論文 マルチスペクトル法を用いたコンクリート構造物の塩害調査 金田

論文 マルチスペクトル法を用いたコンクリート構造物の塩害調査

金田 尚志^*1・魚本 健人^*2

要旨：コンクリート構造物の塩害調査は一般に，腐食ひび割れ等の目視点検，コアを採取し，

コンクリート中の塩化物イオン濃度を測定する方法，コンクリートのかぶりをはつり，鋼材 の腐食状況の確認，自然電位法による腐食の推定等が行われている。本研究では，ハイパー スペクトルリモートセンシングの技術を用い，非接触でコンクリート表面の塩化物イオン濃 度の推定を試みた。塩化ナトリウムを含む供試体の表面スペクトル特性の計測を行い，画像 解析から本手法の有効性を確認した。

キーワード：非破壊検査，マルチスペクトル法，塩分濃度，分光特性

1. はじめに

コンクリート構造物の劣化診断の第一段階と して，まず目視点検による外観調査が行われ，

その調査結果に基づいて，劣化原因・劣化程度 の推定，更には非破壊検査や必要に応じて部分 的な破壊検査が行われている。土木構造物はそ の性質上，調査範囲が広く，環境条件や立地条 件が厳しい場合が多く，調査に多大な労力と費 用がかかることがある。

本研究では，外観調査の技術の一つとして，

マルチスペクトル法に着目し，コンクリート構 造物表面の塩分濃度の検出の可否を検討した。

本手法を用いることで，従来のコアを採取して，

コンクリート中の塩化物量を測定する方法より，

短時間で簡易的に塩分濃度の推定が可能となる と考えられる。

2. マルチスペクトル法の原理

マルチスペクトル法は，リモートセンシングの 技術で用いられており，地球上のあらゆる物質 が固有の仕方で電磁波を反射，または放射する 性質を利用したものである。この性質を分光特 性といい，この特性を用いて，構成成分を特定 する方法が実用化されている。人間の目は電磁

波のうちの可視域とよばれる極めて狭い範囲し か観測することができないが，リモートセンシ ングでは，近赤外域，熱赤外域，マイクロ波帯 域など様々な波長帯が利用される。また，高い 波長分解能で対象物のスペクトル特性を計測す る技術をハイパースペクトルリモートセンシン グという。この技術により，可視，近赤外，短 波 長 赤 外 域

(400

～2500nm)の 波 長 域 で 分 解 能

10nm

以下でスペクトル特性を連続的に観測で きるようになった。物質によってどのように反 射率が変化するかを示すスペクトルを図-1 に 示す。物質によって，そのスペクトルが多様で あることがわかる。また目に見える領域(0.38～

0.78µｍ)以外でも反射率が変化しており，植物

でもパターンは似ているがその種類によって反 射率が異なることが確認できる。

*1東京大学大学院 工学系研究科 社会基盤工学専攻 (正会員)

*2東京大学教授 東京大学生産技術研究所 都市基盤安全工学国際研究センター 工博 (正会員) 図-1 分光反射率特性¹⁾

コンクリート工学年次論文集，Vol.25，No.1，2003

3. 実験概要 3.1 供試体

土木学会コンクリート標準示方書

(維持管理

編)²⁾のコンクリート表面塩化物イオン濃度と鉄 筋の腐食発生限界濃度を想定して(表-1)，塩化 ナトリウムを混入した

4×4×16cm

のモルタル供 試体を作成し，気乾養生を行った(表-2)。供試 体作成時には，塩化物濃度が不均一にならない ように材料分離に注意し，養生後，コンクリー ト表面の塩分量を分析した。

3.2 測定方法

供試体表面の分光特性の測定は，暗室内で

GER

社製ポータブルスペクトルメーターを用い，図 -2のように測定面に対して

45°の入射角度で光

源を一定保ちながら行った。分光反射率を算出 する基準白板として，硫酸バリウム板を用いた。

測色技術の観点から見ると，完全拡散反射面と いうすべての波長の光を

100%反射する白色が

基準になり，それに対する反射率の比を絶対反 射率という。完全拡散反射面は実物が得られな いため，硫酸バリウム(BaSO₄

)粉末の圧着面を完

全拡散反射面と仮定し標準白色面として用いる。

標準白色面の分光反射率曲線はすべての波長に おいて，99%前後の一様な高い反射率を示す。

3.3 供試体のスペクトル計測

供試体の分光反射率は，式(1)のように測定さ れた放射輝度を，同一条件で測定された白板の 放射輝度(図-3)で除することで算出できる。

標準白板の放射輝度 供試体の放射輝度

分光反射率 = (1)

式(1)から，見かけの分光反射率を求め，この値 を用いて供試体の分光特性を評価する。図-4に 測定したスペクトルから算出された各供試体と 塩化ナトリウムの分光反射率を示す。グラフか 単位量(kg/m³)

W/C S C W

50% 1397 576 288 供試体 No. 塩化物混入量(kg/m³)

N 無混入

1 1.2

2 1.5

3 2.0

4 3.0

5 4.5

6 9.0

7 13.0

表面における塩化物イオン濃度 Co(kg/m³) 海岸からの距離(km) 飛沫帯 汀線付近 0.1 0.25 0.5 1.0

腐食 発生 限界 13.0 9.0 4.5 3.0 2.0 1.5 1.2

Bandwidth Spectral Range

350nm～1050nm 1050nm～2500nm 350nm～2500nm 1.5nm 11.5nm Digitization Wavelength Repeatability Sighting

16bit +0.1nm Laser

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

波長(nm)

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000

放射輝度

(W

・

cm -2

・

sr -1

・

n m -1

・

10 -1 0 )

図-3 白板を用いて測定した光源の分光特性 表-1 コンクリート表面の塩化物イオン濃度

表-2 配合表

標準光源

モルタル供試体 5°

ハイパースペクトルメーター

45°

光

標準光源

モルタル供試体 5°

ハイパースペクトルメーター

45°

光

図-2 供試体のスペクトル測定

表-3 スペクトルメーターのスペック

ら見てとれるように，同様なパターンを示して いるが，供試体ごとに分光反射率がばらついて おり，供試体中の塩分濃度が増えても，分光特 性の変化に関する特有の傾向は確認できない。

実験条件を厳密に同じに設定しても，供試体表 面そのものの色，ムラ，気泡等によって，光の

反射率が異なることが原因と考えられる。した がって，分光反射率の値そのもので，供試体中 の塩分濃度を推定することは困難である³⁾。 3.4 1 次微分スペクトルの導入

分光反射率の値は，測定条件，状態によって 影響を受ける。また，フィールドでの測定では

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.N(無混入)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR 供試体No.1(1.2)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.2(1.5)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.3(2.0)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.4(3.0)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.5(4.5)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.6(9.0)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.7(13.0)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

塩化ナトリウム 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

波長(nm) 15

25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.N(無混入)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR 供試体No.1(1.2)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.2(1.5)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.3(2.0)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.4(3.0)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.5(4.5)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.6(9.0)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

供試体No.7(13.0)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 波長(nm)

15 25 35 45 55 65 75 85 95

分光反射率:SR

塩化ナトリウム

図-4 供試体と塩化ナトリウムの分光反射率 ( )内は塩化物量 kg/m³

0 500 1000 1500 2000 2500

波長(nm) -2

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

1 次 微 分 値

N(無混入) No.1(1.2) No.2(1.5) No.3(2.0) No.4(3.0) No.5(4.5) No.6(9.0) No.7(13.0) NaCl

図-5 1 次微分スペクトル ( )内は塩化物量 kg/m³

測定毎に条件，状態が刻々と変化することが考 えられる。よって，スペクトルの形状が構成物 質の特徴を表していると考え，式(2)のように各 波長における傾きを表す 1 次微分スペクトルを 導入した。

λ

∆

=

ⁱ⁺¹

+

ⁱ⁻¹

i

SR

dSR SR (2)

ここに，Δ

λ

：波長間隔，dSR_i：分光反射率の

1

次微分値，SRi+1・SRi-1：SRiを中心とする

i+1

と

i-1

の分光反射率

図-5 に各供試体と塩化ナトリウムの各波長 における

1

次微分スペクトルを示す。図-5のグ ラフから，1540nm，1657nm，1820nm，1870nm 近辺で

1

次微分値の値が，供試体の塩化物混入

量に依存していることが確認できる(図-6)。

よって，この波長近辺の

1

次微分スペクトルに 着眼することで，供試体中の塩分量が推定でき ると考えられる。

3.5 特徴波長域の特定

抽出した各波長

(1540nm，1657nm，1820nm，

1870nm)毎の 1

次微分値と供試体の塩分量の関

係を図-7に示す。

線形回帰分析の結果，1870nmにおける

1

次微 分値と塩化物混入量の相関が高いことが判明し た。

4. マルチスペクトルイメージャーの導入

ハイパースペクトルメーターを用いて，物質 特有のスペクトル特性を把握することで，構成 物質をある程度推定することが可能となった。

しかし，広いコンクリート表面を調査する場合，

撮影した画像データから，コンクリート表面の 塩化物の濃度・分布の推定を行う必要がある。

本研究では，ハイパースペクトルメーターから 得られた情報を基に，マルチスペクトルイメー ジャーによる測定を行った⁴⁾。

4.1 イメージャーのシステム概要

スペクトル計測と同様に，暗室内で測定面に

対して

45°の入射角度で光源を一定保ちながら

行った(図-8)。カメラの撮影には，CRI 社製液 晶フィルターを用いた。このフィルターの特徴 は，任意の波長帯を指定でき，従来のフィルタ

0 2 4 6 8 10 12 14

塩化物混入量

(kg/m3) -0.5

-0.3

次微分値

1 -0.1

0.7 0.9 1.1

1

次微分値

1540nm 1657nm 1820nm 1870nm

1540nm(近似直線) 1657nm(近似直線) 1820nm(近似直線) 1870nm(近似直線)

R

²

=0.783

R

²

=0.768 R

²

=0.778

R

²

=0.814

0 2 4 6 8 10 12 14

塩化物混入量

(kg/m3) -0.5

-0.3

次微分値

1 -0.1

0.7 0.9 1.1

1

次微分値

1540nm 1657nm 1820nm 1870nm

1540nm(近似直線) 1657nm(近似直線) 1820nm(近似直線) 1870nm(近似直線)

R

²

=0.783

R

²

=0.768 R

²

=0.778 R

²

=0.814

図-7 1 次微分値と塩化物混入量

モルタル供試体 45°

標準光源

光

マルチスペクトル イメージャー(近赤外カメラ)

液晶フィルター

モルタル供試体 45°

標準光源

光

標準光源

光

マルチスペクトル イメージャー(近赤外カメラ)

液晶フィルター

図-8 マルチスペクトルイメージャーシステム

1500 1600 1700 1800 1900 2000

波長(nm)

-0.6

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

1

次微分値

N(無混入) No.1(1.2) No.2(1.5) No.3(2.0) No.4(3.0) No.5(4.5) No.6(9.0) No.7(13.0) NaCl

図-6 特徴波長域の 1 次微分スペクトル

ーのように，波長帯域ごとに一枚一枚交換する 必要がないところにある。

4.2 イメージャー画像の解析方法

撮影された画像は，ビットマップファイル

(*.bmp : 8

ビットグレースケール)で保存される。

よって，放射輝度は，ピクセルの濃淡で記録さ れる。スペクトルメーターの計測と同様に，白 板を基準とし，供試体表面の分光特性を色調段 階(パレット番号)で比較する(式

(3))。

標準白板の色調段階 供試体表面の色調段階 分光反射率 = (3)

測定する面に標点を設定し，その範囲の濃度

値分布のヒストグラムから，代表値を決定した。

例として，供試体

No.7

の

1000nm

と

1550nm

に おけるイメージャー画像を示す(図-9)。

図-10 に測定面の濃度値分布のヒストグラム を示す。図-9 のグレースケール画像からでは，

判別が難しいが，同一供試体において，フィル ターの設定波長域によって，濃度値が異なるこ とが確認できる。この場合，1000nmの方が，放 射輝度が高くなっていることが確認できる。図 -4では，

1000nm

より，

1550nm

の反射率が高い が，図-3から確認できるように光源の放射輝度 のピークが

1000nm

近辺にあり，

1500nm

付近で は，放射輝度が下がっているため，このような 結果となった。

4.3 イメージャーによる塩分量の推定

3.5 項で

1

次微分値と塩化物混入量の関係か ら

1540nm，1657nm，1820nm，1870nm

の特徴 波長域を抽出した。その中でも，1870nm が

1

次微分値と塩化物混入量の相関性が高く，この 波長域を用いて測定を行うことが望ましい。し かし，システムの性能上，900～1700nmの範囲 しか測定できないため，

1657nm

の特徴波長域を 用いて以下の手順で供試体の塩化物混入量の推 定を行った。

1)

白板の放射輝度のピーク波長(凹凸の任意の

2

点)の濃度値からパレット番号と放射輝度を整 合化

2)

白板の濃度値を

1657nm

前後の波長で連続的 に測定

3)

各波長における白板の濃度値の代表値をヒ ストグラムから算出

4)

各供試体の濃度値を

1657nm

前後の波長で連 続的に測定

5)

各波長における供試体表面の濃度値の代表 値をヒストグラムから算出

6)

供試体ごとに各波長における反射率を(手順

5

で算出した濃度値の代表値)/(手順

3

で算出し た濃度値の代表値)で算出(式(3))

7)

供試体ごとに

1657nm

における

1

次微分値を

Spectral Sensitivity Typical Resolution 近赤外

カメラ 400～1800nm 550Lines Wavelength Range Bandwidth 液晶フィ

ルター 900～1700nm 20nm

1000nm 1550nm

1000nm 1550nm

図-9 イメージャー画像 (供試体 No.7) 表-4 システムのスペック

図-10 濃度値分布のヒストグラム(供試体 No.7)

100 110 120 130 140 150 160

パレット番号

0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

頻度分布

(% )

1000nm 1550nm

1550nm 1000nm

放射輝度:小 放射輝度:大

100 110 120 130 140 150 160

パレット番号

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

頻度分布

(% )

1000nm 1550nm

1550nm 1000nm

放射輝度:小 放射輝度:大

式 (2)から算出

8)

図-6から本システムの有効性を確認

図-11 にマルチスペクトルイメージャーで測 定された

1

次微分値と塩化物混入量の関係を示 す。値にばらつきがあるものの，塩化物混入量 が増加するにしたがい，1 次微分値が小さくな る傾向が確認できる。本研究で用いたイメージ ャーの色調段階が

256

色と小さいことと，供試 体表面の色のムラが測定結果に影響を及ぼした と推測される。イメージャーを用いることで，

任意面の塩化物濃度の推定がある程度可能と考 えられる。

5. 結論

塩化物ナトリウムが混入されているモルタル 供試体を用いてその分光特性を測定した結果，

以下のことが確認できた。

1)

モルタル供試体の分光反射率を測定した結 果，同様なパターンは示すものの，供試体ごと にばらついており，反射率からは塩化物混入量 との関係を見つけることができない。これは，

供試体表面の色，ムラが影響していると考えら れる。

2)

分光反射率の

1

次微分値を使用し，特徴波長 域(1540nm，1657nm，1820nm，1870nm)の値を 抽出することで，1 次微分値と塩化物混入量に 相関性があることが確認できた。

3)

マルチスペクトルイメージャーシステムを 導入することによって，任意面の塩化物混入量

をある程度推定することが可能であった。

4)

ハイパースペクトルメーターとマルチスペ クトルイメージャーの両方を用いることで，有 効な測定を行うことができる。

6. 今後の展望

1)

本実験は，供試体・実験室レベルの測定であ ったが，フィールドでの大断面測定に向けて太 陽光を光源とした計測に応用する予定である。

2)

数値解析手法，画像解析手法を改良すること で，ノイズの除去，より高精度の測定が可能で あると考えられる。

3)

データベースを蓄積し，コンクリート・モル タルの配合が異なる場合，もしくは，経年劣化 等によってコンクリート表面が劣化している場 合にも，マルチスペクトルイメージャーで劣化 因子を推定することが可能であると考えられる。

4)画像解析ツールの進歩により，計測，解析，

診断が瞬時に可能なシステムの構築が期待でき る。

5)コンクリート表面の情報から，その構造物の

おかれる環境条件等を考慮し，深さ方向の状態 が推測できれば，非接触で大断面の劣化診断が 可能となる。

参考文献

1)

升本眞二：大阪市立大学 理学部地球学教室

GRASS

を用いた地理情報システム入門講義ノ

ート

2)

土木学会編：コンクリート標準示方書 維持 管理編，2001年制定

3)

有田淳，佐々木顕一郎，遠藤貴宏，安岡善文：

ハイパースペクトルリモートセンシングを用い たコンクリートの劣化特性の評価に関する研究，

全国測量技術大会学生フォーラム，2001.6

4)

佐藤大輔，魚本健人：近赤外スペクトルを利 用した

NaCl

分布計測に関する研究，土木学会 第

56

回年次学術講演会講演概要集，V-422，

pp.844-845，2001.1

0 2 4 6 8 10 12 14

塩化物混入量(kg/m3)

-0.27

-0.26 -0.25 -0.24 -0.23 -0.22 -0.21 -0.2 -0.19 -0.18 -0.17

1次微分値

ハイパースペクトルメーター イメージャー

ハイパースペクトルメーター(近似直線) イメージャー(近似直線)

図-11 イメージャーで測定された 1 次微分値と塩化物混入量(1657nm)