JP2005530920A - 湿気を帯びて湿った海洋構造物における補強材腐食のカソード防食の方法 - Google Patents

Abstract

半乾燥の湿気のある湿ったコンクリート海洋構造物において腐食を防止し、それと闘う方法が記載されており、当該方法は、永続的に保護されるべき構造物の表面に対して、不活性な電導性の材料が、固定を中間の接触を確立する吸湿性の材料に押し付けることによって、固定されていることを含み、コンクリート中の補強材と固定した不活性な電導性の材料との間に、永続的に電圧が印加される。

Description

本発明は、半乾燥の湿気を帯びて湿った海洋構造物における補強材の腐食に対するカソード防食(cathodic protection)の方法に関する。

塩水／海水中に位置する補強コンクリートの海洋構造物は、特に腐食を受けやすい。これは、塩水からの塩化物がコンクリート中に浸透し、補強材の腐食を引き起こし、結果として耐荷重能力の損失を引き起こすという事実による。含まれる構造物はしばしば波止場、橋などであるので、このような耐荷重能力の損失は、非常に重大である。腐食は、構造物の寿命を劇的に短くし、非常に高い維持コストをもたらすであろう。

一般にコンクリート、およびまたコンクリート海洋構造物において腐食を防止することができる方法を見出すために広範な研究がなされた。本発明が一例であるカソード防食に加えて、再アルカリ化及び塩化物の除去もまた使用されてきた。再アルカリ化及び塩化物の除去は、共通して非常に多くの特徴を有する：そのプロセスは、持続時間が限定されており、典型的には２〜６週間であり、塩化物が十分な程度まで除去された時、又はコンクリートが再アルカリ化されていると考えられる時、終了する。カソード防食の間に使用されるよりも概して数十倍強い、比較的強い電流が使用される。更に、それが作用するのはコンクリートであって（カソード防食の場合のように）実際のスチール補強材ではないので、表面全体が処理されなければならない。

塩化物の除去が終了したとき、しばしば、特殊の塗料又は膜を使用することによって、塩化物の再浸透に対して表面が保護される。

再アルカリ化及び塩化物の除去とは異なって、カソード防食（ＣＰ）は、永続的なシステムであり、これは、一旦設置されると、数十年間活性のままであることが期待される。このプロセスでは、塩化物はコンクリート中に残り、一方、スチール補強材は、永久電場中で分極されることによって、腐食に対して保護される。それが作用するのはスチール補強材であるので、保護を提供するために、構造物全体を被覆する必要はない。

本発明が基いている問題を解決するためになされた努力の幾つかの例が以下の文献に記載されている。
米国特許第5,296,120号は、再アルカリ化又は塩化物の除去のためのシステムを記載する。このシステムは、シート又はマットの形態であり、巻き上げられることができ、実質的に非平面の表面で使用される。マットは、セルロース繊維内に配置されている電解質を含む。この電解質の目的の一つは、塩化物イオンをコンクリートから外に輸送することである。塩化物の抽出及び再アルカリ化の間に、アルカリ成分として、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属の水酸化物がしばしば使用される。このシステムは、海水で湿った海洋構造物において使用される場合、長時間にわたっては有効ではなく、処理後にこの海洋構造物中に新しい塩化物イオンが浸透し、部分的には、これらの露出した表面は、塩化物非浸透性被覆で容易に被覆され得ないからである。

該システムはまた、塩化物イオンを受け取るためのリザーバーが表面全体にわたって存在しなければならないので、処理されるべき表面全体を被覆しなければならない。

基本的に同様である１つのシステムは、GB-A-2279664に記載されている。再アルカリ化は、この文献にも記載されている。

前述の２つの文献とは異なって、Solomonら、Corrosion Science(1993),Vol.35,No.5-8 ss1649-1660は、ＣＰに基く解決法を記載する。コンクリート表面は、電気伝導性テープと、混合金属酸化物で被覆されたチタンメッシュからなるアノードと、で被覆されている。この文献によれば、このシステムは、橋のパイルおよび柱において使用され、ここで、層は、例えばストラッピングの手段によって、柱の表面に固定され得る。実際に、このシステムは、例えば、波止場の下側において使用することができず、ここでは取り付けが不可能であろう。しかし、問題がしばしば最も大きいのは、これらの表面においてである。

伝統的に、印加電圧を用いたＣＰの間、アノード材料は、コンクリート中に配置される。それは、コンクリート本体中に切り込まれた多数のスロットに挿入されるか、多数のプラグが、短い中央距離であけられた穴の中に挿入されるか、又は、ショットクリートの手段によって、補強材の保護が必要な領域全体にわたって、金属ワイアメッシュがコンクリートの表面にコンクリートで固められる。近年、表面上に散布又は噴霧される液体アノードシステムが開発された。陽極としての選択されたアノードと陰極としての補強材との間に、直流電流が印加される。このタイプの解決法の共通の特徴は、腐食する補強材にできるだけ近くに、しかし補強材に接触すること（これは、短絡を引き起こし、それゆえ、その領域での補強材の腐食に対する保護を破壊するであろう）なく、アノードを配置するように、あらゆる努力がなされなければならないことである。上記研究は、専門家の研究としてみなされ、ここで、上記のような否定的な副作用を避けるために、設置は注意深くモニターされ、品質が確保されなければならない。

一般的に、波止場の下での修理および設置の作業を実施するには、かなりのコストがかかる。波止場は、２つのカテゴリーに入れられ得る。波止場の下での良好な空気交換を伴う、水面よりも上方にかなり高くに位置している波止場がある。一方、空気交換が貧弱な低い波止場があり、この波止場は、水面に近接しているために、表面が永続的に湿気を帯びているか湿っている。

最初に述べたタイプの波止場では、今まで述べてきたアノード設置は、腐食攻撃に対して補強材を保護する唯一の方法である。コンクリートは、比較的高い耐性を有し、上記のように、コンクリートに切り込みを入れるかまたは穴をあけることによってアノードを設置すること、又は液体アノードを適用することが必要である。このタイプの波止場でこの種の作業を行う方が、比較的高い（しばしば、水面よりも２ｍ以上上方）波止場の下に作業する空間があるので、低いタイプの波止場よりも費用がより少ない。

後に述べた低いタイプの波止場では、このような設置はより複雑である。快適に作業を行うことができる十分なスペースが無い。更に潮の干満、天候および船の交通は全部、かなりの程度まで作業に影響するであろう。また作業をより困難にする一部を荷うのは、湿ってより暗い環境である。この結果は、作業にかかるコストがまた非常に高いということである。

アノード材料を海水中に直接配置することによって、又は、流電アノード(galvanic anode)（ＧＡ）（犠牲アノード）原理を使用することによって、水中にある湿った構造物の一部を保護して、現在湿っておりずっと低い耐性を有するコンクリート中の補強材を保護することが可能であることが、以前から知られている。

しかし、本出願人が典型的な波止場で行った測定は、ビームの底部エッジおよび波止場デッキ（ここには、しばしば、大量の必須の構造的補強材がある）での電力の必要性が非常に大きいので、ＧＡシステムが満足に機能しないであろうということを示す。
海水中のアノードとより高いビームにおける補強材との間の印加電圧を用いるＣＰの使用は、低い電圧が使用されるのであれば（例えば、ＧＡシステムにおけるように）、上記の状況を生じるであろう。

より高い補強バーの十分な保護を得るために電圧を増加させる場合（通常のカソード防食、即ち、印加電圧の使用において）、測定は、電流がより高い補強バーに到達せず、唯一の結果が水面により近い補強材の強くて所望でない過剰保護であること、を示す。

露出した構造物の補強材に対する腐食阻害方法においてＣＰを作用させるために、通常の知識に従って、補強材は、電力接続に接続されており、かつ、コンクリート本体中の全ての他の露出した補強材と電気的導通状態になければならない。高いタイプの波止場では、全ての補強材は、まだ導通状態でなければ、処理開始前に、一緒に接続されなければならない。このような作業は、非常に時間がかかり得、難しくあり得、上記のように、実質的に予測できない高いコストがかかる。

驚くべきことに、従来の思考と測定に従って、補強材を電気的導通状態で一緒に接続すること無しでさえ、最も湿った波止場で良好なＣＰ効果が得られることが見出された。これは、以前の多様な導通測定にもかかわらず、このような浸透させた構造物中で、補強材が、それにもかかわらず、ＣＰ電流回路を作動させた際に十分な電気的導通状態にあるからであると推定される。修理作業が計画される前に、利用できるこのような情報をもつことは非常に重要である。

別の主要な問題は、補強材の腐食の結果として波止場の下でしばしば見出されるコンクリートへの損傷である。伝統的な以前に記載したＣＰシステムは、ストリップが修理のために切り込まれたスロットに埋設される前に、プラグが修理のためにあけられた穴に埋設される前に、又はメッシュがコンクリート中に埋設される前に、コンクリート表面が修理されるべきであることを大きく要求するであろう。

低いタイプの波止場の下での電力測定から、驚くべきことに、露出した補強材は、コンクリート中に埋設されること無く、カソード防食されることが見出された。これは、スチール補強材の表面上にある、塩化物で充填された腐食生成物が、電流がスチール補強材に達することを可能にするのに十分な電解質電導度を有することが見出されたからである。

従って、簡単でかつコスト効率的な様式で波止場の保護を容易にする方法の必要性がある。上記の新しい知識及び該詳細の認識に基いて、重要なデータは、例えば、試験プロジェクトにおいて構造物から集めることができる。データを使用して、問題の波止場の修理のために適合させたＣＰ方法を記載することができ、ここで、専門家の作業は回避され、専門家の技術を有しない人々によって行われ得る作業に置き換えられ、しかし、補強材のＣＰのための標準の電力要求は、最終結果の基礎を形成する。

本発明は、上記焦点を有し、それゆえ良好なコスト効率が得られるのを可能とするＣＰシステムである。

従って、本発明は、湿気を帯びた海洋構造物および湿った海洋構造物の両方において、および、半ば湿気を帯びたより高い構造物において、腐食を防止する方法を提供し、ここで、保護されるべき構造物の表面に対して、不活性で電気伝導性の材料を、中間の接触を確立する材料(intermediate contact-establishing material)に押し付け、コンクリート中の補強材と固定した不活性な電気伝導性の材料との間に、永続的に電圧を印加する。

不活性な導電性材料として、金属ストリップ（帯板）、例えば、混合金属酸化物で被覆されたチタンストリップを使用することは利点があるであろう。接触を確立する材料として、吸水性のフレキシブルな（可撓性の）塩素-、酸-、及び海水-耐性の吸湿性材料を使用することが好ましい。

本発明の更なる好適な特徴は、他の従属請求項に記載されている。

導電性ストリップ、プラグまたはメッシュの、広範囲のチッピング、修理、カッティングおよびコンクリート中への埋設、あるいは他のアノードの時間のかかる設置を必要とする従来技術とは異なって、本発明の方法は、はるかにより簡単でかつより安価な解決法である。

本発明による方法では、波止場における接触を確立する材料は、高潮で波しぶきがあるとき、海水によって湿らされ、それゆえ、アノードと下層のコンクリートとの間に良好な電気接触をもたらす。驚くべきことに、この良好な接触は長時間にわたって維持されることが見出され、このことは、当該方法が、水のレベルにかかわらず、好都合に機能することを意味する。波止場の下方の環境における水分の程度は、決定的因子であるように思われる。

本発明の更なる発展によれば、接触を確立する材料に、強くて耐性の吸水特性を含浸によって与えることによって、上記方法を該高いタイプの波止場においても使用することができる。更に、波止場のすぐ下の環境をより湿気の多いより湿ったものになるように変化させるということを、適切な方法で確保することによって、同じことが達成される。従って、またこのタイプの波止場は、従来可能であるよりもずっと低い価格で保護することができる。このことは、例えば、海水を使用することによって達成することができ、ここで、波止場は、その側面に永続的な構造物を構築することによって波止場の下での空気交換および通風を防止することによって、海からアノードまで延びる吸水性ウィック(wick)を使用することによって、又はウォータリング（散水）システムを用いて波止場に下側から海水を噴霧することによって、波止場の下側を湿らすように位置している。各場合において、簡単な様式で近くの海水を使用して、波止場の下側およびアノード領域を湿らせることが可能であろう。

本発明の幾つかの可能な実施態様を以下で説明する。

本発明を実施する際、混合金属酸化物で被覆された、標準の穿孔チタンストリップ（Ｔｉストリップ）を使用することができる。

本発明では、このストリップは、コンクリートに切り込まれたスロットに挿入されもせず、またコンクリート中に埋設されもせず、代わりに、接触を確立する吸水材料、例えば、ロックウールもしくはガラスワッディング、ポリマーフェルト、カーボンフェルトなどの塩素−耐性又は酸−耐性層に対して、外側からコンクリート本体に押し付けられる。

吸水性の接触を確立する材料において高レベルの水分を維持するための物質として、硝酸リチウム又は臭化リチウムなどの吸湿性の塩が非常に有効であることが見出された。接触を確立する材料に、シリカゲル又はあるタイプのゼオライトなどの吸湿性無機ゲルを含浸させることも可能である。

吸湿性の酸化−安定性有機ゲルも使用することができる。
吸水性材料は、塩水中で湿らされ、この環境での設置後、湿ったまま保持される。Ｔｉストリップは、吸収性材料（含浸されたフォーム（泡）又はロックウールなど）とのサンドイッチにおいて外側と内側との両方に配置され得、例えば、含浸した木製バッテン（カセット）をストリップの外側にステープルで留めるかまたはねじ留めすることによって、コンクリートに押し付けられる。有利には、バッテンは、問題の構造物に適した長さに予め製造されていてもよい。あるいは、チタンメッシュは、ベニアの予め製造された耐水性シート上に配置することができ、次いで、例えばロックウールで覆われ、こうして、カセットが保護すべきコンクリート上にネジ留めされる用意ができる。作業は、いかなる特殊技術をも要求しないし、予め製造されるカセットは、後の接続のために用意ができている腐食耐性ソケットを備え得る。

２０×１００ｍｍの断面を有するカセットは、例えば３ｍの長さに作られ得、ここで、ストリップは、幅広い側面(broad side)の中央に固定され、スクリューファスナー（ねじ留め具）はカセットを通過し、Ｔｉストリップの両側でコンクリート中に入る。ビームの保護に関して、例えば、ラスは、ビームの下方エッジのいずれかの側に配置される。デッキセクションの保護に関して、上記シートもしくはカセットは湿らされ得、波止場デッキの下側に固定され得る。チタンストリップは一緒に接続されてアノード場(anode field)を作り出し、このアノード場は、後に、補強材に対して分極されるであろう。設置は記録され(logged)、電力が測定され、必要ならば調整がなされる。本発明の設置におけるカセットは容易にアクセス可能で目に見えるので、設置の維持を行う必要性を評価するのがいつでも可能であろう。

低いタイプの波止場におけるチタンストリップなどの従来の埋設において、アノードが設置される前に、即ち、実質的な仕事（上記）の前に、コンクリート表面におけるコンクリートへの損傷が修理されなければならないというシステムの要求のほかに、非常に困難な作業状況もまた存在し、この作業は、フロート、ボートなどから、低い作業高さ及びしばしば動くベース（土台）を伴って、換言すれば、ＨＳＥ（健康、安全性、環境）に関して貧弱な条件で行われる。勿論、これは、作業中の高い労働コストおよび高い最終コスト、よって低いコスト効率につながるであろう。この従来の作業方法によって得られる利点は、埋設したストリップが構造物の一部であり、波止場の下の氷又は他の浮遊物体によって打撃をうけることもすり減らされることもありえないことである。不利点は、設置の複雑性のために、この作業が大きな程度の専門知識を必要とすること、およびコストを予測するのがしばしば難しいことである。このような構造物のアノードシステムにおける失敗（例えば短絡又は不注意のために）の場合、高価な新しい設置はしばしば唯一の解決法である。

本発明の方法は、主として、高い設置コストを排除することができるばかりではなく、修理が実施されるべきであることが全くシステム要求ではないので、より簡単でより安価な解決法を提供する。上記のように、設置作業の大部分はまた、専門家の技術をもたないヒト、例えば、対象の場所に近い通常の作業員によって行われ得る。

波止場はしばしば都会から離れて位置する構造物であるので、この改善された資源利用により、かなりの節約が生じ得るのは明らかである。特殊技術を必要とする設置の部分は、例えば、設計、試験、カセットの接続、ＣＰ電圧システムの設置、及び適切な場合、遠隔モニタリングである。更に、ＨＳＥ標準の改善が得られる。別の利点は、アノード材料の可視制御が可能とされること（例えば、１年基準で）、および、ラスもしくはシート上の可視で同定可能な損傷が容易に修理され得ることである。

上記のように、本出願人によって実施された試験は、本発明の方法に関して、スチール補強材を電気的導通状態にする、即ち、それを一緒に接続することが不必要でありうることを示している。コンクリートが十分に湿っており、従ってその耐性が低い場合、補強材の電気的導通は必要ではない（アノードが幾何的に最適な位置に配置されている場合）ことが確立された。該「移動可能な」アノードタイプは、主要な設置が開始される前に、最適な位置決めの試験を可能とする。勿論、このような方法において、かなりの節約の潜在可能性があり、これは、本発明の方法によって得られる経済的利点を更に増大させる。

本発明の試験の間に、腐食防止の観点から、腐食された構造物の修理を行うことは不必要でありうることも見出された。この理由は、低いタイプの波止場の下などの湿気のある環境に位置する腐食されたスチール補強材が、このスチールが露出して埋設されていない場合でさえ保護されることである。湿気のある腐食生成物は、ＣＰシステムからの保護電流がスチールに到達するのを可能とするのに十分な電解質電導度を有することが見出された。勿論、このことは、構造物が曝されるストレスに静的に耐えることができないような程度まで、構造物が損傷を受けていないことを前提とする。幾つかの場合においてスチールが表面上にさび生成物を有しない場合、露出したスチールに対して、アノードが分極した(anodically polarised)、湿気のある接触を確立する材料（例えば、ロックウール又はガラスワッディングなど）を押し付けることによって、それにもかかわらず、修理は避けられ得る。

従って、本発明の方法は、かなり腐食された波止場が、合理的な価格で増加した寿命を有することを可能とし、波止場は保存され、必要ならば、破壊されて再建設される代わりに修理される。このことは、所有者および環境にとってかなりの節約を意味し、ＨＳＥ標準の改善を意味する。

以下の実施例は、本発明を更に説明するように意図される。

実施例
本発明の方法は、低いタイプの波止場で試験した。この波止場は、セントラルノルウェーに位置している。海の表面と波止場の底部エッジとの間の距離は１．７ｍであり、ビームの下方エッジまでの距離は約０．８ｍである。

混合金属酸化物で被覆されたチタンストリップを、導電性ストリップとして用い、湿ったガラスワッディングを、フレキシブルな塩素−および酸−耐性材料として用いた。チタンストリップおよびガラスワッディングを、含浸したカセット（木製ラス）上に予めマウントした。木製バッテンを、塩水中で湿らせ、約１ｍの間隔でカセットの上方部と下方部とに交互に貫き通したスチールボルトを用いて、コンクリート表面にねじ留めした。
個々の補強バー上にセンサーをマウントして、電力を測定した。
結果は以下のとおりであった：
ガラスワッディングを約１週間の期間浸した後、比較的高い電流をアノードシステムからコンクリート構造物に流し、その結果、本発明の標準に従った保護基準を容易に達成した。

露出した表面上に腐食生成物を有するスチール補強材は、埋設された補強材と同様に効率的に分極した。

典型的な安定な電流密度は、カセットのランニングメートル当り約４０〜５０ｍＡであると測定された。

ラス又はカセットに基く保護の価格と従来のタイプの設置の価格との比は、約１：３〜１：４であると見い出された。結果、即ち、腐食防止は、本方法を使用する場合と、従来のタイプのアノードおよびシステムを設置する場合と、少なくとも同じほど良好である。

Claims (8)

1. 半乾燥の湿気を帯びて湿ったコンクリート海洋構造物における補強材の腐食に対するカソード防食の方法であって、保護すべき構造物の表面に対して、不活性な電気伝導性のアノード材料を、中間の吸水性の接触を確立する材料に押し付けることを含み、該接触を確立する材料は任意に含浸されており、コンクリート中の補強材と固定した不活性な導電性アノード材料とに対して、永続的に電圧を印加することを含み、該構造物と吸水性の接触を確立する材料とは、近くの海水のために、湿気のあるかまたは湿った状態に維持されている、方法。
2. 接触を確立する材料として、フレキシブルな吸収性の塩素−、酸−、及び海水−耐性材料が使用される、請求項１に記載の方法。
3. フレキシブルな塩素−、酸−、及び海水−耐性材料として、穿孔されたゴム、発泡ゴム、ガラスウール、ロックウール、多孔性合成材料、又は同様の有機もしくは無機の繊維材料が使用される、請求項２に記載の方法。
4. 接触を確立する材料の親水性含浸物として、硝酸リチウム、臭化リチウムなどの吸湿性の塩が使用される、前記請求項に記載の方法。
5. 接触を確立する材料の親水性含浸物として、シリカゲルもしくはゼオライトのタイプなどの無機ゲルが使用される、前記請求項に記載の方法。
6. 接触を確立する材料の親水性含浸物として、変性キチンゲルなどの化学的及び酸化安定性の有機ゲルが使用される、請求項１に記載の方法。
7. 金属ストリップが、ＭＭＯ被覆されたチタン金属又は白金で被覆された、銅をコアとするチタンのストリップである、請求項１に記載の方法。
8. 不活性な導電性材料が、例えばガラス繊維の繊維ストリップであり、該繊維ストリップが電気伝導性塗料を浸透させており、１つ以上の導体がカーボンストリップの形態で配置されている、請求項７に記載の方法。