A-8 コンクリート地際部における非接触・非破壊検査システム キーワード：調査方法、非破壊検査、新技術、コスト縮減、効率化 細見 直史＊1 入部 孝夫＊1 貝沼 重信＊2 山田 隆明＊3 永野 徹＊3 2．非接触・非破壊検査システム 1．はじめに 下路トラス橋の斜材とコンクリート床版との境界部 2-1 渦流探傷検査 ECT はきず信号（欠損体積）が電磁誘導現象によりコ や鋼製橋脚基部の地際部に著しい腐食損傷が数多く報告 1) されている 。図-1 に示す地際構造は、鋼アーチ橋の垂 イル（センサー）の電圧変化で得られるため、非接触で 直材や波形鋼板ウェブ PC 橋、複合トラス橋の斜材、高圧 導体の高速検査が可能である。しかし、従来の装置では 鉄塔や標識照明柱の基部などに多用されており、今後、 センサーが腐食の上側を通過する必要があるため、地際 2) 。これらの腐食は、局部 腐食部の検査には適用困難であった。そこで、ECT を鋼 的かつ板厚方向に進行する損傷で、腐食の進行性が著し 材のコンクリート地際部の腐食検知に適用するために、 く高く、コンクリートに埋設された目視できない部位に 新たに腐食検知用渦流センサーを開発した。このセンサ も生じることが少なくない。目視できない地際部を検査 ーを用いることで、腐食生成物や塗装を除去することな するには、コンクリートのはつり作業や地際部に生じた く、非接触で短時間かつ効率的な検査を実現した。さら 浮さびを除去するなどの多大な労力を要する。 に、ECT により欠損体積に応じた信号変化から地際部の 同様の腐食損傷が懸念される 地際部の腐食損傷の非破壊検査法は、超音波を用いた 平均腐食深さを推定する方法がないため、地際部の平均 方法が主として検討されてきた。しかし、超音波探傷を 腐食深さを推定する手法 3)を考案した。 適用する場合、鋼材表面の腐食生成物や塗膜を除去する 2-2 検査波形による腐食深さの推定 3)-4) 必要があり、腐食した鋼材表面の凹凸が超音波の入射反 渦流探傷センサーの電圧変化は、センサーがきず直上 射の障害となることなどから、超音波で腐食損傷を検出 （最大の腐食深さ位置）を通過した際に最大となり、こ することは原理上、困難であった。そこで、渦流探傷検 の最大の電圧変化を検出することで腐食欠損体積が求め 査（以下、ECT）を用いて ECT 探傷波形の非線形回帰分 られる。図-2 に示すように、鋼材の地際部分において、 析を行うことで、地際部の目視できない部位における腐 その延在方向に対して直交する方向に人工きずを通過す 3) し、非接触で地際 るようにセンサーを走査させた場合の探傷波形を図-3 部の残存平均板厚の検査が可能な非破壊検査システムを に示す。図中に青で示す探傷波形は、断面欠損の体積減 食損傷の位置と平均腐食深さを推定 4) 。また、実際の鋼製橋脚基部を対象に本検査 少による電圧低下の累積を示している。赤実線は探傷波 システムによる試験調査を実施し、検査結果と腐食表面 形に近似するガウス関数の非線形回帰分析により近似し 性状の 3 次元計測結果とを比較することで、その妥当性 た確率密度関数を示している。探傷波形はガウス関数に 開発した 5) および作業性を確認した 。 ほぼ一致している。しかし、腐食が最も著しい部位は、 センサー 鋼板 100 矩形断面人工きず X 走査方向 0 幅 ：W 深さ ：D Y 断面積：A 0 センサー位置 Y c d b ガウス関数 探傷波形 a 走査原点：スリットきず直近 a:最大振幅 b:標準偏差 地 際 腐食損傷 材質：SM490 寸法：400×9×200mm 地際腐食部 ｺﾝｸﾘｰﾄとの境界 図-1 地際腐食損傷 図-2 渦流探傷検査 ＊1 株式会社 ＊2 東京鐵骨橋梁 九州大学大学院 ＊3 図-3 対比試験片と探傷波形 技術本部 技術研究所 工学研究院社会基盤部門 日本電測機株式会社 71 電圧-V 技術研究所 c:最大振幅 の位置 d:初期値 -0.57V センサー -1.36V -1.30V -1.27V 鋼材 (a) きず通過 (b) きず直近 非接触 図-5 非接触・自動渦流探傷装置 図-4 ガウス関数を用いた非線形回帰分析の結果 図-7(b) (a) 検査対象部位 鋼製橋脚基部 (b) 最大欠損部 図-7 検査対象部位と測定範囲 図-6 対象橋脚 コンクリートの埋設部近傍であるため、きずを通過させ 2-3 平均腐食深さの推定手法 5) 地際腐食損傷部の ECT および平均腐食深さの推定は、 る走査は困難である。そのため、センサーにより直接最 大の電圧変化を検知できず、最大の欠損断面を求められ 以下で示す手順で行った。この結果から、地際腐食損傷 ない。そこで、目視できない部分の腐食深さ（残存板厚） 部の残存平均板厚を評価した。 を評価するためには、腐食損傷による最大電圧の変化を 1） 対比試験片を用いて探傷機器の感度調整を行う。 推定する必要がある。 2） 実構造物の ECT を実施する。 図-3 に示す対比試験片の ECT 波形の一例を図-4 に示 3） ECT 波形の非線形回帰分析を行い、ガウス関数の最 す。図-4(a)は、きずを通過させた場合の ECT の走査波 大電圧振幅、電圧振幅の標準偏差、最大振幅の位置、 形を示している。図中に青プロットで示す ECT 走査波形 および振幅の初期値のパラメータを推定する。 の最大電圧振幅が-1.36V であるのに対し、赤実線の非線 4） 対比試験片の感度調整値と実構造物の被検査材の諸 形回帰分析による最大電圧振幅を-1.27V と推定している。 条件を用いて 3)の推定結果から地際平均腐食深さ D その推定誤差は-7%程度であり、複数回実施したものの と地際腐食位置 Y を計算する。 5） 被検査材の腐食前の板厚は設計板厚とし、設計板厚 同様の結果であった。また、回帰分析の収束条件を厳し から地際平均腐食深さを差引くことで、残存平均板 くしても推定結果に差は生じなかった。 厚を算出する。 きず直近までセンサーを走査した際の探傷波形を図 -4(b)に示す。図-4(a)に示す人工きずを通過させた ECT なお、残存平均板厚の推定には、文献 4)の対比試験片に 走査波形の最大振幅に対し、きず直近で走査を停止した よる ECT の考察結果から、以下の仮定を用いた。 ECT 波形の最大振幅は、-0.57V と 40%程度の信号しか得 1） 延在方向に対して直交する方向に走査した ECT 波形 は、ガウス関数に従う。 られていない。しかし、非線形回帰分析を行うことで -1.30V の最大振幅が推定でき、その推定誤差は約-4%で 2） 非線形回帰分析の収束条件は 0.05%以下とする。 あり、きずを通過させた場合と同程度の結果が得られた。 3） 地際腐食損傷部の欠損断面を矩形断面にモデル化し て平均腐食深さを算出する。 さらに、検査精度の向上と効率化を図るためために、図 -5 に示すような非接触・自動渦流探傷装置を開発した。 72 図-9(a) X (a) 腐食損傷（検査前）状況 (b) ECT 結果 鋼材 地際 コンクリート Y 最大振幅の位置 仮想腐食幅 (c) 地際からの腐食位置 D 地際 Y 板厚 (d) 平均腐食深さの推定値 図-8 地際平均腐食深さの推定結果 3．実証試験調査 5) 3-1 3-3 対象構造物 精度検証結果 ECT 後に鋼製橋脚基部の根巻きコンクリートをはつ 地際腐食損傷部の腐食損傷調査は、角形鋼製門型ラー り、地際腐食部をブリッドブラスターによるケレンを行 メン橋脚の基部を対象に実施した。対象橋脚の全景写真 った。ケレン後の最大欠損部の計測結果を図-9(a)に示す。 を図-6 に、検査対象部位、測定範囲および目視調査にお 次に、セルフポジショニング・レーザースキャナ（以下、 ける最大欠損部を図-7 に示す。調査を実施した対象部位 ハンディースキャン 3D と呼ぶ。） （Creaform 社製）、およ の使用鋼材は SM400A であり、橋脚柱の幅は 2050mm、 びレーザ変位計を用いた現場設置型の XY スキャナ（以 板厚は 19mm である。なお、調査時における対象橋脚の 下、現場レーザ変位計と呼ぶ。）（東骨社製）による腐食 供用年数 T は 31 年（1981 年 10 月竣工）である。 表面形状の 3D 計測（測定ピッチ 1mm）を行った。その 3-2 結果を図-9(b)および(c)に示す。なお、地際部を印象材 調査結果 地際部の平均腐食深さの推定結果を図-8 に示す。図 により型取りし、レーザ変位計搭載の卓上 XY スキャナ -8(a)は検査前の腐食状況であり、図-8(b)は ECT による （九大製）により、測定ピッチを 0.2mm とした腐食表面 電圧振幅変化のコンター図を示している。ECT による電 形状のデータの詳細計測も行った。3 種類の計測方法に 圧測定では、橋脚材端から 300～1200mm 付近の地際近 よる腐食表面形状の計測結果は、それぞれ計測時間や測 傍で大きな電圧変化が生じた。ECT 波形の非線形回帰分 定ピッチが異なるものの、同様の傾向を示していた。こ 析から算出した地際腐食位置、および平均腐食深さの推 こでは、計測間隔 1mm ピッチで格子状のデータが比較 定値を図-8(c)、および(d)に示す。地際からの腐食位置 的広範囲に採取できる現場レーザー変位計の計測結果を は、地際からコンクリート埋設部側に 10mm 程度であり、 用いて ECT の計測結果の推定精度を検証する。 その平均腐食深さ Dmean は 2～3mm 程度、最大値 Dmax を 現場レーザー変位計による最大欠損部の計測結果と 約 5mm と推定した。 ECT による推定結果を図-9(d)に示す。図中に示す赤プ 73 (a) ケレン後の腐食表面 単位(mm) (c) 現場レーザー変位計 推定誤差 ±1mm（2σ） (b) ハンディースキャン 3D (d) 推定結果との比較 図-9 腐食表面形状の 3Ｄ計測結果 ロットは ECT による平均腐食深さの推定結果であり、青 プロットは現場レーザ変位計による最大腐食深さを示し ている。ECT による推定値は、実測値と同様の傾向を示 しており、その推定誤差は±1mm（2）程度であった。 5．まとめ コンクリートに埋設された鋼部材の地際腐食損傷に 対して，前処理（コンクリートのはつり，鋼材の塗装， 浮さび等の除去作業）が不要な非破壊検査技術を開発し た。鋼製橋脚基部を対象に実証試験を行ったところ、ECT による平均腐食深さの推定値は、その実測値と同程度の 傾向を示し、その推定誤差は±1mm（2）程度であった。 【参考文献】 1) 日本道路協会：道路橋補修・補強事例集 2007 年版, 山海堂, 2007. 2) 土木学会：日経コンストラクション 2011 年 10 月 10 日号,2011. 3) 入部孝夫,細見直史,貝沼重信,山田隆明,永野徹:地際 腐食損傷部の平均腐食深さの推定による残存平均板厚推 定方法(特願 2013-071117). 4) 細見直史,入部孝夫,貝沼重信,山田隆明,永野徹,片山 英資：鋼部材のコンクリート地際における残存板厚の評 価・予測(その 1),第 68 回年次学術講演会,2013． 5) 入部孝夫,細見直史,貝沼重信,山田隆明,永野徹,片山 英資：鋼部材のコンクリート地際における残存板厚の評 価・予測(その 2),第 68 回年次学術講演会,2013. 74
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