広報活動

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2016年11月1日

理化学研究所
土木研究所
科学技術振興機構

中性子によるコンクリート内損傷の透視

-非破壊検査法でインフラ利用者の安全を守る-

ポイント

要旨

理化学研究所(理研)光量子工学研究領域中性子ビーム技術開発チームの大竹淑恵チームリーダー、土木研究所構造物メンテナンス研究センターの石田雅博上席研究員らの共同研究チームは「理研小型中性子源システムRANS(ランズ)[1]」を用いて、コンクリート内の空隙(くうげき)および水に対する反射中性子[2]後方散乱中性子[2])を利用する非破壊検査法を開発しました。

コンクリートの劣化には水が影響します。例えば、自動車や人などの荷重を受け止める橋の床版(しょうばん)[3]では、雨水や荷重の影響により、アスファルト舗装の下のコンクリート上面でひび割れや土砂化が発生し、コンクリート塊の抜け落ちに至ったケースも報告されています注1)。床版などは利用者を直接支える部材であることから、第三者の被害を防ぐためには、予防保全的なメンテナンスが必要です。

理研では、インフラ構造物の非破壊検査にも利用できる小型中性子源システムRANSを開発しています。しかし、従来想定していた透過中性子による測定では、レントゲン撮影のように中性子源と検出器で測定対象を挟み込む必要があり、測定可能な状況が限られていました。そこで共同研究チームは、後方散乱中性子を用いる手法を開発しました。この手法では検出器を中性子源と測定対象の間に設置し、入射した中性子が検出器に戻ってくるまでの時間と量の変化を計測することで、コンクリート内の水分や空洞の分布を観察します。したがって中性子源と検出器で挟み込めない道路橋の床版や、空港の滑走路、トンネル壁の非破壊検査に適用できます。

実証実験では厚さ方向に中性子を入射し内部構造を計測しました。その結果最大で30cm奥にある水に見立てたアクリルブロックや空洞の位置を二次元分布で特定しインフラ構造物の非破壊検査法として適用できることを実証しました。

今後、インフラ構造物付近へ持ち込み可能な「可搬型加速器中性子源」の開発とともに、測定時間短縮のための検出器改良や計測の最適化を行いコンクリート内劣化損傷の検出能力の向上を目指します。

本研究成果は、土木学会鋼構造委員会の第9回道路橋床版シンポジウム(11月1~2日)にて発表され、同シンポジウム発行の論文報告集に掲載されます。本研究の一部は、内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)「インフラ維持管理・更新・マネジメント技術(藤野陽三プログラムディレクター)」(管理法人:科学技術振興機構)、文部科学省「光・量子融合連携研究開発プログラム」の支援を受けて実施しました。

注1) 藤原英之:「道路橋コンクリート床版の「土砂化」に関する調査報告」,J-BECレポート,pp.11-17,vol.10,2014.

※共同研究チーム
理化学研究所 光量子工学研究領域
光量子技術基盤開発グループ 中性子ビーム技術開発チーム
チームリーダー 大竹 淑恵 (おおたけ よしえ)
特別研究員 池田 義雅 (いけだ よしまさ)
研究員 水田 真紀 (みずた まき)
上級研究員 須長 秀行 (すなが ひでゆき)

土木研究所 構造物メンテナンス研究センター 橋梁構造研究グループ
上席研究員 石田 雅博 (いしだ まさひろ)
主任研究員 大島 義信 (おおしま よしのぶ)
研究員 吉田 英二 (よしだ えいじ)

背景

橋の床版(しょうばん)や空港の滑走路などは他の部材と違い、コンクリート表面にアスファルト舗装が敷設されています。そのため、舗装面下で劣化が進行し、更新が必要なほどの大きなものとなってようやく内部損傷が発見されることもあります。舗装面下で起こる劣化は、利用者による動的荷重(疲労)に降雨による水の影響が加わることでさらに進行します。床版ではコンクリート上面の層状の水平ひび割れや土砂化の発生、コンクリート塊の抜け落ちに至るケースも報告されています。また、空港舗装においては、コンクリートとアスファルト層間の空隙に水蒸気圧が高まるブリスタリング現象[4]などの局所突発的な損傷の検知が課題となっています。これらの部材は利用者を直接支える部材であることから、第三者被害を防ぐためには予防保全的なメンテナンスが必要です。

そこで共同研究チームは、舗装面下で進行するコンクリートの劣化状況を路面側から知る非破壊検査に、中性子が利用できないか検討してきました注2)。中性子はシリコンやカルシウムなどの元素を多く含む媒体に対する透過力が高く、比較的深部まで入り込みます。同時に水素、リチウム、ホウ素といった軽元素に対して相互作用が強く、水や有機物などに感度が高いといった利点があります。そのため、舗装面のアスファルトを透過して、コンクリート内の水分の有無や分布を測定するのに適しています。

しかし、従来想定していた透過中性子による測定では、レントゲン撮影のように中性子源と検出器で対象を挟み込む必要があり、地面と接していない橋などに利用可能な状況が限られました(図1a、図2左)。そこで研究チームは、検出器を中性子源と測定対象の間に設置し後方散乱中性子を用いて測定する手法の開発を目指しました(図1b、図2右)。

注2)2013年9月9日プレスリリース「小型中性子源システムで鋼材内部腐食を非破壊で可視化することに成功

研究手法と成果

放射線はその線種やエネルギーによって透過率や反応率が異なるため、目的に応じた適切な選定が必要です。また、放射線の測定に用いる検出器も、それぞれ測定できるエネルギー範囲や測定効率が異なります。RANSは、エネルギーが最大5メガ電子ボルト(MeV、1MeVは100万電子ボルト)の中性子を入射し、弾性散乱[5]を繰り返して10meV(1,000分の1eV)まで広く分布します。そのため、内部の情報を得るために適切なエネルギー範囲や反射タイミングを、既に測定されている各原子核と中性子の反応断面積テーブルを用いた放射線輸送計算[6]によるシミュレーションから予測し、インフラ構造物の測定のために適切な検出器と測定法を選定しました。

計算の結果、0.1MeVを超える中性子が、コンクリート内部での散乱を経て0.2eV以下までエネルギーを失う場合、内部の水や空洞の有無によってその量が変化すること、そして、その変化は入射から0.05~1ミリ秒(ms、1msは1,000分の1秒)の間で反射してくる中性子に特に強くみられることが予測されました。この中性子の反射タイミングと量をコンクリート表面の位置ごとに計測することで、内部の水分分布をみることができると考えました。

そこで、共同研究チームはRANSを用いて実証実験を行いました。整備床版上面に生じた劣化損傷を想定し、図3に示す厚さ6cmのコンクリートに空隙または水に見立てたアクリルブロックを挟んだサンプルについて、厚さ方向に中性子を入射し内部の構造を計測しました。アクリルは水に近い水素密度を持つため、測定での見え方も水に近くなります。

結果は図4に示すように、コンクリート板下で位置が異なるアクリル部や空隙部を捉えることができました。これにより路面から6cm下の水または空隙の二次元分布の非破壊測定が可能であることを示しました。

また、厚さ10cmのコンクリートより下にある厚さ5mmのアクリルブロック、厚さ30cmのコンクリートの下にある厚さ55mmのアクリルブロックについても、本研究と同様の手法で検出することに成功しています。

今後の期待

本手法が舗装面下のコンクリートの損傷を検知する非破壊検査法の一つとなる可能性が示されました。この手法は、中性子源と検出器で挟み込めない道路橋の床版や、空港の滑走路、トンネル壁の非破壊検査に適用できます。

今後、中性子源を実際のインフラ構造物付近へ持ち込むための「可搬型加速器中性子源」の開発とともに、測定時間短縮のための検出器改良や計測の最適化を行い、コンクリート内劣化損傷の検出能力の向上を目指します。続いて、社会実装開発へ向けた実証機開発フェーズへと進む計画です。

原論文情報

  • 池田義雅、大竹淑恵、栁町信三、橋口孝夫、水田真紀, "小型中性子源による床版内部の水・空隙非破壊観察技術", 第9回道路橋床版シンポジウム論文報告集

発表者

理化学研究所
光量子工学研究領域 光量子技術基盤開発グループ 中性子ビーム技術開発チーム
チームリーダー 大竹 淑恵 (おおたけ よしえ)

土木研究所 構造物メンテナンス研究センター
上席研究員 石田 雅博 (いしだ まさひろ)

大竹チームリーダーの写真 池田特別研究員の写真 石田上席研究員の写真

共同研究チームのメンバー。
左から、理化学研究所中性子ビーム技術開発チームの大竹チームリーダー、池田特別研究員、土木研究所構造物メンテナンス研究センターの石田上席研究員

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
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jstkoho [at] jst.go.jp(※[at]は@に置き換えてください。)

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補足説明

  1. 理研小型中性子源システムRANS(ランズ)
    理研が開発し現在高度化を行っている普及型の小型中性子源システムで、中性子ビームが2013年1月に取り出された。J-PARCに代表される大型中性子源より手軽な装置として、中性子線利用に適した金属材料や軽元素を扱うものづくり現場への普及を目指している。また、小型な可搬型加速器中性子源と大面積全天候型高速中性子イメージング検出器の開発も進めている。これらと強度予測シミュレーション全体を有機的に組み合わせた、橋梁などの大型構造物非破壊検査健全性診断システムを確立することを最終目標としている。RANSは、RIKEN Accelerator-driven Neutron Source の略称。
    関連動画:科学のフロンティア17 中性子が拓く日本のものづくり~小型中性子源の研究開発ドキュメント~
  2. 反射中性子、後方散乱中性子
    中性子線は物質中の原子核と弾性散乱を起こしてエネルギーと運動方向を変化させる。サンプルに入射した中性子のうち,一回もしくは複数回の散乱を経て最終的にサンプル入射面から放射される後方散乱中性子(反射中性子)と呼ぶ。
  3. 床版(しょうばん)
    床版とは、自動車や人などの荷重を直接受ける部材。橋の上を通る車両の重みを橋桁や橋脚に伝える。これによって走行性に支障をきたすような変形を起こさず、荷重を主桁などに伝えている。材料には、コンクリートや鋼、または、これらを合成したものが用いられている。
  4. ブリスタリング現象
    太陽の日射によって舗装体の温度が高くなることで、上部舗装体の内部に含まれた水分が蒸発し、その蒸気圧により舗装体を持ち上げる現象。
  5. 弾性散乱
    分子、原子、原子核、素粒子などが互いに衝突するとき、これら粒子の内部状態になんらの変化も残さずに、進行方向を変えたり、運動エネルギーのやりとりだけを行う現象。
  6. 放射線輸送計算
    物質に入射する放射線の種類、入射時の運動量、運動エネルギーから、その後の運動や相互作用の様子を計算すること。力学計算と確率計算を組み合わせて行う。

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透過中性子と後方散乱中性子による測定法の違いの図

図1 透過中性子と後方散乱中性子による測定法の違い

透過中性子を用いる測定では、測定対象を透過した中性子を検出する必要があるため、測定対象を中性子源と検出器で挟む必要がある(a)。後方散乱中性子を用いる測定では測定対象の後方に散乱(反射)する中性子を検出するため、中性子源と検出器で測定対象を挟む必要はなくなる。

中性子による橋の非破壊検査法のイメージ図

図2 中性子による橋の非破壊検査法のイメージ

車両に積み込んだ可搬型加速器中性子源から中性子を入射する。橋を透過した中性子を車両からのアームによって橋の下に設置された検出器で検出する透過型に対し、後方散乱(反射)型は中性子源と測定対象の間に設置した検出器で、反射して戻ってくる中性子を測定する。車両からのアームが不要となるため、当初の想定では不可能だった空港の滑走路やトンネル壁の計測が可能となる。

実験セットアップの図

図3 実験セットアップ

(a)は実験で使用したサンプルの全体図。(b)は(a)中のA-A断面図。(C)は(a)中のB-B断面図。実験ではアクリルまたは空隙の位置を、検出器に対して水平方向に変えながら非破壊測定を行った。

後方散乱中性子強度比によるアクリルまたは空隙の判別結果の図

図4 後方散乱中性子強度比によるアクリルまたは空隙の判別結果

(a):実証実験は、アクリルまたは空隙を検出器と水平方向に5cmずつずらしながら非破壊計測を行った。
(b):PSD(検出器)で検出される後方散乱中性子の強度は、周囲のコンクリートと比べてアクリルは高く、空隙は低くなるため、アクリル(黒枠)と空隙(赤枠)をコンクリート区別して捉えることができる。

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