JP2014133911A - Method for inhibiting hydrogen embrittlement - Google Patents

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博之 齋藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit the hydrogen embrittlement of a steel material used while being embedded within a concrete.SOLUTION: The surface of a steel material is initially hydrophobicized at the first step S101. The surface of the steel material may be hydrophobicized by modifying the same with a silane coupler, for example. At the next second step S102, a concrete structure is prepared by embedding, within a concrete, the surface-hydrophobicized steel material. It becomes possible to suppress the formation of a water film, etc. in a state of covering the surface of the steel material embedded within the concrete and to inhibit the invasion of hydrogen into the steel material within the concrete structure thus prepared.

Description

本発明は、鉄筋コンクリートの鉄筋などの鋼における水素脆化を抑制する水素脆化の抑制方法に関するものである。   The present invention relates to a method for suppressing hydrogen embrittlement that suppresses hydrogen embrittlement in steel such as a reinforced concrete rebar.

建造物などの構造物では、遅れ破壊が問題となることがある。遅れ破壊とは、静的な負荷を受けているある条件下で使用している鋼材などが、ある時間の経過後、外見上ではほぼ塑性変形を伴うことなく、突然脆性的に破壊する現象である。この遅れ破壊のメカニズムは十分に解明されていないが、水素が金属に侵入して延性が失われることによる水素脆性によるものと考えられている。例えば、鉄筋コンクリートの鉄筋などのコンクリートに埋設されている鋼材では、アルカリ性と推定されるコンクリートの中の環境で、応力・鉄鋼種別などにより、水素脆化が生じるとする報告と生じないとする報告があり,検討が続けられている(非特許文献1参照)。   In structures such as buildings, delayed fracture can be a problem. Delayed fracture is a phenomenon in which steel used under certain conditions under static load suddenly breaks brittlely with almost no plastic deformation after a certain amount of time. is there. Although the mechanism of this delayed fracture has not been fully elucidated, it is thought to be due to hydrogen embrittlement due to the penetration of hydrogen into the metal and loss of ductility. For example, in steel materials embedded in concrete, such as reinforced concrete, there are reports that hydrogen embrittlement occurs and that it does not occur depending on the stress and type of steel in the environment in the concrete that is estimated to be alkaline. Yes, investigation continues (see Non-Patent Document 1).

齋藤博之、藤本憲宏、澤田孝、「高強度鋼への水素侵入効率」、電気化学会第79回大会講演予稿集,205頁、2012年。Hiroyuki Saito, Norihiro Fujimoto, Takashi Sawada, “Hydrogen Penetration Efficiency into High-Strength Steel”, Proceedings of the 79th Annual Meeting of the Electrochemical Society of Japan, 205, 2012.

上述した水素脆性を抑制するために、水素が侵入しても金属組織内に強く束縛されて金属組織に影響しない材料の検討、また、鋼材の合金組成を検討するなど、種々の水素脆性対策技術が模索されている。しかしながら、いずれにしても鋼材を用いている場合、コンクリート内という環境であっても鋼材の表面で水素が発生可能性は現段階では否定できない。これが鋼材に吸着し、鋼種によっては水素脆性を引き起こす発端となり得る。
したがって、条件によっては水素脆性が引き起こされてしまう可能性があるという問題がある。
In order to suppress the hydrogen embrittlement mentioned above, various hydrogen embrittlement countermeasure technologies such as examination of materials that are strongly constrained in the metal structure even if hydrogen invades and do not affect the metal structure, and alloy compositions of steel materials are examined. Is being sought. However, in any case, when steel materials are used, the possibility of hydrogen generation on the surface of the steel materials cannot be denied at this stage even in an environment of concrete. This is adsorbed on the steel material, and depending on the steel type, it can be the starting point for causing hydrogen embrittlement.
Therefore, there is a problem that hydrogen embrittlement may be caused depending on conditions.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コンクリートに埋設して用いられる鋼材における水素脆化を抑制することを目的とする。   This invention is made | formed in order to eliminate the above problems, and it aims at suppressing the hydrogen embrittlement in the steel materials embed | buried and used for concrete.

本発明に係る水素脆化の抑制方法は、鋼材の表面を疎水化する第1工程と、表面が疎水化された鋼材をコンクリート中に埋設してコンクリート構造を作製する第2工程とを少なくとも備える。   The method for suppressing hydrogen embrittlement according to the present invention includes at least a first step of hydrophobizing the surface of a steel material and a second step of embedding the steel material having a hydrophobized surface in concrete to produce a concrete structure. .

上記水素脆化の抑制方法において、第1工程では、鋼材の表面をシランカップラーで修飾して疎水化すればよい。   In the hydrogen embrittlement suppression method, in the first step, the surface of the steel material may be modified with a silane coupler to be hydrophobized.

以上説明したように、本発明によれば、鋼材の表面を疎水化するようにしたので、コンクリートに埋設して用いられる鋼材における水素脆化が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since the surface of the steel material is made hydrophobic, it is possible to obtain an excellent effect that hydrogen embrittlement in the steel material embedded and used in concrete can be suppressed.

図1は、本発明の実施の形態における水素脆化の抑制方法を説明するフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for suppressing hydrogen embrittlement in an embodiment of the present invention. 図2は、鉄筋101が埋設されているコンクリート102の一部構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a partial configuration of the concrete 102 in which the reinforcing bars 101 are embedded. 図3は、鉄筋101が埋設されているコンクリート102の一部構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a partial configuration of the concrete 102 in which the reinforcing bars 101 are embedded.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における水素脆化の抑制方法を説明するフローチャートである。この水素脆化の抑制方法は、まず、第1工程S101で、鋼材の表面を疎水化する。例えば、鋼材の表面をシランカップラーで修飾(シランカップラー剤を塗布)して疎水化すればよい。次に、第2工程S102で、表面が疎水化された鋼材をコンクリート中に埋設してコンクリート構造を作製する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for suppressing hydrogen embrittlement in an embodiment of the present invention. In this hydrogen embrittlement suppression method, first, the surface of the steel material is hydrophobized in the first step S101. For example, the surface of the steel material may be hydrophobized by modifying it with a silane coupler (applying a silane coupler agent). Next, in the second step S102, a steel structure having a hydrophobic surface is embedded in the concrete to produce a concrete structure.

上述した実施の形態によれば、作製されたコンクリート構造においては、例えば、コンクリートに埋設されている鋼材の表面を覆う状態に水の膜などが形成されにくくなり、水の存在による、鋼材への水素侵入が抑制されるようになる。   According to the above-described embodiment, in the produced concrete structure, for example, a water film or the like is hardly formed in a state of covering the surface of the steel material embedded in the concrete. Hydrogen intrusion is suppressed.

コンクリート中は、アルカリ性と考えることができ、このような環境下では、鋼材表面に存在する水が電子を受け取って水素と水酸化物イオンとを生成し、この水素が鋼材に侵入することで水素脆性が発生するものと考えられる(非特許文献1参照)。このため、コンクリート内の鋼材に対する水素侵入は、水の存在による上述した生成反応で律速されることになる。従って、この反応が抑制できれば、水素侵入が抑制できる。   In concrete, it can be considered to be alkaline, and in such an environment, water present on the steel surface receives electrons to generate hydrogen and hydroxide ions, and this hydrogen penetrates into the steel material to generate hydrogen. It is considered that brittleness occurs (see Non-Patent Document 1). For this reason, the hydrogen penetration | invasion with respect to the steel material in concrete will be rate-limited by the production | generation reaction mentioned above by presence of water. Therefore, if this reaction can be suppressed, hydrogen intrusion can be suppressed.

上述した反応は、鋼材表面に水が接して存在するために発生するため、この水を減じることがひとつの解決方法としてあげられる。コンクリート中には、一般に気泡と水が同時に存在している。これに対し、鋼材の表面を疎水性にすれば、水の濡れが悪くなり気泡に由来する空気と接する表面積を、水と接する表面積より大きくすることが可能と考えられる。   Since the reaction described above occurs because water is in contact with the steel surface, reducing this water is one possible solution. In concrete, bubbles and water are generally present simultaneously. On the other hand, if the surface of the steel material is made hydrophobic, it is considered that the surface area in contact with the air derived from the bubbles becomes larger than the surface area in contact with water because the water becomes poor.

従って、コンクリート構造体を作製する時に、鉄筋などの鋼材をコンクリートに埋設する前に、鋼材表面を疎水化する。疎水化は、よく知られた既存の方法を利用すればよいが、一例として、鋼材の表面にシランカプラーを修飾すればよい。鋼材表面の一部または全部をシランカプラーで修飾すれば、鋼材表面の疎水性を向上させることが可能である。例えば、シランカップラーを用いることで、水接触角120度近辺まで鋼材の表面を疎水化できる。   Therefore, when producing a concrete structure, the steel material surface is hydrophobized before a steel material such as a reinforcing bar is embedded in the concrete. Hydrophobization may be performed by using a well-known existing method. For example, a silane coupler may be modified on the surface of a steel material. If a part or the whole of the steel material surface is modified with a silane coupler, the hydrophobicity of the steel material surface can be improved. For example, by using a silane coupler, the surface of the steel material can be hydrophobized up to a water contact angle of around 120 degrees.

コンクリートは、絶対乾燥状態(0%)から完全湿潤状態(100%)まで水を含有し得る(飽水率)が、通常の環境では、これらの中間の値をとる。一般の屋外環境では、雨天および晴天などの天候により変動するが、50〜70%前後の飽水率である。   Concrete can contain water from the absolute dry state (0%) to the fully wet state (100%) (saturation rate), but in normal circumstances it takes an intermediate value between these. In a general outdoor environment, the water saturation rate is around 50 to 70%, although it varies depending on the weather such as rainy weather and fine weather.

このとき、図2に示すように、鉄筋101を埋設しているコンクリート102の細孔102aは、平均として体積で50〜70%が水で埋まり、残りが空気により満たされる。コンクリート102は、複数の細孔102aを備える多孔体である。ただし、通常は、鉄筋101の表面は親水性であるために水に濡れ、鉄筋101の近辺のコンクリート102における細孔102aのほぼ100%が、水111で満たされ、水111の層が鉄筋101の表面を覆っている。このように、水111と接する部分が電気化学反応(電荷の移動)に寄与し、この反応で水素が発生する。   At this time, as shown in FIG. 2, the pores 102a of the concrete 102 in which the reinforcing bars 101 are embedded are, on average, 50 to 70% of the volume filled with water, and the remainder is filled with air. The concrete 102 is a porous body having a plurality of pores 102a. However, normally, since the surface of the reinforcing bar 101 is hydrophilic, it gets wet with water, almost 100% of the pores 102a in the concrete 102 in the vicinity of the reinforcing bar 101 are filled with the water 111, and the layer of the water 111 is the reinforcing bar 101 Covering the surface. In this way, the portion in contact with the water 111 contributes to the electrochemical reaction (charge transfer), and hydrogen is generated by this reaction.

この状態では、図3に示すように、鉄筋101の表面にシランカップリング層103が形成されているなどにより疎水化されていると、鉄筋101の表面近傍にあるコンクリート102の細孔102aにも、水112と空気113の層が生じる。接触角120度の疎水性(撥水性)の表面が形成されていると、体積で50%程度までの空気113が入り得る。   In this state, as shown in FIG. 3, if the silane coupling layer 103 is formed on the surface of the reinforcing bar 101 and is made hydrophobic, the pores 102 a of the concrete 102 near the surface of the reinforcing bar 101 are also formed. A layer of water 112 and air 113 is produced. When a hydrophobic (water-repellent) surface having a contact angle of 120 degrees is formed, air 113 up to about 50% by volume can enter.

このような状態では、鉄筋101において、空気113がある面は電気化学反応には寄与せず、水112と接する部分のみが電気化学反応に寄与して水素が発生する。この場合では、水素発生の電気化学反応を起こす部分が減少する。   In such a state, the surface with the air 113 in the reinforcing bar 101 does not contribute to the electrochemical reaction, and only the portion in contact with the water 112 contributes to the electrochemical reaction and hydrogen is generated. In this case, the portion causing the electrochemical reaction of hydrogen generation is reduced.

電荷の移動による抵抗は、電気化学的には電荷移動抵抗(分極抵抗)として測定され、疎水化していない鉄筋をコンクリートに埋設して1か月の屋外暴露をした場合には、0.6MΩcm2であったが、鉄筋表面を疎水性にしてからコンクリートに埋設して1か月の屋外暴露をした場合には1MΩcm2の程度であった。 Resistance due to charge transfer is electrochemically measured as charge transfer resistance (polarization resistance). When exposed to outdoor outdoor for one month with non-hydrophobic rebars embedded in concrete, 0.6 MΩcm 2 However, when the surface of the reinforcing bar was made hydrophobic and then buried in concrete and exposed outdoors for one month, it was about 1 MΩcm 2 .

鉄筋表面が疎水性とされている場合、電気化学反応の電荷移動抵抗が大きくなるので、水素の発生反応は抑制される。水素ガスの鉄筋表面付近の濃度pH2と侵入水素量psolは、ジーベルツ則により「psol∝pH2 1/2」の関係で相関することが知られている。水素発生が抑制されれば、鋼材に対する侵入水素量も抑制されることになる。従って、水素脆化の原因である水素の鋼材への侵入量が小さくなり、水素脆化が抑制されるようになる。 When the surface of the reinforcing bar is made hydrophobic, the charge transfer resistance of the electrochemical reaction is increased, so that the hydrogen generation reaction is suppressed. It is known that the concentration p H2 of the hydrogen gas in the vicinity of the reinforcing bar surface and the amount of penetrating hydrogen p sol are correlated by the relationship of “p sol ∝p H2 1/2 ” according to the Siebelz rule. If hydrogen generation is suppressed, the amount of intrusion hydrogen to the steel material is also suppressed. Accordingly, the amount of hydrogen entering the steel, which is the cause of hydrogen embrittlement, is reduced, and hydrogen embrittlement is suppressed.

以上に説明したように、本発明では、コンクリートに埋設される鋼材の表面を疎水化しておくようにしたので、鋼材表面における水が電子を受け取って水素と水酸化物イオンとを生成する反応が抑制でき、鋼材における水素脆化が抑制できるようになる。   As described above, in the present invention, since the surface of the steel material embedded in the concrete is made hydrophobic, water on the surface of the steel material receives electrons to generate hydrogen and hydroxide ions. Therefore, hydrogen embrittlement in the steel material can be suppressed.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…鉄筋、102…コンクリート、102a…細孔、103…シランカップリング層、111…水、112…水、113…空気。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Reinforcing bar, 102 ... Concrete, 102a ... Pore, 103 ... Silane coupling layer, 111 ... Water, 112 ... Water, 113 ... Air.

Claims (2)

鋼材の表面を疎水化する第1工程と、
表面が疎水化された前記鋼材をコンクリート中に埋設してコンクリート構造を作製する第2工程と
を少なくとも備えることを特徴とする水素脆化の抑制方法。
A first step of hydrophobizing the surface of the steel material;
A method of suppressing hydrogen embrittlement, comprising at least a second step of embedding the steel material having a hydrophobic surface in concrete to produce a concrete structure.
請求項1記載の水素脆化の抑制方法において、
前記第1工程では、前記鋼材の表面をシランカップラーで修飾して疎水化することを特徴とする水素脆化の抑制方法。
The method for suppressing hydrogen embrittlement according to claim 1,
In the first step, a method for suppressing hydrogen embrittlement, wherein the surface of the steel material is modified with a silane coupler to be hydrophobized.
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