JP4989310B2

JP4989310B2 - 鉄筋診断装置

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Publication number: JP4989310B2
Application number: JP2007135754A
Authority: JP
Inventors: 隆一小林; 公博田島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2027-05-22
Also published as: JP2008292203A

Description

本発明は、鉄筋コンクリート内部の鉄筋の状態を診断するための鉄筋診断装置とそれを用いた鉄筋診断方法に関する。

鉄筋コンクリートを利用した構造物においては、コンクリート自体の強度及びコンクリート内部に存在する鉄筋によってその強度を保っている。そのため鉄筋コンクリート構造物の維持・管理上、コンクリートと鉄筋自体の状態の把握が必要である。

このうち、コンクリートの劣化については、表面で観測可能なひび割れや析出物等の検査のほか、コンクリート自体から試験編を取り出して確認する手法がある。また内部に存在する鉄筋の本数や劣化状況等を診断することは、構造物の安全性を担保する上で必要不可欠であるが、コンクリート内部の鉄筋を直接観測することは不可能であるため、超音波や磁界（磁場）、電磁波、Ｘ線等を利用した様々な非破壊検査装置が開発、製造、販売されている。さらに、コンクリートを剥離して直接確認する方法も考えられている（非特許文献１〜３を参照）。
コンクリート工学１９８９年３月号、pp.48-47、69-74 http://www.dnc.co.jp/technology/04hihakai_01.htm ＮＴＴ技術ジャーナル、２００６年３月号、pp.41-46

しかしながら、従来の超音波や磁界、電磁波、Ｘ線を利用した非破壊検査装置においては以下の（１）〜（３）が課題であった。

(1)取り扱いや測定手順が複雑であり、専門的な知識が必要とされる。
(2)センサや発振器部分が高価であり、装置全体としても高価である。
(3)超音波での測定結果や磁界利用での測定結果は、その判定に経験や知識が必要とされる。

また、コンクリートを剥離して、直接に中の鉄筋の状態を確認する方法も考えられるが、構造物の強度を損なう可能性があるため、現実的な方法であるとはいえなかった。

本発明の目的は、上記に鑑みてなされたものであり、鉄筋コンクリート内の鉄筋の状態を静電結合を用いて視認可能に観察でき、正確かつ容易に鉄筋の状態を診断することができる鉄筋診断装置とそれを用いた鉄筋診断方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、円柱状の鉄筋コンクリートの内部に配置された鉄筋の状態を診断するための鉄筋診断装置において、静電結合により前記鉄筋に高周波信号を印加して誘導電圧を発生させるための信号印加部と、前記鉄筋に発生した前記誘導電圧を静電結合により検出して測定するための電圧測定部と、前記電圧測定部による測定結果を表示するためのデータ表示部と、を備え、前記信号印加部及び前記電圧測定部のそれぞれは、可撓性を有するフレキシブル基板上に電極を配置して前記円柱状の鉄筋コンクリートの表面形状に沿って巻き付け可能であって、前記フレキシブル基板の巻き付け方向に平行な辺に静電シールド部を備え、当該静電シールド部の両端には、前記フレキシブル基板を前記円柱状の鉄筋コンクリートに巻き付けた際に対向する端を機械的及び電気的に結合する電極接合金具を備え、前記電圧測定部は、前記フレキシブル基板上に複数の電極を配置して同時に複数位置での測定可能であり、前記データ表示部は複数の前記測定結果を前記複数位置と相似にして電圧分布として表示可能なことを特徴とする。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１において、前記電圧測定部は、前記検出した前記誘導電圧を高入力インピーダンスで受けて増幅するための増幅部と、前記増幅部により前記増幅された前記誘導電圧を外部へ出力するための出力手段と、前記増幅部と前記出力手段の動作に必要な電力を供給するための電源と、をすくなくとも備えている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項２において、前記電圧測定部は、静電シールドが可能なシールドケースに収納されている。

本発明によれば、鉄筋コンクリート内の鉄筋の状態を静電結合を用いて視認可能に観察でき、正確かつ容易に鉄筋の状態を診断することができる鉄筋診断装置とそれを用いた鉄筋診断方法を提供することができる。

＜第１の実施の形態＞
図１に、本発明の第１の実施の形態を示す。本実施の形態は、鉄筋コンクリート製の構造物の壁面、床面、天井面等に存在する鉄筋７の状態を把握するための一例であり、ここでは鉄筋コンクリート製の壁面８に対しての例を示す。

図１はその測定系の構成図であって、高周波信号を発生して鉄筋７へ静電結合して電圧を印加するための信号発生器１と、鉄筋７を内部に備えているコンクリート製の壁面８と、信号発生器１に接続ケーブル６で接続されて鉄筋７との静電結合を生じさせるために壁面８に接している電圧印加器２と、壁面８に接して静電結合して鉄筋７に発生した電圧を検出するための電圧検出器４と、電圧検出器４により検出された検出値を接続ケーブル６を介して受信し測定するための電圧測定器３と、電圧測定器３による測定結果を視認可能に表示するための表示器５と、が示されている。

この図１に示すように、信号発生器１で発生された下限周波数１ｋＨｚから上限周波数３０ＭＨｚ程度の任意の周波数の高周波信号は、ケーブル６を通じて電圧印加器２の電極とシールド層及びシールド枠に印加される。この際に信号発生器１は、通常の高周波発振回路（例えば、トランジスタやオペアンプから構成される一般的な高周波発振回路、または水晶（クリスタル）を用いた発振回路）で十分であるが、ファンクションジェネレータ等のような精密かつ様々な波形を発生させることができる測定器や、さらに高精度な信号発生器１（シグナルジェネレータ）を用いてもよい。鉄筋コンクリート等からなる壁面８の中の鉄筋７は、外部から視覚的に見ることは困難であるため、間接的な確認手段として静電結合を利用する。

その動作は以下の通りである。

信号発生器１からの信号電圧は、鉄筋７との非接触で静電結合することが可能な電圧印加器２に供給される。電圧印加器２は図２（ａ）に示すように、薄い板状基板１１の上に構成される。板状基板１１の前面には、電圧を印加するための電圧印加用電極１０が構成されている。

また、診断対象の面が平面または若干の凹凸がある面、球面等のような場合には、面に電圧印加器２を取り付けるだけの開放型の構造となるため、図２（ｂ）のように電極周囲に結合を安定化させるためのシールド枠１２を形成することができる。

もしくは、柱状または円柱状の構造物の診断の場合には、周りに巻き付ける構造となることができるように図２（ｃ）に示すような上下にシールド電極枠１４が構成されていてもよく、かつ左右には柱に巻き付けた際に電極１３及びシールド電極枠１４が電気的・機械的に結合できる電極接合用金具１５を有していてもよい。なお、この場合には板状基板１１はフレキシブルなものとなる。

さらに、板状基板１１の裏面には外部からの影響を排除するための静電シールド電極が構成され、診断面が平面または若干の凹凸がある面、球面等の場合には、板状基板１１の裏面の全面にシールド電極が構成され、診断面が柱状もしくは円柱状の構造物用の場合には、板状基板１１の全面にシールド電極が構成され、柱に巻き付けた際にシールド電極が電気的・機械的に結合できる機能を有していてもよい。

この際、板状基板１１の材質は、プラスチック板、木材等の堅い絶縁性の高い材質でも、フレキシブルな材質、例えばプラスチックフィルム、フレキシブル基板、ゴム、発泡プラスチック等の絶縁性能の高い材質でもよい。また板状基板の誘電率を下げるために、板状発泡材質でもよい。

次に、図３（ａ）中の断面ａ−ａ’を示した図３（ｂ）において、信号発生器１からの出力は接続ケーブル６の同軸ケーブルのうち絶縁体２５に被覆された中心線２６を介して電圧印加用電極２０に接続される。信号発生器１のアース側２７は、接続ケーブル６のシールド外線２４と静電シールド電極２３、および図示しないシールド電極枠１２に接続される。また、図３（ａ）に示すように、電圧印加用電極２０を壁面にあてることによって電圧印加用電極２０が鉄筋７とキャパシタンス３０でもって静電結合する。

これにより、鉄筋７に静電誘導電圧が発生する。誘導電圧の発生によって、鉄筋７の存在する部分と鉄筋７の存在しない部分では電圧レベルがことなるため、診断面上の電位分布が変わることになる。さらに鉄筋７が内部で破断している部分や鉄筋７の接続点（溶接点、ジョイント）がある部分、また鉄筋７が内部腐食によって劣化している部分では、抵抗分やキャパシタンス分が発生するため、鉄筋７があっても電位分布に異常が発生する。

また、図１に示す電圧印加器２の周辺（柱状の場合は、電圧印加器２の上下部）に電位分布を計測するための複数の電圧検出電極を備えた電圧検出器４を取り付けることによって、印加した電圧が発生させるコンクリート表面（壁面８）上の電位分布を測定することが可能となる。

電圧検出器４の電圧検出電極は、たとえば図４（ａ）〜（ｃ）のように構成される。

まず、図４（ａ）のように、薄い板状基板５０上に形成され、板状基板５０の前面には複数点の分布を同時に測定するための検出電極４０が複数形成されている。診断対象の面が平面または若干の凹凸がある面、球面等のような場合には、面に電圧印加器２を取り付けるだけの開放型の構造になるため、図４（ｂ）のように検出電極４０の周囲に結合を安定化させるためのシールド枠４１がそれぞれ形成されている。

もしくは柱状または円柱状の構造物の診断の場合には、診断対象物の周りに巻き付ける構造となることができるように、図４（ｃ）に示すような上下にもシールド枠４１が構成されていてもよく、かつ左右には柱に巻き付けた際にシールド枠４１が電気的・機械的に結合できる電極接合金具４２を配置してもよい。またこの場合には、板状基板５０はフレキシブルなものとなる。

さらにこの板状基板５０の裏面には、外部からの影響を排除するための図示しないシールド電極が構成され、診断面が平面または若干の凹凸がある面、球面等の場合には、板状基板５０の裏面の全面にシールド電極が構成され、診断面が柱状もしくは円柱状の構造物用の場合には、基板全面にシールド電極が構成され、柱に巻き付けた際にシールド電極が電気的・機械的に結合できる機能を有していてもよい。

この際、板状基板５０の材質は、プラスチック板、木材等の堅い絶縁性の高い材質でも、フレキシブルな材質、例えばプラスチックフィルム、フレキシブル基板、ゴム、発泡プラスチック等の絶縁性能の高い材質でもよい。また板状基板の誘電率を下げるために、板状発泡材質を用いてもよい。

図５は、壁面８での鉄筋７状態の検出の概略図である。図５に示すように壁面８に電圧検出器４を取り付けることによって、各検出電極４０の近傍の鉄筋７と検出電極４０が静電結合し、表示器５に表示される診断面上の電位分布を測定することができる。

この測定系の等価回路を簡単に表すと図６のようになる。図６中、電圧印加部５２と鉄筋部５３との静電容量をＣｉ、鉄筋部５３の等価インダクタンスと等価抵抗をそれぞれＬｓ、Ｒｓ、鉄筋部５３と一つの電圧検出部５４との静電容量をＣｏとしている。信号発生部５１の印加電圧をＶｉ、電圧測定部５０の出力をＶｏとし、測定部の入力インピーダンスを抵抗ＲｐとコンデンサＣｐの並列回路とすると、Ｖｏは以下の式で与えられる。

但し、上式において外乱はないものとし、電圧印加部５２と電圧検出部５４にシールド電極のない場合である。この式（１）から、鉄筋部５３の抵抗Ｒｓ及びインダクタンスＬｓが変化することにより、電圧測定部５０の測定電圧が変化することが確認できる。

例えば、鉄筋７の表面が腐食している場合や、さびの部分は電気的な伝導が悪くなることや、健全な鉄筋７と比べて断面積が減少するため、その部分の抵抗、インダクタンスは大きくなる。また、鉄筋７が部分的に破断している場合においても、その部分の抵抗値、インダクタンスが変化する。結果として、鉄筋７の劣化が発生している場合には、出力として得られる電位が健全な場所と比べて小さくなることがわかる。

従って、電圧検出器４の各電極からの出力を電圧測定器３によって測定し、それを分布として表示することによって、コンクリート製の壁面８内にある鉄筋７の状況を非破壊で診断できる。

＜第２の実施の形態＞
図７（ａ）に本発明の第２の実施の形態として、柱状の鉄筋コンクリート構造物に本発明を適用した場合の例を示す。

図７（ａ）のように、電圧印加器６２は、柱状構造物６０の周囲を取り囲むように巻き付けることができ、かつ電圧印加器６２の各電極が電気的・機械的に接続することができる。

また、同様に電圧検出器６３についても、柱状構造物６０の周囲を取り囲むように巻き付けることができ、かつシールド電極部を電気的・機械的に接続することができる。電圧印加器６２と電圧検出器６３は図のように上下の関係で取り付けられており、図と逆の場合でも同様である。

信号発生器１から発生する高周波信号を電圧印加器６２に印加すると、鉄筋７とのあいだの静電結合によって、鉄筋に静電電圧が生じる。この電圧を電圧検出器６３で静電結合により検出し、電圧測定器３で測定することにより、電圧検出器６３を巻き付けた領域での電位分布を測定することができる。

また、電圧検出器６３の電圧検出用電極が上下左右に複数配置されている場合、得られる電位分布は、柱状構造物６０内に鉄筋７のある位置では高くなり、鉄筋７のない部分では小さくなる。また電圧検出器６３を巻き付けた領域では鉄筋７に腐食や破断が発生している場合、電圧印加器６２の位置が電圧検出器６３の位置よりも下の場合には、電圧検出器６３の巻き付け領域の下側、その逆の場合には上側の電位分布が小さくなる。

図７（ａ）の場合、電圧印加器６２が電圧検出器６３よりも上にあるため、柱状構造物６０内にある鉄筋７の無い部分（図７（ａ）右側鉄筋下部）の電位は最も低くなり、電圧検出器６３の領域内にある下側の鉄筋７は、周囲の鉄筋７との結合により若干の電位を持つため、鉄筋７のない部分よりは高くなる。従って、検出された電位分布を表示すると図７（ｂ）の例のようになり、鉄筋７の状態を把握することが可能となる。

＜第３の実施の形態＞
図８（ａ）および図８（ｂ）に本発明の第３の実施の形態として、電圧測定器３が備える電圧検出回路６５に高入力インピーダンスの電圧検出回路を用いた例を示す。

図８（ａ）は電圧検出器７０を壁面８に装着して測定する状態の模式図であり、断面ａ−ａ’を図８（ｂ）に示す。この図８（ｂ）に示すように、電圧検出器７０内にある板状基板２２を挟んだ電圧検出用電極２１とシールド電極２３との間に高入力インピーダンスの電圧検出回路６５を取り付ける。

この高入力インピーダンス電圧検出回路６５は数百ｋΩ以上の高抵抗とキャパシタンスの並列回路から成っている。例えば、この身近な例としては、オシロスコープに接続するための電圧プローブ等が具体的な例である。電圧測定器３の入力を高入力インピーダンスにすることによって、図６に示した等価回路から、電流がほとんど流れることがないため、消費電力が抑えられ、かつ、各鉄筋７の位置に発生している電圧を効率よく検出することが可能となる。この高入力インピーダンス電圧検出回路６５は、ＦＥＴ等の能動素子を用いた高入力インピーダンス回路により実現できる。

＜第４の実施の形態＞
図９（ａ）、（ｂ）に本発明の第４の実施の形態を説明するための構成図を示す。この図９（ａ）、（ｂ）には、壁面８に装着された電圧検出器７０と、電圧検出器７０に一体に装着されたシールドケース７１と、このシールドケース７１の内部に配置された能動型電圧検出回路７３およびそれを駆動するためのバッテリ７４と、が示されている。能動型電圧検出回路７３のグランドはシールドケース７１に接続され、電圧検出のための入力側には接続端子７２が接続されて板状基板２２を貫通して電圧検出用電極２１に接続されている。シールドケース７１は電圧検出器７０の静電シールド電極２３に接続している。能動型電圧検出回路７３の出力は接続ケーブル６を介して外部へ送出される。

このような構成の図９（ａ）においては、電圧検出器７０に能動型電圧検出回路７３を内蔵したシールドケース７１が取り付けられた構造の例であり、かつその内部構造を透視図的に表したものが図９（ｂ）である。

この図９（ｂ）に示すように、電圧検出用電極２１と内蔵された能動型電圧検出回路７３の入力の一端は、静電シールド電極２３及び板状基板２２に空いた微小穴を通る接続端子によって結ばれている。能動型電圧検出回路７３のもう一方の入力端子は、シールド電極に接続されている。これによって、電圧検出用電極２１に発生する電圧を測定することが可能となる。また、シールドケース７１を静電シールド電極２３に取り付けることによって、外乱による電圧検出精度の低下を防止する。

なお、能動型電圧検出回路７３はシールドケース７１の内部に駆動のための電力供給を行うバッテリ７４を内蔵しており、能動型電圧検出回路７３へ電源を供給している。この電源はバッテリ７４に限定するものではなく、たとえば外部から電力線を通じて供給される電源を用いてもよい。

以上説明した本発明の実施の形態によれば、鉄筋コンクリート内の鉄筋の状態を静電結合を用いて視認可能に観察でき、正確かつ容易に鉄筋の状態を診断することができる鉄筋診断装置とそれを用いた鉄筋診断方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る、壁面に本発明を適用した場合の説明図を示す。電圧印加用電極の構成例を説明するための説明図を示す。本発明の実施の形態に係る、壁面への電圧印加を説明するための説明図を示す。電圧検出用電極の構成例を説明するための説明図を示す。複数の電圧検出電極を用いた電圧検出を説明するための説明図を示す。本発明の実施の形態に係る等価回路図を示す。本発明の実施の形態に係る、柱状構造物に本発明を適用した場合の説明図を示す。本発明の実施の形態に係る、高入力インピーダンス電圧検出回路の構成例を示す。能動型電圧検出回路を備えた電圧検出用電極の構成例を示す。

符号の説明

１…信号発生器
２…電圧印加器
３…電圧測定器
４…電圧検出器
５…表示器
６…ケーブル
７…鉄筋
８…壁面
１０…電圧印加用電極
１１…板状基板
１２…シールド電極枠

Claims

円柱状の鉄筋コンクリートの内部に配置された鉄筋の状態を診断するための鉄筋診断装置において、
静電結合により前記鉄筋に高周波信号を印加して誘導電圧を発生させるための信号印加部と、
前記鉄筋に発生した前記誘導電圧を静電結合により検出して測定するための電圧測定部と、
前記電圧測定部による測定結果を表示するためのデータ表示部と、を備え、
前記信号印加部及び前記電圧測定部のそれぞれは、可撓性を有するフレキシブル基板上に電極を配置して前記円柱状の鉄筋コンクリートの表面形状に沿って巻き付け可能であって、前記フレキシブル基板の巻き付け方向に平行な辺に静電シールド部を備え、当該静電シールド部の両端には、前記フレキシブル基板を前記円柱状の鉄筋コンクリートに巻き付けた際に対向する端を機械的及び電気的に結合する電極接合金具を備え、
前記電圧測定部は、前記フレキシブル基板上に複数の電極を配置して同時に複数位置での測定可能であり、
前記データ表示部は複数の前記測定結果を前記複数位置と相似にして電圧分布として表示可能なこと
を特徴とする鉄筋診断装置。
前記電圧測定部は、前記検出した前記誘導電圧を高入力インピーダンスで受けて増幅するための増幅部と、前記増幅部により前記増幅された前記誘導電圧を外部へ出力するための出力手段と、前記増幅部と前記出力手段の動作に必要な電力を供給するための電源と、をすくなくとも備えることを特徴とする請求項１に記載の鉄筋診断装置。
前記電圧測定部は、静電シールドが可能なシールドケースに収納されていることを特徴とする請求項２に記載の鉄筋診断装置。