報 文 超音波伝播速度測定によるコンクリート構造物の凍害診断に関する基礎的研究 Diagnosis of Frost Damage in Concrete Structures by Measurement of Ultrasonic Propagation Velocity 林田 宏＊ 田口 史雄＊＊ 遠藤 裕丈＊＊＊ 草間 祥吾＊＊＊＊ Hiroshi HAYASHIDA，Fumio TAGUCHI，Hirotake ENDOH and Shogo KUSAMA 本研究では、凍害劣化を受けたコンクリート構造物中の水分が超音波伝播速度に与える影響につい て検討するため、超音波伝播速度、電気抵抗式含水率計による水分量と顕微鏡観察による微細ひび割 れ本数の関係について検討を行った。その結果、超音波伝播速度は凍害劣化による微細ひび割れ中の 水分の影響を受けることが定量的に明らかとなった。また、これらの調査結果を用いて凍害深さに関 する検討を行った結果、凍害深さを推定する方法として超音波伝播速度法の有効性が確認できた。 《キーワード：超音波伝播速度；コンクリート構造物；凍害診断；水分；微細ひび割れ》 This study was conducted to clarify the influence of water content on the ultrasonic propagation velocity in frost-damaged concrete structures. Ultrasonic propagation velocities were measured for concrete with different water content as determined by electrical resistance and for concrete with different densities of micro-cracks as determined by microscopy. The study found that ultrasonic propagation velocity in concrete was influenced by water in micro-cracks that were caused by frost damage. Depth of frost damage could be accurately estimated from ultrasonic propagation velocity. 《Keywords: ultrasonic propagation velocity; concrete structures; frost damage diagnosis; water content; micro- cracks》 10 寒地土木研究所月報 №656 2008年１月 ˍȅ͉̲͛ͅ 寒冷地におけるコンクリートは凍害によって発生す る微細ひび割れ等により、組織がゆるみ、それに起因 して圧縮強度の低下や塩化物イオン浸透速度の増加な どが起こることが多い。コンクリート構造物を適切に 維持するためには、凍害によりコンクリート組織が変 化した部分や劣化程度 （以下、 「凍害劣化」という。）を 把握することが重要である。凍害劣化を把握する方法 として、超音波伝播速度、細孔径分布や顕微鏡観察に よる方法などが提案されているが、これらの方法を用 いた既存のコンクリート構造物における凍害劣化の評 価方法は、未だ十分に確立されていない。著者らは、 このような背景から、より簡便で経済的に調査を行う ことが可能な診断手法を確立するため、その一手法と して超音波伝播速度を用いた凍害診断について検討を 行っており、前報１）で定性的な水分の影響を明らかに した。本報では、水分の影響を定量的に明らかにする ため、電気抵抗式含水率計を用いて水分量と超音波伝 播速度との関係について検討を行った結果について報 告する。また、凍害劣化を受けた部分を超音波伝播速 度から評価するための基礎情報として顕微鏡観察によ るひび割れと超音波伝播速度との関係について検討を 行った結果およびこれらの結果を用いて凍害深さに関 する検討を行った結果についてもあわせて報告する。 た場合の凍結融解回数は、時間毎の気温で判断すると、 １年で約80回、経過年数で換算すると約2700回程度で ある。調査構造物はৢ૯Ƚˍに示すように水みちが見 られ、表面は粗骨材がいくつか露出している状態で あった。また、ৢ૯Ƚˎに示すように桁下のため水分 の供給を受けないＡ橋の橋台竪壁前面の健全部（以下、 「健全部」という。）についても比較のために調査を行っ た。 ˎȅऔٽါ ৢ૯Ƚˍȁ˝ޘޘర༃௰࿂໐ȪႦا໐ȫ ˎȅ ˍȁऔࢹ௮͈ٽါ 調査はȽˍに示すＡ橋の橋台竪壁側面の凍害劣化 部 （以下、 「劣化部」という。 ） を対象として行った。Ａ 橋は昭和47年に架設され、調査時点で34年が経過して おり、冬季には最低気温が約−20℃となる地域に架設 されており、コンクリートの凍結温度を−２℃２）とし Aᯅ Ƚˍȁպ౾ 寒地土木研究所月報 №656 2008年１月 ৢ૯Ƚˎȁ˝ޘޘర༃ஜ࿂໐Ȫ࠲໐ȫ 11 ˎȅ ˎȁऔ༹༷ １） 内部水分量調査 構造物の水分量が超音波伝播速度に与える影響を把 握するため、電気抵抗式含水率計 （ৢ૯Ƚˏ）を用いた 実構造物の内部水分量調査を行った。この装置は測定 対象物に低周波 （120Hz） 電圧を１V 加え、その電流電圧 変化を測定して間接的に含水率を求めるものである。 電極はコンクリートに対して一様な接触状態を得るた めに金属ブラシを用いている。測定は、φ６㎜乾式ド リルで２つの孔を約３㎝間隔であけ、計測時には接触 部が十分削孔面に接触するようにエアーで削孔内部を 清掃した後、その中にブラシ電極を差し込み、深さ２ ㎝、４㎝、６㎝、８㎝、10㎝の５箇所で計測を行った。 なお、水分量調査については、コアを採取後、採取位 置から５㎝離れたところで調査を行った （Ƚˎ） 。 ２） 超音波伝播速度測定 劣化部および健全部から採取したコア （φ10㎝） を湿 潤のままの状態と乾燥機で乾燥させた状態の２通りに ついてȽˏに示す方法で超音波伝播速度測定を行っ た。なお、乾燥に当たっては、組織変化に対する影響 を考慮し、40℃３）でコアの質量が一定となるまで乾燥 させた。また、超音波伝播速度の測定に当たっては、 周波数は28kHz とし、センサーはφ20㎜を使用した。 ３） 顕微鏡観察によるひび割れ密度測定 凍害によって発生する微細ひび割れ等による組織変 化を直接確認するため、超音波測定位置でコアをスラ イスし、顕微鏡を用いて測線長１㎜あたりのひび割れ 本数を算出し、超音波伝播速度測定との関係について 検討を行った。なお、試料面積、測線長は米国材料試 験協会規格 ASTM C 457に準じ、微細ひび割れをき わだたせるための蛍光塗料等は用いていない（Ƚ ː） 。 上述の１）∼３）の測定については、コンクリート 標準示方書では凍害深さがかぶり以上になったとき、 鋼材腐食が著しくなり、使用性能や安全性能に影響を 及ぼすとされている４）ことから、いずれの測定も竪壁 のかぶりである深さ10㎝まで測定を行った。 ৢ૯Ƚˏȁഩܨࢯ܄କၚࠗ 㪌㪺㫄㩷 Ƚˎȁඤ໐କၾऔ ᷓ䈘ᣇะ䈮⟎䉕 ᄌ䈋䈩᷹ቯ㩷 Ƚˏȁ಼إ෨ഥ௸ഽ௶ 䈵䈶ഀ䉏 㪈㪇㪺㫄 㪊㫄㫄䊏䉾䉼 ᷹✢ Ƚːȁࡐޢ۷ख़͍ͥ͌͢ͅྟͦڬഽ௶ 12 寒地土木研究所月報 №656 2008年１月 㪋㪃㪏㪇㪇 ˏȅऔࠫض 㪋㪃㪋㪇㪇 㪋㪃㪉㪇㪇 㪋㪃㪇㪇㪇 ഠൻㇱ䋨ḨẢ䋩 ஜోㇱ䋨ḨẢ䋩 ഠൻㇱ䋨ੇ῎䋩 ஜోㇱ䋨ੇ῎䋩 㪊㪃㪏㪇㪇 㪊㪃㪍㪇㪇 㪊㪃㪋㪇㪇 㪇㩷㪺㫄 㪉㩷㪺㫄 㪋㩷㪺㫄 㪍㩷㪺㫄 㪏㩷㪺㫄 㪈㪇㩷㪺㫄 㪏㩷㪺㫄 㪈㪇㩷㪺㫄 ᷓ䇭䇭ᐲ Ƚˑȁ಼إ෨ഥ௸ഽ ḨẢ䈫ੇ῎䈱ㅦᐲᏅ㩿㫄㪆 㫊㪀 㪄㪉㪇㪇 ഠൻㇱ ஜోㇱ 㪄㪊㪇㪇 㪄㪋㪇㪇 㪄㪌㪇㪇 㪄㪍㪇㪇 㪄㪎㪇㪇 㪇㩷㪺㫄 㪉㩷㪺㫄 㪋㩷㪺㫄 㪍㩷㪺㫄 ᷓ䇭䇭ᐲ Ƚ˒ȁ಼إ෨ഥ௸ഽओȪȽۋȫ 㪐 㪏 ഠൻㇱ ஜోㇱ 㪎 ᳓ಽ㊂㩿㩼 㪀 Ƚˑに超音波伝播速度測定結果を示す。 劣化部（湿 潤）の速度は表面に向かって低下傾向を示しているも のの、全体的に速く、健全部 （湿潤）との差は大きくな いが、乾燥を行うことによりその差が明瞭となった。 また、健全部 （乾燥）の速度に着目すると、８∼ 10㎝ で速度4300m/s で概ね一定となっており、この速度（図 中の青点線）と健全部 （乾燥）の速度を比較すると、一 般的に健全なコンクリートでも深部の速度は概ね一定 であるが、表面に近いほど低下する５）とされている傾 向が確認できる （図中の緑矢印） 。一方、劣化部（乾燥） の速度は健全部 （乾燥）に比べ、凍害劣化のため、さら に低下している （図中の赤矢印） 。 Ƚ˒は湿潤と乾燥の速度差を示したものである が、健全部は４㎝以深で概ね一定であるのに対し、劣 化部では表面に近いほど速度差が大きくなっている。 Ƚ˓は水分量を示したものであるが、劣化部は健全 部に比べて水分量が多く、また表面に近いほどその差 も大きい。Ƚ˔は劣化部の超音波伝播速度 （乾燥）と ひび割れ本数の関係を示したものであり、凍害に特徴 的に発生する微細ひび割れの本数が多いほど、速度が 低下する傾向を示しており、両者には良好な相関関係 があるものと考えられる。 以上のことをまとめると、次のようになる。 ① 劣化部は表面に近いほど凍害による微細ひび割 れが多くなっており、その中に水分が存在する ため、劣化部と健全部の水分量の差は表面に近 いほど拡大する （Ƚ˓, ˔） 。 ② このため、劣化部は表面に近いほど、湿潤と乾 燥の速度差が大きくなる（Ƚ˒） 。すなわち、 本来は劣化に伴い速度が低下するはずが、湿潤 状態では微細ひび割れ中の水分の影響により、 劣化部の速度低下が起こりにくくなっている （Ƚˑ） 。 㖸ᵄવㅦᐲ㩿㫄㪆 㫊㪀 㪋㪃㪍㪇㪇 㪍 㪌 㪋 㪊 㪉 㪇㩷㪺㫄 㪉㩷㪺㫄 㪋㩷㪺㫄 㪍㩷㪺㫄 㪏㩷㪺㫄 㪈㪇㩷㪺㫄 ᷓ䇭䇭ᐲ Ƚ˓ȁକၾ ːȅൄٺ૬̯ͅࣉ̳ͥ۾ख़ 寒地土木研究所月報 №656 2008年１月 㪋㪌㪇㪇 㪇㪅㪇㪉㪌 વㅦᐲ䋨ੇ῎䋩 㪇㪅㪇㪉㪇 㪋㪇㪇㪇 㪇㪅㪇㪈㪌 㪇㪅㪇㪈㪇 㪊㪌㪇㪇 㪇㪅㪇㪇㪌 㖸ᵄવㅦᐲ 㩿㫄㪆 㫊㪀 න㐳䈘ᒰ䈢䉍䈱 䈵 䈶 ഀ䉏ᧄᢙ㩿ᧄ㪆 㫄㫄㪀 㪇㪅㪇㪊㪇 凍害劣化を受けたコンクリート構造物の補修設計な どを検討する際は診断結果から組織がゆるんでいる凍 害劣化範囲、すなわち、断面を除去する範囲を特定す る必要がある。そこで、以下では得られた結果を基に 凍害深さに関する考察を試みた。 いくつかの研究では凍害劣化の評価に当たって、耐 凍結融解抵抗性の評価指標としてなじみの深い相対動 弾性係数を用いて評価を行う試みがなされている。緒 方ら６）は実験式である式 （1）を用いて動弾性係数を求 め、式 （2）から相対動弾性係数を求める方法を提案し ている。 䈵䈶ഀ䉏ᧄᢙ 㪇㪅㪇㪇㪇 㪊㪇㪇㪇 㪇㩷㪺㫄 㪉㩷㪺㫄 㪋㩷㪺㫄 㪍㩷㪺㫄 㪏㩷㪺㫄 㪈㪇㩷㪺㫄 ᷓ䇭䇭ᐲ Ƚ˔ȁ಼إ෨ഥ௸ഽུ͍͂͌ͦڬତ 13 E d = 4 .0387 V 2 − 14 .438V + 20 .708 （1） 相対動弾性係数 (%) = E dn × 100 E do （2） ここに、Ed、Edn：供用中のコンクリート構造物にお ける動弾性係数 （GPa）、Edo：供用開始直後のコンク リート構造物における動弾性係数、もしくは供用開始 直後の測定値がない場合は供用中のコンクリート構造 物において健全とみなせる箇所の動弾性係数 （GPa） 、 V：超音波伝播速度 （km/s）である。 本報においてもこの方法により相対動弾性係数を求 めて凍害深さの評価を行った。なお、相対動弾性係数 の算出に当たり Edn の算出では劣化部（乾燥）の超音波 伝播速度を用い、また、Edo の算出では健全とみなせ る箇所の超音波伝播速度として深さ10㎝のものを用い た。算出結果をȽ˕に示す。 相対動弾性係数を用いた凍害深さの評価については 様々な考え方が用いられているが、コンクリート標準 示方書 （施工編）７）では凍結融解作用に関する照査は、 構造物中のコンクリートが劣化を受けた場合に関し て、気象条件、断面、構造物の露出状態により相対動 弾性係数の最小限界値等を用いて行うこととしてお り、相対動弾性係数の最小限界値は85 ∼ 60％の範囲 で設定されている。また、桂ら８）は、室内実験の結果 から相対動弾性係数で85％程度を境として、凍害劣化 の進行が加速することを明らかにしている。これは、 凍害劣化による微細ひび割れ内に水が供給されること で、凍結水量が増加し組織の劣化が加速されるためで あるとしている。これらの知見から今回の検討ではコ ンクリート標準示方書が定める相対動弾性係数の最小 限界値のうち、もっとも安全側である85％を仮の閾値 とし、この値を下回る部分を凍害劣化による組織のゆ 㪈㪇㪇㩼 ⋧ኻേᒢᕈଥᢙ㩿㩼 㪀 㪐㪇㩼 㪏㪌㩼 㪏㪇㩼 㪎㪇㩼 㪍㪇㩼 㪌㪇㩼 㪇㩷㪺㫄 㪉㩷㪺㫄 㪋㩷㪺㫄 㪍㩷㪺㫄 㪏㩷㪺㫄 㪈㪇㩷㪺㫄 ᷓ䇭ᐲ Ƚ˕ȁ಼إ෨ഥ௸ഽ̹ͤ͛͢ݥచ൲౮߸ତ 14 るみ域として仮定すると、Ƚ˕の結果から約８㎝ま でが凍害劣化範囲であると考えられる。この結果は Ƚ˔に示すようにひび割れ本数が約８㎝の深さから表 面に向けて増加していること、また、健全なコンクリー トの一般的な超音波伝播速度は4000m/s 以上とされ ており９）、表面から約８㎝までの部分で超音波伝播速 度が4000m/s 以下となっている結果とも一致する。 ˑȅ͂͛͘! 以上のことをまとめると、次のようになる。 ① 劣化部は表面に近いほど凍害による微細ひび割 れが多くなっており、その中に水分が存在する ため、劣化部と健全部の水分量の差は表面に近 いほど拡大する。 ② 劣化部は表面に近いほど、湿潤と乾燥の速度差 が大きくなる。すなわち、本来は劣化に伴い速 度が低下するはずが、湿潤状態では微細ひび割 れ中の水分の影響により、劣化部の速度低下が 起こりにくくなっている。 ③ 凍害深さの考察に当たり、相対動弾性係数を用 いた結果、超音波伝播速度の絶対値やひび割れ 本数による結果と一致し、凍害深さの評価を行 う上で有効な評価指標となりえる可能性がある ことを確認した。 今回の調査結果から、超音波伝播速度測定は凍害劣 化による微細ひび割れ中の水分の影響を受けることが 定量的に明らかとなった。今後は超音波伝播速度を用 いた凍害診断手法の精度を高めるため、顕微鏡観察に よる組織変化確認とあわせて、さらに事例の収集など を行う予定である。 ४ࣉࡃ １）林田宏、田口史雄、嶋田久俊：超音波伝播速度測 定による実コンクリート構造物の凍害深さ推定に つ い て、 北 海 道 開 発 土 木 研 究 所 月 報 No.642、 pp2-8、2006.11 ２）コンクリート技術の要点’99、pp.155、日本コン クリート工学協会、1999 ３）堀宗朗、多田浩治、斎藤裕、三浦尚：細孔構造の 変化に着目したコンクリートの低温劣化の診断法 の 基 礎 的 研 究、 コ ン ク リ ー ト 工 学 年 次 論 文 集 Vol.13、pp723-728、1991.7 ４）コンクリート標準示方書［維持管理編］、 土木学会、 pp.115、2001 ５）微破壊・非破壊試験によるコンクリート構造物の 強度測定要領（案） 、国土交通省、2006 ６）緒方英彦、野中資博、藤原貴央、高田龍一、服部 寒地土木研究所月報 №656 2008年１月 九二雄：超音波法によるコンクリート製水路の凍 害診断、コンクリートの凍結融解抵抗性の評価方 法に関するシンポジウム、日本コンクリート工学 協会、pp63-70、2006.12 ７） コンクリート標準示方書［施工編］、土木学会、 pp.29、2002 ８）桂修、松村宇：コンクリートの凍害劣化度評価と 予測法に関する研究、コンクリートの試験方法に 関するシンポジウム、日本建築学会、pp2-11-2-16、 2003.11 ９）文献２）、pp.106 林田 宏＊ 田口 史雄＊＊ 遠藤 裕丈＊＊＊ 草間 祥吾＊＊＊＊ 寒地土木研究所 寒地基礎技術研究グループ 耐寒材料チーム 主任研究員 寒地土木研究所 寒地基礎技術研究グループ 耐寒材料チーム 上席研究員 技術士（建設部門） 寒地土木研究所 寒地基礎技術研究グループ 耐寒材料チーム 研究員 寒地土木研究所 寒地基礎技術研究グループ 耐寒材料チーム 研究員 寒地土木研究所月報 №656 2008年１月 15
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