コンクリートの化学的な劣化度の評価方法
【課題】コンクリートの化学的な劣化度の評価方法を提供する。
【解決手段】コンクリート１２に照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、前記コンクリート１２に一対のボーリング孔１４を形成し、第１光ファイバ４２により一方のボーリング孔１４ａの所定の深さ位置まで前記テラヘルツ波を導入して他方のボーリング孔１４ｂに向けて前記テラヘルツ波を照射し、前記他方のボーリング孔１４ｂに導入された第２光ファイバ４６を介して、前記テラヘルツ波の透過波を検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリート１２と同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比してなる。
【解決手段】コンクリート１２に照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、前記コンクリート１２に一対のボーリング孔１４を形成し、第１光ファイバ４２により一方のボーリング孔１４ａの所定の深さ位置まで前記テラヘルツ波を導入して他方のボーリング孔１４ｂに向けて前記テラヘルツ波を照射し、前記他方のボーリング孔１４ｂに導入された第２光ファイバ４６を介して、前記テラヘルツ波の透過波を検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリート１２と同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比してなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリートの化学的な劣化度の評価方法に関し、特に現場で検査対象のコンクリートの劣化度を評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル、橋、堤防、建築物等のコンクリートからなる構造物では、種々の検査を行って劣化した部分を特定し、その劣化した部位を補修することによって維持管理されている。検査の態様としては、コンクリートの浮き、剥離、ヒビ割れなどの物理的な劣化状態の検査と、コンクリート構造物の中性化、塩害などの化学的な劣化状態の検査がある。物理的な劣化状態の検査には超音波法、レーダー法、赤外線法、Ｘ線法、打音法などが用いられる。また、化学的な劣化状態の検査は、コンクリート構造物にボーリングなどを行って当該構造物によりサンプルを採取し、その採取したサンプルを分析する方法や、サンプルに対して試薬などを用い、その反応を調べる方法が提案されている。ここで、化学的な劣化とは、コンクリートの中性化、塩害が挙げられる。中性化に対する検査方法としては、フェノールフタレイン法、示差熱重量分析法、Ｘ線回折装置及びＸ線マイクロアナライザ装置（ＥＰＭＡ）による分析方法が挙げられる。また塩害に対する検査方法としては、硬化コンクリート中に含まれる全塩分の簡易分析方法（ＪＣＣＩ−ＳＣ５）、硬化コンクリート中に含まれる塩分の分析方法（ＪＣＩ−ＳＣ４）が挙げられる。
【０００３】
ところが、このようにサンプルを採取する方法は、サンプル採取後、新たなコンクリートで埋め戻しても構造物にダメージを与える。また劣化が進行していない構造物に適用した場合、無意味な検査となって検査費用が増加するとともに、当該構造物にダメージを与える。さらに劣化が進行している構造物であっても一般には部位によって劣化の進行度が異なるため、無作為にサンプルを収集することは必ずしも進行している部位をサンプリングしているとは限らず、検査としての正確性に欠けている、といった問題を有している。
【０００４】
そのため、コンクリート構造物の化学的な劣化状態をサンプル採取せずに検出できる装置の開発が望まれており、特許文献１において、コンクリート構造物から反射する近赤外線の所定波長における吸光度に基づき、当該コンクリート構造物の劣化状態を検出可能な劣化検出装置が提案されている。特許文献１の発明は、中性化や塩害が進行したコンクリートと進行していないコンクリートの違いを、近赤外線の所定波長の吸光度の違いにより検出しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９１９８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、赤外線以降の高い周波数帯域はコンクリート内部での分子・原子の振動エネルギーにより吸収されることが知られており、得られる情報はコンクリートの表面付近に限定され、コンクリート内部の化学的な劣化状態を評価することは困難である。
そこで本発明は、コンクリート内部の化学的劣化状態を検出可能なコンクリートの劣化度の評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係るコンクリートの劣化度の評価方法は、第１には、コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、前記コンクリートに一対のボーリング孔を形成し、第１光ファイバにより一方のボーリング孔の所定の深さ位置まで前記テラヘルツ波を導入して他方のボーリング孔に向けて前記テラヘルツ波を照射し、前記他方のボーリング孔に導入された第２光ファイバを介して、前記テラヘルツ波の透過波を検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比することを特徴とする。
【０００８】
第２には、コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、パルス状に生成されたテラヘルツ波を前記コンクリートに照射してその反射波を検出手段により検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、前記検出手段は、前記コンクリートの所定の深さ位置で反射された反射波が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波を選択的に検出することを特徴とする。
【０００９】
第３には、コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、前記コンクリートにボーリング孔を形成し、第１光ファイバにより前記ボーリング孔の所定の深さ位置までパルス状に生成されたテラヘルツ光を導入して前記ボーリング孔の内壁に前記テラヘルツ光を照射し、その反射波を前記ボーリング孔に導入された第２光ファイバを介して検出手段により検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、前記検出手段は、前記内壁から所定の距離離れた位置で反射された反射波が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波を選択的に検出することを特徴とする。
第４には、前記反射波は、前記コンクリート内部に埋設された骨材表面からの反射波であることを特徴とする。
【００１０】
第５には、前記劣化度の評価は、前記コンクリート中の塩化物イオンの吸収帯の吸光度と、塩化物イオン濃度が既知のコンクリートの塩化物イオンの吸収帯の吸光度とを対比することにより行われることを特徴する。
第６には、前記劣化度の評価は、前記コンクリート中の中性化に起因する吸収帯の吸光度と、中性化度が既知のコンクリートの中性化に起因する吸収帯の吸光度とを対比することにより行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るコンクリートの劣化度の評価方法によれば、吸光度を測定する手段としてコンクリートをある程度透過可能なテラヘルツ波を用いているので、コンクリートの表面状態の影響を受けずに良好な吸光度を透過測定により得ることができる。またボーリング孔はテラヘルツ波を導入する光ファイバを挿通するのに必要な程度の内径を有すれば十分であるので、コンクリートへのダメージを低減できる。また光ファイバの先端をボーリング孔の所定の深さ位置にまで導入することにより、コンクリートの所定の深さ位置における劣化度を評価することができる。
【００１２】
また、吸光度を反射測定により得る場合でも、テラヘルツ波をパルス状とすることで、所定の深さ位置から反射されたテラヘルツ波の反射波を選択的に検出することができるので、表面状態に左右されない反射測定が行えるとともに、光学系を変えることなく信頼性の高いコンクリートの劣化度の深さ分布を評価することができる。なお、コンクリート内部の骨材表面からの反射波は反射強度が高いため、この反射波を選択的に検出することにより、Ｓ／Ｎ比の高い吸光度を算出することができる。
さらに、吸光度を評価する指標として塩化物イオン濃度、及び中性化度を用いるため、再現性のよい化学的な劣化度の評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る評価方法の配置図である。
【図２】第１実施形態に係る評価方法を構成するテラヘルツ−ＴＤＳ装置の模式図である。
【図３】テラヘルツ−ＴＤＳ装置を構成するテラヘルツ波発生装置、及びテラヘルツ波検出素子の模式図である。
【図４】第１実施形態に係る評価方法のフロー図である。
【図５】第２実施形態に係る評価方法の概念図である。
【図６】第３実施形態に係る評価方法の配置図である。
【図７】各コンクリート材料の透過測定による吸光度を示す図である。
【図８】各コンクリート材料の透過測定による吸光度を示す図である。
【図９】６８ＧＨｚ、及び１００ＧＨｚにおける透過率と塩化物イオン濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１５】
第１実施形態に係るコンクリートの劣化度の評価システムを図１に示す。
第１実施形態に係る評価システム１０は、テラヘルツ−ＴＤＳ装置１８、解析装置４８、第１光ファイバ４２、第２光ファイバ４６、取り付け治具１６等から構成される。
【００１６】
上述の評価システム１０を用いた第１実施形態に係るコンクリートの劣化度の評価方法は、コンクリート１２に照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、前記コンクリート１２に一対のボーリング孔１４を形成し、第１光ファイバ４２により一方のボーリング孔１４ａの所定の深さ位置までテラヘルツ波５０を導入して他方のボーリング孔１４ｂに向けて前記テラヘルツ波５０を照射し、前記他方のボーリング孔１４ｂに導入された第２光ファイバ４６を介して、前記テラヘルツ波５０の透過波を検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリート１２と同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比することによって行われる。
【００１７】
検査対象となるコンクリート１２には、ボーリング孔１４が一対形成され、ボーリング孔１４同士の間隔はテラヘルツ波５０（３０ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）が透過可能な距離を維持しつつ互いに平行に形成されている。またボーリング孔１４は後述の取り付け冶具１６等が導入可能な直径を有している。
【００１８】
第１光ファイバ４２、及び第２光ファイバ４６は、テラヘルツ波５０を伝播可能とするため、例えば図１（図６参照）に示すように、中空状のガラス若しくはプラスティックチューブに内壁に金属や樹脂の薄膜を形成したものが用いられる。この構造により伝播可能波長領域はテラヘルツ領域のみならず、軟Ｘ線領域にまで広範囲に及ぶ光ファイバとなる。第１光ファイバ４２の一端はテラヘルツ波発生素子２２に接続され、前記一端の反対の他端にはミラー４２ｂが配設されている。同様に、第２光ファイバの４６一端はテラヘルツ波検出素子２４に接続され、前記一端の反対側の他端にはミラー４６ａが配設されている。
【００１９】
取り付け冶具１６は、一対のボーリング孔１４に同時に挿入可能なフォーク型の形状を有する部材であって、コンクリート１２面から所定の高さ位置に固定可能となっている。取り付け冶具１６は、一方の枝には第１光ファイバ４２が取り付けられ、他方の枝には第２光ファイバ４６が取り付けられている。またこのとき第１光ファイバ４２の先端にあるミラー４２ａと、第２光ファイバ４６の先端にあるミラー４６ａは同じ高さ位置となり、かつ互いに対向する位置に取り付けられる。これにより第１光ファイバ４２のミラー４２ａから出射したテラヘルツ波５０を第２光ファイバ４６のミラー４６ａが検出（受光）可能となる。そして取り付け冶具１６をボーリング孔１４に挿入し、所定の位置で固定することにより、ボーリング孔１４ａの所定の深さ位置においてミラー４２ａから出射されたテラヘルツ波５０は検査対象のコンクリート１２を透過し、もう一方のボーリング孔１４ｂにあるミラー４６ａがテラヘルツ波５０の透過波（透過光）を検出（受光）することができる。
【００２０】
テラヘルツ波５０を発生、検出（受光）、及び解析する構成としては、例えば図２に示すように、テラヘルツ時間分解分光法（テラヘルツ−ＴＤＳ）で用いられるテラヘルツ−ＴＤＳ装置１８を用いることができる。
【００２１】
テラヘルツ−ＴＤＳ装置１８は、時間方向にフェムト秒のパルス幅を発生させるフェムト秒レーザ２０、テラヘルツ波の発振源となるテラヘルツ波発生素子２２、テラヘルツ波の検出手段（受光手段）となるテラヘルツ波検出素子２４、ロックインアンプ２６等で構成される。
【００２２】
フェムト秒レーザ２０は１００フェムト秒程度の時間幅の光パルスを放射するものであり、光パルスはビームスプリッタ２８によってポンプ光３０とプローブ光３２に分割される。ポンプ光３０はテラヘルツ波発生素子２２へ導かれ、プローブ光３２は光路上に時間遅延を行う可動鏡３４を介してテラヘルツ光検出素子２４へ導かれる。
【００２３】
テラヘルツ波発生素子２２は、図３（ａ）に示すように、テラヘルツ波５０を発生させる半導体基板２２ａと発生した電磁波をコリメートするための超半球レンズ２２ｂから成り立っている。超半球レンズ２２ｂの材料は、一般に吸収損失の少ない高抵抗シリコン（Ｓｉ）が用いられる。半導体基板２２ａは、半絶縁性ガリウムヒ素（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ＧａＡｓ，ＳＩ−ＧａＡｓ）上に低温結晶成長させたガリウムヒ素（ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒｏｗｎ ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓ）を用いる。さらにＬＴ−ＧａＡｓ上に合金製の平行伝送線路（電極も兼ねる）をつけた形になっている。電極中央に張り出した部分は微小ダイポールアンテナ２２ｃとして作用する。アンテナ中央には微小ギャップ２２ｄ（数μｍ）があり、ギャップ間には数１０Ｖの電圧を印加する。微小ギャップ２２ｄに半導体のバンドギャップより高い光子エネルギーを持ったポンプ光３０をレンズ３８を用いて収束させて照射すると、半導体中に光励起キャリア（電子と正孔）が生成され、微小ギャップ２２ｄ間の電圧でキャリアが加速されて瞬時電流が流れる。微小ダイポールアンテナ２２ｃから放射されるテラヘルツ波５０の振動電場は、半導体中に流れる電流の時間微分に比例する。テラヘルツ波５０は、誘電率の大きなＳＩ−ＧａＡｓ基板側に強く放射される。放射されるテラヘルツ波５０のパルス幅は１ピコ秒程度である。超半球レンズ２２ｂの後段には、放射されたテラヘルツ波５０を収束させる軸外し放物面鏡３６及びレンズ４０を介して、テラヘルツ波５０を透過する光ファイバである第１光ファイバ４２がテラヘルツ波５０の光路上に配置され、第１光ファイバ４２の端部からテラヘルツ波５０が導入され、テラヘルツ波５０はファイバ内を反射しながら前記端部の反対側のミラー４２ａ側に伝播される。
【００２４】
テラヘルツ波検出素子２４は、図３（ｂ）に示すように、上述のテラヘルツ波発生素子２２の半導体基板２２ａと同様の構成を有しているが、微小ダイポールアンテナ２４ｃには電流計２４ｄが接続されている。テラヘルツ波検出素子２４の微小ダイポールアンテナ２４ｃの半導体基板側から第２光ファイバ４６を伝播してきたテラヘルツ波５０をレンズ４４により収束させ、反対側からフェムト秒のプローブ光３２を微小ダイポールアンテナ２２ｃの微小ギャップ２２ｄに収束させながら照射する。ここでテラヘルツ波検出素子２４はプローブ光３２が当ったときのみ動作する仕組みとなっているので、プローブ光３２は可動鏡３４により、テラヘルツ波５０が微小ダイポールアンテナ２４ｃと同時に到達するように光路長が調整されている。プローブ光３２によって半導体基板中に生成されたキャリアはテラヘルツ波５０に伴う振動電場で加速されるので、テラヘルツ波５０の振動電場に比例して瞬時電流が流れる。テラヘルツ波検出素子２４の出力側はロックインアンプ２６に接続されている。
【００２５】
ロックインアンプ２６は前記瞬時電流のＳ／Ｎ比を向上させるため、ポンプ光３０に光チョッパーで数ｋＨｚの変調をかけ、参照信号をロックインアンプ２６に入力することで同期検波を行うものである。ロックインアンプ２６の出力電流を解析装置でＡＤ変換及びフーリエ変換することで吸光度を得ることができる。
【００２６】
解析装置４８はテラヘルツ波検出素子２４からの瞬時電流をロックインアンプ２６を介してＡＤ変換した後、フーリエ変換してテラヘルツ波５０の吸光度（吸収スペクトル）を算出し、解析するものである。
【００２７】
ここで、吸光度には、測定対象のコンクリート１２に含まれる塩化物イオン、及びコンクリート１２の中性化により固有の周波数帯に吸収ピークが表れる。
塩化物イオンの場合は、約２２６４ｎｍの波長を中心として２２２０ｎｍ〜２２８０ｎｍの範囲で吸光度が高くなる。中性化とはコンクリート中の水酸化カルシウム濃度が低下することにより起こるものである。よって中性化していないコンクリートには水酸化カルシウムが多く含まれるため、約１４１５ｎｍの波長を中心として、１３８０ｎｍ〜１４３０ｎｍの範囲で吸光度が高くなるが、水酸化カルシウムの濃度が低下すると上述の範囲の吸光度が低くなる。
【００２８】
そこで、解析装置４８には塩化物イオン濃度及び組成が既知のコンクリート材料の様々な塩化物イオン濃度における第１標準吸光度と、及び水酸化カルシウム濃度（中性化度）及び組成が既知のコンクリート材料の様々な水酸化カルシウム濃度における第２標準吸光度と、を記憶媒体（不図示）に格納している。
【００２９】
また解析装置４８は、前記第１標準吸光度における塩化物イオンの吸収ピークの塩化物イオンの濃度依存性を示す第１標準データを所定の組成を有するコンクリート材料ごとに記憶媒体（不図示）に格納している。同様に、前記第２標準吸光度の水酸化カルシウムの吸収ピークの水酸化カルシウムの濃度依存性を示す第２標準データを所定に組成を有するコンクリート材料ごとに記憶媒体（不図示）に格納している。
【００３０】
そして解析装置４８は、測定されるコンクリート１２の組成情報が入力され、吸光度を算出すると、塩化物イオン（水酸化カルシウム）の第１測定吸収ピーク値（第２測定吸収ピーク値）を算出し、同一の組成に係る第１標準吸収ピーク値群（第２標準吸収ピーク値群）を読み出し、第１標準ピーク値群（第２標準ピーク値群）の中から第１吸収ピーク値（第２吸収ピーク値）と一致する、若しくは一番近い値の第１標準吸収ピーク値（第２標準吸収ピーク値）に係る、塩化物イオン濃度（水酸化カルシウム濃度）を出力することができる。ここで解析装置４８はキーボード操作、マウス操作等により第１測定吸収ピーク値、または第２測定吸収ピーク値のいずれか片方について処理を行うことが可能であり、また両方同時に行うことも可能である。
【００３１】
さらに解析装置４８は、前記第１標準吸収ピーク値及び前記第２標準吸収ピーク値に対応する第１標準吸光度、または第２標準吸光度を読み出し、ディスプレイ４８ａ上に表示して測定された吸光度と第１標準吸光度、または第２標準吸光度とを同時にディスプレイ４８ａ上の同一座標上に出力することができるように構成されている。これにより作業者は、測定されたコンクリートの塩化物イオン濃度及び水酸化カルシウム濃度をディスプレイ４８ａ上で確認することができるとともに、吸光度全体の形状を見て、測定されたコンクリートの塩化物イオン濃度、または水酸化カルシウム濃度を目視により確認することができ、コンクリートの塩化物イオン濃度、及び中性化度を指標とするコンクリートの劣化度を評価することができる。
【００３２】
図４に第１実施形態のフロー図を示す。まず解析装置４８にコンクリート１２の組成情報を入力する。そして解析装置４８はテラヘルツ−ＴＤＳ装置１８を起動してテラヘルツ波５０を測定対象のコンクリート１２に照射してその透過波（後述の第２実施形態、第３実施形態においては反射波）を検出する。検出した透過波は解析装置４８にてＡＤ変換及びフーリエ変換されて吸光度が導き出される。解析装置４８は、前記吸光度から塩化物イオン（水酸化カルシウム）の吸収帯のピークから第１測定吸収ピーク値（第２測定吸収ピーク値）を算出する。そして先に入力された組成情報に係る組成と同一の組成を有する第１標準吸収ピーク値群（第２標準吸収ピーク値群）の中から第１吸収ピーク値（第２吸収ピーク値）と一致する、若しくは一番近い値の第１標準吸収ピーク値（第２標準吸収ピーク値）を記憶媒体から選択して、第１測定吸収ピーク値（第２測定吸収ピーク値）と第１標準吸収ピーク値（第２標準吸収ピーク値）、及び前記第１標準吸収ピーク値に対応する塩化物イオン濃度（水酸化カルシウム濃度）をディスプレイ４８ａ上に出力する。さらに解析装置４８は第１標準吸収ピーク値（第２標準吸収ピーク値）に対応するコンクリート材料の第１標準吸光度（第２標準吸光度）を記憶媒体から読み出し、測定された吸光度とともにディスプレイ４８ａ上に出力する。なお、第１標準吸光度及び第２標準吸光度は同時に出力することができる。
【００３３】
図５に、第２実施形態に係るコンクリートの化学的な劣化度の評価方法の概念図を示す。第２実施形態に係るコンクリートの化学的な劣化度の評価方法は、コンクリート１２に照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、パルス状に生成されたテラヘルツ波５０を前記コンクリート１２に照射してその反射波を検出手段（テラヘルツ検出素子２４）により検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリート１２と同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、前記検出手段は、前記コンクリート１２の所定の深さ位置で反射された反射波５４が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波５４を検出することを目的としている。これを具現化する基本的な装置構成及びフローは第１実施形態と同様であるが、コンクリート１２の表面にテラヘルツ波５０を当て、その反射波５４を選択的に検出することが特徴である。
【００３４】
コンクリート１２は層状の構造を有する場合が多く、反射波は、コンクリート１２の表面のみならず所定の深さ位置（各層の境界）からも反射される。よって第２実施形態においてはこの所定の深さ位置から反射される反射波を選択的に検出する。第１実施形態と同様に本実施形態で用いられるテラヘルツ−ＴＤＳ装置１８はパルス状のテラヘルツ波を発生するが、そのパルス幅は１ピコ秒であるから、その長さは０．３ｍｍ程度である。一方、テラヘルツ波はミリオーダでコンクリート１２を透過可能であるから、ミリオーダの深さ位置からのテラヘルツ波の反射波が測定可能となる。よって、同一の照射パルスであって表面で反射された反射波５２とミリオーダの深さ位置から反射された反射波５４は空間的に重なることはなく、以下に説明するように両者を分離して測定可能である。
【００３５】
ここで、図５に示すように、角度θで入射したテラヘルツ波５０が深さｄの位置で反射された場合を考える。なお、テラヘルツ波５０は入射した際に屈折はしないものと考える。すると、表面で反射された反射波５２と、深さｄの位置で反射された反射波５４との光路差はｄ／ｃｏｓθとなる。このときテラヘルツ波の検出面（微小ダイポールアンテナ２４ｃ）には反射波５４が反射波５２よりｄ／（ｃ・ｃｏｓθ）（ｃ：光速）だけ遅れて到達するが、テラヘルツ−ＴＤＳ装置１８において、可動鏡３４が形成する光路の遅延の長さを第１実施形態の場合よりさらに上述の光路差であるｄ／ｃｏｓθだけ長くなるように調整すれば、テラヘルツ波検出素子２４は、反射波５２は検出せず、反射波５４のみを検出することができる。よってテラヘルツ波検出素子２４を上述のように反射波５４が到達する時刻に合わせて開閉制御することにより、反射波５４を選択的に検出することができる。本実施形態はコンクリート１２表面にテラヘルツ波５０を照射するので第１光ファイバ４２、及び第２光ファイバ４６を用いる必要はない。すなわちテラヘルツ波発生素子２２のテラヘルツ波５０の出射方向をコンクリート１２の法線に対して角度θとなるように設置した上でテラヘルツ波５０をコンクリート１２に照射し、テラヘルツ波５０の反射波５２、５４の光路上にテラヘルツ波の受光側をコンクリート１２側に向けたテラヘルツ波検出素子２４を配置すればよい。このとき反射波５４はコンクリート１２内において２ｄ／ｃｏｓθの長さ分だけ透過したテラヘルツ波として検出される。
【００３６】
第３実施形態に係る配置図を図６に示す。図６（ａ）は模式図、図６（ｂ）は図６（ａ）の部分詳細図である。第３実施形態に係るコンクリートの化学的な劣化度の評価方法は、第２実施形態と同様に、所定の深さ位置から反射される反射波５８を選択的に検出するものであるが、コンクリート１２にボーリング孔１４ｃを形成し、所定の深さ位置において、ボーリング孔１４ｃに導入された第１光ファイバ４２を介してテラヘルツ波５０をボーリング孔１４ｃの壁面に照射し、テラヘルツ波５０の反射波５８をボーリング孔１４ｃに導入された第２光ファイバ４６を介して受光する構成である。図６に示すように、第１光ファイバ４２及び第２光ファイバ４６は所定の高さ位置で固定可能な取り付け冶具５６に固定され第１光ファイバ４２と第２光ファイバ４６の先端の高さ位置を変えミラー４２ａ、ミラー４６ａを所定の角度にすることにより第１光ファイバ４２からボーリング孔１４ｃの内壁に所定の角度で照射される。よって、テラヘルツ波検出素子２４は、ボーリング孔１４ｃの内壁より所定の深さ位置から反射された反射波５８を第２光ファイバ４６のミラー４６ａを介して検出することができる。
【００３７】
第２実施形態及び第３実施形態において、反射波５２、５８は層状構造を有するコンクリートの層の境界で反射されたものを前提として述べてきた。しかし、コンクリート１２の内部にはコンクリート１２の強度を補強する骨材（例えば金属製）が埋設されている。このような骨材はコンクリートより強度が高く、テラヘルツ波の反射波を効果的に反射することができる。そこで、このような骨材から反射された反射波を選択的に検出することにより、反射波の検出が容易となりＳ／Ｎ比の高い吸光度を算出することができる。
【００３８】
以上述べたように、第１実施形態乃至第３実施形態に係るコンクリートの劣化度の評価方法によれば、吸光度を測定する手段としてコンクリート１２をある程度透過可能なテラヘルツ波５０を用いているので、コンクリート１２の表面状態の影響を受けずに良好な吸光度を透過測定により得ることができる。またボーリング孔１４はテラヘルツ波５０を導入する光ファイバ（第１光ファイバ４２、第２光ファイバ４６）を挿通するのに必要な程度の内径を有すれば十分であるので、コンクリートへのダメージを低減できる。また光ファイバの先端をボーリング孔１４の所定の深さ位置にまで導入することにより、コンクリート１２の所定の深さ位置における劣化度を評価することができる。
【００３９】
また、第２実施形態及び第３実施形態のように、吸光度を反射測定により得る場合でも、テラヘルツ波５０をパルス状とすることで、所定の深さ位置から反射されたテラヘルツ波の反射波５４、５８を選択的に検出することができるので、表面状態に左右されない反射測定が行えるとともに、光学系を変えることなく信頼性の高いコンクリート１２の劣化度の深さ分布を評価することができる。なお、コンクリート１２内部の骨材表面からの反射波は反射強度が高いため、この反射波を選択的に検出することにより、Ｓ／Ｎ比の高い吸光度を算出することができる。
さらに、吸光度を評価する指標として塩化物イオン濃度、及び中性化度を用いるため、再現性のよい化学的な劣化度の評価を行うことができる。
【００４０】
本願発明者は、コンクリートの分光スペクトルの塩化物イオン濃度による変化について調査した。用いた材料は、材料１：セメントペースト（ＣＯＰ）、材料２：セメントペーストを高炉スラブで５０％置換（ＣＯＳ）したもの、材料３：モルタル（ＭＯＰ）、材料４：モルタルを高炉スラブで５０％置換（ＭＯＳ）したものを用いた。いずれの材料についても塩化物イオン濃度が０．０、１．２、４．８、９．６、１９．２（ｋｇ／ｍ３）のものを用いた。また全ての材料の厚みは３ｍｍとした。
【００４１】
図７、図８に各コンクリート材料の透過測定による吸光度を示す。図７（ａ）はＣＯＰ、図７（ｂ）はＣＯＳ、図８（ａ）はＭＯＰ、図８（ｂ）はＭＯＳである。なお、いずれの材料においても中性化された場合の吸光度を参考として表示している。図７、図８に示されるように厚さ３ｍｍのいずれのコンクリート材料であってもテラヘルツ波を透過可能であることが分かる。よってこの透過スペクトルを上述の第１標準吸光度及び第２標準吸光度として用いることができる。なお、スペクトル全体に表れている振動はテラヘルツ波がコンクリート内部で多重反射されることによって生じる干渉縞である。
【００４２】
この透過測定による吸光度のうち、６８ＧＨｚ、及び１００ＧＨｚにおいて塩化物イオンに係る吸収ピークが存在することが知られている。そこで図９に６８ＧＨｚ、及び１００ＧＨｚにおける、透過率（吸収ピーク値）と塩化物イオン濃度との関係を示す。図に示すように、材料によって透過率は異なるが、塩化物イオン濃度と透過率とは一定の関係を有することが分かるため、この関係を示すデータを上述の第１標準吸収ピーク値群として利用することができる。塩化物イオン濃度が増加するにつれて透過率が単調に減少することが望ましいが、図９のデータにおいてはプロットに極値が見受けられる。これは上述の干渉縞の位置が、測定したコンクリートの厚みのばらつきにより周波数方向でずれたこと、または測定誤差が考えられる。よって測定試料の厚みを正確に制御して干渉縞の位置のずれをなくし、また測定誤差も改善することにより、単調減少する曲線が得られるものと考えられる。
【００４３】
一方、反射測定においてはこのような干渉縞は発生しないため、より正確に塩化物イオン濃度に対応した第１吸収ピーク値を第１標準吸収ピーク値群から抽出することができると考えられる。またデータとしては示されていないが、透過率と水酸化カルシウム濃度との関係も塩化物イオン濃度と同様に一定の関係を有することが期待され、この関係を示すデータもコンクリートの中性化度の指標となる第２標準ピーク値群として利用できるものと本願発明者は考えている。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
簡易な構成で、検査対象であるコンクリートの劣化度の評価をその場観察により行うことが可能なコンクリートの化学的な劣化度の評価方法として利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１０………評価システム、１２………コンクリート、１４………ボーリング孔、１６………取り付け冶具、１８………テラヘルツ−ＴＤＳ装置、２０………フェムト秒レーザ、２２………テラヘルツ波発生素子、２４………テラヘルツ波検出素子、２６………ロックインアンプ、２８………ビームスプリッタ、３０………ポンプ光、３２………プローブ光、３４………可動鏡、３６………軸外し放物面鏡、３８………レンズ、４０………レンズ、４２………第１光ファイバ、４４………レンズ、４６………第２光ファイバ、４８………解析装置、５０………テラヘルツ波、５２………反射波、５４………反射波、５６………取り付け冶具、５８………反射波。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリートの化学的な劣化度の評価方法に関し、特に現場で検査対象のコンクリートの劣化度を評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル、橋、堤防、建築物等のコンクリートからなる構造物では、種々の検査を行って劣化した部分を特定し、その劣化した部位を補修することによって維持管理されている。検査の態様としては、コンクリートの浮き、剥離、ヒビ割れなどの物理的な劣化状態の検査と、コンクリート構造物の中性化、塩害などの化学的な劣化状態の検査がある。物理的な劣化状態の検査には超音波法、レーダー法、赤外線法、Ｘ線法、打音法などが用いられる。また、化学的な劣化状態の検査は、コンクリート構造物にボーリングなどを行って当該構造物によりサンプルを採取し、その採取したサンプルを分析する方法や、サンプルに対して試薬などを用い、その反応を調べる方法が提案されている。ここで、化学的な劣化とは、コンクリートの中性化、塩害が挙げられる。中性化に対する検査方法としては、フェノールフタレイン法、示差熱重量分析法、Ｘ線回折装置及びＸ線マイクロアナライザ装置（ＥＰＭＡ）による分析方法が挙げられる。また塩害に対する検査方法としては、硬化コンクリート中に含まれる全塩分の簡易分析方法（ＪＣＣＩ−ＳＣ５）、硬化コンクリート中に含まれる塩分の分析方法（ＪＣＩ−ＳＣ４）が挙げられる。
【０００３】
ところが、このようにサンプルを採取する方法は、サンプル採取後、新たなコンクリートで埋め戻しても構造物にダメージを与える。また劣化が進行していない構造物に適用した場合、無意味な検査となって検査費用が増加するとともに、当該構造物にダメージを与える。さらに劣化が進行している構造物であっても一般には部位によって劣化の進行度が異なるため、無作為にサンプルを収集することは必ずしも進行している部位をサンプリングしているとは限らず、検査としての正確性に欠けている、といった問題を有している。
【０００４】
そのため、コンクリート構造物の化学的な劣化状態をサンプル採取せずに検出できる装置の開発が望まれており、特許文献１において、コンクリート構造物から反射する近赤外線の所定波長における吸光度に基づき、当該コンクリート構造物の劣化状態を検出可能な劣化検出装置が提案されている。特許文献１の発明は、中性化や塩害が進行したコンクリートと進行していないコンクリートの違いを、近赤外線の所定波長の吸光度の違いにより検出しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９１９８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、赤外線以降の高い周波数帯域はコンクリート内部での分子・原子の振動エネルギーにより吸収されることが知られており、得られる情報はコンクリートの表面付近に限定され、コンクリート内部の化学的な劣化状態を評価することは困難である。
そこで本発明は、コンクリート内部の化学的劣化状態を検出可能なコンクリートの劣化度の評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係るコンクリートの劣化度の評価方法は、第１には、コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、前記コンクリートに一対のボーリング孔を形成し、第１光ファイバにより一方のボーリング孔の所定の深さ位置まで前記テラヘルツ波を導入して他方のボーリング孔に向けて前記テラヘルツ波を照射し、前記他方のボーリング孔に導入された第２光ファイバを介して、前記テラヘルツ波の透過波を検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比することを特徴とする。
【０００８】
第２には、コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、パルス状に生成されたテラヘルツ波を前記コンクリートに照射してその反射波を検出手段により検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、前記検出手段は、前記コンクリートの所定の深さ位置で反射された反射波が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波を選択的に検出することを特徴とする。
【０００９】
第３には、コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、前記コンクリートにボーリング孔を形成し、第１光ファイバにより前記ボーリング孔の所定の深さ位置までパルス状に生成されたテラヘルツ光を導入して前記ボーリング孔の内壁に前記テラヘルツ光を照射し、その反射波を前記ボーリング孔に導入された第２光ファイバを介して検出手段により検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、前記検出手段は、前記内壁から所定の距離離れた位置で反射された反射波が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波を選択的に検出することを特徴とする。
第４には、前記反射波は、前記コンクリート内部に埋設された骨材表面からの反射波であることを特徴とする。
【００１０】
第５には、前記劣化度の評価は、前記コンクリート中の塩化物イオンの吸収帯の吸光度と、塩化物イオン濃度が既知のコンクリートの塩化物イオンの吸収帯の吸光度とを対比することにより行われることを特徴する。
第６には、前記劣化度の評価は、前記コンクリート中の中性化に起因する吸収帯の吸光度と、中性化度が既知のコンクリートの中性化に起因する吸収帯の吸光度とを対比することにより行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るコンクリートの劣化度の評価方法によれば、吸光度を測定する手段としてコンクリートをある程度透過可能なテラヘルツ波を用いているので、コンクリートの表面状態の影響を受けずに良好な吸光度を透過測定により得ることができる。またボーリング孔はテラヘルツ波を導入する光ファイバを挿通するのに必要な程度の内径を有すれば十分であるので、コンクリートへのダメージを低減できる。また光ファイバの先端をボーリング孔の所定の深さ位置にまで導入することにより、コンクリートの所定の深さ位置における劣化度を評価することができる。
【００１２】
また、吸光度を反射測定により得る場合でも、テラヘルツ波をパルス状とすることで、所定の深さ位置から反射されたテラヘルツ波の反射波を選択的に検出することができるので、表面状態に左右されない反射測定が行えるとともに、光学系を変えることなく信頼性の高いコンクリートの劣化度の深さ分布を評価することができる。なお、コンクリート内部の骨材表面からの反射波は反射強度が高いため、この反射波を選択的に検出することにより、Ｓ／Ｎ比の高い吸光度を算出することができる。
さらに、吸光度を評価する指標として塩化物イオン濃度、及び中性化度を用いるため、再現性のよい化学的な劣化度の評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る評価方法の配置図である。
【図２】第１実施形態に係る評価方法を構成するテラヘルツ−ＴＤＳ装置の模式図である。
【図３】テラヘルツ−ＴＤＳ装置を構成するテラヘルツ波発生装置、及びテラヘルツ波検出素子の模式図である。
【図４】第１実施形態に係る評価方法のフロー図である。
【図５】第２実施形態に係る評価方法の概念図である。
【図６】第３実施形態に係る評価方法の配置図である。
【図７】各コンクリート材料の透過測定による吸光度を示す図である。
【図８】各コンクリート材料の透過測定による吸光度を示す図である。
【図９】６８ＧＨｚ、及び１００ＧＨｚにおける透過率と塩化物イオン濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１５】
第１実施形態に係るコンクリートの劣化度の評価システムを図１に示す。
第１実施形態に係る評価システム１０は、テラヘルツ−ＴＤＳ装置１８、解析装置４８、第１光ファイバ４２、第２光ファイバ４６、取り付け治具１６等から構成される。
【００１６】
上述の評価システム１０を用いた第１実施形態に係るコンクリートの劣化度の評価方法は、コンクリート１２に照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、前記コンクリート１２に一対のボーリング孔１４を形成し、第１光ファイバ４２により一方のボーリング孔１４ａの所定の深さ位置までテラヘルツ波５０を導入して他方のボーリング孔１４ｂに向けて前記テラヘルツ波５０を照射し、前記他方のボーリング孔１４ｂに導入された第２光ファイバ４６を介して、前記テラヘルツ波５０の透過波を検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリート１２と同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比することによって行われる。
【００１７】
検査対象となるコンクリート１２には、ボーリング孔１４が一対形成され、ボーリング孔１４同士の間隔はテラヘルツ波５０（３０ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）が透過可能な距離を維持しつつ互いに平行に形成されている。またボーリング孔１４は後述の取り付け冶具１６等が導入可能な直径を有している。
【００１８】
第１光ファイバ４２、及び第２光ファイバ４６は、テラヘルツ波５０を伝播可能とするため、例えば図１（図６参照）に示すように、中空状のガラス若しくはプラスティックチューブに内壁に金属や樹脂の薄膜を形成したものが用いられる。この構造により伝播可能波長領域はテラヘルツ領域のみならず、軟Ｘ線領域にまで広範囲に及ぶ光ファイバとなる。第１光ファイバ４２の一端はテラヘルツ波発生素子２２に接続され、前記一端の反対の他端にはミラー４２ｂが配設されている。同様に、第２光ファイバの４６一端はテラヘルツ波検出素子２４に接続され、前記一端の反対側の他端にはミラー４６ａが配設されている。
【００１９】
取り付け冶具１６は、一対のボーリング孔１４に同時に挿入可能なフォーク型の形状を有する部材であって、コンクリート１２面から所定の高さ位置に固定可能となっている。取り付け冶具１６は、一方の枝には第１光ファイバ４２が取り付けられ、他方の枝には第２光ファイバ４６が取り付けられている。またこのとき第１光ファイバ４２の先端にあるミラー４２ａと、第２光ファイバ４６の先端にあるミラー４６ａは同じ高さ位置となり、かつ互いに対向する位置に取り付けられる。これにより第１光ファイバ４２のミラー４２ａから出射したテラヘルツ波５０を第２光ファイバ４６のミラー４６ａが検出（受光）可能となる。そして取り付け冶具１６をボーリング孔１４に挿入し、所定の位置で固定することにより、ボーリング孔１４ａの所定の深さ位置においてミラー４２ａから出射されたテラヘルツ波５０は検査対象のコンクリート１２を透過し、もう一方のボーリング孔１４ｂにあるミラー４６ａがテラヘルツ波５０の透過波（透過光）を検出（受光）することができる。
【００２０】
テラヘルツ波５０を発生、検出（受光）、及び解析する構成としては、例えば図２に示すように、テラヘルツ時間分解分光法（テラヘルツ−ＴＤＳ）で用いられるテラヘルツ−ＴＤＳ装置１８を用いることができる。
【００２１】
テラヘルツ−ＴＤＳ装置１８は、時間方向にフェムト秒のパルス幅を発生させるフェムト秒レーザ２０、テラヘルツ波の発振源となるテラヘルツ波発生素子２２、テラヘルツ波の検出手段（受光手段）となるテラヘルツ波検出素子２４、ロックインアンプ２６等で構成される。
【００２２】
フェムト秒レーザ２０は１００フェムト秒程度の時間幅の光パルスを放射するものであり、光パルスはビームスプリッタ２８によってポンプ光３０とプローブ光３２に分割される。ポンプ光３０はテラヘルツ波発生素子２２へ導かれ、プローブ光３２は光路上に時間遅延を行う可動鏡３４を介してテラヘルツ光検出素子２４へ導かれる。
【００２３】
テラヘルツ波発生素子２２は、図３（ａ）に示すように、テラヘルツ波５０を発生させる半導体基板２２ａと発生した電磁波をコリメートするための超半球レンズ２２ｂから成り立っている。超半球レンズ２２ｂの材料は、一般に吸収損失の少ない高抵抗シリコン（Ｓｉ）が用いられる。半導体基板２２ａは、半絶縁性ガリウムヒ素（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ＧａＡｓ，ＳＩ−ＧａＡｓ）上に低温結晶成長させたガリウムヒ素（ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒｏｗｎ ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓ）を用いる。さらにＬＴ−ＧａＡｓ上に合金製の平行伝送線路（電極も兼ねる）をつけた形になっている。電極中央に張り出した部分は微小ダイポールアンテナ２２ｃとして作用する。アンテナ中央には微小ギャップ２２ｄ（数μｍ）があり、ギャップ間には数１０Ｖの電圧を印加する。微小ギャップ２２ｄに半導体のバンドギャップより高い光子エネルギーを持ったポンプ光３０をレンズ３８を用いて収束させて照射すると、半導体中に光励起キャリア（電子と正孔）が生成され、微小ギャップ２２ｄ間の電圧でキャリアが加速されて瞬時電流が流れる。微小ダイポールアンテナ２２ｃから放射されるテラヘルツ波５０の振動電場は、半導体中に流れる電流の時間微分に比例する。テラヘルツ波５０は、誘電率の大きなＳＩ−ＧａＡｓ基板側に強く放射される。放射されるテラヘルツ波５０のパルス幅は１ピコ秒程度である。超半球レンズ２２ｂの後段には、放射されたテラヘルツ波５０を収束させる軸外し放物面鏡３６及びレンズ４０を介して、テラヘルツ波５０を透過する光ファイバである第１光ファイバ４２がテラヘルツ波５０の光路上に配置され、第１光ファイバ４２の端部からテラヘルツ波５０が導入され、テラヘルツ波５０はファイバ内を反射しながら前記端部の反対側のミラー４２ａ側に伝播される。
【００２４】
テラヘルツ波検出素子２４は、図３（ｂ）に示すように、上述のテラヘルツ波発生素子２２の半導体基板２２ａと同様の構成を有しているが、微小ダイポールアンテナ２４ｃには電流計２４ｄが接続されている。テラヘルツ波検出素子２４の微小ダイポールアンテナ２４ｃの半導体基板側から第２光ファイバ４６を伝播してきたテラヘルツ波５０をレンズ４４により収束させ、反対側からフェムト秒のプローブ光３２を微小ダイポールアンテナ２２ｃの微小ギャップ２２ｄに収束させながら照射する。ここでテラヘルツ波検出素子２４はプローブ光３２が当ったときのみ動作する仕組みとなっているので、プローブ光３２は可動鏡３４により、テラヘルツ波５０が微小ダイポールアンテナ２４ｃと同時に到達するように光路長が調整されている。プローブ光３２によって半導体基板中に生成されたキャリアはテラヘルツ波５０に伴う振動電場で加速されるので、テラヘルツ波５０の振動電場に比例して瞬時電流が流れる。テラヘルツ波検出素子２４の出力側はロックインアンプ２６に接続されている。
【００２５】
ロックインアンプ２６は前記瞬時電流のＳ／Ｎ比を向上させるため、ポンプ光３０に光チョッパーで数ｋＨｚの変調をかけ、参照信号をロックインアンプ２６に入力することで同期検波を行うものである。ロックインアンプ２６の出力電流を解析装置でＡＤ変換及びフーリエ変換することで吸光度を得ることができる。
【００２６】
解析装置４８はテラヘルツ波検出素子２４からの瞬時電流をロックインアンプ２６を介してＡＤ変換した後、フーリエ変換してテラヘルツ波５０の吸光度（吸収スペクトル）を算出し、解析するものである。
【００２７】
ここで、吸光度には、測定対象のコンクリート１２に含まれる塩化物イオン、及びコンクリート１２の中性化により固有の周波数帯に吸収ピークが表れる。
塩化物イオンの場合は、約２２６４ｎｍの波長を中心として２２２０ｎｍ〜２２８０ｎｍの範囲で吸光度が高くなる。中性化とはコンクリート中の水酸化カルシウム濃度が低下することにより起こるものである。よって中性化していないコンクリートには水酸化カルシウムが多く含まれるため、約１４１５ｎｍの波長を中心として、１３８０ｎｍ〜１４３０ｎｍの範囲で吸光度が高くなるが、水酸化カルシウムの濃度が低下すると上述の範囲の吸光度が低くなる。
【００２８】
そこで、解析装置４８には塩化物イオン濃度及び組成が既知のコンクリート材料の様々な塩化物イオン濃度における第１標準吸光度と、及び水酸化カルシウム濃度（中性化度）及び組成が既知のコンクリート材料の様々な水酸化カルシウム濃度における第２標準吸光度と、を記憶媒体（不図示）に格納している。
【００２９】
また解析装置４８は、前記第１標準吸光度における塩化物イオンの吸収ピークの塩化物イオンの濃度依存性を示す第１標準データを所定の組成を有するコンクリート材料ごとに記憶媒体（不図示）に格納している。同様に、前記第２標準吸光度の水酸化カルシウムの吸収ピークの水酸化カルシウムの濃度依存性を示す第２標準データを所定に組成を有するコンクリート材料ごとに記憶媒体（不図示）に格納している。
【００３０】
そして解析装置４８は、測定されるコンクリート１２の組成情報が入力され、吸光度を算出すると、塩化物イオン（水酸化カルシウム）の第１測定吸収ピーク値（第２測定吸収ピーク値）を算出し、同一の組成に係る第１標準吸収ピーク値群（第２標準吸収ピーク値群）を読み出し、第１標準ピーク値群（第２標準ピーク値群）の中から第１吸収ピーク値（第２吸収ピーク値）と一致する、若しくは一番近い値の第１標準吸収ピーク値（第２標準吸収ピーク値）に係る、塩化物イオン濃度（水酸化カルシウム濃度）を出力することができる。ここで解析装置４８はキーボード操作、マウス操作等により第１測定吸収ピーク値、または第２測定吸収ピーク値のいずれか片方について処理を行うことが可能であり、また両方同時に行うことも可能である。
【００３１】
さらに解析装置４８は、前記第１標準吸収ピーク値及び前記第２標準吸収ピーク値に対応する第１標準吸光度、または第２標準吸光度を読み出し、ディスプレイ４８ａ上に表示して測定された吸光度と第１標準吸光度、または第２標準吸光度とを同時にディスプレイ４８ａ上の同一座標上に出力することができるように構成されている。これにより作業者は、測定されたコンクリートの塩化物イオン濃度及び水酸化カルシウム濃度をディスプレイ４８ａ上で確認することができるとともに、吸光度全体の形状を見て、測定されたコンクリートの塩化物イオン濃度、または水酸化カルシウム濃度を目視により確認することができ、コンクリートの塩化物イオン濃度、及び中性化度を指標とするコンクリートの劣化度を評価することができる。
【００３２】
図４に第１実施形態のフロー図を示す。まず解析装置４８にコンクリート１２の組成情報を入力する。そして解析装置４８はテラヘルツ−ＴＤＳ装置１８を起動してテラヘルツ波５０を測定対象のコンクリート１２に照射してその透過波（後述の第２実施形態、第３実施形態においては反射波）を検出する。検出した透過波は解析装置４８にてＡＤ変換及びフーリエ変換されて吸光度が導き出される。解析装置４８は、前記吸光度から塩化物イオン（水酸化カルシウム）の吸収帯のピークから第１測定吸収ピーク値（第２測定吸収ピーク値）を算出する。そして先に入力された組成情報に係る組成と同一の組成を有する第１標準吸収ピーク値群（第２標準吸収ピーク値群）の中から第１吸収ピーク値（第２吸収ピーク値）と一致する、若しくは一番近い値の第１標準吸収ピーク値（第２標準吸収ピーク値）を記憶媒体から選択して、第１測定吸収ピーク値（第２測定吸収ピーク値）と第１標準吸収ピーク値（第２標準吸収ピーク値）、及び前記第１標準吸収ピーク値に対応する塩化物イオン濃度（水酸化カルシウム濃度）をディスプレイ４８ａ上に出力する。さらに解析装置４８は第１標準吸収ピーク値（第２標準吸収ピーク値）に対応するコンクリート材料の第１標準吸光度（第２標準吸光度）を記憶媒体から読み出し、測定された吸光度とともにディスプレイ４８ａ上に出力する。なお、第１標準吸光度及び第２標準吸光度は同時に出力することができる。
【００３３】
図５に、第２実施形態に係るコンクリートの化学的な劣化度の評価方法の概念図を示す。第２実施形態に係るコンクリートの化学的な劣化度の評価方法は、コンクリート１２に照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、パルス状に生成されたテラヘルツ波５０を前記コンクリート１２に照射してその反射波を検出手段（テラヘルツ検出素子２４）により検出して前記吸光度を算出し、前記吸光度と、前記コンクリート１２と同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、前記検出手段は、前記コンクリート１２の所定の深さ位置で反射された反射波５４が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波５４を検出することを目的としている。これを具現化する基本的な装置構成及びフローは第１実施形態と同様であるが、コンクリート１２の表面にテラヘルツ波５０を当て、その反射波５４を選択的に検出することが特徴である。
【００３４】
コンクリート１２は層状の構造を有する場合が多く、反射波は、コンクリート１２の表面のみならず所定の深さ位置（各層の境界）からも反射される。よって第２実施形態においてはこの所定の深さ位置から反射される反射波を選択的に検出する。第１実施形態と同様に本実施形態で用いられるテラヘルツ−ＴＤＳ装置１８はパルス状のテラヘルツ波を発生するが、そのパルス幅は１ピコ秒であるから、その長さは０．３ｍｍ程度である。一方、テラヘルツ波はミリオーダでコンクリート１２を透過可能であるから、ミリオーダの深さ位置からのテラヘルツ波の反射波が測定可能となる。よって、同一の照射パルスであって表面で反射された反射波５２とミリオーダの深さ位置から反射された反射波５４は空間的に重なることはなく、以下に説明するように両者を分離して測定可能である。
【００３５】
ここで、図５に示すように、角度θで入射したテラヘルツ波５０が深さｄの位置で反射された場合を考える。なお、テラヘルツ波５０は入射した際に屈折はしないものと考える。すると、表面で反射された反射波５２と、深さｄの位置で反射された反射波５４との光路差はｄ／ｃｏｓθとなる。このときテラヘルツ波の検出面（微小ダイポールアンテナ２４ｃ）には反射波５４が反射波５２よりｄ／（ｃ・ｃｏｓθ）（ｃ：光速）だけ遅れて到達するが、テラヘルツ−ＴＤＳ装置１８において、可動鏡３４が形成する光路の遅延の長さを第１実施形態の場合よりさらに上述の光路差であるｄ／ｃｏｓθだけ長くなるように調整すれば、テラヘルツ波検出素子２４は、反射波５２は検出せず、反射波５４のみを検出することができる。よってテラヘルツ波検出素子２４を上述のように反射波５４が到達する時刻に合わせて開閉制御することにより、反射波５４を選択的に検出することができる。本実施形態はコンクリート１２表面にテラヘルツ波５０を照射するので第１光ファイバ４２、及び第２光ファイバ４６を用いる必要はない。すなわちテラヘルツ波発生素子２２のテラヘルツ波５０の出射方向をコンクリート１２の法線に対して角度θとなるように設置した上でテラヘルツ波５０をコンクリート１２に照射し、テラヘルツ波５０の反射波５２、５４の光路上にテラヘルツ波の受光側をコンクリート１２側に向けたテラヘルツ波検出素子２４を配置すればよい。このとき反射波５４はコンクリート１２内において２ｄ／ｃｏｓθの長さ分だけ透過したテラヘルツ波として検出される。
【００３６】
第３実施形態に係る配置図を図６に示す。図６（ａ）は模式図、図６（ｂ）は図６（ａ）の部分詳細図である。第３実施形態に係るコンクリートの化学的な劣化度の評価方法は、第２実施形態と同様に、所定の深さ位置から反射される反射波５８を選択的に検出するものであるが、コンクリート１２にボーリング孔１４ｃを形成し、所定の深さ位置において、ボーリング孔１４ｃに導入された第１光ファイバ４２を介してテラヘルツ波５０をボーリング孔１４ｃの壁面に照射し、テラヘルツ波５０の反射波５８をボーリング孔１４ｃに導入された第２光ファイバ４６を介して受光する構成である。図６に示すように、第１光ファイバ４２及び第２光ファイバ４６は所定の高さ位置で固定可能な取り付け冶具５６に固定され第１光ファイバ４２と第２光ファイバ４６の先端の高さ位置を変えミラー４２ａ、ミラー４６ａを所定の角度にすることにより第１光ファイバ４２からボーリング孔１４ｃの内壁に所定の角度で照射される。よって、テラヘルツ波検出素子２４は、ボーリング孔１４ｃの内壁より所定の深さ位置から反射された反射波５８を第２光ファイバ４６のミラー４６ａを介して検出することができる。
【００３７】
第２実施形態及び第３実施形態において、反射波５２、５８は層状構造を有するコンクリートの層の境界で反射されたものを前提として述べてきた。しかし、コンクリート１２の内部にはコンクリート１２の強度を補強する骨材（例えば金属製）が埋設されている。このような骨材はコンクリートより強度が高く、テラヘルツ波の反射波を効果的に反射することができる。そこで、このような骨材から反射された反射波を選択的に検出することにより、反射波の検出が容易となりＳ／Ｎ比の高い吸光度を算出することができる。
【００３８】
以上述べたように、第１実施形態乃至第３実施形態に係るコンクリートの劣化度の評価方法によれば、吸光度を測定する手段としてコンクリート１２をある程度透過可能なテラヘルツ波５０を用いているので、コンクリート１２の表面状態の影響を受けずに良好な吸光度を透過測定により得ることができる。またボーリング孔１４はテラヘルツ波５０を導入する光ファイバ（第１光ファイバ４２、第２光ファイバ４６）を挿通するのに必要な程度の内径を有すれば十分であるので、コンクリートへのダメージを低減できる。また光ファイバの先端をボーリング孔１４の所定の深さ位置にまで導入することにより、コンクリート１２の所定の深さ位置における劣化度を評価することができる。
【００３９】
また、第２実施形態及び第３実施形態のように、吸光度を反射測定により得る場合でも、テラヘルツ波５０をパルス状とすることで、所定の深さ位置から反射されたテラヘルツ波の反射波５４、５８を選択的に検出することができるので、表面状態に左右されない反射測定が行えるとともに、光学系を変えることなく信頼性の高いコンクリート１２の劣化度の深さ分布を評価することができる。なお、コンクリート１２内部の骨材表面からの反射波は反射強度が高いため、この反射波を選択的に検出することにより、Ｓ／Ｎ比の高い吸光度を算出することができる。
さらに、吸光度を評価する指標として塩化物イオン濃度、及び中性化度を用いるため、再現性のよい化学的な劣化度の評価を行うことができる。
【００４０】
本願発明者は、コンクリートの分光スペクトルの塩化物イオン濃度による変化について調査した。用いた材料は、材料１：セメントペースト（ＣＯＰ）、材料２：セメントペーストを高炉スラブで５０％置換（ＣＯＳ）したもの、材料３：モルタル（ＭＯＰ）、材料４：モルタルを高炉スラブで５０％置換（ＭＯＳ）したものを用いた。いずれの材料についても塩化物イオン濃度が０．０、１．２、４．８、９．６、１９．２（ｋｇ／ｍ３）のものを用いた。また全ての材料の厚みは３ｍｍとした。
【００４１】
図７、図８に各コンクリート材料の透過測定による吸光度を示す。図７（ａ）はＣＯＰ、図７（ｂ）はＣＯＳ、図８（ａ）はＭＯＰ、図８（ｂ）はＭＯＳである。なお、いずれの材料においても中性化された場合の吸光度を参考として表示している。図７、図８に示されるように厚さ３ｍｍのいずれのコンクリート材料であってもテラヘルツ波を透過可能であることが分かる。よってこの透過スペクトルを上述の第１標準吸光度及び第２標準吸光度として用いることができる。なお、スペクトル全体に表れている振動はテラヘルツ波がコンクリート内部で多重反射されることによって生じる干渉縞である。
【００４２】
この透過測定による吸光度のうち、６８ＧＨｚ、及び１００ＧＨｚにおいて塩化物イオンに係る吸収ピークが存在することが知られている。そこで図９に６８ＧＨｚ、及び１００ＧＨｚにおける、透過率（吸収ピーク値）と塩化物イオン濃度との関係を示す。図に示すように、材料によって透過率は異なるが、塩化物イオン濃度と透過率とは一定の関係を有することが分かるため、この関係を示すデータを上述の第１標準吸収ピーク値群として利用することができる。塩化物イオン濃度が増加するにつれて透過率が単調に減少することが望ましいが、図９のデータにおいてはプロットに極値が見受けられる。これは上述の干渉縞の位置が、測定したコンクリートの厚みのばらつきにより周波数方向でずれたこと、または測定誤差が考えられる。よって測定試料の厚みを正確に制御して干渉縞の位置のずれをなくし、また測定誤差も改善することにより、単調減少する曲線が得られるものと考えられる。
【００４３】
一方、反射測定においてはこのような干渉縞は発生しないため、より正確に塩化物イオン濃度に対応した第１吸収ピーク値を第１標準吸収ピーク値群から抽出することができると考えられる。またデータとしては示されていないが、透過率と水酸化カルシウム濃度との関係も塩化物イオン濃度と同様に一定の関係を有することが期待され、この関係を示すデータもコンクリートの中性化度の指標となる第２標準ピーク値群として利用できるものと本願発明者は考えている。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
簡易な構成で、検査対象であるコンクリートの劣化度の評価をその場観察により行うことが可能なコンクリートの化学的な劣化度の評価方法として利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１０………評価システム、１２………コンクリート、１４………ボーリング孔、１６………取り付け冶具、１８………テラヘルツ−ＴＤＳ装置、２０………フェムト秒レーザ、２２………テラヘルツ波発生素子、２４………テラヘルツ波検出素子、２６………ロックインアンプ、２８………ビームスプリッタ、３０………ポンプ光、３２………プローブ光、３４………可動鏡、３６………軸外し放物面鏡、３８………レンズ、４０………レンズ、４２………第１光ファイバ、４４………レンズ、４６………第２光ファイバ、４８………解析装置、５０………テラヘルツ波、５２………反射波、５４………反射波、５６………取り付け冶具、５８………反射波。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、
前記コンクリートに一対のボーリング孔を形成し、
第１光ファイバにより一方のボーリング孔の所定の深さ位置まで前記テラヘルツ波を導入して他方のボーリング孔に向けて前記テラヘルツ波を照射し、
前記他方のボーリング孔に導入された第２光ファイバを介して、前記テラヘルツ波の透過波を検出して前記吸光度を算出し、
前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比することを特徴とするコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項２】
コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、
パルス状に生成されたテラヘルツ波を前記コンクリートに照射してその反射波を検出手段により検出して前記吸光度を算出し、
前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、
前記検出手段は、
前記コンクリートの所定の深さ位置で反射された反射波が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波を選択的に検出することを特徴とするコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項３】
コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、
前記コンクリートにボーリング孔を形成し、
第１光ファイバにより前記ボーリング孔の所定の深さ位置までパルス状に生成されたテラヘルツ光を導入して前記ボーリング孔の内壁に前記テラヘルツ光を照射し、その反射波を前記ボーリング孔に導入された第２光ファイバを介して検出手段により検出して前記吸光度を算出し、
前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、
前記検出手段は、
前記内壁から所定の距離離れた位置で反射された反射波が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波を選択的に検出することを特徴とするコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項４】
前記反射波は、前記コンクリート内部に埋設された骨材表面からの反射波であることを特徴とする請求項２または３に記載のコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項５】
前記劣化度の評価は、前記コンクリート中の塩化物イオンの吸収帯の吸光度と、塩化物イオン濃度が既知のコンクリートの塩化物イオンの吸収帯の吸光度とを対比することにより行われることを特徴する請求項１乃至４に記載のコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項６】
前記劣化度の評価は、前記コンクリート中の中性化に起因する吸収帯の吸光度と、中性化度が既知のコンクリートの中性化に起因する吸収帯の吸光度とを対比することにより行われることを特徴とする請求項１乃至４に記載のコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項１】
コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、
前記コンクリートに一対のボーリング孔を形成し、
第１光ファイバにより一方のボーリング孔の所定の深さ位置まで前記テラヘルツ波を導入して他方のボーリング孔に向けて前記テラヘルツ波を照射し、
前記他方のボーリング孔に導入された第２光ファイバを介して、前記テラヘルツ波の透過波を検出して前記吸光度を算出し、
前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比することを特徴とするコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項２】
コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、
パルス状に生成されたテラヘルツ波を前記コンクリートに照射してその反射波を検出手段により検出して前記吸光度を算出し、
前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、
前記検出手段は、
前記コンクリートの所定の深さ位置で反射された反射波が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波を選択的に検出することを特徴とするコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項３】
コンクリートに照射されたテラヘルツ波の吸光度を用いたコンクリートの化学的な劣化度の評価方法であって、
前記コンクリートにボーリング孔を形成し、
第１光ファイバにより前記ボーリング孔の所定の深さ位置までパルス状に生成されたテラヘルツ光を導入して前記ボーリング孔の内壁に前記テラヘルツ光を照射し、その反射波を前記ボーリング孔に導入された第２光ファイバを介して検出手段により検出して前記吸光度を算出し、
前記吸光度と、前記コンクリートと同一組成を有し劣化度が既知のコンクリートの吸光度と、を対比するとともに、
前記検出手段は、
前記内壁から所定の距離離れた位置で反射された反射波が検出手段に到達する時刻に合わせて前記検出手段の開閉制御を行うことにより、前記反射波を選択的に検出することを特徴とするコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項４】
前記反射波は、前記コンクリート内部に埋設された骨材表面からの反射波であることを特徴とする請求項２または３に記載のコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項５】
前記劣化度の評価は、前記コンクリート中の塩化物イオンの吸収帯の吸光度と、塩化物イオン濃度が既知のコンクリートの塩化物イオンの吸収帯の吸光度とを対比することにより行われることを特徴する請求項１乃至４に記載のコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【請求項６】
前記劣化度の評価は、前記コンクリート中の中性化に起因する吸収帯の吸光度と、中性化度が既知のコンクリートの中性化に起因する吸収帯の吸光度とを対比することにより行われることを特徴とする請求項１乃至４に記載のコンクリートの化学的な劣化度の評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−３３３９０（Ｐ２０１１−３３３９０Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７７７３０（Ｐ２００９−１７７７３０）
【出願日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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