導電体含有構造物の非破壊検査方法

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【発明の名称】	導電体含有構造物の非破壊検査方法
【発明者】	【氏名】西川雅弘
【要約】	【課題】トンネル等の鉄筋コンクリート構造物及びその他の導電体含有構造物内の欠陥（内部構造）を確実に検出できる導電体含有構造物の非破壊検査方法を実現する。【解決手段】本発明に係る導電体含有構造物の非破壊検査方法は、導電体含有構造物内の導電体に定常磁場と変動磁場の合成磁場を外部から印加し、変動磁場により導電体に変動渦電流を発生させ、この変動渦電流と前記定常磁場との相互作用により導電体を微小振動させ、この導電体を超音波振動源として導電体含有構造物内に超音波を伝播させ、導電体含有構造物の表面で超音波の伝播異常を検出して導電体含有構造物内の欠陥（内部構造）を探知することを特徴としている。伝播異常の検出には超音波検出器を用い、この超音波検出器を走査して鉄筋コンクリート構造物の内部欠陥や考古学遺跡中の鉄剣、その他土中の鉄鉱石などを簡単且つ確実に探知することができ、幅広い用途を有する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】導電体含有構造物内の導電体に定常磁場と変動磁場の合成磁場を外部から印加し、変動磁場により導電体に変動渦電流を発生させ、この変動渦電流と前記定常磁場との相互作用により導電体を微小振動させ、この導電体を超音波振動源として導電体含有構造物内に超音波を伝播させ、導電体含有構造物の表面で超音波の伝播異常を検出して導電体含有構造物内の欠陥を探知することを特徴とする導電体含有構造物の非破壊検査方法。
【請求項２】導電体含有構造物の表面に電磁石を配置して前記合成磁場を印加する請求項１記載の非破壊検査方法。
【請求項３】導電体含有構造物の表面に永久磁石と電磁石を配置し、定常磁場を永久磁石により、変動磁場を電磁石により印加する請求項１記載の非破壊検査方法。
【請求項４】導電体含有構造物の表面に超音波検出器を配置して超音波の伝播異常を検出する請求項１記載の非破壊検査方法。
【請求項５】導電体含有構造物の被検査領域の全表面を前記超音波検出器により走査する請求項４記載の非破壊検査方法。
【請求項６】前記導電体含有構造物が鉄筋コンクリート構造物であり、前記導電体が鉄筋である請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５記載の非破壊検査方法。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はトンネル、橋脚、ビル骨格等の鉄筋コンクリート構造物及びその他の導電体含有構造物の非破壊検査方法に関し、更に詳細には、構造物内部の導電体を電磁振動させ、生起した超音波の伝播異常を検出して欠陥を探知する導電体含有構造物の非破壊検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、トンネル、橋脚、ダム、建物骨格、高速道路構造体などの鉄筋コンクリート構造物及びその他の導電体含有構造物は長期に亘る耐久性と安全性を有するものと信じられてきた。その結果、土木建築においては鉄筋コンクリート構造又は鉄骨鉄筋コンクリート構造を採用するのが常道であった。以下では、導電体含有構造物の典型例として鉄筋コンクリート構造物を例にとって従来例及び実施例を説明する。この場合には導電体は鉄筋となる。
【０００３】図７に示すように、鉄筋コンクリート構造物２は鉄筋４とコンクリート構造物６とが一体に組み合わされて構成される。その構造的原理は、各部材に働く圧縮力をコンクリート構造物６が支持し、鉄筋４はコンクリートの引張応力の弱点をカバーしてそれを負担し、両者一体となって他の剪断力などの外力にも対抗しようとするものである。
【０００４】他に鉄骨鉄筋コンクリート構造物もあるが、これは鉄骨架構を鉄筋コンクリートが被覆・補強した構造であり、外力は主に鉄骨が負担し、その周りを取りまく鉄筋コンクリートは火災時などの鉄骨の被覆や補強を行なう。従って、コンクリート構造体としての共通性から、鉄骨鉄筋コンクリート構造物も本発明に含まれ、少なくとも鉄筋コンクリート構造を有するものは本発明の鉄筋コンクリート構造物に包含される。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】近年、鉄筋コンクリート構造物の耐久性が疑問視される現象が発見されている。空気中の炭酸ガスや排気ガス中に含まれるＮＯｘ、ＳＯｘがコンクリートのアルカリ性を中和し、この中性化が鉄筋表面にまで及ぶと発錆して鉄筋の耐力が下がって危険な状態になる。また、特に注目されているアルカリ骨材反応のようにコンクリート自体が脆化して鉄筋コンクリート構造物の危険性を指摘する声もある。
【０００６】これを裏づけるかのように、最近、鉄道用トンネル内でコンクリートブロックが崩落したり、コンクリート壁面にひび割れが生じる現象が発見されている。これは高速道路用トンネルでも生じ得る現象であり、崩落中のコンクリートブロックが列車や自動車に落下・衝突した場合には大事故につながる。
【０００７】最近コンクリート崩落事故を未然に防止するため、鉄道用トンネルの一斉点検が行なわれた。ところが、そのために用いられた手法は、コンクリート表面をハンマーでたたいて、崩落すべきものは崩落させ、内部に亀裂がある場合には反響音でそれを確認しようとする極めて原始的な方法である。
【０００８】勿論、ハンマー使用と反響音による確認は有効な方法であるが、点検により安全と判定されたトンネル内で、数日後にコンクリートブロックの崩落が確認される事態も生じている。従って、ハンマー打ちも充分な方法とは言えない現状である。このような事態の中で、走行中の列車にトンネル内で落下物が当たり、窓ガラスが破損するという危険な事故が現出するに到った。
【０００９】従って、本発明の目的は、トンネル等の鉄筋コンクリート構造物及びその他の導電体含有構造物内の欠陥を確実に検出できる導電体含有構造物の非破壊検査方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、導電体含有構造物内の導電体に定常磁場と変動磁場の合成磁場を外部から印加し、変動磁場により導電体に変動渦電流を発生させ、この変動渦電流と前記定常磁場との相互作用により導電体を微小振動させ、この導電体を超音波振動源として導電体含有構造物内に超音波を伝播させ、導電体含有構造物の表面で超音波の伝播異常を検出して導電体含有構造物内の欠陥を探知することを特徴とする導電体含有構造物の非破壊検査方法である。
【００１１】請求項２の発明は、導電体含有構造物の表面に電磁石を配置して前記合成磁場を印加する請求項１記載の非破壊検査方法である。
【００１２】請求項３の発明は、導電体含有構造物の表面に永久磁石と電磁石を配置し、定常磁場を永久磁石により、変動磁場を電磁石により印加する請求項１記載の非破壊検査方法である。
【００１３】請求項４の発明は、導電体含有構造物の表面に超音波検出器を配置して超音波の伝播異常を検出する請求項１記載の非破壊検査方法である。
【００１４】請求項５の発明は、導電体含有構造物の被検査領域の全表面を前記超音波検出器により走査する請求項４記載の非破壊検査方法である。
【００１５】請求項６の発明は、前記導電体含有構造物は鉄筋コンクリート構造物であり、前記導電体は鉄筋である請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５記載の非破壊検査方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る導電体含有構造物の非破壊検査方法の実施形態を、鉄筋コンクリート構造物を例にとって図面に従って詳細に説明する。図１は本発明の実施形態の一例を示す概要説明図である。鉄筋コンクリート構造物２は鉄筋４の周囲に所定形状をしたコンクリート構造物６からなっており、このコンクリート構造物６の中に検出すべき欠陥７が存在する。
【００１７】この鉄筋コクンクリート構造物２の表面２ａに接触させてコ字型の鉄芯などの磁芯８が配設されている。この磁芯８には励磁コイル１０が巻回され、励磁コイル１０の両端には直流電源１２と交流電源１４が直列接続されている。また、表面２ａ上には圧電素子などからなる超音波検出器１６が配置されている。
【００１８】前記直流電源１２は直流電圧Ｖ₀を出力し、交流電源１４は交流電圧△Ｖ（ｔ）を出力する。直流電圧Ｖ₀は交流電圧△Ｖ（ｔ）の振幅より大きいとする。励磁コイル１０に加えられる電圧Ｖ（ｔ）はＶ（ｔ）＝Ｖ₀＋△Ｖ（ｔ）で与えられるから、励磁コイル１０に流れる電流は常に矢印ａ方向に流れる変動電流になる。
【００１９】この変動電流により、励磁コイル８の上端８ａがＮ極、下端８ｂがＳ極となるように外部に磁力線１８が発生する。図２に示すように、前記磁力線１８によって生じる外部磁場はＢ（ｔ）＝Ｂ₀＋△Ｂ（ｔ）で表され、２つの項、即ち定常磁場Ｂ₀と変動磁場△Ｂ（ｔ）の合成磁場Ｂ（ｔ）となる。
【００２０】一般に、変動磁場△Ｂ（ｔ）は定常磁場Ｂ₀より小さくとるために、△Ｂ（ｔ）／Ｂ₀は１／１０～１／５０の程度に設定されることが望ましい。また、Ｂ₀は２０００～４０００ガウス、△Ｂ（ｔ）の振動数は０．５～１．０ＭＨｚ程度が望ましい。しかし、これらの数値はこれらの範囲に制限されるものでないことは当然である。
【００２１】定常磁場Ｂ₀は鉄筋４中で磁力線１８の方向を向いているが、変動磁場△Ｂ（ｔ）は磁力線１８の方向に上下に振動する。この変動磁場△Ｂ（ｔ）の変化を打ち消すように変動渦電流Ｉ（ｔ）が流れる。図３は変動渦電流Ｉ（ｔ）の波形図である。
【００２２】この変動渦電流Ｉ（ｔ）は定常磁場Ｂ₀と相互作用し、変動渦電流Ｉ（ｔ）にはＦ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）Ｂ₀Ｌの式に従ったローレンツ力Ｆ（ｔ）が作用する。ここでＬは電流の流れる長さ、例えば鉄筋４の円周長さである。このローレンツ力Ｆ（ｔ）は鉄筋４を径方向内方に収縮させたり径方向外方に膨張させる振動力で、鉄筋４自体が超音波発振源となる。図４はローレンツカＦ（ｔ）の波形図である。
【００２３】このローレンツ力による鉄筋４の径方向への歪み率は１０^-8～１０^-9程度であるが、歪み率の大きさは変動磁場△Ｂ（ｔ）の大きさに依存する。いずれにしても、鉄筋４が発振源となり、コンクリート構造物６中を超音波が伝播し、この中の欠陥７による超音波の反射、屈折、散乱等を超音波検出器１６により検出して、欠陥７を探知する。
【００２４】図５は超音波検出器１６による非破壊検査の概要説明図である。鉄筋４が超音波振動しているために、コンクリート構造物６中を超音波が半径方向に伝播している。超音波検出器１６が位置Ａにあるとき、欠陥がないため超音波が直進し、超音波検出器１６は超音波を検出する。
【００２５】超音波検出器１６を矢印ｂ方向に移動し、位置Ｂに達したとする。この位置Ｂでは、コンクリート構造物６中に欠陥７が依存し、超音波はこの欠陥７により反射・散乱を受け、その後方に超音波の到達しない影領域２０が形成される。従って、位置Ｂでは超音波検出器１６は超音波を検出できないため、欠陥７がこの近傍に存在することを探知する。
【００２６】次に、磁芯８を別の場所に移動し、再び超音波検出器１６を走査して欠陥７の存否を探知する。この様にして磁芯８と超音波検出器１６を移動しながら、鉄筋コンクリート構造物２の表面２ａの全面を非破壊検査して欠陥を発見してゆく。
【００２７】図６は本発明の第２実施形態を示す概容斜視図である。本実施形態では磁芯８の代りに磁芯９と磁芯１１の２本からなり、磁芯９は電磁石用の磁芯、磁芯１１は永久磁石からなる。
【００２８】磁芯９には励磁コイル１０が巻回され、その両端には交流電源１４が接続されている。従って、磁芯９の上下端９ａ，９ｂからは鉄筋４を通る変動磁力線１８ｂが形成され、鉄筋に対する変動磁場ΔＢ（ｔ）を構成する。その方向は上下に変動する。一方、永久磁石である磁芯１１から鉄筋４に対し定常磁力線１８ａが矢印方向に形成され、鉄筋に対する定常磁場Ｂ₀を形成する。
【００２９】従って、鉄筋４の中には合成磁場Ｂ（ｔ）＝Ｂ₀＋ΔＢ（ｔ）が形成される。本実施形態の特徴は、両磁芯９，１１が交叉角θをもって斜交配置されている。この交叉角θを変化させることにより、最も感度のよい角度で非破壊検査が可能となる。
【００３０】交叉角θをもたせるために、磁芯９の上下端９ａ，９ｂを斜交カットしている。この斜交カットにより磁芯９は鉄筋コンクリート構造物２の表面に密着配置でき、磁力線の漏洩が少ない。多少の漏洩があっても磁力線は鉄筋４に入るから、斜交カットをあえてしなくてもよい。
【００３１】この実施形態では磁芯１１は永久磁石であったが、磁芯１１を電磁石にして直流電源を結線し、定常磁場を形成しても構わない。また、電磁石の場合に、磁芯をなくして空芯とすることもできる。磁場が強くなると磁性体が飽和してしまい、空芯の方がよい領域があるからである。
【００３２】本発明の要点は、外部から印加される磁場により内部の鉄筋に超音波振動を生起させる点にある。換言すれば、電磁石等の外部磁石装置により鉄筋に電磁超音波振動を起こさせるもので、欠陥７の検出が極めて容易になる。
【００３３】表面２ａに超音波振動体を外接させる他の方法では、超音波検出器１６には超音波振動体からの直達波と、欠陥７からの反射波と、鉄筋４からの反射波が重なって到達し、これらの波を分離するために複雑な操作が必要となる。これに対し、本発明は内部で超音波振動を生起させるから、超音波の検出が容易である。
【００３４】前記実施形態では、定常磁場と変動磁場の両者を電磁石で発生させているが、定常磁場を永久磁石で起こし、変動磁場だけを電磁石で生起させてもよい。
【００３５】前記実施形態では、導電体含有構造物の一例として鉄筋コンクリート構造物を取り上げ、導電体として鉄筋の場合を説明してきた。しかし、導電体含有構造物としては、地中に埋設された鉄剣などの考古学遺跡や鉄鉱石を含有した鉱脈等でもよく、この場合には鉄剣や鉄鉱石を導電体として用い、これらに電磁振動を生起させてその超音波伝播から構造体の内部構造を非破壊的に検査することもできる。従って、本発明は導電体を含有できる構造物に対して広く適用でき、このとき欠陥とは伝播する超音波を反射・屈折・散乱させる内部構造と考える。
【００３６】本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
【００３７】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、導電体含有構造物の内部にある導電体を超音波発振源にできるから、導電体含有構造物内の欠陥等の内部構造による超音波の伝播異常を構造物表面で簡単且つ確実に検出でき、例えばコンクリートの崩落事故を未然に防止できる。
【００３８】請求項２の発明によれば、導電体含有構造物の表面に電磁石を配置するだけで導電体を超音波発振源にでき、簡単且つ安価に導電体含有構造物の非破壊検査を実行できる。
【００３９】請求項３の発明によれば、近年開発されている強力な永久磁石を電磁石と組み合わせることにより欠陥（内部構造）の探知ができるから、特別な装置を要せず、安価に導電体含有構造物の非破壊検査を実行できる。
【００４０】請求項４の発明によれば、公知の超音波検出器を導電体含有構造物の表面に配置して内部の欠陥（内部構造）を発見できるから、導電体含有構造物の非破壊検査を容易に行える。
【００４１】請求項５の発明によれば、導電体含有構造物の対象となる表面全域を超音波検出器により走査すれば、その導電体含有構造物の対象域の内部全域をくまなく検査することができる。外部磁石装置と超音波検出器を自走式にしておけば、非破壊検査を効率的に実行できる。
【００４２】請求項６の発明によれば、鉄筋コンクリート構造物の非破壊検査を効率的に行うことができ、例えばトンネル内のコンクリート崩落事故を未然に防止することができる。

【出願人】	【識別番号】５９１０２７１６７【氏名又は名称】西川雅弘
【出願日】	平成１２年１月１７日（２０００．１．１７）
【代理人】	【識別番号】１０００８２４７４【弁理士】【氏名又は名称】杉本丈夫（外１名）
【公開番号】	特開２００１－１９４３４７（Ｐ２００１－１９４３４７Ａ）
【公開日】	平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】	特願２０００－７４４１（Ｐ２０００－７４４１）