コンクリート工学年次論文集，Vol.31，No.1，2009

論文

即発ガンマ線分析によるコンクリート中の塩化物イオン濃度分布の非破壊測定に関する研究
山田耕大*1・氏家

勲*2・岡崎慎一郞*3・松江秀明 4)

要旨：本研究は即発γ線分析を利用した非破壊でコンクリート内部の塩化物イオン濃度分布を測定する方法の開発に資するための基礎的な研究である。本研究では所定の塩化物イオン濃度に調整したモルタル板を組み合わせた供試体を用いて，即発γ線分析で計測されるカルシウムと塩化物イオンの計数による即発γ線計数比を指標として用いた供試体表面からの深さの影響を考慮した校正曲線を作成した。その校正曲線を用いて，著者らの既往の研究において課題となった表面濃度の非破壊測定方法および塩化物イオン濃度のピークが測定対象物の表面にない場合の濃度分布を推定する方法について検討した。
キーワード：中性子，即発ガンマ線分析，校正曲線，非破壊測定
1. はじめにの塩化物イオン濃度を既知の値としているが，表面濃度近年，コンクリート構造物における維持管理技術が大の測定方法については具体的には提案していない。また，変重要になっており，特に重要な技術としてコンクリー

中性化や雨水による影響で表面に塩化物イオン濃度のピト構造物の耐久性診断が挙げられる。コンクリート構造ークがない分布に関して，この推定方法を用いることは物の劣化現象の中で最も関心が高いものは塩害による鉄困難であった。

筋腐食であり，塩害による劣化は腐食ひび割れが生じる

そこで本研究では，既往の研究と同様に，即発ガンマまでは，外観観察のみでは劣化の進行を評価できない。

線計数比が深さに依存する影響を考慮した校正曲線を作

コンクリート構造物における塩害では，主に外部から成した。そして，即発ガンマ線計数比と塩化物イオン濃コンクリート中へ侵入した塩化物イオンの影響により不度の比例関係を利用し，非破壊で表面濃度を測定する方動態皮膜が破壊され，鋼材の腐食時期が著しく早まる。

法を提案した。さらに，中性化や雨水の影響を受けた測従って，鋼材が腐食するまでの塩害の進行を評価するに定対象物についても対応できるように，表面部分の濃度は，鉄筋周辺におけるかぶりコンクリート中の塩化物イが低く，ピークが奥に存在するような分布形状を持つ場

オン濃度の分布状況を知る必要があるが，コア供試体に合について検討を行った。

よる一般的な手法は，試料採取や試験に手間と費用を要し，さらに構造物に損傷を与え，同じ位置で何度も測定

2. 実験概要できない。

(1) 即発ガンマ線分析

本研究は，非破壊で試料調整を必要とせず，比較的短即発ガンマ線分析は，熱中性子が対象物中に含まれる時間の測定で分析が可能な即発ガンマ線分析（Prompt

元素の原子核に捕獲された際に放出される特徴的な高エGamma-ray Analysis：PGA）を，コンクリート中の塩化物ネルギーガンマ線，つまり即発ガンマ線を，放射線検出

イオン濃度分布の測定に適用することを目的として基礎器を用いて測定する分析方法である 2)。

1)，即発今回の実験は，日本原子力研究開発機構の研究用原子ガンマ線計数比と塩化物イオン濃度が比例関係にあり，炉 JRR-3 に設置されている即発ガンマ線分析装置を用い即発ガンマ線計数比は測定対象物が表面から深くなるほて行った。分析装置の体系図を図－1 に示す。炉心からど指数関数的に減少すること，および測定対象物全体のの熱中性子を中性子ガイド管により導くことによって中即発ガンマ線計数比は，それぞれの深さにおける即発ガ性子をビーム状で用いることができる。ビーム形状は約ンマ線計数比の合計に等しいことを明らかにした。そし2.0×2.0cm2 であり，中性子束は約 108（n/cm2/s）である。て，その影響を考慮した校正曲線およびそれを用いて非中性子ビームは直径 5mm の円形に絞って使用した。中破壊で塩化物イオン濃度分布を推定する方法を提案した。

性子ビームの照射により試料から放出される即発ガンマ

しかしながら，提案した推定方法において，供試体表面線を，ビーム入射方向に対して垂直方向に設置された高的な検討を行ったものである。既往の研究では*1 愛媛大学大学院

理工学研究科(正会員)*2 愛媛大学大学院

理工学研究科教授 博士(工学)(正会員)*3 愛媛大学大学院

理工学研究科助教 博士(工学)(正会員)*4 日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 理学博士

-1981-

液体窒素

BGO検出器

Ge検出器

原子炉ビームガイド管 シャッター

即発
即発γ線
ガンマ線

熱中性子スリット

図－1

ビーム
ストッパー

分析試料

分析装置の体系図

純度ゲルマニウム（High Purity Germanium：HPGe）検出器を用いて検出する。なお，将来的には既往の研究のように 3)，オンサイトで実構造物での塩化物イオン濃度の計測に使用できる中性子源と検出器で検討する予定である。

図－2

着目したエネルギー付近の(2) 即発ガンマ線計数比

即発ガンマ線スペクトル

本研究では塩化物イオンを定量分析するために内標準法を採用し，セメントに多く含まれているカルシウ

質量がセメントの質量に対して 0～10%の範囲で所定のムを内標元素とし，即発ガンマ線計数比 R を指標に用い濃度となるようにフレッシュモルタル中に塩化ナトリウた。測定の際に着目した即発ガンマ線エネルギーの大きムを添加してそれぞれ作成した。尚，これらのモルタルさは，塩化物イオンが 1951keV，カルシウムが 1942keV板において調整した塩化物イオン濃度を設定値と呼ぶ。

である。即発ガンマ線分析においては試料に含まれる骨コンクリートコア供試体は，海上のブイを固定するた材量を調整しなくても，骨材が多い場合にはセメント量めのアンカーとして約 10 年間用いられているコンクリが少ないので，カルシウムのピークの計数が減少し，セートブロックの表面に対し垂直に切削して円柱供試体をメント中に含まれる塩化物イオンのピークの計数も減少採取したものである。その供試体の側面に中性子を照射する。したがって，カルシウムと塩化物イオンの即発ガすることで得られる即発ガンマ線計数比は，即発ガンマンマ線計数比で評価すれば，骨材量の影響を排除するこ

線計数比と塩化物イオン濃度との比例関係を利用して塩とができる。ただし，石灰石系の骨材を用いている場合化物イオン濃度に換算することができる。この方法によには，塩化物イオンのみのピークで評価することになるって得られた 5mm 間隔の塩化物イオン濃度分布は，後ので，照射位置を変えてデータを多く取得する必要があ述の推定結果との比較に用いた。モルタル板供試体とコると考えられる。図－2 は着目したエネルギー周辺の濃ンクリートコア供試体は気乾状態で使用した。

度が異なるコンクリートの即発ガンマ線スペクトルを示(4) 校正曲線の作成す。塩化物イオン濃度が高くなるにつれて，エネルギー即発ガンマ線計数比が供試体に含まれている塩化物イの大きさ 1951keV と 1959keV の塩化物イオンの計数が増オンの深さに依存して指数関数的に減少することを考慮加している。しかしながら，エネルギーの大きさが1942keV におけるカルシウムの計数はほとんど変化して

例：5/10-3rd

例：2/4-2nd

いない。カルシウムの計数の変化は試料に含まれるセメ

1st 2nd 3rd 4th 5th

1st 2nd 3rd 4th 5th

ント量の違いによるものである。
(3) 測定試料
実験では，モルタル板を組み合わせた供試体とコンク

00 10 000 40 000%%%% %% %%%%%

リートコア供試体を測定試料とした。モルタル板は 30×30mm，厚さが 5mm，3mm，2mm，の３種類， 水セメン

5mm×52mm+3mm

ト比は 40%，セメント砂比は 1：1 とし，セメントには普通ポルトランドセメントを，細骨材にはカルシウムを含まない硅砂を使用した。モルタル板は塩化物イオンの-1982-

5mm×5 枚図－32mm,3mm,5mm×4 枚

校正曲線作成用のモルタル板供試体の一例

し，測定から得られた即発ガンマ線計数比を回帰して求化物イオン濃度を求めることができる。
校正曲線を作成するための測定試料は，図－3 に示す
ように，厚さ 5mm のモルタル板を 5 枚組み合わせた供試体（厚さ 25mm）と厚さ 2mm，3mm，5mm×４枚，のモルタル板を組み合わせた供試体（厚さ 25mm）である。
各供試体は塩化物イオンを含むモルタル板１枚とその他は塩化物イオンを含まないモルタル板で構成されており，塩化物イオンを含むモルタル板の位置を移動させて測定

即発 ガンマ線計数比 R （Cl/ Ca）められる校正曲線を利用すれば，任意の深さにおける塩10する。尚，図－3 の例で示す 5/10－3rd は，10wt%の塩化5mmモルタル板；4wt%2mm

1R= 1.1218e0.1

R= 0.3588e-0.0902h-0.0838h

0.01

物イオンを含む厚さ 5mm のモルタル板が 3 枚目に存在05することを表している。また，塩化物イオンを含んだモルタル板の厚さが 5mm の場合と 2mm の場合で校正曲線

1015
深さ h （mm）20

図－4

モルタル板の厚さによる校正曲線の違い

表－1

供試体内部の推定に用いた供試体の一覧

25を比較した結果を図－4 に示す。校正曲線は，測定によって得られた即発ガンマ線計数比を最小二乗法によって次式で回帰すれば得られる。

R = ac ⋅ e − bh

（1）

供試体名

ここで，R は即発ガンマ線計数比(-)，c は塩化物イオン

ABC

濃度(%)，h は供試体表面からの深さ(mm)であり，表面から各モルタル板の厚さの中心までの距離である。a と bは回帰係数である。係数 a は h＝0（供試体表面）での即位置
1st
2nd
3rd
4th
5th
0.5% 2%
3% 1.5% 1%2%3%2%
1% 0.5%1% 1.5% 3%
1% 0.5%発ガンマ線計数比と塩化物イオン濃度の比例関係の勾配である。係数 b に関しては，中性子の減衰によって即発塩化物イオンの位置が深くなるほど誤差が大きくなり，ガンマ線計数比が減少する際の勾配であり，理論上塩化定量的な測定は困難となる。そこで本研究では，塩化物物イオン濃度とは関係なく一定となる。

イオンを含んだモルタル板の前に塩化物イオンを含まな(5) 表面濃度の非破壊測定

いモルタル板の枚数を増やしながら測定し，塩化物イオ実構造物の表面に対して垂直にコンクリートコア供ン濃度と即発ガンマ線計数比が比例関係を保っている位試体を採取し，表面から所定の位置の側面に中性子を照置までを測定範囲と定めた。今回の測定条件ではモルタ射すれば，任意の深さにおける塩化物イオン濃度を測定

ル板 5 枚、つまり，表面から 25mm までを測定範囲とし4)することが既往の研究より明らかとなっている 。本研た。供試体内部の塩化物イオン濃度分布の測定方法は，究ではコア供試体などを採取せずに非破壊で実構造物で供試体の前に塩化物イオンを含まない 0wt%のモルタルの測定に適用するため，表面部分のみが測定範囲となる板を 5 枚並べて測定し，そして 0wt%のモルタル板を 1ように斜めから照射すれば表面濃度は非破壊で測定でき枚ずつ抜き，それを供試体の後ろに並べて測定する。測ると考えた。

定に用いた供試体の一覧を表－1 に示す。

また，表面を削り取って採取された厚さ 2mm 程度の破片と 2g 程度の粉末試料の即発ガンマ線計数を測定し3. 実験結果および考察た。これらの測定結果は，同じ形状のセメントペースト(1) モルタル板の厚さによる校正曲線への影響

試料，すなわち 2mm の破片および 2g の粉体を用いて得

図－4 は塩化物イオンが含まれるモルタル板の位置がられた即発ガンマ線計数比と塩化物イオン濃度の比例関

表面から深くなるにつれて即発ガンマ線計数比がどのよ係から塩化物イオン濃度に換算した。

うに減少するのかを表した校正曲線であり，塩化物イオ(6) 供試体内部の非破壊測定

ン濃度が 4wt%のモルタル板に関して厚さが 5mm および供試体内部の濃度分布を非破壊測定によって推定す

2mm の場合について示す。表面部分（h=0）について相るためには，どの程度の深さまで測定できるのかを知る違が見られるが，これは供試体全体に含まれる塩化物イ必要がある。即発ガンマ線計数比の減少は中性子の減衰オン量の違いによるものである。これら 2 本の直線の傾によるもので，中性子は減衰しながらコンクリートを透きを見ても分かるように，塩化物イオンを含むモルタル過していく。しかし，計測される即発ガンマ線計数比は板の位置に対する即発ガンマ線計数比の減少はほぼ同程-1983-

塩化物イオン濃度 C (wt%)

10

表－2

設定値
推定(2mm)8

モルタル板供試体
コンクリートコア供試体
角度 濃度（wt%）
角度 濃度（wt%）
① 0°
0.997
① 0°
1.057
② 15°
1.188
② 15°
0.983
破片
③ 30°
1.392
1.015
④ 45°
1.626
粉末
0.901

64200

図－5

表面濃度の測定結果

1st 2nd 3rd 4th 5th102030深さ h (mm)4050
1 3 2 1.5 0.5% % % % %誤差関数に従う分布を有した供試体の推定度であり，モルタル板の厚さによる校正曲線への影響はほとんどないと言える。また，本論文では示してないが，他の濃度についても同じ結果が得られた。したがって，ことができる。すなわち，塩化物イオン濃度分布を推定④③② ①する際，より詳細な分布を知りたければ，より薄いモル

図－6

モルタル板の厚さに関わらず同じように校正曲線を引く

中性子ビーム中性子ビームの照射角度

タル板で校正曲線を得ればよい。
定された即発ガンマ線計数比が 2.194 であるのに対し，(2) 誤差関数に従う濃度分布を有する供試体の推定
所定の塩化物イオン濃度に調整した厚さ 2mm のモル推定結果から求めた計数比の合計値が 2.200 とほぼ一致

タル板を 25 枚組み合わせることによって，誤差関数に従している。よって，誤差関数に従うような分布を持つ測う塩化物イオン濃度分布を有する厚さ 50mm の供試体を定対象物であれば，塩化物イオン濃度分布が高精度で推作成し，測定した。誤差関数に従う分布を持つ供試体で定できることがわかった。

あれば，既往の研究で提案した推定方法がどの程度の精(3) 表面濃度の測定結果度で推定できるのかを考察するためである。推定には，

図-6 に中性子の照射角度，表－2 にモルタル板供試体

著者らが提案したフィックの拡散方程式に基づく誤差関およびコンクリートコア供試体の表面における塩化物イ数を利用した手法を用いた。その手順は以下のようであオン濃度の測定結果を示す。モルタル板供試体について
は，図-6 に示すように 1 枚目に塩化物イオン濃度 1%のる。
まず，これから推定する塩化物イオン濃度分布においモルタル板を配置しており，照射角度が表面と平行になて，濃度が 0wt%と見なせる位置（以下，浸透深さ）をるほど表面濃度が正確に測定されていることがわかる。

仮定する。なお，浸透深さは誤差関数に 2 を入力したとコンクリートコア供試体については，どの測定結果もよきと見なす。そして，濃度が既知の表面部と浸透深さのく一致している。以上の結果から，②のように表面と平間の分布を，誤差関数で仮定する。仮定された濃度分布

行に近い角度で中性子を照射すれば，非破壊で最も簡単において，所定の位置の塩化物イオン濃度から，式(1)をに測定対象物の正確な表面濃度を測定することができる用いて即発ガンマ線計数比を計算する。それぞれの位置と言える。また，供試体の表面を破片もしくは粉体で削での即発ガンマ線計数比を合計し，測定によって得られり取って測定する方法でも表面濃度を明らかにすることている供試体全体の即発ガンマ線計数比と比較する。即ができる。

発ガンマ線計数比の合計が実測値より大きい場合は浸透(4) 濃度のピークが表面にない分布の推定深さを小さく，実測値より小さい場合は浸透深さを大き表－3 に，供試体 A を例にそれぞれの測定過程におけるくそれぞれ仮定し直して，計算された即発ガンマ線計数

モルタル板の配置および即発ガンマ線計数比を示す。推比の合計が実測値と一致するまで繰り返す。

定は測定範囲の限界位置，つまり 5 枚目のモルタル板に図－5 に厚さ 2mm のモルタル板によって得られた校正おいて行われる。過程Ⅰの場合，すなわち測定対象物の曲線を用いて推定した結果を示す。推定された濃度分布

前に 0wt%のモルタル板を 5 枚並べた場合，供試体（モはモルタル供試体の分布と非常によく一致しており，測ルタル板で言うと 6 枚目以降）は測定範囲外であるので，即発ガンマ線計数比は正確な値を示さない。本論文では，-1984-

測定過程

供試体 A の各測定過程における測定結果
各モルタ ル板の配置およ び
測定範囲

測定結果
R

塩化物イオン濃度 C （wt%）

表－3

測定範囲
1st 2nd3rd4th 5thⅠ

0 0 0 0 0 0.5 2 3 1.5 1% % % % % % % % % %0.1 09 8

ノイズの要因
測定範囲

設定値
推定321

1st 2nd3rd4th 5th0Ⅱ

0 0 0 0 0.5 2 3 1.5 1 0% % % % % % % % % %00.1 39 15101520
供試体表面からの深さ h （mm）
図－7ノイズの要因

塩化物イオン濃度 C （wt%）

1st 2nd3rd4th 5th
0 0 0 0.5 2 3 1.5 1 0 0% % % % % % % % % %0.1 82 1

ノイズの要因測定範囲
1st 2nd3rd4th 5thⅣ

0 0 0.5 2 3 1.5 1 0 0 0% % % % % % % % % %

供試体 A の推定結果

5設定値
推定

測定範囲

Ⅲ

250.3 12 1432
100

ノイズの要因測定範囲

図－8

1st 2nd3rd4th 5th
0 0.5 2 3 1.5 1 0 0 0 0% % % % % % % % % %0.4 05 3塩化物イオン濃度 C （wt%）Ⅴ

ノイズの要因測定範囲
1st 2nd3rd4th 5thⅥ

0.5 2 3 1.5 1 0 0 0 0 0% % % % % % % % % %5101520
供試体表面からの深さ h （mm）

0.6 10 8

ノイズの要因25

供試体 B の推定結果

設定値
推定32100

この値をノイズと呼ぶ。本研究では，このノイズをそれぞれの測定過程において線形的に分配してその影響を検5101520
供試体表面からの深さ h （mm）
図－9討する。すなわち，過程Ⅱ（0wt%のモルタル板が４枚）

25

供試体 C の推定結果のとき，即発ガンマ線計数比は供試体の 1st とノイズによるものであるので，このときのノイズはモルタル板供を用いて塩化物イオン濃度に換算される。過程Ⅲ（0wt%

試体の 2nd 以降の 4 枚によるものと考え，過程Ⅰにおけのモルタル板が 3 枚）のとき，即発ガンマ線計数比は供る即発ガンマ線計数比の 4/5 として過程Ⅱで得られた即試体の 2nd までとノイズによるものである。ここで，校発ガンマ線計数比から差し引く。そして，残った値が供正曲線を用いてモルタル板供試体の 1st の位置（表面か試体の 1st による即発ガンマ線計数比であり，校正曲線ら 17.5mm）における即発ガンマ線計数比を求め，測定-1985-

②塩化物イオン濃度 C （wt%）

32.5

誤差関数に従うような分布を持つ測定対象物の場

側面からの測定合には，誤差関数を用いて測定値と比較しながら浸推定透深さを仮定することにより，塩化物イオン濃度分布をよい精度で推定できる。

2③

中性子の照射角度を対象物の表面とほぼ平行にして測定すると，表面濃度を非破壊で測定することが1.5可能である。

1④

対象物の前に 0wt%のモルタル板を並べて測定し，得られた即発ガンマ線計数比からノイズ等の余分0.5な値を除き，校正曲線を用いて測定範囲の限界位置における塩化物イオン濃度を推定すれば，表面に濃00
図－1051015
供試体表面からの深さ h （mm）

度のピークがない分布の場合に，濃度は過小評価す20

るが，分布形状は比較的よく把握することができた。

コア供試体の測定結果および推定結果
謝辞：本研究は科学研究費補助金（萌芽的研究，課題番値から引く。また，この場合のノイズは，同様に考えて

号：19656108，代表者：氏家勲 愛媛大学大学院教授）に過程Ⅰにおけるそれの 3/5 として差し引き，残りの値をよるものである。さらに本実験は日本原子力研究開発機

塩化物イオン濃度に換算する。過程Ⅳ（0wt%のモルタル構の施設共用制度にて行った。また日本原子力研究開発

板が２枚）のとき，校正曲線を用いて 1st および 2nd さ機構の関谷祐二氏および住重試験検査（株）坂根仁氏にらにノイズ（過程Ⅰの 2/5）の値を引き，濃度に換算す多大なご協力を頂いた。ここに記して謝意を表します。

る。過程Ⅴ（0wt%のモルタル板が 1 枚）および過程Ⅵ（0wt%のモルタル板が 0 枚）のときも同様にして推定す

参考文献

る。図－7，8，9 にそれぞれ供試体 A，供試体 B，供試

1)

山田耕大ほか：コンクリート中の塩化物イオン濃度

体 C の推定結果を示す。どの供試体の推定結果を見ても分布の非破壊測定に対する即発ガンマ線分析の適過程Ⅵまでの段階で濃度分布は比較的対応した結果とな用性について，コンクリート工学年次論文集，Vol.30，No.2，pp.757-762，2008っているが，濃度は全体的に過小評価となっており，その結果，過程Ⅵで 5th の塩化物イオン濃度を推定する際

2)

析化学，51，pp.61-96，2002.に差し引きで残った値が大きくなり、実際では生じない分布となってしまう。従って，今回の測定条件では 4 枚

米沢仲四郎：原子炉中性子による即発γ線分析，分3)

H.H Saleh and R.A. Livingston:目までを推定値とする。図－10 はコンクリートコア供試

evaluation体の推定結果と中性子を側面から照射して得られた測定

spectroscopy system for chloride measurements in

結果を示す。推定結果はモルタル板の場合と同様に、濃reinforced concrete, Journal of Radioanalytical and度は過小評価しているが，分布のピーク位置を捉えておNuclear Chemistry, Vol.244, No.2, pp.397-371, 2000.2

り，ある程度の精度で分布形状を評価していると言える。

4)

ofa

portable

Experimental

neutron-based

gamma-

荒居祐基ほか：コンクリート中の塩化物イオン濃度

なお，推定精度を高めるためにノイズの評価方法を今後の測定(Ⅰ)－即発ガンマ線分析の適用－，土木学会も検討していく必要があると考えている。

第 62 回年次学術講演会講演概要集（CD-ROM），
pp.93-94，2007.9
5)

4. 結語

いたコンクリート防波堤の塩化物イオン濃度の非本研究の結果をまとめると次のようである。
①

松江秀明，坂根仁：中性子即発ガンマ線分析法を用

モルタル板の厚さに関わらず、同様に校正曲線を得

破壊分析，コンクリートテクノ，Vol.27，No.2，pp.9-12，ることができるので、塩化物イオン濃度分布を推定

2008.2

する際，より詳細な分布を得たい場合には，薄いモ6)

Glenn F. Knoll (木村逸郎，阪井英次共訳)：放射線ハンドブック（第３版），日刊工業新聞社，2001

ルタル板を用いて校正曲線を設定すればよい。

-1986-