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超音波 超音波

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Academic year: 2021

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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 アールディック・アジア(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デューサを、

対応する面または側面に受信用トランスデューサをそ 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、両トランスデューサ 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。本パルサーレシーバーはス パイク波を発生させるもので、高電圧インパルスパル サー部(パルス電圧

100V~900V)と多目的に使用

できるレシーバー部で構成されているものである。

トランスデューサは、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デューサが有効とされ ていることから、0.1MHzのトランスデューサを用い 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)

2.3 2.3 2.3

2.3

測定条件 測定条件 測定条件 測定条件

超音波はスパイク波を使用し、試験体とトランスデ ューサとの密着度合を高めるためグリセリンを使用し 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、普通ポルトランド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:信号がインパルス信号のように、測

定しているタイムウィンドウに完全に収まる時、また はタイムウィンド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 部のスペクトルを更に小さくするためのウィンドウが

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ブのスペクトル がフラットになる。周波数分解能が落ちる。

Blackman-Hariss:サイドローブの減衰特性が良い

窓関数で、近接した信号等では分離ができずに 一つのスペ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、ピーク箇所が判断しにくい。

Rectangular

の場合、ピークと思われるスペクトルが 2ヵ所存在し、

Hanning

はピ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 のスペ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

) ) ) )

参照

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