JP2005164257A - コンクリート構造物の劣化判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート構造物の硫酸腐食環境下でのエトリンガイトと硫酸カルシウムによる浸食・劣化を予測計算する場合における浸食の判定手法の提供。
【解決手段】本発明は、コンクリート構造物の硫酸腐食環境における劣化の進行を有限要素法により予測計算する場合における各要素の劣化判定方法であって、
各要素ごとに、
硫酸と水酸化カルシウムによる硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張と、
硫酸カルシウムと三酸化アルミニウムとによるエトリンガイトの生成反応における体積膨張とを合計し、
合計膨張量が空隙量を越えたとき、
当該要素は浸食されてコンクリート構造物から剥離したものと判定することを特徴とするものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コンクリート構造物の硫酸腐食環境における劣化の進行を予測計算する技術に関連するものである。

コンクリートの耐久性低下による早期劣化の問題がマスコミを騒がせてから既に２０年が過ぎようとしている。この間、塩分およびコンクリートの中性化による内部鉄筋の腐食現象に対しては精力的な研究が行なわれ対策方法および劣化予測手法が確立されてきている。（例えば、特許文献１、２、３参照）

特開２００２−３４０７８２号公報 特開２００３−００４７２７号公報 特開２００３−２２２６２２号公報

また、コンクリート構造物の耐久設計や維持管理計画には種々の環境作用に対してコンクリートの劣化程度の予測が必要になってきた。そのような中で、土木学会コンクリート標準示方書が平成１１年度に仕様規定型から耐久性照査型に改定され塩害、中性化に関して性能照査方法が明記された。しかしながら、コンクリートの化学的腐食に関する記述はされていない。
硫化水素によるコンクリートの腐食は、主に下水道施設に顕著に表れ早急な対策が必要になっている。しかし耐久性照査に結びつく研究事例は塩害・中性化に比較して非常に少ない。

そのような下水道施設のコンクリートの劣化は硫酸腐食環境下での劣化であり、下水中に含まれる蛋白質が微生物により硫化水素を経て硫酸に分解されるために発生する。硫酸腐食環境におけるコンクリート構造物の劣化形態は、塩害・中性化の劣化とは異なり、化学的侵食による断面欠損および硫酸の浸透やコンクリートの中性化による鉄筋腐食が考えられる。侵食による断面欠損はコンクリートの主要な成分である水酸化カルシウムおよび珪酸カルシウムが硫酸との反応により硫酸カルシウムを生成することによるものである。この硫酸カルシウムは容易にコンクリート表面から剥離する。また、硫酸濃度が低い場合には硫酸カルシウムが三酸化アルミニウムと反応しエトリンガイトを生成する。エトリンガイトは針状結晶をなし反応の進行とともに結晶成長圧によって膨張を引き起こし最終的にはコンクリートを膨張破壊させる。
このようにして進行するコンクリート構造物の劣化を有限要素法を用いて予測計算する場合に、各要素において、硫酸カルシウムやエトリンガイトの生成がどのような段階になったときに、当該要素が浸食されたものと判定するかという判定基準が求められていた。

そこで、本発明は、コンクリート構造物の微細空隙が、硫酸カルシウムやエトリンガイトの生成反応によって埋めつくされた時点で、その要素は浸食されたもの判定するようにした有限要素法によるコンクリート構造物の劣化判定方法を提案するものである。

本発明の請求項１の発明は、
コンクリート構造物の硫酸腐食環境における劣化の進行を有限要素法により予測計算するコンクリート構造物の劣化判定方法であって、
各要素ごとに、
硫酸と水酸化カルシウムによる硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張と、
硫酸カルシウムと三酸化アルミニウムとによるエトリンガイトの生成反応における体積膨張とを合計し、
合計膨張量が空隙量を越えたとき、
当該要素は浸食されてコンクリート構造物から剥離したものと判定することを特徴としている。
そして、請求項２の発明は、
コンクリート構造物の硫酸腐食環境における劣化の進行を有限要素法により予測計算するコンクリート構造物の劣化判定方法であって、
各要素ごとに、
以下の手順１−１、１−２、１−３によって硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張を計算する処理と、
以下の手順２−１、２−２によってエトリンガイトの生成反応における体積膨張を計算する処理と、
以下の手順３によって、コンクリート構造物から剥離したとみなす要素を判定する処理とを含んでいることを特徴としている。
手順１−１；珪酸カルシウム濃度と水酸化カルシウム濃度の合計Ｃ_STを計算する。
手順１−２；前記合計濃度の初期濃度Ｃ_S0に対する変化割合
（Ｃ_S0−Ｃ_ST）／Ｃ_S0を計算する。
手順１−３；前記変化割合に硫酸と水酸化カルシウムによる硫酸カルシウムの生成 反応における体積膨率ｅ_SHを乗算して、硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張を計算する。
手順２−１；アルミン酸三石灰の濃度Ｃ_ATの初期濃度Ｃ_A0に対す る変化割合
（Ｃ_A0−Ｃ_AT）／Ｃ_A0を計算する。
手順２−２；前記変化割合に、硫酸カルシウムと三酸化アルミニウムとによるエト リンガイトの生成反応における体積膨張率ｅ_EHを乗算して、エトリンガイトの生成反応における体積膨張を計算する。
手順３；体積膨張の合計がコンクリートの空隙率μ_CSを越えたとき、当該要素は浸食されてコンクリート構造物から剥離したものと判定する。
請求項２の発明において、
前記手順２−１、２−２によってエトリンガイトの生成反応における体積膨張を計算する処理を行ってから、
前記手順１−１、１−２、１−３によって硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張を計算する処理を行うようにしてもよいことは当然である。

本発明の請求項１のコンクリート構造物の劣化判定方法によれば、
各要素において、硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張と、エトリンガイトの生成反応における体積膨張との合計膨張量が空隙量を越えたときに、当該要素は浸食されてコンクリート構造物から剥離したものと判定するので、確実な予測計算が可能となった。
そして、請求項２の発明によれば、
各要素において、
硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張と、エトリンガイトの生成反応における体積膨張との合計が、コンクリートの空隙率を越えたとき、当該要素は浸食されてコンクリート構造物から剥離したものと判定するので、確実な予測計算が可能となった。

以下に、本発明にかかるコンクリート構造物の劣化判定方法を、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明の有限要素法によるコンクリート構造物の劣化判定方法では、硫酸腐食によるコンクリートの劣化の全体的なメカニズムを以下のように解析して予測計算を行う。
セメント水和物はアルカリ環境下では比較的安定しているが、酸性環境下におかれると不安定になり分解する。硫酸腐食環境下でのコンクリートの劣化は下記に示すような順序で進むと言われている。

（１）硫化物の生成（硫酸イオンの還元）
下水中に含まれる硫酸イオン（蛋白質）は嫌気性条件下で硫酸塩還元細菌の作用に より硫化水素に還元される。

（２）硫化水素への空気中への放散
下水中の硫化水素は下水より気相中に放出される。

（３）硫化水素の酸化
気相中に放出された硫化水素はコンクリート壁面付着水（結露、飛沫水）の中で再溶解 し好気性条件下で硫黄酸化細菌により硫酸に酸化される。

（４）硫酸によるコンクリートの腐食
硫酸はコンクリート中の水酸化カルシウム、珪酸カルシウム水和物（C-S-H）と反応し て硫酸カルシウムを生成する。

この硫酸カルシウムは、低ｐH領域ではパテ状になり簡単にコンクリート表面から剥離するので、コンクリート表面が削られることになる。また、高ｐＨ領域ではセメント硬化体中のアルミン酸三酸化カルシウムと反応して、式８の右辺のエトリンガイトを生成し硫酸をコンクリート硬化体中に固定する。

（５）エトリンガイトの分解
コンクリートが中性化すると二酸化炭素と反応して硫酸イオンを細孔溶液中に溶出する。したがって、硫酸による化学的腐食の場合はエトリンガイトを介して硫酸の濃縮・遊離が行なわれると指摘されている。

本発明の方法では、硫酸腐食環境下での劣化予測のために以下のようにモデル化した。
（１）硫酸によるコンクリートの腐食劣化に関係する化学物質は、二酸化炭素（Ｃ_CO）、硫酸（Ｃ_HS）、硫酸カルシウム（二水石膏Ｃ_CS）、水酸化カルシウム（Ｃ_CA）、珪酸カルシウム水和物（C-S-H Ｃ_CH）、エトリンガイト（Ｃ_ET）、アルミン酸三石灰（Ｃ_AL）の７種類と仮定する。
（２）硫酸による化学的腐食は腐食物質がコンクリート内に拡散しセメント水和物と反応することによって起こり、拡散はFickの第２法則に従い反応は１次反応である仮定する。
（３）二酸化炭素、硫酸および硫酸カルシウムは拡散する物質として取り扱い、他の化学的物質はコンクリート中に固定され移動しないものとする。
（４）複塩であるエトリンガイトはコンクリートが中性化すると二酸化炭素と反応し炭酸カルシウム、アルミン酸および硫酸カルシウムに分解し硫酸イオンが細孔溶液中に溶出する。このことから、化学的腐食のモデル化では硫酸カルシウムを模擬的に弱い拡散を示す物質として仮定する。各化学的物質の濃度変化を式８〜式１３に示す。

（５）式８は二酸化炭素の濃度変化を示したもので、雰囲気中の二酸化炭素の拡散浸透および水酸化カルシウムおよびエトリンガイトとの反応により消費される。また式８の右辺代３項のエトリンガイトによる二酸化炭素との反応はコンクリートが中性化するまで、すなわち水酸化カルシウムが消失するまでは発生しないと仮定する。
以上の仮定において、硫酸の濃度変化を式９に示した。ここでは、拡散浸透項に水酸化カルシウムおよび珪酸カルシウム水和物との反応項で考慮した。また右辺第４項はエトリンガイトと炭酸ガスの反応により硫酸カルシウムを生成する項であるが、生成された硫酸カルシウムは硫酸イオンを細孔溶液中に溶出するため、式９の硫酸の濃度変化を表す式に付け加えた。

式１０は硫酸カルシウムの濃度変化を表している。式１０には拡散項が考慮されているがコンクリート表面からの拡散浸透を考慮しない。式１０の右辺第２項および第３項は硫酸と水酸化カルシウム、硫酸と珪酸カルシウム水和物の反応により硫酸カルシウムの生成項である。右辺第４項はアルミン酸三石灰と硫酸カルシウムとの反応によるエトリンガイトの生成による硫酸カルシウムの減少を表す項である。
式１１〜式１３は化学的な反応により濃度が変化するが拡散による移動はないと仮定できる。式１１は水酸化カルシウムの濃度変化を示し、二酸化炭素および硫酸との反応による減少量を示している。式１２も同様に硫酸との反応により珪酸カルシウム水和物の減少量を表している。

式１３のエトリンガイトは硫酸カルシウムとアルミン酸三石灰の反応による増加量と、二酸化炭素との反応による減少量で評価し、式１４のアルミン酸三石灰の濃度変化とは対称となる。

ここに
二酸化炭素 ：Ｃ_CO
硫酸 ：Ｃ_HS
硫酸カルシウム ：Ｃ_CS
水酸化カルシウム ：Ｃ_CA
珪酸カルシウム水和物 ：Ｃ_CH
エトリンガイト ：Ｃ_ET
アルミン酸三石灰 ：Ｃ_AL
各物質の反応速度定数
硫酸と水酸化カルシウム Ｋ_A
硫酸と珪酸カルシウム Ｋ_B
二酸化炭素と水酸化カルシウム Ｋ_C
硫酸カルシウムとアルミン酸三石灰（エトリンガイトの生成） Ｋ_D
二酸化炭素とエトリンガイト（エトリンガイトの分解） Ｋ_E

式８〜式１４をガラーキン法により定式化し連立させて解く。解析方法の概要を図１に示す。
硫酸環境下でのコンクリートは表面から硫酸および二酸化炭素がコンクリート内に拡散浸透する。
二酸化炭素はコンクリート中の水酸化カルシウム、硫酸は水酸化カルシウムおよび珪酸カルシウム水和物と反応し炭酸カルシウムおよび硫酸カルシウムを生成する。
この硫酸カルシウムは低ｐＨ領域では容易にコンクリートから脱離する。この脱離は、本発明においては、コンクリートの空隙と硫酸カルシウムの膨張率、および後述するエトリンガイトの膨張率で評価し、空隙が硫酸カルシウムおよび後述するエトリンガイトの膨張で消失したとき発生するものとする。反応生成物の脱離による硫酸拡散境界の移動は要素を削除することにより行なう。

また、高ｐＨ領域では生成された硫酸カルシウムによる空隙が消失しない。しかし、硫酸カルシウムとアルミン酸三石灰が反応しエトリンガイトが生成され、エトリンガイトの濃度が高くなればその膨張圧によりコンクリートは破壊される。
また、エトリンガイトが生成された部分においてコンクリートが中性化していればエトリンガイトは二酸化炭素と反応し、再び硫酸カルシウムを遊離し、溶出した硫酸は拡散現象によりコンクリートの深部へ移動し、アルミン酸三石灰と反応しエトリンガイトを生成するものとする。したがって、エトリンガイトを介して硫酸イオンの濃縮・遊離が表現する。

本発明のコンクリート構造物の劣化判定方法で用いるモデルにおける硫酸によるコンクリートの剥離を模式的に図２に示す。コンクリートのセメント水和物はアルミン酸三石灰、水酸化カルシウムおよび珪酸カルシウム水和物であると仮定する。また、図２に示すようにコンクリートの空隙が存在するものとする。そして、本発明の有限要素法によるコンクリート構造物の劣化判定方法では、セメント水和物は硫酸と反応し硫酸カルシウムおよびエトリンガイトを生成し、それらの物質がコンクリートの空隙を埋めると仮定し、空隙が埋め尽くされるとコンクリートは侵食されたと判断する。
解析では、この判定を要素ごとに行い空隙が埋め尽くされた要素をモデルから削除して侵食量を求める。
要素の削除、すなわちコンクリートの脱離（浸食）の判定は、膨張量/細孔空隙量Ｐ_Jが１を越えた段階で行なう。式１５を適用し要素の削除に関する判定を行う。

ここに
ｅ_SH ： 珪酸カルシウムと水酸化カルシウムと硫酸の反応における膨張率
Ｃ_S0 ： 珪酸カルシウムと水酸化カルシウム濃度の合計の初期値
Ｃ_ST ： ある時刻における珪酸カルシウムと水酸化カルシウム濃度の合計
ｅ_EH ： アルミン酸三石灰と硫酸カルシウムとの反応における膨張率
（エトリンガイトの生成による膨張）
Ｃ_A0 ： アルミン酸三石灰の初期濃度
Ｃ_AT ： ある時刻におけるアルミン酸三石灰の濃度
μ_CS ： コンクリートの空隙率
なお、要素の削除、すなわちコンクリートの脱離（浸食）の判定は、膨張量/細孔空隙量Ｐ_Jが１を越えた段階で行なうことに代えて、前記式１５を変形することによって、膨張量が細孔空隙量を越えた段階で行うこともできることは当然である。

図３に本発明のモデルにおける解析フローを示して説明する。
図３のステップＳ１においては、下水・汚泥からの硫酸の生成を計算する。ステップＳ２においては、硫酸と水酸化カルシウムからの硫酸カルシウムの生成を計算する。
このとき、前記式１５における右辺の第1項を以下のように計算する。即ち、その時点における珪酸カルシウム濃度と水酸化カルシウム濃度の合計Ｃ_STを計算する。そして、前記合計濃度の初期濃度Ｃ_S0に対する変化割合（Ｃ_S0−Ｃ_ST）／Ｃ_S0を計算する。さらに、前記変化割合に硫酸と水酸化カルシウムによる硫酸カルシウムの生成反応における体積膨率ｅ_SHを乗算して、硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張量（以下「体積膨張」）を計算する。ステップＳ２を通過する度に前記体積膨張を計算して累算し、コンクリートの空隙率に対する割合を計算する。
ステップＳ３においては、要素ごとのｐＨ値を計算する。ステップＳ４においては、要素のｐＨ値を予め設定されたｐＨ値限界値と比較して、前記ｐＨ値限界値を越えている場合にはステップＳ５へ進み、越えていない場合にはステップＳ６へ進む。
ステップＳ５においては、当該要素を削除し、硫酸カルシウムによる浸食量としてカウントする。
ステップＳ６においては、硫酸カルシウムとアルミン酸三石灰よりエトリンガイトを生成する計算をする。ステップＳ７においては、要素ごとに、エトリンガイト濃度を計算する。ステップＳ７においては、前記式１５の右辺の第２項を以下のように計算する。即ち、その時点におけるアルミン酸三石灰の濃度Ｃ_ATを計算し、初期濃度Ｃ_A0に対する変化割合（Ｃ_A0−Ｃ_AT）／Ｃ_A0を計算する。さらに、前記変化割合に、硫酸カルシウムと三酸化アルミニウムとによるエトリンガイトの生成反応における体積膨張率ｅ_EHを乗算して、エトリンガイトの生成反応における体積膨張を計算する。さらに前記体積膨張をステップＳ７を通過する度に計算して累算し、コンクリートの空隙率に対する割合を計算する。
ステップＳ８においては、エトリンガイト濃度をエトリンガイト限界値と比較して、前記エトリンガイト限界値を越えている場合にはステップＳ９へ進み、越えていない場合にはステップＳ１０へ進む。
なお、ステップＳ８においては、ステップＳ２で計算した、硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張の累算値の、コンクリートの空隙率に対する割合（前記式１５の右辺の第１項）と、ステップＳ７で計算した、エトリンガイトの生成反応における体積膨張の累算値の、コンクリートの空隙率に対する割合（前記式１５の右辺の第２項）との和を、１と比較し、１を越えている場合には、ステップＳ９へ進み、越えていなければステップＳ１０へ進む。
前記式１５の評価をステップＳ４でも行っても良いが、硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張率はエトリンガイトの生成反応における体積膨張率より極めて小さいためステップＳ８における評価だけで十分である。

ステップＳ９においては、当該要素を削除し、エトリンガイトによる浸食量としてカウントする。
ステップＳ１０においては、エトリンガイトと二酸化炭素が反応して硫酸イオンを生成する計算を行なう。
ステップＳ１１においては、時間経過を進め、ステップＳ１から繰り返す。
このようにして、所定の時間経過に相当する回数繰り返して、ステップＳ５における浸食量と、ステップＳ９における浸食量とを合計して、前記所定の時間経過後の劣化を予測する。

実施例１
次に、実施例１の解析ケースと解析条件を説明する。
硫酸環境下でのコンクリートの腐食劣化に関係する化学物質の分子量を表１に示す。解析ケースと解析条件を表２に示す。
硫酸のモル濃度(mol/l)とｐＨの関係を表２、図４および図５に示す。硫酸の解離度を0.317として算定した。
そして、硫酸の拡散係数とコンクリートの水セメント比との関係を図６に示す。また、硫酸腐食環境下でのコンクリートの劣化予測にはコンクリートの空隙量が重要なパラメータとなる。セメント水比とコンクリート強度の関係が比例関係にあることから、空隙量もセメント水比と比例関係にあると仮定して、水セメント比と細孔空隙量の関係を図７に示す。

図７の結果は式１６から求めた結果である。

コンクリート硬化時のセメント水和物の割合を、表３に示すように仮定した。
解析に適用するセメント水和物は、表４に示した量に対して水和反応率を乗じた量とする。今回の検討では水和反応率を０.８とした。
解析ケースを表４に示す。パラメータはコンクリート表面の硫酸濃度と水セメント比で硫酸濃度はｐＨ１〜５、水セメント比（Ｗ／Ｃ）を４０、５５、７０％とした。また、配合の単位水量は１８５ｋｇと仮定したため単位セメント量は４６０ｋｇ、３３６ｋｇおよび２６４ｋｇである。

次に、解析結果を説明する。
（１） コンクリート表面の侵食量
表４および表５に示した解析条件における硫酸腐食によるコンクリート表面の侵食深さと中性化深さを表６に示す。計算刻みは５日とし解析時間は３０年で、３０年後の結果である。また、コンクリート表面の侵食深さを算定するときの要素削除条件にエトリンガイトの膨張圧を考慮する場合としない場合について比較した。
コンクリート表面の硫酸濃度がｐH１〜３までは水セメント比が大きくなるにしたがって侵食速度は小さくなっている。また、ｐH１、水セメント比４０％の場合、エトリンガイトの膨張圧を考慮した場合、侵食速度はしない場合に比較して１.５倍（１３．２１／８．３１）の速度になっている。

また、ｐH１は強酸のレベルで実際の下水道施設の条件とは若干異なるが８．３１年で１９．８０ｃｍコンクリート表面が侵食される結果となった。また、硫酸濃度ｐH３、水セメント比４０％の場合エトリンガイトの膨張圧を考慮しない場合は侵食は発生しないが、膨張圧を考慮すると表面から４.８ｃｍ侵食される結果となった。
また、ｐH４,５,６ではコンクリート表面の硫酸による腐食は表れていない。

コンクリート表面の硫酸濃度がｐH１、ｐH２で、エトリンガイトの膨張圧を考慮した場合のコンクリート表面からの侵食深さの経年変化を図８に示す。
ｐＨが小さい程（酸性が強い）また、また水セメント比が小さい程コンクリート表面の侵食深さは大きくなる傾向が表れている。水セメント比が小さいコンクリートはコンクリート中の空隙量が小さく、さらに環境からコンクリート内部に浸透した硫酸と反応するセメント水和物が豊富に存在するため、反応生成物の膨張圧等によりコンクリートの侵食深さが大きくなっている。

図９は、図８の結果と比較するためにエトリンガイトの膨張圧を考慮しない場合のコンクリート表面の侵食深さを示したものである。侵食速度はエトリンガイトの膨張圧を考慮しない場合の約１/２となっている。また、ｐＨ２では水セメント比が４０％の場合のみコンクリート表面が侵食される結果となっており、下水道構造物の劣化状況から考えると、図９の侵食深さは若干現実と異なっている。
図１０はコンクリート表面の硫酸濃度がｐＨ１で水セメント比が４０，５５，７０％におけるコンクリートの侵食深さで、エトリンガイトの膨張圧の有無により侵食深さが相当異なっている。

次に水酸化カルシウムの減少量から求められる中性化深さの比較を図１１に示す。
水酸化カルシウムの減少量は二酸化炭素および硫酸との反応による減少量を加算したものである。水セメント比が７０％、コンクリート表面のｐＨが２の場合３０年で中性化深さが５.１ｃｍに達している。コンクリート標準示方書から計算される中性化深さ１.５ｃｍと比較すると約３.５倍となっている。
コンクリート表面のｐＨが２の場合、水セメント比が小さい場合はコンクリート表面の侵食が早くなり、水セメント比が大きい場合は中性化が非常に早くなっている。したがって、ｐＨが小さい硫酸環境下ではコンクリートの劣化は表面の侵食が表れなくても中性化が進行している可能性があり鉄筋の発錆によるコンクリートの劣化が予測できる。
また、ｐＨ３程度の硫酸環境下では中性化は通常の中性化より若干早くなる傾向が表れている。
なお、Ｃａｓｅ２２，２３の場合の計算結果を図１２〜１５に示した。
以上のように、本発明によれば、コンクリート構造物の劣化を予測計算することができるのである。

実施例２
次に、コンクリート構造物の表面を補修した場合の劣化予測方法を説明する。
硫酸劣化に対する断面修復の補修方法を図１６に示す。表面被覆は前述した方法と同様である。断面修復による補修は侵食されたコンクリート表面からある深さまで既設のコンクリートを撤去しその上に補修材を設ける。また、補修は補修効果を持続させるため補修材により部材断面厚さの変化を考慮できるように設定した。

実施例２の解析条件と解析結果を以下に説明する。
（１）解析条件
補修した場合の解析条件を表７に示す。既設コンクリートは水セメント比が４０％で硫酸はｐＨ１の場合である。また、硫酸腐食に対して、拡散係数は中性化、塩害に比較して重要なパラメータとはならないが、今回の検討では補修材としては既設のコンクリートと同様な材料を適用し拡散係数を既設コンクリートの１/１００として設定した。
また、補修は新設時から２年および５年後に行い、１年後の補修は１ｃｍ、５年後の補修は３ｃｍ全体の部材厚を大きくした。
（２）解析結果
断面修復により補修した場合のコンクリート表面の侵食深さを図１７に示す。計算において新設時のコンクリート表面を原点としコンクリート表面から深さ方向を正としているため、負の部分は補修により新設時の部材厚が大きくなったことを意味している。
図１７より、補修しない場合は約８年で２０ｃｍまでコンクリートが侵食されているが補修を２年および５年で施工すると２０年後で約１１ｃｍとなっている。

（３）結論
硫酸腐食環境下でのコンクリートの劣化予測を目的として硫酸および二酸化炭素の拡散モデルにエトリンガイト、二水石膏、アルミン酸、水酸化カルシウムおよび珪酸カルシウムとの反応モデルを組み込んだ形で化学的腐食に関する劣化予測モデルを構築した。また、化学的腐食の最も特徴であるコンクリート表面の剥離・剥落は二水石膏およびエトリンガイトの膨張とコンクリート空隙からモデル化した。硫酸環境下での劣化予測モデルから次のことが結論付けられる。
（１）コンクリート表面の硫酸腐食による侵食（剥離・剥落）はコンクリート表面のｐＨが小さい程、水セメント比が小さい程大きくなる。
（２）（１）の結果は水セメント比とコンクリートの空隙量から水セメント比が小さい程コンクリートの空隙が少なくなること、反応生成物の量が多くなることから類推できる。
（３）ｐＨ４以上の硫酸環境化ではコンクリート表面の侵食現象は現れない。
（４）しかしながら、硫酸環境下では水酸化カルシウムの減少から求められる中性化現象は促進され、コンクリート表面には劣化現象は表れないが中性化による鉄筋の発錆による劣化が促進される。
このようにして、本発明によれば、コンクリート構造物の表面を補修した場合の予測計算もできるのである。

本発明にかかるコンクリート構造物の劣化判定方法を用いたコンクリート構造物の劣化予測計算方法の概要を説明する説明図である。 本発明のコンクリート構造物の劣化判定方法におけるコンクリート構造物の表面の浸食・劣化のモデルを説明する説明図である。 本発明のコンクリート構造物の劣化判定方法を用いた解析手順を示したフローチャートである。 硫酸のモル濃度とｐＨ値の関係を示す図である。 ｐＨ値と硫酸のモル濃度の関係を示す図である。 水セメント比と硫酸の拡散係数の関係を示す図である。 水セメント比と空隙（細孔量）の関係を示す図である。 実施例１におけるエトリンガイトの膨張圧を考慮した場合の浸食深さの変化を示す図である。 実施例１におけるエトリンガイトの膨張圧を無視した場合の浸食深さの変化を示す図である。 実施例１におけるエトリンガイトの膨張圧を考慮した場合と無視した場合の浸食深さの変化を示す図である。 実施例１における中性化深さ変化を示す図である。 実施例１においてエトリンガイトを考慮した場合の各成分の計算結果を示す図である。 実施例１においてエトリンガイトを考慮した場合の各成分の計算結果を示す図である。 実施例１においてエトリンガイトを無視した場合の各成分の計算結果を示す図である。 実施例１においてエトリンガイトを無視した場合の各成分の計算結果を示す図である。 実施例２における予測計算の概要を説明する説明図である。 実施例２におけるコンクリート表面の浸食深さの変化を示す図である。 実施例２において補修をしなかった場合の各成分の濃度分布の計算値の経時変化を示す図である。 実施例２において補修をした場合の各成分の濃度分布の計算値の経時変化を示す図である。

Claims (2)

1. コンクリート構造物の硫酸腐食環境における劣化の進行を有限要素法により予測計算するコンクリート構造物の劣化判定方法であって、
   各要素ごとに、
   硫酸と水酸化カルシウムによる硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張と、
   硫酸カルシウムと三酸化アルミニウムとによるエトリンガイトの生成反応における体積膨張とを合計し、
   合計膨張量が空隙量を越えたとき、
   当該要素は浸食されてコンクリート構造物から剥離したものと判定することを特徴とするコンクリート構造物の劣化判定方法。
   
2. コンクリート構造物の硫酸腐食環境における劣化の進行を有限要素法により予測計算するコンクリート構造物の劣化判定方法であって、
   各要素ごとに、
   以下の手順１−１、１−２、１−３によって硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張率を計算する処理と、
   以下の手順２−１、２−２によってエトリンガイトの生成反応における体積膨張率を計算する処理と、
   以下の手順３によって、コンクリート構造物から剥離したとみなす要素を判定する処理とを含んでいることを特徴とするコンクリート構造物の劣化判定方法。
   
   手順１−１；珪酸カルシウム濃度と水酸化カルシウム濃度の合計Ｃ_STを計算する。
   手順１−２；前記合計濃度の初期濃度Ｃ_S0に対する変化割合
   （Ｃ_S0−Ｃ_ST）／Ｃ_S0を計算する。
   手順１−３；前記変化割合に硫酸と水酸化カルシウムによる硫酸カルシウムの生成 反応における体積膨率ｅ_SHを乗算して、硫酸カルシウムの生成反応における体積膨張率を計算する。
   
   手順２−１；アルミン酸三石灰の濃度Ｃ_ATの初期濃度Ｃ_A0に対する変化割合
   （Ｃ_A0−Ｃ_AT）／Ｃ_A0を計算する。
   手順２−２；前記変化割合に、硫酸カルシウムと三酸化アルミニウムとによるエト リンガイトの生成反応における体積膨張率ｅ_EHを乗算して、エトリンガイトの生成反応における体積膨張率を計算する。
   
   手順３；体積膨張率の合計がコンクリートの空隙率μ_CSを越えたとき、当該要素は浸食されてコンクリート構造物から剥離したものと判定する。