ニュース - 花崗岩部品の健全性における熱赤外線イメージングと応力解析

ZHHIMG®は、ナノメートル単位の精度を誇る花崗岩部品の製造を専門としています。しかし、真の精度とは、初期の製造公差にとどまらず、材料自体の長期的な構造的完全性と耐久性を包含するものです。花崗岩は、精密機械の基盤に使用される場合でも、大規模な建設に使用される場合でも、微小な亀裂や空隙などの内部欠陥の影響を受けやすい性質があります。これらの欠陥は、環境による熱応力と相まって、部品の寿命と安全性に直接影響を及ぼします。

これには、高度な非侵襲的評価が必要です。熱赤外線（IR）イメージングは、花崗岩の非破壊検査（NDT）において極めて重要な手法として登場し、内部の状態を迅速かつ非接触で評価する手段を提供します。熱応力分布解析と組み合わせることで、単に欠陥を発見するだけでなく、それが構造安定性に及ぼす影響を真に理解することが可能になります。

熱を見る科学：赤外線イメージングの原理

熱赤外線イメージングは、花崗岩の表面から放射される赤外線エネルギーを捉え、それを温度マップに変換することで機能します。この温度分布は、その背後にある熱物理的特性を間接的に明らかにします。

原理は単純明快です。内部欠陥は熱異常として作用します。例えば、亀裂や空隙は熱の流れを阻害し、周囲の健全な材料との温度差を検知可能な形で生じさせます。亀裂は熱の流れを遮断する冷たい筋として現れる場合があり、一方、多孔質領域では熱容量の違いにより局所的な高温領域が現れる場合があります。

超音波検査や X 線検査などの従来の NDT 技術と比較して、IR イメージングには次のような明確な利点があります。

高速で広範囲のスキャン: 1 枚の画像で数平方メートルをカバーできるため、橋梁や機械ベッドなどの大規模な花崗岩コンポーネントの迅速なスクリーニングに最適です。
非接触かつ非破壊: この方法では物理的な結合や接触媒体は必要なく、コンポーネントの本来の表面に二次的な損傷がまったく発生しません。
動的モニタリング: 温度変化のプロセスをリアルタイムでキャプチャできるため、熱によって引き起こされる潜在的な欠陥の発生を特定するのに役立ちます。

メカニズムの解明：熱応力理論

花崗岩部品は、周囲温度の変動や外部荷重により、必然的に内部熱応力を生じます。これは熱弾性の原理によって決まります。

熱膨張の不一致：花崗岩は複合岩石です。内部の鉱物相（長石や石英など）はそれぞれ異なる熱膨張係数を持っています。温度が変化すると、この不一致によって不均一な膨張が生じ、引張応力または圧縮応力が集中する領域が形成されます。
欠陥拘束効果：亀裂や気孔などの欠陥は、本質的に局所的な応力の解放を拘束し、隣接材料に高い応力集中を引き起こします。これは亀裂伝播の加速剤として作用します。

このリスクを定量化するには、有限要素解析（FEA）などの数値シミュレーションが不可欠です。例えば、典型的な昼夜サイクルのように20℃の温度変動が周期的に生じると、垂直亀裂を含む花崗岩のスラブは15MPaに達する表面引張応力を受ける可能性があります。花崗岩の引張強度は10MPa未満であることが多いため、この応力集中は時間の経過とともに亀裂の成長を引き起こし、構造劣化につながる可能性があります。

エンジニアリングの実践：保存に関するケーススタディ

最近行われた古代の花崗岩柱の修復プロジェクトにおいて、赤外線画像法を用いて中央部に予期せぬ環状の冷帯を発見しました。その後の掘削調査により、この異常は内部の水平方向の亀裂であることが確認されました。

さらなる熱応力モデリングが開始されました。シミュレーションの結果、夏の高温時に亀裂内の引張応力のピーク値が12MPaに達し、材料の限界を危険なほど超えることが明らかになりました。必要な修復措置は、構造を安定化させるための精密エポキシ樹脂注入でした。修復後のIR検査では、温度場が大幅に均一化していることが確認され、応力シミュレーションでは熱応力が安全な閾値（5MPa未満）まで低減されたことが検証されました。