6.建設材料の新しい劣化評価手法に関する研究

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建設材料の新しい劣化評価手法に関する研究研究予算 : 運営費交付金 ( 一般勘定 ) 研究期間 : 平 23~ 平 26 担当チーム : 新材料チーム研究担当者 : 西崎到新田弘之要旨本研究は建設材料の劣化を評価する新たな手法として近年産業用として各方面で導入が進んでいる X 線 CT を取り上げアスファルト混合物および FRPへの適用性について検討を行ったその結果

1 建設材料の新しい劣化評価手法に関する研究研究予算 : 運営費交付金 ( 一般勘定 ) 研究期間 : 平 23~ 平 26 担当チーム : 新材料チーム研究担当者 : 西崎到新田弘之要旨本研究は建設材料の劣化を評価する新たな手法として近年産業用として各方面で導入が進んでいる X 線 CT を取り上げアスファルト混合物および FRPへの適用性について検討を行ったその結果アスファルト混合物の場合 X 線 CTにより素材の構成アスファルト量空隙率など基本的な項目が分かるばかりでなく載荷試験と組み合わせることによりアスファルト混合物が破損していく際の骨材の動きが評価でき破損の解明に有用であることが分かったまた FRPの場合劣化に伴う FRP 内部の空隙の増加が観察できるほか負荷を与えた状態でのX 線 CTの撮影の実施により FRP 内部の繊維のはく離も観察でき FRPでも破損の解明に有用であることが分かったキーワード :X 線 CT アスファルト混合物 FRP 劣化評価 1. はじめに建設材料はいずれも長期の耐久性が求められるものであるが材料の性能は供用と共に劣化が起こることにより低下していくそこで劣化の診断や劣化の予測が必要になっていくこれまで劣化の評価は強度の低下や柔軟性の低下など機能面からの評価だけでなく材料の内部構造の物理的な劣化化学変化による劣化など機能低下の原因からの評価など非常に多岐に渡り常により高度な評価あるいは簡便な評価を求めて研究が行われてきた一方これまで医療での利用が進んでいる X 線 CT は近年では産業用のものが市販されるようになり非破壊でものの内部が観察できるため電子回路基板や半導体などの製品内部の確認に利用されたり素材や薬剤などの試料内部の観察に利用されたりするなど活用が進んでいる建設材料においてはこれまで地盤材料やコンクリートの研究例 1)~3) があるより高出力高解像度の X 線 CTが市販されるようになり大きな試料にも対応できるものもあることから建設材料での活用がますます期待されているそこで本研究では近年建設材料への導入が図られているX 線 CTを用いて新しい劣化評価手法について研究を行った特に骨材や空隙の分布や移動が可視化されることによる効果がより高いと考えられる以下の 2つの材料について検討を行った 2.X 線 CTの原理 X 線 CTのCT とはComputed Tomographyの略でありコンピュータ断層影像法などと訳される様々な方向からX 線映像を撮影し PCで再構成処理を施すことにより内部構造を得る原理としては 36 方向から数千枚の X 線影像をPC 処理して供試体内部の各点の X 線吸収係数 ( 単位長さあたりの X 線吸収量 ) を求めそれを画像の濃淡で表示する X 線 CT の撮影方法及び立体画像を構成する最小要素であるボクセル (voxel) の概念を図 -1に示す図 -1 X 線 CTの撮影方法及びボクセルの概念一般に X 線は供試体を通過する際に強度が減衰し供試体通過前の X 線強度を I 減衰した X 線の強度をI X 線の供試体透過長を W X 線吸収係数をとすると式 (1) が成立する 1X 線 CTのアスファルト混合物への適用 X 線吸収量の算出原理を図 -2に示す X 線吸収量は 2X 線 CTのFRP への適用検出器があらゆる方向から受けた X 線透過量を PCで -1- I I exp W (1)

演算することによって求めることができる 3) X 線吸収係数は密度の高い材料ほど大きく密度の低い材料ほど低い傾向があるこれを数値化した指標としてCT 値が用いられるボクセル (voxel 立体画像を構成する最小要素 ) のCT 値は式 (2) で表すことができる w CT値 K (2) w ここに w : 水のX 線吸収係数 K: 定数 ( 通常 K=1,) CT 値は,

2 演算することによって求めることができる 3) X 線吸収係数は密度の高い材料ほど大きく密度の低い材料ほど低い傾向があるこれを数値化した指標としてCT 値が用いられるボクセル (voxel 立体画像を構成する最小要素 ) のCT 値は式 (2) で表すことができる w CT値 K (2) w ここに w : 水のX 線吸収係数 K: 定数 ( 通常 K=1,) CT 値は, 密度が大きいほど大きく, 密度が小さいほど小さくなることから材料を評価するうえで有力な評価指標となりうるアスファルト混合物であれば CT 値は骨材アスファルト + 石粉空隙の構成比によって変化し骨材の量が多ければ X 線の減衰は大きく CT 値も大きくなり空隙の量が多ければ X 線の減衰量は小さく CT 値も小さくなる X 線 CTの出力画像はボクセルが持つ CT 値等といった情報から通常 256 階調のグレイスケールとして変換される一般に CT 値の高い領域 ( 高密度領域 ) では白く低い領域 ( 低密度領域 ) では黒く表示されるファルト混合物 ( 以下, 密粒度 ), ポーラスアスファルト混合物 ( 以下, ポーラス ) 及び粗粒度アスファルト混合物 ( 以下, 粗粒度 ) の 3 種類を用いた. 使用したアスファルトを表 -2 に示す粗粒度はストレートアスファルト ( 以下ストアス ) 密粒度はストアスとポリマー改質アスファルト Ⅱ 型 ( 以下改質 Ⅱ) ポーラスはポリマー改質アスファルト H 型 ( 以下改質 H) を使用した密粒度及び粗粒度の供試体のサイズは直径 11.6mm, 高さ 68.7mm, ポーラスは 11.6mm, 高さ 61.2mm とした. 混合物の種類密粒度粗粒度ポーラス表 -1 アスファルト各アスファルト混合物の配合と密度骨材配合粗骨材細骨材石粉アスファルト量空隙率混合物密度 g/cm 3 スト 5.6% 2.36 アス 56.5% 38.5% 5.% 5.% 改質 5.1% Ⅱ スト 72.% 23.% 5.% 5.% 4.8% アス改質 H 84.% 11.% 5.% 5.% 18.8% 2.24 表 -2 使用したアスファルトアスファルト種類密度 g/cm 3 ストレートアスファルト 1.41 ポリマー改質アスファルト Ⅱ 型 1.29 ポリマー改質アスファルト H 型撮影条件図 -3 に使用した X 線 CT スキャナを示すまた表 -3 に X 線 CT 撮影条件を示す.X 線 CT 撮影は図 -4 に示すように 5 断面で行った. 図 -2 X 線 CT の算出原理 3.X 線 CTのアスファルト混合物への適用 3.1 研究概要 X 線 CTのアスファルト混合物への適用においては新しい品質劣化評価手法の提案を目的に以下の2つの検討を行った 1X 線 CTによる構成材料の定量化の検討 2ホイールトラッキング試験による骨材挙動分析 3.2 研究方法 (1)X 線 CTによる構成材料の定量化の検討 1 供試体本研究では, 構成材料の異なるアスファルト混合物として表 -1に示す骨材粒度の異なる密粒度アス -2- 図 -3 X 線 CTスキャナ ( 熊本大学 ) 表 -3 撮影条件管電圧 3kV スライス厚 1.mm 撮影領域 φ15mm 画像構成マトリクス数ボクセルサイズ mm 3

CT ave i ni (3) N (2) ホイールトラッキング試験による骨材挙動の分析 1 供試体本研究ではホイールトラッキング試験前後の骨材図 -4 X 線照射位置の挙動を解析するために行った X 線 CTの撮影をしやすくするためにホイールトラッキング供試体は 3 材料構成の定量化方法通常の半分の大きさである幅 15mm 奥行きアスファルト混合物の品質や劣化を評価するため 3mm 高さ5

その後, 試験温度は 6 で輪荷 (Percentile method) 4) を用いた重 49kNの繰返し ( 往復移動 ) 荷重を6 回 ( 以下, 図 -5にPタイル法の概念を示すこの方法では 6pass) 載荷し,initial と同じ撮影条件及び撮影断面はじめに対象物の面積 S と対象物以外の面積 S 1 からでX 線 CT 撮影を行った.

3 CT ave i ni (3) N (2) ホイールトラッキング試験による骨材挙動の分析 1 供試体本研究ではホイールトラッキング試験前後の骨材図 -4 X 線照射位置の挙動を解析するために行った X 線 CTの撮影をしやすくするためにホイールトラッキング供試体は 3 材料構成の定量化方法通常の半分の大きさである幅 15mm 奥行きアスファルト混合物の品質や劣化を評価するため 3mm 高さ5 mmとした. アスファルト混合物のには骨材の形状アスファルト及び空隙の分布に種類はポーラスアスファルト混合物を用いたついても把握しなければならない出力画像から素 2 撮影方法材の構成を定量化するためには CT 値のしきい値を載荷を行っていない ( 以下,initial) 供試体のX 線設定する必要がある本研究においては Pタイル法 CT 撮影を実施した. その後, 試験温度は 6 で輪荷 (Percentile method) 4) を用いた重 49kNの繰返し ( 往復移動 ) 荷重を6 回 ( 以下, 図 -5にPタイル法の概念を示すこの方法では 6pass) 載荷し,initial と同じ撮影条件及び撮影断面はじめに対象物の面積 S と対象物以外の面積 S 1 からでX 線 CT 撮影を行った.X 線撮影条件は表 -3と同じ画像全体の面積 Sと面積比率 Pを求める次に CT とし撮影断面は図 -6のようにした値の低い方または高い方から頻度値を積算していき対象物の面積が画像全体の面積に対して Pの割合と CT 撮影断面 5mm なるところの CT 値よりしきい値 Tを得るこの手法 ( 供試体中央部 ) は本研究のように体積率が既知のものについて非常に有効である載荷面本研究においては空隙アスファルト + 石粉, 細 3mm 骨材, 粗骨材の 4 種類に区分するため 3つのCT 値の 5mm しきい値を求め 4 値化を行ったなお, ストアス + 繰返し荷重 15mm 石粉としたのは, 石粉は約 8% が.75mm 以下の粒図 -6 撮影断面及び載荷面子であり,X 線 CT 画像の空間分解能 ( mm 3 ) では粒子として判断できないためである 3 解析方法 X 線 CT 撮影より得られた各 CT 画像から粗骨材を抽出するための 2 値化処理を行った.2 値化処理を行う上で必要となる粗骨材と粗骨材以外の構成材料のしきい値はpタイル法 3) によって決定した.2 値化処理を施しても連結して表示される粗骨材がいくつか確認されたため,Watershed 法 5) により骨材の分割を行った. 以上の画像処理を行って得られた 2 値化画像をもとに,initial 及び6pass それぞれの平面画像中の図 -5 Pタイル法の概念粗骨材重心座標を求め,WT 試験前後の粒子の同定により粗骨材の移動量を求めた. 4 断面平均 CT 値の計算 CT 値がiの時の頻度を n i 総ボクセル数を Nとした場合照射された断面の断面平均 CT 値 (CT ave ) は式 (3) で表される -3-

16 (1)X線CTによる構成材料の定量化の検討 14 ①アスファルトの種類の違いに伴うCT値ヒストグ 12 ラムの形状変化 1 CT値 3 3 研究結果アスファルトの種類が異なる混合物の中央断面にストアス 1359 PMA-II 1125 793 8 1375 1118 811 6 おけるX線CT撮影結果を図-7に 5断面平均のヒス 4

ヒストグラム自体はストアスと改質IIはほぼ同様の傾向を示している図-5の方法によって算出したストアスおよび PMA-IIのしきい値を図-9に示す密度と体積率の関係から若干の差は見られるものの大きな差はないと考えられるストアスと改質IIの4値化画像を図-1に示すこれらの混合物はアスファルトが違う以外大きな違い

3mm ポリマー改質図-1 ストアスおよび改質IIの4値化画像 ②混合物の種類の違いに伴うCT値ヒストグラムの形状変化骨材配合率が異なる混合物のX線CT撮影結果を CT 値図-11に示す密粒度ストアス粗粒度ポーラスの 6 18 図-7 アスファルトの種類の変化による CT 画像順に空隙黒い部分が多くなりアスファルト石粉および細骨材

4 16 (1)X線CTによる構成材料の定量化の検討 14 ①アスファルトの種類の違いに伴うCT値ヒストグ 12 ラムの形状変化 1 CT値 3 3 研究結果アスファルトの種類が異なる混合物の中央断面にストアス 1359 PMA-II おけるX線CT撮影結果を図-7に 5断面平均のヒス 4 トグラムを図-8に示す改質IIはストアスに比べ 2 CT値が5 1,および1,6以上の部分でボクセル数が若干多く 1, 1,6の部分でボクセル数がしきい値1 少なくなっているこれは表-2に示したようにアしきい値2 しきい値3 図-9 ストアスおよび改質IIのしきい値スファルトの密度が改質IIの方が低いことによるものであると考えられるしかしヒストグラム自体はストアスと改質IIはほぼ同様の傾向を示している図-5の方法によって算出したストアスおよび PMA-IIのしきい値を図-9に示す密度と体積率の関係から若干の差は見られるものの大きな差はないと考えられるストアスと改質IIの4値化画像を図-1に示すこれらの混合物はアスファルトが違う以外大きな違いがなく各素材の体積率がほぼ同じであることから各素材の分布は両者で大きな差がないといえるストレート撮影高さ 34.3mm ポリマー改質図-1 ストアスおよび改質IIの4値化画像 ②混合物の種類の違いに伴うCT値ヒストグラムの形状変化骨材配合率が異なる混合物のX線CT撮影結果を CT 値図-11に示す密粒度ストアス粗粒度ポーラスの 6 18 図-7 アスファルトの種類の変化による CT 画像順に空隙黒い部分が多くなりアスファルト石粉および細骨材濃いグレーの部分が少なくなっていることがわかる骨材配合率の違いによる5断面平均のヒストグラムを図-12に示すここで CT値を-5以下 ,3 1,3以上の4つに区分してCT値分布の傾向を見ることとする CT値が-5以下のボクセルは密粒度ストアスはほとんど存在しなかったのに対し粗粒度はCT値 -9付近で約6ボクセルポーラスはCT値-85付近で約5のボクセルが存在している CT値が-5 7の間では密粒度ストアス粗図-8 CT 値ヒストグラムアスファルトの種類の粒度がCT値の増加とともに徐々に増加しているの変化に対しポーラスは概ね1ボクセル以上の値となっているこれはポーラスのほとんどが粗骨材と空 -4-

隙で占められており細骨材やアスファルト等空しきい値3はポーラス粗粒度密粒度の順に大隙を充填する材料が少ないためと考えられる CT きくなっているこれはポーラスが粗骨材の周囲値が7 1,3の間では密粒度ストアスでピークの細骨材やアスファルトが少なくなっているのに対の発生があるのに対し粗粒度ポーラスの順にピし密粒度は粗骨材の周囲の細骨材やアスファルト

14 粗粒度ポーラス CT値密粒度 1359 134 1271 1125 1118 115 12 1 793 8 619 6 4 176 2 しきい値1 しきい値2 しきい値3 粗細粗骨材細骨材図-13 密粒度粗粒度およびポーラスのしきい値 CT 値 6 18 図-11 混合物の種類の変化による CT 画像 2.

5 隙で占められており細骨材やアスファルト等空しきい値3はポーラス粗粒度密粒度の順に大隙を充填する材料が少ないためと考えられる CT きくなっているこれはポーラスが粗骨材の周囲値が7 1,3の間では密粒度ストアスでピークの細骨材やアスファルトが少なくなっているのに対の発生があるのに対し粗粒度ポーラスの順にピし密粒度は粗骨材の周囲の細骨材やアスファルトークが崩れる現象が見られたこれは密粒度粗が多くなっていることが起因していると考えられる粒度ポーラスの順に細骨材の体積率が少なくなるために発生したものと考えられる CT値が1,3以 2 上ではいずれの混合物においても粗骨材の影響とみられるピークの発生が見られた 18 密粒度ストアス粗細粗粒度粗細ポーラス粗細粗粒度ポーラス CT値密粒度しきい値1 しきい値2 しきい値3 粗細粗骨材細骨材図-13 密粒度粗粒度およびポーラスのしきい値 CT 値 6 18 図-11 混合物の種類の変化による CT 画像 2.36mm通過質量百分率(%) 頻度 25 2 密粒度粗粒度ポーラス 15 5 密粒度(No.2) 粗粒度(No.7) ポーラス(No.8) 図-12 5 CT値 CT値(しきい値3) 図-14 しきい値3と2.36mm通過質量百分率の関係 CT 値ヒストグラム混合物の種類の変化図-5の方法によって算出した密粒度ストアス粗粒度およびポーラスのしきい値を図-13に示すしきい値1は粗粒度ポーラス密粒度の順に大密粒度きくなった空隙率が粗粒度の方がポーラスに比べ粗粒度ポーラスて小さいのにもかかわらずしきい値が小さくなったのは空隙そのもののボクセル数が少なくなるとと撮影高さ 34.3mm もに p-タイル法の面積率が小さくなり CT値のし図-15 密粒度ストアス粗粒度およびポーラスの4 きい値が低下したものと考えられる値化画像しきい値2は混合物の種類による差は見られなかったこれは空隙を除いた骨材の体積比率が密粒ここで粗骨材と細骨材の境界としての意味を持度ストアスで83.8% 粗粒度で83.6% ポーラスでつCT値であるしきい値3を説明変数 2.36mmふるい 83.8%とほとんど変わらなかったためであると考え通過質量百分率を目的変数として線形回帰分析を行られる -5-

5mm とおりとなり相関係数は.996となった(図-14) これよりしきい値3より2.

36 2.36mmふるい通過質量百分率 T3 しきい値3 密粒度ストアス粗粒度およびポーラスの中央断面の4値化画像を図-15に示すこれにより密粒度ス

が確認できる (2)ホイールトラッキング試験による骨材挙動の分析図-16はinitial及び6passの供試体中央断面におけ

験を行った際の移動した距離をベクトル表示したものを示す図-18より荷重直下部を中心に放射上に骨材が移動していることを確認することができるまた

6 うこれは2.36mmふるい通過質量百分率が大きけれ 15mm ば細骨材の量が多くなりしきい値3を押し上げる効果があると考えられるからである回帰式は式(3)の 5mm とおりとなり相関係数は.996となった(図-14) これよりしきい値3より2.36mmふるい通過質量百分率を予測できる可能性があることが確認された p (T3 1, 217 ) ( 1,271 T3 1,359) (3) (a)initial ここに p mmふるい通過質量百分率 T3 しきい値3 密粒度ストアス粗粒度およびポーラスの中央断面の4値化画像を図-15に示すこれにより密粒度ストアス粗粒度ポーラスの順に空隙が大きくなる (b)6pass とともに細骨材やアスファルトが少なくなること図-16 供試体中央断面の CT 画像が確認できる (2)ホイールトラッキング試験による骨材挙動の分析図-16はinitial及び6passの供試体中央断面におけるCT画像を図-17にCT画像に2値化処理を施した2 値化画像を示す図-18はinitialから6passのWT試 (a)initial 験を行った際の移動した距離をベクトル表示したものを示す図-18より荷重直下部を中心に放射上に骨材が移動していることを確認することができるまた載荷面上ではあまり変化がなくても内部では荷重直下部付近での粗骨材は最大の変位が側方方向に生じていることが確認できる以上の検討の結果 X線CTを用いて非破壊でアスファルト混合物 (b)6pass 内部の粗骨材を追跡する粒子追跡法は有用であると図-17 供試体中央断面の２値化考えられる図-18 粒子追跡法によって得られた粗骨材の2次元変位ベクトル図 -6-

4 X線CTのFRPへの適用 75 3 4 1 研究概要 X線CTのFRPへの適用としては以下のものの検討を行い劣化や荷重などの負荷を与えた場合の 3 FRP内部の損傷を評価できるか検討したまた様々 3 2 2.

7 4 X線CTのFRPへの適用研究概要 X線CTのFRPへの適用としては以下のものの検討を行い劣化や荷重などの負荷を与えた場合の 3 FRP内部の損傷を評価できるか検討したまた様々な材料への対応も検討した ①コンクリート補強用連続繊維シートへの適用 6 ②FRPでの曲げ試験への適用 ③素材の異なる繊維補強材料への適用 3 (mm) 4 2 研究方法 (1)コンクリート補強用連続繊維シートへの適用図-19 供試体の成型コンクリート平板に異なる条件で繊維シートを接着した後促進劣化のための冷熱繰り返しによる負荷を与え各段階でX線CT撮影をして気泡の発生などの内部の変化を観察した ①繊維シート接着供試体コンクリート平板上に表-4 5に示す繊維と樹脂を用いて繊維シート接着供試体を作製した供試体の作製条件は表-6に示す作製温度では用いた樹脂の施工温度範囲の25 と施工温度範囲を下回る5 の図-2 供試体の例(No.) ２条件とし表面水分はそれぞれの温度で適切な表面水分表面水分の多い状態表面水分が逸脱し X線検出器て多い状態の３状態としたプライマー塗布後に繊 X線発生器維シートを接着した繊維シートは同じ繊維方向で2 X線枚積層した表-4 使用した繊維シートの基本性状繊維目付設計厚さ引張強度引張弾性率繊維種類 g/m2 mm N/mm2 N/mm2 炭素繊維 , (中弾性) 図-21 X線CT撮影の概要表-5 使用した樹脂の基本性状本研究では精細に撮影できることに主眼を置い材質引張強度 N/mm2 曲げ強度 N/mm2 使用温度エポキシ樹脂 (2液混合無溶剤) 3以上 4以上 1 25 たため X線の透過量が著しく異なる状態を避け図-19に示すような正四角柱に切り出して試験に供することにした供試体の例を図-2に示すカタログ値表-6 供試体の作製条件供試体No. 作製温度表面水分 % 11.2% Full 4.7% 11.% Full ②冷熱繰り返し試験繊維シート接着供試体を促進劣化させるため冷熱繰り返し試験を行った試験条件は 6 で24時間水中養生し続けて2 で24時間水中養生した 48 時間を１サイクルとし 1サイクルまで試験を行った途中内部の破損等を観察するために X線CT 撮影を行った Full 水中に浸漬しておいたものを取り出し表面を拭いた後に施工したもの -7-

③X線CT撮影表-8 撮影した繊維補強材料材料名本研究では微細な観察に適したマイクロフォー繊維ガラス繊維カーボン繊維アラミド繊維ナイロン GFRP CFRP AFRP ゴム引き布カスCTスキャナーを用いた本機は管電圧32kVと 225kVが選択できるが今回は225kVを使用した撮影の概要を図-21に示す撮影領域2mm 2mm 焦点サイズ2μm 表示画素数124

8 ③X線CT撮影表-8 撮影した繊維補強材料材料名本研究では微細な観察に適したマイクロフォー繊維ガラス繊維カーボン繊維アラミド繊維ナイロン GFRP CFRP AFRP ゴム引き布カスCTスキャナーを用いた本機は管電圧32kVと 225kVが選択できるが今回は225kVを使用した撮影の概要を図-21に示す撮影領域2mm 2mm 焦点サイズ2μm 表示画素数ピクセル ②X線CT撮影の条件で撮影した FRPを曲げた状態にしてX線CT撮影を行った管 (2)FRPの曲げ試験への適用電圧225kV 表示画素数ピクセルで撮影 ①供試体した FRPは水門に用いられるFRPと同じ構成のものとした FRPの構成を表-7に示すチョップドスト 4 3 研究結果ランドマットおよびロービングマットにはガラス繊 (1)コンクリート補強用連続繊維シートへの適用維を用いている積層用樹脂マトリックスは水門扉 ①繊維シートの観察劣化の観察をする前に樹脂内にある繊維シートなどで通常使用されるオルソフタ酸系の不飽和ポリの観察を行った図-22に断面の映像を示す樹脂層エステ樹脂を使用した FRPの作製に当たっては通常通りの作製を行っ内に縞模様が見えておりやや薄い2本のすじが繊維た通常品以下通常品と故意に繊維を蛇行さである今回繊維シートには炭素繊維を用いておせて不良箇所を設けた欠陥品以下欠陥品を作り炭素繊維の密度が2g/cm3付近エポキシ樹脂の製した密度が1.2g/cm3付近であり密度の差が小さかったことと約2mmの樹脂層の中を撮影したため鮮明表-7 FRPの構成積層構成ゲルコートチョップドストランドマットロービングクロスチョップドストランドマットゲルコートに繊維を映し出すことができなかったが繊維の位積層数 1(5 μm) (5 μm) 置を確認することはできた ②曲げ試験曲げ試験は JIS K717に従って行った供試体は厚さ8mm 幅15mm 長さ24mmとした X線CT撮影用には別に切り出した8mm 幅8mm 長さ24mmの供試体を使用した ③X線CT撮影 FRPを曲げた状態にしてX線CT撮影を行った管電圧225kV 表示画素数ピクセルで撮影した図-22 繊維の観察 (3)様々な繊維補強材料への適用 ②接着面の横からの映像の観察 ①供試体 CT撮影は立体的に撮影されているので解析に繊維の種類によっては撮影のしやすさが異なる当たっては任意の断面での映像が観察できるま可能性があったため各種の繊維補強材料を撮影しず接着面を真横からみた断面の観察を行った概たね２劣化サイクル毎に撮影は行ったが図-23にはこの中から劣化１サイクル後劣化６サイクル後劣化１０サイクル後のできるだけ同じ箇所の映像を示 -8-

(1) 1サイクル目 (2) 6サイクル目 (3) 1サイクル目図-23 接着面を横から見た画像す CT映像は密度によって濃淡が付くため画像解接着シート

ートの内部に赤色に着色された箇所があるが空隙のまわりなどで偶然樹脂と近い密度になった場合コンクリートと樹脂の接着界面付近の画像

横から見た場合どの映像でも際だった剥離などは観察できなかった断面はできるだけ同じ箇所でとるようにはしているが本研究で用いた装置は.

9 (1) 1サイクル目 (2) 6サイクル目 (3) 1サイクル目図-23 接着面を横から見た画像す CT映像は密度によって濃淡が付くため画像解接着シート析により樹脂の密度に相当する領域には分かりやすいように着色を行った実際のCT画像は白黒でありカラーで撮影できるわけではないまたコンクリコンクリートートの内部に赤色に着色された箇所があるが空隙のまわりなどで偶然樹脂と近い密度になった場合コンクリートと樹脂の接着界面付近の画像に誤認識されて着色されてしまったものでありこの部分には樹脂はない今回１０サイクルまでの劣化回数であったがどの供試体も目立った損傷はなかった接着面を真横から見た場合どの映像でも際だった剥離などは観察できなかった断面はできるだけ同じ箇所でとるようにはしているが本研究で用いた装置は.1mm間隔でしか位置を調整できないため完全にコンクリート表面の空隙に同じ箇所にすることはできなかったその影響もあ樹脂が浸透している様子り今回の横からの観察では劣化による微小な変化を捉えることが困難であった図-24 接着界面の観察例 No. -9-

10 (1) 1サイクル目 (2) 6サイクル目 (3) 1サイクル目図-25 樹脂内部の気泡の変化 ③接着面の上からの映像の観察した接着面より樹脂の内部寄りに気泡が観察され CT画像では任意の断面が見られるのでコンクた今回の撮影では繊維は横方向に入っておりリートと樹脂の界面等も観察できる接着界面を取気泡が繊維の方向に沿ってできたため気泡は横にり出した例を図-24に示すこのように接着面の様子長くなった各供試体の特徴的な気泡が見られた箇を破壊せずに試験の途中でも観察できる今回所を選び出し劣化サイクル毎に図-25に示す特に劣化１０サイクルでも接着面の剥がれなどが生じな劣化１０サイクル目になると気泡が増えてきておりかったため施工条件による接着面の変化の様子は画像からも判別できた部分については図中にで観察することはできなかった囲ったかなり小さな変化であるため判別はかな続いて樹脂内部に発生した気泡などの変化を観察り難しい状況であった -1-

空隙の占める割合 2. 施工温度25 1.5 1..5. 2 4 6 8 1 12 劣化サイクル図-26 樹脂内部の気泡の増加 25 作製空隙の占める割合 5. 施工温度5 4. 3. 2. 1. 図-28 曲げ試験の結果.

劣化サイクルの数が増えるにつれ気泡が増加していることが把握できた (2)FRPの曲げ試験への適用ガラス繊維を用いたFRPの正常品と故意に繊維を蛇行させて作製した欠陥品において曲げ試験による挙動の違いについて検討した図-28にそれぞれの曲げ試験の結果を示す正常品も欠陥品も同程度のひずみで破壊が起こっているが曲げ強度は欠陥品の方が小さい

11 空隙の占める割合 2. 施工温度劣化サイクル図-26 樹脂内部の気泡の増加 25 作製空隙の占める割合 5. 施工温度図-28 曲げ試験の結果劣化サイクル図-27 樹脂内部の気泡の増加 5 作製そこでより定量的に気泡の変化を追うために画像解析により気泡の増減を追うことを試みた具体には画像から気泡の面積を割り出し気泡の占める割合を求めるようにした結果を図に示す画像からは判別は難しかったが画像解析 (1)正常品によれば劣化サイクルの数が増えるにつれ気泡が増加していることが把握できた (2)FRPの曲げ試験への適用ガラス繊維を用いたFRPの正常品と故意に繊維を蛇行させて作製した欠陥品において曲げ試験による挙動の違いについて検討した図-28にそれぞれの曲げ試験の結果を示す正常品も欠陥品も同程度のひずみで破壊が起こっているが曲げ強度は欠陥品の方が小さい (2)欠陥品これらの材料と同じものを用いて試料を曲げた状態でX線CT撮影を行ったなお X線CTでは試料を図-29 曲げた状態でのX線CT画像 36 回転させて何枚ものX線撮影を行うので動いているものは撮影できない従って本撮影は一 (a)(b)(c)はほぼ同じひずみの状態である破損を起こ定のひずみを与えた状態で固定して撮影した撮影すひずみ量において正常品では表面に亀裂が出始画像を図 -29に示す図 -28の (a)(b)(c) と図 -29 のめているのに対し欠陥品ではFRP内部にはく離が -11-

5. まとめ本研究では近年建設材料への導入が図られている X線CTを用いてアスファルト混合物およびFRPの新しい劣化評価手法について研究を行った (1)GFRP アスファルト混合物への適用の検討において以下のことが分かった (1) 粒径が大きく多孔性の粗骨材については CT値ヒストグラムの分布に双峰性が見られた一方粒径が小さく密な構造の細骨材および石粉については

断面平均CT値とアスファルト混合物の密度アスファルト石粉の平均CT値とアスファルト量ならびにしきい値3と2.36mmふるい通過百分率との間の相関係数が大きいことから CT値の各指標からアスファルト混合物の密度アスファルト量 2.

12 5. まとめ本研究では近年建設材料への導入が図られている X線CTを用いてアスファルト混合物およびFRPの新しい劣化評価手法について研究を行った (1)GFRP アスファルト混合物への適用の検討において以下のことが分かった (1) 粒径が大きく多孔性の粗骨材については CT値ヒストグラムの分布に双峰性が見られた一方粒径が小さく密な構造の細骨材および石粉については CT値ヒストグラムの分布に単峰性が見られたこ (2)CFRP とから粒径によるCT値分布特性を明らかにすることができた (2) アスファルトの種類を変化させてもCT値の分布に大きな変化がなかった (3) 4値化画像により骨材の形状ならびに骨材ア (3)AFRP スファルトおよび空隙の分布状況を把握することができた図-3 様々なFRPのX線CT画像 (4) 断面平均CT値とアスファルト混合物の密度アスファルト石粉の平均CT値とアスファルト量ならびにしきい値3と2.36mmふるい通過百分率との間の相関係数が大きいことから CT値の各指標からアスファルト混合物の密度アスファルト量 2.36mmふるい通過百分率を定量化できる可能性があることがわかった (5) 粒子追跡手法はアスファルト混合物内部の粗骨材図-31 ゴム引き布のX線CT画像を追跡する上で有用であることが確認できた生じていることが分かったまた FRPへの適用において以下のことが分かっ (3)様々な繊維補強材料への適用た (6) X線CTスキャナーにより樹脂層内の繊維シート様々なFRPのX線CT画像を図-3に示す (1) (3) ではマトリックス樹脂が分かり易いように画像処理の位置が確認できたで赤く着色しているまずGFRPでは繊維が明確 (7) 接着面を真横から観察した結果剥離が大きく進に確認できるこれは樹脂と比べてガラス繊維の密行していないことが観察できたしかし観察位度が大きいためであるこれに対し CFRP AFRP 置の厳密な位置合わせが難しく劣化等の微小なでは繊維は確認できるもののGFRPと比べると鮮明変化を把握することは難しかった (8) 接着面を面的に観察した場合コンクリート表面ではなかったこれはカーボン繊維アラミド繊維はマトリックス樹脂と比べて密度の差が小さくの空隙に樹脂が浸透している様子が把握できた (9) 樹脂層内部にある気泡の劣化による成長を観察しコントラストが付きにくかったためであるまたゴム堰に用いられるゴム引き布のX線CT画た結果映像からも気泡が増えてくる様子が観察像を図-31に示すゴム引き布ではナイロン繊維ができたしかし微細なものが多く今回の劣化確認できたまた撮影に用いたゴム引き布は引では視覚的にとらえるのがやや難しかったき布と引き布の継ぎ目部分であり接合不良のある (1) 樹脂層内部の気泡の占める割合を求めた結果劣部分であったが接着していない部分が観察でき化が進につれ気泡は増えている様子が把握でき不良箇所の検出もできることが分かった視覚的にはとらえることが難しかったものでも -12-

13 画像処理などで数値化することにより変化をよ参考文献り明確に把握できるようなることが分かった 1) (11) 曲げ試験に適用した結果欠陥のある製品と正常な製品では破壊の形態が異なる様子を可視化す 2) ることができた (12) 様々な繊維補強材料でX線CT撮影を行うと繊維 3) とマトリックス材料との密度差が大きければ鮮大谷順椋木俊文菊池喜昭 X 線 CT 用を用いた気泡混合処理土の物性評価土木学会論文集 C No.652 pp 天明敏行堤知明村上祐治尾原祐三 X 線 CT 法によるコンクリート供試体の非破壊検査コンクリート工学年次論文集 vol.25 No.1 pp 菊池喜昭水谷崇亮永留健畠俊郎マイクロフォーカスX線CTスキャナの地盤工学への適用性の検討明な画像を取得できるが差が小さい場合はやや港湾空港技術研究所資料第1125号 26 不鮮明になる 4) (13) ゴム引き布を撮影した場合繊維は比較的よく観高木幹雄下田陽久新編画像解析ハンドブック東京大学出版会 21 察できることが確認され内部の欠陥部分も観察 5) できることが分かった Soille,P. Moephological Image Analysis:Principles and Applications,Springer-Vellag Berlin Heidelberg New York,

14 NEW EVALIATION METHOD OF DETERIORATION OF CUNSTRUCTION MATERIALS Budged Grants for operating expenses General account Research Period FY Research Team Material and Geotechnical Engineering Research Group (Advanced Materials) Author NISHIZAKI Itaru, NITTA Hiroyuki Abstract: This research was studied to develop the new method to estimate degradation of the construction material using X-ray computed tomography. Asphalt mixture and fiber reinforced plastic were chosen from the construction materials. As the result, in an analysis of asphalt mixture, the ratio of the aggregates blend and the air void were calculated by X-ray CT. Movement of the coarse aggregate was observed., when asphalt mixture was flowing, In an analysis of fiber reinforced plastics, An increased air bubble as well as degradation were observed. When breaking by a bend, stripping inside FRP was also observed. Keywords: X-ray CT, materials for asphalt pavement, fiber reinforced plastics, evaluation of deterioration -14-

コンクリート工学年次論文集 Vol.32

コンクリート工学年次論文集 Vol.32 論文 X 線 CT 法による硬化コンクリートの特性評価天明敏行 *1 尾原祐三 *2 堤知明 *3 *4 村上祐治要旨 :X 線 CT 法を用いて硬化コンクリートの特性評価を行う場合, 骨材, モルタル, 空隙などに分けて, それぞれの比率や密度の情報を把握することが有効な手段となる特にモルタルの密度に関する情報はコンクリートの特性の指標となる水セメント比や単位セメント量などに関係が深く, コンクリートの配合を推定できる可能性が考えられる