淺沼組技術研究報告№32(2020)

６．DIC 法を用いた火害を受けたコンクリートの劣化深さの推定に関する実験
Experimental Study on Estimating the Deterioration depth of Cover concrete due to Fire Damage
using Digital Image Correlation Method
山﨑 順二＊1
加藤 猛*2
山内 豊英*3

要 旨
火災を受けた鉄筋コンクリート系構造物の補修工事や表面劣化を受けたコンクリートの補修工事において，構造体コンクリートの表層部のコンクリートの劣化深さを的確に把握することは，補修範囲の決定の際に重要な要因となる。
本報では，火害による表層コンクリートの劣化深さを簡便かつ迅速に推定する手法を確立することを目的として，火災による受熱で損傷したコンクリートの載荷試験時に画像相関法（DIC 法）を適用することを考案し，DIC 法によりリアルタイムに得られる供試体表面の局部ひずみ挙動の変化に基づく表層コンクリートの劣化深さの推定手法について検討した。
検討の結果，劣化を受けた表層コンクリートの局部ひずみの挙動は，健全部と比較して特異な変化が生じることが確認でき，劣化深さの推定に DIC 法によるひずみ計測手法を適用することの有効性が示せた。
キーワード：火害／劣化深さ／画像相関法／局部ひずみ／火害調査／劣化診断
１．はじめに火災を受けた鉄筋コンクリート系構造物の補修工事やそこで，迅速性を要する調査業務への実装を視野に入表面劣化を受けたコンクリートの補修工事において，構れ，まずは，火害による表層コンクリートの劣化深さを簡造体コンクリートの表層部の劣化深さを的確に把握する

便かつ迅速に推定する手法として，損傷したコンクリー

ことは，補修範囲の決定の際にも重要な要因となり，極めト供試体の載荷時に画像相関法（DIC 法：Digital Imageて有用な情報となる。

Correlation Method）によるひずみ計測を適用すること表層コンクリートの劣化深さを評価するための手法とを考案した。

して，既往の研究には，衝撃弾性波などによる非破壊的手本実験に適用する DIC 法は，非接触の三次元変位・ひ法や，構造体コンクリートから採取したコアの載荷時のずみ測定システム（ARAMIS：GOM 社製）であり，カラひずみ挙動により臨界応力度を用いて劣化深さを判定すースプレーなどでランダム模様を付した試験対象物を 2る手法が提案

１）されている。具体的には，劣化損傷を受台の高性能カメラで撮影し，ランダム模様の経時変化をけた構造体コンクリートから直径 100mm～80mm 程度

画像相関法で解析することによって高精度に変位とひずのコアを採取し，コア側面に深さ方向に 2cm 間隔でひずみを測定するものである。このシステムによれば，ひずみみゲージを対面に貼付し，コア供試体の載荷時の軸方向ゲージの貼付が物理的に困難な箇所の測定も可能となり，および直行方向のひずみから算出される臨界応力度によ広範囲または局所的なひずみ分布を三次元的に把握する

り劣化深さを評価する手法である。この臨界応力度によことが可能となる。

る手法は，既往の研究の中でも高精度であり学術的な手以上，本報では，火害による表層コンクリートの劣化深法ではあるものの，ゲージ貼付などの前処理など劣化深さを迅速かつ的確に把握することを目的として，DIC 法

さを評価するまでのタスクが比較的大きく，実務に適用によるひずみ計測手法を適用し，載荷時にリアルタイムするには劣化深さの推定手法も含めて現時点では改善のに得られる供試体の局部ひずみの挙動の変化に基づくコ余地があると考えられる。

ンクリートの劣化深さの推定手法について検討する。

*1 技術研究所 建築材料研究グループ 兼 大阪本店建築部 品質管理室*2 技術研究所 建築材料研究グループ*3 技術研究所 建築構造研究グループ
6-1

淺沼組技術研究報告№32(2020)

700

2.1 実験に供したコンクリート

600

供試体内部到達温度（℃）

２．実験概要本実験に使用したコンクリートは，レディーミクスト
コンクリート工場で製造した呼び強度 30 の普通コンクリートを使用して作製した供試体（直径 100mm 高さ200mm の円柱供試体）である。コンクリートの製造に使用した骨材は，細骨材は海砂，粗骨材は硬質砂岩砕石であ500
400
300
200
1000り，当該生コン工場が JIS 品として日常的に使用してい0るものである。

20406080100120

コンクリート表面からの深さ位置（mm）

実験に供したコンクリートは，十分に養生した後，耐火図－１

コンクリート供試体の受熱温度炉を用いて供試体端面（直径φ100mm の打込み底面側）から加熱劣化を与えたものである。加熱条件は，炉内温度を常温から約 2 時間で 770℃まで上昇させ，その状態で約 5 時間保持（770℃）した後に徐冷した。
図－１に，コンクリート供試体の深さ方向の受熱温度を熱電対により計測した結果を示す。炉内温度 770℃にコンクリート供試体対して，コンクリート供試体の受熱時間 5 時間後における最高到達温度は，表面で 656℃，表層から深さ 50mmの位置で 389℃，100mm の位置で 229℃であった。一般に，コンクリートの圧縮強度は，300℃以上の受熱により徐々に強度低下が生じ，500℃では常温時の強度の 60%

高解像度カメラ以下に低下，ヤング係数は受熱温度と共に徐々に低下す
る２）ことになる。本実験に使用したコンクリート供試体

写真－１

三次元ひずみ測定システムの状況

は，図－１から，表面からの深さが 70mm 程度の位置まで 300℃以上の熱を受けていることから，この深さ以浅の領域には微細ひび割れの発生など，マトリックスの弛緩が生じている可能性があると想定される。
2.2 本実験における劣化深さの推定のための試験方法
DIC 法による三次元変位・ひずみ測定システムでの載荷時のひずみの計測状況を写真－１に示す。コンクリー
トの耐圧試験機に供試体を設置して載荷するのと同時に，高解像度カメラでの三次元ひずみ計測を開始し，供試体が破壊するまで継続した。
ここで，通常の圧縮試験では，加圧板と供試体間に端面a)摩擦ありの場合(通常)摩擦が生じ，図－２a)のように供試体端面付近が加圧板

図－２b)端面摩擦がない場合供試体の端面摩擦の有無による破壊形態１）との摩擦により三軸圧縮状態となり，破壊域が供試体の端部から中央部に移行するせん断破壊型の破壊パターン

供試体と加圧板との摩擦を減じることを目的として，テとなる。一方，図－２b)に示すように，テフロンシートをフロンシートを挿入して載荷することとした。

挿入して加圧板と供試体端面の摩擦を減じる対策を施した場合には，供試体の加圧板に接する上下端部が拘束状

３．DIC 法による局部ひずみの計測結果

態とならず，破壊域が最も脆弱な部分に移行，つまり本実

本実験では，供試体底面から図－１に示した受熱を受験に用いる供試体では，受熱を受けて損傷が生じているけた供試体（以下「After Fire 供試体」と記す）と，未加供試体端面部から一軸圧縮により破壊することになる。

熱の供試体（以下「未加熱供試体」と記す）をそれぞれ準以上のことに配慮し，本実験では，供試体の設置に際し，6-2備し，DIC 法を適用した高解像度カメラを用いた三次元淺沼組技術研究報告№32(2020)

ひずみ計測に供した。
After Fire 供試体および未加熱供試体ともに，載荷時には，供試体上下端面と加圧板の間に図－２b)に示すようにテフロンシート（シートを 2 枚重ねてその間にグリースを挿入）を設置し，供試体端面に生じる摩擦を極力低減するように配慮した。また，供試体の耐圧試験機への設置方向は，加熱面が上側となるように設置した。
DIC 法による三次元ひずみ計測システムでは，写真－１に示すようなランダム模様を付した供試体表面全面の局所ひずみを連続計測すると共に，画像処理によって載a)未加熱供試体

荷途中の局所ひずみの挙動の変化がリアルタイムで可視

写真－２b)After Fire 供試体

載荷中の局所ひずみコンターマップの例化される。そこで，本実験においては，深さ方向の劣化の軸方向（圧縮）ひずみ （％）

程度を推定するために，供試体端面からの深さ（高さ）5,6, 7, 8, 9cm の位置（それぞれ P1～P5 の位置）の圧縮試
験時の供試体表面の局部ひずみ（軸方向圧縮ひずみ）の挙動を抽出することとした。これらの位置を選定した理由
は，図－１に示す After Fire 供試体の受熱温度が 300℃を下回る程度の深さ（深さ 80mm 以深）までは，受熱に0.8Normal（Non Damage）

P1（深さ5cm）
P2（深さ6cm）

0.6

P3（深さ7cm）
P4（深さ8cm）

0.4

P5（深さ9cm）0.20.0
軸方向載荷（ステップ）

よる劣化が生じていないと想定したことによるものであり，本実験で設定した各測定ポイントの局部ひずみの挙

図－３

未加熱供試体における局部ひずみの推移動を捉えることによって，劣化深さをセンチメートルオ軸方向（圧縮）ひずみ （％）

ーダーで把握できると考えたためである。
写真－２a)に，未加熱供試体の載荷途中のひずみ分布のコンターマップ画像の例を示す。色自体の差の詳細には言及しないが，コンターマップからは，未加熱供試体の表面には特異なひずみの変化（局所的な色の変化）が認められず，供試体中央部から端部に向かい徐々にひずみが0.8

After Fire

P1（深さ5cm）
P2（深さ6cm）
P3（深さ7cm）
P4（深さ8cm）
P5（深さ9cm）

0.6
0.4
0.20.0軸方向載荷（ステップ）変化する様相を呈している。一方，写真－２b)に示した
After Fire 供試体におけるコンターマップからは，供試

図－４ After Fire 供試体における局部ひずみの推移

体上部（受熱面が上端）において表面の局部ひずみが不連続となる領域がみられ，深さ 7cm～8cm（P3～P4）までるが，図－４の P1～P3（深さ 5cm～7cm）の軸方向圧縮のひずみが，供試体下部に見られるような未加熱供試体ひずみの挙動には，積荷途中における軸方向圧縮ひずみと類似したひずみの様相とは異なることが認められる。の急激な増大がみられ，供試体上端部、つまり加熱によりここで，供試体上面からの高さ（深さ）が 5cm～9cm

劣化を受けている部分に局所的な破壊が生じていること（P1～P5）の位置に生じた軸方向圧縮ひずみの載荷中のが伺える。ここでいう局所的な破壊とは，セメントマトリ推移を図－３および図－４に示す。図－３には未加熱供ックスと粗骨材の界面の微細ひび割れを指し，加熱劣化試体での計測結果を示しているが，P1～P5 の各点におけにより局部的な破壊が生じている部位では，載荷中に骨る載荷中の軸方向圧縮ひずみは，未加熱供試体の載荷中材界面の微細ひび割れが徐々に連結し進展することによのコンターマップに示されるようにほぼ同様に変化してり，健全な部位とは異なる局部ひずみの挙動を呈するといることが定量的に把握できる。これに対し，After Fire考えられる。このことに基づけば，図－４に示す加熱劣化供試体の P1～P5 の位置の局所ひずみの推移を図－４にを受けたコンクリートの劣化深さが 7cm 程度であること示す。P4 と P5 に示す深さ 8cm より下部（深い位置）のが容易に推定できる。

ひずみ挙動は，図－３に示す未加熱供試体のひずみ挙動

また，図－５に，図－４と同じ受熱環境で深さ方向に加と類似し載荷とともに徐々にひずみが増大する傾向にあ熱劣化を与えた After Fire 供試体における DIC 法による
6-3

軸方向（圧縮）ひずみ （％）

淺沼組技術研究報告

P1（深さ5cm）
P2（深さ6cm）
P3（深さ7cm）
P4（深さ8cm）
P5（深さ9cm）

0.8
0.60.4が，写真－３では 7～8cm 付近の深さまで変色が生じてAfter Fireいることが確認できる。本実験に供した After Fire 供試体は，図－１に示したように，深さ 7cm 程度までは 300℃以上の加熱を受けており，写真－３に示される変色領域と概ね一致している。

0.20.0４．まとめ

軸方向載荷（ステップ）

図－５№32(2020)

画像相関法（DIC 法）による三次元ひずみ計測の適用

同条件での After Fire 供試体における推移によって，加熱劣化を受けた表層コンクリートの載荷中のひずみ挙動に，健全部のコンクリートのひずみ挙動とは異なる変化が生じることが確認でき，その挙動により表層コンクリートの劣化深さが推定できることを示した。
しかし，現段階では，ひずみ挙動の特異な変化の程度を定性的に評価することによって劣化深さを推定しているのみである。
今後，さらに表層劣化に関する実験を継続し，局部ひずみの挙動の変化に基づく，劣化深さの簡便かつシステマティックな推定手法の提案と併せて，火害調査診断に対する実務的かつ実装可能な劣化深さの推定手法を確立したい。

【謝辞】
写真－３

火害による表層コンクリートの劣化を模擬したコンク

After Fire 供試体の載荷後の切断面リート供試体の前処理および加熱処理には，一般財団法
局部ひずみの計測結果を示す。載荷による各点（P1～P5）

人 日本建築総合試験所の春畑仁一様に多大なご協力をのひずみ挙動は，図－４とはやや異なる傾向を示すもの

頂きました。ここに記して感謝の意を表します。の，図－4 と同様に，供試体上端面から 5～7cm（P1～P3）の位置における局部ひずみに特異な挙動が認められるこ【参考文献】とから，同条件の加熱劣化を受けた After Fire 供試体に

1) 春畑仁一, 新井 真, 池田憲一：火災を受けたコンクリよる，本報で示した推定手法の再現性が確認できた。

ート部材から採取したコアの圧縮応力－体積ひずみ曲加えて，載荷後の After Fire 供試体の縦方向の切断面線による変形特異点を用いた火害損傷深さの推定に関を写真－３に示す。一般に，コンクリートは 300℃～する基礎的研究, 日本建築学会構造系論文集, 第 84 巻

600℃の受熱により主としてモルタル部分が変色すると

第 765 号, pp.1497-1502, 2019.11
2) （一社）日本建築学会編「建物の火害診断および補修・考えられている。変色の程度は使用材料によって異なる

補強方法 指針・同解説」

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