JP2009097049A - 犠牲陽極材を用いたコンクリートの電気化学的防食方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期的に安定な防食電流を得ることができ、コンクリート内部の鋼材を確実に防食することができる防食用部材、それを用いた電気化学的防食方法を提供すること。
【解決手段】 犠牲陽極材をコンクリート内に設置し、コンクリート内の鋼材と犠牲陽極材とを電気的に接続する鋼材防食方法において、犠牲陽極材を構成する金属がブリスター状であり、該ブリスター状金属の周りにブリスター状金属表面の不動態の生成を避けるのに充分なｐＨを持った電解質溶液を含有する多孔性材料を付設する鋼材の防食用部材、該ブリスター状の金属が、亜鉛、アルミニウム、及びマグネシウムからなる群より選ばれた一種又は二種以上を含む擬合金である該防食用部材、該ブリスター状の金属を成形する方法が、溶射法である該防食用部材、該防食用部材をコンクリート内に設置してなる電気化学的防食方法、並びに、該電気化学的防食方法を施したコンクリート構造物を構成とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、コンクリート構造物のコンクリート内部の鋼材を腐食から長期間保護する、防食工法に関するものであって、特に、コンクリート構造物の内部に、該鋼材よりも標準電極電位の低い金属を犠牲陽極材として設置し、該鋼材と電気的に接続することにより、コンクリート内部の鋼材の腐食を防止する方法に関するものである。

鉄筋コンクリート構造物は、コンクリート中に鋼材が埋め込まれており、コンクリートと鋼材が一体となって外力を受け持つものである。

近年、コンクリート構造物の早期劣化が問題となっている。
コンクリート構造物の劣化要因としては、中性化、塩害、凍害、アルカリ骨材反応、化学的侵食、及び疲労等が挙げられ、コンクリート構造物の耐久性を損なうものである。

コンクリート構造物の耐久性は、コンクリートの耐久性だけでなく、併用する鋼材の耐久性（耐腐食性）に関わることも多い。

鋼材の腐食は、コンクリートの中性化、コンクリートに含まれる塩分、及び外部からコンクリートに浸入してくる塩化物イオンなどの影響で、立地環境によっては比較的短期間で進行する場合がある。

塩害を受けたコンクリート構造物の一部を部分的に補修した場合には、既設部の鋼材が陽極、補修部の鋼材が陰極となって、マクロセル腐食を生ずる場合があり、鋼材の腐食防止には不充分となる。そのため、より効果的な補修工法が必要となっている。

従来、これら鋼材の腐食を防止する方法としては、（１）コンクリート構造物の表面に有機系の防食塗料を塗装し、外部からの劣化要因を遮断する方法、（２）外部電源により、陰極材であるコンクリート内部の鋼材と、コンクリート構造物の表面に設置した陽極材との間に通電する方法、（３）金属の標準電極電位の差を利用した犠牲陽極材方式を用いた方法等が実施されている。

特に、犠牲陽極材方式による電気防食方法は、外部電極が不要である、メンテナンスが容易である、及び長期防食性に優れるなどの特徴がある。
この犠牲陽極材方式としては、(I)コンクリート表面に犠牲陽極材を設置する方法（特許文献１〜特許文献５）、(II)コンクリート内部に犠牲陽極材を設置する方法（特許文献６）が提案されている。

特開２００５−０１５８３５号公報 特許第３１８３６０３号公報 特開平１１−０８１５０２公報 特開２００６−６３４３９号公報 特許第３１８３６０４号公報 特許第３０９９８３０号公報

しかしながら、コンクリート表面に犠牲陽極材を設置する方法では、コンクリート表面と犠牲陽極材を密接に接合する必要があり、施工に関して細心の注意が必要であると共に、長期的な信頼性に関し課題があった。

一方、コンクリート内部に犠牲陽極材を設置する方法は、施工上、特別な配慮を必要としないが、犠牲陽極材の金属表面に不動態が形成され、長期的に防食電流が減少し、鋼材を防食する効果が小さくなるという課題があった。

本発明者は、コンクリート内部に犠牲陽極材を設置し、コンクリート内部の鋼材の腐食を防止する電気化学的防食方法において、コンクリート内部に埋設する犠牲陽極材の金属の形態について検討し、鋼材と接続したときに、長期にわたって安定的に鋼材の電位を卑にする方法を検討した結果、本発明を完成したものである。

即ち、本発明は、犠牲陽極材をコンクリート内に設置し、コンクリート内の鋼材と犠牲陽極材とを電気的に接続する鋼材の防食方法において、犠牲陽極材を構成する金属がブリスター状であり、該ブリスター状金属の周りに、ブリスター状金属表面の不動態の生成を避けるのに充分なｐＨを持った電解質溶液を含有する多孔性材料を付設する鋼材の防食用部材であり、ブリスター状の金属が、亜鉛、アルミニウム、及びマグネシウムからなる群より選ばれた一種又は二種以上を含む擬合金である該鋼材の防食用部材であり、ブリスター状の金属を成形する方法が溶射法である該鋼材の防食用部材であり、溶射法が、常温アーク溶射法である該鋼材の防食用部材であり、多孔性材料がアルカリシリカ反応抑制剤を含有してなる該鋼材の防食用部材であり、アルカリシリカ反応抑制剤がリチウムイオンを含有してなる該鋼材の防食用部材であり、該鋼材の防食用部材をコンクリート内に設置してなる電気化学的防食方法であり、該電気化学的防食方法を施したコンクリート構造物である。

本発明の鋼材の防食用部材を使用することによって、長期にわたって安定的に防食電流が供給され、鋼材の電位を卑にすることができ、コンクリート内部の鋼材を防食することが可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。
また、本発明におけるコンクリートとは、モルタルを含む場合もある。

本発明は、コンクリート内部の鋼材を陰極とし、コンクリート内部に設置したブリスター状の金属を陽極として、両者を電気的に接続することにより、鋼材に防食電流を供給し、鋼材を防食するものである。

本発明による犠牲陽極材を構成するブリスター状金属とは、所定の金属を加熱し、溶融したものを冷却しながら成形することにより、各金属粒子がそれぞれに金属のもつ特性を保ちながら重なり合ったものである。
成形過程で半溶融した金属粒子が物理的な力により接続され、金属粒子間の金属結合にひずみが生じる。その結果、ブリスター状金属全体に電子状態が不安定な部分がランダムに配置され、通常の金属塊又は合金塊とは異なる電気的特性を示す。ブリスター状金属は、通常の金属塊又は合金塊に比べて表面積が大きいため、表面全体が不動態化しにくく、長期にわたって鋼材に防食電流が供給される。

特に二種以上の金属によりブリスター状金属塊を成形した場合は、合金とは異なる性質を示すことから、擬合金（又は擬似合金）と称し、合金と区別される。

例えば、亜鉛−アルミニウム擬合金の場合、亜鉛とアルミニウムが合金組成を成形しておらず、亜鉛微粒子とアルミニウム微粒子が不規則に重なり合っている。これを微視的に見ると、微小な亜鉛とアルミニウムが隣り合っており、その部分で電池が形成されているため、陽極となる亜鉛の溶出が促進され、より効果的に鋼材を防食できる。

本発明による犠牲陽極材を構成するブリスター状金属の製造方法は特に限定されるものではないが、溶射法により成形することが好ましく、そのうち、金属線を加熱して溶融したものを比較的に低い温度で溶射でき、金属の表面積が大きくなり、良好な防食性能が得られるため、常温アーク溶射法がより好ましい。

犠牲陽極材を構成するブリスター状金属としては、亜鉛、アルミニウム、及びマグネシウムからなる群より選ばれた一種又は二種以上を含む擬合金が挙げられる。

犠牲陽極材の不動態化を避けるため、ブリスター状金属の周囲を、所定のｐＨに保持する必要がある。
例えば、亜鉛−アルミニウム擬合金の場合には、ｐＨ値は13.3以上が必要であり、使用する金属によって不動態化を抑えるためのｐＨ値は異なる。

犠牲陽極材の周りに付設された多孔性材料に含有する電解質溶液のｐＨが高いため、多孔性材料に隣接するコンクリート部分でアルカリシリカ反応が懸念される。そのため、電解質溶液にアルカリシリカ反応抑制剤を存在させることが好ましい。

アルカリシリカ反応抑制剤は、電解質溶液のｐＨの低下を避けるため、リチウムイオンが好ましく、水酸化リチウム、炭酸リチウム、又はリチウム型ゼオライトを添加することが好ましい。

鋼材と犠牲陽極材とを電気的に接続する方法は、鋼材と、犠牲陽極材を構成するブリスター状金属とが電気的に導通されていればよく特に限定されるものではないが、鉄等の金属線の一部をブリスター状金属内に埋め込み、鋼材に巻き付ける方法が実用上簡便である。

本発明では、コンクリート構造物を部分的にはつった後、犠牲陽極材を設置し、鋼材と電気的な接続を施すか、犠牲陽極材と鋼材を電気的に接続した後、コンクリートを打設し犠牲陽極材を埋め込む形でコンクリート構造物を構築するか、さらには、ブリスター状金属と鋼材を電気的に接続した、ブリスター状金属表面を不動態の生成を避けるのに充分なｐＨを持った電解質溶液を含有する多孔性材料で覆った後、コンクリートを打設し、犠牲陽極材を埋め込む形でコンクリート構造物を構築することによって、犠牲陽極材と鋼材間に防食電流が流れ、コンクリート内の鋼材が防食される。

本発明では、電位を測定することで、鋼材を防食する効果を確認することができる。
コンクリート内部の鋼材に、それより標準電極電位の低い金属を電気的に接続すると、鋼材自体の電位が低くなる。そのため、電位を測定することで、その数値から、犠牲陽極材の有効性が判断できる。
電位の測定は、コンクリート内部の鋼材の犠牲陽極材を設置した面を測定点とし、鉛照合電極を用い測定する。このとき犠牲陽極材と鋼材の接続を切り離せるようにしておき、接続を切り離した直後のインスタントオフ電位と、24時間経過後の電位（24時間後オフ電位）を測定し、これらの差から復極量を算出する。復極量が大きいほど鋼材を防食する効果が大きい。

ここで、鉛照合電極により測定した電位Ｅｍ（ｍＶ）は、下式により飽和硫酸銅電極基準の値に換算される。
Ｅcse＝Ｅｍ−８００
Ｅcse ：飽和硫酸銅電極基準換算値鉛（ｍＶ）
Ｅｍ ：鉛照合電極で測定した値（ｍＶ）
復極量（ｍＶ）＝［Ｅio（ｍＶ）］−［Ｅof（ｍＶ）］
Ｅio ：インスタントオフ電位
Ｅof ：２４時間後オフ電位

以下、本発明の実験例に基づいて、本発明をさらに説明する。

実験例１
水セメント比60％、単位セメント量330kg/m³として、１m³当たり10kgの塩化物イオンを含有させ、鋼材腐食環境下のコンクリート構造物を模したコンクリートの試験体として、100×100×500mmの直方体の100×100mmの面に垂直に、かつ、該面の中心に位置するように、長さ400mmのD19みがき丸鋼の鋼材を配置してコンクリート試験体を作製した。
鋼材の端部に表１に示す犠牲陽極材を配置した。
鋼材と犠牲陽極材からリード線を配し、電気的接続はコンクリート試験体の外で行い、任意にオン−オフ動作ができるようにした。
鋼材と犠牲陽極材を電気的に接続したコンクリート試験体に対して、３日水中、４日乾燥を６ケ月間繰り返しの乾湿繰り返し養生とした。
コンクリート内部の犠牲陽極材を設置した面で鉄筋の中心に相当する点を測定点とし、鉛照合電極を用い、インスタントオフ電位と、24時間後オフ電位を測定し復極量を算出した。電位測定結果を表１に併記する。
なお、比較のため、犠牲陽極材を取り付けない場合も同様に試験した。
また、犠牲陽極材Ｂの場合は、金属の周りの多孔性材料に含まれるアルカリシリカ反応抑制剤の有無も検討した。

＜使用材料＞
セメント ：普通ポルトランドセメント、密度3.16g/cm³、ブレーン比表面積値3,300cm²/g
細骨材 ：新潟県姫川産川砂、表乾密度2.62g/cm³
粗骨材 ：新潟県姫川産川砂利、表乾密度2.64g/cm³
犠牲陽極材Ａ：金属が、常温アーク溶射器を用いて作製したブリスター状亜鉛
犠牲陽極材Ｂ：金属が、亜鉛／アルミニウムの比が１／１である亜鉛アルミニウム擬合金
犠牲陽極材Ｃ：金属が、常温アーク溶射器を用いて作製したブリスター状アルミニウム
犠牲陽極材Ｄ：金属が、常温アーク溶射器を用いて作製したブリスター状マグネシウム
犠牲陽極材Ｅ：金属が、亜鉛／マグネシウムの比が１／１である亜鉛マグネシウム擬合金
犠牲陽極材Ｆ：金属が、アルミニウム／マグネシウムの比が１／１であるアルミニウムマグネシウム擬合金
犠牲陽極材Ｇ：金属が、亜鉛／アルミニウム／マグネシウムの比が１／１／１である亜鉛アルミニウムマグネシウム擬合金
犠牲陽極材Ｈ：金属が、亜鉛塊
犠牲陽極材Ｉ：金属が、亜鉛／アルミニウムの比が１／１である亜鉛アルミニウム合金塊

本発明の犠牲陽極材を使用することにより、コンクリート構造物の防食工法において、安定で、かつ均質な防食電流を得ることができ、主に、土木・建築業界等において海洋構造物や護岸構造物等のコンクリート構造物補修や高耐久化の用途に適する。

Claims (8)

1. 犠牲陽極材をコンクリート内に設置し、コンクリート内の鋼材と犠牲陽極材を電気的に接続する鋼材の防食方法において、犠牲陽極材を構成する金属がブリスター状であり、このブリスター状金属の周りに、ブリスター状金属表面の不動態の生成を避けるのに充分なｐＨを持った電解質溶液を含有する多孔性材料を付設してなる鋼材の防食用部材。
2. ブリスター状の金属が、亜鉛、アルミニウム、及びマグネシウムからなる群より選ばれた一種又は二種以上を含む擬合金である請求項１記載の鋼材の防食用部材。
3. ブリスター状の金属を成形する方法が、溶射法である請求項１又は請求項２記載の鋼材の防食用部材。
4. 溶射法が、常温アーク溶射法である請求項３記載の鋼材の防食用部材。
5. 多孔性材料が、アルカリシリカ反応抑制剤を含有してなる請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項記載の鋼材の防食用部材。
6. アルカリシリカ反応抑制剤が、リチウムイオンを含有してなる請求項５記載の鋼材の防食用部材。
7. 請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項記載の鋼材の防食用部材をコンクリート内に設置してなる電気化学的防食方法。
8. 請求項７記載の電気化学的防食方法を施したコンクリート構造物。