衝撃弾性波試験

◎ 衝撃弾性波試験 ◎

はじめに
コンクリート構造物の耐久性が社会問題となり、コンクリート構造物の新設時の品質や維持管理の重要性が指摘されています。
本誌で紹介する弾性波レーダシステムiTECS（アイテックス）はコンクリート構造物の非破壊試験システムです。
iTECSは構造物に損傷を与えることなく、同じ位置で同じ試験を繰返し行うことができるため、コンクリート構造物の新設段階から、又は既存の
コンクリート構造物において、構造物の経年変化を把握するなど、コンクリート構造物の適切な維持管理に役立つものと期待されています。

iTECSとは iTECSのセンサーをコンクリート表面に押しつけ、センサーの近傍を鋼球などのインパクターにより打撃すると、弾性波が発生し、コンクリート中を伝搬します。この弾性波はコンクリートの弾性率、密度によって、伝搬する速度が変化するとともに、内部に空洞などが存在すると、空洞位置で反射する性質があります。 iTECSはこのインパクターによる打撃によって生じる弾性波をセンサーで観測し、弾性波の伝搬速度、反射時間などを測定してコンクリート表面、内部の状況を非破壊で検査するシステムです。
測定内容１．コンクリートの圧縮強度推定２．コンクリートの厚さ測定や内部欠陥状況３．ひび割れの深さ	図）弾性波の伝搬モデル
特長１) 測定が簡単・センサーを測定面に軽く押しつけて、打撃するだけの簡単な測定です。・コンクリート表面に対して特別な処理を必要としません。短時間で測定できるので、より多くの測定点での測定が可能となります。２) 多機能・高精度・iTECSでは圧縮強度、厚さ、欠陥探査など、多くの項目についての測定が可能です。・コンクリート厚さの測定精度は約±4％です。３) 深部までの探査可能・コンクリート構造物の厚さ測定、欠陥探査では厚さ100mm～2500mmに適用できます。・深さ100mm未満の欠陥（表面剥離）については、欠陥の平面位置を探査することができます。
１．コンクリート圧縮強度の推定測定対象のコンクリートの内部を伝搬する弾性波の速度を測定することでコンクリートの圧縮強度を推定します。コンクリート内部を伝搬する弾性波速度とコンクリートの圧縮強度との間には、同一配合であれば強い相関関係があります。つまり、この相関関係を利用して、iTECSにより測定した弾性波速度からコンクリートの圧縮強度を推定します。 ◎推定手順１、コンクリート打設時に円柱供試体を複数作成し、これら供試体における圧縮強度と弾性波速度の関係から強度換算（あるいは推定）式を求めておく（図-1.1）。２、コンクリート構造物の任意の場所において、iTECSにより弾性波速度を計測する（写真-1.1）。３、図-1.1のように構造物で求めた弾性波速度と強度換算式から強度を推定する。 ◎推定精度新設コンクリート構造物でiTECSにより推定した圧縮強度と、コア採取による圧縮試験結果を比較した結果は、図-1.2のとおりです。図-1.2より、iTECSを用いた場合、概ね±15％以内の誤差で強度推定が可能となります。 ※本測定内容は国土交通省「微破壊・非破壊によるコンクリート建造物の強度測定試行要領（案）」に基づきiTECS法として試行導入されています。国土交通省ホームページ http://www.mlit.go.jp/tec/cost/sekkei/pdf/180925-2.pdf (独)土木研究所ホームページ http://www.pwri.go.jp/renewal/relation/conc-kyoudo.html	図-1.2 iTECSによる推定圧縮強度とコアサンプリングから求められる圧縮強度との関係
２．コンクリートの厚さ、内部状況の測定測定の対象となるコンクリートにおいて弾性波の反射時間を測定することにより、コンクリートの厚さを測定します。コンクリート内部に欠陥等が無い健全なコンクリートは、コンクリート背面までの往復反射時間が測定され、厚さを求めることができます（図-2.1左図）。しかしながら、コンクリート内部に空洞等が存在すると、コンクリート内部を伝搬する弾性波は空洞面で反射するため、反射時間が短くなり、iTECSによる測定厚さは薄く測定されます（図-2.1中央図）。一方、コンクリート内部にジャンカ等の脆弱部が存在すると、弾性波の伝搬速度が低下するため、反射時間が長くなり、iTECSによる測定厚さは見かけ上厚く測定されます（図-2.1右図）。これらの性質を利用して、測線上におけるiTECSによる測定厚さの変化から、コンクリート内部に存在する欠陥等の範囲・位置を推定することが可能となります。
	←図-2.1 各コンクリート状況での弾性波の伝搬模式図
◎推定手順１．各側線上において、順次、iTECSによる弾性波の反射時間を測定する。２．弾性波の反射時間から測定箇所のコンクリート厚さを推定する。３．各測点での推定コンクリート厚さをグラフ表示により面的に展開し、コンクリート内部に存在する欠陥等の範囲・位置を確認する(図-2.2)。 ◎推定精度・シールドトンネルにおいて、iTECSによる計測結果からコンクリートの内部状況を推定した結果は、図-2.2のとおりです。・反射時間の短い部分について現場確認を行った結果、写真-2.2のように、覆工とセグメントの間に空洞が確認されました。
３．ひび割れの深さの測定 ◎測定原理ひび割れ付近で発生する弾性波についてひび割れ部の近傍でコンクリート表面をインパクターにより打撃すると、コンクリート内部を伝搬し、ひび割れ先端を回折する弾性波が発生し、表面に最も速く到達します。表面に最も速く到達する弾性波の種類は、ひび割れ先端を回折するときの角度θによって変化します。急に変化する境界を「臨界」といいます。ひび割れ先端から回折する波は、ある角度で性質の異なる波に変化します。このときの角度を「臨界角」と呼び、角度θ＜臨界角の場合には引張波、θ＞臨界角の場合には圧縮波となります。コンクリートの臨界角は約90°です。また、コンクリート表面に設置したセンサーで、表面に最も速く到達する弾性波を測定すると（図-3.1）、引張波は下に凸形状（図-3.2の上図）、圧縮波は上に凸形状（図-3.2の下図）と測定波形は変化します。以上の性質から、センサーの測定波形の第１波に着目すれば、以下のとおり判断できます。 ●下に凸形状⇒θ＜臨界角 ●上に凸形状⇒θ＞臨界角 ◎測定方法 1．ひび割れ開口部を中点として、センサー設置点、打撃点が一直線となるように測定点を設定します（写真-3.1） 2．センサーと打撃点の距離Lを徐々に長く変化させ、弾性波がひび割れを回折するときの角度θを徐々に大きく変化させます。 3．センサーの測定波形の第１波に着目し、測定波形が下に凸形状から、上に凸形状に変化する距離L0を決定します（図-3.3） 4．コンクリートの臨界角は約90°であることから、ひび割れ深さDは下式により求められます。	写真-3.1　ひび割れ深さ測定結果例
コンクリート表面にひび割れが確認される場合に、そのひび割れの深さをiTECSにより測定します。