土木技術資料 55-2(2013) 特集：土木材料の信頼性向上に向けて X線CTスキャナを用いたアスファルト 混合物内部の品質評価手法の開発 聡 ＊ 西崎 谷口 1．はじめに 1 到 ＊＊ 大谷 ターンテーブル 現 在 、 X線 CT(Computed Tomography)ス キ ャ 順 ＊ ＊＊ 供試体 回転 ナは医療用のみならず、金属、自動車、航空、電 X線発生器 X線検出器 気・電子等に関わる材料や製品の非破壊検査等に 使用されている。土木材料においても品質評価や 水平移動 X線 破壊メカニズムの解明等を行う有効な手段として 期待される。 図-1 X線CTの原理 土木研究所では熊本大学と連携してアスファル ト 混 合 物 の X線 CTに よ る 評 価 研 究 を 実 施 し て い ボクセル る。今回、アスファルト量及び混合物種類の異な る マ ー シ ャ ル 安 定 度 試 験 用 供 試 体 を 用 い て X線 X線 CTによる品質評価の研究を実施した。CT画像に X線被照射部 (立体図) 供試体 よ る ア ス フ ァ ル ト 混 合 物 内 の 状 況 の 把 握 及 び CT X線被照射部 (平面図) 値を用いた品質評価を実施した結果について報告 する。 図-2 2．X線CT ボクセルの概念 2.2 ボクセル 図 -2に 示 す よ う に CT画 像 を 構 成 す る 最 小 要 素 2.1 X線CTの原理 本研 究で用いた産 業用X線 CTスキ ャナ(写真 -1) は 「 ボ ク セ ル 」 と 呼 ば れ る 2) 。 こ れ は 、 2次 元 画 は医療用とは異なり、X線発生器及び検出器が固 像におけるピクセルにX線ビーム厚を加えたもの 定され、供試体が回転する機構となっている(図- である。ボクセルはピクセルと同様、画像の濃淡 1) 1) 。 X線 CTの 原 理 は 、様 々 な方 向 から 「影 絵 」 等を示す情報を持っている。 を 測 定 し 、 PCで デ ジ タ ル 処 理 を 施 す こ と に よ り 2.3 CT値 供試体内部の各点のX線吸収係数（単位長さあた 式 (1)で 示され る CT値は ボク セルが 持つ画 像の りのX線吸収量）を連立方程式で解き、それを画 濃淡等の情報を数値化したものである 1) 。CT値は 像の濃淡で表示する。X線吸収係数は密度の高い 密度の高い材料ほど大きく、密度の低い材料ほど 材料ほど大きく、密度の低い材料ほど小さい傾向 小さくなる傾向がある。 が あ る た め 、 CT画 像 の 濃 淡 は 供 試 体 の 密 度 の 違 CT値 = K いを表すことができる。 X線発生部 µ − µw µw 式(1) こ こ に 、 µ ： X線 吸 収 係 数 、 µw ： 水 の X線 吸 収 係 X線検出部 数、 K ：定数（通常、 K =1,000） ア ス フ ァ ル ト 混 合 物 の CT値 は 、 X線 の 吸 収 を もとに算出され、吸収量は骨材、アスファルト＋ 石 粉、空隙 の構成 比によっ て変化す る 3) 。す なわ 写真-1 ち 、 骨 材 の 量 が 多 け れ ば X線 の 吸 収 は 大 き く 、 X線CTスキャナ（熊本大学） ──────────────────────── Quality evaluation of asphalt mixture using X-ray CT scanner CT値 も 大 き く な り 、 空 隙 の 量 が 多 け れ ば X線 の 吸収量は小さく、CT値も小さくなる。 － 22 － 土木技術資料 55-2(2013) 表-2 総面積：S＝S1＋S2＋S3＋S4 頻度 15°C密度(g/cm 3 ) 25°C針入度(0.1mm) 軟化点(°C) 60°C粘度(Pa·s) 180°C動粘度(mm 2 /s) 粗骨材：S4 細骨材：S3 アスファルト＋石粉：S2 空隙：S1 -1000 T1 T2 T3 0 表-3 2000 CT値 図-3 No. アスファルト混合物における Pタイル法の概念 表-1 アスファルトの性状 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 実験計画表 混合物の アスファル アスファルト量(%) 種類 トの種類 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 密粒度 ストアス ① ② ③ ④ ⑤ 粗粒度 ストアス ⑥ ポーラス PMA H ⑦ ①～⑦：実験番号 密粒度：密粒度アスファルト混合物 粗粒度：粗粒度アスファルト混合物 ポーラス：ポーラスアスファルト混合物 ストアス：ストレートアスファルト PMA H：ポリマー改質アスファルトH型 空隙 6.5 5.6 4.0 3.6 1.9 4.8 18.8 体積率(%) アスファル 細骨材 ト＋石粉 14.1 15.3 16.6 18.0 19.0 15.4 13.2 32.2 32.1 32.2 32.3 32.1 19.3 7.7 X-ray 51.2mm 40.9mm 30.6mm 20.3mm 10.0mm 図-4 2.4 しきい値 を 特 定 す る た め に は 、 CT値 の し き い 値 を 設 定 す PMA H 1.024 66 89.2 1.42x10 5 542 アスファルト混合物の体積率と密度 58.7mm 46.4mm 34.3mm 21.5mm 10.0mm アスファルト混合物の出力画像から素材の構成 ストアス 1.041 65 47.6 1.94x10 2 71 粗骨材 密度 (g/cm 3 ) 47.2 47.0 47.2 47.1 47.0 60.5 60.3 2.349 2.360 2.388 2.393 2.398 2.381 2.024 X-ray X線照射位置 4．X線CT撮影 る必要がある。今回のアスファルト混合物のX線 供試体は円柱状であり、直径はマーシャル安定 CT撮 影 に お い て は 、 各 素 材 の 体 積 率 が 既 知 で あ 度 試 験 用 の も の と 同 じ 101.6mm、 高 さ は 密 粒 度 、 るためPタイル法 4) を用いた。 粗 粒 度 が 68.7mm、 ポ ー ラ ス が 61.2mmで あ っ た 。 図-3は典型的な密粒度アスファルト混合物のヒ X線CT撮影はX線管電圧300kV、ビーム厚1mm、 ス ト グラ ムで ある 。 Pタイ ル 法は 図-3中 の混 合 物 ボ ク セ ル サ イ ズ 0.073×0.073×1mm 3 で 実 施 し た 。 の空隙、アスファルト＋石粉、細骨材、粗骨材の また、X線照射位置は図-4のとおり設定した。 面 積 比 率 ( S 1 /S～ S 4 /S )と 、 撮 影 さ れ た ア ス フ ァ ル なお、供試体の撮影は初めにアスファルト量を ト混合物供試体の空隙、アスファルト＋石粉、細 変 化 さ せ た 供 試 体 No.① ~⑤ に つ い て 実 施 し 、 次 骨材、粗骨材の体積比率が同じになるようにしき にアスファルト量が5%のNo.②、⑥、⑦の二度に い値を決定する方法である。具体的な計算手法に 分けて実施した。 ついては谷口らの文献 3)を参照されたい。 5．結果と考察 3．アスファルト混合物 中 央 断 面 (密 粒 度 及 び 粗 粒 度 ＝ 34.3mm,ポ ー ラ 今回の試験では、表-1に示す実験計画表に基づ ス ＝ 30.6mm)の CT画 像 を 図 -5に示 す。 CT画 像は き、密粒度アスファルト混合物(以下、密粒度)、 アスファルト混合物内部の骨材の形状や空隙の分 粗粒度アスファル混合物(以下、粗粒度)、ポーラ 布を鮮明に表すことができる。また、アスファル スアスファルト混合物(以下、ポーラス)について ト量が増加するにしたがって空隙(色の濃い部分) 実施した。今回用いたアスファルトの性状を表-2 が減少する様子や、混合物の種類の違いを鮮明に に、混合物の空隙、アスファルト＋石粉、細骨材 表すことができる。 及び粗骨材の体積率と密度を表-3に示す。 － 23 － 土木技術資料 55-2(2013) No.1(ｱｽﾌｧﾙﾄ量=4.5%) No.2(ｱｽﾌｧﾙﾄ量=5.0%) No.3(ｱｽﾌｧﾙﾄ量=5.5%) No.4(ｱｽﾌｧﾙﾄ量=6.0%) No.5(ｱｽﾌｧﾙﾄ量=6.5%) a) 第一回試験(No.1～5) No.2(密粒度ストアス) No.7(ポーラス) No.6(粗粒度ストアス) 1800 600 CT 値 b) 第二回試験(No.2,6,7) 図-5 CT画像(中央断面) ボクセル数 2000 T3 (細骨材/粗骨材) 2000 As=6.5% As=6.0% As=5.5% As=5.0% As=4.5% 3000 T2 (アスファルト＋石粉/細骨材) T1 (空隙/アスファルト＋石粉) 1500 CT 値 1000 As=アスファルト量 500 1000 0 -1000 4.5 0 6.0 6.5 アスファルト量(%) 1000 CT値 図-6 5.5 5.0 図-7 アスファルト量が変化した場合のしきい値 (5断面平均) アスファルト量が変化した場合の CT値ヒストグラム (5断面平均) 5.1 アスファルト量の変化 アスファルト量が変化した場合の5断面平均CT 値のヒストグラムを図-6に示す。これより、アス アスファルト量 ＝4.5% ファルト量の増加に伴って双峰性が明確に現れる ことが確認できる。また、アスファルト量の増加 空隙 に伴って、CT値が約1,000より小さい部分のボク 細骨材 セル数が少なく、CT値が1,000より大きい部分の 図-8 ボクセル数が多くなる傾向にある。 2.4に よ り 計 算 さ れ た ア ス フ ァ ル ト 量 が 変 化 し た 場 合 の 5断 面 平 均 し き い 値 を 図 -7に 示 す 。 し き い 値 1( T 1 )は ア ス フ ァ ル ト 量 5.0%に ピ ー ク に 達 し 、 し き い 値 2( T 2 )は ア ス フ ァ ル ト 量 の 増 加 と と も に 増 加 す る 傾 向 が あ り 、 し き い 値 3( T 3 )は ア ス フ ァ アスファルト量 ＝5.5% アスファルト量 ＝6.5% アスファルト＋石粉 粗骨材 アスファルト量が変化した場合の 四値化画像 (中央断面) 図-8は図-7のしきい値をもとに作成した中央断 面の四値化画像である。この画像から、アスファ ルト量の増加に伴って空隙の領域が減少し、アス ファルト＋石粉の領域が増加することがわかる。 ルト量が変化してもほとんど一定である。 － 24 － 土木技術資料 55-2(2013) 混合物の種類が変化した場合の中央断面におけ 密粒度 3000 る 四 値 化 画 像 を 図 -10に 示 す 。 密 粒 度 は 小 さ な 空 ボクセル数 粗粒度 隙が点在している一方、粗粒度は所々に大きな空 ポーラス 隙が存在している。ポーラスは細骨材がほとんど 2000 なく、粗骨材がアスファルトによって結合されて いる様子がわかる。 1000 6．まとめ X線 CT撮 影 に よ り 得 ら れ た CT画 像 お よ び 四 値 -1000 1000 0 2000 化画像は空隙、アスファルト、骨材の分布を表現 CT値 図-9 で き る こ と が わ か っ た 。 ま た 、 CT値 ヒ ス ト グ ラ 混合物の種類が変化した場合の CT値ヒストグラム ムは、混合物の特性を顕著に表すことができた。 X線 CTは ア ス フ ァ ル ト 混 合 物 の 品 質 評 価 に 非 常 に有効な手段であると考えられる。今後は、プラ ントコアと現場コアの比較等、現場におけるアス ファルト混合物の品質評価の検討を行っていく予 定である。 密粒度 粗粒度 空隙 1） 大 谷 順 、 尾 原祐 三 、 菅原 勝彦 、 椋 木 俊 文： 地 盤 工 学 に おけ る産 業 用 X線 CTス キ ャ ナー の適 用 、土と 基礎、第48巻、第2号、pp.17～20、2000. 2） 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、港湾空港技術研究所資料第1125号、2006. 3） 谷 口 聡 、小 川慧 一 郎、 大 谷順 、 西 崎到 ： X線 CTを 用 い た ア ス フ ァ ル ト 舗 装材料 の 定 量 的 評 価 に 関 す る研究、土木学会論文集E1（舗装工学）、第67巻、 第3号、2011. 4) 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、2001 アスファルト＋石粉 細骨材 図-10 参考文献 ポーラス 粗骨材 混合物の種類が変化した場合の四値化画像 5.2 混合物の種類の変化 混合物の種類が変化した場合の5断面平均CT値 のヒストグラムを図-9に示す。密粒度の場合とは 異 な り 、 粗 粒 度 、 ポ ー ラ ス 共 に -1,000~-800付 近 でピークが発生しており、空隙の影響が顕著に出 たものと考えられる。また、密粒度にあった双峰 性 が 、 粗 粒 度 、 ポ ー ラ ス に 行 く に し た が っ て CT 値 が 1,200付 近 、 す な わ ち 細 骨 材 の ピ ー ク が 崩 れ る傾向がある。 谷口 聡* 独立行政法人土木研究所つくば 中央研究所材料資源研究グルー プ新材料チーム 主任研究員 Satoshi TANIGUCHI 西崎 到** 独立行政法人土木研究所つくば 中央研究所材料資源研究グルー プ新材料チーム 上席研究員、 博(工) Dr. Itaru NISHIZAKI － 25 － 大谷 順*** 熊本大学大学院自然科学研究科 社会環境工学専攻、Ph.D、教授 Prof. Jun OTANI
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