超音波 超音波

超音波 超音波

超音波 超音波による による による によるコンクリート コンクリート コンクリート劣化 コンクリート 劣化 劣化 劣化・ ・ ・ ・腐食 腐食 腐食 腐食の の の の解析方法 解析方法 解析方法 解析方法の の の検討 の 検討 検討 検討

日大生産工（院） ○大和田値佳子 日大生産工 大木 宜章 日大生産工 保坂 成司 ｱｰﾙﾃﾞｨｯｸ･ｱｼﾞｱ（株） 稲場 英世

1.

1. 1.

1.

はじめに はじめに はじめに はじめに

下水道の整備は環境を考える上で重要な課 題であり、日本における平成

16

年

3

月時点の 下水道普及率は

66.7％と、急速に整備が行わ

れている。一方で、古くから下水道の整備を進 めてきた都市では老朽化が問題となっている。

東京都における下水道の管路延長

16,000km

中、老朽化率（50 年以上経過した下水道管の 比率）は約

20％であり、今後さらに上昇が見

込まれることから、下水道事業は維持管理の時 代を迎えているといえる。しかしながら、未だ 下水道の重点施策に「維持管理」が欠如されて おり、この認識が希薄である。一方、ｺﾝｸﾘｰﾄ 劣化・腐食の調査に関しては、調査者の経験・

主観に頼っており定量的に表す測定法は確立 されていない。

そこで本研究は、非破壊試験に着目し、超音 波法によりｺﾝｸﾘｰﾄ内部の劣化・腐食の進行度合 の測定法を検討するものである。

2.

2.2.

2.測定方法及

測定方法及 測定方法及 測定方法及び び び び条件 条件 条件 条件

2.12.12.1

2.1

超音波 超音波を 超音波 超音波 を を を用 用 用 用いた いた いた測定法 いた 測定法 測定法 測定法

超音波を用いた測定法には透過法、反射法、

表面走査法がある。

透過法は試験体の片面に送信用ﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻを、

対応する面または側面に受信用ﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻをそ れぞれ設置し、超音波の送信・受信を行い伝播 時間を測定する方法であり、伝播時間より密度 などの推定が可能であり測定精度も高い。しか し、この方法は構造物を挟み込まなければなら

ないため、下水道管の様に片面が土中の場合は 適用できない。これに対し反射法及び表面走査 法は、同一表面上に送信・受信、両ﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻ を設置し、超音波の送信・受信を行い伝播時間 を測定する方法である。しかし、反射法は物質 中の空洞・異物など様々な要因で反射波が変化 し、測定精度に問題が生ずるため、本測定では 表面走査法を用いることとした。

2.

2.2.

2.222 2

測定装置 測定装置 測定装置 測定装置

測定装置を図－１に示す。本ﾊﾟﾙｻｰﾚｼｰﾊﾞｰはｽ ﾊﾟｲｸ波を発生させるもので、高電圧ｲﾝﾊﾟﾙｽﾊﾟﾙ ｻｰ部（ﾊﾟﾙｽ電圧

100V～900V）と多目的に使用

できるﾚｼｰﾊﾞｰ部で構成されているものである。

ﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻは、ｺﾝｸﾘｰﾄの様な密度の低い物質 に対しては低周波数のﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻが有効とされ ていることから、0.1MHｚのﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻを用い ることとした。

図 図 図

図－ － － －２ ２ ２ ２

FFT

^{解析 解析 解析 解析の の の違 の 違 違いによる 違 いによる いによる周波数 いによる 周波数 周波数 周波数}

The Analytical Method about the Deterioration and Corrosion of Concrete with Ultrasonic Waves.

Chikako OWADA, Takaaki OHKI, Seiji HOSAKA and Hideyo INABA

図 図

図 図－ － － －１ １ １ １ 測定装置 測定装置 測定装置 測定装置

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

周波数（Hz）

音圧（dB）

Rectangular Hamming Hanning Flat Top Blackman Harris

パルサー レシ ー バー パルサー レシ ー バー パルサー レシ ー バー パルサー レシ ー バー

(((( スパイク ス パイク ス パイク波 ス パイク 波 波 波 ） ）） ）

オシ ロス コ ー プ オシ ロス コ ー プ オシ ロス コ ー プ オシ ロス コ ー プ

0

00 0 ....1 11 1 ＭＨｚ ＭＨｚ ＭＨｚト ランデ ュ ー サ ＭＨｚ ト ランデ ュ ー サ ト ランデ ュ ー サ ト ランデ ュ ー サ 送信 送信

送信 送信 受信 受信 受信 受信

2.3 2.3 2.3

2.3

測定条件 測定条件 測定条件 測定条件

超音波はｽﾊﾟｲｸ波を使用し、試験体とﾄﾗﾝｽﾃﾞ ｭｰｻとの密着度合を高めるためｸﾞﾘｾﾘﾝを使用し た。なお、音速は温度により変化するため、室

温を

23～26℃に保ち測定することとした。

実供用されたｺﾝｸﾘｰﾄの

X－ray

分析から、こ の腐食部分は

CaSO₄

及び

CaSO₄

・2H

₂O

が認 められ、ｶﾙｼｳﾑ水和物は検出されなかった。こ のことから、普通ﾎﾟﾙﾄﾗﾝﾄﾞｾﾒﾝﾄ配合のｺﾝｸﾘｰﾄ 平面[300×50×100(mm)]の表面に腐食層と見 立てた石膏を厚さ

20mm、15mm、10mm

に塗 り、試験体とした。この試験体の劣化・腐食度 合を表面波周波数法により測定し、FFT （高速 ﾌｰﾘｴ変換）を用いて解析することとした。

2.4 2.42.4

2.4 FFT

解析方法 解析方法 解析方法 解析方法の の の種類 の 種類 種類 種類

解析方法については、最も一般的な

Rectan gular、 Hanning、Hamming、Flat Top、Blac kman-Hariss

の５種類について検討を行った。

なお、各々の特徴は以下のとおりである。

Rectangular：信号がｲﾝﾊﾟﾙｽ信号のように、測

定しているﾀｲﾑｳｨﾝﾄﾞｳに完全に収まる時、また はﾀｲﾑｳｨﾝﾄﾞｳの幅が基本周波数成分の整数倍で あることがわかっている時に使用する。

Hanning：高周波側の漏れが少ないためRecta

ngular

より周波数の分離がより明確になると

いう特徴を有している。

Hamming

：

Hanning window

主部に隣接する副 部のｽﾍﾟｸﾄﾙを更に小さくするためのｳｨﾝﾄﾞｳが

Hamming

である。

Flat Top：周期的な信号の測定精度を向上させ

るための解析方法。窓関数のﾒｲﾝﾛｰﾌﾞのｽﾍﾟｸﾄﾙ がﾌﾗｯﾄになる。周波数分解能が落ちる。

Blackman-Hariss：ｻｲﾄﾞﾛｰﾌﾞの減衰特性が良い

窓関数で、近接した信号等では分離ができずに 一つのｽﾍﾟｸﾄﾙとして観測される危険性がある。

2.5 2.5 2.5

2.5 FFT

解析方法 解析方法 解析方法 解析方法の の の検討 の 検討 検討 検討

いずれの

FFT

解析法を用いるかを予備実験 にて判断することとした。予備実験結果を図－

２に示す。図－２より

Flat Top

の音圧が最も突 出しているが、ﾋﾟｰｸ箇所が判断しにくい。

Rectangular

の場合、ﾋﾟｰｸと思われるｽﾍﾟｸﾄﾙが ２ヵ所存在し、

Hanning

はﾋﾟｰｸ時の周波数が他 と異なる点で信用性に欠けると考えられる。

Hamming

及び

Blackman-Hariss

においては、

ﾋ ﾟ ｰ ｸ 時 の 周 波 数 が 一 致 し て い る が 、

Blackman-Hariss

は信号が分離できずに一つ のｽﾍﾟｸﾄﾙとして観測される危険性があるため、

本実験での

FFT

解析は

Hamming

を用いるこ ととした。

3.

3.3.

3.

表面波 表面波の 表面波 表面波 の の の特定方法 特定方法 特定方法 特定方法の の の の検討 検討 検討 検討

図－３及び表－４に制振材の有無による表 面波への影響を示す。本実験では、石膏とｺﾝｸ ﾘｰﾄ平面の境界を示す周波数の特定が目的であ るため、石膏内部を通りｺﾝｸﾘｰﾄ平面を反射する 反射波と、石膏表面を伝播する表面波を区別す る必要がある。そこで本実験では、密着性の優 れた制振材を用い表面波を抑える測定を行っ た。

図－３より、周波数

90Hz

で制振材を用いて 表面波を抑えた場合の波形が、表面波を抑えな い測定時より大きなものとなった。この現象は 表－１のように、石膏厚の異なる試験体におい ても各周波数で認められた。これは、制振材が 石膏表面を伝播する表面波を減衰させるが、制 振材自体が超音波を反射させた可能性がある ためと考えられる。また、本実験で用いた制振 材は密着性には優れているが、水分を多く含ん でいるため、石膏に滲み込んだことによる影響 の可能性も考慮する必要がある。しかし、実際 のｺﾝｸﾘｰﾄ下水道管は水中に存在するため、今後 は吸水した構造物への測定方法の検討が必要 である。

4. 4. 4.

4.

まとめ まとめ まとめ まとめ

Ⅰ）表面波周波数による劣化・腐食度合の測定 に用いる

FFT

解析方法は

Hamming

が最適で ある。

Ⅱ）超音波の反射を受けにくい制振材の検討が 必要である。

図 図 図

図－ － － －３ ３ ３ ３ 制振 制振 制振 制振材 材 材 材の の の の有無 有無 有無 有無による による による による表面波 表面波 表面波への 表面波 への への影響 への 影響 影響 影響

（ （ （

（石膏厚 石膏厚 石膏厚 石膏厚

15151515mm

^{） ） ） ）}

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

周波数（Hz）

音圧（ｄB）

制振材 制振材なし

20mm 15mm 10mm 50Hz 70Hz 60Hz

および

90Hz 30Hz 100Hz 90HZ

および

80Hz 制振材により

波形が減衰 制振材により

波形が増幅

表

表 表

表－ － －１ － １ １ １ 制振材 制振材 制振材 制振材の の の の有無 有無 有無 有無による による による による表面波 表面波 表面波 表面波への への への影響 への 影響 影響 影響

（

（

（

（石膏厚 石膏厚 石膏厚 石膏厚

20202020mm^.15.15.15.15mm^.10.10.10.10mm

^{） ） ） ）}