JP2015137424A - 陽極用溶射材料、陽極用溶射皮膜及びコンクリート構造物の電気防食方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このうち流電陽極方式は、鋼材よりも自然電位が卑な金属からなる陽極をコンクリート表面等に設置し、該陽極と鋼材とを導線等によって電気的接続し、コンクリートを電解質とする電池作用によって、陽極と鋼材間に防食電流を生じさせて、鋼材の腐食を防止する方法である。
そこで、陽極材料となりうる金属をコンクリート表面に溶射して溶射皮膜によって陽極を形成することが考えられている。
また、特許文献2には、陽極用の陽極用溶射材料として、亜鉛、インジウム、アルミニウムを特定の組成で含むアルミニウム合金が記載されている。
さらに、特許文献3には、コンクリート表面に骨材を含むプライマーを塗布してから、アルミニウム、アルミニウム合金、又は亜鉛−アルミニウム擬合金等の溶射材料から溶射皮膜を形成する電気防食方法が記載されている。
また、同様に防食電流の発生量が多すぎると、溶射皮膜中の金属の溶出速度が速くなり該溶出した金属イオンがコンクリート中の成分と反応を起し水酸化物等として析出する場合がある。かかる析出物が界面に多く生じた場合には電流量が低下し、陽極を長期間使用することが困難になる。
したがって、長期間電気防食を行なう場合には、防食電流の発生量を適度な範囲に調整することが必要であるが、特許文献1乃至3に記載の陽極用溶射材料を用いて形成された溶射皮膜では、防食電流の発生量を適度な範囲に調整することは不十分である。
また、本発明は、防食電流を適度な発生量にすることで、比較的長期間防食電流を通電させることができる電気防食方法を提供することを課題とする。
90質量%未満のアルミニウムと亜鉛とインジウムとを含む合金からなる第一金属部分と、
アルミニウムを90質量%以上含む第二金属部分とを備える陽極用溶射材料であって、
亜鉛を1.0質量%超10質量%以下、インジウムを0.01質量%以上0.1質量%以下含み、
アルミニウムの総量に対する前記第二金属部分中に含まれるアルミニウムの量の割合が65質量%以上98質量%以下である。
前記陽極用溶射材料を、内部に鋼材が配置されたコンクリートの表面に溶射することで溶射皮膜を形成し、
前記溶射皮膜を陽極とし、前記鋼材を陰極として、両極間に電流を流す。
また、本発明によれば、防食電流を適度な発生量にすることで、比較的長期間防食電流を通電させることができる電気防食方法を提供することができる。
まず、本実施形態の陽極用溶射材料について説明する。
本実施形態の陽極用溶射材料は、90質量%未満のアルミニウムと亜鉛とインジウムとを含む合金からなる第一金属部分と、アルミニウムを90質量%以上含む第二金属部分とを備える陽極用溶射材料であって、亜鉛を1.0質量%超10質量%以下、インジウムを0.01質量%以上0.1質量%以下含み、アルミニウムの総量に対する前記第二金属部分中に含まれるアルミニウムの量の割合が65質量%以上98質量%以下である。
第一金属部分中における亜鉛の含有量は特に限定されるものではないが、例えば、10質量%以上30質量%以下、好ましくは18質量%以上28質量%以下である。
第一金属部分中におけるインジウムの含有量は特に限定されるものではないが、例えば、0.1質量%以上0.3質量%以下、好ましくは0.15質量%以上0.25質量%以下である。
第一金属部分中における、アルミニウムの含有量は90質量%未満であれば、特に限定されるものではないが、例えば60質量%以上85質量%以下、好ましくは70質量%以上80質量%以下である。
当該第一金属部分中の各金属の含有量が前記範囲である場合には、溶射用皮膜材料を用いた溶射皮膜を電気防食用の陽極とした場合に、防食電流を発生させやすくなるため好ましい。
第一金属部分がこれらの他の成分を含む場合にはその含有量は、例えば、10質量%以下、好ましくは6質量%以下であることが挙げられる。他の成分の含有量がかかる範囲であれば、陽極用溶射材料を用いた溶射皮膜を電気防食用の陽極とした場合に、防食電流の発生を阻害することを抑制できるため好ましい。
第二金属部分中のアルミニウムの含有量は、90質量%以上100質量%以下、好ましくは96質量%以上100質量%以下、さらに好ましくは100質量%である。
第二金属部分中のアルミニウムの含有量が前記範囲である場合には、溶射用皮膜材料を用いた溶射皮膜を電気防食用の陽極とした場合に、長期間防食電流を発生させ続けやすくなるため好ましい。
第二金属部分がこれらの他の成分を含む場合にはその含有量は、例えば、10質量%以下、好ましくは6質量%以下であることが挙げられる。他の成分の含有量がかかる範囲であれば、陽極用溶射材料を用いた溶射皮膜を電気防食用の陽極とした場合に、防食電流の発生を阻害することを抑制できるため好ましい。
第二金属部分中に含まれるアルミニウムの量の割合が前記範囲である場合には、適度な防食電流を長期間発生させ続けやすくなるため好ましい。
陽極用溶射材料中の各金属の含有量が前記範囲である場合には、溶射用皮膜材料を用いた溶射皮膜を電気防食用の陽極とした場合に、長期間防食電流を発生させ続けやすくなる。
具体的には、本実施形態の陽極用溶射材料を第一金属部分と第二金属部分とに分離し、第一金属部分及び第二金属部分における各金属含有量を蛍光X線分析装置でそれぞれ測定し、該測定値と、第一金属部分と第二金属部分の含有比率とから、各金属量を測定する。
第一金属部分と第二金属部分とを備える陽極用溶射材料を得る方法としては、例えば、第一金属部分と第二金属部分とをそれぞれ粉状にして両者を混合してもよく、或いは、一方を粉状、他方をシート状に形成、粉状の金属を内部に収容したシート状金属を巻回することで線状に形成してもよい。
このような線状の陽極用溶射材料の場合、粉状の第一金属部分を、シート状の第二金属部分内に収容して巻回することが好ましい。
アーク溶射法等の溶射方法で溶射する場合、溶射材料は線状であることが必要であるが、アルミニウム、亜鉛及びインジウムを含む合金は一般的に線状に成型することが難しい。しかし、シート状の第二金属部分内に粉状の第一金属部分を収容して巻回することで、成型困難なアルミニウム、亜鉛及びインジウムを含む合金である第一金属部分を、線状の陽極用溶射材料とすることが容易にできる。
本実施形態の陽極用溶射皮膜は、基材としてのコンクリートの表面等に前記陽極用溶射材料を溶射することで形成されうる。
陽極用溶射皮膜の厚みは、特に限定されるものではなく、電気防食用の陽極として要求される防食電流量、寿命等に合わせて適宜調整することができる。例えば、100μm以上400μm以下、好ましくは200μm以上300μm以下程度が挙げられる。かかる厚みの範囲であれば、適切な防食電流を比較的長期間維持することができるため好ましい。
第一金属部分中のアルミニウム、亜鉛及びインジウムを含む合金は、第二金属部分の主成分であるアルミニウムよりも卑であり、該アルミニウムは鋼材の主な材料である鉄よりも卑である。よって、かかる溶射皮膜を電気防食用の陽極として使用した場合には、よりイオン化しやすい第一金属部分と、第一金属部分よりはイオン化しにくく、鋼材よりはイオン化しやすいアルミニウムを多く含む第二金属部分とが粒子として混在することにより、比較的長期間にわたって適度な電気防食電流量を発生させることができる。
本実施形態のコンクリート構造物の電気防食方法は、前述のような本実施形態の陽極用溶射材料を、内部に鋼材が配置されたコンクリートの表面に溶射することで溶射皮膜を形成し、前記溶射皮膜を陽極とし、前記鋼材を陰極として、両極間に電流を流す防食方法である。
陽極用溶射皮膜を形成するコンクリート構造物の表面が、例えば、構造物の側面側や下面側等のように板状等の陽極材をボルト等の固定手段で固定するような大掛かりな設置工事を行いにくい面であったり、あるいは、構造物表面が凹凸や曲面を有する複雑形状であったりしても、本実施形態の電気防食方法においては、溶射によってコンクリート表面に陽極用溶射皮膜を形成するため、陽極の設置が容易に行なえ、且つ、コンクリート表面の形状に密着した状態で陽極を設置することができる。
例えば、アーク溶射法、フレーム溶射法、プラズマ溶射法等が挙げられ、中でもプラズマ溶射が、緻密で合金材料の溶射時の成分変化が少ないので好ましい。
前記前処理としては、例えば、サンドブラスト等のようにコンクリート表面に凹凸を形成する処理や、骨材等を含むプライマー層を形成する処理等が挙げられる。
すなわち、溶射皮膜は前記第一金属部分と前記第二金属部分とがそれぞれ別の金属粒子として混在する皮膜であり、第一金属部分及び第二金属部分はいずれも鋼材の主成分である鉄よりも卑であり、イオン化しやすい。従って、溶射皮膜と鋼材とが導線等で接続されている場合には、鋼材の腐食反応よりも、溶射皮膜中の金属がイオン化する反応が優先的に進み、鋼材の腐食反応を抑制する。そして、溶射皮膜、コンクリート、鋼材、導線、溶射皮膜による電池が形成され、防食電流が流れて鋼材表面の電位差を解消することで鋼材の腐食を防止することができる。
よって、長期間電気防食電流が流れることで、第一金属部分がコンクリート界面付近から消費されていく。しかし、第一金属部分が消費された後にも、第二金属部分が該界面付近には存在するため、該第二金属部分によって防食電流が維持される。
また、第一金属部分から溶出された金属イオンがコンクリート中の他の成分(水酸化イオン等)と反応して析出物として陽極に付着し、イオン化反応が低下することで防食電流が弱くなるおそれがある。
これらの場合には溶射皮膜は陽極として機能しなくなり、交換が必要となる。
防食電流の発生量は、溶射皮膜中に含まれる各金属の種類、量、あるいは溶射皮膜の厚みによって異なるが、本実施形態の電気防食方法においては、例えば、平均電気密度を0.5mA/m2〜10.5mA/m2の範囲にすることができる。従って、比較的長期間電気防食を行なうことができる。
陽極用溶射材料として以下のものを準備した。
・粉体1:Al:Zn:In=79.8:20:0.2(重量比)
・粉体2:Al:Zn:In=32.3:67:0.7(重量比)
・粉体3:Al:Zn:In=90.69:9.0:0.31(重量比)
・シールド材:アルミニウム製シート材
前記粉体1、粉体2または粉体3を、表1に示すようなシールド材との重量比になるように、シールド材の厚みを変化して、巻回したシールド材の内部に収容して線状材料No.1〜9を作製した。
幅200mm×奥行き150mm、厚さ100mmの直方体状のコンクリート供試体を作製した。
各供試体中には上面(溶射皮膜を形成する面)から深さ30mm、奥行きの中心部の位置において、幅方向と並行になるように径10mm、長さ200mmの鉄筋を埋め込んだ。
前記各供試体の上面に前記陽極用溶射材料を溶射して溶射皮膜を形成した(実施例1〜3、比較例1〜7)。
溶射装置としてプラズマアーク溶射機(富士技建社製)を用い、粗面形成材の主材料エポキシ樹脂の耐熱温度120℃を超えないように溶射移行速度を増し、即ち一層当たりの溶射厚さを20〜40μmとし、複数層を積層することで目標厚み300μmとなるように形成した。
尚、実施例1の溶射皮膜の断面を、SEM/EDS(装置名:日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて撮影したSEM写真を図1(100倍)、および図2(200倍)に示す。尚、図2は、図1に示す断面における溶射皮膜部分のSEM写真である。
金属量を以下の方法で測定した。
まず、前記粉体1〜3をそれぞれ分析試料として、粉体中のAl、Zn、In量(重量%)をXRF(装置名:蛍光X線分析装置、Rigaku社製)を用いて測定した。
つぎに、シールド材をカットしたものを分析試料として、同じ装置を用いてAl、Zn、In量を測定した。測定の結果、シールド材は純度100%のアルミニウムであった。
さらに、線状材料No.1〜9を、粉体とシールド材とに分けて、それぞれの重量を測定した。
前記XRFによって測定された各粉体およびシールド材中の金属量と、粉体とシールド材との重量比とから、線状材料中の各金属の割合を算出した。
表1に、各粉体の金属量、材料中の全Al量および全Al量に対するシールド材中のAl量を算出した結果を表に示す。
溶射皮膜を形成した各供試体を湿潤環境(90%RH)で6ヶ月間おき、その間、溶射皮膜と、鉄筋との間に無抵抗電流計(装置名:HA−104A、北斗電工社製)を設置して、電流密度を測定した。
6ヶ月間の平均電流密度、最小電流密度、及び最大電流密度を表1に示す。
尚、平均電流密度は測定した電流密度の和を測定回数で除すことで算出した。
前記電流密度を測定した各供試体の6ヶ月経過後における溶射皮膜の表面形状を目視にて観察した。
結果を表1に示す。
一方、材料中の亜鉛又は/及びインジウム量が多く、シールド材が含まれていない比較例1、4、7、材料中の全アルミニウムに対するシールド材からのアルミニウム量が少ない比較例3、材料中の亜鉛及びインジウム量が多い比較例5では、平均電流密度が20mA/m2を超えているか、平均電流密度が1.0mA/m2より小さく、6ヶ月経過後には皮膜表面に析出物や膨れが見られた。
材料中の亜鉛及びインジウム量が少ない比較例2、材料中の全アルミニウムに対するシールド材からのアルミニウム量が多い比較例6、粉体中のアルミニウム量が多い比較例8、粉体中のアルミニウム量が多く、材料中の亜鉛及びインジウム量が少なく、且つ、材料中の全アルミニウムに対するシールド材からのアルミニウム量が多い比較例9では平均電流密度が1.0mA/m2より小さかった。
すなわち、各実施例は、各比較例よりも長期間効果的に電気防食電流を流すことができることが明らかである。
Claims (4)
- 90質量%未満のアルミニウムと亜鉛とインジウムとを含む合金からなる第一金属部分と、
アルミニウムを90質量%以上含む第二金属部分とを備える陽極用溶射材料であって、
亜鉛を1.0質量%超10質量%以下、インジウムを0.01質量%以上0.1質量%以下含み、
アルミニウムの総量に対する前記第二金属部分中に含まれるアルミニウムの量の割合が65質量%以上98質量%以下である陽極用溶射材料。 - 前記第一金属部分は、亜鉛を10質量%以上30質量%以下、インジウムを0.1質量%以上0.3質量%以下含む請求項1に記載の陽極用溶射材料。
- 請求項1又は2に記載の陽極用溶射材料を基材に溶射することで形成された陽極用溶射皮膜。
- 請求項1又は2に記載の陽極用溶射材料を、内部に鋼材が配置されたコンクリートの表面に溶射することで溶射皮膜を形成し、
前記溶射皮膜を陽極とし、前記鋼材を陰極として、両極間に電流を流すコンクリート構造物の電気防食方法。
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