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コンクリートの内部条件が超音波伝播に及ぼす影響

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【論  文】

UDC :691

32:666

97 :620

179

1

    日本 建 築 学 会構 造 系論 文 報 告 集 第425号

1991年7月

Journal of Strvct

 Constr

 Engng

 AIJ

 No

425

 July

 lggl

内部 条

超 音 波 伝 播

EFFECTS

 

OF

 

INTERNAL

 

STRUCTURE

 

OF

 

CONCRETE

 

UPON

           

PROPAGATION

 

OF

 

ULTRASONICS

  野 崎 喜 嗣

Yoshitsugu

 

AiOZAKI

 

Internal

 structure  of concrete  may  affect  on  propagation properties

 those may  cause errors  in

estimating  quality of concrete  using ultra

sonic  method

 

The

 paper 

dicribed

 an experimental  sしudy about  propagation characteristics  of ultra

sonics  in concrete  sepecimens  having several 

internal

conditions

 From  the亡ests results

 

it

 can 

be

 said  

firstly

 that water  content  of concrete  may  

influ

ence  pulse velocity

  in other  words  decrease in water  contente  of l may  

decrease

 in pulse velocity  about  go m /sec

 or 2 %to average  velocity  of 4

000 m sec

Secondly

, water  absorption of cQncrete  

is

 concidered  as closely  related  to 

internal

 structure

 may  

influence

 pulse velocity

and  

increase

 

in

 water  absorption  of l%

,decrease

 in velocity  130 m sec

the value  

is

 

3

to average  velosity

 

Internal

 crack  may  

influence

 pulse velocity  same  as that of inteTnal structure of concrete

 

but

 this effect  is rather  slight  and  can be negrect  in invesigating existing  concrete  struc

tures

 Thirdly

 

large

 voids  

in

 concrete  may  

influellce

 propagation path

 and  hence propagation time

 

With

[egard  to 

dimension

 of large void  in co 皿crete

, if larger than wave  

length

 of ultraso

nics

 pulse can not transmit 

directly

 

from

 transmitter to receiver

 and  if smaller  than wave  

length,

pulseしransmit  

directly

 It can  

be

 said  that

 the critical  

dimension

 of void  

is

 almostly  equal  to that

of wave  

length

 Keg

ωOiits :concr

ete

 nondestructive test

読厂α

∫0加 method

 wate 厂 content

 water αゐ∫0ア

Ption

厂ge

      uaid          コ ンクリ

非 破 壊 検 査

超 音 波伝 播 法

含 水 量

吸水率

粗大空 隙

1.

は じめに  高 耐 久 性コ ンクリ

トの普 及や, 建 築工事に お け る品 質 管 理の徹 底

既 存 建 物の構 造 信頼性の診 断等な 意 識の変 化を背 景と し て

コ ン ク リ

ト構 造物の設計や 施工管 理

維 持 管 理において構 造体の性 質を直接 的に把 握す ることの必 要 性がます ま す強 く なっ て き た

し かし 現在実施さ れ て い る の は

別 途に作 成し た 供 試体やコ ア 供 試 体 等による間 接 的な評 価で あ る

非破 壊試 験によ る 構造 体コ クリ

トの性 質の 直接 的な評 価につ い て の試 みにつ い て

そ の歴 史は長い が

い ま だに決 定 的な 方 法 が な く

そ の後 も多くの検 討が継 続 的に行わ れ ている。 各種の非 破 壊 検 査 方 法の な かで 強 度の 推 定が可能で

かつ コ ン ク リ

トの内 部 状 態 をあ る程 度モ ニ タ

でき

ま た比 較 的 手 軽で, 測 定にそ れ ほ ど専門的な熟 練 を要し ない

とい っ た諸 条 件に対 し て

比 較 的 満足度が 大で あ るの は超音波法であると言わ れ て い る

しか し

コ ン ク リ

トにする超音波の伝 播測 定 結 果 例で は

原 因の 推 定が困 難なバ ラ ツキを生じ る ことも あり そ の結 果 伝 播 速 度 法の適 用が不 適 切 と されて しま う場 合 が ある が

それは複 合 材 料で ある コ ン ク リ

ト中の超 音 波の伝 播に つ い て の基 本 的性 状の不 明さ に起 因する こ と が ほ と ん ど であり

方 法が問 題で は な く

基 本 的な問 題 点で解明さ れ て い な い部 分が多い こと が原 因で ある と考え ら れ る

特に コ ン クリ

ト中に モ ル タルマ トリク スと空

水 隙 や 粗 骨 材との界 面 等

音 響 的に不 連 続 面と考え ら れ る 部 分が多く内在 し

音 波の伝 播につ いて の微 視的 な 意 味 で の解 明は困難と言え よ う

し か し

波 動 理 論で は

そ れ等の内 部 不 連 続 部に影 響 を受 けない範 囲の音 波に よっ て

被 検 部の平 均 的な性 質の検 討 を行うことは可 能で あ る と さ れ

基 礎 的 事 項の把 握に よっ て実 施コ ン ク リ

ト 構 造 物の非 破 壊 検 査へ の適 用の可 能 性は大と な ろ う

 こ こで言うコ ン ク リ

トの 内部 条 件と は

その固有の 内 部 構 造 と 内 部 状 態 と を 総 称 する抽 象 的な表 現で あ り, 幾っ かの性 質の集 合し た概 念であ る と 把握さ れる

そ れ 本 報 告の内 容の

部は文献 11}

14

18}と して主に本 学 会に発 表 済であり

ま tt

部 分は

本 学 会 材 料 施 工 委 員 会 [コ ンク リ

非 破 壊 試 験 法研 究 小 委 員 会]の 活 動 と し て作 成

提 出し たもの である

 

武 蔵工業 大 学工学 部 建 築学 科 講 師

工 修      Lecturer

 Dept

 of Architecture

 Faculty of Engineering Musashi  In

       stitute  of  Techno且ogy

 M

 Eng

(2)

等の マ ト リク ス お よ び骨 材の構 成 材 料の性 質, 構 成比t 界 面の性 質

内 部 空 気 泡やク ラ ック等の存 在 状 態

比 重や吸 水 率お よ び含 水 状 態 等で表 現 され る物 理 的

物理化 学的な性 質等を 指す

コ ン ク リ

ト中の超 音 波 伝 播 速 度は

上 記の 内 部 条件の内で, 物理的な 1側 面 を表し て い るもの と考え られ る

伝 播 速 度に直 接 関 連す る要 囚と して は

これ らの件の 内で

構成 材料の種 類, 構成比その条件につ いて, 特にコ ンク リ

トの強 度 や弾 性 係 数と伝播速 度との関 連につ い て検 討 を 行っ た例 は多く報 告さ れて い る。 し か し

含 水条件等の要因が伝 播速度に及ぼ す影 響が大で あ ること が経 験 的に分かっ て い る に もか か わらず

ま だ検討が不十 分な部 分 も少な く ない。  本 研 究は超 音 波 伝 播 速 度 法の非 破 壊 試 験へ の適 用 能 性の追 及を目指 し

そ の た め に必要と な るコンク リ

ト中の超 音 波 伝 播の基本的 性 質 を 明ら かにするこ と を目 的 とし て検 討 を行っ たもの であ る。 コ ンクリ

トの内 部 条件の内で

特に既往の文 献 中で検 討が不 十 分な事 項と し て, コ ン ク リ

含 水 分

吸 水 率

内部

ク ラ ッ ク を 要 因 として

超 音波 伝 播の性 質に及ぼす 影 響を明らかに し

ま た

音 響 的 不 連 続 部 分とし て

粗 大な内 部空隙を 有す る試 験体 中の伝 播 経 路 を 明らか にする ことを 目的と して実 験 室 実 験 を行っ た

これら の検 討によっ て

伝 播 速度法 を構造体コ ンク リ

トの非 破 壊 検 査に適 用し た場 合

従 来検討が出来な かっ た測 定 値の バ ラ ツキにつ い て の説 明が可 能と な り

材質の評価の精 度 が 向 上し よ う

また

コ ン ク リ

トの どの よ う な特性 を定量的に表す こ と が可 能なのか

ま た は そ の評 価の 限界が 明 らか と な ろ う

能 性が増 加し た こと が当 初の諸 研 究の主旨との 主 た る相 違と言え よう。  これらの研 究 成 果の ま と め と して

970〜1980

年代 に い くつ か の規 格

規 準

指 針 類が 整備さ れ だ 1

51

往の研 究で

本研 究に関 連 する成 果は以 下であ る。 1) コ ン ク リ

トに入力し た 超音 波は約

4km

/sの速度 で伝 播し

使 用 材 料

調 合

含 水 率

鉄筋の存 在 等の影 響 を 受 ける。 使 用 材 料は

特に粗 骨 材の 石 質につ いて R

Jones

は各種 粗 骨 材を用い たコ ンク リ

トにつ い て 強 度との 関連 式 を 示 し そ の 影 響が 大で あ る こ と を 述 べ 61

調 合 条 件につ いて

谷 川ら は粗 骨 材 率に よ る伝 播 速 度へ の影 響につ い て報 告して いる% ま た

鉄 筋の存 在の影 響は H

W

 Chung は鉄 筋径と伝 播 経路位 置の関 連に関する実 験か ら そ の影 響 (補正 )係 数を提 案し て い るS)

また

コ ンク リ

ト含 水 分の超 音 波 伝 播 速 度へ の 影響は大である こと が多く指 摘さ れ て い るが 定 量 的 傾 向につ いて は明 確ではない

 次に

コ ン ク リ

ト中の微 小 空 隙は明ら か に そ の弾 性 的性 質を低下 させ そ の結 果 超 音 波 伝 播 速 度の減 少 を招 くこと が指摘さ れて い る

また

内 部の クラック の影 響 も 同様であ る と考え られ るが

そ の傾 向につ い て の検 討 も 必ずし も 十 分で はない

2

方, 超 音 波の波 長 寸 法 を 超える ような粗 大な不 連 続 部 分 (主と して ひび割れ等 }にっ い て

R .

H .

 

Elvery

はコ ンク リ

ト表面に設置した送

受信 端子で そのさ の測 定を試み

その成 果

B .S .

と し て規格化さ れ てい る

。・

,M .

 

F .

 

Kaplan

は半 間 接 方 法に よ るひ び割れ 深さの測 定につ いて述べ い る が10)

れ ら ま だ不 明な部 分も あっ て, 検討 が 必要と 思 わ れ る

2.

本 研 究に関 する既 往の研究  超 音 波 法の

コ ン クリ

トの非 破 壊 試 験へ の適 用につ い て は

多くの検 討 例が報 告さ れ てい る が その ほ と ん ど は強 度 推 定を主た る目的と し, 鋼 材等の他の場 合に比 し て か な り徴的で あ る

 超 音 波 法の コ ン ク リ

トの 非破 壊 試 験へ の 適 用は 1945年 以 降で

1950年代に は海外で は亅ones  Leslie

Cheesman,

 Whitehurst

 

Kaplan

我が国で は奥 島

小阪

明石

亀 田ら多くの 研 究 成 果 が 報 告 されて い るn そ れ らの ほ と ん どの検討の趣 旨は測 定 装 置の 開 発に関 す る ものお よ びコ ン ク リ

トの各 種の条 件

性 質と音波 伝 播速度の関連分析に関す る主題であっ た

その後し ば ら くは顕 著な研 究 報 告は見ら れ な かっ た が 1970 年以 降, 再び研 究 報 告 数が増 加しててい る

そ れ ら は海 外で は

Elvery

 Facaoaru

 

Malhotra,

ら国 内で は小 阪

谷川

山田

尼崎らで ある

こ の年 代の 研 究主 題 は IC 等の計 測 技 術の 進 展っ て測定機器の発達や測 定 精 度が向上 し たこ とに よっ て

こ の 于法の新し い分 野へ の適用の可

3.

コ ン ク リ

ト中の含 水 分が超音波伝 播に 及ぼす影 響   に関 する実 験m 3

1 実 験の 的と方 法  本 章はコ ンク リ

ト中の含 水状態が その超音波 伝播に 及ぼ す影 響につ いて定 量 的に把 握す ることを 目 的と し て 実 験室実 験を行っ たn  使 用 材 料お よ び調 合 条 件 等を表

1に示す

供試 体は

iP

 10×20 cm の 円柱 体で

20

℃ 水中に

28

日 間養 生し

そ の後に 110℃ を 超 え ない 温度の恒温槽で重 量 変 化が 見 ら れ な く なっ た時 点と し て 2週 間 (予 備 実 験 結 果よ り設 表

1 使 用 材 料

調合 材        料 調       含 セ メン ト  普 通ボ ル ト ラン ド 細 骨材    相 模川砂    5mm               ρ 2

57 水セン   ト 比 単 位 水 量   調 合 5D鎚 B飃 合 65玉 200k郎 阻3 細骨 材 率 35  男 粗 骨 材    相 模川砂利 25団皿       ρ 2

60 15  c旧

      、

混 和 剤     AE 剤 スランプ 値   (目標 )

10

(3)

定し た)乾燥を行っ たが

そ の経 過 中 供 試 体の重量 と 超 音波 伝 播速度を経 時 的に測 定し た

3

2

  実 験 結 果

 

実 験 結 果の 1例と して

供試体の飽 水 状 態か ら乾燥過 程の重 量と超 音 波 伝播速 度の 変 化 状 況 を 図

1に示 し た

。W

C

の異な る2種 類の供 試体共に ほと ん ど同 様の 傾 向 を示して い るこ と が 分 か る

そ の傾き はや や曲 線 的 で あ る が 直線回帰と して分 析を行っ た結 果, 同 図中に 示し た よ うに高 度に有意な相関 関 係と なっ た

そこ で 2 種 類の調合に つ い て相 関 散布図 を作 成し 圓帰分 析を行 い そ のを図

2にし た。 同 図 中に記 し た 回帰式か ら

実 用 的なコ ンク リ

トの範 囲と して の

A

調合(

W

C

; 50%)の場 合 と

B

調 合 (W /C ;65%)の場合で その き に わずか な差があるが

図上では両 者の差は観察さ れ ず

,F

検 定

 

T

から も 差は認め ら れ な かっ た

そ こ で両 調合の合 計22の供 試体につ い ての全 測 定 結 果 404個にして相 関

回 帰 分 析 を行い そのも併せ て 図

一2

に示し た が

直線 的な比 例 関 係が観 察さ れる

20     90 ら

 

 

   

 

 

 

3  

り 噐 ≧

』 〉 60     50     00 」  

 

 

   

 

 

5

 

 

     

 

 

3   囲 淵 塵 旧 煽 恥 刷 2

70 1

口a              5

00              5

O口      言水 寧 w  〔$) 7

00 図

1 供 試体の乾 燥 過 程 中の超 音 波 伝 播 速 度 (1例 〉 同 図か ら は含 水 率が絶 乾 状 態に近い部 分で はや やバ ラ ツ キ が大であ る が

そ れ以 外の部 分では比 較 的 密 接な関係 が あ る と言え よ う

回 帰 式は以 下;      Y

aX +

b

 の ユ次 式 を 仮 定し て       a

87          b

3290  を彳ξ手た

上式の係 数 α は直 線の傾き で あ り, 結局こ の場合はコ ンク リ

ト中の含 水 率の 1%の減 少で伝 播 速度は約 90 m sec 減 少る ことが分か っ た

コ ン ク リ

トの平 均 的 伝 播 速 度 4

000m /sec に対 し て

2.

2

%程 度の 変 化で あ る。 コ ン クリ

ト中の含 水 率の変 化に よ る弾 性 係 数の変 化は岡 島12 )

椎 名]3 ] ら も指 摘してい る が

特に椎 名に よ れ ば コ ン クリ

トの含 水 率の低下 に よっ てヤング係 数は

3

%低 下す る と述べ て い るが

伝 播 速度と ヤ ング係 数 との対 数 的 関 係 を 考え合わ せ る と

本実 験 か ら得ら れ た 値と同 様 と言え よ う

3

3  本 章の ま とめ  本 章で は同

の 円 柱 供 試体の含 水率 変 化に伴う 超音 波 伝 播 速 度の追 跡測定を行っ て

その 関 連を検 討した もの で ある

実 験 結 果か らコ ン ク リ

ト中の含水 分が減 少す る に従っ て超 音波 伝播速度が 減少す る とい っ た比 例 的な 関 係が認め られ た

回 帰 分 析の結 果か ら その影 響は

含 水 分の 1%の 変化に し て速の は 約90m /sec で

コ ン ク リ

ト中の 超音波伝 播速度の平 均 的な値とし ての 4

000m

sec に比 して お よ そ

2.2

%で ある。 こ の 値は別 途報告し た他の実シ リ

ズlq ) (材 料

調 合

養 生 条 件 等が 異 な る)で得られた値と 近似し て い る こ と お よ び他の研 究 者に よ る含 水 率の弾 性 係 数に及ぼ す影 響 につ い て の討 結 果の分析か らも近 似した関 係が得ら れ

。・ た

これ らの検 討か ら上記の値は本 実 験の成 果と し てコ    ンク リ

ト中の含 水 分がそ の超 音 波 伝 播 速 度に及 ぽ す影   響の目 安 値とし て提 案する値で あ る

p 寄

畠 〉   閥 躍 鯉 邸 煽 即 4

20 3

90 3

60 3

30 3

0D 2

70  

0

50 1

50   3

50 含 水 串 

ω

 (勁 5

5e     ec) 7

50 9

50 図

2 供 試 体の含 水 率と 超 音 波 伝 播 速度の関 係

11

(4)

4.

コンク リ

トの吸 水 率 が超 音 波 伝 播に及 ぼ す 影 響に   関す る実験15〕

4.1

 実験の目的, 方 法  本 章は

コ ン ク リ

トの 内 部 状 態のお お よ その指 標と してその水 率を考え 超音波伝 播速度に及ぼす影 響に つ い て検討し た も ので あ る

コンク リ

トの吸水率は正 確に は内部の 独 立 気 泡の 判別はで き ないなど 若 干の問題

        

は あ るに して も

実 用 的に は効果的な指標で あ り, こ こ では柱状供試体の

ヒ下 方に よ る内 部 粗 密 度の差に起因 す る内 部 状 態 を実 験 因子 と し た

な お

コ ンクリ

トの 吸 水 率は骨材の試験方 法じて

llO℃ を 超えない 度の乾 燥 器 槽内に

2

週 間, 水 中 浸 漬2週間に よっ て乾 燥 状態 お よ び 飽和状態 を定 義した

 使 用 材 料は表

2に示す とお りで また調 合は

A ,B

の 2種 を 目標ス ラン プ値

15

21cm

と し て同表の と お り定め た

 供 試 体は 150Xl50 ×530 cm の 方体型枠を柱状に 置 し て 500mm 高さ に打ち 込 み, 実 験 室 内で湿 布 掛 空 中 養 生を行っ た。 材令 8週で

3す よ う

分 を除く5個の 試 験 片切 断し, 2週間水 中浸漬お よび そ の後の 2週 問

110

℃ を超え ない恒温恒 湿 槽で乾 燥 し, 各 時 点で の比重

吸水 量お よび 超 音 波伝 播 速 度 を測 定し た

4

2  実 験 結 果 (1) 表

3は結 果の 1 例とし て

A

調 合の 試 験体に関 し て, 切断し た各 試 験 片の絶 乾 状 態

湿 潤 状 態にお け る 超 音 波 速 度

比 重

吸 水 率を示し た、 同表か ら

各性質 は下 方 向に比 例 的に変 化し て お り

音 波速度は 上下 間で 約

200m

/sec 絶 乾 比 重は約 0

07

吸 水 率は約 L2 程 度 の 差が 見 られ る

そ の上 トの差は各 性 質と もに約 10% 表

2 使用材料

調 合 材        料 調           合 セ メ ン ト 普 通 ボル ト ラン ド 水セ メ ント比 60  男 細 骨 材 北上川砂    5田 旧         ρ Z

55 単 位 水 量 A 200kg /m3

       内

B 235k呂〆m

粗 骨 材 只 見川砂利 25ma 細 骨 材 率 35   %          ρ 2

60 ス ラ ンプ 値   (目副 A l5cm B 21c 皿 150 一 12345●  ●  ● ● ● ● ● 

 ● o ● ■ ●   ■  o ■ ●  o   ● ● ●

  ●

・ O

● ● ● ■

 ●

・ . lmm

12 一

3  角 柱 試 験 体 測 定 位 置 で ある こと が推 定さ れ る

す な わ ちコ ンク リ

トの打ち 込 み の

ヒ下 位 置によ る内 部 品 質の 差 と 超音 波 伝 播 速 度は 密 接な関係が あ る と考え ら れ る。 (2) 吸 水 率と超 音 波 速 度との椙 関 散 布 図を作 成し たの が 図

4で

バ ラ ツキは若 干大 きいが お よそ

次の逆 比 例 的な関 係にあるこ と が分か る。 図 中に回 帰 式 を記し た が

その係 数に示す と お り吸 水 率

1

% の変 化に対して音 速は 130m /sec 程 度 減 少する とい う傾 向が見ら れ る。 こ の値は コ ン クリ

ト中の平 均 的な音速 4

 OOO m sec に対 しておよそ3%で あ る。 (3> 本 実 験か ら得ら れ た絶 乾 状態

湿潤 状態にお け る 超 音 波 伝 播 速 度の差 を 吸 水 率で除し た値はおよそ 60

80m /sec で あり

こ の値は前 章の含水 分の影 響に 関す る実 験 値と同様とな っ た

な お

こ こ で は測 定 結 果は省 略し たが, リニ ア

ス法によっ て求 めた断 面に 表れ た粗 骨 材 率 (測 線 法に よっ て 5mm 以上の 骨材 を横 切る長 さの総 延 長 距 離に対す る比 )は

本 実 験で使 用し 表

3  実験結果

CA

調合の例 ) 位 Vp (m/S) Wdl 匡) ww ω 絶 乾 吸水 率 医o 置 表 乾 絶 麓 絶 乾 表 乾 比 重 ω (拓

t) 137393 ユ773495

63839

52

099

8 2378831923222

7353q

62

089

6 133836323 石 377L84121

52

109

2 卓 38163293319 ε

23q80

o2

且38

8 53 呂36321 ユ 4Z60

54638

4211 &

8 6391 ユ 33203640

03953

32

13 呂

6 1371430673432

93774

12

079

9 23770313 弖 3149

63 ξ53

72

09I  g

61 2337763 ユ腿 3743

04087

E

2

i29

2 43 &30312436 η

o4005

02

129

0

539133278 弓149

54519

ε 2

10 呂

9

63gq132353735

94052

32

14 呂

1394933153524

63859

Z2

0& 9

1 239G831943121

634 ユ5

O2

]o9

q 3339 託 3Σ803 δ6:

巳 弓193

52

]58

5 昌 39373294392L δ q258

12

L4 &5 Ii 〜 139953z144091

54437

52

148

4 6399933003596

B399552

168

D

  30   軋 ひ o

螽 躍

10 航 凸 〉   O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O   む

 

 

   

 

 

 

ア   3       L 囲 躍 寝 匹 馬 融

3 50e

O口 8

50         9

OD   吸水 串 δ ( $19

s。 

でD。 図

4 1及水 率と超 音 波伝 播 速 度

(5)

た 供 試体で は 明 ら か な 上下差は見ら れ な い こ と から

こ の場 合超 音 波 伝 播 速 度へ の粗 骨 材 率の影 響は無い と考 え ら れ る

4

3  本 実 験のま と め  高さ50cm の角 柱 試 験 体の高さ方向に関して切 断し た小 片につ い て

各 種 性 質 と超 音 波 伝 播 速度との 関 連を 検 討し た

そ の結 果, 超 音 波伝 播速 度はコ ン ク リ

トの 吸 水 率 と 音速は密 接な関係が あ ること が分かっ た

その 関 係は お よ そ直 線 的な負の

回 帰 分 析の結果 か ら 吸水 率の 1%の に よっ て超 音 波 伝 播 速 度は約ユ

30

m sec 変 化す る

こ の値はコ ンク リ

ト中の超 音 波 伝播 速 度の平 均 的な値 4

 

oeo

 msec にし て お よ そ

3

% で あ る。   本 章では高 さ50cm の柱 状 試 験 体の場 合で あっ た が 打ち 込み の

ヒ下 間に よ る明ら か な性 質の差が見 られ

実 施構 造 物へ の本 方 法の適 用に際し て は, 本実 験で得ら れ た以上に無 視 し得 ない要 因 とな ると考え ら れ る。

超 音 波 伝 播 速 度は敏 感に こ れ を 反 映 してい る と言え る

5.

コ ン ク リ

ト中の微 小ク ラッ クが超音波伝 播に及ぼ   す 影 響に関 する実 験16,   5

1 実 験の 目的, 方 法  本 章は柱 状 供 試 体に与え た載 荷履 歴に よっ て内 部に発 生 し た ク ラックを 断 面 観 察か ら その状態 を定暈化 し

他 方で あ らか じ め測 定し た超音波伝播速度との関 連 分 析か らこれ らが超 音波 伝 播に及 ぼ す影 響につ い て検 討し よう とす る もの で あ る

使用材 料は表

4 に示 す と おり で また

調 合は水 /セ メン ト比

60

% で

単 位 水 量が226 kgm3

石 灰 岩 質の砕石コ ンク リ

トである

 

供 試 体はφ10×20mm の 円 柱供試体を用い 標準水 中 養 生 を 行っ た材 令

4

週で

別途供 試 体の圧 縮 試 験 を 行っ た結 果か ら当 該 供 試 体に その破 壊 荷重の各々 100

90

70

50

30 %を 載 荷履 歴 し

超音 波 伝 播 速 度を測 定し た

さ らにその後に試 体を載 荷 軸 方 向に 切断して

直ちに赤 インクを 浸 透, 乾 燥さ せ

その後に カ

ボラン ダム で切 断 面 を研 磨 し

ペ に よっ て ひび割れ状 態 を 測 定 する。

5.

2  実 験 結 果 (1) 図

5は載 荷 履歴 を有す る 供 試体の 断 面の ク ラッ ク率 と超 音波 速 度 比の関 係を 示 し た もの である

同 図は コ ン ク リ

トの断 面に表れ る骨材界 面とモ ル タ ルマ ト リ 表

4 使用材 料

調 合 材        料 胴       合 セ メ ント 普 通 ボル ト ラ ンド 水セト 比 60z 細 骨 材 北 上 川 砂    2

5m 単 位 水 量 226k縄/旧3          ρ 2

55 2]cm 粗 骨 材 多 摩川産 石 灰岩 質砕石    20m鳳 ρ 2

69 スランプ値     (目 標) 1

00   o

98 囲o

% 聰 儲o

9ら   0

92 口

O‘         0

07          0

19          0

13 クラッタ 長 / 断 面積比 (咀 ノc■

L

) G  N

一5

 ク ラッ ク量 比 と超音波伝播速度比の関係 クスとの付 着 部の ク ラッ ク (ボン ドクラック〉お よ びモ ル タル部 分の ク ラ ッ クを合 計し た全ク ラック長 さ を その 断 面 積の比 率で求めて横 軸に目盛つた

次に その供 試体 の載 荷 前お よ び所 定の レベ ル まで載荷 し た後の超音 波 伝 播 速 度の比率を求め, 。 こ れ を縦軸に目盛っ て相 関 散 布 図 を作 成し た もので あ る

同 図か ら 比較 的 密 接な

次の 逆 比 例の関 係が観 察 さ れ る

(2)

ヒ記の図か ら内部ク ラッ クの 進 展に伴う音 速の減 小 程 度は ク ラックの総延長 長さ/ 断面積比が 10%に対 し て約ユ0% で あ ること が 分 か る

こ の クラ ッ ク長さ は 供 試 体に その破 壊荷重の90%の 載 荷 履 歴 を与えた場 合に発 生し た ものであe) r ク ラッ クの超音 波 伝 播 速 度へ の影 響は少ない と 言 え よ う

(3) 図

4, 5を 比較す る と

空 隙 やク ラッ クといっ た内 部 欠陥が超音波伝 播 速 度に明ら かに影 響 を 及ぼ すと い う類似 し た関係が見られる

こ れ ら の欠 陥は寸 法的に はmm 程 度で超 音 波の 波 長 よ そ

8cm

し て 十 分 に小さいと言える

そ の場 合の影 響と して は直 接 波 が 伝 播 するが

透過 時のエ ル ギ

の減衰およ びコ ンク リ

トの弾 性 的 性 質の低 下に伴う音 速の低 下 を招い て い ると考え ら れ る

これ は併せて測 定した動 弾 性係数 の変化率田 もこ れ を 示 唆 してい る と言える

そ の響 程 度は 本 実 験に お ける コ ンク リ

トの 吸 水 率 8

− 10

% の範 囲で超 音 波 伝 播 速 度の変化率は約7%

ク ラッ クの 影 響につ い て は破 壊 荷 重の

90

% 程 度まで載 荷 した供試 体の場 合で 伝播速 度は 10 %低 下 する

5

3  本 実 験の ま と め (1) 載 荷履 歴 を 与 え たコ ン クリ

ト供 試 体につ いて

そ の切断面の観察か ら

内 部ク ラ ック の超 音 波伝播速度 に及ぼす影 響につ い て検 討し た

その結 果

供 試 体へ の 載荷前と載荷 後との超 音 波 伝 播 速 度の比 率 と

ク ラ ッ ク 長 さ 比 との には負の 相 関 関 係が見られ た

その傾 向は 破 壊 荷 重に対 して 90% 載 荷し た場 合に発 生す る ク ラッ ク の総 長さの断 面 積に対する比 は無載荷 時に比べ てお よ そ 10倍とな る が

,一

超 音 波 伝 播 速度のは 10

13

(6)

%以 内であっ て

比 較 的 小さい

こ の果 か ら超音波 伝 播速 度 はコ ン ク リ

ト中の微細 ク ラッ クの影 響にっ い ては や や 鈍 感であると言え よ う

こ の載 荷 中の コ ンク リ

ト供試体の超 音 波 伝播速 度のにおい てIS

荷重レ ベ ルの 伝 播 速 度へ の 影 響 が 少 ない こと もこ れを示 唆している と言え よ う。 (2) 前 記4章の結 果と併せ て検討す る と

コ ンク リ

ト中の 2種 類の 微 小の 内部欠陥は

超音波伝 播速度を 10% 減 少させ る とい っ た同様の 影 響を及ぼ す と言える

し かし

その両 者の影 響 度を比 較す る と

前 者の内 部 気 泡 量に 関し て は わずか 50cm の縦 打ち試 験 体の場 合で 内 部 気 泡 率が約0

5% 変 化 し

音 速は約300m /sec の 変 化 となる

。一

後 者の内 部 微 小ク ラック の影 響に関 して は破壊荷重に近い載 荷 履 歴 を有する供 試 体で も音速 の変化は約ユ

0

% である

実 施 構 造 物 を想 定し た場合に コンク リ

トの超 音 波 伝 播 速 度へ の影 響は

前 者の気 泡 量の影 響で あ り, そ の結果, 本方 法による内部状態 の相対的な評価は可 能と考え ら れ る が, 後 者の ク ラッ ク の 影 響は小で あ り

実 務 的に はその影 響 を評 価す るこ と は困 難であ り

逆にその影 響を 無視し得ると言え よ う。 6

コ ンク リ

ト中の粗 大 空 隙 が音 波 伝 播に及 ぼ す影響   に関 する実 験17〕 6

1 実 験の目 的と方 法  本 章は超 音 波の 波 長

法に比し て十分に大きい欠 損 (疑 似 欠 陥 )が超 音 波の 伝 播 特 性

に伝 播 経 路を推 定 す るこ と を 日的と して実 験を行っ たもの であ る。 使 用 材 料は 本 章の実 験で は測 定 誤 差 要 因を少な くする た め に コ ンク リ

トの モデル とし て モ ルタル を用い

水セ メ ン ト比60%, ワ

カ ビ リ チ

ス ラ プ 値18cm 当と し た

使用材 料

調 合は表

5に示す

供 試 体は直 方体で, 寸法は150×150×530cm , 内 部に図

6 a

c 表

5 使 用材 料

調合 材         料 翻         合 セ 普通 ボル ト ラン ド 水セト比 60 匿 細 骨 材

   .

多 摩 川 砂   2

5 黶m ρ 2

60 フロ

値   ( 目 標 ) 1呂0

20a  ロ ロ に示すよ うな欠 損 部 (疑 似 欠 陥)を設け

そ の幅は ユ

O,

20, 30mm

長 さ は 300

400 mm と し た

超音波伝 播 の測 定は周 波 数50KHz の 端 子を用い

7にす よ うに試 験 体の欠 損 端 直上部より Omm

70 mm

,140

 mm の位 置に発 信 端 子を固 定し

こ の位 置を L と し た

次 に受 信 端 子は

その対 抗 面 上 を 移 動

走 査して各点にお ける最 初の受 信 波の到 達 時 間を求め た が

この受 信 端 子 位置を空 隙 端か ら Pmm とし た

 P で受 信す る 音 波 は図

7に示すよ うに 直接 経 路 1

空隙 端で の回 折 経路 2

お よび対 向 面の反 射 経 路3

が想 定さ れ るe ま た

図中で 接経路が空 隙 部を横 切る位 置を 空隙 端か らの 距 離で

Dmm

と し た

伝 播に要し た実 測の所 要 時 間に 対して供 試 体の既 知の伝 播 速 度 (密 実 部 測 定によっ て得 る)か ら伝播距離を算定し, こ れ によっ て伝 播 経 路を推 定し よ う と す る もの で あ る

6

2  実 験糸吉果 (1) 密 実 部波 伝播速 度   密実 部にお け る伝 播 速 度は, 9体の供 試 体につ い て測 定し た結果

平 均 値は3

432km /sec で

バ ラ ツキは 1%以 内であっ た

2

} 欠損部分 に お け る測 定 結 果   欠損の 幅の 影 響につ いて は

]O

20

30mm の問に は測 定 結 果のがみ られ ない 故に こ こ で は 30mm の結 果につ いて記述 す る

最初に欠 損 先 端 が 角 形の供 試 体の 場 合の 音波の測 定 結 果 を 図

8に示し た

同 図は送 送 僧 端子位 置 L 1 :直接 透 過 経 路 2 :空隙 端 部 での 折 経 路 3 :対 向 面で の 反射経路 直 接 透 過 騒 路が 空隊   を横 切 る 位 置 P:受 信 端子位 置 発 倡 端 子 位置   L   受 信 端子位 置   P 限 界 位 置      D ; (

L

〔L

P) 〆2)       図

7  測 定

分 析 説 明 図 t

10

20

30 nm   とする (a) 欠 損 端 部が角型   (b} 欠 損 端 部 が 曲 型     〔c ) 図

6 供 試 体の形 状と寸 法 欠 損が試験 体 端 部ま で

一 14 一

(7)

140 ool 60 04 壓 智 鰹 項 斑 殖 3  反射 経 路

    (計 算 面

      1       〈

     

 

       N  

   

 

      

ノペ

    

2

/\

 /

        ノ      〆 τ

丶 P

直 接 縫路 〔計算値 〕

    回折 鰻 賂       (計算 値)

u

th14e 測 定 縞 果 LO   20     30    40       受信 端 子 位 置 Pcm L じロ 0

O7

0M

0 平 均 P c田 U

0z

o

6

0

D 己ロ 5

54

54 』 4

7 0                 θ

U                 b 咀 醗 嘸 隠 督 南 欟 図

8 超音波伝 播 経 路の検 討 〔1)      欠 損 端 部が角 型の場 合 3 反射 繕 路   (計 算 値 )

    

一”

N

     /

実 測偲

      1       直接 経 賂 (計算 値)

 

 

 

N

』 一

\ ・

 

鷺鬘

, /

 

   

   .

         

S

IL

  ’

P ゜ L

位 置 , 4 °

 

cmn

 

i

測 定 結 果 L cコ 0

σ 7

o14

0 平 均 P c国 13

03

4

2

o

Dc 逼 6

55

26

o5

9 図

9 超 音 波 伝 播経 路の検 討 (2)       欠損 端 部が丸 型の場 合 信 端 子は欠 損 部 端 部 位 置に固定し

受 信 端 子が そ の対 向 面 を 走 査 した場 合の結 果を示し た もの であ る

横 軸は送 信 端子の欠 損部のか らの距 離

縦 軸は伝 播 時間 を示 し て い る

図 中の実 線は実測結 果

すなわ ち

各 位 置に お け る受 信 端丁

が 受 信 し た最 初のの到 着の所 要 時 間を 表 し た

また図 中の点 線は送

受信端子 間の 直線 距 離 を 平均伝 播速度で除し た値で

超 音 波が 両端子間を直線 的 140 001 60 m 駄 蹕 澄 騷   潟   0     =     L

  ‘ , 9

, ,

認      

M

 

 

 

 

 

 

 /

          グ

L

14

t

. ・

     ’

denHL k   l

  1

10 測 定 縞 果 0   10   20  30 受 信 端 子 位 置 C皿 L c 国 0

O7

014

0 甲 均 P c ロ 10

24

4

3

o

D cn545

25

55

4 図

10 超音 波 伝 播 経 路の検 討3     欠損 が 試験 体 端 部まで の場合測 値       (L ;0

0  70

O  l40

0) に最 短 経 路 を伝播し た と仮 定し た場 合の計算 上の 所 要 時 間で あ る

ま た

,一

点 鎖 線は 供 試体のか らの反 射 経 路 を伝 播し た と仮 定 した場 合の伝 播 時 間

,2

点 鎖 線 は欠 損 端部で超音波が回 折し たと仮 定し た場 合の計 算上 の所 要 伝 播時 間で ある

3

)同様に

9は欠 損 端 部が丸型の場 合で

かっ 発信 端子 位 置を欠 損 端 部よ り70mm の位 置に設 置し た 場 合の結 果を示し た

4

 

ま た

同 様に図

10は欠 損 部が試 験 体 端 部 まで 連 続して い る場 合の結果で

発 信 端子 位 置を欠 損 端 部位 置

お よ び 70

140mm の位置に設置し た場 合の測 定 結 果 を示 し た。 (5) 音 波伝播 時 間の検 討

 

上記の 3図におい て実 測の伝播時間を示す実 線が急 激 に加す る位置が共 通 して確 認さ れ る

こ の位 置を P 点 とし

受信端 子 位 置を 0 点, 直 線

OP

が欠 損を横切 る位 置と欠 損 端との距 離 をD とす る と以下が分か っ た

な お

検 討につ いて の条 件と して

モ ル タル中の伝 播 速 度は 3

342km /sec

周 波 数が 50 

KHz

場 合そ の波 長 は 3

342/50

 OOO = 

O.

 

e66S

 m す な わ ち

約6

68 cm

あ る

a

一8

P

11cm

し た が っ て D は 5

5cm (3 回の試 験の測 定 結 果平 均 値 )であっ た

b

9で 発信 端 子 位 置 L を7cm と した場 合では

P

点は3

4cm

結 局

D

5.

2cm (上記と 同様に 3回の平 均 値)と なっ た

一 15 − .

(8)

c;図

一10

発 信 端 子 位 置 を

L =・

Omm

70mm

140 mm の場合の実 測 結 果 を示 し た

伝 播 時 間 を 示す線の変 化点

P

と 発信子位置 L を結ぶ線の欠 損 部との交 点P は 図中に示す よ うに 5

15

7

5

5cm で

平 均 値は 5

4cm

こ の値 は 波 長 6

 68 cm に近 似し て い る

d

;上記 3図に共通し て, 実 測 値は 0

P で は点 線 似し

,P

点を超え る位 置で は

点 鎖 線に近 似し て い る。 す な わ ち

0−P

間の範囲は発 信 端子か ら受 信 端 子へ 超 音 波が直接 透過 すると言え る

次に 0

P 問を超える位 置 では超音波は反 射 経 路に近 似した距 離 を伝 播す ること が 分かっ た

以上の検 討か ら, コ ンクリ

ト中の超 音 波は発

受 信子 問に空隙が あ る 場合

その空 隙の大き さが 波 長 寸 法よ り 小さいと密 実 部と 同様に両端子 間を 直接 伝 播する が 空 隙 が 波 長 寸 法 より大で あ る と直接透過波は伝播せずに 影の部 分と な るnt) 。 その位置では対 向 面 等か らの反 射 経 路に近 似し た経路 を 伝 播 し た 音 波 が 受 信 さ れ る

この場 合の欠 損は端 部の型, 丸 型お よ び欠 損の大き さ の影 響は見ら れ ない

6

3 本 実 験の ま と め  コ ン クリ

ト中の粗 大な欠損は

音 波 伝 搬に明 らか な 影 響 を及ぼす

音波伝播の直角方向に

波 長に比し て十 分に大きい寸 法の空隙が あ る場 合

その空隙のお よ び 端部の形に は影 響 を受 けず

直接 透 過 波の 伝 播は妨げ ら れて影 を生じる

本 実 験の範 囲で は波 長寸法を超え る寸 法 が影を生じる限 界 値で あっ た。 な お

影の部 分には直 接透過波 以 外の波 が 到 達して いる が

その 経 路は到 達 時 間の検 討か ら反 射 波の経 路と考え ら れ る。

7.

まとめ  コ ン ク リ

ト中の超 音 波 伝 播の

基 礎 的 性質の把 握を 目的と した験 室 実 験を行い

その結 果討か ら以下 が言え よ う

1 ) コ ン クリ

トの含 水 分は伝 播 速 度に影 響を及ぽ す

その影 響程 度 含 水 率が 1%増すに従っ て伝 播 速 度が約

90m

/sec 増 加する

b

こ の値は絶 乾 状 態か ら表 乾 状態との 差 を見ると比 較 的 大き く

伝 播 速 度の測 定 時に は含 水 率をでき るだけ正 確に把 握 し

そ の影 響を考 慮し て実 質 的な伝 播 速 度を算 定する必要が あ る と言え る

特 に構 造 体 間の差の検討等含 水 率が変 化する場 合で は注 意 を要す る

た だ し1構 造物 内に お い て は

測 定 対 象 部の コ ン ク リ

トの材令や養 生 条 件 等が 近似す る た め 含水 率 注 物 質 相 互 間の振 動の達に関 する検 討に

音 響 的 インピ

   ダン スが 用い られ る こと が あ る。 これ は音速と密 度の積で,    コ ン ク リ

空気に つ い て 求め る と

各々 8

1

   1

50×10E’Nsm

428

6Nsm であ る

す な わ ち

ク リ

   トと水では その比率が 5程 度で比 較 的 近 似 し て い る が

空    気の場 合は その比が 1び す なわち 約100万と なっ て

著し    い差 が あ るこ と が 分か る

し たがっ て そ の両 者 間で は振 動    の伝 達は ほと ん ど ない と考えられ る

16

の変 化は小さ く

その影 響 も小さい

 

特に強度推 定 等にあ たっ て は

含 水 分の影 響は強度に は負の効 果 が

伝播 速 度へ は正の効 果が ある こ と は特 筆 すべ あ る

2>

 

コ ンク リ

トの内 部 構 造は

超 音波 伝 播速度に影響 を 及 ぼ す

内 部構 造を表す1指 標とし て吸 水率を考え 超音 波 伝播速 度との関 連 を検 討し た。 その結 果

吸 水 率 の 1%増 加で伝 播 速 度は約 130m /sec 減 少す る といっ た 反 比例的な 関係が得られ た

こ の影 響は 比較的 大であ り

伝 播 速度か ら構 造 体コ ン クリ

トの 均 質 性を相対的 に評 価す ることは可 能である

3) コンク リ

ト中の クラック は超 音 波伝播速度に影 響 し

供試体に

その破 壊 荷 重の 90 %の 載 荷 履 歴を与え た場 合の ク ラッ ク量の 及 ぼ す影 響は

伝 播 速 度を約

10

% 低 下さ せる

し か し

この値は他の条 件の影響に比 べ て小さ く

実 施 構 造物の測 定では内 部 的な破 壊につ い て は伝 播速度か ら評価す ることは困 難であ る。 4}

 

コ ンク リ

ト中の超音 波の伝 播 経 路 中に

粗 大な空 隙 等の不 連続 部が あ る場 合, その音 波 伝 播は著しい影 響 を受け る

空 隙部を挾む対 向 面に設 置し た超音波の 端 子と受 信 端 子は

両者を結ぶ 直線 経 路上に波 長寸法よ り大きい空 隙が あ る場合に は直 接 波は伝 播せ ずに影を生 じる

波長 寸 法よ りさい空 隙の場 合は直接 波が伝 播し

その空 隙の影 響は わ ず かで

実 務 的に は検 出する こと は 不 可 能である。  ま と めと し て

本 研 究ではコ ン ク リ

トの含 水 率

吸 水率,粗大な空隙 等の

従 来定 量的に把 握さ れ て い な か っ た超 音 波 伝 播へ ぼ す影 響につ い て明らか に し た。 その 結果か ら

コ ン クリ

トの内部 状 態の評 価

特に吸 水 率 で表 現されるよ う な 内 部 状 態お よ び粗 大な空隙の存在の 評 価が可 能であり

主 に構造体内の均 質 性の判 定には効 果的に利 用さ れ よう

。一

若 林 令 時には含 水 状 態の影 響が大き いと考え ら れ

本研究の結 果によっ てその 影響 を 考 慮 すれ ば

よ り精度の高い推 定が可 能と な る。 謝   辞

 

な お 本 研 究は早 稲田大学 田村

 

恭 教 授お よ び 芝浦工 業 大 学 十 代 田 知三教授の指導をう けて行っ たもの で

記 して深謝 致しま すe ま た

引用 し た実 験は ほ と ん ど は武 蔵工業大学建 築 学 科の修 士 論文

卒 業 論 文とし て実 施し た もの で

尽 力 頂い た多くの卒 業 生 諸 君に感謝致し ま す

参 考 文 献 ) 1 2) ) 3 コ ン ク リ

ト非 破 壊 試 験方 法 研小 委 員 会:コ ン クリ

トの強 度 推 定の た めの非 破 壊 試 験 方 法マ ニ ュ アル

口本 建築学 会, 1983

ASTM  c

597:Standard test method  for pulse velocity through  concrete  1983

BS 4408

 PART  203 Recommendanons  for measure

me 皿t。f yel ・city  ・f ultras ・nic pulses in c。ncrete

1881

(9)

4 I Facaoaru:Non

destructive testing of conclete  in

   Romania

 ICE Simpo

 on  NDT  of concrete  and  timber

       ,

    London

 

June

 l969

5)RILEM  RecommendatiDn NDT  1:teshng  ofconcrete  by   止 eultrasonic  pu且se method

1981

6) R

 

Jones

:The  non

dest[uctive  testing  of concrete

   Magazine  of  cencret  research

 

June,

949

7) 谷 川 恭 雄ほ か :超 音 波 速度法によ るコ ン ク リ

ト強 度の

  

推 定

日本建築 学 会 大 会 学 術 講演 梗 概集

pp

171

172

    1978

9

8) H

W

 Chung :Effect of enbeded  steel  bars upon  ultraso

   nic  testing of  concrete

 Magazine  of  concrete   research     March 1978

g} RH

 Elvery:Ultrasonic testlng of  concrete

 MagaZine

    of concrete  research  197Z

10) M

F

  Kaplan:Efects of incomplete consolidation  on

  compressive  and  flexural strength

 ultrasonic  pulse

  

veloclty  and  dynamic modulus  of clasticity  of  concrete

  

Journal

 of  ACI

 March lg60

11) 野 崎 喜 嗣 ;コ ンク リ

トの非 破 壊 試 験に関す る研究

コ    ン クリ

ト中の障 害物 が 超 音 波 伝 播 速度に及ぼ す影 響

   日本 建築 学 会 関 東 支部 研 究 報告

pp

 Z97

300

1979 12> 岡島達雄ほ か :コ ンク リ

トの弾 性 定 数 及 び 超 音 波 速度 13> 14) 15) 16} 17) 18) に 及 ぼ す含水 率の影 響

日本 建 築学会 大会学 術 講 演 梗 概 集

pp

173

174

1981 推名国 雄ほ か :コ ンクリ

トの含 水状態が強 度及びヤン グ係数にぼ す影 響

日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講演梗概 集

pp

431

434

 1987 野 崎 喜 嗣ほ か :超 音 波 法を 用い たコ ク リ

ト構 造 物の 非 破壊 試 験

セ メ ン ト技 術 年 報

pp

271

275

1978 野 崎 喜 嗣 :コ ン ク リ

トの非 破 壊 試 験に関す る 研究

コ ン クリ

トの内 部 条件の定量化 及び超 音 波 伝 播 速 度との 関係

日 本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演梗 概集

pp

173

174

1978 野 崎 喜 嗣:コ ン クリ

トの非 破壊 試 験に関する研究

的 方 法に よ るコ ン ク

内 部品 質評 価

コ ン ク リ

ト工 学 講 演論文集

pp

17

20

1979 野 崎 喜 嗣 :コ ン ク リ

トの非 破 壊 試 験に関す る研 究

内 部空隙を有する供 試体 中の超音 波 伝 搬

日本 建 築 学 会 大 会学 術 講 演梗 概 集, pp

459

460

1987 野崎 喜嗣 :コ ク リ

トの品 質 管 理に関 す る研 究

超 音 波 伝 播 速 度 法及 び 振 動の減 衰 特 性の応 用

日本建築 学 会 関東支部 研 究 報 告

PP

225

228

1975 (199096日原 稿 受 理

1991年5月 14日採 用 決 定 )

17

参照

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