JP2010144210A

JP2010144210A - 土中埋設用鋼材

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Publication number: JP2010144210A
Application number: JP2008321970A
Authority: JP
Inventors: Masaji Murase; 正次村瀬; Masahito Kaneko; 雅仁金子; Toshiyuki Hoshino; 俊幸星野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: JP5644046B2

Abstract

【課題】土中埋設環境において耐食性に優れる鋼材を提供する。
【解決手段】埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオン、タンタル酸イオンを存在させるため、鋼材の表面に、樹脂層形成時の吸水率が１０％以上、３００％以下の水溶性ブチラール樹脂中に、バナジン酸ナトリウム、メタバナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムおよびタンタル酸カリウムの１種以上を樹脂固形分１００ｍａｓｓ％に対して１ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％で含有した樹脂層を１０〜１００μｍ厚で被覆する。および／または前記鋼材の化学成分を、Ｖ、Ｍｏ，Ｗ，ＮｂまたはＴａの１種以上の元素を含むものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、土中埋設環境において耐食性に優れる鋼材に関する。

土中埋設環境は、土が水分を含んでいるため鋼材の腐食が進行しやすい環境であるが、従来、鋼構造物は基礎杭など深度の深い領域で使用されることが多く、その場合は、年間１ｍｍ（鋼材片面あたり）程度の腐食代で十分とされてきた。

建築物の基礎構造として基礎杭を使用する場合、埋設深さの浅いところに存在する梁などはＲＣ構造を採用される例が多く、従来は鋼の腐食が、極めて特殊な土壌を除いて問題とされることはなかった。

しかしながら、最近では、建築物建造の工期を短縮することが求められ、鋼構造による建築物、基礎構造の一体化が求められるようになってきている。従って、埋設環境の浅い領域においても、鋼材の耐食性を向上させることが要求されるようになり、電気防食、塗覆または耐食鋼が検討されている。

特許文献１は、土中用耐食鋼に関し、鋼自体に土中における耐食性として耐全面腐食性および耐マクロセル腐食性を持たせるため、Ｃｒ含有量を限定し、Ｎｉ、Ｍｏ，Ｃｕを適量添加する成分組成とすることが記載されている。

また特許文献２には、鋼材表面に鋼材より卑な金属をめっき、溶射などで被覆し更に土壌中にＺｎ粉末やＺｎ酸化物粉末を添加する方法が開示されている。特許文献３，４には鋼材の表面に硫酸Ｎｉや硫酸Ｃｒおよび炭酸イオンを含有したブチラール樹脂で被覆する技術が開示されている。
特開２０００−３３６４６３号公報特開平１０−１８３３８６号公報特開２００２−１６７５４４号公報特開２００２−５９０７６号公報

しかしながら、電気防食は土壌中の防食工法として良く知られているが、流電陽極式の場合には土壌中ではかなり細かく電極の取り付け部位を確保する必要があり、コストの点において従来のＲＣ構造と対抗できず、塗装の場合は数百μｍ以上の厚さにおいて有効なため、塗装管理、コスト、埋め戻し時の傷対策などが課題となる。

一方、耐候性鋼のように、一般鋼の腐食生成物よりも緻密な構造を有し酸素の拡散や腐食の電気化学反応に必要なイオンなどの拡散を抑制し鋼材を防食する腐食生成物を用いて鋼材の腐食速度を低減させる機構は、土中においては水分量が多いため大気中のような腐食生成物が生成されず、埋設土中環境ではその効果は殆どないか極めて小さいと言われている。

尚、特許文献１記載の鋼材は、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕを多量に含有するため鋼材コストが上昇し、特許文献２記載の方法もコストが上昇し、接合部位などの処理に問題が残る。

特許文献３，４記載のブチラール樹脂で被覆する方法は、Ｎｉ，Ｃｒの有機被覆中への添加のみでは、十分な耐食性が得られず、また、鋼材に耐食元素を含有しない場合においては、その効果が小さい。

そこで、本発明は、深度の深い領域より腐食環境の厳しい浅埋設環境において耐食性に優れる鋼材を提供することを目的とする。

本発明者等は、土壌中では土圧で鋼材表面に腐食生成物が保持されやすいことに着目し、腐食生成物を用いて鋼材の腐食速度を低減させるため、浅埋設環境のように水分が多く腐食減量が大きな環境において腐食反応を抑制する腐食生成物および当該腐食生成物を保持する機構について鋭意検討し、以下の知見を得た。
（１）腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオン、タンタル酸イオンが存在したときに腐食が抑制される。
（２）これらのイオンは、Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａの元素群を、ブチラール樹脂中に含有された酸素酸塩（酸化物の加水分解）の形で鋼表面に供給したり、鋼材中に添加元素として含有させると腐食生成物中に含ませることが可能である。鋼材の腐食の進行とともに排出されるイオンが上記酸素酸塩に変化するためである。
（３）浅埋設環境における湿潤土壌の場合には腐食した鉄イオンなどが系外に流出しやすいが、有機層の存在が腐食生成物層の保持に有効である。

本発明は上記知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオン、タンタル酸イオンを存在させる機構を備えた土中埋設用鋼材。
２．前記機構が、鋼材の表面に、樹脂層形成時の吸水率が１０％以上、３００％以下の水溶性ブチラール樹脂中に、バナジン酸ナトリウム、メタバナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムまたはタンタル酸カリウムの１種以上を樹脂固形分１００ｍａｓｓ％に対して１ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％で含有した樹脂層を１０〜１００μｍ厚で被覆することである１記載の土中埋設用鋼材。
３．前記機構が、前記鋼材の化学成分を、Ｖ、Ｍｏ，Ｗ，ＮｂまたはＴａの１種以上の元素を含むものとすることを特徴とする１記載の土中埋設用鋼材。
４．前記機構が２および３記載の機構であることを特徴とする１記載の土中埋設用鋼材。
５．１乃至３のいずれか一つに記載の土中埋設用鋼材を用いて作られた埋設土中鋼構造物。
６．埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオン、タンタル酸イオンを存在させる機構を鋼材表面または鋼材に設けることを特徴とする土中埋設用鋼材の製造方法。
７．埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオン、タンタル酸イオンを供給するため、鋼材の表面に耐食性樹脂層を形成する土中埋設用鋼材の製造方法であって、前記耐食性樹脂層は、樹脂層形成時の吸水率が１０％以上、３００％以下の水溶性ブチラール樹脂中に、バナジン酸ナトリウム、メタバナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウム、またはタンタル酸カリウムの１種以上を樹脂固形分１００ｍａｓｓ％に対して１ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％で含有した樹脂層を１０〜１００μｍ厚で被覆して形成することを特徴とする土中埋設用鋼材の製造方法。
８．埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオン、タンタル酸イオンを供給するため、前記鋼材の化学成分を、Ｖ、Ｍｏ，Ｗ，ＮｂまたはＴａの１種以上の元素を含むものとしたことを特徴とする６または７に記載の土中埋設用鋼材の製造方法。

本発明によれば以下の作用効果が得られ、産業上極めて有用である。
１．浅埋設環境においても、深埋設環境と同様に腐食代により鋼材の腐食について対策することができる。
２．従来の土木建材用鋼材として使用される鋼材に対して腐食減量を１／３以下程度に抑制することが可能である。
３．また、従来の塗装に比較して薄膜で処理が可能であり、防食コストを低く抑制することが可能である。

本発明に係る土中埋設用鋼材は、埋設土中環境に曝されて腐食する際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオン、タンタル酸イオンを供給する働き（本発明では、機構と称する）を備える。

［機構１］
機構１は、埋設土中環境において、鋼材の表面に、Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｂおよびＴａの一種以上の元素群を、酸素酸塩（酸化物の加水分解）の形で供給する機構である。

上記元素群の酸素酸塩は、バナジン酸ナトリウム、メタバナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムおよびタンタル酸カリウムの１種以上とする。それは、これらの酸素酸塩が鋼材表面に吸着することにより腐食反応を阻害すること、またこれらの塩が鉄酸化物（いわゆるさび）構造内に取り込まれ、複合さび層を形成することにより鋼表面での腐食反応を阻害すること、これらの物質は酸化物と異なり水への溶解度が高いこと、すなわち鋼表面への供給が比較的容易にできることが理由として挙げられる。

酸素酸塩は、腐食反応の進行とともに鋼材表面に供給することが必要であるため、水溶性の有機樹脂に混合して鋼材表面に塗布する。

水溶性の有機樹脂は、樹脂層形成時の吸水率が１０％以上、３００％以下の水溶性ブチラール樹脂とする。

有機樹脂の下では腐食生成物の保存が容易で、水溶性樹脂層の場合、傷が入った場合においても、内部に存在する無機化合物（上記酸素酸塩）が水溶化して拡散しやすいため、水溶性の有機樹脂とし、本発明では水溶性ブチラール樹脂とする。
する。

図１は、水溶性ブチラール樹脂に酸素酸塩としてメタバナジン酸ナトリウムを混合し、吸水率を変化させた場合のメタバナジン酸ナトリウムの溶出量の変化を示す図で、１０％以上において添加した酸素酸塩の溶出量が顕著に増加するが、３００％を超えるとブチラール樹脂分子間に水が多量に入って樹脂が膨潤し溶出量が増加するので錆層の保持効果が無くなってしまうため、樹脂層形成時の吸水率は１０％以上、３００％以下とする。

バナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムおよびタンタル酸カリウムも同様の傾向を示す。

水溶性ブチラール樹脂にバナジン酸ナトリウム、メタバナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムおよびタンタル酸カリウムの１種以上を混合する場合は、樹脂固形分１００ｍａｓｓ％に対して１ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％で含有する。

樹脂固形分１００ｍａｓｓ％に対して１ｍａｓｓ％以上で効果が顕著に現れ、３０ｍａｓｓ％以上の添加では水溶性樹脂による造膜がうまくできなくなるので、３０ｍａｓｓ％以下が好ましく、より好ましくは２０ｍａｓｓ％以下である。複数の無機化合物を添加する場合には、トータルが２０ｍａｓｓ％を超えないように添加するのが好ましい。尚、添加量の多いほうが腐食減量を減じる効果が大きい傾向にある。

水溶性ブチラール樹脂に酸素酸塩を混合した樹脂は鋼材の表面に１０〜１００μｍ厚で被覆する。鋼材表面に塗布する有機樹脂層の厚みは、１０μｍ以下では、有機樹脂層の効果がなく、１００μｍ以上の有機層の構成では、効果が飽和し、経済的に不利になるので、１００μｍ以下が良い。尚、厚いほど腐食減量を減じ、好ましい膜厚範囲は、１０〜３０μｍである。

水溶性有機樹脂を鋼材に塗布する方法は、スプレー、刷毛塗り、溶液状にして表面に流し掛けなど、所定の厚みが確保できる方法であれば良い。また鋼材の前処理など特に必要なく既にさび層が形成されている上に上記水溶性有機樹脂有機層を形成しても良い。尚、耐久性は劣るが、鋼材の表面にこれら酸素酸塩の溶解した水溶液を塗布しても良い。
［機構２］
機構２は、鋼組成をＶ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｂおよびＴａの一種以上を含有する鋼を埋設土中環境用鋼材とする。鋼組成にＶ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｂおよびＴａの一種以上を含有する鋼の内部から腐食による溶出するバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオンおよびタンタル酸イオンの一種以上は酸化され、酸素酸塩に変化する。

上記酸素酸塩は、腐食生成物（錆層）の内側から供給されて、機構１の外部から供給される酸素酸塩と同様に腐食減量を減じる効果が得られる。機構１と機構２を併用した場合、腐食生成物（錆層）の上層と下層から、酸素酸塩が供給されるのでより優れた効果が得られる。

尚、鋼組成中のＶ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｂおよびＴａの一種以上の含有量（ｍａｓｓ％）は、Ｖは、０．０５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏは０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下、Ｗは０．０１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下，Ｎｂは０．０１ｍａｓｓ％以上０．１ｍａｓｓ％以下、Ｔａは０．０１ｍａｓｓ％以上０．１ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｂおよびＴａ以外は、構造用鋼としての価格と性能を確保する成分組成であれば良く、例えば、０．１ｍａｓｓ％Ｃ−０．６５ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．９５ｍａｓｓ％Ｍｎ系に適宜合金元素を添加したものとする。鋼組成においてＶ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｂおよびＴａの一種以上を含有する鋼として、ＪＦＥ商標名ＪＦＥ−ＨＩＴＥＮ５４０，５７０，６１０，７８０，ＪＦＥＡＣＬ４００ＡＴｙｐｅ１、ＪＦＥＬＴ４１５，ＪＦＥ−ＥＨ３６０、材などが利用可能である。以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

＜供試鋼板の作製＞
供試鋼板は、１００×５０×６ｔ（ｍｍ）の鋼板で黒皮をブラスト処理で取り除いて供試した。黒皮をブラスト処理で取り除いた状態で重量を０．１ｍｇまで測定し、初期重量とした。表１に化学成分を示す。表面に塗布する処理剤は、下記の要領で作成した。
１．イオン交換水中にブチラール樹脂を重量比率で４００ｇ／ｌ混合したブチラール樹脂の水分散溶液を作成した。ブチラール樹脂は、その分子量を１０００〜１００００００まで変えたものを使用し、吸水率が異なるものを用いた。吸水率は、３００μｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍのフリーフィルムを作製し、４０℃で１０日間乾燥させた後、常温のイオン交換水に２４時間浸漬し、その浸漬前後の重量差から吸水率を求めた。
２．得られたブチラール樹脂の水分散溶液に、表２に示す配合で各種の無機材料（バナジン酸ナトリウム、メタバナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウム、タンタル酸カリウム、いずれも試薬、純度９９．９％のものを使用）を混合した（無機材料の含有量は、樹脂固形分１００ｍａｓｓ％に対する量とする）。

無機混合体は、粉体が主であるがこれを乳鉢ですりつぶし、概ね１μｍ以下の粉体状にしたものを、所定の量上記水分散液に投入し、攪拌機により強攪拌した（投入無機物においては水溶液中で溶解するものもあれば、溶解度が低いものもあるので沈殿しないような分散液とした）。
３．攪拌を継続しながら当該分散液を鋼材表面に流しかけバーコーターにて分散液の水膜を一定（水乾燥後の膜厚が２０μｍとなるように調整）とした。水膜が５μｍ，１μｍのものは、上記水分散液を更にイオン交換水で４倍、２０倍に希釈したものを斜め４５°に立てかけた鋼板上に分散液を流しかけし、付着した量により膜厚を調整した。
４．常温で１週間乾燥させ水分を蒸発させた。図２に得られた試験材のマクロ断面説明図を示す。

＜耐食性の調査＞
鋼材の耐食性の調査は、上記表面処理を施した鋼材の裏・端面をシールテープにより腐食しないようマスキングを行い、対象面積（８０×４０ｍｍ）のみが腐食するようにした。その後作成した試験材を関東ローム（土）を入れたビーカー２００ｍｍΦ×２００ｍｍ高さ中に埋め込み、０．５ｍａｓｓ％のＮａＣｌ溶液を土に対して２０ｍａｓｓ％添加した後、３０℃の一定の温度に保持された恒温室に静置した。

その後１週間毎に土に対して１０ｍａｓｓ％のイオン交換水を継ぎ足した。９１日後に試験材を取り出し、水洗後皮膜を塗膜剥離剤で剥離し、塩酸中にインヒビターを入れた溶液でさび層を取り除いた後、鋼材の重量を０．１ｍｇまで測定した。初期重量と試験後の重量差から腐食した想定面積（８０×４０ｍｍ）に対して、平均の腐食厚み（腐食減量（ｍｍ／９０日））を以下の式で求めた。

鋼材の腐食量＝（初期重量−腐食試験後重量）／（３２ｃｍ^２×７．８ｇ／ｃｍ^３）
表２〜４に試験結果を示す。Ｎｏ．１〜４２は本発明例で、腐食減量（ｍｍ／９０日）は０．４１（ｍｍ／９０日）以下で、一方、Ｎｏ．４３〜５３は、比較例で、腐食減量（ｍｍ／９０日）は０．５２（ｍｍ／９０日）以上であった。

Ｎｏ．１６の本発明例は、同種の元素を含む鋼材と組み合わせた場合の結果を示し、Ｎｏ．１５の同種の元素を含まない鋼材と組み合わせた場合の結果より優れた耐食性能が確保されていることが認められる。

水溶性ブチラール樹脂に酸素酸塩としてメタバナジン酸ナトリウムを混合し、吸水率を変化させた場合のメタバナジン酸ナトリウムの溶出量の変化を示す図。試験材のマクロ断面説明図。

符号の説明

１鋼板
２有機樹脂＋無機物混合物層

Claims

埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオンおよびタンタル酸イオンの１種以上を存在させる機構を備えた土中埋設用鋼材。
前記機構が、鋼材の表面に、樹脂層形成時の吸水率が１０％以上、３００％以下の水溶性ブチラール樹脂中に、バナジン酸ナトリウム、メタバナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムおよびタンタル酸カリウムの１種以上を樹脂固形分１００ｍａｓｓ％に対して１ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％で含有した樹脂層を１０〜１００μｍ厚で被覆することである請求項１記載の土中埋設用鋼材。
前記機構が、前記鋼材の化学成分を、Ｖ、Ｍｏ，Ｗ，ＮｂおよびＴａの１種以上の元素を含むことものとすることを特徴とする請求項１記載の土中埋設用鋼材。
前記機構が請求項２および３記載の機構であることを特徴とする請求項１記載の土中埋設用鋼材。
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の土中埋設用鋼材を用いて作られた埋設土中鋼構造物。
埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオンおよびタンタル酸イオンの一種以上を存在させる機構を鋼材表面または鋼材に設けることを特徴とする土中埋設用鋼材の製造方法。
埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオンおよびタンタル酸イオンの一種以上を供給するため、鋼材の表面に耐食性樹脂層を形成する土中埋設用鋼材の製造方法であって、前記耐食性樹脂層は、樹脂層形成時の吸水率が１０％以上、３００％以下の水溶性ブチラール樹脂中に、バナジン酸ナトリウム、メタバナジン酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウム、およびタンタル酸カリウムの１種以上を樹脂固形分１００ｍａｓｓ％に対して１ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％で含有した樹脂層を１０〜１００μｍ厚で被覆して形成することを特徴とする土中埋設用鋼材の製造方法。
埋設土中環境に曝された際、鋼表面の腐食生成物中にバナジン酸イオン、メタバナジン酸イオン、モリブデン酸イオン、タングステン酸イオン、ニオブ酸イオン、タンタル酸イオンを供給するため、前記鋼材の化学成分を、Ｖ、Ｍｏ，Ｗ，ＮｂまたはＴａの１種以上の元素を含むものとしたことを特徴とする請求項６または７に記載の土中埋設用鋼材の製造方法。