの骨材の総量を推定することとした。また，コンクリと推察される。

120%

120%

100%

100%

即発γ線分析

推定されたW/C

推定されたW/C

即発γ線分析
80%
60%
40%

80%
60%
40%
水量指数法

水量指数法

20%

20%

0%

0%

02468100

打ち込み⾯からの距離(cm)図－12

水量指数法による推定結果との比較(W/C＝40％)

図－13メント比の推定手法であり ，セメント水和時に生じる810水量指数法による推定結果との比較(W/C＝65％)(1) 線分析手法による，コンクリートの局所的な水セメント比の推定は可能である。
低水セメント比では，示方配合および水量指数法に(2)

水量指数法とは，鉄道総合技術研究所が開発した水セ
3)

66. 結論性を検証するために，水量指数法による水セメント比の推定を行い，相互の比較を行った。

4

打ち込み⾯からの距離(cm)5.4 水量指数法による水セメント比の推定結果との比較
即発線分析によって推定された水セメント比の妥当

2よる結果に近い推定を得ることができた。
高水セメント比においては，示方配合を過大評価(3)

水酸化カルシウムの結晶の大きさが配合時の水セメンする傾向にあった。

ト比と相関があることを利用した方法である。本研究では文献の示すとおり，供試体全量を粗骨材が出来る限り謝辞混入しないように粉砕し，粉末 X 線回折により水量指数

本研究は，JST地域イノベーション創出総合支援事業シを求める。次に，測定試料を塩酸により溶解させて骨材ーズ発掘試験，および科学研究費補助金(基盤研究量を，示差熱天秤における 400℃付近の減量から水酸化(B)，課題番号：21360207)の助成を受けて実施した。

カルシウム量を求め，あらかじめ設定された検量線からここに謝意を示す。

水セメント比を推定した。
図－12，図－13 に即発線による分析結果と水量指数法による分析結果を示す。水セメント比が 40%の場合に

参考文献
1)

おいては，特に表層からの距離が近い部分では即発線分推定について，セメント・コンクリート，No.25117，

析は水量指数法とおよそ同程度の精度で推定されており，また水セメント比の設定値 40%に極めて近い値を呈

コンクリート専門委員会：硬化コンクリートの配合

No.5，pp.3-122)

ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS：Standard

している。一方で，水セメント比が 65%の場合においてTest

は，水量指数法は設定値に対して水セメント比を過小評

HARDENED PORTLAND CEMENT CONCRETE，価し，即発線は過大評価となり，水量指数法と即発線分析の相違は少なくとも 20%以上となっている。打設さMethodfor

CEMENT

CONCRETE

OF

pp.43-46, 19863)上原元樹，佐々木孝彦，立松英信，水酸化カルシウ

れたコンクリートの真の水セメント比分布は不明であムの形態的特徴による硬化コンクリートの水セメるため，この結果から即座に，一方もしくは両者の測定ント比(W/C)評価，土木学会第 58 回年次学術講演会

精度に難があると指摘することは出来ないが，少なくと講演集，pp851-852，2003

も，低水セメント比においては良好な精度があること，

4)

山田耕大，氏家勲，坂根仁，松江秀明：コンクリー

また図－13 の表層部分を除き，両測定手法の表層から深ト中の塩化物イオン濃度分布の非破壊測定に対すさ方向への水セメント比の増減傾向が定性的にはおよる即発γ線分析の適用性について，コンクリート工そ同じであることから， 即発線分析による配合推定手

学年次論文報告集，Vol.30，No.2，pp.757-762，2008.

法の妥当性は水量指数法と同等であり，また高水セメン

5)

山田耕大，氏家勲，坂根仁，松江秀明：即発ガンマト比における精度向上には前述のように，高水セメント

線分析によるコンクリート中の塩化物イオン濃度比の供試体による検量線を用いた評価が必要である。

分布の非破壊測定に関する研究，コンクリート工学
年次論文報告集，Vol.31，No.1，pp.1981-1986，2009