*4, コンクリート表面粗度の定量化と付着強度特性に関する研究

長崎大学工学部研究報告 第30 巻 第55 号 平成1

年

月

コンクリー ト表面粗度の定量化 と付着強度特性 に関す る研究

146***尋織健千沙

田山田森中鶴

135***毅悟晃

山略本崎小山

125***浩禎彦暴政

田田村松和仲

MeasurementofConcreteSurfaceandEvaluationofBondProperty

by

HiroshiMATSUDA*1

,

,

,

MasahikoNAKAMURA*5AkiraYAMAMOTO*5KenTSURUTA*6

Wemeasuredtheroughnessofconcretesurface,andestimatedquantitativelytheroughnessinconcretesurfacebyuslng sixindexes.Then,Weinvestlgatedtherelationshipbetweentheroughnessofconcretesurfaceandthebondstrengthat thebondsurface･Thesurfaceweremeasuredbyusing3Dmeasurementsystem withslitllaserandCCDcameradevell opedinourlaboratory.Slantsheartestwasusedtoevaluatethebondproperty･Tbinvestigatetheavailabilityof3D measurementsystemwithCCDcameraandlaserbeamisalsoapurposeofthisstudy.

1

まえがき

コンクリー ト構造物 は耐久性 に優れ,耐荷力劣化の ないメンテナ ンスフリーの建設材料であると言われて きた. しか し,高度経済成長期 に建設 されたコンクリ ー ト構造物 に,塩害 をは じめ とす る様 々な要因による 耐久性や耐荷力の劣化 ･老朽化が多 く見 られるように なった.そのため, これ らの コンクリー ト構造物の補 修 ･補強 を効果的かつ経済的に行 うための点検,診断, 設計 お よび施工技術の確立が急務 となっている.

現在, コンクリー ト構造物の補修 ･補強では,断面 修復

接着,鋼板接着, コンクリー ト巻立て床 版増厚 な どの工法が用い られている.既設 コンクリー トに新 コンクリー トを打継 ぐ際,新旧 コンクリー トの 一体化 を目的 として コンクリー ト表面 を粗面処理 をす

る場合が多い. しか しなが ら,下地処理の方法及び程 度が コンクリー トの一体化 に及ぼす影響 については定 量的に把捉 されてお らず,使用条件及び目的に応 じた 処理方法及び程度の定量化が要求 されている.

本研究 は, コンクリー ト打継部 を対象 として,種 々 の表面処理工法 により施工 されたコンクリー ト表面形 状 を計測 し,表面粗度 を 6種類の指標 を用いて定量的 に評価す るとともに, これ らの表面粗度の評価結果 と コンクリー ト打継部の付着強度 との関係 について検討 す ることを目的 とした ものである.表面形状の計測 に は,当研究室で開発 したス リッ トレーザ光 とccD

メラを用いた三次元計測装置

)( 写真

参照, 以下 :レーザ光式

計測器 と略記) を用い,付着強 度 は新旧 コンクリー トを一体化 した試験体の傾斜せん

平成1

年

日受理

*1

構造工学科

* 2 大学院 修士課程 構造工学専攻

*3

大学院 博士前期課程 環境 システム工学専攻 ( 研究当時 :長崎大学構造工学科)

* 4 奈良女子大学大学院 ( 研究当時 :長崎大学構造工学科)

*5

日本構研情報㈱ 福 岡テクノセ ンター

*6

小沢 コンクリー ト㈱

写真

レーザ光式 写真

スポ ッ トレーザ

3D計測器 投光器

写真

触針式 3D計測器

断試験 を実施 して求めた. さらに, レーザ光式 3D計 測器の有効性 を調べ るため,触針式 3D計測器 ( 写実

3

参照) を用いて比較 した.

2

表面計測 と付着せん断試験

実験概要 とコンク リー ト試験体

既存 コンクリー トの表面処理法 として,表面形状の 異 なる9 種類の コンクリー トを製作 し, さらに,補修 用の新 コンクリー トを打設 して一体化 したコンクリー トを製作 した. この試験体 を用 いて,新旧 コンクリー トの一体化の程度 を調べ るために,傾斜せ ん断試験 を 行 った.せ ん断試験 は,2

使用 し, ロー ドセルにて荷重 を確認 しなが ら載荷 を行 った.せん断方向のずれ を変位計 にて, ひずみ をひず みゲージ (

軸) を用いて測定 した.試験方法概略及 び変位計 ･ひずみゲージの設置位置 を図

及び写真

に示す.試験体 に用いたコンクリー トの配合 を表 1に 示す.

表面処理法は表

に示す ように,既存 コンクリー ト 打込み時 の処理法 と して

ボ ラコ ン散布

遅 延剤処理

ホ ウキ 目処理

エ アセル処理 を, また,既存 コンク リー ト硬化後 の処理法 として

グラインダー処理

チ ッピング ( 浅)

チ ッピ ング ( 探)

シ ョ ッ トブ ラス ト ( 浅)

シ ヨ ツ

図

傾斜せん断試験用試験体 写

実験の様子 表 1 コンクリー ト試験体の配合表

粗骨材 最大寸

法( J n m ) スラ ンプ ( c m) 空気 j

^{) 水セ メ ン ( ト比 %) 細骨 材}

^{水 セメ ン ト 細骨 単位 量 材}

^粗骨材

^材

セメント:普通ポルトランドセメント( 後打ちコンクリート部:早強ポルトランドセメント)

トブラス ト ( 探) を用い, この他 に基準 となるもの と して一体型の試験体

,計1 0種類 の表面処理面

) をもつ試験体 を製作 した.表面形状 ( 秦 面粗度の程度)の異 なる

種類の コンクリー ト表面 を 写真 5に示す.表面処理部分以外の表面 は,付着 を切 断するために離型材 を塗布 した. また,新旧 コンクリ ー トの物性億試験 のため,曲げ強度,圧縮強度,引張 強度用 テス トピースを

体ずつ作製 した.テス トピー スによる引張強度,圧縮強度,曲げ強度 を表

に示す.

2.2

実験結果

既存 コンクリー トと後打 ちコンクリー トを一体化 し た試験体 ( 図 1) をロー ドセルにて載荷 を行 った.そ の時の破壊形態 と破壊荷重 を表

に示す. また,試験 体

l

の荷 重 一相対変位 図 を図

に示

表2

試験体の種類

N Q 呼び強度

表 面 処 理 方 法

A 24

打込み時処理 ボラコン散布 コンクリー ト

B

遅延剤処理

C

ホウキ目処理

D

エアセル処理

E

硬化後処理 コンクリー ト グラインダー処理

F

チッピング ( 浅)

G

チッピング ( 探)

H

ショットブラスト( 浅)

I

ショットブラス ト( 潔)

グラインダー処理

ショットブラス ト ( 浅

:ショット速度5

ショットブラス ト (

:ショット速度7

コンクリー ト表面粗度の定量化 と付着強度特性 に関す る研究

G H

写真 5 コンクリー ト表面形状

表

コンクl )‑ ト強度(

引 張 強 度 曲 げ 強 度 圧 縮 強 度

2.94 5.30 35.4

す.試験体

と試験体

を比 較 す る と, 試験体

は試験体

よ りも低 い荷重 で破 壊 に至 っている.

2.3

表面処理面の計測概要

新 コンクリー ト打設前 に, コンクリー ト表面形状 を 計測 した.なお,本計測器 による計測結果 を検証する ために,各種表面処理試験体 の表面処理面 を触針式

計測器で計測 した.その際,触針式

計測器 では, 大 きさ,重量の面か ら試験体 自体での計測がで きなか ったので,試験体

の表面処理面 をシ リコン樹脂

表

傾斜せん断試験結果

試験体 表面処理状態 Nell N(12 NQ3 破壊 荷重 破壊 荷 重 破壊 荷 重 A ボ ラ コ ン散 布 圧 縮 994圧 縮 1072 圧 縮 1072

ち

1 1

F

H

※せん ･圧は,せん断 ･圧縮せん断破壊 を示す

※破壊荷重の単位は

,KNである.

120000

100000

80000

翌 60000

40000

20000

185

4 ‑02 0 02 0.4 0.6 相対変倍

4

2 8

0.

図

荷重 ‑相対変位 図

･02 0 0.2 04 06 0.8 1 1.2 1.4 相 対 変 位

図

破壊荷重 ‑相対変位 図

120000

100000

80000

遅 60000

40000

20000

‑0.4 ‑02 0 02 0.4 0.6 0.8 1 1.2 14 相対変位

図

荷重 一相対変位図

を用いて型取 りした もの を計測することに した.本研

究では, レーザ光式

計測器及び触針式

計測器

によって得 られる計測結果 を比較 し,その計測結果の

相関関係 に注 目 して本計測器の有効性の検証 を行 った.

2.4

各計測条件の相違点 各計測器の仕様 を,

に示す.

表

各計測器 の仕様

触針式

計測器 レーザ光式

計測器 計測対象物 シリコン型枠 コンクリー ト

計測法 触針式 スリット計測

計測範囲

計測点数

計測時間

時間

分前後

3

定量化手法

3.1

定量化手法の概要

今 回, コンクリー ト表面粗度の定量化 を行 うにあた り,

種類 の定量化手法 を用 いた.

(a)

表面積

表面積の投影面積 に対す る比率.

(b)

ひび割れ面性状係数 ( 線 的角度特性)

各測定 ライ ンにそれぞれにおけるひび割 れ面凹 凸の傾斜部傾 きの標準偏差 を用いることによ り, ひび割れ面性状 を定量的に表す係数.

(C)

斜面の角度特性 ( 面的角度特性)

表面処理 した凹凸の水平 に対す る角度 を集計 し, それ らを統計的に処理 した時の標準偏差.

(d)

表面深 さの頻度分布

ある基準面 か ら処理表面 までの高 さを表面深 さ と設定 し, この発生頻度 を集計 し,それ らを統計 的に処理 した時の標準偏差.

(e)

平面方程式 とその距離分布

最小二乗法 によ り求めた平面方程式か らのデー タまでの距離 を集計 し,それ らを統計的 に処理 し た時の標準偏差.

( f ) 山数

x ,y軸正負 の方向の合計 4パ ター ンに着 目 し, 4パ ター ン全 てで重複 しているデー タを選 び出す.

それ らを山 と判断 し,全体 のデー タ個数 に対す る 山の数の割合.

3.2

各定量化手法の結果

触針式 とレーザ光式の 2 種類 の計測器 を用 いて計測 して,三次元デー タを得 た.得 られた三次元 デー タか ら

の定量化手法 を用 いて,定量値 を算定 した.そ れ ら全 ての定量値 を表

に ま とめ た.なお,試験 体

に関 して は,触針式 とレーザ光式 の

種類 の定 量値 を算出 した.

4

相関関係

4.1

触針式 とレーザ光式の相関関係

レーザ光式

計測器の有効性 を検証す るため,シ リコンを触針式, コンクリー トを レーザ光式で計測 し て,それぞれの相関 を求めた.以下 に折 れ線図 と相関 図 をそれぞれ

種類 の各定量化手法 ごとに示 した.

両計測結果のデー タを用 いた結果 よ り,粗度定量値 には大 きな違いが生 じているが,触針式

計測器 と レーザ光式

計測器それぞれ相関関係評価 を行 うと,

表

各試験体 の各定量化値

No.表面積 線的角度 面的角度 深 さ 平 面 山

A 触 1 2.605 0.45122.127 2.481 3.459 0.016 レー

ザ 1 2.447 0.280 1.579 0.230 0.683 0.061 2 2.408 0.260 0.700 0.241 0.604 0.064 3 2.347 0.275 0.531 0.218 0.902 0.(施9 平均 2.410 0.272 0.937 0.230 0.730 0.065

B 触 1 1.591 0.2α;19.336 1.111 1.566 0.029 レー

ザ 1 1.995 0.191 0.383 0.145 0.279 0.071 2 2.172 0.203 0.331 0.154 0.434 0.076 3 2.153 0.210 0.542 0.163 1.455 0.075 平均 2.107 0.201 0.419 0.154 0.723 0.074

C 触 1 1.301 0.16017.319 0.825 0.850 0.040 レー

ザ 1 1.760 0.152 0.148 0.076 0.134 0.088 2 1.721 0.147 0.143 0.081 0.100 0.089 3 1.688 0.152 0.143 0.086 0.147 0.088 平均 1.723 0.150 0.145 0.081 0.127 0.088

D 触 1 1.442 0.21719.126 1.207 1.757 0.142 レI

ザ 1 1.954 0.177 0.318 0.121 1.098 0.099 2 2.011 0.183 0.315 0.120 0.353 0.109 3 1.900 0.181 0.314 0.112 0.307 0.1

0 0

平均 1.955 0.180 0.316 0.118 0.586 0.103

E 触 1 1.266 0.13717.425 1.175 1.408 0.071 レー

ザ 1 1.760 0.165 0.204 0.129 0.230 0.092 2 1.768 0.177 0.900 0.126 0.254 0.111 3 1.737 0.172 0.210 0.134 0.2

9

F 触 1 1.096 0.06510.975 0.727 0.807

0

ザ 1 1.713 0.164 0.177 0.091 0.143 0.087 2 1.642 0.162 0.304 0.099 1.132 0.089 3 1.625 0.139 0.192 0.091 0.139 0.096 平均 1.660 0.155 0.224 0.094 0.471 0.091

G 触 1 1.234 0.11214.079 1.615 1.979 0.022 レー

ザ 1 2.022 0.205 0.313 0.195 0.298 0.082 2 1.735 0.164 0.378 0.201 0.513 0.080 3 1.178 0.163 0.818 0.204 0.355 0.085 平均 1.828 0.177 0.503 0.200 0.389 0.082

H 触 1 1.013 0.025 4.561 0.262 0.204 0.108 レー

ザ 1 1.612 0,139 0.1330.060 0.148 0.091 2 1.580 0.127 0.124 0.058 0.104 0.091 3 1.516 0.129 0.168 0.056 0.099 0.110 平均 1.569 0.132 0.142 0.058 0.117 0.097

Ⅰ 触 1 1.0490.063 8.497 0.490 0.275 0.(姫7 レI

ザ 1 1.743 0.172 0.493 0.075 0.244 0.081 2 1.627 0.162 0.162 0.061 0.076 0.089 3 1.548 0.122 0.300 0.056 0.0970.091

コンクリー ト表面粗度の定量化 と付着強度特性 に関す る研究

大 きく寄与 していることがわか る.

4,2 N0.1 の試挨結果 と付着強度

試験体

の表面処理面 をシ リコンで型取 りした もの を触針式で計測 した.それ ら三次元デー タか ら各 定量値 を算 出 し,付着強度 との相関 を求めた.これ を

折れ線 図

触針尺 ̲̲̲.̲

JAtBH.tJtl

(C)面的角度特性

JW 体租斬

(e)平面方程式

btlt.式 ̲̲

‑

牡 事十式 ‑

D E ド a

X■ fLPL+

(ど)山数

図

触針式及び レーザ光式 による定量値

相関図

05 1 15 2

2 5

lLttll

(a)表面積

5 10 15 20

■tl■■

(C)面 的角度特性

tt i■■

(e)平面方程式

0 1

(b)線的角度特性

005 01 BIS

■l一定■t (ど)山致

図

両計測法 による定量値 の相関関係

187

以下の図 7に示す.

シリコンで型枠 をとった後, コンクリー ト表面 を レ ーザ光式 によ り計測 した.それ ら三次元 デー タか ら各 定量値 を算出 し,付着強度 との相 関 を求めた.その結 果 を図

に示す.

05 1 _{lLt qtt}15 2 25

(a)表面積

JJtLJP

J

7 ‑

53

⊥ ■

.

FINFd

■

lLl tLd

(e)平面方程式

○●

単 08

I

ぎ■j O4

0

○鴫0101582t012<t⁵I^{03035 04 0■5 05}

(b)線 的角度特性

05 1 15 2 25 lIlliLt

(d)表面深 さ

005 01 015

0 2

■tヾ■■ (ど)山数

図

(シリコン) と付着強度の相関図

05 1 15 2 25

qモLI

(a)表面積

7‑0･25

棄 JE牡 . b)Ildt8‑ ‑

0

qLjl定Id

(C)面的角度特性

0● 0⁵ 0●

‑

｢∃

S o'

○,2

0t

06 0⁵

04 iiM

o2 01

0 02 0■ 08 08 1

1 2

托rt定■虹 (e)平面方程式

図

(コンクリー ト)

01 02

tt毛 tll

(b)線的角度特性

IPtヾl)V

(ど)山数

と付着強度の相関図

O

J 2 0 4 0 B O Q 仙 一 定 J L t

面的角度特性

0

5 1

t l t t l L I

:平面方程式 図

( 全体)

05 1 1

5

■ ■ t ■

(a)

･表面積

0.

2 0 4 0 0 0 1 ) mE 7 r :

:面的角度特性

0.J tlOl 蛋t_O4

02

0.2^{01 0}8⁰1〉

l■■t ■■

005 0t OIS O2 025 03

L r l L

(b)

線的角度特性

0.06 01 01S Bl O25 03 ttttt

(d):

表面深さ

0 002 001 006 00

4

1

2 l L t < t

(ど):山数

と付着 強度の相 関図

02 04 0● 0.I

t J l 7 a t

(b)

:線的角度特性

41

0 2

0 4

t ■ t ■

(d):

表面深さ

01 02

0 : I

tJt<LV (守)

‥平面方程式

図

( せん断と圧縮せん断破壊)と付着強度の相関図 4.3 No2,3 の試験結果 と付着強度

試験 体

で は

全 体

せ ん断 ･圧 縮 せ ん 断破壊

圧縮破壊 の

種類 の グループにわけて検証 す る こととす る.その結果 を図

に示す.

以上 に示 した表面粗度 と付着強度 の相 関係 数 Yを表 7 に示す.

05 1 1

5

L l l L

(a):

表面積

C

Z t l 1

8 t I l 宅 J t

(C)

=面的角度特性

02

0 4 0 ● O B l ■ d L 定 J L J

:平面方程式

0.2

0

0 1

ttヾ■II

(b)

‥線的角度特性

02

0 4 0 B O l t t t ■ *

表面深さ

01 02

0 3

(ど)‥山数

図

( 圧縮破壊 ) と付着 強度の相関図

表 7 各試験体 の定量値 と付着強度 の相 関

定量化 NQl NQ2,3'

触針式 レーザ光式 すべて

● 圧 縮 表面積

線的角度特性

面的角度特性

表面深さ

平面方程式

=

せん･圧は,せん断 ･圧縮せん断破壊を示す.

5

ま と め

本研究 では,触針式

計測器 とレーザ光式

計 測器 に よる,それぞれの定量値 の相関係 数及 び表面粗 度 の定量値 と付着 強度 との関係 について検討 を行 った.

その結果 は以下の ようにまとめ られる.

1.定量値 との相 関係数の大部分 はか な りの相 関があ る とい うことが わかった. したが って, レーザ光式

計測器 は触針式

計測器 による計測 デー タを 用 いて,算定 された表面粗度定量化 は,かな りの相 関関係 があ り, レーザ光式

計測器 の有効性 が確 認 された.

2.

表面粗度 を計測す るの にシ リコン樹脂 を用 い,義

面形状 を型取 りす る と,付着強度 に大 き く影響す る

ので,不適切 である と思 われる.

コ ンクリー ト表面粗度の定量化 と付着強度特性 に関す る研究

3.

せ ん断 ･圧縮せ ん断破壊 に至 った試験体 のデー タ が少 ないため,明確 には言 えないが,付着強度 は面 的角度特性 ･平面方程式 ･山数 に大 きく依存す る傾 向 にあ る.

謝 辞

本研究 で用いた三次元計測装置の開発 ･製作 には, 情報 システム工学科森 山雅雄先生,機械 システム工学 科石松隆和先生 に多大 なるご助言 とご指導 を戴 きま し

た. また,本研 究 は平成

1 年度文部省科学研 究費補助 金

( 研究代表者 :松 E E l 浩 )の補助 の一部で行 っ た ものである. ここに,記 して謝意 を表 します.

参考文献

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[2]

杉原太郎 ほか : 小規模 三次元計測 システムの 開発,日本写真測量学会発表論文

[3]

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次元画像計 測 システムの開発 , 日本写真 測量学 会平成

1 年度年次講演 会発 表論 文 集

‑302,1999.

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和 田鼻禎 ほか : コンクリー ト表面処理面の粗 度測定 のための三次元計測装置の開発 ,土木学会西 部支部研 究発表会概要集

[5]

和 田晃禎 ほか : レーザ と

カメ ラ を用 い た三次元計測装置の開発 とその適用例,土木学会第

4回年次学術講演会講演概要集

189