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超小型非破壊検査装置「中性子塩分計RANS-μ」を開発~鉄筋腐食に対するインフラの予防保全に貢献~

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2021-10-14 理化学研究所,オリエンタル白石株式会社

理化学研究所(理研)光量子工学研究センター中性子ビーム技術開発チームの若林泰生研究員、大竹淑恵チームリーダー、高村正人上級研究員、オリエンタル白石株式会社の大石龍太郎常務執行役員、渡瀬博所長らの共同研究チームは、超小型の非破壊検査装置「中性子塩分計RANS-μ(ランズ-マイクロ)」を開発しました。

本研究成果は、沿岸や山間部にある橋(橋梁)のように塩害[1]を受けるコンクリート構造物の検査技術として利用でき、落橋などの重大な事故を未然に防ぎ、橋梁の長寿命化を可能とするインフラ予防保全に貢献するものと期待できます。

これまでの塩害の劣化診断では、構造物に穴を開けてコンクリートを採取する必要があり、採取箇所が制限される、多数検体の測定が難しいなどの課題がありました。

今回、共同研究チームは、カリフォルニウム-252(252Cf)中性子線源[2]を利用し、橋梁点検車に搭載可能で、コンクリート構造物内の腐食発生限界塩分濃度1.2kg/m3を計測可能になる技術の開発に成功しました。透過能力の高い中性子と、中性子と反応後発生するガンマ(γ)線を利用することで、コンクリート表面から鉄筋が存在する深さ3~7cmまでの塩分を非破壊で検出可能になります。

本研究成果は、日本コンクリート工学会『中性子線を用いたコンクリートの検査・診断に関するシンポジウム』(9月27日)において発表し、同シンポジウム論文集に掲載されました。

橋梁点検車に搭載した「中性子塩分計RANS-μ」による塩分測定の概念図

背景

沿岸や山間部の橋(橋梁)などのコンクリート構造物では、海水や凍結防止剤に含まれる塩化物イオン(Cl)の浸透により、鉄筋が腐食する塩害が深刻化しています。腐食は構造物内部の鉄筋の断面積を減少させる上、周囲のコンクリートをひび割れさせ、落橋などの重大事故につながる恐れがあります。このような事故を未然に防ぐために、構造物の劣化診断の必要性がますます高まっています。また、劣化診断を行い、腐食が始まる前に補修できれば、コストの削減や橋梁の長寿命化にもつながります。

従来の塩害の劣化診断では、現場で採取したコンクリートを用いて、構造物表面から鉄筋付近までのかぶりコンクリート(一般的に厚さ3~7cm)に、どのように塩分が分布しているか(塩分濃度分布)を測定し、鉄筋の腐食状態を予測します。この方法は、測定精度は高いものの、構造物に穴を開けてコンクリート試料を採取するため、部分的な破壊を伴い、採取箇所も制限されることから、多くの検査は難しいという課題があります。

そこで研究チームは、透過能力の高い中性子線とその後発生するガンマ(γ)線を利用することで、コンクリート表面から7cmまでのかぶりコンクリート中の塩分濃度分布を非破壊で測定する装置の早期実用化を目指し、開発を進めています。

中性子線を試料に照射すると、試料中の元素(原子核、同位体[3])と反応してγ線が発生します。この特徴を利用した分析法を「中性子誘導即発γ線分析法[4]」といいます。中性子と試料中の特定の元素が反応すると、複数の特有のエネルギーを持ったγ線(即発γ線)が反応率と元素の量に応じた特有の量(γ線強度)で放出されます。中性子誘導即発γ線分析法では、この即発γ線を検出し、そのエネルギーおよび強度から、試料内に存在する元素の同定と定量を行います。

これまで、研究チームでは中性子誘導即発γ線分析法を利用し、非破壊でコンクリート構造物の深さ方向の塩分濃度分布を評価する技術を開発してきました。この方法では、コンクリート表面から深さ方向に中性子線を照射し、コンクリート表面近くに設置したゲルマニウム半導体検出器(Ge検出器)により、コンクリート内部で発生したγ線を検出します。中性子が到達してγ線を発生する深さが異なると、発生したγ線のエネルギーに依存して、コンクリート中から表面までの透過率が異なるため、検出器に到達するγ線の量(強度)が異なることを利用した「γ線強度比較法[5]」により、どの深さで生じたγ線かを推定します。

また、中性子ビームの入射範囲とコンクリート内部から放出されるγ線の検出範囲を限定し、特定の深さからのγ線のみを検出する「コリメート法[6]」と組み合わせ、コンクリート内部の塩分濃度分布を測定できることを示しました(図1)。これらの手法は、「理研小型中性子源システムRANS(ランズ)[7]」を用いて、原理実証実験を行うことで、その実現可能性を示しました注1-3)

塩分濃度分布の非破壊測定手法の原理実証実験セットアップの例の図

図1 塩分濃度分布の非破壊測定手法の原理実証実験セットアップの例

セットアップでは、γ線を検出するGe検出器1(およびコリメート用鉛ブロック)は、2層目をのぞくように配置し、Ge検出器2は1層目をのぞくように配置した。塩分調整したコンクリートプレートを、コンクリートの特定の深さに塩分があった場合の模擬として、1~3層目に設置した。1層目に設置した場合は、2層目と3層目は、塩分がない状態とした。検出部周りの鉛ブロックおよびLiF(フッ化リチウム)タイルは、それぞれバックグラウンドγ線および中性子を遮蔽するために用いている。

注1)若林泰生, 吉村雄一, 水田真紀, 大竹淑恵, 池田裕二郎,”小型中性子源および即発ガンマ線を用いたコンクリート構造物内塩分濃度分布の非破壊診断技術の開発”,日本材料学会 コンクリート構造物の補修、補強、アップグレード論文報告集, Vol.17, pp. 659-664 (2017).

注2)2018年10月25日プレスリリース「中性子によるコンクリート内塩分の非破壊測定

注3)Y. Wakabayashi, C. Iwamoto, M. Mizuta, T. Hashiguchi, Y. Yoshimura, Y. Ikeda, and Y. Otake,”DEVELOPMENT OF A NONDESTRUCTIVE DIAGNOSTIC TECHNIQUE FOR SALT DISTRIBUTION IN CONCRETE STRUCTURES USING NEUTRON AT RANS”, Advances in Construction Materials, Proceedings of ConMat20, pp.1882-1892, (2020).

研究手法と成果

現在、共同研究チームでは、加速器中性子源を用いた「車載型小型加速器中性子源[8]」の開発・実用化に取り組んでいます。今回は、加速器中性子源と比べると中性子強度は落ちるものの、軽量で小さく取扱いが容易な、放射能が3.75メガベクレル(MBq、1MBqは100万ベクレル)以下のカリフォルニウム-252(252Cf)中性子線源(表示付認証機器[9])を用いて、既存の橋梁点検車両に搭載可能な「中性子塩分計RANS-μ(ランズ-マイクロ)」を開発しました。

まず、252Cf線源を用いた塩分検出能力の検証、および252Cf線源を含まないRANS-μの重量・サイズを再現したモックタイプ[10]を作製し、橋梁点検車両への搭載試験を行いました。具体的には、塩分濃度を0kg/m3、3kg/m3、6kg/m3に調整した厚さ3cmのコンクリートプレートを用意し、遮蔽体で囲った252Cf線源を用いて中性子を入射し、中性子誘導即発γ線分析を行いました(図2)。γ線検出器(Ge検出器)はこれまで使用したものと同じです。

測定に用いたコンクリートプレートの設置の組み合わせは、①1層目3kg/m3+2層目6kg/m3(図2に示す状態)、②1層目3kg/m3+2層目0kg/m3、③1層目0kg/m3+2層目3kg/m3です。本測定では、3.75MBq以下の252Cf線源を用いて、塩分濃度3kg/m3が検出可能かどうかを確認し、1.2kg/m3を検出するために必要な条件の検証が目的です。

カリフォルニウム-252(252Cf)中性子線源を用いた塩分測定セットアップの図

図2 カリフォルニウム-252(252Cf)中性子線源を用いた塩分測定セットアップ

測定に用いたGe検出器は図1におけるGe検出器2と同じものである。252Cf線源をポリエチレン、鉛で囲い、Ge検出器側はさらにLiF(フッ化リチウム)タイルと鉛を設置した。コンクリートの特定の深さに塩分があった場合の模擬として、3cm厚のコンクリートプレートを設置した。測定に用いたコンクリートプレートの組み合わせは、1層目3kg/m3+2層目6kg/m3、1層目3kg/m3+2層目0kg/m3、1層目0kg/m3+2層目3kg/m3である。検出部周りの鉛ブロックおよびLiFタイルは、それぞれバックグラウンドγ線および中性子を遮蔽するために用いている。

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