超音波伝播速度測定によるコンクリート構造物の凍害診断に関する基礎的研究

Diagnosis of Frost Damage in Concrete Structures by Measurement of Ultrasonic Propagation Velocity

林田　　宏＊　田口　史雄＊＊　遠藤　裕丈＊＊＊　草間　祥吾＊＊＊＊

Hiroshi HAYASHIDA，Fumio TAGUCHI，Hirotake ENDOH and Shogo KUSAMA

　本研究では、凍害劣化を受けたコンクリート構造物中の水分が超音波伝播速度に与える影響について検討するため、超音波伝播速度、電気抵抗式含水率計による水分量と顕微鏡観察による微細ひび割れ本数の関係について検討を行った。その結果、超音波伝播速度は凍害劣化による微細ひび割れ中の水分の影響を受けることが定量的に明らかとなった。また、これらの調査結果を用いて凍害深さに関する検討を行った結果、凍害深さを推定する方法として超音波伝播速度法の有効性が確認できた。《キーワード：超音波伝播速度；コンクリート構造物；凍害診断；水分；微細ひび割れ》

　This study was conducted to clarify the infl uence of water content on the ultrasonic propagation velocity in frost-damaged concrete structures. Ultrasonic propagation velocities were measured for concrete with diff erent water content as determined by electrical resistance and for concrete with different densities of micro-cracks as determined by microscopy. The study found that ultrasonic propagation velocity in concrete was influenced by water in micro-cracks that were caused by frost damage. Depth of frost damage could be accurately estimated from ultrasonic propagation velocity.《Keywords: ultrasonic propagation velocity; concrete structures; frost damage diagnosis; water content; micro- cracks》

報　文

10 寒地土木研究所月報　№656　2008年１月

　寒冷地におけるコンクリートは凍害によって発生する微細ひび割れ等により、組織がゆるみ、それに起因して圧縮強度の低下や塩化物イオン浸透速度の増加などが起こることが多い。コンクリート構造物を適切に維持するためには、凍害によりコンクリート組織が変化した部分や劣化程度（以下、「凍害劣化」という。）を把握することが重要である。凍害劣化を把握する方法として、超音波伝播速度、細孔径分布や顕微鏡観察による方法などが提案されているが、これらの方法を用いた既存のコンクリート構造物における凍害劣化の評価方法は、未だ十分に確立されていない。著者らは、このような背景から、より簡便で経済的に調査を行うことが可能な診断手法を確立するため、その一手法として超音波伝播速度を用いた凍害診断について検討を行っており、前報１）で定性的な水分の影響を明らかにした。本報では、水分の影響を定量的に明らかにするため、電気抵抗式含水率計を用いて水分量と超音波伝播速度との関係について検討を行った結果について報告する。また、凍害劣化を受けた部分を超音波伝播速度から評価するための基礎情報として顕微鏡観察によるひび割れと超音波伝播速度との関係について検討を行った結果およびこれらの結果を用いて凍害深さに関する検討を行った結果についてもあわせて報告する。

　調査は に示すＡ橋の橋台竪壁側面の凍害劣化部（以下、「劣化部」という。）を対象として行った。Ａ橋は昭和47年に架設され、調査時点で34年が経過しており、冬季には最低気温が約－20℃となる地域に架設されており、コンクリートの凍結温度を－２℃２）とし

た場合の凍結融解回数は、時間毎の気温で判断すると、１年で約80回、経過年数で換算すると約2700回程度である。調査構造物は に示すように水みちが見られ、表面は粗骨材がいくつか露出している状態であった。また、 に示すように桁下のため水分の供給を受けないＡ橋の橋台竪壁前面の健全部（以下、「健全部」という。）についても比較のために調査を行った。

A

寒地土木研究所月報　№656　2008年１月 11

　１）内部水分量調査　構造物の水分量が超音波伝播速度に与える影響を把握するため、電気抵抗式含水率計（ ）を用いた実構造物の内部水分量調査を行った。この装置は測定対象物に低周波（120Hz）電圧を１V加え、その電流電圧変化を測定して間接的に含水率を求めるものである。電極はコンクリートに対して一様な接触状態を得るために金属ブラシを用いている。測定は、φ６㎜乾式ドリルで２つの孔を約３㎝間隔であけ、計測時には接触部が十分削孔面に接触するようにエアーで削孔内部を清掃した後、その中にブラシ電極を差し込み、深さ２㎝、４㎝、６㎝、８㎝、10㎝の５箇所で計測を行った。なお、水分量調査については、コアを採取後、採取位置から５㎝離れたところで調査を行った（ ）。　２）超音波伝播速度測定　劣化部および健全部から採取したコア（φ10㎝）を湿潤のままの状態と乾燥機で乾燥させた状態の２通りについて に示す方法で超音波伝播速度測定を行った。なお、乾燥に当たっては、組織変化に対する影響を考慮し、40℃３）でコアの質量が一定となるまで乾燥させた。また、超音波伝播速度の測定に当たっては、周波数は28kHz とし、センサーはφ20㎜を使用した。　３）顕微鏡観察によるひび割れ密度測定　凍害によって発生する微細ひび割れ等による組織変化を直接確認するため、超音波測定位置でコアをスライスし、顕微鏡を用いて測線長１㎜あたりのひび割れ本数を算出し、超音波伝播速度測定との関係について検討を行った。なお、試料面積、測線長は米国材料試験協会規格ASTM C 457に準じ、微細ひび割れをきわだたせるための蛍光塗料等は用いていない（）。　上述の１）～３）の測定については、コンクリート標準示方書では凍害深さがかぶり以上になったとき、鋼材腐食が著しくなり、使用性能や安全性能に影響を及ぼすとされている４）ことから、いずれの測定も竪壁のかぶりである深さ10㎝まで測定を行った。

12 寒地土木研究所月報　№656　2008年１月

　 に超音波伝播速度測定結果を示す。劣化部（湿潤）の速度は表面に向かって低下傾向を示しているものの、全体的に速く、健全部（湿潤）との差は大きくないが、乾燥を行うことによりその差が明瞭となった。また、健全部（乾燥）の速度に着目すると、８～ 10㎝で速度4300m/sで概ね一定となっており、この速度（図中の青点線）と健全部（乾燥）の速度を比較すると、一般的に健全なコンクリートでも深部の速度は概ね一定であるが、表面に近いほど低下する５）とされている傾向が確認できる（図中の緑矢印）。一方、劣化部（乾燥）の速度は健全部（乾燥）に比べ、凍害劣化のため、さらに低下している（図中の赤矢印）。　 は湿潤と乾燥の速度差を示したものであるが、健全部は４㎝以深で概ね一定であるのに対し、劣化部では表面に近いほど速度差が大きくなっている。

は水分量を示したものであるが、劣化部は健全部に比べて水分量が多く、また表面に近いほどその差も大きい。 は劣化部の超音波伝播速度（乾燥）とひび割れ本数の関係を示したものであり、凍害に特徴的に発生する微細ひび割れの本数が多いほど、速度が低下する傾向を示しており、両者には良好な相関関係があるものと考えられる。　以上のことをまとめると、次のようになる。①　劣化部は表面に近いほど凍害による微細ひび割れが多くなっており、その中に水分が存在するため、劣化部と健全部の水分量の差は表面に近いほど拡大する（ , ）。

②　このため、劣化部は表面に近いほど、湿潤と乾燥の速度差が大きくなる（ ）。すなわち、本来は劣化に伴い速度が低下するはずが、湿潤状態では微細ひび割れ中の水分の影響により、劣化部の速度低下が起こりにくくなっている（ ）。

　凍害劣化を受けたコンクリート構造物の補修設計などを検討する際は診断結果から組織がゆるんでいる凍害劣化範囲、すなわち、断面を除去する範囲を特定する必要がある。そこで、以下では得られた結果を基に凍害深さに関する考察を試みた。　いくつかの研究では凍害劣化の評価に当たって、耐凍結融解抵抗性の評価指標としてなじみの深い相対動弾性係数を用いて評価を行う試みがなされている。緒方ら６）は実験式である式（1）を用いて動弾性係数を求め、式（2）から相対動弾性係数を求める方法を提案している。

寒地土木研究所月報　№656　2008年１月 13

　　

708.20438.140387.4 2 +−= VVEd （1）

100(%) ×=do

dn

EE

相対動弾性係数 （2）

ここに、Ed、Edn：供用中のコンクリート構造物における動弾性係数（GPa）、Edo：供用開始直後のコンクリート構造物における動弾性係数、もしくは供用開始直後の測定値がない場合は供用中のコンクリート構造物において健全とみなせる箇所の動弾性係数（GPa）、V：超音波伝播速度（km/s）である。

　本報においてもこの方法により相対動弾性係数を求めて凍害深さの評価を行った。なお、相対動弾性係数の算出に当たり Ednの算出では劣化部（乾燥）の超音波伝播速度を用い、また、Edoの算出では健全とみなせる箇所の超音波伝播速度として深さ10㎝のものを用いた。算出結果を に示す。　相対動弾性係数を用いた凍害深さの評価については様々な考え方が用いられているが、コンクリート標準示方書（施工編）７）では凍結融解作用に関する照査は、構造物中のコンクリートが劣化を受けた場合に関して、気象条件、断面、構造物の露出状態により相対動弾性係数の最小限界値等を用いて行うこととしており、相対動弾性係数の最小限界値は85 ～ 60％の範囲で設定されている。また、桂ら８）は、室内実験の結果から相対動弾性係数で85％程度を境として、凍害劣化の進行が加速することを明らかにしている。これは、凍害劣化による微細ひび割れ内に水が供給されることで、凍結水量が増加し組織の劣化が加速されるためであるとしている。これらの知見から今回の検討ではコンクリート標準示方書が定める相対動弾性係数の最小限界値のうち、もっとも安全側である85％を仮の閾値とし、この値を下回る部分を凍害劣化による組織のゆ

るみ域として仮定すると、 の結果から約８㎝までが凍害劣化範囲であると考えられる。この結果はに示すようにひび割れ本数が約８㎝の深さから表

面に向けて増加していること、また、健全なコンクリートの一般的な超音波伝播速度は4000m/s 以上とされており９）、表面から約８㎝までの部分で超音波伝播速度が4000m/s 以下となっている結果とも一致する。

　以上のことをまとめると、次のようになる。①　劣化部は表面に近いほど凍害による微細ひび割れが多くなっており、その中に水分が存在するため、劣化部と健全部の水分量の差は表面に近いほど拡大する。

②　劣化部は表面に近いほど、湿潤と乾燥の速度差が大きくなる。すなわち、本来は劣化に伴い速度が低下するはずが、湿潤状態では微細ひび割れ中の水分の影響により、劣化部の速度低下が起こりにくくなっている。

③　凍害深さの考察に当たり、相対動弾性係数を用いた結果、超音波伝播速度の絶対値やひび割れ本数による結果と一致し、凍害深さの評価を行う上で有効な評価指標となりえる可能性があることを確認した。

　今回の調査結果から、超音波伝播速度測定は凍害劣化による微細ひび割れ中の水分の影響を受けることが定量的に明らかとなった。今後は超音波伝播速度を用いた凍害診断手法の精度を高めるため、顕微鏡観察による組織変化確認とあわせて、さらに事例の収集などを行う予定である。

１） 林田宏、田口史雄、嶋田久俊：超音波伝播速度測定による実コンクリート構造物の凍害深さ推定について、北海道開発土木研究所月報 No.642、pp2-8、2006.11

２） コンクリート技術の要点’99、pp.155、日本コンクリート工学協会、1999

３） 堀宗朗、多田浩治、斎藤裕、三浦尚：細孔構造の変化に着目したコンクリートの低温劣化の診断法の基礎的研究、コンクリート工学年次論文集Vol.13、pp723-728、1991.7

４） コンクリート標準示方書［維持管理編］、土木学会、pp.115、2001

５） 微破壊・非破壊試験によるコンクリート構造物の強度測定要領（案）、国土交通省、2006

６） 緒方英彦、野中資博、藤原貴央、高田龍一、服部

14 寒地土木研究所月報　№656　2008年１月

九二雄：超音波法によるコンクリート製水路の凍害診断、コンクリートの凍結融解抵抗性の評価方法に関するシンポジウム、日本コンクリート工学協会、pp63-70、2006.12

７） コンクリート標準示方書［施工編］、土木学会、pp.29、2002

８） 桂修、松村宇：コンクリートの凍害劣化度評価と予測法に関する研究、コンクリートの試験方法に関するシンポジウム、日本建築学会、pp2-11-2-16、2003.11

９） 文献２）、pp.106

林田　　宏＊

寒地土木研究所寒地基礎技術研究グループ耐寒材料チーム主任研究員

田口　史雄＊＊

寒地土木研究所寒地基礎技術研究グループ耐寒材料チーム上席研究員技術士（建設部門）

遠藤　裕丈＊＊＊

寒地土木研究所寒地基礎技術研究グループ耐寒材料チーム研究員

草間　祥吾＊＊＊＊

寒地土木研究所寒地基礎技術研究グループ耐寒材料チーム研究員

寒地土木研究所月報　№656　2008年１月 15