Strain visualization directed by light and color, toward to Structural damage monitoring of universal design

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25709036
• Research Institution: Public Works Research Institute
• Principal Investigator: 百武 壮 国立研究開発法人土木研究所, その他部局等, 研究員 (30468871)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 土木材料 / 機能材料 / 可視化

Outline of Annual Research Achievements

構造部材にかかる応力、ひずみを発光像として二次元視覚化できるモニタリングシステムを検討している。(1)ひずみの履歴が残るため対象の新設・既設を問わない。(2)特別な装置が不要、安価で簡便に設置でき、劣化判断が誰にでも容易である。(3)高い感度と空間分解能でリアルタイムにひずみを視覚化できる。などの特長を持つ。前年度までに実現できたひずみ情報と発光による可視化方法を高度化するために発光微粒子と反射微粒子の分布を発光像から解析した。色素を含む粒子の重量が、色素を含まない粒子よりも大きくなることから成膜時の結晶成長スピードに勾配ができ、膜内の色素含有粒子分布が自己組織的に偏るものと考えられる。発光を担う色素含有粒子層と反射を担う微粒子層が混在した場合と比較して、ひずみに対して発光の変化が増大することが観察できた。また、発光波長と計測側のフィルター波長を選択することでひずみ感度が向上することを見出した。色素の発光、粒子間距離の変化によるブラッグ回折波長シフト、を詳細に分析し、計測カメラ側のバンドパスフィルターの波長をシフトさせながら観測することで計測器側での感度向上も見込まれることがわかった。また、実用を鑑みて、耐候性と施工性を検討したところ、これまでに作製した発光型のひずみ可視化シートでは紫外線劣化が速く屋外環境における耐候性が不足していることがわかった。色素が吸収する波長とポリスチレンが吸収する波長は異なるが、それぞれ単独の場合よりも紫外線分解が加速し、粒子内の色素とポリスチレン間におけるエネルギー移動によるラジカル発生が考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

発光によるひずみの可視化を画像計測でき、計測波長を選択することでひずみ感度が向上することを見出したが、ポリスチレン粒子と発光色素の組み合わせでは紫外線による分解が観測された。粒子を無機材料に変更する方法とトップコートによって保護する方法を検討することで耐久性の向上を図る。

Strategy for Future Research Activity

発光型の無機粒子について、これまで同様の成膜方法が可能か検討する。粒径の均質さとエラストマーとの屈折率の違いがひずみ感度に影響するため、注意深く選択する必要がある。一方で、これまで同様のポリスチレンに色素を含浸させた成膜方法にトップコートを積層することで耐候性の向上が見込まれる。両方を検討し、1年間の研究期間中に促進試験で耐久性向上を確認する。

Causes of Carryover

発光/反射微粒子の分布を解析するため、色素含浸ポリスチレン微粒子を用いたひずみ可視化実験を進めていたが、当初の予想に反し、当該微粒子の耐候性が低下する問題が生じることが明らかとなった。研究遂行上、この問題の解決が不可欠であることから、耐光性の高い発光材料やトップコートによる検討をする必要が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

無機材料やトップコートの材料の購入、網羅的に成膜条件を再検討するための実験補助員の人件費を計上した。